Các thỏi ruby tổng hợp

Do tính chất quý và hiếm do vậy từ rất xa xưa loài người đã tìm đủ mọi cách để tạo ra các loại đá quý giả và các loại đá quý tổng hợp khác nhau. Với đá quý giả, việc phân biệt chúng tương đối dễ dàng (dựa vào sự khác biệt về các tính chất vật lý và hoá học); trong khi đó việc phân biệt đá quý tổng hợp với đá quý tự nhiên là một việc vô cùng phức tạp và nếu không có kinh nghiệm thì đó là việc không thể. Trong bài viết này chúng tôi đề cập tới các phương pháp tổng hợp đá quý khác nhau đang được áp dụng hiện nay và đang có sản phẩm trên thị trường. Việc phân biệt chúng, chúng tôi sẽ đề cập ở bài viết khác.

Để tổng hợp đá quý người ta có thể sử dụng các phương thức khác nhau:
- Thiết lập một môi trường có điều kiện nhiệt độ và áp suất cao tương tự như trong tự nhiên, phương pháp này chủ yếu để sản xuất kim cương tổng hợp.
- Nuôi tinh thể từ dung thể nóng chảy có thể theo 3 phương pháp sau: phương pháp Vecneuil, phương pháp Czochralski, và phương pháp Bridgenzan - stockbarger. Dùng chủ yếu để sản xuất ruby và saphia.
- Bằng việc kết tinh từ dung thể (phương pháp nhiệt dịch) chủ yếu để sản xuất thạch anh, berin, corindon tổng hợp.
- Bằng việc cho kết tủa do sự tương tác của hai hay nhiều chất trong các phản ứng hoá học. Phương pháp này chủ yếu để sản xuất agat màu.
- Một phương pháp nữa nhưng ít áp dụng là sự kết tinh trực tiếp từ trạng thái hơi, dựa trên nguyên tắc có một số chất chuyển thẳng từ trạng thái hơi sang trạng thái kết tinh không qua trạng thái lỏng.
Ngày nay, nhiều hãng trên thế giới đã được thành lập để sản xuất đá quý tổng hợp, hàng năm sản xuất tới hàng triệu carats ruby, saphia. Gần đây cũng đã sản xuất được emơrot, kim cương; riêng đối với kim cương giá thành vẫn quá cao xấp xỉ hoặc hơn kim cương thiên nhiên vì vậy việc sản xuất với số lượng lớn rất hạn chế. Các đá trang sức khác như alexardit, bituza, opal, thạch anh... tổng hợp cũng rất phổ biến trên thị trường.
Để hiểu được đặc điểm của đá quý được tổng hợp bằng các phương pháp khác nhau, làm cơ sở cho việc nhận biết và giám định chúng. Dưới đây chúng ta sẽ điểm qua những nét cơ bản của từng phương pháp.

1. Nhóm phương pháp tổng hợp đá quý từ dung thể
Trong nhóm phương pháp này, các tinh thể được kết tinh trực tiếp từ dung thể trong điều kiện khống chế nghiêm ngặt về nhiệt độ, áp suất, thành phần. Trong nh óm ph ư ơng

Phương pháp nóng chảy trong ngọn lửa (phương pháp Verneuil)
- Nguyên lý phương pháp: Cho kết tinh các tinh thể đá quý trực tiếp từ dung thể. Phương pháp này sử dụng nguyên liệu ban đầu alf bột Al2O3 tinh khiết với các oxit tương ứng (tuỳ thuộc vào sản phẩm cần tổng hợp), làm sạch, lọc và rung khô ở nhiệt độ 12000C. Các chất tạo màu được thêm vào có thể là các oxit Cr, Fe, Ti ...
Quá trình hình thành tinh thể được diễn ra trong một lò đặc biệt. Bột Al2O3 được rơi xuống từ buồng cấp liệu ở phía trên theo nhịp đập của hệ thống búa đi qua rây và rơi vào buồng đốt. Ở đây oxit nhôm bị nóng chảy trong ngọn lửa của hỗn hợp oxy và hyro với điểm nóng chảy của oxit nhôm khoảng 20500C. Và rơi lên đầu một đé có dạng cây nến với đường kính khoảng 2 - 2,5 cm và được đặt ở phần mát của lò. Khi “củ” corindon đã đạt tới kích thước 6 - 7 cm chiều dài và trọng lượng khoảng 150 - 200 cts người ta ngừng đốt, đợi lò nguội và lấy “củ” corindon ra.
- Sản phẩm : Bằng việc thêm các oxit tạo màu thích hợp mà ta thu được ruby hay saphia có màu khác nhau thêm Cr sẽ cho ruby, thêm đồng thời Cr, Fe cho ruby đỏ sẫm - tím đỏ, thêm Fe, Ti cho saphia lam. Ni cho saphia vàng, Co-V cho saphia lục... Phương pháp này cũng được dùng để tổng hợp một số loại đá quý khác như spinen, rutin, titanat stronxi ...
- Đặc điểm: bọt khí (dạng hình cầu) hay kéo dài thường tập trung ở đầu thỏi ruby và chúng sắp xếp vuông góc với đường sinh trưởng, các đường sinh trưởng cong dễ dàng quan sát được trong thỏi conrindon.




