La grafite è magnetica?

Nella scienza dei materiali, la grafite è un materiale in carbonioper la sua struttura e le sue proprietà speciali. Svolge un ruolo fondamentale in molti campi, come la scrittura e l'industria. Tuttavia, il suo magnetismo è spesso ignorato e la conoscenza del pubblico è vaga. La ricerca sul magnetismo e sulla natura della grafite non è solo legata al miglioramento della teoria di base. Ma ha anche un grande potenziale in campi emergenti come l'informatica quantistica.

La grafite è magnetica?

Proprietà di base della grafite

Il cristallo di grafite ha una tipica struttura a strati. Gli atomi di carbonio di ogni strato sono collegati tra loro da legami covalenti, formando una griglia esagonale a nido d'ape. Gli elettroni possono muoversi liberamente nello strato, conferendo alla grafite una buona conducibilità elettrica, simile alle caratteristiche dei legami metallici. Lo strato e lo strato sono mantenuti da una debole forza di van der Waals e la distanza è grande. Macroscopicamente, la grafite ha una consistenza morbida, una lucentezza metallica, proprietà chimiche relativamente stabili, resistenza alle alte temperature. La resistenza all'erosione di diversi acidi e alcali, la struttura e le proprietà uniche sono la base per esplorare il suo magnetismo.

La natura del magnetismo

Il magnetismo deriva dal movimento e dallo spin degli elettroni all'interno degli atomi. Il momento magnetico orbitale degli elettroni che orbitano intorno al nucleo è come una corrente anulare in miniatura. Anche l'elettrone stesso ha un momento magnetico di spin, simile allo spin di una piccola trottola. Nella maggior parte dei materiali, l'interazione dei momenti magnetici atomici è complessa. Se i momenti magnetici atomici si allineano spontaneamente nella stessa direzione entro un certo intervallo, il materiale presenta ferromagnetismo, come il ferro, il cobalto e il nichel. I momenti magnetici di alcuni materiali sono opposti e paralleli tra loro, ma le dimensioni sono diverse. Esistono anche momenti magnetici netti, che mostrano ferromagnetismo. Ci sono anche alcuni materiali con momento magnetico atomico inverso e parallelo e completamente sfalsato, macro non magnetici, detti diamagnetismo. Quando il campo magnetico esterno, l'orbita degli elettroni produrrà un debole momento magnetico aggiuntivo contro il campo esterno. Questa è la fonte diamagnetica.

Le proprietà diamagnetiche della grafite

Grafite sono sostanze essenzialmente diamagnetiche. In assenza di un campo magnetico esterno, la somma dei momenti magnetici di ciascun atomo all'interno della grafite è quasi nulla. Quindi non mostra magnetismo in generale. Ma quando viene applicato un campo magnetico all'esterno, secondo il principio dell'induzione elettromagnetica, lo stato di moto degli elettroni all'interno della grafite cambia. Per evitare la variazione del flusso magnetico del campo magnetico esterno, gli elettroni generano un moto supplementare. Questo, a sua volta, forma un momento magnetico di induzione opposto alla direzione del campo magnetico esterno. Questo momento magnetico di induzione è molto debole, per cui le prestazioni antimagnetiche della grafite non sono evidenti. La sua suscettibilità magnetica è solitamente negativa e il suo valore è molto piccolo, dell'ordine di grandezza di -10^-5.

Fattori esterni che influenzano le proprietà magnetiche della grafite

La temperatura ha un effetto significativo sulle proprietà magnetiche della grafite. All'aumentare della temperatura, il moto termico degli atomi all'interno della grafite si intensifica. Questo aumento del moto termico interferisce con il moto orbitale degli elettroni. A sua volta, influisce sulla risposta degli elettroni al campo magnetico applicato. In particolare, con l'aumento della temperatura, il valore assoluto della suscettibilità diamagnetica della grafite diminuisce leggermente. Ma questo cambiamento è relativamente lento. Si può quindi ritenere che il diamagnetismo della grafite rimanga relativamente stabile entro un certo intervallo di temperatura.

Oltre alla temperatura, anche l'intensità e la frequenza del campo magnetico esterno influiscono sulle proprietà magnetiche della grafite. Quando l'intensità del campo magnetico esterno è debole, la risposta diamagnetica della grafite è sostanzialmente conforme alla legge lineare. In altre parole, la magnetizzazione è proporzionale all'intensità del campo magnetico esterno. Tuttavia, quando l'intensità del campo magnetico esterno aumenta fino a un certo punto, inizia a manifestarsi l'effetto quantomeccanico. Le proprietà diamagnetiche della grafite si discostano gradualmente dalla relazione lineare, mostrando un comportamento magnetico più complesso. Inoltre, per i campi magnetici alternati, se la frequenza è elevata, la velocità di risposta della grafite si riduce. elettroni all'interno della grafite potrebbe non essere in grado di seguire la variazione del campo magnetico. Ciò comporta una variazione del diamagnetismo.

L'ossido di grafite è magnetico?

Ossido di grafite è un derivato della grafite ottenuto dall'ossidazione della grafite. Durante il processo di ossidazione, un gran numero di gruppi funzionali contenenti ossigeno, come ad esempio idrossileI gruppi carbossilici ed epossidici vengono introdotti nella struttura della grafite. L'esistenza di questi gruppi funzionali contenenti ossigeno modifica notevolmente la struttura originale degli strati di grafite. Questo aumenta la distanza tra gli strati e distrugge il sistema originale di coniugazione degli elettroni della grafite. Il risultato è una diminuzione significativa della sua conducibilità elettrica.

In termini di magnetismo, l'esistenza di elettroni spaiati nei gruppi funzionali contenenti ossigeno introdotti nel processo di ossidazione. Questi elettroni spaiati hanno un momento magnetico di spin, rendendo l'ossido di grafite dotato di un certo paramagnetismo. Quando il grado di ossidazione è basso, l'ossido di grafite conserva ancora alcune delle proprietà diamagnetiche originali della grafite. In questo momento il paramagnetismo e il diamagnetismo sono in competizione tra loro e le prestazioni magnetiche macroscopiche non sono evidenti. Tuttavia, con l'approfondimento del grado di ossidazione, il segnale paramagnetico aumenta gradualmente. Quando supera una certa soglia, il paramagnetismo domina, facendo sì che l'ossido di grafite nel suo complesso mostri paramagnetismo. E la sua suscettibilità magnetica diventa positiva.

Conclusione

La grafite è una sostanza diamagnetica e il suo diamagnetismo è generato dal momento magnetico indotto dagli elettroni sotto il campo magnetico esterno. È di grande importanza in uno scenario specifico. L'ossido di grafite è paramagnetico perché contiene elettroni spaiati e il magnetismo varia in base al grado di ossidazione. Una ricerca approfondita sul magnetismo di questi due elementi contribuisce a migliorare la teoria e a promuovere applicazioni innovative. E aiutare lo sviluppo di nuovi materiali e tecnologie.