Đá quý tổng hợp là đá được tạo ra trong phòng thí nghiệm hoặc nhà máy, có cùng thành phần hoá học, cùng cấu trúc tinh thể và gần như cùng tính chất với đá tự nhiên tương ứng. Các phương pháp chính gồm nóng chảy bằng ngọn lửa Verneuil (ruby, sapphire, spinel), kéo tinh thể Czochralski, mọc trong chất trợ dung, mọc thuỷ nhiệt (thạch anh, ngọc lục bảo), và với kim cương là áp suất cao nhiệt độ cao (HPHT) hoặc lắng đọng hơi hoá học (CVD). Mỗi phương pháp mô phỏng lại một phần những gì lòng đất làm, nhưng rút ngắn từ hàng triệu năm xuống vài giờ đến vài tuần.
Tổng hợp, mô phỏng và xử lý: ba khái niệm hay bị lẫn
Trước khi đi vào phương pháp, cần phân biệt rõ ba nhóm, theo cách dùng phổ biến của giới ngọc học quốc tế:
| Nhóm | Định nghĩa | Ví dụ |
|---|---|---|
| Đá tổng hợp (synthetic, lab-grown) | Do con người tạo ra, cùng thành phần và cấu trúc với khoáng vật tự nhiên | Ruby Verneuil, ngọc lục bảo thuỷ nhiệt, kim cương CVD |
| Đá mô phỏng (simulant) | Trông giống một đá quý nhưng khác thành phần hoặc cấu trúc | Cubic zirconia, thủy tinh, moissanite khi dùng thay kim cương |
| Đá xử lý (treated) | Đá tự nhiên được tác động để thay đổi màu hoặc độ trong | Sapphire nung nhiệt, ngọc lục bảo ngấm dầu |
Một chi tiết thú vị: moissanite (cacbua silic) dùng làm đá trang sức là vật liệu tổng hợp, vì khoáng vật moissanite tự nhiên tồn tại nhưng cực hiếm. Khi được dùng để thay thế kim cương, nó là đá mô phỏng kim cương. Cùng một viên đá có thể vừa là "tổng hợp" vừa là "mô phỏng" tuỳ đang so với cái gì. Chuyện nhận biết khi mua nằm ở site chuyên về phân biệt thật giả; bài này chỉ bàn cách các tinh thể được tạo ra.
Verneuil: ngọn lửa làm ra ruby
Người Pháp Auguste Verneuil công bố phương pháp nóng chảy bằng ngọn lửa năm 1902, sau nhiều năm thử nghiệm. Trước đó, một số ruby tổng hợp sơ khai đã xuất hiện trên thị trường từ thập niên 1880, nhưng chất lượng và quy trình chưa ổn định.
Nguyên lý của Verneuil đơn giản đến bất ngờ:
- Bột oxit nhôm rất tinh khiết, trộn chút oxit crom (cho ruby) hoặc sắt, titan (cho sapphire lam), được rắc từ trên xuống qua một ngọn lửa hydro–oxy.
- Ngọn lửa đủ nóng để làm chảy oxit nhôm, vốn nóng chảy ở khoảng 2.050 °C.
- Các giọt nóng chảy rơi xuống đỉnh một que mồi, nguội và kết tinh dần thành một khối hình quả lê gọi là boule.
- Que mồi được hạ xuống từ từ để bề mặt kết tinh luôn ở đúng vùng nhiệt.
Một boule có thể lớn lên trong vài giờ. Phương pháp này đơn giản, nhanh, và đến nay vẫn được dùng rộng rãi. Ruby và sapphire Verneuil không chỉ làm trang sức: chúng làm chân kính trong đồng hồ cơ, ổ trục chính xác, mặt kính đồng hồ chống trầy, các bộ phận quang học. Tinh thể lớn nhanh nên thường để lại những vạch tăng trưởng cong và bọt khí, đặc điểm mà các phòng giám định dùng để nhận ra.
Czochralski: kéo tinh thể từ nồi nấu
Năm 1916, nhà hoá học Ba Lan Jan Czochralski tình cờ tìm ra cách kéo một tinh thể kim loại ra khỏi nồi nóng chảy. Phương pháp mang tên ông về sau trở thành nền tảng của công nghiệp bán dẫn: hầu hết silicon đơn tinh thể dùng làm chip được kéo theo cách này.
