石墨有磁性吗？了解真相

我注意到有一些关于石墨是否具有磁性的争论。作为一名专业 钕磁铁供应商因此，我决定深入调查细节，弄清这个碳难题的真相。

让我带大家了解一下我在石墨磁性研究中发现的东西。

石墨有磁性吗？

简而言之就是 石墨通常被认为是非磁性或二磁性的.这意味着纯石墨不会像磁铁一样起作用，事实上，由于其碳原子的排列，它可以轻微地排斥磁场。

不过，这一规则也有一些复杂性和例外情况：

• 由于石墨的成对电子和结构，它可以显示出弱的二磁性。
• 在某些条件下，如晶格缺陷或质子辐照，石墨可能会表现出铁磁性。
• 杂质和同素异形体结构等因素会影响石墨的磁性。
• 单层石墨烯和石墨一样，在某些外部场中表现出特殊的行为。
• 最近的进展表明，有办法改变石墨，使其具有磁性。

因此，虽然天然石墨倾向于非磁性，但其特性却很复杂。在特定情况下，诱导变化可导致磁性行为。

让我们来详细了解一下...

二磁性：石墨的默认状态

了解石墨磁性的关键在于其碳原子结构。

石墨具有分层设计，每个原子都与三个相邻原子结合在一起，形成类似蜂巢的晶格。备用电子与上下两层形成 "π键"。

这种π键使电子脱位，让它可以自由游动。这就是为什么尽管石墨被认为是半金属，它却能导电的原因。

但这对磁学意味着什么呢？

那么，在电子全部配对的情况下，每个碳原子都有 无净磁矩.因此，原子层往往会相互抵消，而不是磁性排列。

这就是为什么石墨会默认为二磁性--一种弱排斥外部磁场而不是像铁那样被吸引的特性。

为了形象地理解这一点，你可以把二磁性材料想象成轻微的磁镜。它们会反射撞击它们的磁场，因为它们的成对电子会抵制重新定向。

这就是为什么纯石墨通常磁性很小的原因--每个原子都会抵消其相邻原子的微小磁场。

幸运的是，石墨还具有额外的怪癖，能带来一些磁性个性

当石墨具有铁磁性时

与普遍看法相反，原始石墨 会 即使在室温下，也能显示出铁磁性。

秘密就在于这些π键电子层。原来，根据电子层的堆叠方式，它们可以产生磁性相互作用。

研究人员发现，当两个石墨烯层具有相反的二磁方向时，它们的磁矩会抵消（反铁磁堆积）。在其他方向上，它们可能会产生小磁场（铁磁性）。

但是，石墨的隐性磁性并不只是由石墨层取向造成的。结构缺陷也起着至关重要的作用。

要知道，没有一种材料是完美无缺的。当石墨形成时，石墨层会留下拓扑缺陷：原子缺失、八元碳环而不是六角环，诸如此类。

这些缺陷是石墨缺乏的磁性特征。它们引入了自由电子，就像在石墨中掺入其他元素一样。但在这里，磁性仅来自于碳！

晶格缺陷造就二维磁网络

为了研究缺陷磁性，科学家们使用了扫描隧道显微镜等技术。这使他们能够逐层探测石墨的结构。

得益于显微镜技术的进步，荷兰的研究人员在 2008 年发现了一件不可思议的事情。

事实证明，许多缺陷点与其邻近点之间存在磁性耦合。这就形成了一个二维磁网络 内 每个石墨烯薄片！

磁耦合缺陷网络 (doi.org/10.1038/nphys1399)

荷兰研究小组的研究表明，这些二维条带也是跨片连接的。因此，在原本具有二磁性的石墨中，实际上存在着由磁活性不规则体组成的三维晶格！

难怪石墨具有如此复杂的磁性。

杂质和同素异形体混淆了磁性

除了内置缺陷，外来元素也能引入磁性。例如，加入硼或氮后会留下空余电子，从而产生铁磁性。

这种掺杂效应非常重要，因为石墨原料中含有大量杂质。灰尘、粘土、微小的金属颗粒--它们都会影响磁响应。

这就是为什么不同来源的石墨会有或多或少的磁性。杂质含量的变化难以预测，因此磁性在很大程度上取决于具体的样品。

使问题更加复杂的是，石墨的结构种类被称为同素异形体。石墨烯（单层）、纳米管、降压球、木炭、金刚石......尽管结构独特，但都具有导电等特性。

由于几何形状决定了材料的电子构型，因此每种碳素同素异形体与磁性的相互作用也各不相同：

• 钻石 - 非磁性
• 石墨烯--内在量子磁性
• 纳米管--缺陷产生的可变磁性
• 巴克球 - 双磁性
• 无定形碳--来自杂质的复杂磁性

因此，"石墨有磁性吗？"并不是一个最好的问题。答案取决于 其中 你是说石墨？

难怪这是一个令人困惑的话题。

外部因素使石墨的磁性发生弯曲

除了缺陷和几何形状等内在特征外，外部影响也会改变石墨的磁性。

首先，科学家发现他们可以通过用质子辐照石墨来诱导铁磁性。辐射会使碳原子发生位移，留下具有磁性耦合的缺陷。太疯狂了

温度也会改变石墨的二磁性，不过改变不大。原来，热能很容易克服层间微弱的磁耦合。

也就是说，极高的温度（如电弧炉）确实会影响石墨的电子构型。因此，虽然日常温度带来的变化可以忽略不计，但极端高温会在一定程度上改变磁响应。

最后一种外磁调节器就是简单地施加外部磁场。由于二重磁性，即使是冰箱磁铁也能在石墨中产生轻微的反向磁场。

实验室的强磁场会放大这种效应。但诱导磁场仍然相对微小和暂时，石墨不会像铁那样具有永久磁性。

磁性石墨技术的进步

好消息是，科学家们正在寻找绕过石墨易变磁性的方法。巧妙的化学改性是其中一条途径...

例如，莱斯大学的研究人员通过附加羟基将石墨磁化。他们的化合物（氟石墨烯）即使在炙热的温度下也能保持磁性--这绝对不是典型的石墨行为！

萤光石墨烯晶格 - A.G. Rajan 等人的作品 (10.1021/jacs.6b12239)

同时，还有人发现辐照石墨烯也能使其具有磁性。

像质子斩波石墨烯这样的方法不太可能在大规模应用中奏效。但在研究层面，它们表明只要有足够的创造力，石墨也能被强制磁化。

结论：这......很复杂！

因此，总而言之 是 石墨磁性？

镍之旅告诉我们，它是二磁性的，一般没有磁性。根据有序石墨晶体的结构，这是一个准确的评估。

但仔细观察就会发现其中的复杂性：

• 晶格中的缺陷会在局部产生磁性
• 某些层方向会产生磁耦合
• 杂质通过额外电子产生铁磁性
• 配向几何造成意想不到的效果
• 热量和磁铁等外部因素的影响

尽管复杂的系统令人头疼，但科学家们 是 找到使石墨被磁铁吸引的方法......至少在实验室里是这样。

因此，虽然日常石墨的磁性并不强，但真实情况却有很多微妙之处。石墨与磁性之间的关系其实丰富而复杂，令人着迷！