Kim cương (Diamond) – Tổng quan về kim cương A-Z

Kim cương (Diamond) lần đầu tiên được tìm thấy ở Ấn Độ hơn 4000 năm trước đây. Đó là những viên đá có vẻ đẹp óng ánh kỳ diệu trộn lẫn trong cát và sỏi ẩn dưới lớp phù sa ở lòng sông. Bao thế kỷ qua, nó được xem như chứa những quyền năng thiêng liêng vô biên vì niềm tin tôn giáo mà người ta quý trọng và thờ phụng nó. Kim cương là đá quý của những người sinh vào tháng 4. Cùng chúng tôi tìm hiểu thêm những thông tin liên quan đến kim cương qua bài viết dưới đây bạn nhé!

 Khái quát chung về kim cương

Thành phần hoá học và cấu trúc tinh thể

Thành phần hoá học

Trong tất cả các loại đá quý, kim cương là loại khoáng vật có thành phần hoá học đơn giản nhất, nó được cấu tạo duy nhất bởi nguyên tố cacbon. Kim cương và graphit là hai biến thể của cacbon nhưng lại hoàn toàn khác nhau về cấu trúc tinh thể và các tính chất khác.

Trong tinh thể kim cương C tồn tại dưới hai dạng đồng vị 12C và 13C (được nghiên cứu và phát hiện đầu tiên vào năm 1953). Trong tinh thể kim cương không phụ thuộc vào các dạng hình thái của nó, thành phần của hai đồng vị tương đối gần nhau. Tỷ lệ 12C/13C biến thiên trong một khoảng hẹp từ 89,24 đến 89,78.

Ở điều kiện nhiệt độ cao và áp suất lớn nguyên tử C ở trạng thái sp3 và tạo ra 4 mối liên kết với 4 nguyên tử C khác bằng mối liên kết đồng hoá trị, góc giữa chúng là 109,280. Trong tinh thể kim cương C chiếm tỉ lệ vào khoảng 96 – 99,8%, ngoài ra còn có mặt 25 nguyên tố tạp chất với một lượng rất nhỏ: H, B, N, O, Na, Mg, Al, P, Ca, Sc, Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Cu,  Sr, Ba, Zn, La, Lu, Pt, Au, Ag và Pb.

– Ni tơ là nguyên tố tạp chất chủ yếu trong kim cương, nó có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất (màu sắc, khả năng phát quang, màu sắc phát quang dưới tia cực tím…) và cấu trúc tinh thể kim cương. Sự phân loại kim cương cũng dựa vào sự có mặt và hàm lượng của N.

– Trong kim cương các nguyên tố tạp chất có mặt thường xuyên (cố định) là: Si, Al, Ca, Mg và Mn. Các nguyên tố thường phát hiện được là: Na, Ba, Cu, Fe, B,  Cr và Ti. Trong loại kim cương có vỏ bọc thường xuyên có mặt Fe và Ti (cùng với nhau), trong khi ở các dạng thông thường khác  Fe được nhận diện không thường xuyên còn Ti lại càng hiếm khi gặp. Các nguyên tố tạp chất còn lại như: Sr, Co, Zr, P, Sc, La, Lu, Pt, Ag, Au và Pb được phát hiện trong một số trường hợp.

Cấu trúc tinh thể

Cấu trúc tinh thể

Kim cương được kết tinh theo tính hệ lập phương, chủ yếu là bát diện cũng có thể là 12 mặt thoi. Mỗi nguyên tử C liên kết với 4 nguyên tử C liền kề nằm ở vị trí đỉnh của tứ diện đều. Khoảng cách giữa các nguyên tử liền kề là 0,154 nm. Kích thước không đổi của mạng tinh thể là 0,356 nm.

Trong tất cả các đơn chất, kim cương có tối đa số lượng nguyên tử C nằm trong một đơn vị thể tích, tức là các nguyên tử C được sắp xếp một cách rất chặt xít. Từ 18 nguyên tử C, 8 nguyên tử được sắp xếp ở đỉnh của khối lập phương, 6 ở tâm các mặt của khối lập phương và 4 ở tâm của 4 trong 8 khối lập phương nhỏ.

