Nung chảy sọ lạnh, tiếng Anh là skull melting, là phương pháp nấu chảy một vật liệu có điểm nóng chảy quá cao bằng cách để chính lớp vật liệu chưa chảy ở mặt ngoài làm nồi chứa; lò dùng một lồng ống đồng có nước làm mát và nguồn gia nhiệt cảm ứng điện từ. Đây là cách làm ra zirconia lập phương, loại đá quen thuộc với tên CZ, vì zirconia nóng chảy ở khoảng hai nghìn bảy trăm độ C, nóng tới mức gần như không có nồi nào chứa nổi.
Tên “sọ” đến từ lớp vỏ rắn bao quanh khối nóng chảy, giống cái vỏ cứng bọc bên ngoài. Phương pháp này được phát triển thành quy trình sản xuất đá ở Liên Xô vào đầu thập niên 1970, tại Viện Vật lý Lebedev, nên ở một số nước CZ còn có tên “fianit”, ghép từ chữ viết tắt tên viện. Đá CZ là gì và nhận ra nó trên trang sức ra sao đã có bài riêng ở trang về kim hoàn; bài này nói về cái lò.
Bài toán cái nồi: vì sao phải dùng “sọ”
Mọi phương pháp mọc tinh thể từ chất nóng chảy đều cần một vật chứa. Với corundum, người ta có lửa Verneuil không cần nồi, hoặc nồi iridi cho lò kéo. Nhưng zirconia nóng chảy ở nhiệt độ cao hơn điểm chảy hoặc giới hạn làm việc của hầu hết kim loại và gốm dùng làm nồi. Đặt zirconia vào nồi nào thì nồi đó chảy trước, hoặc phản ứng làm bẩn khối đá.
Lời giải là không dùng nồi khác, mà để zirconia tự chứa zirconia. Lò gồm một lồng hình cốc ghép từ nhiều ống đồng đặt sát nhau, nước lạnh chạy liên tục trong ống. Bột zirconia đổ đầy lồng. Một cuộn dây cảm ứng tần số cao bao quanh lồng nung nóng phần bên trong. Phần bột sát thành ống đồng luôn bị làm mát nên không bao giờ chảy, thành một lớp vỏ thiêu kết, vừa cách nhiệt vừa làm nồi.
Kết quả là một khối zirconia lỏng nằm gọn trong vỏ zirconia rắn, không tiếp xúc với bất kỳ vật liệu lạ nào. Đây là điểm rất đẹp về mặt kỹ thuật: độ tinh khiết của sản phẩm không bị giới hạn bởi vật liệu nồi, vì nồi cũng chính là nguyên liệu.
Một mẻ nấu sọ lạnh diễn ra thế nào
Theo các mô tả phổ thông trong tài liệu đá quý học và vật liệu học, quy trình có các bước chính sau:
- Trộn bột oxit zirconi với chất ổn định, thường là oxit ytri hoặc oxit canxi, và chất tạo màu nếu muốn làm CZ màu.
- Đổ hỗn hợp vào lồng ống đồng, đặt vài mẩu kim loại zirconi ở giữa để mồi. Bột oxit nguội không dẫn điện nên cuộn cảm ứng không làm nóng được ngay; mẩu kim loại nóng lên trước, cháy thành oxit và làm vùng xung quanh nóng chảy.
- Khi zirconia đã nóng chảy, nó dẫn điện đủ để cuộn cảm ứng duy trì nhiệt. Vùng lỏng lan rộng cho tới khi chỉ còn lớp vỏ sát thành ống đồng là rắn.
- Giữ khối lỏng một thời gian cho đồng đều, rồi hạ dần khối ra khỏi vùng cuộn cảm, hoặc giảm công suất từ từ.
- Tinh thể bắt đầu mọc từ đáy lên, thành những cột dài đứng sát nhau. Quá trình nguội phải chậm để hạn chế nứt.
- Khi nguội hẳn, đập vỡ lớp vỏ sọ, tách các cột tinh thể ra, chọn phần trong suốt để cắt mài. Phần vỏ và mảnh vụn có thể nghiền làm nguyên liệu cho mẻ sau.
Cả mẻ có thể cho hàng chục ki-lô-gam tinh thể, nên CZ là một trong những đá nhân tạo được sản xuất với khối lượng rất lớn.
Chất ổn định: vì sao CZ cần ytri hoặc canxi
Zirconia tinh khiết có nhiều dạng cấu trúc tuỳ nhiệt độ. Ở nhiệt độ rất cao, nó có cấu trúc lập phương; khi nguội xuống nhiệt độ phòng, nó chuyển sang các cấu trúc khác, kèm theo thay đổi thể tích đủ làm khối đá nứt vụn. Nếu nấu zirconia tinh khiết rồi để nguội, bạn sẽ có một đống mảnh đục chứ không phải đá trong.
