Czy grafit jest magnetyczny? Dowiedz się prawdy

Zauważyłem, że toczy się debata na temat tego, czy grafit jest magnetyczny, czy nie. Jako profesjonalista dostawca magnesów neodymowychPostanowiłem więc zagłębić się w szczegóły i dotrzeć do sedna tej węglowej zagadki.

Pozwól, że przedstawię ci, co odkryłem podczas moich badań nad magnetyzmem grafitu.

Czy grafit jest magnetyczny?

Krótka odpowiedź brzmi grafit jest ogólnie uważany za niemagnetyczny lub diamagnetyczny. Oznacza to, że czysty grafit nie działa jak magnes, a w rzeczywistości może lekko odpychać pola magnetyczne ze względu na rozmieszczenie atomów węgla.

Istnieją jednak pewne zawiłości i wyjątki od tej reguły:

• Grafit może wykazywać słaby diamagnetyzm ze względu na sparowane elektrony i strukturę.
• W pewnych warunkach, takich jak defekty sieci lub napromieniowanie protonami, grafit może wykazywać ferromagnetyzm.
• Czynniki takie jak zanieczyszczenia i struktura alotropowa mogą wpływać na właściwości magnetyczne grafitu.
• Jednowarstwowy grafen wykazuje wyjątkowe zachowanie, podobnie jak grafit w niektórych polach zewnętrznych.
• Niedawne postępy pokazały, jak zmienić grafit, aby stał się magnetyczny.

Podczas gdy naturalny grafit jest zwykle niemagnetyczny, jego właściwości są złożone. W określonych okolicznościach indukowane zmiany mogą prowadzić do zachowań magnetycznych.

Rozpakujmy szczegóły...

Diamagnetyzm: Domyślny stan grafitu

Kluczem do zrozumienia magnetyzmu grafitu jest jego struktura atomów węgla.

Grafit ma budowę warstwową, w której każdy atom jest połączony z trzema sąsiednimi atomami w sieci przypominającej plaster miodu. Wolny elektron tworzy "wiązanie pi" z warstwami powyżej i poniżej.

To wiązanie pi delokalizuje elektron, pozwalając mu swobodnie wędrować. I właśnie dlatego grafit przewodzi prąd elektryczny, mimo że jest uważany za półmetal.

Ale co to oznacza dla magnetyzmu?

Cóż, przy sparowanych elektronach każdy atom węgla ma brak momentu magnetycznego netto. Tak więc warstwy atomów mają tendencję do wzajemnego znoszenia się, zamiast wyrównywać się magnetycznie.

Dlatego też grafit domyślnie wykazuje diamagnetyzm - właściwość, w której słabo odpycha zewnętrzne pola magnetyczne, zamiast przyciągać je jak żelazo.

Aby to zwizualizować, można myśleć o materiałach diamagnetycznych jak o niewielkich lustrach magnetycznych. Odbijają one uderzające w nie pole, ponieważ ich sparowane elektrony są odporne na reorientację.

Dlatego właśnie czysty grafit wykazuje niewielki magnetyzm - każdy atom przeciwdziała niewielkiemu polu swojego sąsiada.

Na szczęście grafit ma dodatkowe dziwactwa, które wprowadzają magnetyczną osobowość...

Kiedy grafit staje się ferromagnetyczny

Wbrew powszechnemu przekonaniu, nieskazitelny grafit puszka wykazują ferromagnetyzm, nawet w temperaturze pokojowej.

Sekret tkwi w warstwach elektronów związanych wiązaniami pi. Okazuje się, że mogą one oddziaływać magnetycznie w zależności od tego, jak arkusze są ułożone razem.

Naukowcy odkryli, że gdy dwie warstwy grafenu mają przeciwne orientacje diamagnetyczne, ich momenty magnetyczne znoszą się (antyferromagnetyzm). Przy innych orientacjach mogą one generować niewielkie pola magnetyczne (ferromagnetyzm).

Sama orientacja warstw nie jest jednak odpowiedzialna za ukryty magnetyzm grafitu. Kluczową rolę odgrywają również defekty strukturalne.

Żaden materiał nie jest doskonały. Kiedy tworzy się grafit, warstwy pozostawiają po sobie defekty topologiczne: brakujące atomy, 8-członowe pierścienie węglowe zamiast sześciokątnych, tego typu rzeczy.

Defekty te działają jak magnetyczna osobowość, której brakuje grafitowi. Wprowadzają one wolne elektrony, podobnie jak w przypadku domieszkowania grafitu innymi pierwiastkami. Tyle tylko, że tutaj magnetyzm pochodzi z samego węgla!

Defekty siatki tworzą dwuwymiarowe sieci magnetyczne

Aby zbadać magnetyzm defektów, naukowcy wykorzystują techniki takie jak skaningowa mikroskopia tunelowa. Pozwala to badać strukturę grafitu po jednej warstwie na raz.

Dzięki rozwojowi mikroskopii, naukowcy z Holandii odkryli w 2008 roku coś niesamowitego.

Okazuje się, że wiele defektów łączy się magnetycznie ze swoimi sąsiadami. Tworzy to magnetyczną sieć 2D w ramach każdy arkusz grafenu!

Sieć magnetycznie sprzężonych defektów (doi.org/10.1038/nphys1399)

Holenderski zespół wykazał, że te pasma 2D łączą się również w poprzek arkuszy. W rzeczywistości mamy więc do czynienia z siatką 3D magnetycznie aktywnych nieregularności w diamagnetycznym graficie!

