Hệ tinh thể là cách xếp các khoáng vật theo tính đối xứng của mạng nguyên tử; có bảy hệ: lập phương, bốn phương, sáu phương, ba phương, trực thoi, một nghiêng và ba nghiêng. Kim cương, spinel, garnet thuộc hệ lập phương; ruby, sapphire, thạch anh, tourmaline thuộc hệ ba phương; beryl thuộc hệ sáu phương; topaz và peridot thuộc hệ trực thoi.
Với người mê đá, hệ tinh thể không phải kiến thức suông. Nó quyết định dáng viên đá thô, đá có lưỡng chiết hay không, có đa sắc hay không, có cát khai theo hướng nào, và thợ mài phải xoay khối đá ra sao để lấy được màu đẹp nhất.
Hệ tinh thể được định nghĩa thế nào
Hãy hình dung mạng tinh thể như những viên gạch giống hệt nhau xếp lặp lại theo ba hướng không gian. Mỗi "viên gạch" gọi là ô cơ sở, được mô tả bằng độ dài ba cạnh và ba góc giữa chúng. Bảy hệ tinh thể tương ứng với bảy kiểu ô cơ sở khác nhau về độ đối xứng: từ ô lập phương ba cạnh bằng nhau, ba góc vuông, cho tới ô ba nghiêng ba cạnh khác nhau, ba góc đều không vuông.
Có tài liệu gộp hệ ba phương vào hệ sáu phương thành một "họ sáu phương", nên bạn có thể gặp chữ "sáu hệ tinh thể" ở sách cũ. Đó là khác biệt về cách chia, không phải mâu thuẫn. Trong đá quý học hiện nay, tách ba phương riêng giúp nói rõ hơn về corundum, thạch anh, tourmaline.
Điều quan trọng là: hệ tinh thể thuộc về loài khoáng vật. Mọi viên ruby đều thuộc hệ ba phương, dù to hay nhỏ, thô hay đã mài. Khi mài, dáng ngoài mất đi nhưng mạng bên trong vẫn nguyên, nên các tính chất quang học gắn với hệ vẫn còn đó cho người giám định đo.
Bảy hệ và đá ngọc tiêu biểu
Bảng dưới liệt kê đá ngọc hay gặp theo từng hệ. Cột cuối là kiểu quang học, phần sẽ được giải thích ngay sau bảng.
| Hệ tinh thể | Đặc điểm ô cơ sở | Đá ngọc tiêu biểu | Kiểu quang học |
|---|---|---|---|
| Lập phương | Ba cạnh bằng nhau, ba góc vuông | Kim cương, spinel, garnet, fluorite, pyrite | Đơn chiết |
| Bốn phương | Hai cạnh bằng nhau, ba góc vuông | Zircon, rutile, idocrase | Một trục |
| Sáu phương | Đối xứng bậc sáu quanh một trục | Beryl (emerald, aquamarine), apatite | Một trục |
| Ba phương | Đối xứng bậc ba quanh một trục | Corundum, thạch anh, tourmaline, calcite | Một trục |
| Trực thoi | Ba cạnh khác nhau, ba góc vuông | Topaz, peridot, chrysoberyl, tanzanite, iolite | Hai trục |
| Một nghiêng | Ba cạnh khác nhau, một góc không vuông | Jadeite, spodumene (kunzite), đá mặt trăng, malachite | Hai trục |
| Ba nghiêng | Ba cạnh khác nhau, ba góc không vuông | Ngọc lam, labradorite, amazonite, rhodonite | Hai trục |
Đá đa tinh thể như ngọc hay mã não vẫn có hệ tinh thể ở cấp hạt, nhưng vì hạt xếp lộn xộn, viên đá không thể hiện các tính chất theo hướng như một đơn tinh thể.
Đơn chiết, một trục, hai trục: hệ tinh thể nói gì về ánh sáng
Trong tinh thể hệ lập phương, ánh sáng đi theo hướng nào cũng gặp cùng một mạng đối xứng, nên chỉ có một chiết suất. Đá như vậy gọi là đơn chiết. Kim cương, spinel, garnet thuộc loại này; thuỷ tinh và opal cũng đơn chiết vì không có mạng tinh thể.
Trong sáu hệ còn lại, ánh sáng đi vào bị tách thành hai tia có tốc độ khác nhau, gọi là lưỡng chiết. Ba hệ bốn phương, sáu phương, ba phương có một hướng đặc biệt (trục quang) mà ánh sáng đi dọc theo đó không bị tách; chúng gọi là đá một trục. Ba hệ trực thoi, một nghiêng, ba nghiêng có hai hướng như thế, gọi là đá hai trục.
