A grafite é magnética? Descubra a verdade

Reparei que há algum debate sobre o facto de a grafite ser ou não magnética. Como profissional fornecedor de ímanes de neodímioPor isso, decidi investigar os pormenores e chegar ao fundo deste enigma do carbono.

Deixem-me explicar-vos o que descobri na minha investigação sobre o magnetismo da grafite.

A grafite é magnética?

A resposta curta é que a grafite é geralmente considerada não magnética ou diamagnética. Isto significa que a grafite pura não actua como um íman e, de facto, pode repelir ligeiramente os campos magnéticos devido à disposição dos seus átomos de carbono.

No entanto, existem algumas complexidades e excepções a esta regra:

• A grafite pode apresentar um diamagnetismo fraco devido aos seus electrões emparelhados e à sua estrutura.
• Em determinadas condições, como defeitos na rede ou irradiação de protões, a grafite pode apresentar ferromagnetismo.
• Factores como as impurezas e a estrutura dos alótropos podem influenciar as propriedades magnéticas da grafite.
• O grafeno de camada única apresenta comportamentos excepcionais, tal como a grafite em alguns campos externos.
• Avanços recentes mostraram formas de alterar a grafite para a tornar magnética.

Assim, embora a grafite natural tenda a ser não magnética, as suas propriedades são complexas. Em circunstâncias específicas, as alterações induzidas podem levar a comportamentos magnéticos.

Vamos lá ver os pormenores...

Diamagnetismo: O estado por defeito da grafite

A chave para compreender o magnetismo da grafite reside na sua estrutura de átomos de carbono.

A grafite tem um design em camadas, com cada átomo ligado a três vizinhos numa estrutura que se assemelha a um favo de mel. O eletrão de reserva forma uma "ligação pi" com as camadas acima e abaixo.

Esta ligação pi deslocaliza o eletrão, permitindo-lhe andar livremente. E é por isso que a grafite conduz eletricidade apesar de ser considerada um semimetal.

Mas o que é que isto significa para o magnetismo?

Bem, com os seus electrões emparelhados, cada átomo de carbono tem sem momento magnético líquido. Assim, as camadas de átomos tendem a anular-se mutuamente em vez de se alinharem magneticamente.

É por isso que a grafite tem como padrão o diamagnetismo - uma propriedade em que repele fracamente os campos magnéticos externos em vez de ser atraída como o ferro.

Para o visualizar, pode pensar-se nos materiais diamagnéticos como pequenos espelhos magnéticos. Reflectem o campo que os atinge porque os seus electrões emparelhados resistem à reorientação.

É por isso que a grafite pura apresenta geralmente pouco magnetismo - cada átomo contraria o pequeno campo do seu vizinho.

Felizmente, a grafite tem outras particularidades que lhe conferem uma personalidade magnética...

Quando a grafite se torna ferromagnética

Ao contrário do que se pensa, a grafite pura pode demonstram ferromagnetismo, mesmo à temperatura ambiente.

O segredo está nas camadas de electrões ligados por pi. Acontece que elas podem interagir magneticamente, dependendo da forma como as folhas se empilham.

Os investigadores descobriram que quando duas camadas de grafeno têm orientações diamagnéticas opostas, os seus momentos magnéticos anulam-se (empilhamento antiferromagnético). Com outras orientações, podem gerar pequenos campos magnéticos (ferromagnetismo).

Mas a orientação das camadas não é a única responsável pelo magnetismo oculto da grafite. Os defeitos estruturais também desempenham um papel crucial.

É que nenhum material é perfeito. Quando a grafite se forma, as camadas deixam para trás defeitos topológicos: átomos em falta, anéis de carbono com 8 membros em vez de hexagonais, esse tipo de coisas.

Estes defeitos actuam como a personalidade magnética que falta à grafite. Introduzem electrões livres, tal como a dopagem da grafite com outros elementos. Exceto que aqui, o magnetismo provém apenas do carbono!

Defeitos na rede criam redes magnéticas 2D

Para estudar o magnetismo dos defeitos, os cientistas utilizam técnicas como a microscopia de varrimento por efeito de túnel. Isto permite-lhes sondar a estrutura da grafite uma camada de cada vez.

Graças aos avanços da microscopia, investigadores dos Países Baixos descobriram algo incrível em 2008.

Acontece que muitos sítios com defeitos se acoplam magneticamente aos seus vizinhos. Isto forma uma rede 2D de magnetismo dentro de cada folha de grafeno!