Nguyên tắc: nguyên liệu nấu chảy trong nồi chịu nhiệt; một mầm tinh thể chạm vào mặt chất lỏng rồi được kéo lên rất chậm và xoay đều; chất lỏng bám theo và kết tinh, tạo thành thỏi tinh thể hình trụ dài. Ngoài silicon, phương pháp này dùng để làm sapphire, ruby, alexandrite tổng hợp và tinh thể YAG cho laser. Tinh thể Czochralski thường sạch hơn Verneuil.
Mọc trong chất trợ dung: bắt chước dung dịch nóng
Thay vì nấu chảy chính oxit nhôm, người ta hoà tan nó trong một chất trợ dung, tức muối hoặc oxit nóng chảy ở nhiệt độ thấp hơn, như dung môi. Khi hỗn hợp nguội rất chậm trong nhiều tuần đến nhiều tháng, tinh thể ruby, ngọc lục bảo, spinel mọc ra trong nồi, có mặt tinh thể tự nhiên, khá giống đá trong lòng đất.
Edmond Frémy ở Pháp đã thử tạo ruby bằng chất trợ dung từ cuối thế kỷ 19. Đến thế kỷ 20, Carroll Chatham ở Mỹ phát triển ngọc lục bảo tổng hợp bằng chất trợ dung và đưa ra thị trường từ khoảng thập niên 1940. Đá mọc bằng chất trợ dung thường chứa những giọt chất trợ dung bị nhốt lại, có hình dạng như vân tay hoặc lông vũ, cùng tinh thể nhỏ của bạch kim từ nồi nấu.
Thuỷ nhiệt: mô phỏng nước nóng trong lòng đất
Phương pháp thuỷ nhiệt gần với tự nhiên nhất. Nguyên liệu và nước được đặt trong một bình thép chịu áp lớn gọi là nồi hấp (autoclave). Đáy bình nóng hơn đỉnh. Ở đáy, nguyên liệu hoà tan vào nước siêu nóng dưới áp suất cao; dung dịch đi lên vùng lạnh hơn, quá bão hoà và kết tinh lên những tấm mầm treo sẵn.
Phương pháp này được công nghiệp hoá mạnh từ giữa thế kỷ 20 để sản xuất thạch anh cho linh kiện điện tử, vì thạch anh tự nhiên đủ sạch không đủ đáp ứng nhu cầu bộ dao động trong đồng hồ, radio. Ngày nay phần lớn thạch anh dùng trong điện tử là thạch anh thuỷ nhiệt. Thuỷ nhiệt cũng được dùng làm ngọc lục bảo, amethyst, citrine tổng hợp. Điều kiện trong nồi hấp, khoảng vài trăm độ C và áp suất hàng nghìn atmotphe, gần với điều kiện mạch thuỷ nhiệt tự nhiên.
Kim cương: HPHT và CVD
Kim cương chỉ bền ở áp suất rất cao, nên việc tổng hợp nó là bài toán khó nhất. Có hai lối:
- HPHT (áp suất cao, nhiệt độ cao): mô phỏng trực tiếp điều kiện trong lớp phủ. Than chì cùng kim loại xúc tác (sắt, niken, coban) được ép ở áp suất khoảng 5–6 gigapascal và nhiệt độ khoảng 1.300–1.600 °C. Công ty General Electric (Mỹ) công bố tổng hợp thành công năm 1955, dựa trên thí nghiệm của Tracy Hall cuối năm 1954; nhóm ASEA ở Thụy Điển được cho là đã làm được sớm hơn nhưng không công bố khi đó.
- CVD (lắng đọng hơi hoá học): không cần áp suất cao. Khí metan và hydro được kích hoạt thành plasma ở áp suất thấp, nguyên tử cacbon lắng từng lớp lên tấm mầm kim cương. Phương pháp phát triển từ những năm 1980 và cho kim cương chất lượng đá quý từ đầu thế kỷ 21.
Kim cương tổng hợp đã được dùng trong công nghiệp hàng chục năm: mũi khoan, đĩa cắt, lưỡi mài, cửa sổ quang học, tản nhiệt cho linh kiện điện tử. Chi tiết về kim cương nuôi cấy được bàn ở danh mục kim cương.
