A grafit mágneses? Tudja meg az igazságot

Észrevettem, hogy van némi vita arról, hogy a grafit mágneses-e vagy sem. Mint egy profi neodímium mágnesek szállítóúgy döntöttem, hogy beleásom magam a részletekbe, és a szén-dioxid-kérdés végére járok.

Hadd mutassam be, mit fedeztem fel a grafitmágnesességgel kapcsolatos kutatásom során.

A grafit mágneses?

A rövid válasz az, hogy a grafitot általában nem mágnesesnek vagy diamágnesesnek tekintik.. Ez azt jelenti, hogy a tiszta grafit nem viselkedik mágnesként, sőt, a szénatomok elrendezése miatt enyhén taszítja a mágneses mezőket.

Ez alól a szabály alól azonban van néhány összetett és kivételes eset:

• A grafit páros elektronjai és szerkezete miatt gyenge diamágnesességet mutathat.
• Bizonyos körülmények között, például rácshibák vagy protonbesugárzás esetén a grafit ferromágnesességet mutathat.
• Az olyan tényezők, mint a szennyeződések és az allotrop szerkezet befolyásolhatják a grafit mágneses tulajdonságait.
• Az egyrétegű grafén kivételes viselkedést mutat, akárcsak a grafit bizonyos külső területeken.
• A legújabb fejlesztések megmutatták, hogyan lehet a grafitot úgy módosítani, hogy az mágnesessé váljon.

Tehát bár a természetes grafit általában nem mágneses, tulajdonságai összetettek. Bizonyos körülmények között az indukált változások mágneses viselkedéshez vezethetnek.

Bontsuk ki a részleteket...

Diamagnetizmus: A grafit alapállapota

A grafit mágnesességének megértéséhez a kulcs a szénatomok szerkezetében rejlik.

A grafit réteges felépítésű, minden egyes atom három szomszédos atomhoz kapcsolódik egy méhsejtszerű rácsban. A felesleges elektron "pi-kötést" képez a felette és alatta lévő rétegekkel.

Ez a pi-kötés delokalizálja az elektront, így az szabadon mozoghat. Ezért vezeti a grafit az elektromosságot annak ellenére, hogy félfémnek számít.

De mit jelent ez a mágnesességre nézve?

Nos, mivel az elektronok mindegyike párosítva van, minden egyes szénatomnak van nincs nettó mágneses momentum. Így az atomok rétegei inkább kioltják egymást, minthogy mágnesesen összehangolódnának.

Ezért van az, hogy a grafit alapértelmezés szerint diamágneses tulajdonsággal rendelkezik, ami azt jelenti, hogy gyengén taszítja a külső mágneses tereket, ahelyett, hogy vonzaná, mint a vas.

A szemléltetés érdekében a diamágneses anyagokat úgy képzelhetjük el, mint enyhe mágneses tükröket. Visszaverik a rájuk ható mezőt, mert a páros elektronjaik ellenállnak az átirányításnak.

Ezért van az, hogy a tiszta grafit általában kevés mágnesességet mutat - minden atom ellensúlyozza a szomszédja apró mezejét.

Szerencsére a grafitnak további furcsaságai vannak, amelyek némi mágneses személyiséget adnak...

Amikor a grafit ferromágneses lesz

A közhiedelemmel ellentétben, az érintetlen grafit lehet ferromágnesességet mutatnak, még szobahőmérsékleten is.

A titok a pi-kötésű elektronrétegekben rejlik. Kiderült, hogy ezek mágneses kölcsönhatásba léphetnek, attól függően, hogy a lapok hogyan rakódnak egymásra.

A kutatók megállapították, hogy amikor két grafénréteg diamágneses irányultsága ellentétes, mágneses nyomatékaik kioltják egymást (antiferromágneses egymásra rétegződés). Más orientációval kis mágneses tereket hozhatnak létre (ferromágnesesség).

De a rétegek orientációja önmagában nem felelős a grafit rejtett mágnesességéért. A szerkezeti hibák is döntő szerepet játszanak.

Tudja, egyetlen anyag sem tökéletes. Amikor a grafit kialakul, a rétegek topológiai hibákat hagynak maguk után: hiányzó atomok, 8 tagú széngyűrűk a hatszögletűek helyett, ilyesmik.

Ezek a hibák a grafit mágneses személyiségének hiányát okozzák. Ugyanúgy szabad elektronokat vezetnek be, mintha a grafitot más elemekkel doppingolnák. Kivéve, hogy itt a mágnesesség csak a szénből ered!

A rácshibák 2D mágneses hálózatokat hoznak létre

A hibamágnesesség tanulmányozására a tudósok olyan technikákat használnak, mint a pásztázó alagútmikroszkópia. Ez lehetővé teszi számukra, hogy rétegenként vizsgálják meg a grafit szerkezetét.

A mikroszkópia fejlődésének köszönhetően holland kutatók 2008-ban hihetetlen dolgot találtak.

Kiderült, hogy sok hibahely mágnesesen kapcsolódik szomszédjaihoz. Ez egy 2D-s mágneses hálózatot alkot a oldalon. minden egyes grafénlap!

Mágnesesen kapcsolt hibák hálózata (doi.org/10.1038/nphys1399)

A holland csapat kimutatta, hogy ezek a 2D-sávok a lapokon keresztül is összekapcsolódnak. Tehát valójában mágnesesen aktív szabálytalanságok 3D-s rácsáról van szó az egyébként diamágneses grafitban!

