Mengapa silikon sangat keras tetapi sangat rapuh?

silikonialah hablur atom, yang atom-atomnya disambungkan antara satu sama lain oleh ikatan kovalen, membentuk struktur rangkaian spatial. Dalam struktur ini, ikatan kovalen antara atom sangat berarah dan mempunyai tenaga ikatan yang tinggi, yang menjadikan silikon menunjukkan kekerasan yang tinggi apabila menentang daya luar untuk mengubah bentuknya. Sebagai contoh, ia memerlukan daya luaran yang besar untuk memusnahkan sambungan ikatan kovalen yang kuat antara atom.

Walau bagaimanapun, adalah tepat kerana ciri-ciri struktur yang tetap dan agak tegar bagi hablur atomnya yang apabila ia tertakluk kepada daya hentaman yang besar atau daya luar yang tidak sekata, kekisi di dalamsilikonsukar untuk menampan dan menyuraikan daya luaran melalui ubah bentuk tempatan, tetapi akan menyebabkan ikatan kovalen terputus di sepanjang beberapa satah kristal yang lemah atau arah kristal, yang akan menyebabkan keseluruhan struktur kristal pecah dan menunjukkan ciri-ciri rapuh. Tidak seperti struktur seperti kristal logam, terdapat ikatan ionik antara atom logam yang boleh meluncur secara relatif, dan ia boleh bergantung pada gelongsor antara lapisan atom untuk menyesuaikan diri dengan daya luar, menunjukkan kemuluran yang baik dan tidak mudah pecah.

silikonatom disambungkan oleh ikatan kovalen. Intipati ikatan kovalen ialah interaksi kuat yang terbentuk oleh pasangan elektron yang dikongsi antara atom. Walaupun ikatan ini dapat memastikan kestabilan dan kekerasankristal silikonstruktur, sukar untuk ikatan kovalen pulih sebaik sahaja ia terputus. Apabila daya yang dikenakan oleh dunia luar melebihi had yang boleh ditahan oleh ikatan kovalen, ikatan itu akan putus, dan kerana tiada faktor seperti elektron yang bergerak bebas seperti dalam logam untuk membantu membaiki pemecahan, mewujudkan semula sambungan, atau bergantung pada penyahtempatan elektron untuk menyuraikan tegasan, ia mudah retak dan tidak dapat mengekalkan integriti keseluruhan melalui pelarasan dalamannya sendiri, menyebabkan silikon menjadi sangat rapuh.

Dalam aplikasi praktikal, bahan silikon selalunya sukar untuk menjadi benar-benar tulen, dan akan mengandungi kekotoran dan kecacatan kekisi tertentu. Penggabungan atom bendasing boleh mengganggu struktur kekisi silikon yang asalnya biasa, menyebabkan perubahan dalam kekuatan ikatan kimia tempatan dan mod ikatan antara atom, mengakibatkan kawasan lemah dalam struktur. Kecacatan kekisi (seperti kekosongan dan kehelan) juga akan menjadi tempat di mana tekanan tertumpu.

Apabila daya luar bertindak, titik lemah dan titik kepekatan tegasan ini lebih berkemungkinan menyebabkan terputusnya ikatan kovalen, menyebabkan bahan silikon mula terputus dari tempat ini, memburukkan lagi kerapuhannya. Walaupun pada asalnya ia bergantung pada ikatan kovalen antara atom untuk membina struktur dengan kekerasan yang lebih tinggi, sukar untuk mengelakkan patah rapuh di bawah kesan daya luar.