グラファイトに磁性はあるのか？

材料科学において、グラファイトはユニークな存在である。 炭素材料その特殊な構造と特性から執筆や産業など多くの分野で重要な役割を果たしている。しかし、その磁性はしばしば無視され、一般の人々の認識も曖昧である。グラファイトの磁性と性質に関する研究は、基礎理論の改良に関連するだけでなく、グラファイトのような新興分野においても大きな可能性を秘めている。また、量子コンピューティングのような新しい分野でも大きな可能性を秘めている。

グラファイトに磁性はあるのか？

グラファイトの基本特性

グラファイト結晶は典型的な層状構造をしている。そして各層の炭素原子は共有結合によって互いに結びつき、六角形のハニカム平面格子を形成している。そして電子は層内を自由に移動することができ、グラファイトに金属結合の特性に似た良好な電気伝導性を与えている。層と層は弱いファンデルワールス力によって維持され、距離は大きい。マクロ的には、黒鉛は柔らかい質感、金属光沢、比較的安定した化学的性質、高温耐性を持つ。様々な酸やアルカリに侵されにくく、ユニークな構造と特性は、その磁性を探求するための基礎となっている。

磁気の性質

磁性は原子内の電子の運動とスピンから生まれる。原子核の周りを回る電子の軌道磁気モーメントは、小型のリング電流のようなものだ。電子自体にもスピン磁気モーメントがあり、これは小さなコマのスピンに似ている。ほとんどの物質では、原子磁気モーメントの相互作用は複雑である。原子磁気モーメントがある範囲内で自発的に同じ方向に整列する場合、その物質は鉄、コバルト、ニッケルなどの強磁性を示す。ある物質の磁気モーメントは互いに反対で平行だが、大きさは異なる。そして正味の磁気モーメントが存在し、強磁性を示す。また、原子磁気モーメントが逆平行で完全にオフセットしている材料もあり、マクロ非磁性、反磁性と言われています。外部磁場、電子軌道が外部磁場に対して弱い追加の磁気モーメントを生成します。これが反磁性である。

グラファイトの反磁性

グラファイト は本質的に反磁性物質である。外部磁場がない場合、グラファイト内部の各原子の磁気モーメントの和はほとんどゼロである。そのため、大きくは磁性を示さない。しかし、外界に磁場をかけると、電磁誘導の原理に従って、グラファイト内部の電子の運動状態が変化する。外部磁場の磁束の変化を防ぐために、電子はさらに運動を発生させる。その結果、外部磁場の方向とは逆の誘導磁気モーメントが形成される。この誘導磁気モーメントは非常に弱いため、グラファイトの反磁性性能は明らかではありません。黒鉛の帯磁率は通常負で、その値は非常に小さく、-10 程度である。^-5.

グラファイトの磁気特性に影響を与える外的要因

温度はグラファイトの磁気特性に大きな影響を与える。温度が上昇すると、グラファイト内部の原子の熱運動が激しくなる。そしてこの熱運動の増加は、電子の軌道運動を妨害する。その結果、印加された磁場に対する電子の反応に影響を与える。具体的には、温度が上昇すると、グラファイトの反磁化率の絶対値はわずかに低下する。しかし、この変化は比較的緩やかである。そして、グラファイトの反磁性は、ある温度範囲内では比較的安定していると考えることができる。

温度に加えて、外部磁場の強さと周波数も黒鉛の磁気特性に影響を与える。外部磁場の強さが弱い場合、グラファイトの反磁性反応は基本的に線形法則に従う。すなわち、磁化は外部磁場の強さに比例する。しかし、外部磁場の強さがある程度大きくなると、量子力学的効果が現れ始める。そして、グラファイトの反磁性特性は徐々に線形関係から外れ、より複雑な磁気挙動を示すようになる。また、交流磁場では、周波数が高い場合、グラファイトの応答速度が低下する。 電子 グラファイトの内部は、磁場の変化についていけないかもしれない。その結果、反磁性が変化する。

酸化黒鉛は磁性を持つのか？

酸化黒鉛 は黒鉛を酸化して得られる黒鉛誘導体である。 酸化の過程で、以下のような多数の酸素含有官能基が生成する。 ヒドロキシルカルボキシル基、エポキシ基がグラファイトの構造に導入されている。 これらの酸素含有官能基の存在は、グラファイトの本来の層構造を大きく変化させる。 これによって層間隔が広がり、グラファイト本来の電子共役系が破壊される。その結果、導電性が著しく低下する。

磁性に関しては、酸化の過程で導入された酸素含有官能基に不対電子が存在するためである。この不対電子はスピン磁気モーメントを持つため、酸化グラファイトはある種の常磁性を持つ。 酸化の程度が低い場合、酸化黒鉛は黒鉛本来の反磁性特性をまだいくらか保持している。 この時点では常磁性と反磁性が競合し、巨視的な磁気性能は明らかではない。しかし、酸化の度合いが深くなるにつれて、常磁性シグナルが徐々に増強される。ある閾値を超えると常磁性が支配的になり、酸化黒鉛全体が常磁性を示すようになる。そしてその帯磁率は正になる。

結論

黒鉛は反磁性体であり、その反磁性は外部磁場下での電子誘導磁気モーメントによって発生する。ある場面で大きな意味を持つ。酸化黒鉛は不対電子を含むため常磁性であり、酸化の度合いによって磁性が変化する。この2つの磁性を深く研究することは、理論を改善し、革新的な応用を促進することにつながる。また、新素材や新技術の開発にも役立つ。