Hvordan magnetiske grafenoksidkompositter kan revolusjonere forskjellige industrielle applikasjoner

Magnetiske grafenoksidkompositter har vist seg å ha en rekke imponerende egenskaper som gjør dem svært interessante for flere industrielle og teknologiske applikasjoner. En av de mest bemerkelsesverdige egenskapene til disse komposittene er deres fremragende evne til å absorbere mikrobølger, noe som gjør dem til effektive materialer for mikrobølgeabsorbsjon (MAP). Xu et al. (2022) rapporterte at kompositter med så lite som 5 % fylling kunne gi utmerket mikrobølgeabsorpsjonsytelse, med lave refleksjonstap og et bredt effektivt absorpsjonsbånd. Dette er spesielt bemerkelsesverdig da disse komposittene utkonkurrerer de fleste mikrobølgeabsorberne som er ofte rapportert i litteraturen. Videre er de magnetiske grafen-aerogelkomposittene også kjent for deres høye hydrofobicitet, noe som gjør dem attraktive for bruk i selv-rensende, vanntette, anti-ising og korrosjonsmotstandsapplikasjoner.

Videre kan forbedret mikrobølgeabsorpsjon oppnås ved å kontrollere de elektromagnetiske parametrene i materialene. Dette er et område som stadig er under forskning, og flere studier har vist at tilpasning av mikrobølgeegenskapene ved hjelp av for eksempel redusert grafenoksid (rGO) kan gi optimale resultater. Wu et al. (2019) beskrev en enkel én-pot prosess for å danne amorf-Fe/rGO magnetiske nanokompositter, hvor amorfe jernnanopartikler er plassert på overflaten av redusert grafenoksid. Disse komposittene viste seg å ha lavt coercivity og forbedret dielektriske egenskaper, noe som resulterte i utmerkede bølgeabsorpsjonsegenskaper.

I tillegg til mikrobølgeabsorpsjon har disse komposittene også en potensiell rolle som katalysatorer i forskjellige kjemiske prosesser. Xu et al. (2019b) undersøkte bruken av magnetiske grafenoksidkompositter som katalysatorer for å redusere viskositeten til tunge oljer og støtte oljeutdrivning ved hjelp av mikrobølger. Denne bruken har stor betydning for oljeindustrien, ettersom det kan føre til mer effektive metoder for å håndtere tunge oljer og redusere energiforbruket i oljeutvinningsprosesser.

Magnetiske grafenoksidkompositter har også blitt brukt i adsorpsjon av tunge metaller, som kadmium (Cd(II)) og arsen (As(V)), som kan være farlige for både miljøet og menneskers helse. Huang et al. (2019) observerte at magnetiske grafenoksidkompositter hadde høyere adsorpsjonskapasitet for Cd(II) og As(V) sammenlignet med andre materialer. Disse komposittene kan spille en viktig rolle i vannrensing og fjerning av farlige metallioner, og de har høy disiplinering, tynne lag og forskjellige oksygenfunksjonelle grupper som bidrar til deres høye adsorpsjonsevne.

I tillegg til mikrobølgeabsorpsjon og tungmetalladsorpsjon, har disse komposittene også blitt brukt i forskjellige katalytiske prosesser, inkludert syntese av biodiesel. Tamoradi et al. (2021) utviklet et magnetisk nanokatalysator med basiske egenskaper for produksjon av biodiesel ved transesterifisering av avfallsolje. Denne katalysatoren kan gjenbrukes flere ganger uten betydelig tap av reaktivitet, noe som gjør den økonomisk og miljømessig gunstig.

Slike magnetiske kompositter kan også spille en viktig rolle i nye applikasjoner innenfor ulike teknologiske felt, som vannbehandling, energiutvinning og til og med biomedisin. Deres allsidige natur og evne til å bli tilpasset ulike behov, fra mikrobølgeabsorpsjon til katalyse, gjør dem til et av de mest lovende materialene for fremtidige anvendelser. De kan til og med benyttes i fotokatalytiske prosesser, hvor de hjelper til med å drive kjemiske reaksjoner ved hjelp av lys, som kan brukes til miljørensning eller energiproduksjon.

Hva som er viktig for leseren å forstå, er at disse materialene ikke bare har potensial i spesifikke applikasjoner som mikrobølgeabsorpsjon og katalyse, men at de også representerer et skritt mot utviklingen av mer effektive og bærekraftige teknologier på tvers av en rekke industrier. For eksempel, i oljeindustrien, der behandling av tunge oljer og forbedring av oljeutvinning er viktige utfordringer, kan disse komposittene tilby løsninger som er mer energieffektive og kostnadsbesparende. I vannrensing kan deres høye adsorpsjonsevne for tungmetaller bidra til å løse alvorlige miljøproblemer knyttet til vannforurensning.

