vi
QUÁ TRÌNH TĂNG TRƯỞNG CỦA KIM CƯƠNG THIÊN NHIÊN
Tinh thể kim cương thiên nhiên được thành tạo hàng triệu năm, thậm chí hàng tỷ năm ở dưới sâu bên trong trái đất tại độ sâu khoảng 160 – 660 km và được mang lên bề mặt thông qua các núi lửa phun nổ. Những núi lửa này thường có dạng ống (pipe) thẳng đứng, thành phần chủ yếu là đá phun trào kimberlite. Người ta khai thác những ống kimberlite này để tìm kiếm kim cương và quặng được làm vỡ cơ học để tách kim cương ra khỏi kimberlite. Hàm lượng kim cương trong kimberlite rất thấp, có thể chỉ 1/1 triệu carat vì vậy phải khai thác một lượng rất lớn quặng mới thu hồi được kim cương.
 |
| Hình 1: Bối cảnh và vị trí thành tạo của kim cương trong lòng đất |
Kim cương thiên nhiên tăng trưởng dưới điều kiện nhiệt độ và áp suất rất cao. Nhiệt độ tăng trưởng của kim cương thiên nhiên cao hơn nhiệt độ được sử dụng để tăng trưởng kim cương tổng hợp. Tại nhiệt độ cao và có thời gian tăng trưởng lâu, kim cương thiên nhiên tăng trưởng tinh thể dạng bát diện (octaheral) nhưng ở nhiệt độ thấp hơn và thời gian tăng trưởng rất ngắn (vài tuần đến hơn một tháng) trong phòng thí nghiệm, kim cương tổng hợp tăng trưởng tinh thể có cả mặt bát diện và mặt lập phương (cubic).
Tinh thể kim cương thiên nhiên tăng trưởng và nằm sâu trong lòng đất một thời gian rất dài trước khi xuất hiện trên mặt đất, chính điều này làm cho tạp chất nitrogen trong kim cương có đủ thời gian để liên kết lại với nhau thành cặp hoặc nhóm, do đó trên 95% kim cương thiên nhiên thuộc loại Ia.
 |
| Hình 2: Tinh thể kim cương thiên nhiên (hình trái) thường có dạng bát diện và bị tròn cạnh do chịu ảnh hưởng của điều kiện môi trường dưới sâu bên trong trái đất. Chúng được mang lên mặt đất từ các núi lửa phun nổ có thành phần kimberlite (hình giữa).Mô hình tinh thể bát diện lý tưởng của kim cương thiên nhiên (hình phải) |
QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP KIM CƯƠNG
Các nhà khoa học đã tổng hợp thành công kim cương lần đầu tiên vào giữa thập niên 1950, những tinh thể kim cương tổng đầu tiên có kích thước nhỏ và chất lượng công nghiệp. Việc sản xuất những tinh thể lớn phục vụ cho thị trường nữ trang được bắt đầu vào giữa thập niên 1990 và tiếp tục cho đến nay với hàng loạt công ty và tập đoàn tham gia vào lĩnh vực này. Tại một số quốc gia kim cương được tổng hợp phục vụ cho cả nhu cầu trang sức và nhu cầu công nghiệp, thậm chí nhu cầu công nghiệp có thể còn quan trọng hơn.
Hiện nay có hai phương pháp được sử dụng để tổng hợp kim cương. Phương pháp truyền thống được gọi là phương pháp áp suất cao, nhiệt độ cao (HPHT-high pressure,high temperature): kim cương được tăng trưởng bên trong một hợp kim nóng chảy gồm sắt (Fe), nickel (Ni) hoặc cobalt (Co). Phương pháp mới hơn được gọi là phương pháp tích tụ hơi hóa học (CVD- chemical vapor deposition): kim cương được tăng trưởng từ khí có chứa nguyên tử carbon (như là methan) bên trong buồng chân không
Cả hai phương pháp này đều cần đến mầm mà có thể là một tinh thể kim cương hoặc một vật liệu dạng tấm mỏng để bắt đầu quá trình tổng hợp.
Quá trình tổng hợp HPHT
Quá trình tăng trưởng kim cương tổng hợp HPHT diễn ra trong buồng kín (capsule) được đặt bên trong một thiết bị có khả năng tạo ra được nguồn nhiệt (~1300 -16000C) và áp suất (~5-6 GPa) rất cao. Bên trong buồng kín, bột kim cương (nguyên liệu tổng hợp) hòa tan trong hợp kim nóng chảy (metal alloy flux), sau đó kết tinh trên mầm để hình thành tinh thể kim cương tổng hợp. Quá trình kết tinh này chỉ có thể diễn ra trong vài tuần đến hơn một tháng và tạo ra được một hoặc một vài tinh thể kim cương tổng hợp.
