Ar grafitas yra magnetinis? Sužinokite tiesą

Pastebėjau, kad vyksta diskusijos, ar grafitas yra magnetinis, ar ne. Kaip profesionalas neodimio magnetų tiekėjas, nusprendžiau įsigilinti į detales ir išsiaiškinti šios anglies dvideginio mįslės esmę.

Leiskite jums papasakoti, ką sužinojau atlikdamas grafito magnetizmo tyrimus.

Ar grafitas yra magnetinis?

Trumpas atsakymas yra toks. grafitas paprastai laikomas nemagnetiniu arba diamagnetiniu.. Tai reiškia, kad grynas grafitas neveikia kaip magnetas, o dėl anglies atomų išsidėstymo gali šiek tiek atstumti magnetinius laukus.

Tačiau ši taisyklė yra sudėtinga ir turi tam tikrų išimčių:

• Grafitas gali pasižymėti silpnu diamagnetizmu dėl suporuotų elektronų ir struktūros.
• Tam tikromis sąlygomis, pavyzdžiui, esant gardelės defektams arba švitinant protonų spinduliais, grafitas gali pasižymėti feromagnetizmu.
• Tokie veiksniai kaip priemaišos ir alotropinė struktūra gali turėti įtakos grafito magnetinėms savybėms.
• Vienasluoksnis grafenas, kaip ir grafitas, kai kuriuose išoriniuose laukuose pasižymi išskirtinėmis savybėmis.
• Naujausi pasiekimai parodė, kaip pakeisti grafitą, kad jis taptų magnetinis.

Nors natūralus grafitas paprastai yra nemagnetinis, jo savybės yra sudėtingos. Tam tikromis aplinkybėmis dėl indukuotų pokyčių gali atsirasti magnetinių savybių.

Išsiaiškinkime detales...

Deimagnetizmas: Grafito numatytoji būsena

Raktas į grafito magnetizmą slypi jo anglies atomų struktūroje.

Grafitas yra sluoksniuotas - kiekvienas atomas yra sujungtas su trimis kaimyniniais atomais į tinklelį, panašų į korio korį. Laisvasis elektronas sudaro "pi ryšį" su aukščiau ir žemiau esančiais sluoksniais.

Šis pi ryšys delokalizuoja elektroną, todėl jis gali laisvai judėti. Štai kodėl grafitas praleidžia elektrą, nors laikomas pusmetaliu.

Tačiau ką tai reiškia magnetizmui?

Kai elektronai suporuoti, kiekvienas anglies atomas turi nėra grynojo magnetinio momento. Taigi atomų sluoksniai yra linkę vienas kitą naikinti, o ne magnetiniu būdu susilyginti.

Štai kodėl grafitas yra deimagnetiškas - tai savybė, kai jis silpnai atstumia išorinius magnetinius laukus, o ne traukia kaip geležis.

Kad tai įsivaizduotumėte, galite įsivaizduoti diamagnetines medžiagas kaip nedidelius magnetinius veidrodžius. Jos atspindi atgal į jas veikiantį lauką, nes jų poriniai elektronai priešinasi persiorientavimui.

Štai kodėl grynas grafitas paprastai pasižymi nedideliu magnetizmu - kiekvienas atomas neutralizuoja mažytį savo kaimyno lauką.

Laimei, grafitas turi papildomų keistenybių, kurios suteikia šiek tiek magnetinės asmenybės...

Kai grafitas tampa feromagnetinis

Priešingai populiariam įsitikinimui, nesugadintas grafitas gali pasižymi feromagnetizmu net kambario temperatūroje.

Paslaptis glūdi šiuose pi jungčių elektronų sluoksniuose. Pasirodo, jie gali sąveikauti magnetiškai, priklausomai nuo to, kaip lakštai sudėti vienas šalia kito.

Mokslininkai nustatė, kad kai du grafeno sluoksniai yra priešingos deimagnetinės orientacijos, jų magnetiniai momentai panaikinami (antiferomagnetinis krūviavimas). Esant kitoms orientacijoms, jie gali sukurti mažus magnetinius laukus (feromagnetizmas).

Tačiau vien tik sluoksnių orientacija nėra paslėpto grafito magnetizmo priežastis. Struktūriniai defektai taip pat atlieka lemiamą vaidmenį.

Matote, jokia medžiaga nėra tobula. Formuojantis grafitui, sluoksniuose lieka topologinių defektų: trūksta atomų, vietoj šešiabriaunių anglies žiedų yra aštuonbriaunių ir panašiai.

Šie defektai veikia kaip magnetinė asmenybė, kurios grafitui trūksta. Jie įneša laisvųjų elektronų, lygiai taip pat, kaip ir dopingas grafito kitais elementais. Išskyrus tai, kad čia magnetizmas kyla tik iš anglies!

Tinklelio defektai sukuria 2D magnetinius tinklus

Defektų magnetizmui tirti mokslininkai naudoja tokius metodus kaip skenuojanti tunelinė mikroskopija. Taip jie gali tirti grafito struktūrą po vieną sluoksnį.

Dėl mikroskopijos pažangos Nyderlandų mokslininkai 2008 m. nustatė neįtikėtiną dalyką.

Pasirodo, daugelis defektų vietų magnetiniu būdu susijungia su kaimyninėmis. Tai sudaro 2D magnetizmo tinklą svetainėje . kiekvieną grafeno lakštą!

Magnetiškai susietų defektų tinklas (doi.org/10.1038/nphys1399)

Olandų komanda parodė, kad šios 2D juostos jungiasi ir tarp lakštų. Taigi, iš tikrųjų turime 3D magnetinio aktyvumo nelygumų tinklelį kitaip diamagnetiniame grafite!

