• Sunday June 16,2019

Lebih banyak magnet, sila

Anonim



Bar besi (Fe), nikel (Ni), kobalt (Co), atau gadolinium (Gd) boleh menjadi magnet secara kekal kerana pola penjajaran atom-atom konstituen mereka, yang berfungsi sebagai elektromagnet asas.
Logam yang disediakan oleh Alfa Aesar, sebuah Syarikat Johnson Matthey.

Para magnet yang membuat Tatiana Makarova adalah silinder hitam kecil, sepersepuluh inci panjang. Sekiranya mereka tidak begitu kecil, anda mungkin mengira mereka untuk magnet peti sejuk biasa. Tetapi barangan mereka dibuat bukan besi biasa: Ia berharga $ 100 gram. Malah, Makarova mengendalikan serbuk hitam yang berharga dalam "kotak sarung tangan" yang telus - jenis perkara yang boleh digunakan oleh ahli biologi untuk mengandungi virus-semestinya kerana dia tidak mahu ia dicemari oleh beberapa jenis besi debu di makmalnya. Iron magnet tidak akan menjadi berita. Apa yang ditemui Makarova ialah karbon magnet.
Hanya empat unsur dalam jadual berkala-besi, kobalt, nikel, dan gadolinium-secara fizikal ferromagnetik pada suhu bilik, bermakna mereka boleh secara magnet kekal dengan pendedahan kepada medan magnet. Tetapi pencarian untuk magnet bukan logam - yang boleh menjadi cahaya, murah, mungkin juga telus-telah akhir-akhir ini menjadi sesuatu industri kotej. Sepuluh tahun yang lalu, makmal Jepun mengasingkan sebatian organik bebas logam yang menjadi magnetik secara kekal pada pecahan darjah di atas sifar mutlak. Makarova, seorang ahli fizik Rusia yang bekerja di Universiti Umeå di Sweden, kini telah menemukan cara untuk membuat magnet karbon tulen-tepat, buckyballs, molekul berbentuk bola sepak yang terdiri daripada 60 atom karbon setiap satu. Magnetnya sangat lemah - "Mereka tidak memegang peti sejuk anda, " katanya - tetapi mereka bekerja pada suhu bilik. Itulah kualiti penting jika mereka akan mempunyai sebarang aplikasi praktikal.
Buat masa ini, magnet bukan logam adalah keajaiban makmal, dan rasa ingin tahu bermula dengan soalan asas: Kenapa mereka magnet? Tiada siapa yang benar-benar tahu. Lebih-lebih lagi, menanyakan soalan itu dengan pasti membolehkan anda masuk ke dalam rahsia yang mengejutkan: Pakar fizikal juga sedikit kabur mengenai beberapa bit aloi besi yang dipasang pada peti sejuk anda. "Hanya segelintir orang memahami atau fikir mereka faham bagaimana magnet tetap berfungsi, " kata Makarova. "Magnet kehidupan sehari-hari bukanlah perkara yang mudah. ​​It 'sa quantum-mechanics thing. "


Buckyball Stick-to-itiveness
Magnet karbon Tatiana Makarova terbuat dari buckyballs yang telah disatu menjadi polimer yang mempunyai struktur berlapis, asimetris, seperti yang dilihat di bawah mikroskop elektron, di bawah. Apa yang membuat magnet polimer kekal sebagai misteri. Satu hipotesis ialah tekanan 1 juta pound-per-persegi-inci yang diperlukan untuk membuat polimer itu runtuh beberapa bola bakar, dengan itu menghasilkan elektron yang tidak berpasangan; satu lagi adalah bahawa buckyballs tetap utuh, tetapi elektron tidak berpasangan timbul pada ikatan di antara mereka.


