Είναι ο γραφίτης μαγνητικός ?

Στην επιστήμη των υλικών, ο γραφίτης είναι ένα μοναδικό υλικό άνθρακα, λόγω της ιδιαίτερης δομής και των ιδιοτήτων του. Παίζει βασικό ρόλο σε πολλούς τομείς, όπως η γραφή και η βιομηχανία. Ωστόσο, ο μαγνητισμός της συχνά αγνοείται και η γνώση του κοινού είναι ασαφής. Η έρευνα σχετικά με τον μαγνητισμό και τη φύση του γραφίτη δεν σχετίζεται μόνο με τη βελτίωση της βασικής θεωρίας. Αλλά έχει επίσης μεγάλες δυνατότητες σε αναδυόμενους τομείς όπως η κβαντική πληροφορική.

Είναι ο γραφίτης μαγνητικός;

Βασικές ιδιότητες του γραφίτη

Ο κρύσταλλος του γραφίτη έχει τυπική στρωματοποιημένη δομή. Και τα άτομα άνθρακα σε κάθε στρώμα συνδέονται μεταξύ τους με ομοιοπολικούς δεσμούς, σχηματίζοντας ένα εξαγωνικό πλέγμα με κυψελωτό επίπεδο. Και τα ηλεκτρόνια μπορούν να κινούνται ελεύθερα στο στρώμα, προσδίδοντας στον γραφίτη καλή ηλεκτρική αγωγιμότητα, παρόμοια με τα χαρακτηριστικά των μεταλλικών δεσμών. Το στρώμα και το στρώμα διατηρούνται με ασθενή δύναμη van der Waals και η απόσταση είναι μεγάλη. Μακροσκοπικά, ο γραφίτης έχει μαλακή υφή, μεταλλική λάμψη, σχετικά σταθερές χημικές ιδιότητες, αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες. Η ανθεκτικότητα σε μια ποικιλία όξινων και αλκαλικών διαβρώσεων, η μοναδική δομή και οι ιδιότητες αποτελούν τη βάση για τη διερεύνηση του μαγνητισμού του.

Η φύση του μαγνητισμού

Ο μαγνητισμός προέρχεται από την κίνηση και την περιστροφή των ηλεκτρονίων στο εσωτερικό των ατόμων. Η τροχιακή μαγνητική ροπή των ηλεκτρονίων που περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα είναι σαν ένα μικροσκοπικό ρεύμα δακτυλίου. Το ίδιο το ηλεκτρόνιο έχει επίσης μια μαγνητική ροπή σπιν, παρόμοια με το σπιν μιας μικροσκοπικής κορυφής. Στα περισσότερα υλικά, η αλληλεπίδραση των ατομικών μαγνητικών ροπών είναι πολύπλοκη. Εάν οι ατομικές μαγνητικές ροπές ευθυγραμμιστούν αυθόρμητα προς την ίδια κατεύθυνση μέσα σε ένα ορισμένο εύρος, το υλικό παρουσιάζει σιδηρομαγνητισμό, όπως ο σίδηρος, το κοβάλτιο, το νικέλιο. Οι μαγνητικές ροπές ορισμένων υλικών είναι αντίθετες και παράλληλες μεταξύ τους, αλλά το μέγεθος είναι διαφορετικό. Και υπάρχουν καθαρές μαγνητικές ροπές, που δείχνουν σιδηρομαγνητισμό. Υπάρχουν επίσης κάποια υλικά ατομικής μαγνητικής ροπής αντίστροφα παράλληλα και εντελώς μετατοπισμένα, μακρο μη μαγνητικά, είπε διαμαγνητισμό. Όταν το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, η τροχιά των ηλεκτρονίων θα παράγει μια ασθενή πρόσθετη μαγνητική ροπή ενάντια στο εξωτερικό πεδίο. Αυτή είναι η διαμαγνητική πηγή.

Οι διαμαγνητικές ιδιότητες του γραφίτη

Γραφίτης είναι ουσιαστικά διαμαγνητικές ουσίες. Ελλείψει εξωτερικού μαγνητικού πεδίου, το άθροισμα των μαγνητικών ροπών κάθε ατόμου στο εσωτερικό του γραφίτη είναι σχεδόν μηδενικό. Έτσι, δεν παρουσιάζει μαγνητισμό σε μεγάλο βαθμό. Όταν όμως εφαρμόζεται ένα μαγνητικό πεδίο στον εξωτερικό κόσμο, σύμφωνα με την αρχή της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής, η κατάσταση της κίνησης των ηλεκτρονίων στο εσωτερικό του γραφίτη αλλάζει. Προκειμένου να αποτραπεί η αλλαγή της μαγνητικής ροής του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου, τα ηλεκτρόνια θα δημιουργήσουν μια πρόσθετη κίνηση. Αυτή με τη σειρά της σχηματίζει μια επαγωγική μαγνητική ροπή αντίθετη προς την κατεύθυνση του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Αυτή η επαγωγική μαγνητική ροπή είναι πολύ ασθενής, έτσι ώστε η αντιμαγνητική απόδοση του γραφίτη να μην είναι προφανής. Η μαγνητική του επιδεκτικότητα είναι συνήθως αρνητική και η τιμή της είναι πολύ μικρή, περίπου της τάξης μεγέθους -10^-5.