Hva er forskjellen mellom antiferromagnetisme, ferromagnetisme og ferrimagnetisme?

Antiferromagnetiske materialer utviser en kompleks og delikat balanse mellom magnetiske krefter, der de magnetiske momentene til subgittene er arrangert i en antiparallelle konfigurasjon. Dette betyr at magnetiske momentvektorer i forskjellige subgittene peker i motsatte retninger. Denne orienteringen skjer spontant ved lave temperaturer, selv i fravær av et eksternt magnetisk felt. På tross av denne antiparallelligheten, når et magnetisk felt påføres, vil materialet fortsatt vise en svak respons, men denne responsen er svært avhengig av feltets orientering i forhold til de foretrukne krystallografiske aksene.

I materialer som følger Curie-Weiss-loven, som også gjelder for ferromagnetiske stoffer over kritisk temperatur (Tc), ser vi en lignende oppførsel, men forskjellen ligger i nevneren som inneholder begrepet $T + \theta$ i stedet for $T - \theta$. Her refererer $\theta$ til den interne molekylære feltstyrken, som er knyttet til den interne koeffisienten $\gamma$. I antiferromagnetiske stoffer er $\theta$ et negativt tall, og effekten av den interne molekylære feltstyrken $H_m$ er å motvirke påvirkningen fra det eksterne feltet $H$. Dette skaper en lavere magnetisk susceptibilitet (χ) sammenlignet med ideelle paramagnetiske materialer, som har et nullinternt felt.

Når vi ser på materialer som Cr (krom) eller Mn (mangan), som har komplekse antiferromagnetiske strukturer, kan de ikke alltid beskrives av Curie-Weiss-loven. Dette er ofte tilfelle for ioniske forbindelser, hvor det magnetiske ordningsmønsteret oppstår via en mekanisme kjent som superutvekslingsinteraksjon. Denne interaksjonen skjer mellom nærliggende metalioner som er koblet gjennom oksidioner som formidler elektronoverføringen mellom ionene. Dette kan sees i eksempelet med manganoksid (MnO), der de magnetiske momentene til Mn²⁺-ionene ordnes i en antiparallel konfigurasjon på grunn av superutvekslingsinteraksjonen med oksidionene.

Når temperaturen synker under Neél-temperaturen (T_N), vil subgittene spontant magnetiseres langs sine foretrukne krystallografiske akser, selv uten et påført magnetisk felt. Denne spontanmagneteringen fortsetter å øke helt til metning, et resultat av det sterke interne molekylære feltet som skapes av nabo-sublatticene. Likevel, ved T = 0 K, vil den samlede spontane magnetiseringen være null, da de to sublatticene har perfekt antiparallelle magnetiske moment.

Ferrimagnetisme er nært beslektet med antiferromagnetisme, men det er en viktig forskjell. I ferrimagnetiske materialer er de to sublatticeene ikke identiske i størrelse på magnetiske moment, og dette resulterer i en ikke-null nettomagnetisering. Dette skjer fordi magnetiske momentvektorer i sublattice A og B kan være forskjellige i størrelse, og dermed fører dette til at det totale materialet fortsatt har en magnetisering, til tross for at de to sublatticeene er antiparallelle.

Ferrimagnetiske materialer deler flere egenskaper med ferromagnetiske materialer, blant annet evnen til å utvise spontan magnetisering under visse temperaturer og til å vise hysterese, et fenomen der materialet beholder sin magnetisering selv etter at det påførte eksterne feltet er fjernet. Imidlertid, i ferrimagnetiske materialer, er de magnetiske momentene i de to sublatticeene ikke nødvendigvis like i styrke, som de er i ferromagnetiske materialer, noe som gjør at deres magnetisering oppfører seg forskjellig ved temperaturer nær og under Curie-temperaturen (T_C). Ved T_C ser vi at kurvene for temperaturavhengig magnetisering er distinkte for ferrimagnetiske materialer sammenlignet med ferromagnetiske materialer.

For å forstå ferrimagnetisme mer detaljert, benyttes ofte Weiss’ interne molekylfeltteori, men i motsetning til antiferromagnetisme, er sublattice A og B i ferrimagneter ikke nødvendigvis strukturelt identiske. Sublattice A og B kan bestå av forskjellige atomarter eller ha forskjellige symmetrier, og derfor må alle interaksjoner mellom sublatticene vurderes nøye: A-B, A-A og B-B interaksjoner. A-B interaksjonene fører til antiparallelle orienteringer, mens A-A og B-B interaksjoner kan føre til parallelle orienteringer. Dette gjør ferrimagneter mer komplekse og gir dem en annen temperaturavhengighet i deres magnetiseringsegenskaper.

