Le graphite est-il magnétique ? Découvrez la vérité

J'ai remarqué qu'il y avait un débat sur la question de savoir si le graphite est magnétique ou non. En tant que professionnel fournisseur d'aimants en néodymeJ'ai donc décidé de me pencher sur les détails et d'aller au fond de cette énigme du carbone.

Permettez-moi de vous présenter les résultats de mes recherches sur le magnétisme du graphite.

Le graphite est-il magnétique ?

En bref, la réponse est la suivante le graphite est généralement considéré comme non magnétique ou diamagnétique. Cela signifie que le graphite pur n'agit pas comme un aimant et qu'il peut même repousser légèrement les champs magnétiques en raison de la disposition de ses atomes de carbone.

Toutefois, cette règle comporte des complexités et des exceptions :

• Le graphite peut présenter un faible diamagnétisme en raison de ses électrons appariés et de sa structure.
• Dans certaines conditions, comme les défauts de réseau ou l'irradiation par des protons, le graphite peut présenter un ferromagnétisme.
• Des facteurs tels que les impuretés et la structure des allotropes peuvent influencer les propriétés magnétiques du graphite.
• Le graphène monocouche présente des comportements exceptionnels, tout comme le graphite dans certains champs externes.
• Des progrès récents ont montré des moyens de modifier le graphite pour le rendre magnétique.

Ainsi, bien que le graphite naturel ait tendance à être non magnétique, ses propriétés sont complexes. Dans des circonstances spécifiques, des changements induits peuvent conduire à des comportements magnétiques.

Décortiquons les détails...

Le diamagnétisme : L'état par défaut du graphite

La clé pour comprendre le magnétisme du graphite réside dans la structure de ses atomes de carbone.

Le graphite se présente sous forme de couches, chaque atome étant lié à trois voisins dans un réseau qui ressemble à un nid d'abeille. L'électron de réserve forme une "liaison pi" avec les couches supérieures et inférieures.

Cette liaison pi délocalise l'électron et lui permet de se déplacer librement. C'est pourquoi le graphite conduit l'électricité bien qu'il soit considéré comme un semi-métal.

Mais qu'est-ce que cela signifie pour le magnétisme ?

Avec ses électrons appariés, chaque atome de carbone a pas de moment magnétique net. Les couches d'atomes ont donc tendance à s'annuler mutuellement au lieu de s'aligner magnétiquement.

C'est pourquoi le graphite adopte par défaut le diamagnétisme, une propriété qui lui permet de repousser faiblement les champs magnétiques externes au lieu d'être attiré comme le fer.

Pour schématiser, on peut considérer les matériaux diamagnétiques comme de légers miroirs magnétiques. Ils renvoient le champ qui les frappe parce que leurs électrons appariés résistent à la réorientation.

C'est pourquoi le graphite pur présente généralement peu de magnétisme : chaque atome contrecarre le minuscule champ de son voisin.

Heureusement, le graphite présente d'autres particularités qui lui confèrent une personnalité magnétique...

Quand le graphite devient ferromagnétique

Contrairement à la croyance populaire, le graphite vierge peut démontrent un ferromagnétisme, même à température ambiante.

Le secret réside dans ces couches d'électrons liés par des liaisons pi. Il s'avère qu'elles peuvent interagir magnétiquement en fonction de la façon dont les feuilles s'empilent les unes sur les autres.

Les chercheurs ont découvert que lorsque deux couches de graphène ont des orientations diamagnétiques opposées, leurs moments magnétiques s'annulent (empilement antiferromagnétique). Avec d'autres orientations, elles peuvent générer de petits champs magnétiques (ferromagnétisme).

Mais l'orientation des couches n'est pas seule responsable du magnétisme caché du graphite. Les défauts structurels jouent également un rôle crucial.

Aucun matériau n'est parfait. Lorsque le graphite se forme, les couches laissent derrière elles des défauts topologiques : atomes manquants, anneaux de carbone à huit chaînons au lieu d'anneaux hexagonaux, etc.

Ces défauts agissent comme la personnalité magnétique qui manque au graphite. Ils introduisent des électrons libres comme le ferait le dopage du graphite avec d'autres éléments. Sauf qu'ici, le magnétisme provient uniquement du carbone !

Des défauts de réseau créent des réseaux magnétiques en 2D

Pour étudier le magnétisme des défauts, les scientifiques utilisent des techniques telles que la microscopie à effet tunnel. Cette technique leur permet de sonder la structure du graphite couche par couche.

Grâce aux progrès de la microscopie, des chercheurs néerlandais ont fait une découverte incroyable en 2008.

Il s'avère que de nombreux sites défectueux se couplent magnétiquement avec leurs voisins. Cela forme un réseau de magnétisme en 2D à l'intérieur chaque feuille de graphène !

