Những cách xử lý này đều đánh vào cách ánh sáng đi qua viên đá. Vết nứt trông trắng vì ánh sáng phản xạ ở ranh giới giữa đá và lớp không khí mỏng trong khe. Đổ vào khe một chất có chiết suất gần bằng đá, ranh giới gần như biến mất, vết nứt "tàng hình". Nhuộm thì đưa chất màu vào lỗ rỗng; khuếch tán thì đưa nguyên tử gây màu thấm vào mạng tinh thể; phủ màng thì đặt một lớp mỏng tạo màu hoặc ánh cầu vồng lên bề mặt.
Khác với nung, vốn chỉ sắp xếp lại những gì đã có, nhóm xử lý này thường thêm vào viên đá một vật chất mới. Vì thế chúng gắn với những câu hỏi khó hơn về độ bền và công bố. Bài viết đi qua từng kỹ thuật dưới góc vật lý và hoá học, kể lại vài sự kiện từng làm cả ngành ngọc học phải thay đổi phương pháp, và nêu những hiểu nhầm hay gặp.
Vì sao vết nứt trông trắng: câu chuyện chiết suất
Ánh sáng đi chậm lại khi vào vật liệu đặc hơn không khí. Tỉ số giữa tốc độ trong chân không và tốc độ trong vật liệu gọi là chiết suất. Khi ánh sáng gặp ranh giới giữa hai chất có chiết suất chênh nhau nhiều, một phần bị phản xạ ngược lại. Chênh càng lớn, phản xạ càng mạnh.
Không khí có chiết suất gần bằng 1. Ngọc lục bảo khoảng 1,57–1,58, ruby khoảng 1,76–1,77, kim cương khoảng 2,42. Một vết nứt mảnh chứa không khí vì thế tạo ra hai mặt phản xạ sáng, nhìn như một vệt trắng hoặc mặt gương nhỏ trong lòng đá. Nếu thay không khí bằng một chất có chiết suất gần với đá, ánh sáng đi thẳng qua mà hầu như không phản xạ, vết nứt mờ đi tới mức mắt thường khó thấy.
Có thể tự kiểm chứng nguyên lý này bằng một thí nghiệm nhỏ ở nhà: thả một que khuấy thuỷ tinh vào cốc dầu thực vật. Que gần như biến mất vì chiết suất dầu và thuỷ tinh khá gần nhau. Toàn bộ nghề lấp khe đá quý dựa trên đúng hiện tượng này, chỉ khác ở việc chọn chất lấp có chiết suất khớp với từng loại đá.
Tẩm dầu ngọc lục bảo: tập quán hàng nghìn năm
Ngọc lục bảo, tên khoáng vật là beryl màu lục, gần như luôn có khe nứt và bao thể. Người buôn đá từ thời cổ đã biết ngâm đá vào dầu để làm khe mờ đi. Dầu tuyết tùng được dùng rộng rãi vì chiết suất khá gần beryl. Thế kỷ 20, các loại nhựa tổng hợp được đưa vào; có loại đông cứng trong khe nên bền hơn dầu.
Quy trình hiện đại thường làm sạch khe, hút chân không để đẩy không khí ra, rồi ngâm đá trong chất lấp dưới áp suất hoặc nhiệt độ nhẹ. Chất lấp chui sâu vào các khe thông ra bề mặt. Khe kín hoàn toàn bên trong thì không lấp được, nên kiểm định viên vẫn dùng chúng làm mốc so sánh.
Điểm yếu nằm ở độ bền. Dầu có thể khô dần, rỉ ra hoặc bị rửa trôi khi làm sạch bằng máy siêu âm, hơi nước nóng hay dung môi. Khi đó vết nứt hiện lại và viên đá trông kém đi rõ rệt. Vì gần như mọi ngọc lục bảo đều được tẩm ở mức nào đó, các phòng kiểm định thường phân mức "nhẹ, vừa, nhiều" thay vì chỉ ghi có hay không. Ở góc khoa học, đây là ví dụ điển hình của một xử lý không vĩnh viễn: hiệu ứng quang học còn chừng nào chất lấp còn nằm đúng chỗ.
Ruby lấp thuỷ tinh chì: khi chất lấp nhiều tới mức thành vật liệu khác
Khoảng năm 2004, các phòng kiểm định ở châu Á và Mỹ bắt đầu cảnh báo về một loại ruby mới trên thị trường. Câu chuyện có thể kể theo từng bước:
- Nguyên liệu đầu vào là corundum chất lượng rất thấp. Đá đỏ đục, đầy khe nứt, trước đây chỉ dùng làm vật liệu mài.
- Khe được mở rộng và làm sạch. Đá được xử lý bằng axit để rửa sạch khe, tạo đường cho chất lấp đi vào.
- Lấp bằng thuỷ tinh giàu chì. Thêm chì làm chiết suất thuỷ tinh tăng lên gần bằng corundum, nên sau khi nung chảy và lấp đầy, khe gần như biến mất.
