Nhiệt và bức xạ đổi được màu đá quý vì màu của phần lớn đá quý không nằm ở bản thân khoáng vật, mà ở vài nguyên tử lạ và vài "lỗ hổng" li ti trong mạng tinh thể. Nung nóng làm các nguyên tử sắt, titan đổi trạng thái hoặc di chuyển; chiếu xạ bứt electron khỏi chỗ cũ và tạo ra những khuyết tật hấp thụ ánh sáng. Chỉ cần thay đổi một phần triệu cấu trúc, viên đá đã có thể chuyển từ màu sữa đục sang xanh lam, từ nâu sang tím, từ trong suốt sang xanh trời.
Đây không phải chuyện mới. Người xưa đã biết nung đá để màu đậm hơn từ hàng nghìn năm trước, còn ngày nay nung là cách xử lý phổ biến nhất của ruby và sapphire trên thế giới. Bài này đi theo góc khoa học: điều gì xảy ra bên trong viên đá khi vào lò, vì sao bức xạ làm đá đổi màu mà phần lớn không còn phóng xạ, và giới ngọc học phát hiện, ghi nhận các xử lý này như thế nào.
Màu của đá quý đến từ đâu: chất chính, chất lạ và khuyết tật
Nhôm oxit tinh khiết, tức khoáng vật corundum, hoàn toàn không màu. Ruby và sapphire đều là corundum; khác biệt chỉ nằm ở vài nguyên tố lẫn vào với hàm lượng rất nhỏ. Một chút crom thay chỗ nhôm cho màu đỏ của ruby. Một chút sắt đi kèm titan cho màu xanh lam của sapphire. Giới khoáng vật học gọi những khoáng vật kiểu này là "tha sắc": màu do tạp chất, không phải do thành phần chính.
Cơ chế màu xanh của sapphire rất đáng chú ý. Khi một ion sắt và một ion titan đứng gần nhau trong mạng tinh thể, ánh sáng có thể khiến một electron nhảy từ sắt sang titan. Bước nhảy này "ăn" mất phần ánh sáng vàng đỏ, phần còn lại lọt tới mắt có màu xanh. Hiện tượng gọi là chuyển điện tích giữa các ion, và chỉ cần hàm lượng cỡ vài phần nghìn đã đủ tạo màu đậm.
Nguồn màu thứ ba là "tâm màu": chỗ mạng tinh thể thiếu một nguyên tử, hoặc giữ một electron lạc chỗ. Các khuyết tật này hấp thụ một dải ánh sáng nhất định. Thạch anh khói có màu xám nâu nhờ tâm màu liên quan đến nhôm bị bức xạ tự nhiên trong lòng đất tác động. Hiểu ba nguồn màu này là hiểu được vì sao lò nung và máy chiếu xạ có thể "vẽ lại" một viên đá.
Chuyện gì xảy ra với viên sapphire trong lò nung
Một ví dụ kinh điển là loại sapphire màu trắng sữa ở Sri Lanka gọi là geuda. Từ cuối thập niên 1970, thợ nung ở Thái Lan phát hiện có thể biến loại đá này thành sapphire xanh. Quá trình, theo cách giới ngọc học giải thích, diễn ra như sau:
- Viên đá ban đầu đục vì đầy "lụa". Bên trong có vô số kim rutil (titan oxit) li ti; titan nằm trong các kim này chứ không nằm trong mạng corundum, nên không tạo được cặp sắt–titan gây màu.
- Nhiệt độ rất cao hoà tan kim rutil. Lò nung loại này thường lên tới khoảng 1.500–1.800°C, giữ trong nhiều giờ. Titan từ các kim tan ra, khuếch tán vào mạng tinh thể.
- Bầu khí trong lò quyết định hoá trị của sắt. Nung trong môi trường thiếu oxy (khử) giúp sắt ở trạng thái thuận lợi cho cặp sắt–titan. Nung trong môi trường giàu oxy thì ngược lại, có thể làm nhạt màu xanh quá đậm.
