Perché il silicio è così duro ma così fragile?

SilicioIl silicio è un cristallo atomico, i cui atomi sono collegati tra loro da legami covalenti, formando una struttura a rete spaziale. In questa struttura, i legami covalenti tra gli atomi sono molto direzionali e hanno un'elevata energia di legame, il che conferisce al silicio un'elevata durezza, in quanto resiste alle forze esterne che ne modificano la forma. Ad esempio, è necessaria una forza esterna elevata 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'impatto o ad una forza esterna non uniforme, il reticolo internosilicioè difficile 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, il che causerà la rottura dell'intera struttura cristallina e la sua fragilità. A differenza di strutture come i cristalli metallici, esistono legami ionici tra gli atomi metallici che possono scorrere relativamente e possono fare affidamento sullo scorrimento tra gli strati atomici per adattarsi alle forze esterne, mostrando una buona duttilità e non facilmente fragili.

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 resistenza del...cristallo di siliciostruttura, è difficile per il legame covalente recuperare 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 liberi di muoversi 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 che si rompa e non può mantenere l'integrità complessiva attraverso i suoi stessi adattamenti interni, rendendo il silicio molto fragile.

Nelle applicazioni pratiche, i materiali in silicio sono spesso difficili da raggiungere in condizioni di assoluta purezza e contengono alcune impurità e difetti reticolari. L'incorporazione di atomi di impurità può alterare la struttura reticolare del silicio originariamente regolare, causando alterazioni nella forza del legame chimico locale e nella modalità di legame tra gli atomi, con conseguente formazione di aree deboli nella struttura. Anche i difetti reticolari (come le lacune e le dislocazioni) diventeranno punti in cui si concentrano gli sforzi.

Quando agiscono forze esterne, questi punti deboli e di concentrazione degli stress hanno maggiori probabilità di causare la rottura dei legami covalenti, causando la rottura del materiale di silicio a partire 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 la frattura fragile sotto l'impatto di forze esterne.