هل الجرافيت مغناطيسي؟

في علم المواد، الجرافيت هو مادة الكربونبسبب تركيبته وخصائصه الخاصة. يلعب دورًا رئيسيًا في العديد من المجالات مثل الكتابة والصناعة. ومع ذلك ، غالبًا ما يتم تجاهل مغناطيسيته وإدراك الجمهور غامض. إن البحث في مغناطيسية الجرافيت وطبيعته لا يرتبط فقط بتحسين النظرية الأساسية. ولكن له أيضًا إمكانات كبيرة في المجالات الناشئة مثل الحوسبة الكمية.

هل الجرافيت مغناطيسي؟

الخصائص الأساسية للجرافيت

تحتوي بلورة الجرافيت على بنية طبقية نموذجية. وترتبط ذرات الكربون في كل طبقة ببعضها البعض بروابط تساهمية، وتشكل شبكة مستوية سداسية الشكل على شكل قرص العسل. ويمكن للإلكترونات أن تتحرك بحرية في الطبقة، ما يمنح الجرافيت توصيلية كهربائية جيدة، على غرار خصائص الروابط المعدنية. يتم الحفاظ على الطبقة والطبقة بواسطة قوة فان دير فال الضعيفة، والمسافة كبيرة. من الناحية الماكروسكوبية، يتميز الجرافيت بملمس ناعم، وبريق معدني، وخصائص كيميائية مستقرة نسبيًا، ومقاومة درجات الحرارة العالية. مقاومة مجموعة متنوعة من التآكل الحمضي والقلوي، والبنية والخصائص الفريدة هي الأساس لاستكشاف مغناطيسيته.

طبيعة المغناطيسية

تأتي المغناطيسية من حركة ودوران الإلكترونات داخل الذرات. يشبه العزم المغناطيسي المداري للإلكترونات التي تدور حول النواة تيارًا حلقيًا مصغرًا. وللإلكترون نفسه أيضًا عزم مغناطيسي مغناطيسي مغزول، يشبه عزم الدوران في قمة صغيرة. في معظم المواد، يكون تفاعل العزوم المغناطيسية الذرية معقدًا. إذا كانت العزوم المغناطيسية الذرية تصطف تلقائيًّا في نفس الاتجاه ضمن نطاق معين، فإن المادة تُظهِر مغناطيسية حديدية، مثل الحديد والكوبالت والنيكل. تكون العزوم المغناطيسية لبعض المواد متعاكسة ومتوازية مع بعضها البعض، لكن حجمها مختلف. وهناك لحظات مغناطيسية صافية، تُظهر المغناطيسية الحديدية. وهناك أيضًا بعض المواد تكون اللحظات المغناطيسية الذرية متوازية عكسية ومتقابلة تمامًا، أي غير مغناطيسية كلية، كما يُقال عن المغناطيسية القطرية. عندما يكون المجال المغناطيسي الخارجي، فإن مدار الإلكترون ينتج عزمًا مغناطيسيًا إضافيًا ضعيفًا ضد المجال الخارجي. هذا هو المصدر المغناطيسي الثنائي.

الخواص المغناطيسية القطرية للجرافيت

الجرافيت هي في الأساس مواد ثنائية المغناطيسية. في حالة عدم وجود مجال مغناطيسي خارجي، يكون مجموع العزوم المغناطيسية لكل ذرة داخل الجرافيت صفرًا تقريبًا. لذلك لا تظهر المغناطيسية بشكل عام. ولكن عندما يتم تطبيق مجال مغناطيسي على العالم الخارجي، وفقًا لمبدأ الحث الكهرومغناطيسي، تتغير حالة حركة الإلكترونات داخل الجرافيت. ومن أجل منع تغير التدفق المغناطيسي للمجال المغناطيسي الخارجي، تولد الإلكترونات حركة إضافية. وهذا بدوره يشكل عزمًا مغناطيسيًّا تحريضيًّا معاكسًا لاتجاه المجال المغناطيسي الخارجي. هذا العزم المغناطيسي الحثي ضعيف للغاية، بحيث يكون الأداء المضاد للمغناطيسية للجرافيت غير واضح. وعادة ما تكون قابلية التأثر المغناطيسي سالبة وقيمتها صغيرة جدًا، أي حوالي -10^-5.