Eksempler på viktige ferrimagnetiske materialer inkluderer dobbelte oksider av jern og andre metaller, kjent som ferritter. Avhengig av krystallstrukturen til ferrittene kan de klassifiseres som enten kubiske eller heksagonale ferritter.

Hva avgjør de magnetiske egenskapene til et materiale?

Materialer klassifiseres etter hvordan deres induserte magnetfelt forholder seg til det påførte feltet. Diamagnetiske materialer har negativ susceptibilitet, noe som betyr at det induserte feltet er rettet motsatt av det ytre feltet. Eksempler på slike materialer er papir, helium, gull, sølv, kobber og ZnO. Disse har typisk χ < 0 og permeabilitet µ < 1.

Antiferromagnetiske materialer har positiv, men moderat susceptibilitet (χ ≈ 10⁻¹–10 emu/g/Oe). I disse materialene orienteres nabospinn antiparallelt slik at det totale magnetiske momentet blir null. Eksempler er MnO, NiO og α-Fe₂O₃. Over deres karakteristiske Neel-temperatur (TN) blir de paramagnetiske.

Magnetisk permeabilitet (µ = B/H) og magnetisk susceptibilitet (χ = M/H) er avgjørende parametre for å beskrive magnetisk oppførsel. For vakuum er χ = 0 og µ = 1. Superledende materialer skiller seg ut ved at de har χ = –1/4π og µ = 0, altså et perfekt diamagnetisk respons hvor alt magnetisk felt fortrenges.

M-H-kurver (magnetisering som funksjon av felt) og M-T-kurver (magnetisering som funksjon av temperatur) gir innsikt i nøkkelparametere som metningsmagnetisering (Ms), koersivitet (Hc), remanens (Mr) og Curie-temperatur (Tc). Materialer klassifiseres som myke (Hc < 500 Oe) eller harde (Hc > 1000 Oe) magnetiske materialer. Harde materialer som NdFeB, SmCo og alnico brukes som permanente magneter, mens myke som Fe, Co og Ni brukes i applikasjoner som krever lett magnetisering og avmagnetisering.

Det finnes også to hovedtyper paramagnetisme: Pauli og Curie. I Curie-paramagnetisme er susceptibiliteten temperaturavhengig og avtar med økt temperatur. I Pauli-paramagnetisme, som gjelder for metaller, er χ tilnærmet temperaturuavhengig.

På atomnivå er det elektronene som dominerer den magnetiske responsen. Atomkjernens bidrag er forsvinnende liten. Magnetisk moment oppstår fra både spinn og orbital bevegelse. Når et elektron med ladning e og masse m beveger seg i en bane med vinkelhastighet ω, får det et orbitalt magnetisk moment (μl). I tillegg spinner elektronet om sin egen akse og gir opphav til et spinnmoment (μs). Disse summeres vektorielt.

Verdien av det effektive magnetiske momentet (μeff) kan beregnes gjennom kvantemekaniske betraktninger. For fler-elektronsystemer er det nødvendig å ta hensyn til koblingen mellom spinn (S) og orbital (L) moment, noe som gir en total angularmomentvektor J. Denne såkalte L–S-koblingen, også kjent som Russel–Saunders-kobling, brukes til å bestemme det magnetiske grunntilstanden for atomer. En alternativ koblingsmodell, j–j-kobling, er relevant i tunge atomer hvor spinn og orbitalmoment kobles først individuelt.

Det som også er vesentlig for leseren å forstå, er hvordan selv små endringer i krystallstruktur, elektrontilstand eller temperatur kan drastisk endre et materiales magnetiske respons. Videre bør man være klar over at magnetisk oppførsel ikke er isolert, men tett koblet med elektrontransport, optiske egenskaper og termisk stabilitet. Magnetisme i materialer må alltid sees i sammenheng med både kvantefysikk og materialvitenskapens struktur- og energinivåforståelse.

Hva er årsaken til magnetisme i grafen?

Grafen, et allotrop av karbon, er et materiale med bemerkelsesverdige fysikalske egenskaper som stammer fra dets unike struktur og kjemi. Den to-dimensjonale strukturen består av et enkelt lag karbonatomer arrangert i et sekskantet gitter, og de kovalente bindingene mellom karbonatomene dannes gjennom sp²-hybridisering. Disse bindingene resulterer i sigma (σ) og pi (π) bindinger, som gir grafen dens bemerkelsesverdige stabilitet og styrke. Til tross for denne stabile strukturen har grafen også egenskaper som er langt bedre enn de som finnes i det opprinnelige materialet, grafitt.

