Kim cương cứng nhất nhưng vẫn vỡ được, vì "cứng" và "khó vỡ" là hai tính chất khác nhau. Độ cứng là khả năng chống trầy xước: kim cương rạch được mọi khoáng vật tự nhiên khác. Độ dai là khả năng chịu va đập mà không nứt, mẻ: ở tiêu chí này kim cương chỉ ở mức khá, vì cấu trúc tinh thể của nó có những mặt phẳng liên kết yếu hơn, gọi là mặt cát khai. Một cú va đúng hướng có thể tách viên kim cương gọn như chẻ củi.
Ngược lại, ngọc jadeite và nephrite chỉ cứng cỡ thạch anh, nhưng dai tới mức thợ chạm phải mài dần thay vì đập. Bài viết giải thích thang Mohs ra đời thế nào và vì sao nó không tuyến tính, sự khác biệt giữa độ cứng, độ dai và độ ổn định, kèm vài thí nghiệm lịch sử như chuyện đốt cháy kim cương ở thế kỷ 18.
Thang Mohs: một bảng xếp hạng ra đời năm 1812
Năm 1812, nhà khoáng vật học người Đức Friedrich Mohs đề xuất một cách so độ cứng đơn giản: khoáng vật nào rạch được khoáng vật nào. Ông chọn mười khoáng vật dễ kiếm làm mốc, xếp từ mềm tới cứng: talc (1), thạch cao (2), canxit (3), fluorit (4), apatit (5), orthoclas (6), thạch anh (7), topaz (8), corundum (9) và kim cương (10). Muốn biết một khoáng vật lạ cứng cỡ nào, chỉ cần xem nó rạch được mốc nào và bị mốc nào rạch.
Cách làm này tiện tới mức hơn hai thế kỷ sau vẫn được dạy trong lớp địa chất và dùng ngoài thực địa. Người đi khảo sát còn mang theo các "mốc" đời thường: móng tay cứng khoảng 2,5, đồng xu đồng khoảng 3, lưỡi dao thép và kính cửa sổ khoảng 5,5, giũa thép cứng khoảng 6,5. Một viên đá rạch được kính nhưng bị thạch anh rạch thì nằm trong khoảng 6 đến 7.
Nhược điểm lớn nhất: thang Mohs chỉ là thứ tự, không phải số đo. Khoảng cách giữa các bậc không đều nhau. Theo các phép đo độ cứng tuyệt đối, khoảng cách từ corundum (9) lên kim cương (10) lớn hơn rất nhiều so với tổng khoảng cách từ talc lên corundum. Nói cách khác, kim cương không cứng hơn corundum "một bậc", mà cứng hơn nhiều lần.
Thang Mohs và độ cứng tuyệt đối
Bảng dưới đây ghép thang Mohs với giá trị độ cứng tuyệt đối gần đúng đo bằng dụng cụ rạch (sclerometer), số liệu thường được trích trong tài liệu khoáng vật học; các phương pháp đo khác cho con số khác, nhưng xu hướng như nhau.
| Mohs | Khoáng vật | Độ cứng tuyệt đối gần đúng | Ví dụ đời thường |
|---|---|---|---|
| 1 | Talc | 1 | Phấn rôm, mềm tới mức móng tay vạch được |
| 2 | Thạch cao | 3 | Bó bột, tượng thạch cao |
| 3 | Canxit | 9 | Đá vôi, đá hoa cương mềm |
| 4 | Fluorit | 21 | Khoáng vật làm nguồn flo |
| 5 | Apatit | 48 | Thành phần khoáng của men răng gần giống |
| 6 | Orthoclas | 72 | Fenspat trong đá granit |
| 7 | Thạch anh | 100 | Cát, bụi đường phố |
| 8 | Topaz | 200 | Đá quý thường gặp |
| 9 | Corundum | 400 | Ruby, sapphire, giấy nhám |
| 10 | Kim cương | 1.500 | Mũi khoan, lưỡi cắt đá |
Một chi tiết thực tế: bụi trong không khí chứa nhiều hạt thạch anh (độ cứng 7). Vì vậy mọi vật liệu mềm hơn 7, như ngọc trai, opal, mã não đánh bóng kém, sẽ dần mờ bề mặt khi bị lau chùi bằng khăn có bụi. Đây là lý do kính đồng hồ tốt thường làm từ sapphire tổng hợp (corundum): bụi không rạch nổi nó.
Độ dai: vì sao ngọc mềm hơn lại khó đập vỡ hơn
Độ dai đo khả năng chống lại sự lan truyền vết nứt. Một vật liệu dai có thể bị trầy, nhưng không dễ mẻ, nứt hay vỡ khi rơi. Độ dai phụ thuộc nhiều vào cấu trúc bên trong hơn là độ bền liên kết hoá học.