Buckyball adalah struktur molekul berongga yang dibentuk oleh 60 atom karbon.
Grafik oleh Matt Zang


Yang bermaksud ia sukar difahami, tapi mari cuba. Untuk memulakan, semua medan magnet dihasilkan dengan memindahkan caj elektrik-yang banyak ditemui pada abad ke-19, sebelum munculnya mekanik kuantum. Arus yang mengalir melalui gegelung elektrik menghasilkan medan magnet melengkung berbentuk seperti yang dihasilkan oleh magnet besi besi. Bidang magnet bar, yang nampaknya datang dari mana-mana apabila anda menjadikannya kelihatan dengan pemfailan besi, sebenarnya berasal dari elektron di dalam logam yang mengorbit atom dan juga berputar pada kapak mereka sendiri. Ini kebanyakannya elektron spin yang menjana bidang.
Tetapi mukjizat hanya berlaku apabila dua syarat dipenuhi-sekurang-kurangnya mengikut teori yang dibangunkan pada tahun 1930-an oleh Werner Heisenberg. Pertama, atom individu dalam bahan, dan bukan hanya elektron individu, mesti mempunyai medan magnet sendiri. Kedua, bidang-bidang atom yang tidak dapat dirasakan kecil ini mesti ada dalam satu arah untuk menghasilkan satu bidang besar yang dapat kita ketahui. Bagaimana kedua-dua syarat yang dipenuhi adalah di mana fizik menjadi sangat rumit. Pada asasnya, apa yang dikatakan Heisenberg ialah bahawa keadaan magnet kekal adalah cara yang paling rendah untuk membina atom-atom tertentu dan pepejal daripada zarah-zarah yang dikenakan elektrik yang menarik dan menangkis satu sama lain. "Asal magnetisme adalah interaksi elektrostatik, " kata ahli fizik Michael Coey dari Trinity College di Dublin.
Pertimbangkan keadaan pertama Heisenberg untuk mewujudkan keadaan magnet kekal. Atom tidak semestinya mempunyai medan magnet hanya kerana elektron konstituennya. Elektron datang dalam dua putaran, atas dan ke bawah, dengan medan magnet yang sepadan. Kerana mereka mengisi cincin sepusat dari satu atom, pasangan elektron mati, dengan setiap pasangan menduduki satu bahagian dari cangkang, sebuah kawasan ruang yang disebut orbit. Prinsip asas mekanik kuantum, prinsip pengecualian Pauli, memerlukan kedua-dua elektron yang berpasangan, spasial yang sama mempunyai spin bertentangan-jika tidak, mereka tidak dapat dibezakan. Kerana elektron berpasangan 'berputar bertentangan, medan magnetnya dibatalkan. Oleh itu, satu atom boleh mempunyai medan magnet bersih hanya jika ia mempunyai elektron yang tidak berpasangan dalam salah satu cangkang luarnya.
Elektron yang tidak berpasangan tidak dapat dielakkan apabila anda bergerak ke bawah jadual berkala ke arah atom yang lebih besar. Lagipun, dua elektron biasanya menangkis satu sama lain kerana kedua-duanya secara negatif dikenakan. Mereka berpasangan di orbital yang sama hanya kerana mereka juga tertarik dengan nukleus atom yang bercas positif-dan mereka hanya melakukannya sebagai jalan terakhir. Elektron pertama memasuki serpihan kulit yang tidak terisi sejauh satu sama lain yang boleh, satu elektron ke orbit. Yang mengurangkan keengganan elektrostatik mereka dan tenaga yang terkandung di dalamnya. Elektron dalam konfigurasi ini semua mempunyai putaran yang sama. Itu membolehkan mereka untuk berjauhan dengan lebih mudah dan jatuh sedikit lebih dekat dengan nukleus yang menarik-dengan itu menurunkan tenaga atom sedikit lagi.
Satu atom besi mempunyai medan magnet yang kuat kerana ia mempunyai empat elektron yang tidak berpasangan di luarnya, semuanya berbaris. Kristal besi yang diperbuat daripada banyak atom mempunyai medan yang kuat kerana medan atom-atom tersebut bersandar ke keadaan kedua Heisenberg untuk mewujudkan keadaan magnetik secara kekal. Bagaimanakah pola penyelarasan ini berlaku? Sekali lagi, kata Coey, itu soal elektron yang menurunkan tenaga menjijikkan mereka dengan menyebar. Hanya kali ini, mereka merebak di luar atom tunggal kepada jiran-jirannya, menduduki "lubang " yang tersedia untuk elektron tenaga dan putaran tertentu. Dengan bertukar elektron spin yang sama, atom jiran menyelaraskan medan magnetnya. "Tidak ada sebenarnya misteri di dalamnya, " kata Coey.