- Làm nguội và mạng tinh thể "khoá" lại. Titan giờ đứng cạnh sắt, cơ chế chuyển điện tích hoạt động, viên đá hoá xanh và trong hơn vì lụa đã tan.
- Dấu vết còn lại. Các tinh thể nhỏ bên trong giãn nở khác corundum nên nứt vòng quanh như đĩa; kim rutil bị tan dở thành chấm đứt đoạn. Đây là manh mối các phòng kiểm định soi dưới kính hiển vi.
Với ruby, nung thường nhằm giảm sắc tím xanh và làm tan bớt lụa để viên đá trong hơn. Nhiệt độ thấp hơn, thay đổi tinh tế hơn, nên có trường hợp rất khó phát hiện.
Một số đá quý thường được nung và điều xảy ra bên trong
Nung không chỉ dành cho corundum. Nhiều đá quý quen thuộc ngày nay phần lớn đã qua lò. Bảng dưới đây tóm tắt cơ chế ở mức phổ thông; nhiệt độ cụ thể khác nhau tuỳ cơ sở và không được công bố đầy đủ.
| Đá | Trước khi nung | Sau khi nung | Cơ chế chính |
|---|---|---|---|
| Sapphire geuda | Trắng sữa, đục | Xanh lam, trong hơn | Kim rutil tan, titan ghép cặp với sắt |
| Ruby | Đỏ ánh tím, có lụa | Đỏ tươi hơn, trong hơn | Giảm sắc xanh, tan bớt kim rutil |
| Zoisite (tanzanite) | Nâu, nâu vàng | Xanh tím | Vanadi đổi trạng thái hấp thụ ánh sáng |
| Thạch anh tím | Tím | Vàng cam (bán dưới tên citrine) | Tâm màu bị xoá, sắt tạo màu vàng |
| Aquamarine | Xanh ngả lục | Xanh trời thuần hơn | Sắt chuyển trạng thái, bớt sắc vàng |
| Carnelian (mã não đỏ) | Nâu cam | Đỏ cam đậm | Khoáng sắt ngậm nước mất nước thành hematit |
Điểm chung: nung không thêm vào viên đá chất gì mới, chỉ sắp xếp lại những gì có sẵn. Vì vậy, nhìn ở góc vật liệu, đá đã nung vẫn là cùng một khoáng vật. Màu đạt được qua nung ở hầu hết các loại trên được coi là bền với điều kiện sử dụng bình thường.
Chiếu xạ: dùng tia gamma, electron và neutron để tạo tâm màu
Chiếu xạ làm điều ngược lại với nung: thay vì xoá khuyết tật, nó tạo thêm khuyết tật. Tia gamma, chùm electron từ máy gia tốc hoặc neutron trong lò phản ứng bứt electron khỏi vị trí, hoặc hất nguyên tử khỏi chỗ đứng trong mạng tinh thể. Những vị trí trống và electron lạc chỗ đó chính là tâm màu.
Ví dụ quen thuộc nhất là topaz xanh. Topaz không màu gần như không có giá trị trang trí, nhưng sau khi chiếu xạ rồi nung nhẹ để ổn định, nó chuyển sang các sắc xanh từ nhạt tới đậm. Kim cương cũng có thể chiếu xạ: chùm hạt tạo ra các chỗ trống trong mạng carbon, cho màu xanh lục hoặc xanh lam; nung thêm sau đó có thể đẩy màu sang vàng hoặc hồng. Điều thú vị là tự nhiên cũng làm y như vậy, chậm hơn nhiều: một số kim cương xanh lục tự nhiên có màu nhờ nằm gần khoáng vật phóng xạ trong lòng đất hàng triệu năm.
