Giới thiệu về đá quý tổng hợp (Synthetic Gem)

     Đá tổng hợp là loại đá được tạo ra trong phòng thí nghiệm. Các tính chất vật lý, hóa học và cấu trúc tinh thể của chúng về cơ bản tương tự các sản phẩm trong tự nhiên.

     Từ ​​cuối thế kỷ 19, việc tổng hợp đá quý chỉ thực sự bắt đầu khi lần đầu tiên nhà hóa học người Pháp Gaudin nuôi được tinh thể ruby. Vì đá quý tự nhiên thường đắt tiền và ngày một khan hiếm nên con người đã luôn cố gắng tìm cách tổng hợp chúng. Do đặc tính tương đồng với đá tự nhiên và nguy cơ gây nhầm lẫn cho người tiêu dùng, việc tiếp thị và kinh doanh đá quý tổng hợp phải tuân thủ các quy định về công bố nguồn gốc và mô tả sản phẩm.

     Tại Hoa Kỳ, Ủy ban Thương mại Liên bang yêu cầu bất kỳ vật liệu đá quý nào được sản xuất trong phòng thí nghiệm phải được mô tả một cách rõ ràng, không gây nghi ngờ, nhầm lẫn với tự nhiên. Việc không công khai rõ ràng nguồn gốc của đá quý tổng hợp trong toàn bộ kênh phân phối, từ nhà sản xuất đến tay người tiêu dùng, được coi là hành vi lừa đảo. Ngoài ra, một số tổ chức trong ngành như Hiệp hội Thương mại Đá quý Hoa Kỳ (AGTA), Hiệp hội Đá  Màu Quốc tế (ICA) và Liên đoàn Trang sức Thế giới (CIBJO) đã đưa ra các hướng dẫn cụ thể cho các thành viên của mình

    Trong thập kỷ gần đây, số lượng loại đá quý tổng hợp mới được đưa ra thị trường đã giảm. Điều này có thể cho thấy phạm vi các vật liệu đá quý tổng hợp có tiềm năng thương mại đang dần ổn định, mặc dù sản lượng của những loại đã được phát triển vẫn đáng kể.

     Trong hơn một thế kỷ qua, các nhà khoa học đã phát triển nhiều phương pháp khác nhau để tổng hợp đá quý. Phần lớn các phương pháp này thuộc hai nhóm chính: phương pháp nóng chảy và phương pháp hòa tan.

· Phương pháp nóng chảy: thành phần hóa học của nguyên liệu nóng chảy về cơ bản tương ứng với thành phần của tinh thể được tạo thành.

· Phương pháp hòa tan: Các thành phần cần thiết để hình thành tinh thể được hòa tan trong một dung môi hoặc chất trợ dung. Khi điều kiện nhiệt độ, áp suất hoặc độ bão hòa thay đổi, vật liệu kết tinh và phát triển trên tinh thể mầm.

     Một số phương pháp tổng hợp chính bao gồm:

     NÓNG CHẢY TRONG NGỌN LỬA HOẶC PHƯƠNG PHÁP VERNEUIL (flame- fusion)

     Những loại đá quý tổng hợp đầu tiên đạt được thành công về mặt thương mại được sản xuất bằng phương pháp nóng chảy bằng ngọn lửa, còn gọi là phương pháp Verneuil. Trong phương pháp này, nguyên liệu hóa học ở dạng bột được đưa qua ngọn lửa có nhiệt độ cao để nóng chảy. Các vật liệu nóng chảy rơi xuống một bệ xoay rồi kết tinh và phát triển thành tinh thể tổng hợp. Ngày nay, đây vẫn là một trong những phương pháp có chi phí thấp và được sử dụng phổ biến để sản xuất ruby, sapphire và spinel tổng hợp.

     PHƯƠNG PHÁP KÉO (PHƯƠNG PHÁP CZOCHRALSKI)

     Phương pháp kéo xuất hiện vào đầu thế kỷ XX. Trong phương pháp này, các nguyên liệu được nung chảy trong một buồng nấu kim loại (iridi và platin) và tinh thể tổng hợp phát triển từ một tinh thể mầm được gắn vào thanh kéo và nhúng vào dung thể nuôi, sau đó được kéo từ từ ra khỏi dung thể. Các loại đá quý được tổng hợp bằng phương pháp kéo bao gồm: alexandrite tổng hợp, chrysoberyl tổng hợp, corundum và garnet tổng hợp.