Nenuostabu, kad grafitas pasižymi tokiomis sudėtingomis magnetinėmis savybėmis. 🙂

Priemaišos ir alotropai trikdo magnetizmą

Be įmontuotų defektų, į magnetą gali patekti ir pašalinių elementų. Pavyzdžiui, pridėjus boro arba azoto, lieka laisvų elektronų, kurie įgalina feromagnetizmą.

Šis dopingo poveikis yra svarbus, nes neapdorotame grafite yra daug priemaišų. Dulkės, molis, smulkios metalo dalelės - visa tai turi įtakos magnetiniam atsakui.

Štai kodėl skirtingi grafito šaltiniai yra daugiau ar mažiau magnetiniai. Priemaišų kiekis nenuspėjamai skiriasi, todėl magnetizmas labai priklauso nuo konkretaus pavyzdžio.

Dar labiau komplikuoja situaciją tai, kad grafitas turi struktūrinių atmainų, vadinamų alotropais. Grafenas (vienasluoksnis), nanovamzdeliai, "buckyballs", anglis, deimantas... nepaisant unikalios struktūros, visi jie turi bendras savybes, pavyzdžiui, laidumą.

Kadangi geometrija lemia medžiagos elektroninę konfigūraciją, kiekvienas anglies alotropas skirtingai sąveikauja su magnetizmu:

• Deimantas - nemagnetinis
• Grafenas - vidinis kvantinis magnetizmas
• Nanotrubelės - kintamas magnetizmas dėl defektų
• Buckyballs - deimagnetiniai
• Amorfinė anglis - sudėtingas magnetizmas dėl priemaišų

Taigi klausimas "Ar grafitas yra magnetinis?" nėra pats geriausias. Atsakymas priklauso nuo kuris grafito jūs turite omenyje!

Nenuostabu, kad tai tokia paini tema. 🙂

Išoriniai veiksniai išlenkia grafito magnetizmą

Grafito magnetizmą keičia ne tik tokios savybės kaip defektai ir geometrija, bet ir išoriniai veiksniai.

Viena vertus, mokslininkai nustatė, kad jie gali sukelti feromagnetizmą švitindami grafitą protonais. Spinduliuotė išstumia anglies atomus, palikdama defektus, kurie susijungia su magnetu. Gana pašėlę!

Temperatūra taip pat keičia grafito deimagnetizmą, nors ir nežymiai. Pasirodo, šiluminė energija lengvai įveikia silpną magnetinį ryšį tarp sluoksnių.

Vis dėlto itin aukštos temperatūros (pvz., lankinė krosnis) turi įtakos grafito elektronų konfigūracijai. Taigi, nors kasdienėje temperatūroje pokyčiai yra nežymūs, ekstremalus karštis šiek tiek pakeičia magnetinę reakciją.

Paskutinis išorinis magnetizmo modifikatorius yra tiesiog išorinio magnetinio lauko taikymas. Net šaldytuvo magnetas dėl diamagnetizmo grafite gali sukelti nedidelį priešingą lauką.

Stiprūs laboratoriniai laukai šį poveikį sustiprina. Tačiau indukuotas laukas išlieka palyginti mažas ir laikinas - grafitas netampa pastoviai magnetinis kaip geležis.

Pažanga leidžia naudoti magnetinį grafitą

Gera žinia ta, kad mokslininkai randa būdų, kaip apeiti nepastovų grafito magnetizmą. Vienas iš būdų - protingas cheminis modifikavimas...

Pavyzdžiui, Ryžių universiteto mokslininkai grafitą pavertė magnetiniu prijungdami hidroksilo grupes. Jų junginys (fluorografenas) išlaikė magnetizmą net deginančioje temperatūroje - tai tikrai nėra tipiškas grafito elgesys!

Fluorografeno gardelė - kreditas A.G. Rajan et. al (10.1021/jacs.6b12239)

Tuo tarpu kiti nustatė, kad apšvitinus grafeną jis taip pat tampa magnetinis.

Mažai tikėtina, kad tokie metodai, kaip protonus užlaikantis grafenas, galėtų būti taikomi plačiu mastu. Tačiau moksliniai tyrimai rodo, kad grafitą galima priversti tapti magnetiniu, pasitelkus pakankamai kūrybiškumo.

Išvados: Sudėtinga!

Taigi apibendrinant - yra . grafitinis magnetinis?

Nikelio kelionė pasakoja, kad jis yra diamagnetinis ir apskritai nemagnetinis. Ir, remiantis tvarkingų grafito kristalų struktūra, tai tikslus įvertinimas.

Tačiau pažvelkite atidžiau ir pamatysite daugybę sudėtingų dalykų:

• Defektai gardelėje sukelia vietinį magnetizmą
• Kai kurios sluoksnių orientacijos yra magnetinės
• Priemaišos suteikia feromagnetizmo dėl papildomų elektronų
• Alotropo geometrija sukelia netikėtą poveikį
• Išoriniai veiksniai, tokie kaip šiluma ir magnetai, daro įtaką

Nepaisant galvos skausmo, kurį kelia sudėtinga sistema, mokslininkai yra ieškoma būdų, kaip grafitą pritraukti prie magnetų... bent jau laboratorijoje.

Taigi, nors kasdienis grafitas nėra labai magnetinis, tikroji istorija turi daug niuansų. Grafito ryšys su magnetizmu iš tikrųjų yra turtingas ir labai sudėtingas!