Grafit manyetik midir? Gerçeği öğrenin

Grafitin manyetik olup olmadığı konusunda bazı tartışmalar olduğunu fark ettim. Bir profesyonel olarak neodimyum mıknatıslar tedarikçisiBu karbon bilmecesinin detaylarına inmeye karar verdim.

Grafit manyetizması üzerine yaptığım araştırmada neler bulduğumu size anlatayım.

Grafit manyetik midir?

Kısa cevap şu grafit genellikle manyetik olmayan veya diyamanyetik olarak kabul edilir. Bu, saf grafitin bir mıknatıs gibi davranmadığı ve aslında karbon atomlarının düzeninden dolayı manyetik alanları hafifçe itebileceği anlamına gelir.

Ancak, bu kuralın bazı karmaşıklıkları ve istisnaları vardır:

• Grafit, eşleşmiş elektronları ve yapısı nedeniyle zayıf diyamanyetizma sergileyebilir.
• Kafes kusurları veya proton ışınlaması gibi belirli koşullar altında grafit ferromanyetizma sergileyebilir.
• Safsızlıklar ve allotrop yapısı gibi faktörler grafitin manyetik özelliklerini etkileyebilir.
• Tek katmanlı grafen, bazı dış alanlarda grafit gibi olağanüstü davranışlar sergiler.
• Son gelişmeler, grafiti manyetik hale getirmek için değiştirmenin yollarını göstermiştir.

Dolayısıyla doğal grafit manyetik olmama eğiliminde olsa da özellikleri karmaşıktır. Belirli koşullar altında, indüklenen değişiklikler manyetik davranışlara yol açabilir.

Ayrıntıları inceleyelim...

Diamanyetizma: Grafitin varsayılan durumu

Grafitin manyetizmasını anlamanın anahtarı karbon atomu yapısında yatmaktadır.

Grafit katmanlı bir tasarıma sahiptir ve her atom bal peteğine benzeyen bir kafes içinde üç komşusuna bağlanmıştır. Yedek elektron, üst ve alt katmanlarla bir "pi bağı" oluşturur.

Bu pi bağı elektronun yerini değiştirerek serbestçe dolaşmasını sağlar. İşte bu yüzden grafit bir yarı metal olarak kabul edilmesine rağmen elektriği iletir.

Peki bu manyetizma için ne anlama geliyor?

Tüm elektronları eşleştiğinde, her karbon atomu net manyetik moment yok. Yani atom katmanları manyetik olarak hizalanmak yerine birbirlerini iptal etme eğilimindedir.

Bu nedenle grafit, demir gibi çekilmek yerine dış manyetik alanları zayıf bir şekilde ittiği bir özellik olan diyamanyetizmaya varsayılan olarak sahiptir.

Bunu görselleştirmek için, diyamanyetik malzemeleri hafif manyetik aynalar olarak düşünebilirsiniz. Kendilerine çarpan alanı geri yansıtırlar çünkü çift elektronları yeniden yönlenmeye direnç gösterir.

İşte bu yüzden saf grafit genellikle çok az manyetizma gösterir - her atom komşusunun küçük alanına karşı koyar.

Neyse ki grafit, manyetik bir kişilik kazandıran ek tuhaflıklara sahip...

Grafit ferromanyetik hale geldiğinde

Genel kanının aksine, bozulmamış grafit olabilir oda sıcaklığında bile ferromanyetizma gösterir.

İşin sırrı bu pi-bağlı elektron katmanlarında yatıyor. Tabakaların nasıl bir araya geldiğine bağlı olarak manyetik olarak etkileşime girebildikleri ortaya çıktı.

Araştırmacılar, iki grafen katmanının karşıt diyamanyetik yönelimlere sahip olduğunda, manyetik momentlerinin iptal olduğunu buldular (antiferromanyetik istifleme). Diğer yönelimlerde ise küçük manyetik alanlar oluşturabilirler (ferromanyetizma).

Ancak grafitin gizli manyetizmasından tek başına katman yönelimi sorumlu değildir. Yapısal kusurlar da önemli bir rol oynamaktadır.

Gördüğünüz gibi, hiçbir malzeme mükemmel değildir. Grafit oluştuğunda, katmanlar geride topolojik kusurlar bırakır: eksik atomlar, altıgen yerine 8 üyeli karbon halkaları, bu tür şeyler.

Bu kusurlar grafitin sahip olmadığı manyetik kişilik olarak işlev görür. Tıpkı grafite başka elementler katmak gibi serbest elektronlar katarlar. Ancak burada manyetizma yalnızca karbondan kaynaklanıyor!

Kafes kusurları 2D manyetik ağlar oluşturuyor

Bilim insanları kusur manyetizmasını incelemek için taramalı tünelleme mikroskobu gibi teknikler kullanıyor. Bu, grafitin yapısını her seferinde bir katman olarak incelemelerini sağlar.

Mikroskobik gelişmeler sayesinde, Hollandalı araştırmacılar 2008 yılında inanılmaz bir şey buldular.

Birçok kusurlu bölgenin komşularıyla manyetik olarak çiftleştiği ortaya çıktı. Bu da 2 boyutlu bir manyetizma ağı oluşturuyor. içinde her grafen tabakası!

Manyetik olarak bağlanmış kusurlar ağı (doi.org/10.1038/nphys1399)

Hollandalı ekip bu 2D bantların tabakalar arasında da bağlandığını gösterdi. Yani aslında elinizdeki şey, aksi takdirde manyetik olmayan grafitte manyetik olarak aktif düzensizliklerden oluşan 3 boyutlu bir kafes!