Nephrite và jadeite, hai loại khoáng vật đều được gọi chung là "ngọc", là ví dụ nổi tiếng. Chúng không phải một tinh thể lớn mà là vô số tinh thể nhỏ dạng sợi hoặc hạt đan cài vào nhau như nỉ. Khi một vết nứt bắt đầu, nó phải liên tục đổi hướng để vòng qua các sợi, tiêu hao năng lượng, và thường dừng lại trước khi lan xa. Đó là lý do nhiều nền văn hoá cổ dùng ngọc làm rìu, dao: lưỡi không sắc bằng đá lửa nhưng ít gãy hơn.
Kim cương thì ngược lại: một tinh thể đơn, liên kết carbon cực mạnh theo mọi hướng, nhưng có bốn hướng mặt phẳng song song với mặt bát diện mà liên kết ngang qua yếu hơn. Vết nứt chạy dọc các mặt đó rất dễ. Ngọc lục bảo thì dù cứng 7,5–8 vẫn dễ mẻ vì hầu như viên nào cũng có khe nứt sẵn bên trong. Hiểu độ dai giải thích được vì sao đá cứng vẫn cần được bảo vệ khỏi va đập, còn đá mềm hơn chưa chắc đã mong manh hơn.
Mặt cát khai: điểm yếu biến thành công cụ của thợ cắt
Cát khai là xu hướng tinh thể tách ra theo mặt phẳng nhất định, để lại bề mặt phẳng và bóng. Mica tách thành từng lá mỏng, canxit tách thành khối mặt thoi, muối ăn tách thành khối vuông. Kim cương có cát khai hoàn toàn theo bốn hướng.
Trong nhiều thế kỷ, thợ cắt kim cương đã tận dụng điểm yếu này: họ khía một rãnh nhỏ đúng hướng mặt cát khai, đặt lưỡi thép vào và gõ một nhát để tách viên đá thô lớn thành các phần nhỏ hơn. Viên kim cương thô lớn nhất từng tìm thấy, viên Cullinan phát hiện ở Nam Phi năm 1905, đã được tách theo cách này ở Amsterdam năm 1908 trước khi mài thành nhiều viên. Giai thoại kể rằng người thợ ngất xỉu sau nhát gõ; chi tiết này chưa được kiểm chứng và có thể chỉ là chuyện thêu dệt, nhưng việc tách bằng cát khai là có thật.
Ngày nay laser và cưa phủ bột kim cương thay dần kỹ thuật tách bằng tay. Nhưng mặt cát khai vẫn là lý do thợ kim hoàn dặn tránh va chạm mạnh ở góc nhọn của viên đá. Một cú đập vào cạnh bàn đá đúng góc có thể làm mẻ một góc kim cương, điều nghe vô lý với nhiều người khi chỉ nghĩ tới chữ "cứng nhất".
Độ ổn định: tiêu chí thứ ba ít ai nghĩ tới
Với nhiệt. Kim cương là carbon, và carbon cháy được. Năm 1772, nhà hoá học Antoine Lavoisier tập trung ánh nắng bằng thấu kính lớn để đốt kim cương trong bình kín và chứng minh sản phẩm là khí carbonic. Trong không khí, kim cương bắt đầu bị oxy hoá ở khoảng 700–900°C, mức mà đèn khò của thợ kim hoàn có thể đạt tới nếu thao tác không cẩn thận.
Với hoá chất. Ngọc trai, san hô và đá hoa làm từ canxi cacbonat sủi bọt trong axit, kể cả axit yếu như giấm. Opal chứa nước trong cấu trúc, có thể nứt khi khô đi đột ngột.
Với ánh sáng. Một số khoáng vật nhạt màu dưới nắng gắt lâu ngày, như kunzite hay thạch anh tím. Đây là độ ổn định quang học, tách biệt hoàn toàn với độ cứng.
Ghép ba tiêu chí lại. Giới ngọc học đánh giá độ bền của đá theo bộ ba: cứng, dai, ổn định. Kim cương xuất sắc về cứng, khá về dai, kém với lửa. Ngọc jadeite trung bình về cứng nhưng xuất sắc về dai. Không loại nào hoàn hảo ở cả ba.
Có vật liệu nào cứng hơn kim cương không
Câu hỏi này xuất hiện thường xuyên trên báo khoa học phổ thông. Câu trả lời ngắn: trong tự nhiên, kim cương vẫn là khoáng vật cứng nhất được xác nhận với mẫu đo được. Các ứng viên được nhắc nhiều đều có điều kiện kèm theo.