     PHƯƠNG PHÁP DÙNG CHẤT TRỢ DUNG (PHƯƠNG PHÁP FLUX)

     Ngày nay, một số loại đá quý tổng hợp, chẳng hạn như emerald, ruby, sapphire, alexandrite và spinel, có thể được tạo ra thông qua phương pháp flux. Chất trợ dung (flux) là vật liệu có khả năng hòa tan các thành phần cần thiết khi được nung nóng, tương tự như cách nước hòa tan đường. Khi dung dịch nóng chảy nguội dần hoặc đạt đến trạng thái quá bão hòa, các tinh thể bắt đầu hình thành và phát triển. Quá trình nuôi cấy tinh thể bằng phương pháp flux thường đòi hỏi nhiều thời gian, kỹ thuật và chi phí đầu tư đáng kể. Thời gian tăng trưởng có thể kéo dài đến một năm, trong khi thiết bị và điều kiện vận hành tương đối tốn kém. Tuy nhiên, phương pháp này có thể tạo ra những tinh thể chất lượng cao, đặc biệt là emerald tổng hợp có giá trị trong nghiên cứu và chế tác trang sức.

    PHƯƠNG PHÁP NHIỆT DỊCH (PHƯƠNG PHÁP HYDROTHERMAL)

    Tương tự như phương pháp chất trợ dung, phương pháp nuôi cấy nhiệt dịch cũng thường có thời gian nuôi cấy dài và chi phí cao. Nhưng đây là phương pháp duy nhất có thể nuôi cấy thạch anh tổng hợp thành công. Quá trình này đòi hỏi nhiệt độ, áp suất và môi trường mô phỏng giống với các điều kiện hình thành đá quý tự nhiên. Các thành phần hóa học được hòa tan trong dung dịch nước ở nhiệt độ và áp suất cao bên trong nồi áp lực. Khi dung dịch đạt tới trạng thái quá bão hòa sẽ được các dòng đối lưu vận chuyển lên phía trên và kết tủa trên các tinh thể mầm.

     Danh sách dưới đây tập trung vào những loại đá quý tổng hợp thường gặp trên thị trường. Trong quá trình nghiên cứu và phát triển công nghệ, nhiều vật liệu khác cũng từng được tổng hợp thử nghiệm, chẳng hạn như malachite tổng hợp và spinel tổng hợp đổi màu. Tuy nhiên, một số loại ít phổ biến hơn do nguồn vật liệu tự nhiên tương ứng tương đối dồi dào hoặc nhu cầu thương mại hạn chế. Một số loại đá quý tổng hợp thường gặp bao gồm:

     KIM CƯƠNG TỔNG HỢP – KIM CƯƠNG NUÔI CẤY

     Kim cương tổng hợp, còn gọi là kim cương nuôi cấy trong phòng thí nghiệm, có thành phần hóa học và nhiều tính chất vật lý, quang học tương tự kim cương tự nhiên. 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 Có hai phương pháp chính được sử dụng để sản xuất kim cương tổng hợp: Hiện nay có hai phương pháp được sử dụng để tổng hợp kim cương.

     Phương pháp lắng tụ hơi hóa học (CVD) – kim cương được tăng trưởng từ khí có chứa nguyên tử carbon (như là methan) bên trong buồng chân không nhờ phản ứng hóa học giải phóng các nguyên tử carbon kết tủa trên các tấm mầm kim cương.

                     Một số viên kim cương tổng hợp bằng phương pháp lắng tụ hơi hóa học (CVD)

     Phương pháp tổng hợp kim cương áp suất cao, nhiệt độ cao (HPHT) –mô phỏng một số điều kiện áp suất và nhiệt độ cao liên quan đến quá trình hình thành kim cương trong tự nhiên. Carbon được hòa tan trong dung môi kim loại nóng chảy dưới điều kiện áp suất và nhiệt độ thích hợp. Khi đạt được điều kiện tăng trưởng, carbon kết tinh trên tinh thể mầm và phát triển thành kim cương.

    Những viên kim cương tổng hợp nhiều màu sắc được tạo ra bằng phương pháp áp suất cao, nhiệt độ cao (HPHT).

     CORUNDUM TỔNG HỢP (PHỔ BIẾN TRÊN THỊ TRƯỜNG)

     Corundum tổng hợp bao gồm ruby tổng hợp và sapphire tổng hợp. Các vật liệu này có thể được sản xuất bằng nhiều phương pháp khác nhau, vì vậy giá thành rất đa dạng, từ những sản phẩm phổ thông có giá tương đối thấp đến các tinh thể chất lượng cao có giá trị cao hơn.

