Är grafit magnetisk? Ta reda på sanningen

Jag har märkt att det finns en viss debatt om huruvida grafit är magnetisk eller inte. Som professionell leverantör av neodymmagneterbestämde jag mig för att gräva ner mig i detaljerna och gå till botten med den här kolgåtan.

Låt mig gå igenom vad jag upptäckte i min forskning om grafitmagnetism.

Är grafit magnetisk?

Det korta svaret är att grafit anses i allmänhet vara icke-magnetisk eller diamagnetisk. Detta innebär att ren grafit inte fungerar som en magnet, och i själva verket kan den lätt stöta bort magnetfält på grund av arrangemanget av dess kolatomer.

Det finns dock vissa komplikationer och undantag från denna regel:

• Grafit kan uppvisa svag diamagnetism på grund av sina parade elektroner och sin struktur.
• Under vissa förhållanden, t.ex. gitterdefekter eller protonbestrålning, kan grafit uppvisa ferromagnetism.
• Faktorer som föroreningar och allotroppstruktur kan påverka grafitens magnetiska egenskaper.
• Enskiktsgrafen uppvisar exceptionella beteenden, liksom grafit i vissa externa fält.
• Nya framsteg har visat att det går att förändra grafit så att den blir magnetisk.

Så även om naturlig grafit tenderar att vara icke-magnetisk är dess egenskaper komplexa. Under särskilda omständigheter kan inducerade förändringar leda till magnetiska beteenden.

Låt oss ta reda på detaljerna...

Diamagnetism: Grafitens standardtillstånd

Nyckeln till att förstå grafitens magnetism ligger i dess kolatomstruktur.

Grafit har en skiktad design, där varje atom är bunden till tre grannar i ett gitter som ser ut som en bikaka. Reservelektronen bildar en "pi-bindning" med skikten ovanför och under.

Denna pi-bindning delokaliserar elektronen, vilket gör att den kan röra sig fritt. Och det är därför grafit leder elektricitet trots att den betraktas som en halvmetall.

Men vad betyder detta för magnetismen?

Med alla sina elektroner i par har varje kolatom inget magnetiskt nettomoment. Så atomlagren tenderar att upphäva varandra snarare än att rikta in sig magnetiskt.

Det är därför grafit har diamagnetism som standard - en egenskap som innebär att den svagt stöter bort externa magnetfält i stället för att attraheras som järn.

För att visualisera det kan man tänka sig diamagnetiska material som små magnetiska speglar. De reflekterar tillbaka det fält som träffar dem eftersom deras parade elektroner motstår omorientering.

Så det är därför ren grafit i allmänhet visar liten magnetism - varje atom motverkar sin grannes lilla fält.

Lyckligtvis har grafit ytterligare egenheter som ger den en magnetisk personlighet...

När grafit blir ferromagnetisk

I motsats till vad många tror är orörd grafit kan uppvisar ferromagnetism, även vid rumstemperatur.

Hemligheten ligger i de pi-bundna elektronskikten. Det visar sig att de kan interagera magnetiskt beroende på hur arken staplas ihop.

Forskarna upptäckte att när två grafenlager har motsatta diamagnetiska riktningar, upphävs deras magnetiska moment (antiferromagnetisk stapling). Med andra orienteringar kan de generera små magnetfält (ferromagnetism).

Men det är inte bara lagerorienteringen som är orsaken till grafitens dolda magnetism. Strukturella defekter spelar också en avgörande roll.

Inget material är nämligen perfekt. När grafit bildas lämnar lagren efter sig topologiska defekter: atomer som saknas, 8-ledade kolringar i stället för hexagonala, och så vidare.

Dessa defekter fungerar som den magnetiska personlighet som grafit saknar. De tillför fria elektroner precis som om man dopar grafit med andra grundämnen. Men här härrör magnetismen enbart från kol!

Gitterdefekter skapar magnetiska 2D-nätverk

För att studera defektmagnetism använder forskarna tekniker som sveptunnelmikroskopi. På så sätt kan de undersöka grafitens struktur ett lager i taget.

Tack vare framsteg inom mikroskopi hittade forskare från Nederländerna något otroligt år 2008.

Det visar sig att många defektområden kopplas samman magnetiskt med sina grannar. Detta bildar ett 2D-nätverk av magnetism inom varje grafenark!

Nätverk av magnetiskt kopplade defekter (doi.org/10.1038/nphys1399)

Det holländska teamet visade att dessa 2D-band också ansluter över ark. Så egentligen har man ett 3D-gitter av magnetiskt aktiva oregelbundenheter i en annars diamagnetisk grafit!

