Чи є графіт магнітним?

У матеріалознавстві графіт є унікальним вуглецевий матеріалзавдяки своїй особливій структурі та властивостям. Він відіграє ключову роль у багатьох сферах, таких як письменництво та промисловість. Однак його магнетизм часто ігнорується, а знання громадськості про нього є нечіткими. Дослідження магнетизму та природи графіту пов'язане не лише з удосконаленням базової теорії. Воно також має великий потенціал у нових галузях, таких як квантові обчислення.

Чи є графіт магнітним?

Основні властивості графіту

Кристал графіту має типову шарувату структуру. Атоми вуглецю в кожному шарі з'єднані між собою ковалентними зв'язками, утворюючи гексагональну сотову плоску решітку. А електрони можуть вільно переміщатися в шарі, надаючи графіту хорошу електропровідність, подібну до характеристик металевих зв'язків. Шар і шар підтримуються слабкою силою Ван-дер-Ваальса, а відстань між ними велика. Макроскопічно графіт має м'яку текстуру, металевий блиск, відносно стабільні хімічні властивості, високу термостійкість. Стійкість до різноманітної кислотної та лужної ерозії, унікальна структура та властивості є основою для вивчення його магнетизму.

Природа магнетизму

Магнетизм виникає завдяки руху та обертанню електронів всередині атомів. Орбітальний магнітний момент електронів, що обертаються навколо ядра, подібний до мініатюрного кільцевого струму. Сам електрон також має спіновий магнітний момент, подібний до спіну крихітної вершини. У більшості матеріалів взаємодія атомних магнітних моментів є складною. Якщо атомні магнітні моменти спонтанно вирівнюються в одному напрямку в певному діапазоні, матеріал проявляє феромагнетизм, наприклад, залізо, кобальт, нікель. Магнітні моменти деяких матеріалів протилежні і паралельні один одному, але величина їх різна. І є чисті магнітні моменти, що показують феромагнетизм. Існують також деякі матеріали, атомні магнітні моменти яких обернені паралельно і повністю зсунуті, макронемагнітні, так званий діамагнетизм. Коли зовнішнє магнітне поле, орбіта електрона буде створювати слабкий додатковий магнітний момент проти зовнішнього поля. Це діамагнітне джерело.

Діамагнітні властивості графіту

Графіт є по суті діамагнітними речовинами. За відсутності зовнішнього магнітного поля сума магнітних моментів кожного атома всередині графіту майже дорівнює нулю. Тому він взагалі не проявляє магнетизму. Але коли магнітне поле прикладається до зовнішнього світу, згідно з принципом електромагнітної індукції, стан руху електронів всередині графіту змінюється. Для того, щоб запобігти зміні магнітного потоку зовнішнього магнітного поля, електрони будуть генерувати додатковий рух. Це, в свою чергу, формує індукційний магнітний момент, протилежний напрямку зовнішнього магнітного поля. Цей індукційний магнітний момент дуже слабкий, тому антимагнітні властивості графіту не є очевидними. Його магнітна сприйнятливість зазвичай негативна і має дуже мале значення, порядку -10^-5.

Зовнішні фактори, що впливають на магнітні властивості графіту

Температура має значний вплив на магнітні властивості графіту. З підвищенням температури тепловий рух атомів всередині графіту посилюється. І це посилення теплового руху заважає орбітальному руху електронів. Це, в свою чергу, впливає на реакцію електронів на прикладену магнітне поле. Зокрема, з підвищенням температури абсолютне значення діамагнітної сприйнятливості графіту буде дещо зменшуватися. Але ця зміна відбувається відносно повільно. І можна приблизно вважати, що діамагнетизм графіту залишається відносно стабільним в певному температурному діапазоні.

Окрім температури, на магнітні властивості графіту впливають також напруженість і частота зовнішнього магнітного поля. Коли напруженість зовнішнього магнітного поля слабка, діамагнітний відгук графіту в основному відповідає лінійному закону. Тобто намагніченість пропорційна напруженості зовнішнього магнітного поля. Однак, коли напруженість зовнішнього магнітного поля збільшується до певної міри, починає проявлятися квантово-механічний ефект. І діамагнітні властивості графіту будуть поступово відхилятися від лінійної залежності, демонструючи більш складну магнітну поведінку. Крім того, для змінних магнітних полів, якщо частота висока, швидкість відгуку електрони всередині графіту може не встигати за зміною магнітного поля. Це призводить до зміни його діамагнетизму.

Чи є оксид графіту магнітним?

Оксид графіту похідна графіту, яку отримують шляхом окислення графіту. В процесі окислення утворюється велика кількість кисневмісних функціональних груп, таких як гідроксилВ структуру графіту вводяться карбоксильні та епоксидні групи. Існування цих кисневмісних функціональних груп значно змінює початкову шарову структуру графіту. Це збільшує відстань між шарами і руйнує первісну систему електронного спряження графіту. В результаті чого значно знижується його електропровідність.

З точки зору магнетизму, це пов'язано з існуванням неспарених електронів у кисневмісних функціональних групах, що з'являються в процесі окислення. Ці неспарені електрони мають спіновий магнітний момент, завдяки чому оксид графіту має певний парамагнетизм. Коли ступінь окислення низький, оксид графіту все ще зберігає деякі з початкових діамагнітних властивостей графіту. У цей час парамагнетизм і діамагнетизм конкурують між собою, і макроскопічні магнітні характеристики не є очевидними. Однак з поглибленням ступеня окислення парамагнітний сигнал поступово посилюється. І коли він перевищить певний поріг, парамагнетизм буде домінувати, змушуючи оксид графіту в цілому проявляти парамагнетизм. І його магнітна сприйнятливість стає позитивною.

Висновок

Графіт є діамагнітною речовиною, і його діамагнетизм генерується індукованим електронами магнітним моментом під дією зовнішнього магнітного поля. Це має велике значення в конкретній сцені. Оксид графіту є парамагнітним, оскільки містить неспарені електрони, а його магнетизм змінюється залежно від ступеня окислення. Поглиблене дослідження їхнього магнетизму сприяє вдосконаленню теорії, просуванню інноваційних застосувань. А також допомагають у розробці нових матеріалів і технологій.