¿Es magnético el grafito?

En la ciencia de los materiales, el grafito es un material de carbonopor su estructura y propiedades especiales. Desempeña un papel clave en muchos campos, como la escritura y la industria. Sin embargo, a menudo se ignora su magnetismo y el conocimiento del público es vago. La investigación sobre el magnetismo y la naturaleza del grafito no sólo está relacionada con la mejora de la teoría básica. Sino que también tiene un gran potencial en campos emergentes como la computación cuántica.

¿Es magnético el grafito?

Propiedades básicas del grafito

El cristal de grafito tiene una estructura típica en capas. Y los átomos de carbono de cada capa están conectados entre sí por enlaces covalentes, formando una rejilla hexagonal en plano de panal. Y los electrones pueden moverse libremente por la capa, lo que confiere al grafito una buena conductividad eléctrica, similar a las características de los enlaces metálicos. La capa y la capa se mantienen por la débil fuerza de van der Waals, y la distancia es grande. Macroscópicamente, el grafito tiene una textura suave, brillo metálico, propiedades químicas relativamente estables, resistencia a altas temperaturas. Su resistencia a diversos tipos de erosión ácida y alcalina, su estructura y propiedades únicas son la base para explorar su magnetismo.

La naturaleza del magnetismo

El magnetismo procede del movimiento y giro de los electrones en el interior de los átomos. El momento magnético orbital de los electrones que orbitan alrededor del núcleo es como una corriente en anillo en miniatura. El propio electrón también tiene un momento magnético de espín, similar al espín de una peonza diminuta. En la mayoría de los materiales, la interacción de los momentos magnéticos atómicos es compleja. Si los momentos magnéticos atómicos se alinean espontáneamente en la misma dirección dentro de un cierto rango, el material presenta ferromagnetismo, como el hierro, el cobalto o el níquel. Los momentos magnéticos de algunos materiales son opuestos y paralelos entre sí, pero el tamaño es diferente. Y hay momentos magnéticos netos, mostrando ferromagnetismo. También hay algunos materiales momento magnético atómico paralelo inverso y completamente compensado, macro no magnético, dijo diamagnetismo. Cuando el campo magnético externo, la órbita de electrones producirá un momento magnético adicional débil contra el campo externo. Esta es la fuente diamagnética.

Las propiedades diamagnéticas del grafito

Grafito son sustancias esencialmente diamagnéticas. En ausencia de campo magnético externo, la suma de los momentos magnéticos de cada átomo dentro del grafito es casi cero. Por lo tanto, no muestra magnetismo en general. Pero cuando se aplica un campo magnético exterior, según el principio de inducción electromagnética, cambia el estado de movimiento de los electrones en el interior del grafito. Para evitar el cambio de flujo magnético del campo magnético externo, los electrones generarán un movimiento adicional. Esto, a su vez, forma un momento magnético de inducción opuesto a la dirección del campo magnético externo. Este momento magnético de inducción es muy débil, por lo que el rendimiento antimagnético del grafito no es evidente. Su susceptibilidad magnética suele ser negativa y su valor es muy pequeño, del orden de magnitud de -10^-5.

Factores externos que afectan a las propiedades magnéticas del grafito

La temperatura tiene un efecto significativo en las propiedades magnéticas del grafito. A medida que aumenta la temperatura, se intensifica el movimiento térmico de los átomos en el interior del grafito. Y este aumento del movimiento térmico interfiere con el movimiento orbital de los electrones. A su vez, afecta a la respuesta de los electrones al campo magnético aplicado. En concreto, a medida que aumenta la temperatura, el valor absoluto de la susceptibilidad diamagnética del grafito disminuye ligeramente. Pero este cambio es relativamente lento. Y puede considerarse aproximadamente que el diamagnetismo del grafito permanece relativamente estable dentro de un determinado intervalo de temperaturas.

Además de la temperatura, la intensidad y la frecuencia del campo magnético externo también afectan a las propiedades magnéticas del grafito. Cuando la intensidad del campo magnético externo es débil, la respuesta diamagnética del grafito se ajusta básicamente a la ley lineal. Es decir, la magnetización es proporcional a la intensidad del campo magnético externo. Sin embargo, cuando la intensidad del campo magnético externo aumenta hasta cierto punto, empieza a aparecer el efecto mecánico cuántico. Y las propiedades diamagnéticas del grafito se desviarán gradualmente de la relación lineal, mostrando un comportamiento magnético más complejo. Además, en el caso de los campos magnéticos alternos, si la frecuencia es alta, la velocidad de respuesta del electrones dentro del grafito puede no ser capaz de seguir el cambio en el campo magnético. El resultado es un cambio en su diamagnetismo.

¿Es magnético el óxido de grafito?

Óxido de grafito es un derivado del grafito obtenido por oxidación del grafito. Durante el proceso de oxidación, un gran número de grupos funcionales que contienen oxígeno, tales como hidroxiloEn la estructura del grafito se introducen grupos carboxilo y epoxi. La existencia de estos grupos funcionales que contienen oxígeno modifica en gran medida la estructura original de la capa de grafito. Esto aumenta la separación entre capas y destruye el sistema original de conjugación de electrones del grafito. El resultado es una disminución significativa de su conductividad eléctrica.

En términos de magnetismo, debido a la existencia de electrones no apareados en los grupos funcionales que contienen oxígeno introducidos en el proceso de oxidación. Estos electrones no apareados tienen un momento magnético de espín, lo que hace que el óxido de grafito tenga un cierto paramagnetismo. Cuando el grado de oxidación es bajo, el óxido de grafito aún conserva algunas de las propiedades diamagnéticas originales del grafito. En este momento, el paramagnetismo y el diamagnetismo compiten entre sí, y el rendimiento magnético macroscópico no es evidente. Sin embargo, con la profundización del grado de oxidación, la señal paramagnética aumenta gradualmente. Y cuando supera un cierto umbral, el paramagnetismo domina, haciendo que el óxido de grafito en su conjunto muestre paramagnetismo. Y su susceptibilidad magnética se vuelve positiva.

Conclusión

El grafito es una sustancia diamagnética, y su diamagnetismo se genera por el momento magnético inducido por electrones bajo el campo magnético externo. Es de gran importancia en una escena específica. El óxido de grafito es paramagnético porque contiene electrones no apareados, y el magnetismo varía con el grado de oxidación. Investigar a fondo el magnetismo de ambos contribuye a mejorar la teoría, promover aplicaciones innovadoras. Y ayudar al desarrollo de nuevos materiales y tecnologías.