Giới Thiệu Các Vật Liệu Đá Quý Tổng Hợp
Vật liệu đá quý tổng hợp là vật chất được chế tạo trong phòng thí nghiệm, các nhà máy, nhưng có chung hầu hết các đặc tính hóa học, quang học và vật lý của bản sao khoáng vật tự nhiên của nó. Mặc dù trong một số trường hợp, cụ thể là turquoise tổng hợp và opal tổng hợp, có thể có thêm vài hợp chất khác so với đá tự nhiên.
Các tinh thể đá quý tổng hợp đã được sản xuất từ cuối những năm 1800 và việc sản xuất chúng thường do nhu cầu của chúng trong các ứng dụng công nghiệp khác, chứ ban đầu không phải do từ nhu cầu của ngành công nghiệp trang sức. Thành công đầu tiên là tạo ra ruby tổng hợp có chất lượng mài giác. Các tinh thể tổng hợp được sử dụng trong các lĩnh vực truyền thông và công nghệ laser, vi mạch điện tử và làm các chất mài mòn (bột mài). Bởi vì các khoáng vật tổng hợp cho các ứng dụng trang sức có thể được “thực hiện theo đơn đặt hàng” [tức là màu sắc và hình dạng tinh thể đồng nhất], nên chúng phải có cùng thành phần, đủ thời gian và phương tiện để chúng tăng trưởng, chúng có thể ít hiếm hơn nhiều so với đá quý tự nhiên có cùng kích thước, độ sạch và độ bão hòa màu. Bởi vì điều này và vì có thể gây nhầm lẫn chúng với đá quý tự nhiên, nên cần có những hướng dẫn nghiêm ngặt về cách chúng được giới thiệu và bán trên thị trường.
Tại Mỹ, Ủy ban Thương mại Liên bang yêu cầu bất kỳ vật liệu đá quý nào được sản xuất trong phòng thí nghiệm phải được miêu tả theo cách không gây nghi ngờ rằng nó được hình thành từ tự nhiên. Nó được coi là một hành vi lừa đảo nếu nguồn gốc vật liệu đá quý tổng hợp không được cung cấp thông tin rõ ràng trên toàn bộ kênh phân phối tại thời điểm bán, từ nhà sản xuất đến người tiêu dùng. Ngoài ra còn có một số tổ chức công nghiệp như Hiệp hội Thương mại Đá quý Mỹ (AGTA), Hiệp hội Đá quý Màu Quốc tế (ICA) và Liên đoàn Trang sức Thế giới (CIBJO) đã xây dựng các hướng dẫn cụ thể cho các thành viên của họ về việc cung cấp thông tin của đá quý tổng hợp tại thời điểm bán. Trong thập kỷ qua, không nhiều loại vật liệu đá quý nhân tạo mới đã được tung ra thị trường. Điều này cho thấy rằng các vật liệu đá quý tổng hợp gần đạt đến giới hạn của nó về việc tạo ra các vật liệu mới, nhưng nó không bị giới hạn trong sản xuất, vì vẫn còn rất tiềm năng. Trong suốt thế kỷ qua, các nhà nghiên cứu đã phát triển một số cách khác nhau để tạo ra các vật liệu đá quý tổng hợp trong phòng thí nghiệm. Hầu hết các phương pháp này rơi vào hai dạng chính – nóng chảy hoặc hòa tan.
Trong các quá trình nóng chảy, thành phần hóa học tan chảy cũng chính là thành phần của tinh thể thu được. Trong các quá trình hòa tan, dung dịch hòa tan hoặc nóng chảy có thành phần hóa học khác với thành phần tinh thể thu được. Các thành phần được hòa tan trong dung dịch hòa tan hoặc nóng chảy ở nhiệt độ cao và tinh thể hình thành ban đầu là trên tinh thể mầm khi nhiệt độ nóng chảy được hạ xuống. Một số quá trình tổng hợp chính bao gồm:
FLAME FUSION OR VERNEUIL PROCESS – NHIỆT NÓNG CHẢY TRONG NGỌN LỬA HOẶC PHƯƠNG PHÁP VERNEUIL (QUÁ TRÌNH NÓNG CHẢY)
|
|
Viên ruby nhân tạo hình quả lê nhỏ, vẫn còn gắn trên que, được sản xuất theo phương pháp Verneuil.
|
Đá quý tổng hợp thành công về mặt thương mại đầu tiên được tạo ra bởi quá trình tổng hợp nhiệt nóng chảy trong ngọn lửa. Quá trình này bao gồm việc thả dần các hóa chất dạng bột qua ngọn lửa nhiệt độ cao, nơi nó tan chảy và rơi xuống bệ quay để tạo ra một tinh thể tổng hợp. Ngày nay, nó vẫn là cách ít tốn kém nhất và phổ biến nhất để chế tạo đá quý như corundum và spinel tổng hợp.
