グラファイトに磁性はあるのか？真実を探る

グラファイトが磁性を持つかどうかについては、議論があるようですね。プロとして ネオジム磁石サプライヤーそこで私は、このカーボンの難問の真相を探ることにした。

私がグラファイトの磁性について研究した結果、明らかになったことを説明しよう。

グラファイトに磁性はあるのか？

簡単に言うと グラファイトは一般に非磁性または反磁性と考えられている。.つまり、純粋なグラファイトは磁石のようには作用せず、むしろ炭素原子の配列によって磁場をわずかに反発させることができる。

しかし、このルールにはいくつかの複雑さと例外がある：

• グラファイトは、その対になった電子と構造により、弱い反磁性を示すことがある。
• 格子欠陥や陽子線照射などの特定の条件下では、グラファイトは強磁性を示すことがある。
• 不純物や同素体構造などの要因は、グラファイトの磁気特性に影響を与える可能性がある。
• 単層グラフェンは、グラファイトと同様に、ある外場において例外的な挙動を示す。
• 最近の進歩は、グラファイトを磁性に変える方法を示している。

そのため、天然黒鉛は非磁性である傾向があるが、その特性は複雑である。特定の条件下では、誘起された変化によって磁性を帯びることがある。

その詳細を紐解いてみよう。

反磁性：グラファイトのデフォルト状態

グラファイトの磁性を理解する鍵は、その炭素原子構造にある。

グラファイトは層状に設計されており、各原子はハニカム（蜂の巣）のような格子の中で3つの隣接原子と結合している。予備の電子は上下の層と「π結合」を形成する。

このπ結合は電子を非局在化し、自由に動き回れるようにする。これが、半金属であるにもかかわらず黒鉛が電気を通す理由である。

しかし、これが磁気にとって何を意味するのか？

電子がすべて対になっているため、炭素原子はそれぞれ 正味磁気モーメントなし.そのため、原子の層は磁気的に整列するのではなく、互いに打ち消し合う傾向がある。

そのため、グラファイトは反磁性（鉄のように外部磁場に引き寄せられるのではなく、弱く反発する性質）になるのだ。

それを視覚化するには、反磁性体をわずかな磁気ミラーと考えればいい。反磁性体は、対になった電子が再配向に抵抗するため、磁場が当たると反射する。

各原子が隣の原子の微小な磁場に対抗しているのだ。

幸運なことに、グラファイトにはさらに、磁力を帯びた個性をもたらすクセがある...。

グラファイトが強磁性になるとき

一般に信じられていることとは逆に、自然のままのグラファイトがある。 缶 は室温でも強磁性を示す。

その秘密はπ結合電子層にある。電子シートがどのように積み重なるかによって、磁気的に相互作用することが判明したのだ。

研究者らは、2つのグラフェン層が反磁性的な配向をもつと、磁気モーメントが相殺される（反強磁性積層）ことを発見した。それ以外の配向では、小さな磁場が発生する可能性がある（強磁性）。

しかし、グラファイトの隠れた磁性の原因は、層の配向だけではありません。構造欠陥も重要な役割を果たしている。

完璧な物質などないのだ。グラファイトが形成されるとき、層にはトポロジカルな欠陥が残る。原子が欠けていたり、六角形の代わりに8員環の炭素があったり、そういうことだ。

これらの欠陥は、グラファイトに欠けている磁気的個性として作用する。グラファイトに他の元素をドープするのと同じように、自由電子を導入するのだ。ただし、磁性は炭素だけに由来する！

格子欠陥が作り出す2次元磁気ネットワーク

欠陥磁性を研究するために、科学者たちは走査型トンネル顕微鏡のような技術を使う。これにより、グラファイトの構造を1層ずつ調べることができる。

顕微鏡の進歩のおかげで、オランダの研究者たちは2008年に驚くべきことを発見した。

その結果、多くの欠陥部位が隣接する部位と磁気的に結合することが判明した。これは磁気の2次元ネットワークを形成する。 内 各グラフェンシート

磁気的に結合した欠陥のネットワーク(doi.org/10.1038/nphys1399)

オランダの研究チームは、これらの2次元バンドがシート間でもつながっていることを示した。つまり、反磁性のグラファイトの中に、磁気的に活性な不規則な3次元格子があるということだ！