Nic dziwnego, że grafit ma tak złożone właściwości magnetyczne. 🙂

Zanieczyszczenia i alotropy zakłócają magnetyzm

Oprócz wbudowanych defektów, obce elementy mogą również wprowadzać magnetyzm. Na przykład dodanie boru lub azotu pozostawia wolne elektrony, które umożliwiają ferromagnetyzm.

Ten efekt domieszkowania jest ważny, ponieważ surowy grafit zawiera wiele zanieczyszczeń. Pył, glina, drobne cząsteczki metalu - wszystkie one wpływają na reakcję magnetyczną.

Dlatego też różne źródła grafitu są mniej lub bardziej magnetyczne. Poziomy zanieczyszczeń różnią się w nieprzewidywalny sposób, więc magnetyzm zależy w dużej mierze od konkretnej próbki.

Sprawę dodatkowo komplikuje fakt, że grafit posiada odmiany strukturalne zwane alotropami. Grafen (pojedyncze warstwy), nanorurki, buckyballs, węgiel drzewny, diament... wszystkie mają wspólne właściwości, takie jak przewodnictwo, pomimo swoich unikalnych struktur.

A ponieważ geometria dyktuje konfigurację elektronową materiału, każdy alotrop węgla oddziałuje z magnetyzmem w inny sposób:

• Diament - niemagnetyczny
• Grafen - wewnętrzny magnetyzm kwantowy
• Nanorurki - zmienny magnetyzm spowodowany defektami
• Buckyballs - diamagnetyczne
• Węgiel amorficzny - złożony magnetyzm spowodowany zanieczyszczeniami

Pytanie "Czy grafit jest magnetyczny?" nie jest więc najlepsze. Odpowiedź zależy od który To znaczy grafit!

Nic dziwnego, że to taki zagmatwany temat. 🙂

Czynniki zewnętrzne wpływają na magnetyzm grafitu

Oprócz wbudowanych cech, takich jak defekty i geometria, wpływy zewnętrzne również modyfikują magnetyzm grafitu.

Po pierwsze, naukowcy odkryli, że mogą wywołać ferromagnetyzm poprzez napromieniowanie grafitu protonami. Promieniowanie wypiera atomy węgla, pozostawiając defekty, które łączą się magnetycznie. Całkiem dzikie!

Temperatura również zmienia diamagnetyzm grafitu, choć w niewielkim stopniu. Okazuje się, że energia cieplna z łatwością pokonuje słabe sprzężenie magnetyczne między warstwami.

To powiedziawszy, ekstremalnie wysokie temperatury (np. w piecu łukowym) wpływają na konfigurację elektronową grafitu. Tak więc, podczas gdy codzienne temperatury przynoszą znikome zmiany, ekstremalne ciepło nieco zmienia reakcję magnetyczną.

Ostatnim zewnętrznym modyfikatorem magnetyzmu jest po prostu zastosowanie zewnętrznego pola magnetycznego. Nawet magnes na lodówkę może indukować niewielkie przeciwne pole w graficie dzięki diamagnetyzmowi.

Silne pola laboratoryjne wzmacniają ten efekt. Jednak indukowane pole pozostaje stosunkowo niewielkie i tymczasowe - grafit nie staje się trwale magnetyczny jak żelazo.

Postępy w dziedzinie magnetycznego grafitu

Dobrą wiadomością jest to, że naukowcy znajdują sposoby na obejście zmiennego magnetyzmu grafitu. Sprytna modyfikacja chemiczna jest jednym ze sposobów...

Przykładowo, naukowcy z Rice University zmienili grafit w magnetyczny poprzez dołączenie grup hydroksylowych. Ich związek (fluorografen) zachował magnetyzm nawet w wysokich temperaturach - zdecydowanie nie jest to typowe zachowanie grafitu!

Siatka fluorografenu - kredyt A.G. Rajan et. al (10.1021/jacs.6b12239)

W międzyczasie inni odkryli, że napromieniowanie grafenu również czyni go magnetycznym.

Podejścia takie jak grafen blokujący proton są mało prawdopodobne do zastosowania na dużą skalę. Ale na poziomie badawczym pokazują one, że grafen może być magnetyczny przy wystarczającej kreatywności.

Wnioski: To... skomplikowane!

Podsumowując - jest grafit magnetyczny?

Wycieczka po niklu mówi nam, że jest on diamagnetyczny i ogólnie niemagnetyczny. Opierając się na strukturze uporządkowanych kryształów grafitu, jest to trafna ocena.

Ale przyjrzyj się bliżej, a odkryjesz wszelkiego rodzaju złożoności:

• Defekty w siatce indukują magnetyzm lokalnie
• Niektóre orientacje warstw łączą się magnetycznie
• Zanieczyszczenia nadają ferromagnetyzm dzięki dodatkowym elektronom
• Geometria Allotrope powoduje nieoczekiwane efekty
• Czynniki zewnętrzne, takie jak ciepło i magnesy, mają dodatkowy wpływ

I pomimo bólu głowy, jaki przynosi ten złożony system, naukowcy są znalezienie sposobu na przyciągnięcie grafitu do magnesów... przynajmniej w laboratorium.

Tak więc, chociaż grafit na co dzień nie jest niezwykle magnetyczny, prawdziwa historia ma wiele niuansów. Związek grafitu z magnetyzmem jest w rzeczywistości bogaty i fascynująco złożony!