|
|
Sơ đồ đơn giản hóa của phương pháp Verneuil.
|
CRYSTAL PULLING OR CZOCHRALSKI PROCESS – PHƯƠNG PHÁP KÉO MẦM TINH THỂ HOẶC PHƯƠNG PHÁP CZOCHRALSKI (QUÁ TRÌNH NÓNG CHẢY)
|
|
Sơ đồ đơn giản hóa của phương pháp Czochralski.
|
Phương pháp kéo mầm tinh thể xuất hiện vào đầu những năm 1900. Trong quá trình này, các nguyên liệu dưỡng chất được nóng chảy trong nồi kim loại và tinh thể tổng hợp phát triển từ mầm kết tinh, được nhúng vào dung dịch nóng chảy này và sau đó từ từ kéo ra khỏi dung dịch nóng chảy khi nó tăng trưởng. Đá quý được tổng hợp bằng cách kéo mầm tinh thể này bao gồm alexandrite, chrysoberyl, corundum và garnet tổng hợp.
FLUX GROWTH – TĂNG TRƯỞNG DÙNG CHẤT TRỢ DUNG (QUÁ TRÌNH HÒA TAN)
Ngày nay, một số đá quý tổng hợp như emerald, ruby, sapphire, alexandrite và spinel có thể được tạo ra thông qua quá trình tăng trưởng dùng chất trợ dung. Chất trợ dung là một vật liệu rắn, khi tan chảy, hòa tan các vật liệu khác giống như cách nước hòa tan đường. Khi dung dịch hóa học hòa tan dần nguội đi, hình thành các tinh thể tổng hợp.
|
|
Sơ đồ đơn giản hóa của phương pháp tăng trưởng dùng chất trợ dung.
|
Tăng trưởng đá quý tổng hợp bằng phương pháp dùng chất trợ dung đòi hỏi sự kiên nhẫn và đầu tư đáng kể. Tăng trưởng thành các tinh thể có thể mất đến một năm và thiết bị rất đắt tiền. Nhưng kết quả thu được, đặc biệt là khi nói đến emerald, là rất đáng với thời gian và công sức bỏ ra.
HYDROTHERMAL GROWTH – TĂNG TRƯỞNG NHIỆT DỊCH (QUÁ TRÌNH HÒA TAN)
Giống như quá trình tăng trưởng dùng chất trợ dung, quá trình tăng trưởng nhiệt dịch diễn ra chậm và tốn kém. Nhưng nó là phương pháp duy nhất để tăng trưởng thành công thạch anh tổng hợp. Quá trình này đòi hỏi nhiệt và áp suất và mô phỏng các điều kiện sâu trong lòng đất dẫn đến sự hình thành đá quý tự nhiên. Các nguyên liệu dưỡng chất được hòa tan trong dung dịch nước và sau đó các tinh thể tổng hợp hình thành khi dung dịch này nguội đi.
|
|
Sơ đồ đơn giản hóa của phương pháp tăng trưởng nhiệt dịch.
|
Mặc dù, danh sách sau đây giới thiệu nhiều loại tổng hợp thường gặp, nhưng trong những năm qua cũng đã có thêm những đá quý tổng hợp mới được nghiêm cứu và thử nghiệm thành công. Chúng bao gồm malachite, spinel tổng hợp đổi màu và những loại khác nữa. Thiên nhiên tạo ra những sản phẩm này dễ dàng hơn, nhưng ngày nay chúng đang mất dần, ta không thấy sự hình thành của chúng. Một số đá quý tổng hợp thường gặp bao gồm:
SYNTHETIC DIAMOND – KIM CƯƠNG TỔNG HỢP (không thường xuyên được nhìn thấy)
Những kim cương này, được tăng trưởng trong phòng thí nghiệm, chúng có hầu hết các đặc điểm của kim cương tự nhiên: về cơ bản chúng vẫn là carbon.