Các dạng tinh thể thường gặp

Kim cương có thể tồn tại dưới dạng đơn tinh hay đa tinh. Tinh thể kim cương có hình dạng bát diện (khối tám mặt), khối 12 mặt và khối lập phương và các tinh thể có dạng phối hợp, các tinh thể có các cạnh lồi…

Các kết quả nghiên cứu đã cho thấy có sự khác biệt giữa các dạng tinh thể kim cương về hình dạng, cấu tạo bên trong… và tổ hợp các tính chất. Trong quá trình kết tinh các tinh thể có các mặt phẳng được tạo ra. Hình dáng nguyên thuỷ cũng như nhiều tính chất có khả năng bị biến đổi do quá trình hoà tan, ăn mòn, hình thành các đốm màu, biến dạng dẻo… và như vậy tạo ra các dạng khác nhau của tinh thể kim cương. Chúng không giống nhau về cấu tạo bên trong cũng như về hình dạng phát triển và các đặc điểm hình thái.

Phân loại kim cương

Kim cương được chia thành hai loại chính loại I và loại II dựa trên thành phần của các nguyên tố ngoại lai có mặt trong cấu trúc tinh thể.

– Loại I: Chứa một tỷ lệ nhỏ N. Tinh thể có hình dạng 8 mặt rõ ràng (octahedral). Loại kim cương này thường không màu và được xếp hạng cao trong thang màu. Người ta chia ra loại Ia và loại Ib. Hầu như tất cả kim cương thiên nhiên thuộc loại Ia, hầu như tất cả kim cương nhân tạo thuộc loại Ib.

– Loại II: Hầu như không chứa N (tỷ lệ N nhỏ hơn 0,001%). Màu sắc của nó thường là màu nâu nhạt tới nâu, rất hiếm khi không màu, trong trường hợp đặc biệt có màu xanh (khi có mặt B, đóng vai trò nguyên tố vết). Loại II được chia thành loại IIa và loại IIb. Loại IIa: lượng N trong nó không thấy rõ. Loại IIb có chứa B và có tính bán dẫn. Tất cả kim cương có màu xanh da trời đều thuộc loại IIb.

– Loại III (Ionsdaleite): kim cương được tìm thấy trong các thiên thạch với cấu trúc sáu phương thay vì khối lập phương, kim cương nhân tạo.

Các tính chất vật lý và quang học

Tính chất vật lý

– Độ cứng: Kim cương là khoáng vật cứng nhất trong tất cả các khoáng vật của tự nhiên (10 theo thang Mohs).

– Cát khai: Kim cương thể hiện sự khát khai hoàn toàn theo mặt [111].

– Vết vỡ phẳng, xếp lớp, vỏ sò.

– Tỷ trọng: Tỷ trọng của tinh thể kim cương tinh khiết có cấu trúc tinh thể hoàn hảo hầu như không đổi và gần bằng 3,5 g/cm3 ± 0,01 – 0,02 g/cm3. Thực tế tỷ trọng của kim cương thiên nhiên biến thiên từ 3,1 – 3,6 g/cm3. Tỷ trọng của kim cương biến thiên không phải chỉ đối với loại đa tinh thể mà còn đối với cả loại đơn tinh thể có độ tinh khiết cao và còn liên quan đến màu sắc.

• Không màu:          3,500
• Xanh lá cây:          3,523
• Xanh da trời:         3,525
• Màu hồng:             3,531
• Màu da cam:         3,550

– Tính chất hoá học: Kim cương là một khoáng vật bền vững. ở nhiệt độ bình thường kim cương hoàn toàn trơ đối với a xít và kiềm, ngay cả những a xít mạnh nhất cũng không tác dụng đối với nó. Thậm chí HF hoặc nước cường toan (HNO3 và HCl) không tác dụng lên kim cương. Tuy nhiên ở điều kiện nhiệt độ cao và trong môi trường khác, kim cương lại thể hiện tính hoạt động hoá học:

Các tính chất khác

+ Tính dẫn nhiệt: Kim cương thể hiện tính dẫn nhiệt cao. Ở trong các điều kiện nhiệt độ khác nhau, kim cương thể hiện tính dẫn nhiệt khác nhau.

