Is grafiet magnetisch? Ontdek de waarheid

Ik heb gemerkt dat er discussie is over de vraag of grafiet magnetisch is of niet. Als professioneel neodymium magneten leverancierbesloot ik in de details te duiken en dit koolstofprobleem tot op de bodem uit te zoeken.

Ik zal je laten zien wat ik heb ontdekt tijdens mijn onderzoek naar grafietmagnetisme.

Is grafiet magnetisch?

Het korte antwoord is dat grafiet wordt over het algemeen als niet-magnetisch of diamagnetisch beschouwd. Dit betekent dat zuiver grafiet zich niet gedraagt als een magneet en in feite magnetische velden licht kan afstoten door de rangschikking van de koolstofatomen.

Er zijn echter enkele complexiteiten en uitzonderingen op deze regel:

• Grafiet kan zwak diamagnetisme vertonen door zijn gepaarde elektronen en structuur.
• Onder bepaalde omstandigheden, zoals roosterfouten of protonenbestraling, kan grafiet ferromagnetisme vertonen.
• Factoren zoals onzuiverheden en allotrope structuur kunnen de magnetische eigenschappen van grafiet beïnvloeden.
• Eenlaags grafeen vertoont uitzonderlijk gedrag, net als grafiet in sommige externe velden.
• Recente ontwikkelingen hebben manieren laten zien om grafiet zo te veranderen dat het magnetisch wordt.

Hoewel natuurlijk grafiet over het algemeen niet-magnetisch is, zijn de eigenschappen complex. Onder specifieke omstandigheden kunnen geïnduceerde veranderingen leiden tot magnetisch gedrag.

Laten we de details uitpakken...

Diamagnetisme: De standaardtoestand van grafiet

De sleutel tot het begrijpen van het magnetisme van grafiet ligt in de structuur van de koolstofatomen.

Grafiet heeft een gelaagd ontwerp, waarbij elk atoom gebonden is aan drie buren in een rooster dat eruitziet als een honingraat. Het extra elektron vormt een 'pi-binding' met de lagen erboven en eronder.

Deze pi-binding delokaliseert het elektron, waardoor het vrij kan rondzwerven. En dat is waarom grafiet elektriciteit geleidt, ondanks dat het als een halfmetaal wordt beschouwd.

Maar wat betekent dit voor magnetisme?

Als alle elektronen gekoppeld zijn, heeft elk koolstofatoom geen netto magnetisch moment. De atoomlagen hebben dus de neiging om elkaar op te heffen in plaats van zich magnetisch te richten.

Daarom is grafiet standaard diamagnetisch - een eigenschap waarbij het externe magnetische velden zwak afstoot in plaats van aangetrokken wordt zoals ijzer.

Om het te visualiseren kun je diamagnetische materialen zien als lichte magnetische spiegels. Ze weerkaatsen het veld dat hen raakt omdat hun gepaarde elektronen weerstand bieden tegen heroriëntatie.

Daarom vertoont zuiver grafiet over het algemeen weinig magnetisme - elk atoom countert het kleine veld van zijn buurman.

Gelukkig heeft grafiet extra eigenaardigheden die een magnetische persoonlijkheid introduceren...

Wanneer grafiet ferromagnetisch wordt

In tegenstelling tot wat vaak wordt gedacht, is ongerept grafiet kan ferromagnetisme aantonen, zelfs bij kamertemperatuur.

Het geheim zit hem in die pi-gebonden elektronenlagen. Het blijkt dat ze magnetisch op elkaar kunnen reageren, afhankelijk van hoe de lagen op elkaar gestapeld zijn.

Onderzoekers ontdekten dat wanneer twee lagen grafeen tegengestelde diamagnetische oriëntaties hebben, hun magnetische momenten opheffen (antiferromagnetische stapeling). Bij andere oriëntaties kunnen ze kleine magnetische velden genereren (ferromagnetisme).

Maar laagoriëntatie alleen is niet verantwoordelijk voor het verborgen magnetisme van grafiet. Structurele defecten spelen ook een cruciale rol.

Geen enkel materiaal is namelijk perfect. Wanneer grafiet zich vormt, laten de lagen topologische defecten achter: ontbrekende atomen, 8-hoekige koolstofringen in plaats van zeshoekige, dat soort dingen.

Deze defecten fungeren als de magnetische persoonlijkheid die grafiet mist. Ze introduceren vrije elektronen, net zoals doping van grafiet met andere elementen dat zou doen. Maar hier komt het magnetisme voort uit koolstof alleen!

Roosterdefecten creëren 2D magnetische netwerken

Om defect magnetisme te bestuderen, gebruiken wetenschappers technieken zoals scanning tunnelling microscopie. Hiermee kunnen ze de structuur van grafiet laag voor laag onderzoeken.

Dankzij de vooruitgang op het gebied van microscopie ontdekten Nederlandse onderzoekers in 2008 iets ongelooflijks.

Het blijkt dat veel defecte plaatsen magnetisch koppelen met hun buren. Dit vormt een 2D-netwerk van magnetisme binnen elk grafeenblad!

Netwerk van magnetisch gekoppelde defecten (doi.org/10.1038/nphys1399)

Het Nederlandse team toonde aan dat deze 2D banden ook over de platen heen met elkaar verbonden zijn. Dus eigenlijk heb je een 3D-rooster van magnetisch-actieve onregelmatigheden in anders diamagnetisch grafiet!