Câu hỏi hay gặp là đá chiếu xạ có phóng xạ không. Tia gamma và electron năng lượng phù hợp thường không để lại phóng xạ đáng kể. Riêng chiếu neutron có thể làm một số nguyên tố trong đá trở nên phóng xạ tạm thời, nên đá phải được lưu kho cho tới khi mức phóng xạ giảm xuống dưới ngưỡng quy định. Ở Mỹ, việc phân phối đá quý chiếu neutron chịu sự quản lý của Uỷ ban Điều tiết Hạt nhân; nhiều nước khác cũng có quy định riêng. Đây là lý do nghề chiếu xạ đá quý gắn với các cơ sở có giấy phép, không phải việc làm được trong xưởng nhỏ.
Hiểu nhầm hay gặp về đá nung và đá chiếu xạ
"Đá đã nung là đá giả." Không đúng về mặt vật liệu. Sapphire đã nung vẫn là corundum, có cùng độ cứng, cùng chiết suất, cùng cấu trúc tinh thể. Đá giả là vật liệu khác đội lốt (thuỷ tinh, đá tổng hợp bán như tự nhiên). Điều người ta tranh luận là việc công bố: đá đã xử lý phải được ghi rõ là đã xử lý.
"Chiếu xạ làm đá nhiễm phóng xạ nguy hiểm." Phần lớn đá chiếu xạ lưu hành hợp pháp đã được kiểm tra mức phóng xạ trước khi bán. Rủi ro nằm ở đá chiếu neutron không qua lưu kho và kiểm tra, vốn là trường hợp hiếm và bị quản lý chặt ở nhiều nước.
"Nung là trò mới của thời hiện đại." Người làm hạt chuỗi ở nhiều nền văn minh cổ đã nung carnelian để màu đỏ đậm hơn. Ghi chép và hiện vật cho thấy kỹ thuật này có từ hàng nghìn năm trước; lò nung hiện đại chỉ kiểm soát nhiệt độ và bầu khí chính xác hơn.
"Màu do nung có thể phai sau vài năm." Với ruby, sapphire, tanzanite, màu đạt được do nung thường ổn định. Ngược lại, một số màu do chiếu xạ có thể nhạt dần dưới nắng hoặc nhiệt, ví dụ vài loại thạch anh khói hay kim cương xử lý. Mỗi loại đá, mỗi cách xử lý có độ bền màu riêng.
Giới ngọc học phát hiện và ghi nhận xử lý như thế nào
Phòng kiểm định đá quý làm việc giống điều tra viên. Công cụ đầu tiên vẫn là kính hiển vi: nứt hình đĩa quanh tinh thể nhỏ, kim rutil đứt đoạn, bề mặt tinh thể lạ bị chảy là dấu hiệu viên đá từng chịu nhiệt cao. Tiếp đó là quang phổ. Phổ hồng ngoại có thể cho thấy một số nhóm hydroxyl đã biến mất sau nung; phổ hấp thụ trong vùng nhìn thấy cho biết nguồn gây màu là gì.
Với kim cương, các tâm màu do chiếu xạ có "chữ ký" quang phổ riêng, và kiểm định viên đối chiếu với thư viện dữ liệu để phân biệt màu tự nhiên với màu xử lý. Nung ở nhiệt độ thấp vẫn là thách thức: có những viên đá mà phòng kiểm định chỉ ghi được "không đủ dữ kiện để kết luận".
Về ghi nhận, các bộ nguyên tắc của ngành trang sức quốc tế (chẳng hạn bộ hướng dẫn thuật ngữ của CIBJO) đều yêu cầu công bố xử lý, nhất là xử lý ảnh hưởng tới độ bền hoặc cần chăm sóc đặc biệt. Báo cáo kiểm định thường có dòng ghi "có dấu hiệu nung" hoặc "không có dấu hiệu nung". Chữ "dấu hiệu" được chọn cẩn thận: phòng thí nghiệm chỉ báo điều quan sát được, không khẳng định tuyệt đối lịch sử của viên đá.
