¿Por qué el silicio es tan duro pero tan frágil?

SilicioEs un cristal atómico cuyos átomos están conectados entre sí mediante enlaces covalentes, formando una estructura de red espacial. En esta estructura, los enlaces covalentes entre átomos son muy direccionales y tienen una alta energía de enlace, lo que confiere al silicio una gran dureza al resistir fuerzas externas que alteran su forma. Por ejemplo, se requiere una gran fuerza externa para destruir la fuerte conexión covalente entre átomos.

Sin embargo, es precisamente debido a las características estructurales regulares y relativamente rígidas de su cristal atómico que cuando se somete a una gran fuerza de impacto o una fuerza externa desigual, la red en su interiorsilicioEs difícil amortiguar y dispersar la fuerza externa mediante deformación local, pero provocará la ruptura de los enlaces covalentes a lo largo de algunos planos o direcciones cristalinas débiles, lo que provocará la rotura de toda la estructura cristalina y la aparición de fragilidad. A diferencia de estructuras como los cristales metálicos, los enlaces iónicos entre átomos metálicos pueden deslizarse relativamente, y dependen del deslizamiento entre capas atómicas para adaptarse a las fuerzas externas, mostrando buena ductilidad y difícilmente rompiéndose por fragilidad.

SilicioLos átomos están conectados por enlaces covalentes. La esencia de los enlaces covalentes reside en la fuerte interacción formada por los pares de electrones compartidos entre átomos. Si bien este enlace puede garantizar la estabilidad y la dureza de los...cristal de silicioDebido a su estructura, es difícil que el enlace covalente se recupere una vez roto. Cuando la fuerza aplicada por el exterior supera el límite que el enlace covalente puede soportar, este se rompe. Al no existir factores como la libre circulación de electrones, como en los metales, que ayuden a reparar la ruptura, restablecer la conexión o la deslocalización de electrones para dispersar la tensión, el silicio se agrieta con facilidad y no puede mantener su integridad mediante sus propios ajustes internos, lo que lo hace muy frágil.

En aplicaciones prácticas, los materiales de silicio suelen ser difíciles de mantener completamente puros y contienen ciertas impurezas y defectos de red. La incorporación de átomos de impurezas puede alterar la estructura reticular del silicio, originalmente regular, lo que provoca cambios en la fuerza del enlace químico local y en el modo de enlace entre átomos, lo que resulta en áreas débiles en la estructura. Los defectos de red (como vacantes y dislocaciones) también se convierten en puntos de concentración de tensiones.

Cuando actúan fuerzas externas, estos puntos débiles y puntos de concentración de tensiones son más propensos a provocar la ruptura de enlaces covalentes, lo que provoca que el silicio comience a romperse desde estos puntos, lo que agrava su fragilidad. Aunque originalmente dependía de los enlaces covalentes entre átomos para construir una estructura con mayor dureza, es difícil evitar la fractura frágil bajo el impacto de fuerzas externas.