Nem csoda, hogy a grafit ilyen összetett mágneses tulajdonságokkal rendelkezik. 🙂 .

A szennyeződések és allotrópok zavarják a mágnesességet.

A beépített hibákon kívül idegen elemek is bevezethetik a mágnesességet. Például bór vagy nitrogén hozzáadása olyan tartalék elektronokat hagy, amelyek lehetővé teszik a ferromágnesességet.

Ez a doppinghatás azért fontos, mert a nyers grafit sok szennyeződést tartalmaz. Por, agyag, apró fémrészecskék - ezek mind befolyásolják a mágneses választ.

Ezért érzik a különböző grafitforrások többé-kevésbé mágnesesnek. A szennyeződések szintje kiszámíthatatlanul változik, így a mágnesesség nagymértékben függ az adott mintától.

Tovább bonyolítja a helyzetet, hogy a grafitnak vannak allotrópoknak nevezett szerkezeti változatai. A grafén (egyrétegű), a nanocsövek, a hajgömbök, a szén, a gyémánt... mind közös tulajdonságokkal rendelkeznek, mint például a vezetőképesség, egyedi szerkezetük ellenére.

És mivel a geometria határozza meg az anyag elektronkonfigurációját, minden szénallotípus másképp lép kölcsönhatásba a mágnesességgel:

• Gyémánt - nem mágneses
• Grafén - saját kvantummágnesesség
• Nanocsövek - változó mágnesesség hibákból
• Hajógömbök - diamágneses
• Amorf szén - komplex mágnesesség a szennyeződések miatt

Tehát a "Mágneses-e a grafit?" nem a legjobb kérdés. A válasz a következőktől függ amely grafitra gondolsz!

Nem csoda, hogy ez egy olyan zavaros téma 🙂 .

Külső tényezők hajlítják a grafit mágnesességét

A beépített tulajdonságok, például a hibák és a geometria mellett külső hatások is módosítják a grafit mágnesességét.

A tudósok megállapították, hogy a grafit protonokkal való besugárzásával ferromágnesességet tudnak előidézni. A sugárzás elmozdítja a szénatomokat, és olyan hibákat hagy, amelyek mágnesesen kapcsolódnak. Elég vad!

A hőmérséklet szintén megváltoztatja a grafit diamágnesességét, bár nem sokkal. Kiderült, hogy a hőenergia könnyen legyőzi a rétegek közötti gyenge mágneses csatolást.

Ez azt jelenti, hogy a rendkívül magas hőmérséklet (gondoljunk csak az ívkemencére) hatással van a grafit elektronkonfigurációjára. Tehát míg a mindennapi hőmérséklet elhanyagolható változást hoz, a szélsőséges hő némileg módosítja a mágneses választ.

Az utolsó külső mágnesesség-módosító egyszerűen külső mágneses mezőt alkalmaz. Még egy hűtőmágnes is képes a grafitban enyhe ellentétes mezőt előidézni a diamágnesességnek köszönhetően.

Az erős laboratóriumi mezők felerősítik ezt a hatást. Az indukált mező azonban viszonylag kicsi és átmeneti marad - a grafit nem válik tartósan mágnesessé, mint a vas.

Az előrelépések lehetővé teszik a mágneses grafitot

A jó hír az, hogy a tudósok megtalálják a módját annak, hogy megkerüljék a grafit ingatag mágnesességét. Az ügyes kémiai módosítás az egyik út...

A Rice Egyetem kutatói például hidroxilcsoportok hozzáadásával mágnesessé tették a grafitot. Vegyületük (fluorográf) még perzselő hőmérsékleten is megőrizte mágnesességét - ez határozottan nem tipikus grafit viselkedés!

Fluorográfén rács - Hitel A.G. Rajan et. al (10.1021/jacs.6b12239)

Eközben mások megállapították, hogy a grafén besugárzása mágnesessé is teszi azt.

Az olyan megközelítések, mint a proton-zapping grafén, valószínűleg nem működnek méretarányosan. De kutatási szinten megmutatják, hogy a grafitot kellő kreativitással mágnesessé lehet tenni.

Következtetés: Ez... bonyolult!

Összefoglalva tehát - a grafit mágneses?

A nikkeltúra azt mondja, hogy diamágneses és általában nem mágneses. És a rendezett grafitkristályok szerkezete alapján ez egy pontos értékelés.

De ha közelebbről szemügyre vesszük, mindenféle összetettséget fedezhetünk fel:

• A rácsban lévő hibák helyileg mágnesességet indukálnak.
• Egyes rétegorientációk mágnesesen kapcsolódnak
• A szennyeződések plusz elektronok révén ferromágnesességet kölcsönöznek
• Az allotrop geometria váratlan hatásokat okoz
• A külső tényezők, mint a hő és a mágnesek további befolyást gyakorolnak

És a fejfájás ellenére, amit ez az összetett rendszer okoz, a tudósok a módot találni arra, hogy a grafitot vonzzák a mágnesek... legalábbis a laboratóriumban.

Tehát míg a hétköznapi grafit nem borzasztóan mágneses, az igaz történet sok árnyalatot rejt magában. A grafit és a mágnesesség kapcsolata valójában gazdag és lenyűgözően összetett!