Perché il silicio è così duro ma così fragile?

Silicioè un cristallo atomico, i cui atomi sono collegati tra loro da legami covalenti, formando una struttura di rete spaziale. In questa struttura, i legami covalenti tra gli atomi sono molto direzionali e hanno un'elevata energia di legame, il che fa sì che il silicio mostri un'elevata durezza quando resiste alle forze esterne che ne modificano la forma. Ad esempio, è necessaria una grande forza esterna per distruggere il forte legame covalente tra gli atomi.

Tuttavia, è proprio a causa delle caratteristiche strutturali regolari e relativamente rigide del suo cristallo atomico che, quando è sottoposto ad una grande forza d'urto o ad una forza esterna irregolare, il reticolo al suo internosilicioè difficile da tamponare e disperdere la forza esterna attraverso la deformazione locale, ma causerà la rottura dei legami covalenti lungo alcuni piani cristallini deboli o direzioni cristalline, che causeranno la rottura dell'intera struttura cristallina e mostreranno caratteristiche fragili. A differenza di strutture come i cristalli metallici, ci sono legami ionici tra atomi metallici che possono scorrere relativamente e possono fare affidamento sullo scorrimento tra strati atomici per adattarsi alle forze esterne, mostrando una buona duttilità e non sono facili da rompere.

Siliciogli atomi sono collegati da legami covalenti. L'essenza dei legami covalenti è la forte interazione formata dalle coppie di elettroni condivise tra gli atomi. Sebbene questo legame possa garantire la stabilità e la durezza delcristallo di siliciostruttura, è difficile che il legame covalente si ripristini una volta rotto. Quando la forza applicata dal mondo esterno supera il limite che il legame covalente può sopportare, il legame si rompe e poiché non ci sono fattori come gli elettroni in libero movimento come nei metalli che aiutano a riparare la rottura, ristabilire la connessione o fare affidamento sulla delocalizzazione degli elettroni per disperdere lo stress, è facile da rompere e non può mantenere l'integrità complessiva attraverso le proprie regolazioni interne, rendendo il silicio molto fragile.

Nelle applicazioni pratiche, è spesso difficile che i materiali di silicio siano assolutamente puri e contengono determinate impurità e difetti reticolari. L'incorporazione di atomi di impurità può distruggere la struttura reticolare del silicio originariamente regolare, causando cambiamenti nella forza del legame chimico locale e nella modalità di legame tra gli atomi, con conseguenti aree deboli nella struttura. Anche i difetti reticolari (come posti vacanti e dislocazioni) diventeranno luoghi in cui si concentrerà lo stress.

Quando agiscono forze esterne, questi punti deboli e punti di concentrazione dello stress hanno maggiori probabilità di causare la rottura dei legami covalenti, provocando la rottura del materiale di silicio da questi punti, esacerbandone la fragilità. Anche se originariamente si basava sui legami covalenti tra gli atomi per costruire una struttura con una maggiore durezza, è difficile evitare fratture fragili sotto l'impatto di forze esterne.