Магнитится ли графит? Узнайте правду

Я заметил, что ведутся споры о том, является ли графит магнитным или нет. Как профессионал поставщик неодимовых магнитовЯ решил разобраться в деталях и понять суть этой загадки с карбоном.

Позвольте мне рассказать вам о том, что я обнаружил в ходе своего исследования магнетизма графита.

Магнитится ли графит?

Короткий ответ заключается в том, что графит обычно считается немагнитным или диамагнитным. Это означает, что чистый графит не действует как магнит, и на самом деле он может слегка отталкивать магнитные поля благодаря расположению атомов углерода.

Однако из этого правила есть некоторые сложности и исключения:

• Графит может проявлять слабый диамагнетизм благодаря спаренным электронам и своей структуре.
• При определенных условиях, таких как дефекты кристаллической решетки или облучение протонами, графит может проявлять ферромагнетизм.
• На магнитные свойства графита могут влиять такие факторы, как примеси и аллотропная структура.
• Однослойный графен, как и графит, демонстрирует исключительное поведение в некоторых внешних полях.
• Последние достижения показали, как можно изменить графит, чтобы сделать его магнитным.

Хотя природный графит, как правило, немагнитен, его свойства сложны. При определенных обстоятельствах индуцированные изменения могут привести к магнитному поведению.

Давайте разберемся в деталях...

Диамагнетизм: Состояние графита по умолчанию

Ключ к пониманию магнетизма графита лежит в структуре атомов углерода.

Графит имеет слоистую структуру, где каждый атом связан с тремя соседними в решетке, напоминающей соты. Запасной электрон образует "пи-связь" со слоями выше и ниже.

Эта пи-связь делокализует электрон, позволяя ему свободно перемещаться. Вот почему графит проводит электричество, несмотря на то, что считается полуметаллом.

Но что это значит для магнетизма?

Когда электроны объединены в пары, каждый атом углерода имеет нет чистого магнитного момента. Таким образом, слои атомов стремятся отменить друг друга, а не выровнять магнитное поле.

Именно поэтому графит по умолчанию обладает диамагнетизмом - свойством, при котором он слабо отталкивает внешние магнитные поля, а не притягивается, как железо.

Чтобы представить себе это, можно думать о диамагнитных материалах как о небольших магнитных зеркалах. Они отражают обратное поле, попадающее на них, потому что их парные электроны сопротивляются переориентации.

Вот почему чистый графит обычно не проявляет особого магнетизма - каждый атом противодействует крошечному полю своего соседа.

К счастью, у графита есть дополнительные причуды, которые придают ему некую магнетическую индивидуальность...

Когда графит становится ферромагнитным

Вопреки распространенному мнению, нетронутый графит можно демонстрируют ферромагнетизм даже при комнатной температуре.

Секрет кроется в этих пи-связанных электронных слоях. Оказывается, они могут магнитно взаимодействовать в зависимости от того, как сложить листы друг с другом.

Исследователи обнаружили, что когда два графеновых слоя имеют противоположную диамагнитную ориентацию, их магнитные моменты аннулируются (антиферромагнитное суммирование). При другой ориентации они могут генерировать небольшие магнитные поля (ферромагнетизм).

Но только ориентация слоев не является причиной скрытого магнетизма графита. Структурные дефекты также играют решающую роль.

Видите ли, ни один материал не является идеальным. Когда графит формируется, слои оставляют после себя топологические дефекты: недостающие атомы, 8-членные углеродные кольца вместо гексагональных и тому подобное.

Эти дефекты выступают в качестве магнитных свойств, которых не хватает графиту. Они вводят свободные электроны точно так же, как легирование графита другими элементами. Только здесь магнетизм исходит от одного лишь углерода!

Дефекты кристаллической решетки создают двумерные магнитные сети

Для изучения дефектного магнетизма ученые используют такие методы, как сканирующая туннельная микроскопия. Это позволяет исследовать структуру графита по одному слою.

Благодаря достижениям в области микроскопии исследователи из Нидерландов в 2008 году обнаружили нечто невероятное.

Оказалось, что многие дефектные участки магнитно взаимодействуют со своими соседями. Таким образом, образуется двумерная сеть магнетизма в пределах каждый графеновый лист!

Сеть магнитно-связанных дефектов (doi.org/10.1038/nphys1399)

Голландская команда показала, что эти двухмерные полосы соединяются и между листами. Таким образом, получается 3D-решетка магнитно-активных неоднородностей в диамагнитном графите!