Grafen er kjent for å være 300 ganger sterkere enn stål, samtidig som den er ekstremt god til å lede varme, hele 100 ganger mer effektivt enn grafitt. Dette har gjort grafen til et svært ettertraktet materiale for fremtidige applikasjoner. Men til tross for disse imponerende egenskapene, har grafen noen utfordringer når det gjelder anvendelser innen teknologi, spesielt på grunn av sin naturlige manglende magnetisme. Dette skyldes at alle elektronene i grafen er fullt parret i sine σ og π-bindinger, noe som gjør at grafen ikke har noe nettomagnetisme i sin opprinnelige tilstand.

For å aktivere magnetisme i grafen er det nødvendig å bryte symmetrien av elektronene, noe som kan oppnås ved å forstyrre de stabile bindingene. Når elektronene ikke lenger er fullt parret, kan de frie elektronene skape nettospinn. Denne forstyrrelsen kan føre til dannelse av magnetiske klynger, og i noen tilfeller kan en magnetisk ordning utvikles. Ved å påføre et eksternt magnetfelt kan man manipulere denne magnetiske tilstanden i grafen, enten i plan eller utenfor planen. Dette åpner for muligheten til å bruke grafen i magnetiske applikasjoner, som kan være av stor betydning i avanserte elektroniske enheter og nanoteknologi.

Magnetisme i materialer er et fenomen som stammer fra de uparrede elektronene i atomer. Disse elektronene genererer et magnetisk øyeblikk på grunn av deres spinn, og samtidig kan deres bane rundt atomkjernen bidra til et orbitalt magnetisk øyeblikk. Samlet sett påvirker både spinnets og orbitalets magnetiske øyeblikk det samlede magnetiske øyeblikket til et atom. Magnetismen som oppstår fra disse elektronene, er derfor sterkest i materialer som har flere uparrede elektroner. I grafen er de fleste elektronene i den stabile tilstanden parret, og dermed mangler materialet den naturlige magnetismen som finnes i andre karbonallotropper.

Teorien om magnetisme, slik den er formulert gjennom bandteori, gir en nyttig forståelse av magnetiske egenskaper i materialer. Ifølge denne teorien er et atoms magnetiske øyeblikk avhengig av overlappingen mellom spin-up og spin-down båndene. Dette kan ha stor innvirkning på materialets magnetisering, som også påvirkes av temperatur, ettersom polariseringsgraden mellom båndene kan endres.

Når det gjelder grafen, er det utfordrende å oppnå magnetisme i det uten ytre påvirkning, ettersom de elektronene som er involvert i bindingene, er sterkt bundet. Derfor har forskere utviklet ulike metoder for å bryte bindingene i grafen, enten ved kjemisk doping eller ved å påføre mekanisk stress for å skape defekter i strukturen. Disse defektene kan føre til dannelsen av frie elektroner, som deretter kan skape et nettospinn, og dermed åpne for muligheter for grafen som et magnetisk materiale.

Magnetismen som kan oppnås i grafen, kan videre manipuleres gjennom ulike typer vekselvirkninger mellom atomene. De viktigste vekselvirkningene som styrer magnetismen i materialer er direkte vekselvirkning, supervekselvirkning og dobbeltvekselvirkning. Disse vekselvirkningene avhenger av geometrien og elektronens posisjon i materialet. I grafen kan det oppstå ferromagnetiske eller antiferromagnetiske interaksjoner avhengig av hvordan elektronene er organisert og hvilken type tilstand grafenet befinner seg i.

En viktig regel i forståelsen av magnetiske interaksjoner er Goodenough-Kanamori-Anderson-regelen, som beskriver hvordan magnetiske interaksjoner kan oppstå basert på orienteringen av atomorbitalene. Når to metaller interagerer med hverandre, kan deres magnetiske momenter enten justeres parallelt eller antiparallelt, avhengig av deres elektroniske tilstand og hvordan de overlapper. Grafen, som består av karbonatomer med sp²-bindinger, kan under visse forhold vise ferromagnetiske eller antiferromagnetiske egenskaper.

Selv om grafen i sin naturlige form ikke har magnetisme, viser forskning at det er mulig å fremkalle magnetisme i grafen ved å introdusere defekter, påføre eksterne felt, eller ved å manipulere elektronene på andre måter. Dette åpner nye muligheter for å bruke grafen i avansert teknologi, som for eksempel i datamaskiner, sensorer, og andre elektroniske enheter der magnetiske egenskaper er nødvendige. Det er viktig å forstå at utviklingen av grafen som et magnetisk materiale er et komplekst område, og at mange faktorer som temperatur, elektrisk felt og kjemisk behandling kan påvirke hvordan magnetismen manifesterer seg.