Por que o silicio é tan duro pero tan fráxil?

Silicioé un cristal atómico, cuxos átomos están conectados entre si por enlaces covalentes, formando unha estrutura de rede espacial. Nesta estrutura, os enlaces covalentes entre átomos son moi direccionais e teñen unha gran enerxía de enlace, o que fai que o silicio mostre unha gran dureza ao resistir forzas externas para cambiar a súa forma. Por exemplo, é necesaria unha gran forza externa para destruír a conexión de enlace covalente forte entre os átomos.

Non obstante, é precisamente polas características estruturais regulares e relativamente ríxidas do seu cristal atómico que cando se somete a unha gran forza de impacto ou a unha forza externa irregular, a rede interiorsilicioé difícil de amortecer e dispersar a forza externa a través da deformación local, pero fará que os enlaces covalentes se rompan ao longo dalgúns planos cristalinos débiles ou direccións do cristal, o que fará que toda a estrutura cristalina se rompa e mostre características fráxiles. A diferenza das estruturas como os cristais metálicos, existen enlaces iónicos entre os átomos metálicos que poden escorregar relativamente, e poden depender do deslizamento entre capas atómicas para adaptarse ás forzas externas, mostrando unha boa ductilidade e non é fácil de romper fráxiles.

Silicioos átomos están unidos por enlaces covalentes. A esencia dos enlaces covalentes é a forte interacción formada polos pares de electróns compartidos entre átomos. Aínda que esta unión pode garantir a estabilidade e dureza docristal de silicioestrutura, é difícil que o enlace covalente se recupere unha vez que se rompe. Cando a forza aplicada polo mundo exterior supera o límite que pode soportar o enlace covalente, o enlace romperase e porque non hai factores como os electróns que se moven libremente como nos metais para axudar a reparar a rotura, restablecer a conexión ou depender da deslocalización dos electróns para dispersar o estrés, é fácil de romper e non pode manter a integridade xeral mediante os seus propios axustes internos, o que fai que o silicio sexa moi fráxil.

En aplicacións prácticas, os materiais de silicio adoitan ser difíciles de ser absolutamente puros e conterán certas impurezas e defectos da rede. A incorporación de átomos de impurezas pode perturbar a estrutura da rede de silicio orixinalmente regular, provocando cambios na forza da unión química local e no modo de unión entre os átomos, dando lugar a áreas débiles na estrutura. Os defectos de celosía (como vacantes e dislocacións) tamén se converterán en lugares onde se concentra o estrés.

Cando actúan forzas externas, é máis probable que estes puntos débiles e puntos de concentración de tensión provoquen a ruptura de enlaces covalentes, o que fai que o material de silicio comece a romperse destes lugares, agravando a súa fraxilidade. Aínda que orixinalmente se basease nos enlaces covalentes entre átomos para construír unha estrutura cunha dureza máis alta, é difícil evitar a fractura fráxil baixo o impacto de forzas externas.