La grafite è magnetica? Scoprite la verità

Ho notato che si discute se la grafite sia magnetica o meno. Come professionista fornitore di magneti al neodimioHo deciso di scavare nei dettagli e di andare a fondo di questo enigma del carbonio.

Vi spiego cosa ho scoperto nella mia ricerca sul magnetismo della grafite.

La grafite è magnetica?

La risposta breve è che La grafite è generalmente considerata non magnetica o diamagnetica.. Ciò significa che la grafite pura non agisce come un magnete e, anzi, può respingere leggermente i campi magnetici grazie alla disposizione degli atomi di carbonio.

Tuttavia, esistono alcune complessità ed eccezioni a questa regola:

• La grafite può mostrare un debole diamagnetismo a causa degli elettroni appaiati e della sua struttura.
• In determinate condizioni, come difetti reticolari o irradiazione di protoni, la grafite può presentare ferromagnetismo.
• Fattori come le impurità e la struttura degli allotropi possono influenzare le proprietà magnetiche della grafite.
• Il grafene monostrato mostra comportamenti eccezionali, così come la grafite in alcuni campi esterni.
• I recenti progressi hanno mostrato come alterare la grafite per renderla magnetica.

Sebbene la grafite naturale sia tendenzialmente non magnetica, le sue proprietà sono complesse. In circostanze specifiche, i cambiamenti indotti possono portare a comportamenti magnetici.

Vediamo i dettagli...

Diamagnetismo: Lo stato di default della grafite

La chiave per comprendere il magnetismo della grafite risiede nella struttura degli atomi di carbonio.

La grafite ha una struttura a strati, con ogni atomo legato a tre vicini in un reticolo che assomiglia a un nido d'ape. L'elettrone di riserva forma un "legame pi greco" con gli strati superiori e inferiori.

Questo legame pi greco delocalizza l'elettrone, permettendogli di vagare liberamente. Ecco perché la grafite conduce l'elettricità nonostante sia considerata un semimetallo.

Ma cosa significa questo per il magnetismo?

Con gli elettroni tutti accoppiati, ogni atomo di carbonio ha nessun momento magnetico netto. Quindi gli strati di atomi tendono ad annullarsi a vicenda piuttosto che allinearsi magneticamente.

È per questo che la grafite ha la caratteristica di diamagnetismo, ovvero di respingere debolmente i campi magnetici esterni invece di essere attratta come il ferro.

Per visualizzarlo, si può pensare ai materiali diamagnetici come a leggeri specchi magnetici. Riflettono il campo che li colpisce perché gli elettroni accoppiati resistono al riorientamento.

Ecco perché la grafite pura mostra generalmente poco magnetismo: ogni atomo contrasta il piccolo campo del suo vicino.

Fortunatamente, la grafite ha delle caratteristiche aggiuntive che introducono una personalità magnetica...

Quando la grafite diventa ferromagnetica

Contrariamente a quanto si crede, la grafite incontaminata può dimostrano ferromagnetismo, anche a temperatura ambiente.

Il segreto sta negli strati di elettroni legati al pi greco. Si scopre che possono interagire magneticamente a seconda di come si impilano i fogli.

I ricercatori hanno scoperto che quando due strati di grafene hanno orientamenti diamagnetici opposti, i loro momenti magnetici si annullano (impilamento antiferromagnetico). Con altri orientamenti, possono generare piccoli campi magnetici (ferromagnetismo).

Ma l'orientamento degli strati non è il solo responsabile del magnetismo nascosto della grafite. Anche i difetti strutturali giocano un ruolo cruciale.

Vedete, nessun materiale è perfetto. Quando la grafite si forma, gli strati lasciano dietro di sé dei difetti topologici: atomi mancanti, anelli di carbonio a 8 membri anziché esagonali, ecc.

Questi difetti agiscono come la personalità magnetica che manca alla grafite. Introducono elettroni liberi proprio come farebbe il drogaggio della grafite con altri elementi. Solo che in questo caso il magnetismo deriva dal solo carbonio!

I difetti del reticolo creano reti magnetiche 2D

Per studiare il magnetismo dei difetti, gli scienziati utilizzano tecniche come la microscopia a scansione di tunnel. Questo permette di sondare la struttura della grafite uno strato alla volta.

Grazie ai progressi della microscopia, nel 2008 alcuni ricercatori olandesi hanno scoperto qualcosa di incredibile.

Si è scoperto che molti siti di difetti si accoppiano magneticamente con i loro vicini. Questo forma una rete 2D di magnetismo all'interno ogni foglio di grafene!

Rete di difetti accoppiati magneticamente (doi.org/10.1038/nphys1399)

Il team olandese ha dimostrato che queste bande 2D si collegano anche tra i fogli. Si tratta quindi di un reticolo 3D di irregolarità magneticamente attive in una grafite altrimenti diamagnetica!