グラファイトがこれほど複雑な磁気特性を持つのも不思議ではない。

不純物と同素体が磁性を混濁させる

内蔵欠陥の他に、外来元素が磁性を導入することもある。例えば、ホウ素や窒素を添加すると、強磁性を可能にする予備の電子が残る。

生のグラファイトには多くの不純物が含まれているため、このドーピング効果は重要である。ダスト、粘土、小さな金属粒子など、これらはすべて磁気応答に影響を与える。

そのため、グラファイトの種類によって磁性が強く感じたり弱く感じたりするのである。不純物レベルは予測不可能なほど変化するため、磁性は特定のサンプルに大きく依存する。

さらに問題を複雑にしているのは、グラファイトには同素体と呼ばれる構造上の種類があることだ。グラフェン（単層）、ナノチューブ、バッキーボール、木炭、ダイヤモンド......これらはすべて、ユニークな構造にもかかわらず、導電性などの特性を共有している。

また、形状が材料の電子配置を決定するため、炭素同素体はそれぞれ磁気との相互作用が異なる：

• ダイヤモンド - 非磁性
• グラフェン - 固有量子磁性
• ナノチューブ - 欠陥による可変磁性
• バッキーボール - 反磁性
• アモルファスカーボン - 不純物による複雑な磁性

だから、「グラファイトに磁性はあるのか」という質問は、本当はベストな質問ではない。答えは どの グラファイトのことか！

どうりで混乱するわけだ。

外的要因がグラファイトの磁性を曲げる

欠陥や形状のような内蔵された特徴以外に、外部からの影響もグラファイトの磁性を変化させる。

そのひとつが、グラファイトに陽子を照射することで強磁性を誘導できることを発見したことだ。放射線は炭素原子を変位させ、磁気的に結合する欠陥を残す。かなりワイルドだ！

温度によってもグラファイトの反磁性は変化する。熱エネルギーは、層間の弱い磁気結合に簡単に打ち勝つことがわかった。

とはいえ、非常に高い温度（アーク炉を想像してほしい）はグラファイトの電子配置に影響を与える。つまり、日常的な温度ではほとんど変化はないが、極端な熱は磁気的な反応を多少変化させるのだ。

最後の外部磁性調整剤は、単に外部磁場を印加することである。冷蔵庫の磁石でさえ、反磁性のおかげでグラファイトにわずかな反対磁場を誘導することができる。

実験室の強力な磁場はこの効果を増幅させる。グラファイトは鉄のように永久磁石にはならない。

磁性グラファイトの進歩

科学者たちは、グラファイトの気まぐれな磁性を回避する方法を見つけつつある。巧みな化学修飾は、その1つの方法である...

例えば、ライス大学の研究者たちは、水酸基をつけることでグラファイトを磁性化した。彼らの化合物（フルオログラフェン）は、灼熱の温度でも磁性を維持した！

フルオログラフェン格子 - Credit A.G. Rajan et. al (10.1021/jacs.6b12239)

一方、グラフェンに放射線を照射すると磁性を帯びることを発見した者もいる。

プロトン・ザッピング・グラフェンのようなアプローチは、スケールの大きなものにはなりそうもない。しかし、研究レベルでは、グラファイトが十分な創造性によって強制的に磁化できることを示している。

結論複雑だ！

要約すると は グラファイト・マグネティック？

ニッケルツアーでは、ニッケルは反磁性であり、一般的に非磁性であることを教えてくれる。そして、整然としたグラファイト結晶の構造に基づけば、それは正確な評価である。

しかし、よく目を凝らすと、さまざまな複雑さが見えてくる：

• 格子の欠陥が局所的に磁性を引き起こす
• いくつかの層配向は磁気的に結合する
• 不純物は余分な電子を通して強磁性をもたらす
• アロトロープの形状が予期せぬ効果をもたらす
• 熱や磁石などの外的要因も影響する

その複雑なシステムがもたらす頭痛の種にもかかわらず、科学者たちは次のように述べている。 は 少なくとも実験室では、グラファイトを磁石に引き寄せられるようにする方法が見つかっている。

つまり、日常的に使われているグラファイトにとてつもない磁性があるわけではないのだが、実際のところ、グラファイトと磁性との関係は実に複雑なのだ。黒鉛と磁気の関係は、実は豊かで魅力的なほど複雑なのだ！