Зашто је силицијум тако тврд, али тако крхак?

Силицијумје атомски кристал, чији су атоми међусобно повезани ковалентним везама, формирајући просторну мрежну структуру. У овој структури, ковалентне везе између атома су веома усмерене и имају високу енергију везе, због чега силицијум показује велику тврдоћу када се одупире спољним силама да промене свој облик. На пример, потребна је велика спољна сила да се уништи јака ковалентна веза између атома.

Међутим, управо због правилних и релативно крутих структурних карактеристика његовог атомског кристала, када је изложен великој сили удара или неуједначеној спољној сили, решетка унутарсилицијумје тешко ублажити и распршити спољашњу силу кроз локалну деформацију, али ће узроковати пуцање ковалентних веза дуж неких слабих кристалних равни или правца кристала, што ће узроковати ломљење читаве кристалне структуре и показати крхке карактеристике. За разлику од структура као што су метални кристали, постоје јонске везе између атома метала које могу релативно клизити, и могу се ослонити на клизање између атомских слојева како би се прилагодили спољним силама, показујући добру дуктилност и није лако разбити крхко.

Силицијуматоми су повезани ковалентним везама. Суштина ковалентних веза је снажна интеракција коју формирају заједнички парови електрона између атома. Иако ова веза може осигурати стабилност и тврдоћусилицијум кристалструктуре, тешко је да се ковалентна веза поврати након што је прекинута. Када сила коју примењује спољашњи свет пређе границу коју ковалентна веза може да издржи, веза ће се прекинути, и зато што нема фактора као што су слободно покретни електрони као у металима који би помогли да се поправи прекид, поново успостави веза или ослањајући се на делокализацију електрона за распршивање напрезања, лако се пуца и не може да одржи целокупни интегритет сопственим унутрашњим прилагођавањима, због чега је силицијум веома ломљив.

У практичним применама, силицијумске материјале је често тешко да буду апсолутно чисти и садржаће одређене нечистоће и дефекте решетке. Уградња атома нечистоћа може пореметити првобитно правилну структуру силицијумске решетке, изазивајући промене у локалној јачини хемијске везе и начину везивања између атома, што резултира слабим деловима структуре. Дефекти решетке (као што су слободна радна места и дислокације) такође ће постати места где је концентрисан стрес.

Када делују спољашње силе, ове слабе тачке и тачке концентрације напона ће вероватније изазвати прекид ковалентних веза, узрокујући да силицијумски материјал почне да се ломи са ових места, погоршавајући његову крхкост. Чак и ако се првобитно ослањао на ковалентне везе између атома да би изградио структуру веће тврдоће, тешко је избећи крто ломљење под утицајем спољашњих сила.