Ist Graphit magnetisch?

In der Materialwissenschaft ist Graphit ein einzigartiges Kohlenstoffmaterialaufgrund seiner besonderen Struktur und Eigenschaften. Es spielt in vielen Bereichen wie der Schrift und der Industrie eine Schlüsselrolle. Sein Magnetismus wird jedoch oft ignoriert, und die Kenntnisse der Öffentlichkeit sind vage. Die Erforschung des Magnetismus und der Natur von Graphit dient nicht nur der Verbesserung der theoretischen Grundlagen. Sie birgt auch ein großes Potenzial für neu entstehende Bereiche wie das Quantencomputing.

Ist Graphit magnetisch?

Grundlegende Eigenschaften von Graphit

Der Graphitkristall hat eine typische Schichtstruktur. Die Kohlenstoffatome in jeder Schicht sind durch kovalente Bindungen miteinander verbunden und bilden ein hexagonales, wabenförmiges Gitter. Die Elektronen können sich in der Schicht frei bewegen, was dem Graphit eine gute elektrische Leitfähigkeit verleiht, ähnlich den Eigenschaften von Metallbindungen. Schicht und Schicht werden durch schwache Van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten, und der Abstand ist groß. Makroskopisch betrachtet hat Graphit eine weiche Textur, metallischen Glanz, relativ stabile chemische Eigenschaften und eine hohe Temperaturbeständigkeit. Die Widerstandsfähigkeit gegenüber einer Vielzahl von Säuren und Laugen, die einzigartige Struktur und die Eigenschaften sind die Grundlage für die Erforschung seines Magnetismus.

Die Natur des Magnetismus

Magnetismus entsteht durch die Bewegung und den Spin der Elektronen in den Atomen. Das orbitale magnetische Moment der Elektronen, die den Kern umkreisen, ist wie ein Miniatur-Ringstrom. Das Elektron selbst hat auch ein magnetisches Spinmoment, ähnlich dem Spin eines winzigen Kreisels. In den meisten Materialien ist die Wechselwirkung der atomaren magnetischen Momente komplex. Richten sich die atomaren magnetischen Momente innerhalb eines bestimmten Bereichs spontan in die gleiche Richtung aus, weist das Material Ferromagnetismus auf, wie z. B. Eisen, Kobalt, Nickel. Bei einigen Materialien sind die magnetischen Momente entgegengesetzt und parallel zueinander, aber die Größe ist unterschiedlich. Und es gibt magnetische Nettomomente, die Ferromagnetismus zeigen. Es gibt auch einige Materialien, bei denen die magnetischen Momente der Atome umgekehrt parallel zueinander verlaufen und völlig gegeneinander verschoben sind (Diamagnetismus). Wenn das äußere Magnetfeld, die Elektronenbahn wird eine schwache zusätzliche magnetische Moment gegen das äußere Feld zu produzieren. Dies ist die diamagnetische Quelle.

Die diamagnetischen Eigenschaften von Graphit

Graphit sind im Wesentlichen diamagnetische Stoffe. In Abwesenheit eines äußeren Magnetfeldes ist die Summe der magnetischen Momente der einzelnen Atome im Graphit nahezu Null. Es zeigt also keinen Magnetismus im Großen und Ganzen. Wird jedoch ein Magnetfeld an die Außenwelt angelegt, so ändert sich nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion der Zustand der Elektronenbewegung im Graphit. Um die Änderung des magnetischen Flusses des äußeren Magnetfeldes zu verhindern, erzeugen die Elektronen eine zusätzliche Bewegung. Dadurch entsteht ein induktives magnetisches Moment, das der Richtung des äußeren Magnetfelds entgegengesetzt ist. Dieses induktive magnetische Moment ist sehr schwach, so dass die antimagnetische Wirkung von Graphit nicht offensichtlich ist. Seine magnetische Suszeptibilität ist in der Regel negativ und der Wert ist sehr gering, etwa in der Größenordnung von -10^-5.