Walau bagaimanapun, dalam praktiknya, pengiraan kesan-kesan dari pertukaran elektron ini adalah kekacauan rumit yang harus dilakukan dengan komputer, dan bahkan para ahli fizik hanya mendapatkan jawaban bola untuk bahan-bahan tertentu, yang menyebabkan beberapa dari mereka bertanya-tanya sama ada Teori Heisenberg adalah gambaran penuh realiti. Sebagai contoh, sesetengah penyelidik mencadangkan bahawa elektron yang bertanggungjawab untuk keadaan magnet kekal tidak boleh dilampirkan kepada atom logam sama sekali. Mereka mungkin adalah elektron perjalanan yang sama yang membenarkan logam menjalankan elektrik.
Satu perkara yang pasti: teori Heisenberg dan sesiapa sahaja untuk masa ini boleh menerangkan magnet Tatiana Makarova. Menurut Heisenberg, karbon tidak boleh menjadi magnet, dan tentu saja barang-barang biasa itu tidak. Makarova bermula dengan buckyballs, yang cukup luar biasa, dan kemudian dia memerah mereka pada tekanan dalam julat satu juta pound per inci persegi dan memanaskan mereka kepada lebih daripada 1, 300 darjah Fahrenheit. Di bawah syarat-syarat ini, bebola buckyballs menjadi polimer, struktur latticework yang sama dalam struktur kepada grafit, kecuali unit dalam kisi grafit adalah atom karbon individu dan bukannya buckyballs 60 atom.
Makarova mula bekerja dengan buckyballs pada tahun 1994, cuba melihat apakah dia boleh mendapatkan mereka untuk superconduct elektrik. Tetapi suatu hari dia menyedari bahawa salah satu sampelnya terjebak dengan magnet kekal. "Sekiranya anda melihatnya, anda akan mengatakan bahawa terdapat ferromagnetisme di sana, " kata Pablo Esquinazi, ahli fizik Argentina di Universiti Leipzig di Jerman. "Anda tidak memerlukan peralatan yang rumit. " Kemudian sekali lagi, Esquinazi dan rakan sekerja Rusia yang bernama Yakov Kopelevich mempunyai peralatan penguji magnetisme seperti hal-hal seperti SQUIDs (superconducting quantum interference devices). Makarova menghantar mereka beberapa sampel polimernya. SQUID mengesahkan bukti deria itu.
Kerana kemagnetan polimer Makarova sangat lemah, ia masih kelihatan seperti beberapa ahli fizik bahawa sampelnya tercemar, mungkin dengan sebatian besi seperti magnetit. "Saya mengesyaki tiada karbon magnetik intrinsik, " kata Coey, yang baru-baru ini menemui bukti pencemaran itu dalam sebatian organik daripada meteorit yang dianggap magnet. "Magnetit di mana-mana di udara, " tambahnya. Makarova bertindak balas bahawa dia berulang kali menguji dua sampel polimer dalam setiap kumpulan untuk besi dan mendapati kepekatannya menjadi "lenyap kecil "; bahawa buckyballs yang tidak dipolifikasi atau dipecahkan tidak menunjukkan tanda-tanda magnet, seperti yang anda harapkan jika mereka tercemar; dan bahawa satu-satunya sampel yang magnet, sebenarnya, adalah yang telah diproses pada kombinasi suhu dan tekanan tertentu.
Kemungkinan hasilnya disebabkan oleh pencemaran, Makarova berkata, "hampir sama dengan kemungkinan bahawa monyet di komputer akan menaip sonet Shakespeare. " Dan bagaimanapun, makmal di Britain dan Jepun baru-baru ini menghasilkan hasilnya.
Kemungkinan besar, kata Makarova, adalah sekali pakar fisika memahami magnet dengan lebih baik, karbon magnet tidak akan kelihatan begitu aneh. Itulah sebabnya dia telah menghabiskan berjam-jam membuat sampel selepas mencuba dirinya sendiri (sehingga baru-baru ini, dia tidak mempunyai pembantu). "Ia tidak mudah, " katanya. "Saya hanya bekerja sebagai jurutera, cuba mencari tahu di mana kemagnetan datang. "