Vì sao chuyện nung đá kể nhiều điều về khoa học vật liệu
Câu chuyện lò nung sapphire là bài học gọn gàng về một nguyên lý lớn của khoa học vật liệu: tính chất của vật liệu thường được quyết định bởi khuyết tật nhiều hơn bởi phần hoàn hảo. Chip bán dẫn hoạt động được là nhờ pha một lượng rất nhỏ tạp chất vào silic. Thép cứng hay dẻo phụ thuộc cách nung và làm nguội. Viên sapphire trong lò cũng vậy: vài nguyên tử titan đổi chỗ là cả viên đá đổi màu.
Nó cũng cho thấy ranh giới mờ giữa "tự nhiên" và "xử lý". Trong lòng đất, đá quý đã trải qua nhiệt, áp suất và bức xạ suốt hàng triệu năm. Lò nung chỉ lặp lại một phần quá trình đó trong vài giờ. Vì thế giới ngọc học không tranh cãi xem đá nung còn là đá thật không, mà tập trung vào chuyện minh bạch: người cầm viên đá có quyền biết nó đã trải qua những gì.
Nếu có dịp xem một viên sapphire qua kính lúp phóng đại, hãy thử tìm những sợi lụa mảnh như tơ nhện. Chúng còn nguyên hay đã đứt thành chuỗi chấm chính là một trang nhật ký nhỏ về nhiệt độ mà viên đá từng đi qua.
Câu hỏi thường gặp
Đá quý nung và đá quý tổng hợp khác nhau thế nào?
Đá nung là đá hình thành trong tự nhiên, được con người xử lý nhiệt để đổi màu hoặc độ trong. Đá tổng hợp được tạo hoàn toàn trong phòng thí nghiệm, từ nguyên liệu hoá học, có cùng thành phần và cấu trúc với đá tự nhiên. Hai nhóm này phân biệt được qua bao thể bên trong và các phép đo quang phổ.
Có tự nung đá ở nhà bằng bếp ga được không?
Không nên. Bếp ga gia đình không đạt và không kiểm soát được nhiệt độ hay bầu khí cần thiết, đá có thể nứt vỡ do giãn nở không đều. Một số khoáng vật còn giải phóng hơi độc khi bị nung. Nung đá là công việc của xưởng chuyên dụng có lò và thiết bị an toàn.
Vì sao thạch anh tím nung lại ra màu vàng?
Màu tím của thạch anh tím đến từ tâm màu liên quan tới sắt và bức xạ tự nhiên. Khi nung ở nhiệt độ vừa phải, các tâm màu này bị xoá, còn sắt ở trạng thái mới cho sắc vàng cam. Phần lớn đá màu vàng cam bán dưới tên citrine trên thị trường thực chất được tạo theo cách này.
Đá chiếu xạ có cần bảo quản gì đặc biệt không?
Một số màu do chiếu xạ có thể nhạt khi phơi nắng gắt lâu ngày hoặc gặp nhiệt cao, ví dụ khi thợ hàn sửa trang sức. Đá chiếu xạ lưu hành hợp pháp đã được kiểm tra phóng xạ nên không cần cách ly. Điều nên làm là giữ đá tránh nhiệt và báo cho thợ biết khi mang đi sửa.
Làm sao phòng kiểm định biết một viên đá đã được nung?
Họ kết hợp nhiều manh mối: bao thể bị biến đổi dưới kính hiển vi, quang phổ hồng ngoại và quang phổ nhìn thấy, đôi khi phân tích nguyên tố vi lượng. Với nung nhiệt độ thấp, dấu vết có thể rất mờ, nên báo cáo đôi khi ghi là không đủ cơ sở kết luận thay vì khẳng định.
Tự nhiên có "nung" và "chiếu xạ" đá quý không?
Có. Đá quý hình thành ở nhiệt độ cao, có viên trải qua nhiều đợt nóng lên trong vỏ Trái Đất. Bức xạ tự nhiên từ urani, thori trong đá xung quanh tạo ra màu của thạch anh khói, một phần thạch anh tím và một số kim cương xanh lục. Con người chỉ rút ngắn quá trình đó.