Chemical vapor deposition – Lắng đọng hơi hóa học (CVD) – tăng trưởng kim cương trong buồng chân không do phản ứng hóa học giải phóng các nguyên tử carbon kết tủa trên các tấm mầm kim cương.
|
|
Những viên kim cương tổng hợp này được sản xuất bằng cách lắng đọng hơi hóa học (CVD).
|
|
|
|
Sơ đồ này cho thấy một số thành phần chính của lò phản ứng CVD plasma vi sóng. Tùy thuộc vào kích thước lò phản ứng, các thông số tăng trưởng và chất lượng tinh thể mong muốn, khu vực tăng trưởng bên dưới plasma có thể có đường kính từ 2 đến 20 cm. Khu vực tăng trưởng lớn này có nghĩa là nhiều tinh thể CVD có thể được sản xuất trong một lần hoạt động.
|
High pressure, high temperature – Áp suất cao, nhiệt độ cao (HPHT) – tăng trưởng kim cương từ dung dịch nóng chảy hòa tan carbon ở nhiệt độ cao và kim cương hình thành trên các tinh thể mầm ở buồng chứa có nhiệt độ thấp hơn của buồng tăng trưởng.
|
|
|
Sơ đồ đơn giản hóa của phương pháp sản xuất kim cương tổng hợp HPHT.
|
|
|
|
Các viên kim cương tổng hợp với nhiều màu sắc khác nhau được tăng trưởng trong môi trường nhiệt độ cao áp suất cao (HPHT).
|
SYNTHETIC CORUNDUM – CORUNDUM TỔNG HỢP (PHỔ BIẾN)
Corundum tổng hợp, bao gồm ruby và sapphire, có thể được tạo ra với số lượng lớn nhất bằng nhiều phương pháp. Bởi vì điều này, corundum tổng hợp tồn tại ở nhiều mức giá, từ rất phải chăng đến rất đắt tiền.
|
|
Corundum tổng hợp có thể được hình thành theo nhiều cách khác nhau. Trong hình gồm nhiều tinh thể nhiều màu tăng trưởng bằng phương pháp nhiệt nóng chảy trong ngọn lửa, dạng đá thô trước khi cắt mài.
|
Ruby – vào cuối những năm 1800, ruby đã trở thành loại đá đầu tiên được tạo ra trong phòng thí nghiệm của Auguste Verneuil. Năm 1902, ông tuyên bố phát triển thành công quy trình nhiệt nóng chảy trong ngọn lửa của mình để tổng hợp loại đá quý tuyệt đẹp này.
|
|
|
Ruby tổng hợp có thể được sản xuất bằng các quá trình tăng trưởng dùng chất trợ dung (tinh thể và viên mài giác bên trái) và nhiệt nóng chảy trong ngọn lửa (viên đá nhân tạo hình quả lê và viên mài giác bên phải).
|
Sapphire – một số mẫu đá saphia tổng hợp sớm nhất là trong các mẫu chế tác độc đáo của trang sức nghệ thuật đương đại và trang trí nghệ thuật. Nhiều sapphire tổng hợp vẫn được tạo ra bằng phương pháp nhiệt nóng chảy trong ngọn lửa, nhưng sapphire tăng trưởng dùng chất trợ dung đã bắt đầu xuất hiện từ những năm 1960. Sapphire tổng hợp bằng phương pháp tăng trưởng dùng chất trợ dung, kéo và nhiệt dịch có thể là sự thay thế rất thuyết phục cho đá quý tự nhiên. Sapphire tổng hợp đổi màu, được tạo ra để nhái/giả đá alexandrite, đã phổ biến từ đầu những năm 1900. Các bao thể có thể tạo ra hiệu ứng sao trong một số ruby và sapphire tổng hợp.
|
|
Sapphire tổng hợp có thể được sản xuất để thấy được hình dạng ngôi sao (hiệu ứng sao), trong các viên đá cắt mài dạng cabochon, chẳng hạn như những viên đá này.
|
SYNTHETIC EMERALD – EMERALD TỔNG HỢP (PHỔ BIẾN) VÀ CÁC ĐÁ BERYL
TỔNG HỢP KHÁC (HIẾM GẶP)
Beryl tổng hợp hiện diện với nhiều màu sắc bao gồm vàng, đỏ, xanh (aquamarine) và lục (emerald). Vào cuối những năm 1980 và 1990, Nga đã trở thành nơi sản xuất quan trọng các loại đá quý tổng hợp này và vẫn là nhà cung cấp chính các loại đá quý tổng hợp bằng phương pháp nhiệt dịch như beryl tổng hợp và corundum tổng hợp, cùng với các loại khác như kim cương tổng hợp và alexandrite tổng hợp.
|
|
Đây là những ví dụ về tinh thể beryl tổng hợp và đá mài giác (bao gồm cả loại emerald tổng hợp – đá màu lục).
|
Emerald – vào cuối những năm 1930, cuối cùng thì các nhà khoa học cũng đã tổng hợp được một phiên bản tăng trưởng dùng chất trợ dung có lợi nhuận thương mại của loại đá quý màu lục đậm hấp dẫn này. Emerald tổng hợp nhiệt dịch chất lượng trang sức xuất hiện vào năm 1960.
(Còn tiếp) (Lược dịch theo “An Introduction to Synthetic Gem Materials”, Robert Weldon, GIA)