Grafitin bu kadar karmaşık manyetik özelliklere sahip olmasına şaşmamalı 🙂

Safsızlıklar ve allotroplar manyetizmayı karıştırır

Yerleşik kusurların yanı sıra, yabancı elementler de manyetizma yaratabilir. Örneğin, bor veya nitrojen eklenmesi ferromanyetizmayı mümkün kılan yedek elektronlar bırakır.

Bu doping etkisi önemlidir çünkü ham grafit çok sayıda safsızlık içerir. Toz, kil, küçük metal parçacıkları - bunların hepsi manyetik tepkiyi etkiler.

Bu yüzden farklı grafit kaynakları daha fazla veya daha az manyetik hissedilir. Safsızlık seviyeleri tahmin edilemeyecek şekilde değişir, bu nedenle manyetizma büyük ölçüde spesifik örneğe bağlıdır.

Meseleleri daha da karmaşık hale getiren, grafitin allotrop adı verilen yapısal çeşitleri vardır. Grafen (tek katmanlar), nanotüpler, buckyballs, kömür, elmas... hepsi benzersiz yapılarına rağmen iletkenlik gibi özellikleri paylaşır.

Ve geometri bir malzemenin elektronik konfigürasyonunu belirlediğinden, her karbon allotropu manyetizma ile farklı şekilde etkileşime girer:

• Elmas - manyetik olmayan
• Grafen - içsel kuantum manyetizması
• Nanotüpler - kusurlardan kaynaklanan değişken manyetizma
• Buckyballs - diyamanyetik
• Amorf karbon - safsızlıklardan kaynaklanan karmaşık manyetizma

Yani "Grafit manyetik midir?" gerçekten de en iyi soru değildir. Cevap şunlara bağlıdır hangi grafit demek istiyorsun!

Bu kadar kafa karıştırıcı bir konu olmasına şaşmamalı 🙂

Dış etkenler grafitin manyetizmasını büker

Kusurlar ve geometri gibi yerleşik özelliklerin yanı sıra, dış etkiler de grafitin manyetizmasını değiştirir.

Öncelikle, bilim insanları grafiti protonlarla ışınlayarak ferromanyetizmayı tetikleyebileceklerini keşfettiler. Radyasyon karbon atomlarının yerini değiştirerek manyetik olarak çiftleşen kusurlar bırakıyor. Oldukça çılgınca!

Sıcaklık, grafitin diyamanyetizmasını da çok fazla olmasa da değiştirir. Termal enerjinin katmanlar arasındaki zayıf manyetik bağlantının kolayca üstesinden geldiği ortaya çıktı.

Bununla birlikte, aşırı yüksek sıcaklıklar (ark ocağını düşünün) grafitin elektron konfigürasyonunu etkiler. Dolayısıyla, günlük sıcaklıklar ihmal edilebilir bir değişiklik getirirken, aşırı ısı manyetik tepkiyi biraz değiştirir.

Son harici manyetizma değiştirici basitçe harici bir manyetik alan uygulamaktır. Bir buzdolabı mıknatısı bile diyamanyetizma sayesinde grafitte hafif bir karşıt alan oluşturabilir.

Güçlü laboratuvar alanları bu etkiyi güçlendirir. Ancak indüklenen alan nispeten küçük ve geçici kalır - grafit demir gibi kalıcı olarak manyetik hale gelmez.

Gelişmeler manyetik grafiti mümkün kılıyor

İyi haber şu ki, bilim insanları grafitin değişken manyetizmasını aşmanın yollarını buluyor. Akıllı kimyasal modifikasyon bir yoldur...

Örneğin Rice Üniversitesi'ndeki araştırmacılar hidroksil grupları ekleyerek grafiti manyetik hale getirdiler. Elde ettikleri bileşik (florografen) kavurucu sıcaklıklarda bile manyetizmasını korudu - kesinlikle tipik grafit davranışı değil!

Florografen kafes - Kredi A.G. Rajan ve diğerleri (10.1021/jacs.6b12239)

Bu arada, başkaları da grafeni ışınlamanın onu manyetik hale getirdiğini buldu.

Proton-zapping grafen gibi yaklaşımların büyük ölçekte işe yaraması pek olası değil. Ancak araştırma düzeyinde, grafitin yeterli yaratıcılıkla manyetik olmaya zorlanabileceğini gösteriyorlar.

Sonuç: Bu... karmaşık!

Yani özetle - o Grafit manyetik mi?

Nikel turu bize onun diyamanyetik olduğunu ve genellikle manyetik olmadığını söylüyor. Ve düzenli grafit kristallerinin yapısına dayanarak, bu doğru bir değerlendirmedir.

Ancak daha yakından baktığınızda her türlü karmaşıklığı ortaya çıkarırsınız:

• Kafesteki kusurlar yerel olarak manyetizmaya neden olur
• Bazı katman yönelimleri manyetik olarak birleşir
• Safsızlıklar ekstra elektronlar aracılığıyla ferromanyetizma kazandırır
• Allotrop geometrisi beklenmedik etkilere neden olur
• Isı ve mıknatıslar gibi dış faktörler etki yaratır

Ve bu karmaşık sistemin getirdiği baş ağrılarına rağmen, bilim insanları vardır grafiti mıknatıslara çekmenin yollarını bulmak... en azından laboratuvarda.

Dolayısıyla, günlük grafit muazzam derecede manyetik olmasa da, gerçek hikaye çok fazla nüansa sahiptir. Grafitin manyetizma ile ilişkisi aslında zengin ve büyüleyici derecede karmaşıktır!