Geen wonder dat grafiet zulke complexe magnetische eigenschappen heeft. 🙂

Onzuiverheden en allotropen vertroebelen het magnetisme

Naast ingebouwde defecten kunnen vreemde elementen ook magnetisme introduceren. Door bijvoorbeeld boor of stikstof toe te voegen blijven er elektronen over die ferromagnetisme mogelijk maken.

Dit dopingeffect is belangrijk omdat onbewerkt grafiet veel onzuiverheden bevat. Stof, klei, kleine metaaldeeltjes - ze hebben allemaal invloed op de magnetische respons.

Daarom voelen verschillende grafietbronnen meer of minder magnetisch aan. Het gehalte aan onzuiverheden varieert onvoorspelbaar, dus het magnetisme hangt grotendeels af van het specifieke monster.

Wat de zaken nog ingewikkelder maakt, is dat grafiet structurele variëteiten heeft die allotropen worden genoemd. Grafeen (enkele lagen), nanobuizen, buckyballs, houtskool, diamant... ze delen allemaal eigenschappen zoals geleidbaarheid ondanks hun unieke structuren.

En omdat de geometrie de elektronische configuratie van een materiaal dicteert, heeft elke allotroop van koolstof een andere wisselwerking met magnetisme:

• Diamant - niet magnetisch
• Grafeen - intrinsiek kwantummagnetisme
• Nanobuisjes - variabel magnetisme door defecten
• Buckyballen - diamagnetisch
• Amorfe koolstof - complex magnetisme door onzuiverheden

Dus "Is grafiet magnetisch?" is niet echt de beste vraag. Het antwoord hangt af van die grafiet zul je bedoelen!

Geen wonder dat het zo'n verwarrend onderwerp is. 🙂

Externe factoren buigen het magnetisme van grafiet

Naast ingebouwde eigenschappen zoals defecten en geometrie, veranderen externe invloeden ook het magnetisme van grafiet.

Zo ontdekten wetenschappers dat ze ferromagnetisme kunnen opwekken door grafiet te bestralen met protonen. De straling verplaatst koolstofatomen, waardoor defecten ontstaan die magnetisch koppelen. Behoorlijk wild!

Temperatuur verandert ook het diamagnetisme van grafiet, maar niet veel. Het blijkt dat thermische energie de zwakke magnetische koppeling tussen de lagen gemakkelijk overwint.

Dat gezegd hebbende, extreem hoge temperaturen (denk aan een vlamboogoven) hebben invloed op de elektronenconfiguratie van grafiet. Dus terwijl alledaagse temperaturen verwaarloosbare veranderingen met zich meebrengen, wordt de magnetische respons enigszins beïnvloed door extreme hitte.

De laatste externe magnetisme-modificator is simpelweg het toepassen van een extern magnetisch veld. Zelfs een koelkastmagneet kan dankzij diamagnetisme een licht tegengesteld veld in grafiet induceren.

Sterke laboratoriumvelden versterken dit effect. Maar het geïnduceerde veld blijft relatief klein en tijdelijk - grafiet wordt niet permanent magnetisch zoals ijzer.

Vooruitgang maakt magnetisch grafiet mogelijk

Het goede nieuws is dat wetenschappers manieren vinden om het wispelturige magnetisme van grafiet te omzeilen. Slimme chemische modificatie is één route...

Onderzoekers van de Rice University hebben grafiet bijvoorbeeld magnetisch gemaakt door er hydroxylgroepen aan toe te voegen. Hun verbinding (fluorographene) behield het magnetisme zelfs bij verzengende temperaturen - zeker geen typisch grafietgedrag!

Fluorographene rooster - Krediet A.G. Rajan et. al (10.1021/jacs.6b12239)

Ondertussen ontdekten anderen dat het bestralen van grafeen het ook magnetisch maakt.

Benaderingen zoals proton-zappend grafeen werken waarschijnlijk niet op schaal. Maar op onderzoeksniveau laten ze zien dat grafiet met genoeg creativiteit magnetisch kan worden gemaakt.

Conclusie: Het is... ingewikkeld!

Dus samengevat - is grafiet magnetisch?

De nikkeltour vertelt ons dat het diamagnetisch en over het algemeen niet-magnetisch is. En op basis van de structuur van geordende grafietkristallen is dat een juiste inschatting.

Maar als je beter kijkt, ontdek je allerlei complexiteiten:

• Defecten in het rooster induceren lokaal magnetisme
• Sommige laagoriëntaties koppelen magnetisch
• Onzuiverheden geven ferromagnetisme door extra elektronen
• Allotrope geometrie veroorzaakt onverwachte effecten
• Externe factoren zoals warmte en magneten voegen invloed toe

En ondanks de hoofdpijn die dat complexe systeem met zich meebrengt, hebben wetenschappers zijn manieren vinden om grafiet aangetrokken te laten worden door magneten... tenminste in het lab.

Dus hoewel alledaags grafiet niet enorm magnetisch is, is het echte verhaal genuanceerd. De relatie tussen grafiet en magnetisme is eigenlijk rijk en fascinerend complex!