Thủy tinh nhân tạo thay đổi màu khi được chiếu đèn (Bản tin tháng 07/2009)

(Bài viết của Chiara Perenzan và Michael S. Krzemnicki, G&G Spring 2009  – biên tập Đỗ Tường Huy)

Viện ngọc học Thụy Sĩ gần đây đã phân tích một viên oval mài giác đã được bán ở Ấn Độ  như là loại “đá quý ngoài Trái Đất”. Vật nặng 9,57ct này bên ngoài màu vàng nhạt khi nó được lấy ra khỏi giấy gói và xem với đèn ánh sáng nóng (đèn dây tóc) (hình 1, trái). Tuy nhiên khi phơi sáng dưới đèn sợi quang halogen mạnh trong một vài giây, nó đã chuyển qua xám phớt xanh đậm (hình 1, phải).

Ánh sáng ban ngày cũng ảnh hưởng tương tự, nhưng yếu hơn. Phơi sáng dưới ánh sáng cực tím sóng dài dẫn đến kết quả là ít tỏ ra thay đổi màu, dưới tia UV sóng ngắn chỉ quan sát được sự thay đổi màu rất nhẹ. Khi mẫu được nung nóng trong nước đến khoảng 80^oC, sự thay đổi màu nhanh chóng đảo ngược, nhưng với bước trung gian mà khi đó viên đá chuyển qua màu nâu (hình 2).

Chuỗi thay đổi màu đảo ngược giống vậy cũng đã quan sát được mà không cần đốt nóng khi mẫu được giữ trong bóng tối một vài giờ. Trong quang học, sự thay đổi màu đảo ngược như vậy dưới ánh sáng được gọi là hiệu ứng thay đổi màu theo ánh sáng với tỷ lệ đảo ngược là độc lập với nhiệt độ (ví dụ tăng nhiệt độ làm tăng sự đảo ngược). Các thí nghiệm ngọc học tiêu chuẩn đã xác lập các đặc tính sau: chiết suất RI-1,524; tỷ trọng SG-2,395; phản ứng dưới ánh sáng phân cực-đẳng hướng; huỳnh quang UV: sóng dài-lục nhạt, sóng ngắn-vàng phấn. Không ghi nhận được tia phóng xạ với máy đếm hạt Geiger và xem xét dưới kính hiển vi đã cho kết quả không có bao thể nào. Phổ EDXRF thể hiện phần lớn Si và Al, kèm theo là K, Ca và Ti là các thành phần phụ, ngoài ra còn thấy các dấu vết của Pb, Zr, Ag và Br. Dựa trên các đặc điểm ngọc học dữ liệu hóa học và sự thiếu vắng các bao thể, chúng tôi đã xác định vật liệu là loại thủy tinh nhân tạo thay đổi màu theo ánh sáng. Phổ Raman đã thể hiện không có đỉnh đặc biệt, nổi bật đặc trưng của trạng thái vô định hình. Điều thú vị là tia laser màu lục đậm của tia Raman (514nm) đã tạo ra một điểm xám đậm đảo ngược trên viên đá (xem lại lần nữa hình 2), tương tự như màu tạo ra khi phơi sáng dưới đèn sợi quang. Sử dụng phổ kế xách tay trong vùng cực tím-vùng thấy được của SSEF, chúng tôi đã nghiên cứu các đặc điểm đặc trưng hấp thụ đối với mỗi trạng thái màu: vàng, xám hớt xanh và nâu (hình 3).

Với thiết bị này sự hấp thu và phát quang có thể được đo cùng một lúc trong vòng một vài giây trên toàn bộ dải phổ, nó đặc biệt quan trọng đối với các vật liệu nhạy sáng. Các máy đo ảnh phổ thông dụng sẽ chỉ thể hiện một phổ hấp thu hỗn hợp từ 3 trạng thái màu sắc. Phổ của trạng thái màu vàng nhạt đã thể hiện sự hấp thu tăng rất nhẹ về hướng vùng màu xanh. Phổ của trạng thái xám phớt xanh đậm đã lộ ra vùng hấp thu ở khoảng 600nm và 2 dải nhỏ hơn vào khoảng 500 và 650 tách biệt; cửa sổ xuyên thấu ở khoảng 450nm là nguyên nhân màu xám phớt xanh. Cuối cùng, phổ của trạng thái phớt nâu đã không thể hiện sự hấp thu đặc trưng nào ở 600nm nhưng thông thường phổ hấp thu tăng về phía các sóng ngắn hơn, kết quả là màu nâu. Các hiệu ứng như vậy là phổ biến đối với thủy tinh công nghiệp thay đổi màu (ví dụ như kính mát) được phủ hợp chất nhóm halogen như bromide bạc (AgBr). Khi phơi sáng – đặc biệt đối với khoảng bước sóng từ màu xanh đến cực tím sóng dài – xuyên thấu với electron của ion Br+ đến ion Ag+, nó trở thành lớp bạc kim loại hấp thụ ánh sáng. Khi che chắn ánh sáng, thủy tinh từ từ trở về màu nguyên thủy của nó.