Mengapakah silikon begitu keras tetapi begitu rapuh?

Silikonialah kristal atom, yang atomnya disambungkan antara satu sama lain melalui ikatan kovalen, membentuk struktur rangkaian ruang. Dalam struktur ini, ikatan kovalen antara atom adalah sangat berarah dan mempunyai tenaga ikatan yang tinggi, yang menjadikan silikon menunjukkan kekerasan yang tinggi apabila menentang daya luaran untuk mengubah bentuknya. Contohnya, ia memerlukan daya luaran yang besar untuk memusnahkan sambungan ikatan kovalen yang kuat antara atom.

Walau bagaimanapun, ia adalah disebabkan oleh ciri-ciri struktur kristal atomnya yang tetap dan agak tegar, apabila ia tertakluk kepada daya hentaman yang besar atau daya luaran yang tidak sekata, kekisi di dalamnyasilikonSukar untuk menimbal dan menyebarkan daya luaran melalui ubah bentuk setempat, tetapi akan menyebabkan ikatan kovalen putus di sepanjang beberapa satah kristal yang lemah atau arah kristal, yang akan menyebabkan keseluruhan struktur kristal putus dan menunjukkan ciri-ciri rapuh. Tidak seperti struktur seperti kristal logam, terdapat ikatan ionik antara atom logam yang boleh menggelongsor secara relatif, dan ia boleh bergantung pada gelongsoran antara lapisan atom untuk menyesuaikan diri dengan daya luaran, menunjukkan kemuluran yang baik dan tidak mudah pecah rapuh.

Silikonatom dihubungkan oleh ikatan kovalen. Intipati ikatan kovalen ialah interaksi kuat yang dibentuk oleh pasangan elektron yang dikongsi antara atom. Walaupun ikatan ini dapat memastikan kestabilan dan kekerasankristal silikonStrukturnya, sukar untuk ikatan kovalen pulih setelah ia putus. Apabila daya yang dikenakan oleh dunia luar melebihi had yang boleh ditahan oleh ikatan kovalen, ikatan tersebut akan putus, dan kerana tiada faktor seperti elektron yang bergerak bebas seperti dalam logam untuk membantu membaiki putus, mewujudkan semula sambungan, atau bergantung pada penyahlokalisasian elektron untuk menyebarkan tekanan, 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 tulen sepenuhnya, dan akan mengandungi bendasing dan kecacatan kekisi tertentu. Penggabungan atom bendasing boleh mengganggu struktur kekisi silikon yang asalnya sekata, 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 luaran bertindak, titik lemah dan titik kepekatan tegasan ini lebih cenderung menyebabkan pemecahan ikatan kovalen, menyebabkan bahan silikon mula terputus dari tempat-tempat ini, memburukkan lagi kerapuhannya. Walaupun pada asalnya ia bergantung pada ikatan kovalen antara atom untuk membina struktur dengan kekerasan yang lebih tinggi, adalah sukar untuk mengelakkan keretakan rapuh di bawah kesan daya luaran.