Inte konstigt att grafit har så komplexa magnetiska egenskaper. 🙂 🙂

Föroreningar och allotroper fördunklar magnetismen

Bortsett från inbyggda defekter kan främmande element också introducera magnetism. Om man till exempel lägger till bor eller kväve blir det elektroner över som möjliggör ferromagnetism.

Denna dopningseffekt är viktig eftersom rå grafit innehåller massor av orenheter. Damm, lera, små metallpartiklar - allt detta påverkar den magnetiska responsen.

Det är därför som olika grafitkällor känns mer eller mindre magnetiska. Föroreningsnivåerna varierar oförutsägbart, så magnetismen beror till stor del på det specifika provet.

För att komplicera saken ytterligare har grafit strukturella varianter som kallas allotroper. Grafen (enkla lager), nanorör, buckyballs, träkol, diamant... alla delar egenskaper som ledningsförmåga trots sina unika strukturer.

Och eftersom geometrin dikterar ett materials elektroniska konfiguration, interagerar varje kolallotropp med magnetism på olika sätt:

• Diamant - icke-magnetisk
• Grafen - inneboende kvantmagnetism
• Nanorör - variabel magnetism från defekter
• Buckybollar - diamagnetiska
• Amorft kol - komplex magnetism från föroreningar

Så "Är grafit magnetiskt?" är egentligen inte den bästa frågan. Svaret beror på som grafit menar du!

Inte konstigt att det är ett så förvirrande ämne. 🙂 🙂

Externa faktorer påverkar grafitens magnetism

Förutom inbyggda egenskaper som defekter och geometri, påverkar även yttre påverkan grafitens magnetism.

Bland annat har forskarna upptäckt att de kan framkalla ferromagnetism genom att bestråla grafit med protoner. Strålningen förskjuter kolatomer och lämnar defekter som kopplas magnetiskt. Ganska vilt!

Temperaturen förändrar också grafitens diamagnetism, men inte så mycket. Det visar sig att termisk energi lätt övervinner den svaga magnetiska kopplingen mellan skikten.

Med det sagt påverkar extremt höga temperaturer (tänk ljusbågsugn) grafitens elektronkonfiguration. Så medan vardagliga temperaturer ger försumbar förändring, justerar extrem värme det magnetiska svaret något.

Den sista externa magnetism-modifieraren är helt enkelt att applicera ett externt magnetfält. Till och med en kylskåpsmagnet kan inducera ett svagt motriktat fält i grafit tack vare diamagnetism.

Starka laboratoriefält förstärker denna effekt. Men det inducerade fältet förblir jämförelsevis litet och tillfälligt - grafit blir inte permanent magnetiskt som järn.

Framsteg möjliggör magnetisk grafit

Den goda nyheten är att forskarna hittar sätt att komma runt grafitens nyckfulla magnetism. Smart kemisk modifiering är en väg ...

Till exempel har forskare vid Rice University gjort grafit magnetisk genom att fästa hydroxylgrupper. Deras förening (fluorografene) behöll magnetismen även vid brännande temperaturer - definitivt inte ett typiskt grafitbeteende!

Fluorografengitter - Credit A.G. Rajan et. al (10.1021/jacs.6b12239)

Samtidigt fann andra att bestrålning av grafen också gör det magnetiskt.

Tillvägagångssätt som protonzappande grafen kommer sannolikt inte att fungera i stor skala. Men på forskningsnivå visar de att grafit kan tvingas bli magnetisk med tillräcklig kreativitet.

Slutsats: Det är... komplicerat!

Så sammanfattningsvis - är grafit magnetisk?

Nickelturen säger oss att det är diamagnetiskt och i allmänhet icke-magnetiskt. Och baserat på strukturen hos ordnade grafitkristaller är det en korrekt bedömning.

Men tittar man närmare upptäcker man alla möjliga komplexiteter:

• Defekter i gitteret framkallar magnetism lokalt
• Vissa lagerorienteringar kopplas magnetiskt
• Föroreningar ger ferromagnetism genom extra elektroner
• Allotrope geometri ger oväntade effekter
• Yttre faktorer som värme och magneter ökar påverkan

Och trots huvudvärken som det komplexa systemet medför, har forskare är hitta sätt att få grafit att attraheras av magneter... åtminstone i labbet.

Så även om vanlig grafit inte är särskilt magnetisk, så är den verkliga historien mycket mer nyanserad. Grafitens förhållande till magnetism är faktiskt rikt och fascinerande komplext!