Réseau de défauts couplés magnétiquement (doi.org/10.1038/nphys1399)

L'équipe néerlandaise a montré que ces bandes 2D sont également connectées d'une feuille à l'autre. Il s'agit donc d'un réseau 3D d'irrégularités magnétiquement actives dans un graphite par ailleurs diamagnétique !

Il n'est pas étonnant que le graphite ait des propriétés magnétiques aussi complexes 🙂 .

Les impuretés et les allotropes brouillent le magnétisme

Outre les défauts intégrés, des éléments étrangers peuvent également introduire le magnétisme. Par exemple, l'ajout de bore ou d'azote laisse des électrons libres qui permettent le ferromagnétisme.

Cet effet de dopage est important car le graphite brut contient de nombreuses impuretés. La poussière, l'argile, les minuscules particules métalliques ont toutes un impact sur la réponse magnétique.

C'est pourquoi les différentes sources de graphite sont plus ou moins magnétiques. Les niveaux d'impureté varient de manière imprévisible, de sorte que le magnétisme dépend largement de l'échantillon spécifique.

Pour compliquer encore les choses, le graphite présente des variétés structurelles appelées allotropes. Le graphène (simple couche), les nanotubes, les buckyballs, le charbon de bois, le diamant... partagent tous des propriétés telles que la conductivité en dépit de leurs structures uniques.

Et comme la géométrie dicte la configuration électronique d'un matériau, chaque allotrope de carbone interagit différemment avec le magnétisme :

• Diamant - non magnétique
• Graphène - magnétisme quantique intrinsèque
• Nanotubes - magnétisme variable à partir de défauts
• Buckyballs - diamagnétique
• Carbone amorphe - magnétisme complexe dû aux impuretés

La question "Le graphite est-il magnétique ?" n'est donc pas vraiment la meilleure. La réponse dépend qui graphite vous voulez dire !

Il n'est pas étonnant que le sujet soit si confus 🙂 .

Des facteurs externes modifient le magnétisme du graphite

Outre les caractéristiques intrinsèques telles que les défauts et la géométrie, des influences externes modifient également le magnétisme du graphite.

D'une part, les scientifiques ont découvert qu'ils pouvaient induire le ferromagnétisme en irradiant du graphite avec des protons. Le rayonnement déplace les atomes de carbone, laissant des défauts qui se couplent magnétiquement. C'est assez fou !

La température modifie également le diamagnétisme du graphite, mais dans une faible mesure. Il s'avère que l'énergie thermique surmonte facilement le faible couplage magnétique entre les couches.

Cela dit, des températures extrêmement élevées (comme dans un four à arc) ont un impact sur la configuration électronique du graphite. Ainsi, alors que les températures quotidiennes n'entraînent qu'un changement négligeable, la chaleur extrême modifie quelque peu la réponse magnétique.

Le dernier modificateur de magnétisme externe consiste simplement à appliquer un champ magnétique externe. Même un aimant de réfrigérateur peut induire un léger champ opposé dans le graphite grâce au diamagnétisme.

Les champs de laboratoire puissants amplifient cet effet. Mais le champ induit reste relativement minime et temporaire - le graphite ne devient pas magnétique en permanence comme le fer.

Des avancées pour le graphite magnétique

La bonne nouvelle, c'est que les scientifiques trouvent des moyens de contourner le magnétisme capricieux du graphite. Une modification chimique astucieuse est une...

Par exemple, des chercheurs de l'université de Rice ont rendu le graphite magnétique en y attachant des groupes hydroxyles. Leur composé (fluorographène) a conservé son magnétisme même à des températures brûlantes, ce qui n'est pas du tout le comportement typique du graphite !

Réseau de fluorographène - Crédit A.G. Rajan et. al (10.1021/jacs.6b12239)

D'autres ont découvert que l'irradiation du graphène le rendait également magnétique.

Il est peu probable que des approches telles que le graphène à capture de protons fonctionnent à grande échelle. Mais au niveau de la recherche, elles montrent que le graphite peut être rendu magnétique avec suffisamment de créativité.

Conclusion : C'est... compliqué !

En résumé - est graphite magnétique ?

Le tour du nickel nous dit qu'il est diamagnétique et généralement non magnétique. Et si l'on se base sur la structure des cristaux de graphite ordonnés, c'est une évaluation exacte.

Mais en y regardant de plus près, on découvre toutes sortes de complexités :

• Les défauts dans le réseau induisent localement le magnétisme
• Certaines orientations de couches se couplent magnétiquement
• Les impuretés confèrent le ferromagnétisme grâce à des électrons supplémentaires
• La géométrie de l'allotrope provoque des effets inattendus
• Des facteurs externes tels que la chaleur et les aimants ajoutent de l'influence

Et malgré les maux de tête que ce système complexe entraîne, les scientifiques sont trouver des moyens de rendre le graphite attiré par les aimants... du moins en laboratoire.

Si le graphite de tous les jours n'est pas extrêmement magnétique, la réalité est très nuancée. La relation du graphite avec le magnétisme est en fait riche et d'une complexité fascinante !