Kính sapphire của đồng hồ là một tấm corundum tổng hợp trong suốt, cứng 9 trên thang Mohs, nên gần như không bị trầy bởi đồ vật thường ngày; còn những "chân kính" (jewels) màu đỏ trong bộ máy đồng hồ cơ là ruby tổng hợp, làm ổ đỡ cho các trục quay để giảm ma sát và mài mòn. Cả hai đều là cùng một chất với ruby, sapphire trong trang sức, chỉ khác là được nuôi trong lò thay vì sinh ra trong lòng đất.
Từ đá quý tự nhiên đến corundum nuôi trong lò
Cuối thế kỷ 19, các nhà hoá học châu Âu đã thử nhiều cách tạo corundum nhân tạo. Đầu thế kỷ 20, nhà hoá học Pháp Auguste Verneuil công bố phương pháp nóng chảy trong ngọn lửa (flame fusion), kết quả của nhiều năm nghiên cứu. Nguyên lý đơn giản mà hiệu quả: rắc bột oxit nhôm cực mịn qua một ngọn lửa oxy – hydro rất nóng, các hạt bột chảy thành giọt rơi xuống một đế quay, kết tinh dần thành một khối hình quả lê gọi là boule. Thêm chút crom vào bột thì ra ruby; thêm sắt và titan thì ra sapphire xanh; để nguyên thì ra sapphire không màu.
Phương pháp Verneuil rẻ, nhanh và vẫn còn được dùng đến ngày nay. Nhờ nó, corundum từ một thứ quý hiếm trở thành vật liệu công nghiệp có thể sản xuất hàng tấn. Về sau còn có các phương pháp mọc tinh thể khác cho khối lớn hơn, trong hơn: kéo từ khối nóng chảy (Czochralski), làm nguội chậm trong nồi (Kyropoulos), hay kéo thành tấm, thành ống theo khuôn. Các khối sapphire tổng hợp cỡ lớn hiện nay chủ yếu phục vụ công nghiệp quang học và điện tử.
Chân kính: vì sao bộ máy đồng hồ "có đá quý"
Trong bộ máy đồng hồ cơ, hàng chục trục thép nhỏ xíu quay suốt ngày đêm. Nếu trục quay trực tiếp trong lỗ khoan trên tấm đồng thau, ma sát làm lỗ mòn rộng ra, đồng hồ chạy sai dần rồi hỏng. Giải pháp là đặt vào mỗi điểm quay quan trọng một viên đá cứng, nhẵn, có lỗ giữa, để đầu trục thép tựa vào. Corundum là lựa chọn lý tưởng: cứng hơn thép đã nhiệt luyện nhiều, không gỉ, bề mặt mài được cực nhẵn và giữ dầu bôi trơn tốt.
Ý tưởng dùng đá quý làm ổ trục đã có từ đầu thế kỷ 18. Năm 1704, ở London, nhà toán học Nicolas Fatio de Duillier cùng hai thợ đồng hồ người Pháp là anh em Debaufre được cấp bằng sáng chế về cách khoan lỗ trên đá quý để làm ổ trục đồng hồ. Thời đó người ta dùng đá tự nhiên, nên đồng hồ có chân kính là hàng xa xỉ. Sau khi có corundum tổng hợp, chân kính trở nên rẻ và phổ biến; gần như mọi đồng hồ cơ hiện đại đều dùng ruby tổng hợp.
Trong một bộ máy có nhiều loại chân kính khác nhau:
- Chân kính lỗ (hole jewel): viên tròn có lỗ, trục quay xuyên qua.
- Chân kính chặn (cap jewel): viên phẳng đặt đầu trục, chặn trục theo chiều dọc, thường đi với bộ chống sốc ở trục bánh lắc.
- Đá ngàm (pallet stones): hai viên đá trên càng cua của bộ thoát, luân phiên chặn và nhả bánh xe thoát.
- Chốt xung (impulse jewel): viên đá nhỏ trên bánh lắc, nhận và truyền xung lực.
Màu đỏ hồng của chân kính không có vai trò kỹ thuật. Ruby được chọn một phần vì truyền thống, một phần vì màu đỏ giúp thợ dễ nhìn thấy viên đá nhỏ xíu trên tấm máy khi lắp ráp, sửa chữa.
Con số "17 chân kính" nghĩa là gì
Mặt đồng hồ cơ thường ghi số chân kính, như 17, 21, 25 jewels. Với một bộ máy lên dây tay chỉ có kim giờ, phút, giây, khoảng 17 chân kính được coi là đủ để có chân kính ở mọi điểm quay quan trọng. Bộ máy tự động hay có thêm chức năng cần nhiều hơn.
Giữa thế kỷ 20, số chân kính từng trở thành chiêu quảng cáo: một số hãng gắn thêm những viên đá không có chức năng gì để in con số lớn lên mặt đồng hồ. Về sau ngành đồng hồ đưa ra tiêu chuẩn chỉ tính những chân kính thật sự có chức năng. Bài học cho người xem đồng hồ: nhiều chân kính hơn không đồng nghĩa với tốt hơn.