Tóm tắt các phương pháp
| Phương pháp | Nguyên lý | Thời gian mọc | Đá thường làm |
|---|---|---|---|
| Verneuil | Bột chảy qua ngọn lửa, kết tinh trên mồi | Vài giờ | Ruby, sapphire, spinel |
| Czochralski | Kéo mầm từ nồi nóng chảy | Vài giờ đến vài ngày | Silicon, sapphire, alexandrite, YAG |
| Chất trợ dung | Hoà tan trong muối nóng chảy, nguội chậm | Vài tuần đến vài tháng | Ruby, ngọc lục bảo, spinel |
| Thuỷ nhiệt | Hoà tan trong nước nóng áp cao, kết tinh vùng lạnh | Vài tuần đến vài tháng | Thạch anh, ngọc lục bảo |
| HPHT | Ép than chì với xúc tác kim loại | Vài ngày đến vài tuần | Kim cương |
| CVD | Cacbon từ plasma lắng từng lớp | Vài tuần | Kim cương |
Góc nhìn hôm nay: đá tổng hợp dạy gì về đá tự nhiên
Đá tổng hợp không chỉ là sản phẩm thương mại. Mỗi lần con người tái tạo thành công một khoáng vật, ta hiểu thêm điều kiện mà lòng đất cần để làm ra nó. Thí nghiệm tổng hợp corundum giúp hiểu vai trò của crom; thí nghiệm thuỷ nhiệt giúp hiểu mạch thạch anh; thí nghiệm áp suất cao giúp hiểu lớp phủ.
- Nhìn quanh mình: mặt kính sapphire trên đồng hồ, bộ dao động thạch anh trong điện thoại, chip silicon đều là tinh thể tổng hợp.
- Hiểu đúng khái niệm: đá tổng hợp không phải "đá giả" theo nghĩa vật liệu, nhưng cũng không phải đá tự nhiên. Ghi nhãn rõ ràng là nghĩa vụ của người bán.
- Đọc thêm: tài liệu của GIA về đá tổng hợp, các bài về lịch sử Verneuil và Czochralski, và danh mục tinh thể trong công nghệ của site này.
Câu hỏi thường gặp
Đá quý tổng hợp là gì?
Đá quý tổng hợp là đá do con người tạo ra trong phòng thí nghiệm hoặc nhà máy, có cùng thành phần hoá học và cấu trúc tinh thể với đá tự nhiên tương ứng. Ví dụ ruby Verneuil, ngọc lục bảo thuỷ nhiệt, kim cương CVD.
Phương pháp Verneuil là gì?
Đây là phương pháp nóng chảy bằng ngọn lửa do Auguste Verneuil công bố năm 1902. Bột oxit nhôm có chất tạo màu được rắc qua ngọn lửa hydro–oxy, chảy ra và kết tinh trên một que mồi thành khối hình quả lê. Phương pháp nhanh, đơn giản và vẫn dùng rộng rãi.
Đá tổng hợp khác đá mô phỏng thế nào?
Đá tổng hợp có cùng thành phần và cấu trúc với khoáng vật tự nhiên mà nó tái tạo. Đá mô phỏng chỉ trông giống, nhưng khác bản chất, như cubic zirconia hay thủy tinh dùng thay kim cương. Moissanite là vật liệu tổng hợp nhưng đóng vai đá mô phỏng khi thay kim cương.
Kim cương được tổng hợp bằng cách nào?
Có hai cách chính. HPHT ép than chì với kim loại xúc tác ở áp suất và nhiệt độ cao giống lớp phủ Trái Đất. CVD cho nguyên tử cacbon từ khí metan lắng từng lớp lên mầm kim cương trong buồng chân không có plasma.
Thạch anh trong đồng hồ có phải thạch anh tự nhiên không?
Phần lớn thạch anh dùng trong linh kiện điện tử ngày nay là thạch anh tổng hợp, mọc bằng phương pháp thuỷ nhiệt trong nồi hấp áp suất cao. Cách này cho tinh thể sạch, đồng đều, đáp ứng yêu cầu của bộ dao động.