Εξωτερικοί παράγοντες που επηρεάζουν τις μαγνητικές ιδιότητες του γραφίτη

Η θερμοκρασία επηρεάζει σημαντικά τις μαγνητικές ιδιότητες του γραφίτη. Καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία, εντείνεται η θερμική κίνηση των ατόμων στο εσωτερικό του γραφίτη. Και αυτή η αύξηση της θερμικής κίνησης παρεμβαίνει στην τροχιακή κίνηση των ηλεκτρονίων. Αυτό με τη σειρά του επηρεάζει την απόκριση των ηλεκτρονίων στο εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο. Συγκεκριμένα, καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία, η απόλυτη τιμή της διαμαγνητικής επιδεκτικότητας του γραφίτη θα μειωθεί ελαφρώς. Η μεταβολή αυτή όμως είναι σχετικά αργή. Και ο διαμαγνητισμός του γραφίτη μπορεί κατά προσέγγιση να θεωρηθεί ότι παραμένει σχετικά σταθερός εντός ενός συγκεκριμένου εύρους θερμοκρασιών.

Εκτός από τη θερμοκρασία, η ένταση και η συχνότητα του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου επηρεάζουν επίσης τις μαγνητικές ιδιότητες του γραφίτη. Όταν η ισχύς του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου είναι ασθενής, η διαμαγνητική απόκριση του γραφίτη συμμορφώνεται βασικά με τον γραμμικό νόμο. Δηλαδή, η μαγνήτιση είναι ανάλογη της έντασης του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Ωστόσο, όταν η ένταση του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου αυξάνεται σε κάποιο βαθμό, αρχίζει να εμφανίζεται το κβαντομηχανικό φαινόμενο. Και οι διαμαγνητικές ιδιότητες του γραφίτη θα αποκλίνουν σταδιακά από τη γραμμική σχέση, παρουσιάζοντας πιο σύνθετη μαγνητική συμπεριφορά. Επιπλέον, για εναλλασσόμενα μαγνητικά πεδία, εάν η συχνότητα είναι υψηλή, η ταχύτητα απόκρισης του ηλεκτρόνια στο εσωτερικό του γραφίτη μπορεί να μην είναι σε θέση να συμβαδίσει με την αλλαγή του μαγνητικού πεδίου. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την αλλαγή του διαμαγνητισμού του.

Είναι το οξείδιο του γραφίτη μαγνητικό;

Οξείδιο του γραφίτη είναι παράγωγο γραφίτη που λαμβάνεται με οξείδωση του γραφίτη. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας οξείδωσης, ένας μεγάλος αριθμός λειτουργικών ομάδων που περιέχουν οξυγόνο, όπως οι υδροξύλιο, καρβοξυλικές και εποξειδικές ομάδες εισάγονται στη δομή του γραφίτη. Η ύπαρξη αυτών των λειτουργικών ομάδων που περιέχουν οξυγόνο μεταβάλλει σημαντικά την αρχική δομή των στρωμάτων του γραφίτη. Αυτό αυξάνει την απόσταση μεταξύ των στρωμάτων και καταστρέφει το αρχικό σύστημα σύζευξης ηλεκτρονίων του γραφίτη. Αποτέλεσμα είναι η σημαντική μείωση της ηλεκτρικής αγωγιμότητάς του.

Όσον αφορά τον μαγνητισμό, λόγω της ύπαρξης ασύζευκτων ηλεκτρονίων στις λειτουργικές ομάδες που περιέχουν οξυγόνο και εισάγονται κατά τη διαδικασία οξείδωσης. Αυτά τα ασύζευκτα ηλεκτρόνια έχουν μαγνητική ροπή σπιν, καθιστώντας το οξείδιο του γραφίτη να έχει έναν ορισμένο παραμαγνητισμό. Όταν ο βαθμός οξείδωσης είναι χαμηλός, το οξείδιο του γραφίτη εξακολουθεί να διατηρεί κάποιες από τις αρχικές διαμαγνητικές ιδιότητες του γραφίτη. Αυτή τη στιγμή ο παραμαγνητισμός και ο διαμαγνητισμός ανταγωνίζονται μεταξύ τους και η μακροσκοπική μαγνητική απόδοση δεν είναι προφανής. Ωστόσο, με την εμβάθυνση του βαθμού οξείδωσης, το παραμαγνητικό σήμα ενισχύεται σταδιακά. Και όταν υπερβεί ένα ορισμένο όριο, ο παραμαγνητισμός θα κυριαρχήσει, κάνοντας το οξείδιο του γραφίτη στο σύνολό του να εμφανίζει παραμαγνητισμό. Και η μαγνητική του επιδεκτικότητα γίνεται θετική.

Συμπέρασμα

Ο γραφίτης είναι μια διαμαγνητική ουσία και ο διαμαγνητισμός του δημιουργείται από τη μαγνητική ροπή που προκαλείται από το ηλεκτρόνιο υπό το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Έχει μεγάλη σημασία σε μια συγκεκριμένη σκηνή. Το οξείδιο του γραφίτη είναι παραμαγνητικό, επειδή περιέχει ασύζευκτα ηλεκτρόνια, και ο μαγνητισμός ποικίλλει ανάλογα με τον βαθμό οξείδωσης. Η σε βάθος έρευνα του μαγνητισμού των δύο συμβάλλει στη βελτίωση της θεωρίας, προωθώντας καινοτόμες εφαρμογές. Και βοηθά στην ανάπτυξη νέων υλικών και τεχνολογιών.