Phương pháp kéo (phương pháp Czockralski)
Phương pháp này do Czokralski đề xuất năm 1918.
- Nguyên lý phương pháp: Bột Al2O3 và chất tạo màu được làm nóng chảy trong nồi Iridium bằng các cuộn cao tần quấn quanh nồi. Tinh thể mầm được gắn vào thanh kéo và nhúng vào thể nóng chảy rồi nâng lên cao hơn mặt lỏng, tinh thể sẽ kéo theo thể lỏng dính liền với mình.
Thanh kéo mang tinh thể được làm lạnh nhờ dòng nước, có thể xoay tròn quanh trục của mình và nâng cao hay hạ thấp nhờ một bộ phận cơ học. Nồi đựng pha lỏng cũng xoay (ngược chiều với tinh thể) trong quá trình nuôi. Trong phương pháp này quá trình sinh trưởng diễn ra đồng thời với việc kéo (bằng cách quay) thanh ra khỏi nồi sản phẩm là thỏi ruby hình trụ dài khoảng vài chục cm đường kính tới 10 cm, quá trình nuôi diễn ra khoảng 25 giờ, tốc độ kéo 6 - 25 mm/h.
- Sản phẩm: Ngoài ruby, saphia ứng dụng phương pháp trên có thể sản xuất ra sielit, YAG, GGG (nhóm granat), alexandrit, fluorit ...
- Đặc điểm: Bọt khí kéo dài đôi khi như dạng mưa sa, đường sinh trưởng cong.




Phương pháp nóng chảy vùng
Dùng để tinh chế các tinh thể đã có hoặc nuôi tinh thể mới
- Nguyên lý của phương pháp: Tại cuối một cái thuyền chứa đầy nguyên liệu dưới dạng đa tinh thể người ta đặt một tinh thể giống (đơn tính). Nhờ một bộ phận đốt nóng đặc biệt, nguyên liệu bị chảy lỏng một vùng hẹp canh tinh thể giống. Bằng cách cho thuyền chuyển động trong lò (hoặc cho lò chuyển động đối với thuyền) vùng nóng chảy sẽ di chuyển bắt đầu từ tinh thể giống hướng dọc theo vùng nguyên liệu đa tinh thể và tinh thể sẽ lớn đuổi theo vùng nóng chảy.
Muốn dùng phương pháp nóng chảy vùng để làm sạch vật chất A loại trừ được tạp chất B người ta cho vùng nóng chảy chạy suốt thuyền chứa vật chất theo một chiều cố định và lặp lại nhiều lần. Sau vài lần lại loại bỏ phần tập trung tạp chất hoặc ở đầu thuyền hoặc ở cuối thuyền tuỳ theo tỷ số giữa nồng độ của tạp chất B có lẫn trong tinh thể A với nồng độ của tạp chất này có trong vùng nóng chảy.
- Sản phẩm : Dùng phương pháp này có thể sản xuất được ruby, saphia, sielit, alexandrit...
- Đặc điểm: Bên trong của tinh thể nuôi bằng phương pháp này là bọt khí và đường sinh trưởng cong.