Hệ quả mắt thường thấy được là đa sắc. Đá một trục có tối đa hai màu theo hướng nhìn (lưỡng sắc), đá hai trục có thể có ba màu (tam sắc). Ruby nhìn dọc trục có sắc đỏ ngả tím, nhìn ngang trục có sắc đỏ ngả cam. Tanzanite, iolite là đá hai trục có đa sắc rất mạnh. Đá lập phương thì không có đa sắc, một dấu hiệu giúp phân biệt spinel đỏ với ruby khi có dụng cụ.
Dáng tinh thể thô: đọc hệ từ hình khối
Lập phương hay cho khối đều. Spinel và kim cương thường mọc thành bát diện, hai kim tự tháp úp đáy vào nhau. Garnet hay mọc thành khối mười hai mặt hình thoi. Pyrite và fluorite có thể cho khối lập phương gần như hoàn hảo.
Sáu phương cho lăng trụ sáu cạnh. Beryl là ví dụ dễ nhận nhất: cây lăng trụ sáu cạnh, đầu thường bằng. Một cây aquamarine thô nhìn mặt cắt ngang là thấy ngay hình lục giác.
Ba phương có nhiều dáng. Thạch anh cho lăng trụ sáu mặt với đầu nhọn; corundum hay cho dáng thùng phình giữa hoặc tấm dẹt lục giác; tourmaline cho cây dài có rãnh dọc, mặt cắt ngang thường gần hình tam giác cong.
Trực thoi và một nghiêng cho lăng trụ dẹt, có rãnh. Topaz thô thường là lăng trụ có rãnh dọc và mặt đầu vát; kunzite thô hay dẹt với các vết khía dọc. Peridot hiếm khi có tinh thể đẹp vì hay bị mài mòn trong đá núi lửa.
Dáng ngoài không phải lúc nào cũng rõ. Tinh thể bị mài mòn trong sông suối, vỡ ra từ đá chủ hoặc mọc chen chúc thường không còn dáng chuẩn. Khi đó người ta dựa vào các phép đo quang học hơn là hình khối.
Cát khai: hướng mà tinh thể muốn tách
Cát khai là xu hướng tinh thể tách ra theo những mặt phẳng nhất định, nơi liên kết giữa các lớp nguyên tử yếu hơn. Cát khai gắn chặt với cấu trúc, nên cũng gắn với hệ tinh thể. Kim cương, dù cứng nhất, có cát khai theo bốn hướng song song các mặt bát diện; một cú va đúng góc có thể làm nó mẻ. Topaz có cát khai hoàn toàn theo một hướng vuông góc với chiều dài tinh thể, nên một viên topaz rơi xuống nền gạch có thể nứt một đường thẳng tắp.
Feldspar có cát khai theo hai hướng, spodumene cũng vậy; fluorite theo bốn hướng. Corundum không có cát khai thật, nhưng có thể tách theo những mặt song song gọi là mặt tách (parting), do các lớp song tinh hoặc bao thể dọc mặt đó.
Với thợ mài, cát khai là thứ phải tính trước: không được để mặt bàn của viên đá trùng với mặt cát khai, vì khi đánh bóng mặt đó rất dễ bong mẻ. Với người đeo, đá có cát khai rõ nên được gắn ở ổ bảo vệ tốt và tránh đeo khi làm việc nặng.
Song tinh và vân sinh trưởng: dấu vết của hệ tinh thể bên trong viên đá
Không phải tinh thể nào cũng mọc thành một khối đơn thuần. Song tinh là hiện tượng hai hay nhiều phần của cùng một khoáng vật mọc ghép với nhau theo một quy luật đối xứng. Spinel và kim cương hay cho song tinh dẹt hình tam giác; chrysoberyl, trong đó có alexandrite, có thể mọc thành song tinh ba cá thể trông gần như một khối sáu cạnh. Thạch anh tím rất hay có song tinh kiểu Brazil, để lại những đường gợn đặc trưng mà người giám định nhìn thấy dưới kính hiển vi với ánh sáng phân cực.
Corundum có thể có song tinh dạng lá mỏng xếp chồng; dọc các lá này hình thành mặt tách, và giao nhau của chúng đôi khi để lại những vệt kim mảnh. Labradorite có song tinh dạng lá rất mảnh trong nhóm feldspar, nhìn thấy như những sọc song song trên mặt cắt.
Vân sinh trưởng là một dấu vết khác. Khi tinh thể lớn dần, các lớp mới bám lên mặt cũ, và nếu thành phần môi trường thay đổi, mỗi lớp mang màu hơi khác. Trong sapphire tự nhiên, các dải màu thường thẳng và gặp nhau theo góc của hệ ba phương. Đọc góc giữa các dải là một cách người giám định dùng hệ tinh thể để kể lại lịch sử lớn lên của viên đá.