العوامل الخارجية التي تؤثر على الخواص المغناطيسية للجرافيت

تؤثر درجة الحرارة تأثيرًا كبيرًا على الخواص المغناطيسية للجرافيت. فمع زيادة درجة الحرارة، تشتد الحركة الحرارية للذرات داخل الجرافيت. وتتداخل هذه الزيادة في الحركة الحرارية مع الحركة المدارية للإلكترونات. وتؤثر بدورها على استجابة الإلكترونات للمجال المغناطيسي المطبق. وعلى وجه التحديد، كلما زادت درجة الحرارة، تنخفض القيمة المطلقة لقابلية الجرافيت المغناطيسية الثنائية قليلاً. لكن هذا التغير بطيء نسبيًا. ويمكن اعتبار أن القابلية المغناطيسية القطرية للجرافيت تظل مستقرة نسبيًا تقريبًا ضمن نطاق درجة حرارة معينة.

بالإضافة إلى درجة الحرارة، تؤثر أيضًا قوة المجال المغناطيسي الخارجي وتردده على الخواص المغناطيسية للجرافيت. عندما تكون شدة المجال المغناطيسي الخارجي ضعيفة، فإن الاستجابة المغناطيسية للجرافيت تتوافق بشكل أساسي مع القانون الخطي. أي أن المغنطة تتناسب مع شدة المجال المغناطيسي الخارجي. ومع ذلك، عندما تزداد شدة المجال المغناطيسي الخارجي إلى حد معين، يبدأ التأثير الميكانيكي الكمي في الظهور. وستنحرف الخواص المغناطيسية للجرافيت تدريجيًا عن العلاقة الخطية، مما يُظهر سلوكًا مغناطيسيًا أكثر تعقيدًا. بالإضافة إلى ذلك، بالنسبة للمجالات المغناطيسية المتناوبة، إذا كان التردد مرتفعًا، فإن سرعة استجابة الإلكترونات داخل الجرافيت قد لا يكون قادرًا على مواكبة التغير في المجال المغناطيسي. وينتج عن ذلك تغير في مغناطيسيته القطرية.

هل أكسيد الجرافيت مغناطيسي؟

أكسيد الجرافيت هو أحد مشتقات الجرافيت التي يتم الحصول عليها عن طريق أكسدة الجرافيت. أثناء عملية الأكسدة، يوجد عدد كبير من المجموعات الوظيفية المحتوية على الأكسجين مثل هيدروكسيلوالكربوكسيل ومجموعات الإيبوكسي في بنية الجرافيت. يؤدي وجود هذه المجموعات الوظيفية المحتوية على الأكسجين إلى تغيير كبير في بنية الطبقة الأصلية للجرافيت. وهذا يزيد من تباعد الطبقات، ويدمر نظام الاقتران الإلكتروني الأصلي للجرافيت. مما يؤدي إلى انخفاض كبير في التوصيل الكهربائي.

فيما يتعلق بالمغناطيسية، وذلك بسبب وجود إلكترونات غير متزاوجة في المجموعات الوظيفية المحتوية على الأكسجين التي يتم إدخالها في عملية الأكسدة. هذه الإلكترونات المنفردة لها عزم مغناطيسي مغناطيسي، مما يجعل أكسيد الجرافيت يتمتع بمغناطيسية بارامترية معينة. عندما تكون درجة الأكسدة منخفضة، يظل أكسيد الجرافيت محتفظًا ببعض الخواص المغناطيسية الأصلية للجرافيت. في هذا الوقت تتنافس البارامغناطيسية والبارامغناطيسية القطرية مع بعضها البعض، والأداء المغناطيسي العياني غير واضح. ومع ذلك، مع تعميق درجة الأكسدة، تتعزز الإشارة البارامغناطيسية تدريجيًا. وعندما تتجاوز عتبة معينة، تهيمن البارامغناطيسية البارامغناطيسية، مما يجعل أكسيد الجرافيت ككل يظهر البارامغناطيسية. وتصبح قابليته المغناطيسية موجبة.

الخاتمة

الجرافيت هو مادة ثنائية المغناطيسية، وتتولد ثنائية المغناطيسية من العزم المغناطيسي المستحث بالإلكترون تحت المجال المغناطيسي الخارجي. وهي ذات أهمية كبيرة في مشهد معين. أما أكسيد الجرافيت فهو مادة بارامغناطيسية لاحتوائه على إلكترونات غير مزدوجة، وتختلف المغناطيسية باختلاف درجة الأكسدة. تساعد الأبحاث المتعمقة حول مغناطيسية الاثنين على تحسين النظرية وتعزيز التطبيقات المبتكرة. والمساعدة في تطوير مواد وتقنيات جديدة.