Corundum tổng hợp có thể được tạo ra bằng nhiều phương pháp và có nhiều màu sắc khác nhau.

     Ruby – Vào cuối thế kỷ XIX, ruby trở thành một trong những loại đá quý đầu tiên được tổng hợp thành công trong phòng thí nghiệm. Năm 1902, Auguste Verneuil công bố quy trình tổng hợp ruby bằng phương pháp nóng chảy trong ngọn lửa, đánh dấu một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực sản xuất đá quý tổng hợp. Ruby tổng hợp hiện được sản xuất bằng nhiều phương pháp, trong đó có phương pháp Verneuil và phương pháp flux. Đặc điểm tinh thể, các bao thể và những dấu hiệu tăng trưởng có thể khác nhau tùy theo phương pháp sản xuất.

Ruby tổng hợp được sản xuất bằng phương pháp flux (các tinh thể và viên đá đã mài giác ở bên trái) và phương pháp nóng chảy trong ngọn lửa (khối ruby tổng hợp và viên đá đã chế tác ở bên phải).

     Sapphire – một số ví dụ sớm nhất về sapphire tổng hợp được tìm thấy trong các món đồ trang sức nguyên bản theo phong cách Art Nouveau và Art Deco. Ngày nay, sapphire tổng hợp vẫn được sản xuất rộng rãi bằng phương pháp nóng chảy trong ngọn lửa. Sapphire tổng hợp bằng phương pháp flux đã xuất hiện từ những năm 1960. Sapphire tổng hợp có thể được tạo ra bằng các phương pháp flux, kéo và nhiệt dịch. Tùy theo phương pháp sản xuất, chúng có thể có đặc điểm hình thái, bao thể và cấu trúc tăng trưởng khác nhau, đôi khi rất giống với các đặc điểm quan sát ở sapphire tự nhiên. Sapphire tổng hợp đổi màu, được sản xuất để mô phỏng hiệu ứng đổi màu của alexandrite, đã xuất hiện từ đầu thế kỷ XX. Ngoài ra, một số loại ruby và sapphire tổng hợp được tạo ra với các bao thể định hướng nhằm hình thành hiệu ứng sao (asterism).

Sapphire tổng hợp có hiệu ứng sao (asterism) được cắt mài kiểu cabochon.

     EMERALD TỔNG HỢP (PHỔ BIẾN) VÀ CÁC LOẠI BERYL KHÁC (HIẾM GẶP)

     Beryl tổng hợp có nhiều màu sắc khác nhau, bao gồm vàng, đỏ, xanh dương và lục (emerald). Vào cuối những năm 1980, Nga trở thành một trong những nguồn cung đáng chú ý đối với một số loại đá quý tổng hợp. Các vật liệu được sản xuất bao gồm beryl tổng hợp và corundum tổng hợp bằng phương pháp nhiệt dịch, cùng với những loại đá quý tổng hợp khác như kim cương và alexandrite.           

Một số tinh thể beryl tổng hợp với các màu sắc khác nhau.

     Emerld– vào cuối những năm 1930, các nhà khoa học đã đạt được những thành công quan trọng trong việc tổng hợp emerald màu xanh lục đậm, có chất lượng phù hợp để sản xuất thương mại. Emerald tổng hợp nuôi cấy bằng phương pháp nhiệt dịch được đưa vào ứng dụng trong ngành trang sức từ khoảng năm 1960.  Emerald tổng hợp có thể được sản xuất bằng phương pháp flux hoặc nhiệt dịch. Các sản phẩm tạo ra có thể tương đồng đáng kể với emerald tự nhiên về màu sắc, chiết suất và một số đặc điểm quang học. Việc phân biệt hai loại thường cần dựa vào sự kết hợp giữa quan sát bao thể, đặc điểm tăng trưởng và các phép kiểm tra ngọc học nâng cao.