Akses tutorial NASA mengenai magnetisme ringkas di www-istp.gsfc.nasa.gov/Education/Imagnet.html.
Untuk intro ringkas untuk buckyballs, lawati www.mpi-stuttgart.mpg.de/andersen/fullerene/intro.html.
The Exploratorium menawarkan sedozen eksperimen yang boleh anda lakukan di rumah untuk menunjukkan asas kemagnetan: www.exploratorium.edu/snacks/iconmagnetism.html.
Logam yang terdapat di muka surat 62 diperolehi daripada Alfa Aesar, Johnson Matthey Company, pengeluar dan pembekal utama bahan kimia penyelidikan, logam, dan bahan lain. Katalog Bahan Kimia, Logam dan Bahan Penyelidikan Alfa Aesar menawarkan lebih daripada 20, 000 produk, termasuk inorganik, organik, logam tulen, dan aloi tinggi. Barisan produk lengkap mereka boleh didapati di Web di www.alfa.com. Hubungi Alfa Aesar di 800-343-0660.


Artikel Yang Menarik

Penyelidik Akhirnya ID Poison Ivy Suspek

Penyelidik Akhirnya ID Poison Ivy Suspek

Urushiol (dalam hijau), bahan aktif dalam racun ivy, telah terputus oleh molekul CD1a (ditunjukkan dalam warna merah jambu). Coe Pengimejan Berita baik untuk orang yang terdedah kepada ruam dari racun ivy, oak dan sumac: Ahli-ahli sains telah mengenal pasti molekul tertentu dalam kulit yang memainkan peranan dalam keradangan, yang boleh menjadi awal yang akhirnya menyelesaikan gatal-gatal

Adakah deklarasi Vatican mengenai pemanasan global mempunyai kesan terhadap perbahasan iklim keseluruhan?

Adakah deklarasi Vatican mengenai pemanasan global mempunyai kesan terhadap perbahasan iklim keseluruhan?

Ini adalah jawatan tetamu oleh Jamie L. Vernon, Ph.D., seorang saintis penyelidikan HIV dan wonk dasar yang bercita-cita, yang baru-baru ini berpindah ke DC untuk mendapatkan rasa tindakan Akademi Sains Kepausan, panel sains non-denominasi Vatican, telah mengisytiharkan bahawa tindakan global mengenai perubahan iklim perlu dilakukan untuk mengelakkan "kesan serius dan berpotensi tidak dapat dipulihkan daripada pemanasan global yang disebabkan oleh pelepasan antropogenik gas rumah hijau

Hanya Berapa Banyak Seks Adakah Kita Bercakap Tentang?

Hanya Berapa Banyak Seks Adakah Kita Bercakap Tentang?

Ini adalah yang terakhir dalam siri jawatan tetamu dari Vanessa Woods, pengarang buku baru, Bonobo Handshake. Vanessa adalah Penyelidik Saintis dalam Antropologi Evolusi di Duke University dan mengkaji kognisi cimpanzi dan bonobos di Congo. Jadi ada beberapa keraguan yang terapung di sekitar seperti bau yang tidak baik, bahawa bonobos tidak mempunyai banyak seks

Monyet See, Monyet Do: Bagaimana Membuat Kawan Monyet

Monyet See, Monyet Do: Bagaimana Membuat Kawan Monyet

Tiruan mungkin bentuk pengukuhan yang tulus bukan hanya untuk manusia, tetapi untuk kebanyakan primata. Dalam interaksi sosial manusia, orang mempunyai kecenderungan naluriah untuk menyalin bahasa tubuh dan gaya tubuh masing-masing, dan kajian terdahulu telah menunjukkan bahawa tiruan semacam itu menimbulkan perasaan mesra

Rosetta berayun melepasi masa lalu

Rosetta berayun melepasi masa lalu

Siasatan Agensi Angkasa Eropah Rosetta sedang dalam perjalanan ke komet 67 / P Churyumov-Gerasimenko (dengan cara asteroid 21 Lutetia pada Juli mendatang), di mana ia akan tiba pada bulan Mei 2014. Ini akan menjatuhkan lander - yang pertama kali dicoba sebuah komet - dan pengetahuan kami tentang pelawat-pelik kabur ini akan meningkat dengan pesat