Varför är kisel så hårt men så skört?

Kiselär en atomkristall, vars atomer är förbundna med varandra genom kovalenta bindningar, som bildar en rumslig nätverksstruktur. I denna struktur är de kovalenta bindningarna mellan atomer mycket riktade och har hög bindningsenergi, vilket gör att kisel visar hög hårdhet när det motstår yttre krafter för att ändra sin form. Det krävs till exempel en stor yttre kraft för att förstöra den starka kovalenta bindningsförbindelsen mellan atomer.

Men det är just på grund av de regelbundna och relativt stela strukturella egenskaperna hos dess atomkristall som när den utsätts för en stor slagkraft eller ojämn yttre kraft, kommer gallret inutikiselär svårt att buffra och sprida den yttre kraften genom lokal deformation, men kommer att få de kovalenta bindningarna att bryta längs några svaga kristallplan eller kristallriktningar, vilket gör att hela kristallstrukturen bryts och visar spröda egenskaper. Till skillnad från strukturer som metallkristaller finns det jonbindningar mellan metallatomer som kan glida relativt, och de kan lita på att glidningen mellan atomskikten anpassar sig till yttre krafter, visar god duktilitet och inte lätt att bryta spröda.

Kiselatomer är förbundna med kovalenta bindningar. Kärnan i kovalenta bindningar är den starka interaktion som bildas av de delade elektronparen mellan atomer. Även om denna bindning kan säkerställa stabiliteten och hårdheten hoskiselkristallstruktur är det svårt för den kovalenta bindningen att återhämta sig när den väl är bruten. När kraften som appliceras av omvärlden överskrider gränsen som den kovalenta bindningen kan motstå, kommer bindningen att bryta, och eftersom det inte finns några faktorer som fritt rörliga elektroner som i metaller för att hjälpa till att reparera brottet, återupprätta kopplingen, eller förlita sig på delokalisering av elektroner för att sprida spänningen, det är lätt att spricka och kan inte bibehålla den övergripande integriteten genom sina egna interna justeringar, vilket gör att kisel blir mycket skört.

I praktiska tillämpningar är kiselmaterial ofta svåra att vara absolut rena och kommer att innehålla vissa föroreningar och gallerdefekter. Införlivandet av föroreningsatomer kan störa den ursprungligen regelbundna kiselgitterstrukturen, vilket orsakar förändringar i den lokala kemiska bindningsstyrkan och bindningssättet mellan atomer, vilket resulterar i svaga områden i strukturen. Gallerdefekter (som vakanser och luxationer) blir också platser där stressen är koncentrerad.

När yttre krafter verkar är det mer sannolikt att dessa svaga punkter och spänningskoncentrationspunkter orsakar brytning av kovalenta bindningar, vilket gör att kiselmaterialet börjar brytas från dessa platser, vilket förvärrar dess sprödhet. Även om det ursprungligen förlitade sig på de kovalenta bindningarna mellan atomer för att bygga en struktur med högre hårdhet, är det svårt att undvika spröd fraktur under påverkan av yttre krafter.