Неудивительно, что графит обладает такими сложными магнитными свойствами 🙂 .

Примеси и аллотропы вносят путаницу в магнетизм

Помимо встроенных дефектов, привнести магнетизм могут и посторонние элементы. Например, при добавлении бора или азота остаются свободные электроны, которые обеспечивают ферромагнетизм.

Этот эффект легирования важен, потому что сырой графит содержит много примесей. Пыль, глина, крошечные металлические частицы - все они влияют на магнитный отклик.

Именно поэтому разные источники графита ощущаются как более или менее магнитные. Содержание примесей варьируется непредсказуемо, поэтому магнитность во многом зависит от конкретного образца.

Все усложняется тем, что графит имеет структурные разновидности, называемые аллотропами. Графен (однослойный), нанотрубки, шарики, уголь, алмаз... все они обладают общими свойствами, такими как проводимость, несмотря на свою уникальную структуру.

А поскольку геометрия диктует электронную конфигурацию материала, каждый аллотроп углерода по-разному взаимодействует с магнетизмом:

• Алмаз - немагнитный
• Графен - собственный квантовый магнетизм
• Нанотрубки - переменный магнетизм из дефектов
• Бакиболы - диамагнетик
• Аморфный углерод - сложный магнетизм от примесей

Поэтому вопрос "Магнитится ли графит?" - не самый лучший. Ответ зависит от который графит!

Неудивительно, что это такая запутанная тема 🙂 .

Внешние факторы изменяют магнетизм графита

Помимо встроенных свойств, таких как дефекты и геометрия, внешние воздействия также изменяют магнетизм графита.

Например, ученые обнаружили, что могут вызвать ферромагнетизм, облучая графит протонами. Излучение вытесняет атомы углерода, оставляя дефекты, которые вступают в магнитную пару. Довольно дико!

Температура также изменяет диамагнетизм графита, хотя и не намного. Оказывается, тепловая энергия легко преодолевает слабую магнитную связь между слоями.

Тем не менее, экстремально высокие температуры (вспомните дуговую печь) действительно влияют на электронную конфигурацию графита. Поэтому, хотя повседневные температуры приводят к незначительным изменениям, экстремальное тепло несколько изменяет магнитный отклик.

Последний внешний модификатор магнетизма - это просто приложение внешнего магнитного поля. Даже магнит от холодильника может вызвать небольшое противоположное поле в графите благодаря диамагнетизму.

Сильные лабораторные поля усиливают этот эффект. Но наведенное поле остается сравнительно небольшим и временным - графит не становится постоянным магнитом, как железо.

Достижения позволяют использовать магнитный графит

Хорошая новость заключается в том, что ученые находят способы обойти непостоянный магнетизм графита. Умная химическая модификация - один из путей...

Например, исследователи из Университета Райса превратили графит в магнит, присоединив к нему гидроксильные группы. Их соединение (фторографен) сохраняло магнетизм даже при палящих температурах - определенно не типичное поведение графита!

Решетка фторографа - кредит A.G. Rajan et. al (10.1021/jacs.6b12239)

В то же время другие исследователи обнаружили, что облучение графена делает его еще и магнитным.

Такие подходы, как графен с протонной развязкой, вряд ли будут работать в масштабе. Но на уровне исследований они показывают, что графит можно заставить магнититься при достаточном творческом подходе.

Заключение: Это... сложно!

Итак, подведем итоги. это графит магнитный?

Экскурсия по никелю говорит нам, что он диамагнитен и в целом немагнитен. И, исходя из структуры упорядоченных кристаллов графита, это точная оценка.

Но если присмотреться, можно обнаружить множество сложностей:

• Дефекты в решетке вызывают магнетизм локально
• Некоторые ориентации слоев взаимодействуют магнитно
• Примеси придают ферромагнетизм за счет дополнительных электронов
• Геометрия аллотропа вызывает неожиданные эффекты
• Внешние факторы, такие как тепло и магниты, оказывают дополнительное влияние

И несмотря на головную боль, которую доставляет эта сложная система, ученые это находят способы заставить графит притягиваться к магнитам... по крайней мере, в лаборатории.

И хотя повседневный графит не обладает огромной магнитной силой, в реальной истории есть много нюансов. Отношения графита с магнетизмом на самом деле богаты и увлекательно сложны!