Các tinh thể có khuyết tật có thể bị nổ khi nung nóng. Nhưng tinh thể kim cương hoàn hảo có thể nung đến nhiệt độ 1800 – 18500C và hạ nhiệt nhanh mà không bị phát huỷ.

+ Tính dẫn điện: Trong thực tế ở điều kiện nhiệt độ bình thường kim cương là một chất cách điện, nhưng nó cũng có thể được nhìn nhận là một chất bán dẫn trong vùng cấm rộng DE = 5,7 ev. Các tạp chất làm giảm giá trị điện trở riêng.

Tính chất quang học

– Chiết suất, tán sắc, ánh: Kim cương kết tinh theo hệ lập phương, đơn chiết. Chỉ số khúc xạ trung bình của kim cương (trong ánh sáng vàng natri): 2,4175  ± 0,0003. Khi lượng bao thể trong kim cương tăng lên, chỉ số khúc xạ cũng tăng lên đến giá trị cao nhất là 2,421. Đối với kim cương có màu phớt vàng chỉ số khúc xạ có thể biến thiên trong khoảng 2,419 – 2,421 và thông thường là 2,417.

Đối với các tia màu sắc khác nhau, chỉ số khúc xạ của kim cương cũng khác nhau:

+ Đối với tia màu đỏ :                2,402

+ Đối với tia màu vàng :             2,417

+ Đối với tia màu xanh lá cây :    2,427

+ Đối với tia màu tím :                2,465

Như vậy chỉ số khúc xạ của kim cương thay đổi rất lớn phụ thuộc vào độ dài bước sóng. Độ tán sắc của kim cương rất lớn bằng 0,065 (chiết xuất của tia đỏ 687,6 nm = 2,4077, chiết xuất của tia tím 430,8 nm = 2,4512), nB – nG = 0,044. Hiệu ứng này trong kim cương tạo ra sắc óng ánh cho viên đá và được gọi là “ánh lửa”.

– Hiện tượng giải dị hướng ở kim cương: Tinh thể kim cương thuộc hệ lập phương, như vậy phải thể hiện đẳng hướng về mặt quang học, tuy nhiên ở nó người ta thường quan sát thấy hiện tượng giả dị hướng. Hiện tượng giả dị hướng được tạo ra bởi ứng suất bên trong do nhiều nguyên nhân. Hiện tượng giả dị hướng có những dạng sau: dạng sao, dạng dải, dạng lưới…

– Phổ hấp thụ: Phổ hấp thụ của hầu hết kim cương có thể chia ra thành hai nhóm chính:

+ Nhóm I: Là nhóm màu của nó từ không màu tới màu vàng, phát quang có màu xanh da trời. Đối với nhóm này vạch hấp thụ rõ nét nhất ở vị trí 4155 l trong vùng màu tím của dải phổ. Vạch này rõ nét đối với những màu đậm nhưng hầu như có mặt thậm chí ở kim cương không màu. Các vạch phổ khác đi cùng với nó là: 4785, 4650, 4520, 4350 và 4230. Tất cả các vạch này đều năm ở vùng màu tím. Trong tất cả các vạch này thực tế có thể nhìn thấy là vạch 4785.

+ Nhóm II: bao gồm kim cương có màu nâu, màu vàng phớt xanh hoặc màu xanh và những loại thể hiện màu xanh rực rỡ dưới tia cực tím. Kim cương trong nhóm này quan sát thạy vạch rõ và hẹp ở vị trí 5040 A0 ở vùng màu xanh của dải phổ. Các vạch yếu khác là: 5370 A0 và 4980 A0 có thể có mặt.