Kính sapphire: tấm khiên cứng hàng thứ hai sau kim cương
Kính đồng hồ có ba loại vật liệu phổ biến. So sánh nhanh:
| Vật liệu | Độ cứng (khái quát) | Ưu điểm | Nhược điểm |
|---|---|---|---|
| Nhựa acrylic | Mềm, dễ trầy | Dẻo, khó vỡ vụn; vết xước nông đánh bóng lại được | Trầy nhanh, đục dần theo thời gian |
| Kính khoáng (mineral glass) | Khoảng 5–6 Mohs, cao hơn nếu là kính cường lực | Rẻ, trong, khá bền | Vẫn trầy do cát bụi, vì thạch anh trong cát cứng 7 |
| Kính sapphire | 9 Mohs | Gần như không trầy trong sử dụng thường ngày; rất trong | Đắt hơn; giòn, có thể mẻ hoặc vỡ khi va đập mạnh ở cạnh; phản chiếu nhiều nếu không phủ chống loá |
Chi tiết then chốt nằm ở con số 7. Bụi cát quanh ta chứa nhiều thạch anh, cứng 7. Mọi vật liệu mềm hơn 7 đều bị cát vạch dần theo năm tháng. Sapphire cứng 9 nên cát không làm gì được nó. Chỉ những vật liệu cứng hơn, như kim cương, mới vạch được kính sapphire.
Nhưng cứng không có nghĩa là dai. Kính sapphire có thể mẻ ở rìa hoặc nứt vỡ khi va đập mạnh vào cạnh bàn, nền đá. Một ví dụ hay được nhắc: các mẫu đồng hồ dành cho phi hành gia của chương trình không gian Mỹ thời kỳ đầu dùng kính nhựa acrylic, vì nếu vỡ, nhựa không tạo ra mảnh sắc bay lơ lửng trong khoang tàu như thuỷ tinh. Lựa chọn vật liệu luôn là sự đánh đổi giữa chống trầy và chống vỡ.
Làm ra một mặt kính sapphire
Khối sapphire tổng hợp được cắt thành lát mỏng bằng lưỡi cưa phủ kim cương, vì không vật liệu nào khác đủ cứng để cắt nó. Các lát được mài phẳng, mài cong nếu là kính vòm, rồi đánh bóng bằng bột kim cương. Kính vòm cao tốn nhiều công mài hơn hẳn kính phẳng. Cuối cùng, nhiều hãng phủ lớp chống loá để giảm phản chiếu, vì chiết suất cao của sapphire làm mặt kính phản chiếu mạnh hơn kính thường.
Một điều nhiều người không biết: lớp phủ chống loá ở mặt ngoài mềm hơn sapphire nhiều, nên có thể bị trầy dù kính bên dưới còn nguyên. Một số hãng chỉ phủ chống loá mặt trong để tránh chuyện này. Khi thấy "kính sapphire bị xước", đôi khi đó là lớp phủ chứ không phải chính tấm sapphire.
Ngoài đồng hồ, sapphire tổng hợp còn được dùng làm nắp ống kính camera trên một số điện thoại, cửa sổ máy quét mã vạch ở quầy thu ngân, cửa sổ quang học chịu nhiệt và áp suất, và làm đế để mọc lớp bán dẫn trong nhiều loại chip đèn LED.
Góc nhìn hôm nay: quan sát corundum trong chiếc đồng hồ của bạn
Nếu có đồng hồ cơ với nắp lưng trong suốt, đó thường là một tấm sapphire, và qua nó bạn thấy được các chân kính ruby. Ba điều có thể tự quan sát:
- Đếm các chấm đỏ trên tấm máy và so với số ghi trên mặt hoặc trên máy; một số chân kính nằm khuất dưới mặt số nên không thấy hết.
- Nhìn bánh lắc dao động qua lại: ở tâm bánh lắc thường có bộ chống sốc với chân kính chặn.
- Nghiêng mặt kính dưới đèn: kính sapphire không phủ chống loá phản chiếu khá mạnh; có phủ thì thấy ánh phản chiếu hơi tím hoặc xanh.
Đừng tự mở bộ máy: bụi và dầu tay có thể làm hỏng đồng hồ, việc đó dành cho thợ có dụng cụ và phòng sạch. Muốn tìm hiểu thêm, các bảo tàng đồng hồ như Bảo tàng Đồng hồ Quốc tế ở La Chaux-de-Fonds (Thụy Sĩ) trưng bày lịch sử bộ máy và chân kính; về corundum tổng hợp, GIA có bài lịch sử về phương pháp Verneuil.
Câu hỏi thường gặp
Kính sapphire là gì?
Kính sapphire là tấm corundum tổng hợp trong suốt, cùng chất với đá sapphire tự nhiên, cứng 9 trên thang Mohs. Nó gần như không bị trầy bởi đồ vật hay cát bụi thường ngày. Tuy nhiên kính sapphire giòn, có thể mẻ hoặc vỡ khi va đập mạnh.
Chân kính đồng hồ là gì?
Chân kính là những viên ruby tổng hợp nhỏ có lỗ hoặc mặt phẳng, làm ổ đỡ cho các trục quay trong bộ máy đồng hồ cơ. Chúng giảm ma sát, giữ dầu bôi trơn và chống mòn, giúp đồng hồ chạy chính xác lâu dài.
Đồng hồ 17 jewels nghĩa là gì?
Đó là bộ máy có 17 chân kính, số lượng thường được coi là đủ cho một bộ máy lên dây tay cơ bản có kim giờ, phút, giây. Bộ máy tự động hay có thêm chức năng cần nhiều chân kính hơn. Nhiều chân kính hơn không đồng nghĩa với tốt hơn.
Chân kính trong đồng hồ có phải ruby thật không?
Chân kính là ruby tổng hợp, về hoá học và độ cứng giống ruby tự nhiên nhưng được sản xuất trong lò từ bột oxit nhôm có pha crom. Chúng có giá trị kỹ thuật chứ không có giá trị như đá quý.
Kính sapphire có bị xước không?
Trong sử dụng thường ngày gần như không, vì nó cứng hơn cát bụi và kim loại. Chỉ vật liệu cứng hơn như kim cương mới vạch được. Vết xước thấy trên kính sapphire đôi khi là trên lớp phủ chống loá mềm hơn ở mặt ngoài.