Rede de defeitos magneticamente acoplados (doi.org/10.1038/nphys1399)

A equipa holandesa mostrou que estas bandas 2D também se ligam através das folhas. Na realidade, o que se tem é uma rede 3D de irregularidades magneticamente activas numa grafite que, de outro modo, seria diamagnética!

Não admira que a grafite tenha propriedades magnéticas tão complexas. 🙂

Impurezas e alótropos confundem o magnetismo

Para além dos defeitos incorporados, os elementos estranhos também podem introduzir magnetismo. Por exemplo, a adição de boro ou azoto deixa electrões de reserva que permitem o ferromagnetismo.

Este efeito de dopagem é importante porque a grafite em bruto contém muitas impurezas. Pó, argila, pequenas partículas de metal - todos têm impacto na resposta magnética.

É por isso que diferentes fontes de grafite são mais ou menos magnéticas. Os níveis de impureza variam de forma imprevisível, pelo que o magnetismo depende em grande medida da amostra específica.

Para complicar ainda mais a situação, a grafite tem variedades estruturais chamadas alótropos. Grafeno (camadas simples), nanotubos, buckyballs, carvão, diamante... todos partilham propriedades como a condutividade, apesar das suas estruturas únicas.

E como a geometria dita a configuração eletrónica de um material, cada alótropo de carbono interage com o magnetismo de forma diferente:

• Diamante - não magnético
• Grafeno - magnetismo quântico intrínseco
• Nanotubos - magnetismo variável devido a defeitos
• Buckyballs - diamagnéticos
• Carbono amorfo - magnetismo complexo devido a impurezas

Portanto, "A grafite é magnética?" não é a melhor pergunta. A resposta depende de que quer dizer grafite!

Não admira que seja um tema tão confuso. 🙂

Factores externos alteram o magnetismo da grafite

Para além das caraterísticas internas, como os defeitos e a geometria, as influências externas também modificam o magnetismo da grafite.

Por um lado, os cientistas descobriram que podem induzir o ferromagnetismo irradiando grafite com protões. A radiação desloca os átomos de carbono, deixando defeitos que se acoplam magneticamente. Muito louco!

A temperatura também altera o diamagnetismo da grafite, embora não muito. Acontece que a energia térmica supera facilmente o fraco acoplamento magnético entre as camadas.

Dito isto, as temperaturas extremamente elevadas (pense num forno de arco) têm impacto na configuração eletrónica da grafite. Assim, enquanto as temperaturas do dia a dia provocam alterações insignificantes, o calor extremo altera um pouco a resposta magnética.

O último modificador de magnetismo externo é simplesmente a aplicação de um campo magnético externo. Mesmo um íman de frigorífico pode induzir um ligeiro campo oposto na grafite graças ao diamagnetismo.

Os fortes campos de laboratório amplificam este efeito. Mas o campo induzido permanece comparativamente pequeno e temporário - a grafite não se torna permanentemente magnética como o ferro.

Os avanços permitem a grafite magnética

A boa notícia é que os cientistas estão a encontrar formas de contornar o magnetismo inconstante da grafite. A modificação química inteligente é uma via...

Por exemplo, os investigadores da Universidade de Rice tornaram a grafite magnética através da ligação de grupos hidroxilo. O seu composto (fluorografeno) manteve o magnetismo mesmo a temperaturas escaldantes - definitivamente não é um comportamento típico da grafite!

Rede de fluorografeno - Crédito A.G. Rajan et. al (10.1021/jacs.6b12239)

Entretanto, outros descobriram que a irradiação do grafeno também o torna magnético.

É improvável que abordagens como a do grafeno com zapping de protões funcionem à escala. Mas ao nível da investigação, mostram que a grafite pode ser forçada a ser magnética com criatividade suficiente.

Conclusão: É... complicado!

Em suma - é grafite magnética?

A visita guiada ao níquel diz-nos que é diamagnético e geralmente não magnético. E com base na estrutura dos cristais de grafite ordenados, essa é uma avaliação correta.

Mas se olharmos mais de perto, descobrimos todo o tipo de complexidades:

• Os defeitos na rede induzem magnetismo localmente
• Algumas orientações de camadas acoplam-se magneticamente
• As impurezas conferem ferromagnetismo através de electrões extra
• A geometria do alótropo causa efeitos inesperados
• Factores externos, como o calor e os ímanes, influenciam ainda mais

E apesar das dores de cabeça que esse sistema complexo traz, os cientistas são encontrar formas de fazer com que a grafite seja atraída por ímanes... pelo menos no laboratório.

Assim, embora a grafite quotidiana não seja tremendamente magnética, a verdadeira história tem muitas nuances. A relação da grafite com o magnetismo é, na verdade, rica e fascinantemente complexa!