Cũng có loại kim cương không màu, màu vàng sáng và màu vàng nâu có phát quang màu vàng rực rỡ dưới tia cực tím. Ở những chủng loại này không quan sát được những dải hấp thụ riêng biệt ngoài một vạch yếu ở 4155 A0. Kim cương màu xanh (loại IIb) không qua sát thấy phổ hấp thụ.

– Tính phát quang: Màu sắc phát quang của kim cương rất khác nhau và phụ thuộc vào phương pháp kích thích. Như một số tinh thể kim cương phát quang màu xanh da trời, một số khác phát màu vàng hay màu xanh lá cây.

– Màu sắc: Kim cương có đủ các loại màu. Kim cương hoàn toàn không màu rất hiếm, chủ yếu từ không màu tới có sắc màu vàng nhạt hoặc nâu nhạt. Bên cạnh loại không màu như trên cũng gặp những tinh thể có màu nhạt nhưng thể hiện rõ ràng cũng như các màu đậm: vàng, xanh lá cây, nâu, hồng, tím phớt hồng, xanh cửu long, trắng sữa, xám và cả màu đen.

+ Kim cương màu vàng bao gồm loại có pha chút sắc vàng đến loại có màu vàng và vàng rơm tương đối phổ biến hơn so với các loại kim cương có màu khác.

+ Kim cương màu xanh lá cây.

+ Kim cương màu xanh da trời: trong thiên nhiên loại kim cương có màu xanh cửu long hoặc màu xanh da trời rất hiếm, nó thuộc loại IIb tức là loại không chứa N. Tất cả các dạng này thể hiện tính dẫn điện (chất bán dẫn), phát lân quang sau khi chiếu tia cực tím. Người ta cho rằng kim cương loại này chứa B.

+ Kim cương màu hồng hoa huệ và màu nâu ám khói liên quan với các sai hỏng tại các mặt trượt do biến dạng dẻo sau kết tinh. Các sai lệch xuất hiện ở các mặt trượt gây nên sự hấp thụ ánh sáng và tạo nên màu.

+ Kim cương màu trắng sữa, màu xám và màu đen: các vân đục do các sai lệch rất nhỏ trong cấu trúc tinh thể, màu xám và màu đen phụ thuộc vào số lượng các bao thể màu đen.

Việc phân cấp màu sắc kim cương nhóm “không màu” được tiến hành theo các quy định chặt chẽ (sẽ được giới thiệu trong phần phân cấp chất lượng và định giá).

Nguồn gốc và phân bố kim cương

Các nhận biết kim cương

Những dấu hiệu nhận biết kim cương bằng mắt thường

– Ánh: đặc điểm đặc trưng của kim cương là có ánh kim cương, được tạo bởi độ cứng có một không hai của nó, hệ số khúc xạ cao, độ tán sắc lớn và bàn tay điêu luyện của người thợ mài.

– Độ cứng là 10 theo thang Mohs tạo cho sản phẩm kim cương sau khi chế tác một bề mặt rất phẳng và bóng với những cạnh giữa các mặt thẳng và sắc nét.

– Kim cương được chế tác hoàn hảo, trên thực tế tất cả ánh sáng vào viên kim cương qua mặt trên của viên đá được phản xạ toàn phần bởi những mặt facet đáy, không có phần ánh sáng nào qua viên kim cương được. Như vậy khi quan sát viên kim cương từ dưới lên ta chỉ nhìn thấy một chấm sáng rất nhỏ ngoài ra không nhìn thấy gì khác mặc dù viên kim cương là trong suốt.

– Chiết xuất, độ tán sắc của kim cương lớn hơn hẳn các loại đá khác (ngoại trừ fabulit 0,190 và rutin nhân tạo có độ tán sắc cao hơn, nhưng rutin lại có khúc xạ kép và fabulit có độ cứng thấp hơn nhiều).

– Phần sót của các mặt tự nhiên ở phần thắt lưng. Ngoài các tam giác mọc trên rìa còn thấy phần rìa rất thô sơ với các loại đá khác.

