CÁCH PHÁT HIỆN KIỂU XỬ LÝ MÀU Ở TOPAZ

(Tác giả Harald Gabash, Frederik Khauser, Erminald Bertel và Thomas Rauch)

Topaz xử lý bề mặt đã có thể thay thế topaz tạo màu do bức xạ. Không như bức xạ là tạo màu trên cả viên đá, sự tạo màu bằng biến đổi hóa học chỉ giới hạn ở vùng gần bề mặt. Kỹ thuật xử lý đã được xây dựng tốt, nhưng ít được biết làm cách nào để tạo ra được màu mong muốn. Trong nghiên cứu này, phổ học XPS (tách điện tử bằng tia X) kết hợp với mặt cắt độ sâu bắn tia đã chứng minh thành công việc đặc trưng hóa hai cơ chế tạo màu khác nhau cơ bản của topaz xử lý hóa học: phủ màu và tạo màu khuếch tán ở topaz.

Topaz [Al₂SiO₄(F,OH)₂] hiện diện ở dạng khoáng vật phụ trong một số đá granit và đá biến đổi nhiệt dịch cộng sinh, cũng như trong đá pegmatit, rhyolit và những đá chứa nhôm khác. Tuy nhiên topaz khai thác được thì thường không màu, do đó chúng cần được tạo màu để dùng trong nữ trang.

Một phương pháp phổ biến được dùng để tạo màu bên trong topaz là bức xạ đá và rồi nung luyện nhiệt độ thấp. Rất tiếc, phương pháp này có thể tạo ra tính phóng xạ vì vậy cần phải cất giữ an toàn các đá (có khi  hơn 1 năm) cho đến khi tính phóng xạ của chúng phân rã xuống thấp hơn giới hạn cho phép. Tuy nhiên, những rủi ro tiềm tàng do các đá topaz xử lý màu còn tính phóng xạ có thể thâm nhập thị trường gây ra mà không ai biết được.  

Để giải quyết những quan tâm này, hai phương pháp cải thiện màu không có bức xạ đã phát triển thành công. Một là phủ màu, thứ hai là tạo màu khuếch tán một lớp gần bề mặt đá chủ. 

Xử lý phủ màu topaz. Độ vững bền nhiệt và hóa học của lớp phủ phụ thuộc vào thành phần của nó và độc lập với đá nền. Lớp phủ còn đóng vai trò là lớp bảo vệ. Tuy nhiên, cũng giống như tất cả các đá bị phủ khác, sự khác biệt về các đặc điểm vật lý giữa đá gốc và lớp phủ là nguyên nhân của những hạn chế chính. Sự khác biệt trong hệ số giãn nở nhiệt có thể gây ra những biến dạng nghiêm trọng ở mặt tiếp xúc khi đá quý chịu đựng thay đổi nhiệt độ nhanh, vì vậy lớp phủ có thể bị bong ra. Ngoài ra, sự thay đổi lớn về chiết suất giữa lớp phủ và đá quý tạo nên những hiệu ứng giao thoa theo góc trong ánh sáng thấy được (400-700 nm), làm cho đá có dáng vẻ nhân tạo (hình 10 trái).

Xử lý khuếch tán topaz. Màu xử lý thì bền hơn nhiều (hình 10, giữa và phải). Mặc dù vùng bề mặt bị thay đổi do các ion xâm nhập, các đặc điểm liên quan có vẻ gần giống với topaz tự nhiên hơn. Biến dạng do nhiệt hoặc các hiệu ứng giao thoa không còn nữa. Đá quý không thể bị bong ra và có vẻ tự nhiên hơn đối với mắt thường.

Cơ sở khoa học. Tạo màu ở một số đá quý có thể thực hiện được mà không cần bức xạ bằng cách đưa các ion kim loại chuyển tiếp vào bên trong mạng tinh thể. Màu tạo ra (hình 10) không chỉ phụ thuộc nguyên tố đưa vào, mà còn phụ thuộc rất nhiều vào hóa trị của nguyên tố ấy và sự đối xứng của các nguyên tử đá chủ nằm kề bên, cũng như thành phần hóa học của đá topaz.

Như đề cập bên trên, có hai khả năng giúp tạo màu đá quý bằng các kim loại chuyển tiếp. Trong phương pháp phủ màu (hình 11, trái), một màn mỏng tích tụ trên bề mặt đá quý và có một mặt tiếp xúc rõ ràng, dày chỉ vài nano mét, nhỏ hơn nhiều so với bước sóng của ánh sáng thấy được. Hiệu ứng màu ở đá xử lý tạo ra từ chính lớp phủ và phụ thuộc thành phần lớp phủ, không liên quan với thành phần đá gốc.

Trong phương pháp khuếch tán (hình 11, phải), chất tạo màu đi xuyên qua bề mặt đá. Điều này có thể đạt được khi bao vật liệu xử lý xung quanh viên đá và kế đó là xử lý nhiệt. Kết quả là các thành phần khác nhau thâm nhập vào các lớp nguyên tử sâu hơn và thành phần nguyên tố của bề mặt thay đổi. Phương pháp khuếch tán làm mở rộng đáng kể vùng tiếp xúc. Nhưng thực tế là do phụ thuộc vào nhiều thông số quá trình, nên có thể khó xác định vùng tiếp xúc. Thay vào đó, có sự biến đổi hàm lượng phức tạp và dao động xảy ra từ bề mặt cho đến bên trong đá quý. Vật liệu đặt trên bề mặt topaz (đó là coban, crôm hay đồng) tự nó không tạo ra màu cuối cùng; mà chúng lại tương tác với các thành phần hóa học của đá chủ để tạo ra màu mong muốn.