Hệ tinh thể và quyết định của thợ mài
Thợ mài đá màu luôn phải trả lời một câu trước khi cưa: đặt mặt bàn của viên đá vuông góc hay song song với trục tinh thể. Với ruby, đặt mặt bàn vuông góc với trục quang thường cho sắc đỏ thuần nhất, nhưng khối đá thô lại hay dẹt theo hướng ngược lại, nên định hướng tốt có khi làm hao nhiều đá. Thợ phải cân giữa màu đẹp và trọng lượng giữ lại.
Với tourmaline lục và lam, nhìn dọc trục thường rất tối, có khi gần như đen. Thợ vì vậy hay đặt mặt bàn song song với chiều dài tinh thể để mặt đá nhìn sáng hơn. Với kunzite thì ngược lại: màu đậm nhất nằm dọc trục, nên mặt bàn được đặt vuông góc với chiều dài, viên đá thường được mài sâu đáy để gom màu.
Những quyết định này giải thích vì sao hai viên đá cùng loài, cùng nguồn đá thô, có thể nhìn khác nhau rõ rệt. Hệ tinh thể không đổi, nhưng hướng cắt qua nó thì do bàn tay thợ chọn.
Những hiểu lầm hay gặp về hệ tinh thể
Vài cách nói phổ biến nhưng chưa đúng, nên nhận ra để khỏi bị dẫn sai.
- Cho rằng đá có hình khối lục giác thì là thạch anh. Beryl, apatite, corundum cũng có thể cho dáng sáu cạnh.
- Cho rằng đá lập phương thì không bao giờ có hiệu ứng lưỡng chiết. Garnet và kim cương có thể cho lưỡng chiết dị thường do ứng suất trong tinh thể; phòng lab biết cách phân biệt.
- Cho rằng viên đá mài đã mất hệ tinh thể. Mạng bên trong vẫn nguyên; chỉ dáng ngoài thay đổi.
- Cho rằng hệ tinh thể quyết định giá trị. Giá trị phụ thuộc màu, độ trong, kích thước, độ hiếm; hệ tinh thể chỉ giải thích tính chất.
- Cho rằng tinh thể thô có dáng đẹp thì chắc chắn tự nhiên. Đá tổng hợp thuỷ nhiệt có thể mọc thành tinh thể có mặt rất đẹp.
Những điểm trên cho thấy hệ tinh thể là một công cụ suy luận, không phải phép thử thật – giả. Nó cần đi cùng các quan sát và phép đo khác.
Câu hỏi thường gặp
Có phải sáu hệ hay bảy hệ tinh thể?
Cả hai cách đều có trong tài liệu. Nhiều sách hiện đại tách hệ ba phương ra khỏi hệ sáu phương thành bảy hệ. Một số sách cũ gộp hai hệ này thành một nên chỉ còn sáu. Đá ngọc vẫn được xếp nhất quán trong từng cách chia.
Làm sao biết một viên đá đã mài thuộc hệ nào?
Người giám định dựa vào kiểu quang học: đơn chiết, một trục hay hai trục, đo bằng khúc xạ kế và kính phân cực, kết hợp với chiết suất và tỉ trọng để xác định loài. Biết loài là biết hệ tinh thể.
Vì sao ruby mài từ cùng một khối thô lại khác màu nhau?
Vì ruby có đa sắc: nhìn theo các hướng khác nhau thấy sắc đỏ ngả tím hoặc ngả cam. Mỗi viên được cắt theo hướng hơi khác so với trục tinh thể, nên màu mặt đá cũng khác, dù thành phần giống nhau.
Đá thuộc hệ lập phương có đặc điểm gì dễ nhận?
Đá lập phương đơn chiết, không có đa sắc và không làm nhân đôi cạnh mặt sau khi nhìn qua kính lúp. Tinh thể thô thường có dáng bát diện, lập phương hoặc khối mười hai mặt. Kim cương, spinel, garnet là đại diện quen thuộc.
Cát khai và vết nứt khác nhau thế nào?
Cát khai là mặt tách có sẵn trong cấu trúc, phẳng và theo hướng cố định của loài. Vết nứt là hư hỏng bất kỳ, thường cong hoặc lởm chởm. Cát khai có thể bắt đầu từ một cú va và lan thành đường thẳng qua viên đá.
Đá tổng hợp có cùng hệ tinh thể với đá tự nhiên không?
Có. Ruby tổng hợp vẫn là corundum hệ ba phương, có cùng chiết suất và kiểu quang học với ruby tự nhiên. Vì vậy hệ tinh thể không phân biệt được tự nhiên với tổng hợp; người giám định phải nhìn bao thể và dùng phổ.