- Kết quả trông như ruby trong. Có viên mà thuỷ tinh chiếm phần thể tích đáng kể, tới mức giới ngọc học gọi chúng là vật liệu tổ hợp, không coi là ruby đã xử lý thông thường.
- Dấu hiệu nhận ra. Dưới kính hiển vi thấy bọt khí tròn trong thuỷ tinh, và "hiệu ứng loé" xanh lam, cam ở khe khi nghiêng đá — do thuỷ tinh và corundum tán sắc khác nhau.
Thuỷ tinh chì mềm hơn corundum rất nhiều và kém bền với hoá chất. Các phòng kiểm định từng ghi nhận nước chanh, dung dịch tẩy rửa hay nhiệt từ đèn hàn sửa trang sức có thể làm thuỷ tinh bị ăn mòn, để lộ lại khe nứt. Đây là ví dụ rõ nhất cho thấy vì sao công bố xử lý quan trọng: người giữ viên đá cần biết cách chăm sóc nó.
Nhuộm màu: đá xốp hút màu như miếng bọt biển
Nhuộm chỉ có tác dụng với đá có lỗ rỗng hoặc khe nứt. Chalcedony, loại thạch anh vi tinh thể mà mã não là một dạng, cấu tạo từ vô số sợi tinh thể nhỏ xen kẽ khoảng trống siêu nhỏ, nên hút chất màu khá tốt. Từ thời La Mã, nhà bác học Pliny Già đã mô tả cách đun mã não trong mật ong rồi xử lý tiếp để tạo màu sẫm. Nguyên lý ấy về sau được hiểu là đường thấm vào lỗ rỗng rồi bị axit than hoá thành carbon đen.
Thế kỷ 19, các xưởng mài đá ở vùng Idar-Oberstein (Đức) phát triển nghề nhuộm mã não bằng muối kim loại và thuốc nhuộm, tạo ra các sắc xanh, đỏ, đen rực mà tự nhiên hiếm có. Ngày nay, nhuộm vẫn phổ biến với mã não, howlite nhuộm giả ngọc lam, thạch anh nứt nhuộm màu, và ngọc trai.
Nhận ra đá nhuộm dựa trên một quy luật đơn giản: chất màu tụ lại ở nơi đá hút nhiều nhất. Soi dưới kính lúp, màu thường đậm hơn dọc khe nứt, ở chỗ lỗ rỗng, hoặc ở các lớp xốp hơn trong dải mã não. Màu tự nhiên thì phân bố theo cấu trúc tinh thể và các lớp hình thành, không đi theo đường nứt.
Khuếch tán beryli: vụ việc khiến phòng kiểm định đổi cách làm việc
Khuếch tán là đưa nguyên tử gây màu từ bên ngoài thấm vào mạng tinh thể bằng nhiệt độ rất cao. Thập niên 1980–1990, kỹ thuật khuếch tán titan vào bề mặt sapphire tạo ra lớp màu xanh mỏng. Màu chỉ nằm ở lớp ngoài, nên nếu mài lại viên đá, màu có thể mất từng mảng. Kiểm định viên phát hiện bằng cách ngâm đá vào chất lỏng có chiết suất cao: màu tụ lại ở mép giác cắt như đường viền.
Năm 2001–2002, thị trường xuất hiện nhiều sapphire màu cam hồng rực rỡ, gợi tới loại padparadscha hiếm. Các phòng kiểm định ban đầu không lý giải được. Sau nhiều tháng nghiên cứu, họ phát hiện viên đá đã được nung cùng một khoáng vật chứa beryli. Beryli là nguyên tố rất nhẹ, khuếch tán sâu vào corundum, thay đổi cân bằng điện tích và tạo ra sắc vàng cam. Các phương pháp phân tích thường dùng lúc đó gần như không thấy được beryli, nên phải dùng tới kỹ thuật như khối phổ cảm ứng plasma kết hợp bắn laser.
Vụ việc để lại bài học lớn cho cả ngành: một xử lý có thể đi trước khả năng phát hiện của phòng thí nghiệm. Từ đó, nhiều phòng kiểm định lớn đầu tư thiết bị phân tích nguyên tố vi lượng, xây dựng cơ sở dữ liệu so sánh, và chia sẻ cảnh báo nhanh hơn khi thấy loại đá lạ xuất hiện hàng loạt.
So sánh nhanh các kỹ thuật: thêm gì vào đá và bền tới đâu
Bảng dưới đây xếp các kỹ thuật theo vật chất được thêm vào và mức độ ổn định ở điều kiện dùng thông thường. Đây là mô tả khoa học, không phải hướng dẫn chọn đá.