Thêm một lượng oxit ytri hoặc oxit canxi vào hỗn hợp giữ cho cấu trúc lập phương bền tới nhiệt độ phòng. Đó là lý do tên đầy đủ của CZ là zirconia lập phương đã ổn định. Chất ổn định cũng ảnh hưởng tới tỉ trọng và chiết suất, nên các lô CZ từ nguồn khác nhau có chỉ số hơi khác nhau, dù đều nằm trong một khoảng quen thuộc với người giám định.
Chi tiết này giải thích một điều người mua hay thắc mắc: vì sao CZ nặng tay hơn hẳn kim cương cùng kích thước. Zirconia có tỉ trọng cao, theo tài liệu phổ thông khoảng một lần rưỡi tới gần hai lần kim cương tuỳ thành phần, nên một viên CZ cùng đường kính với một viên kim cương sẽ có số carat lớn hơn đáng kể.
CZ màu: thêm gì để có màu gì
Vì nồi là chính nguyên liệu, việc pha chất tạo màu rất dễ. Bảng dưới là vài ví dụ thường được nhắc trong tài liệu phổ thông; công thức cụ thể khác nhau theo nhà sản xuất.
| Màu CZ | Chất pha thường được nhắc | Thường dùng để mô phỏng |
|---|---|---|
| Hồng | Erbi | Sapphire hồng, morganite, tourmaline hồng |
| Vàng, cam | Xeri | Sapphire vàng, citrine, kim cương vàng |
| Tím | Neodymi | Thạch anh tím, tanzanite |
| Lục | Crôm hoặc kết hợp nhiều chất | Emerald, tsavorite, peridot |
| Lam | Coban hoặc kết hợp | Sapphire lam, topaz lam |
Có những màu được tạo bằng cách kết hợp hai, ba nguyên tố, và có CZ đổi màu theo nguồn sáng nhờ một số nguyên tố đất hiếm. Một khối nấu có thể cho màu hơi khác nhau giữa phần đáy và phần trên vì chất tạo màu phân bố không hoàn toàn đều khi kết tinh, nên người mài thường phân loại lại theo sắc độ trước khi cắt.
CZ màu có ánh lửa mạnh hơn hầu hết đá màu tự nhiên mà nó mô phỏng, vì tán sắc của zirconia cao. Một viên “sapphire vàng” lấp lánh cầu vồng rõ rệt dưới đèn là chi tiết đáng để ý.
Sọ lạnh đặt cạnh các phương pháp khác
Để thấy chỗ đứng của phương pháp này, hãy đặt nó cạnh ba phương pháp nung chảy và dung dịch đã gặp trong danh mục.
| Phương pháp | Vật chứa | Nhiệt độ làm việc | Sản phẩm điển hình |
|---|---|---|---|
| Verneuil | Không có nồi, đá đông trên đế | Trên hai nghìn độ C | Ruby, sapphire, spinel tổng hợp giá thành thấp |
| Czochralski | Nồi iridi | Trên hai nghìn độ C | Corundum, alexandrite, YAG sạch |
| Flux | Nồi bạch kim | Khoảng một nghìn đến một nghìn ba trăm độ C | Emerald, ruby giống đá mỏ |
| Sọ lạnh | Lớp vỏ của chính nguyên liệu trong lồng ống đồng làm mát | Khoảng hai nghìn bảy trăm độ C | Zirconia lập phương (CZ) trắng và màu |
Bảng cho thấy sọ lạnh giải quyết đúng một bài toán mà ba phương pháp kia không giải được: vật liệu quá nóng để có nồi. Đổi lại, phương pháp này cho tinh thể dạng cột mọc chen nhau, kích thước mỗi cột hạn chế, và cần nguồn điện tần số cao công suất lớn. Với zirconia, sự đánh đổi ấy hoàn toàn đáng giá vì nhu cầu đá rất lớn.
Một điểm nữa: vì không có nồi kim loại, CZ hầu như không có mảnh kim loại bao thể như đá kéo hay đá flux. Nếu thấy mảnh kim loại trong một viên đá trắng lấp lánh, nhiều khả năng đó không phải CZ mà là một vật liệu khác, cần soi tiếp.
Sọ lạnh ngoài ngành đá
Phương pháp nấu trong sọ không chỉ dành cho CZ. Ở các ngành vật liệu, nó được dùng cho những oxit chịu nhiệt khác và cho kim loại hoạt động mạnh, những thứ sẽ phản ứng với bất kỳ nồi gốm nào. Trong luyện kim, nguyên lý “vỏ lạnh tự làm nồi” cũng xuất hiện ở một số lò nấu kim loại đặc biệt.