Lonsdaleite, một dạng carbon có mạng lục giác tìm thấy ở vài hố thiên thạch, được một số mô phỏng máy tính dự đoán cứng hơn kim cương; nhưng mẫu tự nhiên rất nhỏ và lẫn tạp chất, nên chưa đo được trực tiếp một cách thuyết phục. Boron nitride dạng wurtzite cũng có kết quả mô phỏng tương tự, cùng hạn chế về mẫu.
Trong phòng thí nghiệm, các nhà khoa học đã tạo ra kim cương có cấu trúc hạt nano đan song tinh, và một nhóm nghiên cứu ở Trung Quốc công bố trên tạp chí Nature năm 2014 rằng vật liệu này cứng hơn kim cương đơn tinh thể tự nhiên. Đây là vật liệu tổng hợp, không phải khoáng vật mới trong tự nhiên. Vì vậy khi đọc tin "phát hiện vật liệu cứng hơn kim cương", nên hỏi thêm: đo bằng thí nghiệm hay chỉ mô phỏng, mẫu tự nhiên hay tổng hợp, và cứng theo phép đo nào.
Hiểu nhầm hay gặp
"Kim cương thật thì đập búa không vỡ." Sai, và là cách thử nguy hiểm cho viên đá. Kim cương có mặt cát khai, nên một cú búa có thể làm nó vỡ hoặc mẻ. Phép thử này chỉ chứng minh người thử chưa hiểu sự khác biệt giữa cứng và dai.
"Rạch được kính là kim cương." Rất nhiều khoáng vật cứng hơn kính (khoảng 5,5): thạch anh, topaz, corundum, cả đá tổng hợp như moissanite hay cubic zirconia. Rạch kính chỉ cho biết đá cứng hơn khoảng 6.
"Thang Mohs là thang đo đều đặn." Đây là thang thứ tự. Khoảng cách giữa bậc 9 và 10 lớn hơn rất nhiều so với giữa bậc 1 và 2. Đọc "topaz 8, corundum 9" không có nghĩa corundum chỉ cứng hơn topaz một chút; theo phép đo tuyệt đối, chênh lệch là khoảng gấp đôi.
"Đá cứng thì không cần cất riêng." Chính vì cứng nên kim cương, ruby, sapphire dễ rạch các món trang sức khác khi để chung một hộp. Chúng cũng có thể rạch lẫn nhau, vì kim cương cứng hơn corundum. Cất riêng từng món trong ngăn hoặc túi vải mềm là cách giới kim hoàn vẫn khuyên.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao chọn mười khoáng vật đó làm mốc cho thang Mohs?
Mohs chọn các khoáng vật tương đối phổ biến, dễ nhận dạng và tạo thành dãy liên tục về độ cứng, để người làm thực địa có thể mang theo hoặc tìm thấy. Thang này ra đời từ nhu cầu nhận dạng khoáng vật nhanh, không phải để đo chính xác như máy móc hiện đại.
Độ cứng của kim loại có đo bằng thang Mohs không?
Có thể so tương đối, nhưng ngành cơ khí dùng các phép đo khác như Vickers, Brinell, Rockwell, Knoop. Các phép này ấn một mũi đo vào bề mặt với lực xác định rồi đo vết lõm, cho con số định lượng thay vì chỉ thứ tự.
Răng người cứng cỡ nào trên thang Mohs?
Men răng chủ yếu là khoáng hydroxyapatit, gần với apatit ở bậc 5. Đây là mô trong cơ thể người cứng nhất, nhưng vẫn mềm hơn thạch anh. Vì thế cát lẫn trong thức ăn có thể làm mòn men răng theo thời gian, như các nhà khảo cổ ghi nhận trên răng người cổ.
Đá cứng có nghĩa là bền màu không?
Không. Độ cứng chỉ nói về khả năng chống trầy. Màu sắc có bền hay không phụ thuộc vào nguyên nhân gây màu và độ ổn định của nó với ánh sáng, nhiệt. Có những khoáng vật cứng vẫn nhạt màu dưới nắng gắt kéo dài.
Vì sao kính đồng hồ sapphire ít trầy?
Kính sapphire đồng hồ là corundum tổng hợp, độ cứng 9, cao hơn hầu hết các vật thường va chạm hằng ngày, kể cả hạt thạch anh trong bụi và cát. Tuy nhiên corundum vẫn có thể vỡ khi va đập mạnh vào góc cạnh, đúng như nguyên lý cứng khác với dai.
Thang Mohs có ích gì với người không làm địa chất?
Nó giúp hiểu vì sao bề mặt đá bếp, kính điện thoại, trang sức bị trầy theo thời gian, và vì sao không nên để chung các đồ có độ cứng khác nhau trong một túi. Vật cứng hơn sẽ rạch vật mềm hơn mỗi khi cọ xát.