| Kỹ thuật | Thêm vào đá | Tác động quang học | Độ ổn định |
|---|---|---|---|
| Tẩm dầu, nhựa | Dầu hoặc polymer vào khe | Giảm phản xạ ở khe nứt | Kém đến vừa, sợ dung môi, siêu âm |
| Lấp thuỷ tinh chì | Thuỷ tinh vào khe lớn | Khe gần như biến mất | Kém với axit, nhiệt |
| Lấp khe kim cương | Thuỷ tinh chiết suất cao | Giảm vệt nứt trắng | Kém với nhiệt khi sửa trang sức |
| Nhuộm | Chất màu vào lỗ rỗng | Thêm hoặc đổi màu | Tuỳ chất màu, có thể phai |
| Khuếch tán bề mặt | Nguyên tử gây màu ở lớp ngoài | Màu mỏng sát bề mặt | Bền nhưng mất nếu mài lại |
| Khuếch tán sâu (beryli) | Nguyên tử nhẹ thấm sâu | Đổi màu toàn khối hoặc gần toàn khối | Bền với sử dụng thường |
| Phủ màng | Lớp mỏng kim loại, oxit | Màu hoặc ánh cầu vồng do giao thoa | Dễ trầy, mòn theo thời gian |
Phủ màng là trường hợp vật lý thú vị: lớp màng dày cỡ bước sóng ánh sáng gây giao thoa, giống váng dầu loang trên mặt nước, nên viên topaz phủ màng ánh lên đủ màu khi xoay. Nhưng lớp này rất mỏng, chỉ cần chà xát lâu ngày là mòn.
Hiểu nhầm hay gặp
"Đá đã xử lý thì không còn giá trị khoa học." Ngược lại, chính đá xử lý đã thúc đẩy ngọc học phát triển phương pháp phân tích. Mỗi kỹ thuật mới buộc các phòng thí nghiệm hiểu sâu hơn về cấu trúc tinh thể và cơ chế màu.
"Cứ đá trong veo không vết nứt là chưa qua xử lý." Lấp khe được thiết kế để làm đúng điều đó: khiến đá trông trong. Độ trong bằng mắt thường không nói được gì về lịch sử viên đá.
"Xử lý nào cũng là gian lận." Bản thân kỹ thuật là trung tính. Vấn đề đạo đức chỉ nảy sinh khi xử lý bị che giấu. Các chuẩn mực quốc tế yêu cầu công bố, đặc biệt với xử lý không bền hoặc cần chăm sóc riêng.
"Đá nhuộm thì lau cồn là ra màu ngay." Một số chất nhuộm hữu cơ đúng là tan trong cồn hoặc axeton, nhưng nhiều loại nhuộm bằng muối kim loại hay đã được nung cố định thì không. Ngược lại, lau dung môi lên đá tẩm dầu hay nhựa có thể làm hỏng chất lấp. Phép thử tự chế vừa không đáng tin vừa có thể làm hại viên đá, nên kết luận về xử lý thuộc về phòng kiểm định có thiết bị.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao không phải loại đá nào cũng nhuộm được?
Chất màu cần đường để đi vào. Đá đặc khít như corundum hay kim cương không có lỗ rỗng, nên muốn nhuộm phải tạo khe nứt trước, ví dụ nung rồi làm nguội đột ngột. Đá vi tinh thể như mã não, hoặc đá có độ xốp tự nhiên, hút màu dễ hơn nhiều.
Hiệu ứng loé ở đá lấp khe là gì?
Đó là các ánh màu xanh lam, cam, tím hiện ra dọc khe khi nghiêng viên đá dưới kính hiển vi. Hiện tượng xảy ra vì chất lấp và đá có chiết suất gần nhau nhưng tán sắc khác nhau, nên ở một số góc, một phần màu của ánh sáng vẫn bị phản xạ tại ranh giới.
Tẩm dầu ngọc lục bảo có làm hỏng đá không?
Dầu không phá huỷ beryl, nó chỉ nằm trong khe sẵn có. Vấn đề là dầu có thể khô hoặc bị rửa trôi, khiến khe hiện lại. Việc làm sạch bằng máy siêu âm, hơi nước hay dung môi đẩy nhanh quá trình này, nên đá tẩm dầu thường được khuyên lau nhẹ bằng nước ấm.
Khuếch tán khác nung thông thường ở điểm nào?
Nung thông thường chỉ sắp xếp lại các nguyên tử sẵn có trong đá. Khuếch tán đưa thêm nguyên tố từ bên ngoài vào mạng tinh thể, như titan hoặc beryli, nhờ nhiệt độ rất cao kéo dài. Vì có nguyên tố mới, khuếch tán được xếp thành một nhóm xử lý riêng và cần công bố rõ.
Có thiết bị cầm tay nào phát hiện được mọi xử lý không?
Hiện chưa có. Kính lúp và kính hiển vi bắt được nhiều dấu hiệu như bọt khí, hiệu ứng loé, màu tụ ở khe. Nhưng khuếch tán beryli hay nung nhiệt độ thấp cần thiết bị phòng thí nghiệm như quang phổ và phân tích nguyên tố vi lượng.
Ngọc trai có được xử lý như đá quý không?
Có. Ngọc trai thường được tẩy trắng, nhuộm màu hoặc chiếu xạ để đổi sắc lớp nhân bên trong. Vì ngọc trai mềm và cấu tạo từ canxi cacbonat, chúng nhạy với axit, mỹ phẩm và mồ hôi, nên các xử lý bề mặt dễ bị ảnh hưởng hơn so với đá quý khoáng vật.