2. Nhóm phương pháp dùng chất trợ dung (flux-fusion)
- Nguyên lý phương pháp : Đá được kết tinh từ dung dịch có chất trợ dung, nhiệt độ nóng chảy nguyên liệu thấp hơn so với phương pháp từ dung thể, không cần lò chịu nhiệt độ cao.
Chất trợ dung “flux” là chất có khả năng làm giảm nhiệt độ nóng chảy của chất khác khi chúng được trộn lẫn vào nhau. Nhiệt độ nóng chảy của nguyên liệu dùng trong phương pháp này để nuôi tinh thể giảm đi khi ta trộn với chất trợ dung thích hợp. Ở nhiệt độ bình thường chất trợ dung là chất rắn, nhưng khi nóng chảy chất trợ dung trở thành dung môi rất mạnh có thể hoà tan các nguyên liệu nuôi.
Nguyên liệu ban đầu (Al2O3 và chất tạo màu) được hoà tan với chất trợ dung ở nhiệt độ hơi cao điểm bão hoà. Trong giai đoạn này lò được quay để các hợp phần được hoà tan đều vào nhau. Khi dung dịch đã tạo thành, nhiệt độ được hạ dần trong khoảng nhiệt độ kết tinh của corindon và việc kết tinh xảy ra từ từ, bắt đầu từ phần lạnh của lò bằng kích thích hạt nhân hoặc lớn lên bao quanh mầm tinh thể được đặt vào. Khi tinh thể đạt tới kích thước mong muốn người ta lấy ra bằng cách gạn bỏ dung thể nóng chảy thừa qua một lỗ ở đáy lò.
Các chất trợ dung chủ yếu là: Li2O-MoO3-PbF2-(PbO2) (phương pháp Chatham); Na3AlF6 (phương pháp Kashan); Li2O-WO3-PbF2(PbO2) (phương pháp Knischka); Bi2O3-La2O3-PbF2 và PbO2 (phương pháp Ramaura).
- Sản phẩm: Phương pháp này phổ biến nhất hiện nay để sản xuất ruby, saphia, emơrot với các hãng sản xuất nổi tiếng như Chatham, Ramaura, Kashan (Mỹ); Knischka, Lechleitner (Áo).
- Đặc điểm: Ưu điểm của phương pháp này là loại trừ được bọt khí và đường sinh trưởng cong, hơn nữa cũng tạo được bao thể như đá thiên nhiên. Đặc điểm bên trong của các sản phẩm này gồm bao thể chất trợ dung platin dạng que, sợi, tấm, lục giác, tam giác. Các bao thể dạng vân tay hoặc tinh thể âm được chất trợ dung lấp đầy (không có bao thể lỏng).





3. Nhóm phương pháp nhiệt dịch (hydrothermal method)
- Nguyên lý phương pháp: Phương pháp này mô phỏng chính xác nhất quá trình thành tạo đá quý tự nhiên về các điều kiện nhiệt độ, áp suất, môi trường.
Corindon hoàn toàn không hoà tan trong nước ở nhiệt độ phòng và chỉ hoà tan tí chút ở nhiệt độ sôi của nước (1000C). Tuy nhiên, ở trong nồi áp suất khi ta tăng nhiệt độ thì độ hoà tan sẽ tăng lên nhanh chóng, đây chính là nguyên tắc của phương pháp nhiệt dịch.
Nguyên liệu ban đầu dùng cho phương pháp này có thể là corindon (Al2O3) hoặc gipxit AlO (OH) được đặt ở đáy ở nồi áp suất cao như nồi chưng cất với áp suất có thể đạt tới 3000 atm. Mầm tinh thể có thể là corindon tự nhiên hay tổng hợp (Verneuil) được treo bằng khung Ag ở phía trên của nồi. Và nồi được đốt nóng từ phía dưới, chất nóng chảy được dòng đối lưu vận chuyển về phía trên và kết tủa trên các tinh thể mầm đã được định hướng trước. Tốc độ lớn của tinh thể trong phương pháp này là rất chậm so với các phương pháp khác chỉ khoảng 0,05 tới 0,25 mm/ngày và có giá thành cao hơn các phương pháp khác.
- Sản phẩm: Phương pháp này được dùng để sản xuất emơrot, thạch anh, ruby. Các nhà sản xuất chủ yếu trên thế giới là Chatham (Mỹ), Gilson (Pháp) ...



Một số sản phẩm của phương pháp nhiệt dịch