Tinh thể kim cương tổng hợp HPHT có thêm những mặt lập phương ngoài những mặt bát diện. Bởi vì dạng tinh thể của kim cương thiên nhiên và kim cương HPHT khác nhau nên cấu trúc tăng trưởng bên trong của chúng cũng khác nhau, đây chính là một trong những dấu hiệu đáng tin cậy nhất để phân biệt chúng với nhau.
 |
| Hình 3: Trong quá trình tổng hợp HPHT, một thiết bị được sử dụng để tạo ra môi trường áp suất và nhiệt độ cực cao cho buồng tăng trưởng (hình trái). Tinh thể kim cương HPHT có cả mặt lập phương-màu xanh và mặt bát diện-màu vàng (hình giữa và phải). |
Hầu hết tinh thể kim cương HPHT có màu vàng, vàng cam, vàng phớt nâu và chủ yếu thuộc loại Ib – loại này hiếm trong kim cương thiên nhiên.
Trước dây, để tạo ra kim cương tổng hợp HPHT không màu (colorless) là một thách thức rất lớn, bởi vì muốn tạo ra được kim cương HPHT không màu phải giải quyết được 2 vấn đề chính sau: thứ nhất là ngăn cản sự xâm nhập của tạp chất nitrogen vào cấu trúc mạngtinh thể trong quá trình tăng trưởng, thứ hai là tốc độ tăng trưởng của kim cương tổng hợp HPHT không màu (loại IIa hoặc loại IIb yếu-ít boron) chậm hơn kim cương tổng hợp HPHT loại Ib, do đó cần phải có thời gian tăng trưởng lâu hơn và điều kiện nhiệt độ, áp suất được kiểm soát tốt hơn. Gần đây với sự phát triển của khoa học và nỗ lực nghiên cứu, các nhà khoa học đã điều chỉnh thành công điều kiện tăng trưởng và thiết bị phù hợp để tạo ra được những tinh thể đủ lớn để mài được viên đá với trọng lượng trên 10 carat
Bằng cách thêm tạp chất boron (B) vào trong quá trình tăng trưởng sẽ tạo ra được những tinh thể kim cương tổng hợp HPHT màu xanh dương. Những màu khác như là hồng và đỏ được tạo ra bằng cách xử lý chiếu xạ và ủ nhiệt sau khi tăng trưởng, loại này hiếm gặp trên thị trường.
Quá trình tổng hợp CVD
Quá trình tăng trưởng kim cương tổng hợp CVD diễn ra bên trong buồng chân không (nhiệt độ ~ 700-10000C và áp suất ~ 1/20-1/4 atmosph) được bơm đầy khí có chứa carbon, như là methan. Một nguồn năng lượng (chùm microwve) được sử dụng để bẻ gãy liên kết giữa các phân tử khí và nguyên tử carbon rớt xuống dưới tấm mầm. Quá trình kết tinh này diễn ra trong khoảng vài tuần để tạo ra nhiều tinh thể cùng lúc, số lượng tinh thể phụ thuộc vào kích thước buồng tăng trưởng và số lượng mầm. Tinh thể sau khi tăng trưởng có dạng tấm với xung quanh viền là graphite đen.
 |
| Hình 4: Trong quá trình tổng hợp CVD, kim cương tăng trưởng thành từng lớp mỏng chồng lên nhau, độ dày tinh thể sau khi tăng trưởng phụ thuộc vào thời gian tăng trưởng (hình trái). Với phương pháp này, tinh thể có dạng tấm phẳng (hình giữa và phải) với xung quanh viền là graphite đen. |
Hầu hết tinh thể kim cương CVD có màu nâu nhạt hoặc xám nhạt, nhưng nếu thêm một lượng nhỏ tạp chất nitrogen hoặc boron vào trong buồng tăng trưởng thì sẽ tạo ra màuvàng, cam, hồng hoặc xanh dương. Trái ngược với phương pháp HPHT, tinh thể không màu được tạo ra dễ dàng hơn với phương pháp này nhưng phải cần thời gian tăng trưởng rất lâu. Hầu hết kim cương CVD không màu xuất hiện trên thị trường đều đã trải qua quá trình xử lý nhiệt để loại bỏ màu nâu. Kim cương tổng hợp CVD chủ yếu thuộc loại IIa.
Cũng giống như quá trình tổng hợp HPHT, quá trình tổng hợp CVD đang tiếp tục được cải thiện và cho phép các nhà sản xuất tạo ra được những tinh thể lớn với độ tinh khiết và cấp độ màu ngày càng cao.
Nguồn: GIA Diamond & Diamond Grading Course và Gem & Gemology Journal