– Ái lực cao với dầu mỡ: nếu mặt viên kim cương đã chế tác bị sờ tay vào sẽ có một lớp váng dầu mỏng ở bề mặt.

Xác định kim cương bằng các thiết bị

– Chiết suất: +  Trong các đá tự nhiên chỉ có zircon (n = 1,926 – 1,985), demantoid (n = 1,89) và sfen (n = 1,9 – 2,03) có chiết xuất gần giống kim cương. Trong đó chỉ có zircon là không màu và chỉ có demantoid là đẳng hướng. Zircon và sfen quan sát dưới kíp lúp sẽ thấy các cạnh đáy bị nhân đôi, còn demantoid sẽ thấy bao thể “đuôi ngựa” đặc trưng.

– Trong số các đá nhân tạo có rutin (n = 2,62 – 2,90) và titanat stronxi (fabulit n = 2,41) có chiết suất gần giống với kim cương và fabulit lại là đẳng hướng. Rutin có thể nhận thấy ngay bởi hiện tượng khúc xạ kép rất rõ, nó có ánh rất mạnh (gần như opan lửa) có sắc vàng rất rõ. Fabulit có ánh lửa hơn hẳn kim cương, nhưng fabulit lại có độ cứng rất thấp.

– Đối với các loại đá nhân tạo không màu như saphia và spinen có thể phân biệt bằng chiết suất hoặc nhúng vào iodua metylen.

– Tính phát quang: Ngoại trừ dùng tia X có thể phân biệt được kim cương, còn tính phát quang nói chung của kim cương không phải là tính chất giám định vì kim cương phát quang rất khác nhau. Tuy nhiên đây cũng là tính chất có tác dụng hỗ trợ.

– Phổ hấp thụ: Hầu hết kim cương đều có dải hấp thụ ở vùng tím sẫm (415 nm). Tốt nhất là dùng lọc mầu lam, nhìn song song với mặt phẳng thắt lưng. Khi thấy vạch hấp thụ này thì chắc chắn đó là kim cương. Trong loại kim cương “cape” ngoài vạch này còn nhìn thấy vạch ở vùng xanh tím 478 nm.

– Các đặc điểm bên trong: Các bao thể trong kim cương khá đặc trưng có thể quan sát dưới kính hiển vi hay kính lúp: các đường song tinh, đường sinh trưởng, vết cát khai và những bao thể của các khoáng vật khác như: manhetit, graphit, spinen, pirop, dipxit và enstatit, kim cương …

– Hiện tưởng giả dị hướng: Cũng là dấu hiệu khá đặc trưng của kim cương. Khi quan sát ở dưới hai nicon vuông góc với nhau ta quan sát thấy các tối luân phiên với các đốm màu.

– Độ cứng: Kim cương cứng hơn hẳn tất cả các loại đá khác do vậy bằng phương pháp thử độ cứng dễ dàng nhận biết kim cương.

– Tỷ trọng: Có thể dùng phương pháp cân tỷ trọng và sử dụng dung dịch tỷ trọng. Ngoài ra vì kim cương được chế tác chuẩn (kiểu briliant) nên giữa khối lượng và kích thước của nó có một tỷ lệ không đổi, như vậy có thể ước lượng được khối lượng của nó từ kích thước đường kính của viên đá. Những vật liệu có khối lượng riêng khác với kim cương sẽ không đúng với tỷ lệ này.

– Độ dẫn nhiệt: Dùng bút thử kim cương, độ dẫn nhiệt của kim cương phụ thuộc vào tỷ lệ N trong kim cương, kích thước của nó và nhiệt độ môi trường bên ngoài. Có một loại đá thay thế kim cương là mosanit cũng có độ dẫn nhiệt cao hơn kim cương và không thể phân biệt bằng phương pháp này.

Dựa vào sức hút bề mặt người ta chế tạo ra bút thử kim cương dùng loại mực đặc biệt, khi vẽ lên kim cương sẽ cho đường liền nét, còn trên các khoáng vật khác sẽ có đường đứt đoạn.

Cách bảo quản kim cương