Phương pháp giám định. Để có thể phân biệt hai phương pháp xử lý trên đá quý trên chúng tôi dùng XPS (Phổ học tách điện tử bằng tia X) để nghiên cứu 3 viên topaz cắt giác công chúa, mỗi viên nặng 0,42 ct: viên màu hồng, viên màu xanh nhạt và viên màu lục nhạt (hình 10). Cả 3 viên lúc đầu là topaz không màu và được chọn làm đại diện nhóm sản phẩm của công ty D.Swarovski & Co.

Màu xử lý của viên topaz hồng là do trộn vàng trong SiO₂. Màu của viên màu xanh là do đặt topaz không màu trong môi trường chứa coban (bột oxid coban) và sau đó là nung luyện cỡ 1000^oC trong 3 giờ (Pollack, 1997). Cũng phương pháp này áp dụng cho viên màu lục với phụ gia là crôm.

XPS cho một phân tích định lượng và chi tiết về thành phần nguyên tố ở ngay trên và bên dưới  bề mặt đá quý. Khi kết hợp với sự ăn mòn ion argon, độ nhạy bề mặt của XPS có thể tạo ra các mặt cắt hàm lượng (còn gọi là mặt cắt độ sâu) với mức phân giải độ sâu cao. XPS không chỉ phát hiện hàm lượng các nguyên tố mà nó còn cho thấy sự thay đổi trạng thái hóa trị (nghĩa là tình trạng oxi hóa ứng với độ sâu).

Topaz phủ màu hồng. Phát hiện SiO₂ ở suốt vùng bề mặt. Ở độ sâu khoảng 200 nm, vàng nổi bật lên nhưng rồi nó biến mất sau chu kỳ bắn phá kế tiếp (280 nm). Ở độ sâu khoảng 350 nm, thành phần thay đổi lạ lùng: Tính hiệu Si giảm  xuống, Al trở thành chủ yếu, và fluorit từ 0 tăng lên 12 at.% (% nguyên tử).

Từ độ sâu 400 nm trở lên, thành phần vẫn giữ nguyên – giống với topaz không màu. Trong phạm vi độ chính xác thí nghiệm, chúng tôi có thể cho rằng không có sự khuếch tán qua lại nào xảy ra giữa lớp SiO₂ chứa vàng (hiện diện ở độ sâu khoảng 200 nm) và đá topaz (thành phần của đá topaz bắt đầu xuất hiện ở độ sâu 350 nm). Tín hiệu XPS của vàng không phủ lên bất kỳ thành phần chính nào  (Al, F) và chúng tôi phát hiện không có tín hiệu khuếch tán nào của Al vào trong lớp SiO₂. Mặt tiếp xúc đã xác định ở độ sâu giữa 350 nm và 400 nm.

Topaz khuếch tán màu xanh nhạt.

Xem hình 13, không giống lớp phủ ở viên topaz xử lý hồng, vùng sát bề mặt (0-70 nm) của viên topaz xử lý màu xanh này cho thấy sự làm giàu xen kẻ của Si và Al. Một màn mỏng bền nhất hình thành từ đó, đây là lớp giàu Si. Vì vậy lớp nằm ngay dưới bề mặt thì hơi thiếu Si và lại cho thấy sự giàu lên tương ứng của Al và Co. Trong mẫu này, Co đạt đến hàm lượng cao nhất ở độ sâu 80 nm.

Từ độ sâu cỡ 80 đến 200 nm, lượng Co giảm hẳn, trong khi đó lượng Si và Al đạt gần mức của thành phần chính của topaz. Đối với F (fluo), vùng sát bề mặt nó không hiện diện vì bị bay hơi do nhiệt, vào sâu hơn thì hàm lượng tăng lên dần cho đến khi bằng giá trị ở đá gốc.  Vì vậy, có thể dùng F làm nguyên tố vết chỉ thị thành phần chính đá topaz.  

Từ những khảo sát này, chúng tôi kết luận là khuếch tán coban vào trong topaz là điều kiện cần thiết để tạo màu xanh mong muốn và chỉ có vùng tiếp xúc chứ không có bất kỳ mặt tiếp xúc nào.

Topaz khuếch tán màu lục nhạt. Viên đá này được xử lý cùng phương pháp với viên topaz khuếch tán màu xanh. Khác duy nhất là chất khuếch tán tạo màu lục ngoài coban còn có thêm crôm. Mức độ thâm nhập vào trong đá của 2 nguyên tố này có vẻ không sâu bằng coban ở viên màu xanh. Chúng đạt mức tối đa ở độ sâu khoảng 30 nm, sau đó giảm nhanh và đến khoảng 120 nm thì gần như có rất ít. Lớp có màu lục chỉ dày khoảng 100 nm.

Hành vi của các nguyên tố chính tạo đá topaz là Al, Si và F gần tương tự như viên màu xanh. Ở mức sâu 200 nm thì chúng gần như trở lại giá trị đá topaz gốc (xem hình 14).