Non c'è da meravigliarsi che la grafite abbia proprietà magnetiche così complesse. 🙂

Impurità e allotropi confondono il magnetismo

A parte i difetti incorporati, anche gli elementi estranei possono introdurre il magnetismo. Ad esempio, l'aggiunta di boro o azoto lascia degli elettroni di riserva che permettono il ferromagnetismo.

Questo effetto di drogaggio è importante perché la grafite grezza contiene molte impurità. Polvere, argilla, minuscole particelle metalliche: tutte influiscono sulla risposta magnetica.

Ecco perché le diverse fonti di grafite sono più o meno magnetiche. I livelli di impurità variano in modo imprevedibile, quindi il magnetismo dipende in larga misura dal campione specifico.

A complicare ulteriormente le cose, la grafite presenta varietà strutturali chiamate allotropi. Grafene (singoli strati), nanotubi, buckyball, carbone, diamante... tutti condividono proprietà come la conduttività nonostante le loro strutture uniche.

E poiché la geometria detta la configurazione elettronica di un materiale, ogni allotropo del carbonio interagisce con il magnetismo in modo diverso:

• Diamante - non magnetico
• Grafene - magnetismo quantistico intrinseco
• Nanotubi: magnetismo variabile dai difetti
• Buckyball - diamagnetici
• Carbonio amorfo - magnetismo complesso da impurità

La domanda "La grafite è magnetica?" non è la migliore. La risposta dipende da che grafite si intende!

Non c'è da stupirsi che sia un argomento così confuso. 🙂

Fattori esterni piegano il magnetismo della grafite

Oltre alle caratteristiche intrinseche, come i difetti e la geometria, anche le influenze esterne modificano il magnetismo della grafite.

Per prima cosa, gli scienziati hanno scoperto di poter indurre il ferromagnetismo irradiando la grafite con protoni. Le radiazioni spostano gli atomi di carbonio, lasciando difetti che si accoppiano magneticamente. Piuttosto selvaggio!

La temperatura altera anche il diamagnetismo della grafite, anche se non di molto. Si scopre che l'energia termica supera facilmente il debole accoppiamento magnetico tra gli strati.

Detto questo, le temperature estremamente elevate (si pensi ai forni ad arco) hanno un impatto sulla configurazione elettronica della grafite. Quindi, mentre le temperature di tutti i giorni comportano cambiamenti trascurabili, il calore estremo modifica in qualche modo la risposta magnetica.

L'ultimo modificatore del magnetismo esterno è la semplice applicazione di un campo magnetico esterno. Anche un magnete da frigorifero può indurre un leggero campo opposto nella grafite grazie al diamagnetismo.

I forti campi di laboratorio amplificano questo effetto. Ma il campo indotto rimane relativamente piccolo e temporaneo: la grafite non diventa permanentemente magnetica come il ferro.

I progressi consentono di utilizzare la grafite magnetica

La buona notizia è che gli scienziati stanno trovando il modo di aggirare il magnetismo volubile della grafite. Un'abile modifica chimica è una via...

Ad esempio, i ricercatori della Rice University hanno reso magnetica la grafite attaccando gruppi idrossilici. Il loro composto (fluorografene) ha mantenuto il magnetismo anche a temperature roventi - decisamente non il tipico comportamento della grafite!

Reticolo di fluorografene - Credit A.G. Rajan et. al (10.1021/jacs.6b12239)

Nel frattempo, altri hanno scoperto che irradiando il grafene lo si rende anche magnetico.

È improbabile che approcci come quello del grafene che taglia i protoni funzionino in scala. Ma a livello di ricerca, dimostrano che la grafite può essere forzatamente magnetica con sufficiente creatività.

Conclusione: È... complicato!

Quindi, in sintesi. è grafite magnetica?

Il tour del nichel ci dice che è diamagnetico e generalmente non magnetico. E sulla base della struttura dei cristalli ordinati di grafite, questa è una valutazione accurata.

Ma se si guarda più da vicino, si scoprono tutti i tipi di complessità:

• I difetti nel reticolo inducono il magnetismo localmente
• Alcuni orientamenti degli strati si accoppiano magneticamente
• Le impurità conferiscono ferromagnetismo grazie agli elettroni extra
• La geometria dell'allotropo provoca effetti inaspettati
• Fattori esterni come il calore e i magneti aggiungono influenza

E nonostante i grattacapi che questo sistema complesso porta con sé, gli scienziati sono trovare il modo di rendere la grafite attratta dai magneti... almeno in laboratorio.

Quindi, anche se la grafite di tutti i giorni non è tremendamente magnetica, la storia vera ha molte sfumature. Il rapporto della grafite con il magnetismo è in realtà ricco e affascinante!