Với người mê đá, điều đáng nhớ là CZ không phải sản phẩm của trò bắt chước kim cương thuần tuý, mà của một kỹ thuật vật liệu khéo léo. Viện nghiên cứu phát triển nó vì cần tinh thể zirconia cho nghiên cứu quang học và laser; đá trang sức là ứng dụng đi sau, nhưng lại là ứng dụng khiến cái tên CZ phổ biến khắp thế giới.
Một hệ quả ít ai để ý: vì CZ rẻ và dễ làm, nó trở thành thước đo để đánh giá các đá mô phỏng khác. Moissanite, YAG, GGG, titanat stronti đều được người trong nghề đặt cạnh CZ khi so độ sáng, độ cứng, tỉ trọng. Khi bạn học nhận biết đá trắng, CZ thường là mẫu đầu tiên nên có trong hộp, vì nó có mặt khắp nơi.
Khi mua trang sức đính CZ, bạn đang mua một vật liệu nhân tạo được gọi đúng tên, không có gì sai. Vấn đề chỉ xảy ra khi CZ được rao bằng những tên mập mờ như “kim cương Nga” hay “kim cương nhân tạo”, hai cách gọi gây nhầm lẫn mà trang chuyên về kim cương đã phân tích. CZ không phải kim cương, cũng không phải kim cương nhân tạo; nó là zirconia.
Dấu vết của CZ dưới kính lúp và trong phòng lab
Thường rất sạch. CZ chất lượng tốt gần như không có bao thể. Đôi khi có bọt khí nhỏ hoặc hạt chưa tan, ít gặp.
Ánh lửa mạnh. Tán sắc của CZ cao hơn kim cương, nên dưới đèn, viên CZ hắt nhiều màu cầu vồng hơn. Người quen mắt thấy ánh lửa “quá tay” này khá nhanh.
Nặng tay. Tỉ trọng cao, nên khi cân, CZ nặng hơn rõ so với kim cương cùng kích thước. Phòng lab đo tỉ trọng hoặc cân so với kích thước để xác nhận.
Cạnh giác mềm hơn kim cương. Độ cứng của CZ khoảng 8 đến 8,5 trên thang Mohs, thấp hơn kim cương nhiều, nên sau thời gian đeo, cạnh giác có thể mòn tròn hoặc mẻ nhẹ, mặt đá xước mờ.
Dẫn nhiệt kém. Bút thử kim cương dựa vào độ dẫn nhiệt phân biệt được CZ với kim cương. Nhưng bút loại cũ có thể nhầm moissanite với kim cương, chuyện đã có ở trang chuyên về kim cương.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao không dùng nồi kim loại để nấu zirconia?
Zirconia nóng chảy ở khoảng hai nghìn bảy trăm độ C, cao hơn điểm chảy hoặc giới hạn làm việc của gần như mọi vật liệu làm nồi, kể cả iridi. Nồi sẽ chảy hoặc phản ứng làm bẩn khối đá, nên người ta để lớp zirconia ngoài cùng tự làm nồi.
Fianit có phải là một loại đá khác CZ không?
Không. Fianit là tên gọi CZ ở một số nước, lấy từ chữ viết tắt tên viện vật lý ở Moskva nơi phương pháp sản xuất được phát triển. Thành phần và tính chất giống CZ bán ở nơi khác.
CZ có bị đục hay ngả màu theo thời gian không?
Bản thân tinh thể CZ bền về hoá học, không tự đục đi. Cảm giác “CZ bị đục” thường đến từ bụi, dầu da và kem bám ở mặt đáy, hoặc mặt đá bị xước mờ vì độ cứng thấp hơn kim cương. Làm sạch đúng cách thường trả lại độ sáng.
Có phải mọi đá CZ đều làm bằng phương pháp sọ lạnh?
Theo tài liệu phổ thông, gần như toàn bộ CZ thương mại được làm bằng phương pháp này, vì đây là cách thực tế duy nhất để có khối lượng lớn tinh thể zirconia lập phương trong suốt.
CZ có được xem là đá tổng hợp không?
CZ là đá nhân tạo, không có bản sao tự nhiên đáng kể dùng làm đá quý. Vì thế nhiều tài liệu xếp nó vào nhóm vật liệu nhân tạo dùng làm đá mô phỏng, khác với ruby tổng hợp là bản sao của một khoáng vật có trong tự nhiên.
Mẩu kim loại zirconi mồi lửa có lẫn vào đá không?
Mẩu kim loại cháy thành oxit zirconi ngay trong quá trình nung, tức là thành chính nguyên liệu. Vì vậy nó không để lại tạp chất lạ trong khối đá như mảnh nồi kim loại ở các phương pháp khác.