Externe Faktoren, die die magnetischen Eigenschaften von Graphit beeinflussen

Die Temperatur hat einen erheblichen Einfluss auf die magnetischen Eigenschaften von Graphit. Mit steigender Temperatur nimmt die thermische Bewegung der Atome im Inneren des Graphits zu. Und diese Zunahme der thermischen Bewegung stört die Orbitalbewegung der Elektronen. Dies wiederum beeinflusst die Reaktion der Elektronen auf das angelegte Magnetfeld. Mit steigender Temperatur nimmt der Absolutwert der diamagnetischen Suszeptibilität von Graphit leicht ab. Diese Veränderung ist jedoch relativ langsam. Man kann also davon ausgehen, dass der Diamagnetismus von Graphit innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs relativ stabil bleibt.

Neben der Temperatur beeinflussen auch die Stärke und die Frequenz des äußeren Magnetfeldes die magnetischen Eigenschaften von Graphit. Wenn die Stärke des äußeren Magnetfelds schwach ist, entspricht die diamagnetische Reaktion von Graphit im Wesentlichen dem linearen Gesetz. Das heißt, die Magnetisierung ist proportional zur Stärke des äußeren Magnetfelds. Wenn jedoch die Stärke des äußeren Magnetfeldes bis zu einem gewissen Grad zunimmt, tritt der quantenmechanische Effekt auf. Und die diamagnetischen Eigenschaften von Graphit weichen allmählich von der linearen Beziehung ab und zeigen ein komplexeres magnetisches Verhalten. Außerdem ist bei magnetischen Wechselfeldern bei hoher Frequenz die Reaktionsgeschwindigkeit der Elektronen im Inneren des Graphits möglicherweise nicht mit der Änderung des Magnetfelds Schritt halten. Dies führt zu einer Veränderung des Diamagnetismus.

Ist Graphitoxid magnetisch?

Graphitoxid ist ein Graphitderivat, das durch Oxidation von Graphit gewonnen wird. Während des Oxidationsprozesses wird eine große Anzahl sauerstoffhaltiger funktioneller Gruppen wie HydroxylCarboxyl- und Epoxygruppen in die Struktur des Graphits eingebracht werden. Das Vorhandensein dieser sauerstoffhaltigen funktionellen Gruppen verändert die ursprüngliche Schichtstruktur des Graphits erheblich. Dadurch wird der Schichtabstand vergrößert und das ursprüngliche Elektronenkonjugationssystem des Graphits zerstört. Dies führt zu einer erheblichen Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit.

In Bezug auf den Magnetismus ist dies auf die Existenz ungepaarter Elektronen in den sauerstoffhaltigen funktionellen Gruppen zurückzuführen, die beim Oxidationsprozess eingeführt werden. Diese ungepaarten Elektronen haben ein magnetisches Spinmoment, wodurch Graphitoxid einen gewissen Paramagnetismus aufweist. Bei einem geringen Oxidationsgrad behält das Graphitoxid noch einige der ursprünglichen diamagnetischen Eigenschaften von Graphit. Zu diesem Zeitpunkt konkurrieren Paramagnetismus und Diamagnetismus miteinander, und die makroskopische magnetische Leistung ist nicht offensichtlich. Mit zunehmendem Oxidationsgrad wird das paramagnetische Signal jedoch allmählich verstärkt. Und wenn es einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, dominiert der Paramagnetismus, so dass das Graphitoxid als Ganzes paramagnetisch wird. Und seine magnetische Suszeptibilität wird positiv.

Schlussfolgerung

Graphit ist eine diamagnetische Substanz, und sein Diamagnetismus wird durch das von Elektronen induzierte magnetische Moment unter dem äußeren Magnetfeld erzeugt. Er ist in einer bestimmten Szene von großer Bedeutung. Graphitoxid ist paramagnetisch, da es ungepaarte Elektronen enthält, und der Magnetismus variiert mit dem Grad der Oxidation. Die eingehende Erforschung des Magnetismus der beiden Stoffe trägt zur Verbesserung der Theorie und zur Förderung innovativer Anwendungen bei. Und sie hilft bei der Entwicklung neuer Materialien und Technologien.