     THẠCH ANH TỔNG HỢP (ĐƯỢC BÁN RỘNG RÃI)

     Thạch anh chất lượng đá quý, bao gồm thạch anh vàng (citrine), thạch anh hồng, thạch anh khói và thạch anh tím (amethyst), có sức hấp dẫn lớn trong ngành trang sức. Tuy nhiên, thạch anh tự nhiên có chất lượng phù hợp cho chế tác nguồn cũng khá dồi dào. Vì vậy, sự khan hiếm không phải là động lực chính thúc đẩy việc phát triển thạch anh tổng hợp. Lý do quan trọng hơn nằm trong những ứng dụng công nghiệp của thạch anh. Nhờ hiệu ứng áp điện, thạch anh có thể tạo ra điện tích khi chịu tác động cơ học và biến dạng khi chịu tác động của điện trường. Đặc tính dao động ổn định của nó được ứng dụng trong đồng hồ, thiết bị liên lạc, bộ lọc tần số và bộ dao động điện tử. Thạch anh tím và các loại thạch anh tổng hợp khác được ứng dụng trong công nghiệp trước khi trở nên phổ biến hơn trong chế tác trang sức. Các nghiên cứu về nuôi cấy thạch anh nhiệt dịch đã được tiến hành từ cuối thế kỷ XIX. Đến thời kỳ Chiến tranh thế giới thứ hai, thạch anh tổng hợp đã được sản xuất với quy mô lớn hơn để đáp ứng nhu cầu công nghiệp.

 

     SPINEL TỔNG HỢP (PHỔ BIẾN TRÊN THỊ TRƯỜNG)

     Đầu thế kỷ XX, trong quá trình nghiên cứu tổng hợp sapphire xanh dương, các nhà khoa học đã tạo ra spinel xanh dương tổng hợp. Kể từ đó, spinel tổng hợp được sử dụng rộng rãi để mô phỏng nhiều loại đá quý tự nhiên khác nhau. Trong thập niên 1990, một loại spinel tổng hợp mới do Nga sản xuất được giới thiệu trên thị trường với nhiều màu sắc, bao gồm cả màu đỏ. Đây là một điểm đáng chú ý vì một số màu sắc như đỏ không dễ đạt được bằng các phương phấp nóng chảy trong ngọn lửa. Spinel tổng hợp có thể được tạo ra dưới dạng tinh thể thô hoặc được chế tác thành các viên đá mài giác với nhiều màu sắc khác nhau. Nhờ sự đa dạng về màu sắc và khả năng sản xuất tương đối thuận lợi, vật liệu này thường được dùng để mô phỏng nhiều loại đá quý tự nhiên trong ngành trang sức.

Các mẫu spinel tổng hợp dạng tinh thể thô. Sau khi mài giác, spinel tổng hợp có thể có nhiều màu sắc và được sử dụng để mô phỏng các loại đá quý tự nhiên khác nhau

     OPAL TỔNG HỢP (THỈNH THOẢNG GẶP TRÊN THỊ TRƯỜNG)

     Trong những năm 1970, công ty Gilson phát triển một quy trình gồm nhiều giai đoạn để tạo ra opal tổng hợp có hình thức gần giống opal tự nhiên. Trước tiên, các hạt silica hình cầu có kích thước rất nhỏ được tạo ra bằng quá trình kết tủa. Tiếp theo, các hạt này được lắng đọng và tự sắp xếp trong môi trường nước có tính axit trong thời gian dài, có thể hơn một năm. Cuối cùng, vật liệu được xử lý bằng thiết bị ép thủy tĩnh để liên kết các hạt mà vẫn duy trì cấu trúc sắp xếp có trật tự, vốn tạo nên hiệu ứng màu sắc đặc trưng của opal. Opal tổng hợp đôi khi xuất hiện trên thị trường và có thể khiến người không có chuyên môn nhầm lẫn với opal trắng hoặc opal đen tự nhiên có giá trị cao.         

            Các mẫu opal tổng hợp có thể trông tương tự opal tự nhiên, đặc biệt khi quan sát bằng mắt thường.

     ALEXANDRITE TỔNG HỢP (HIẾM GẶP)

     Do nguồn cung alexandrite tự nhiên có hạn, nhiều loại alexandrite tổng hợp đã được phát triển và đưa ra thị trường trong vài thập kỷ qua. Alexandrite được tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm phương pháp Czochralski và phương pháp chất trợ dung. Ngoài ra, corundum tổng hợp đổi màu cũng thường được sử dụng để làm giả alexandrite tự nhiên. Trong một số tường hợp, spinel tổng hợp đổi màu cũng có thể được tìm thấy trên thị trường

   Alexandrite tổng hợp thể hiện hiệu ứng đổi màu dưới hai điều kiện nguồn sáng khác nhau. Các vật liệu mô phỏng alexandrite, chẳng hạn như sapphire hoặc spinel tổng hợp đổi màu, cũng đã xuất hiện trên thị trường và cần được phân biệt một cách minh bạch.

Nguồn: Robert Weldon/ GIA