Sapphire tổng hợp, tức corundum do người làm, được dùng nhiều nhất không phải trong trang sức mà trong công nghiệp: mặt kính đồng hồ và camera chống xước, chân kính trong đồng hồ cơ, cửa sổ quang học, và đặc biệt là tấm nền để mọc đèn LED. Lý do nằm ở bộ tính chất hiếm có trong một vật liệu: cứng thứ nhì sau kim cương trong nhóm vật liệu phổ biến, trong suốt từ vùng tử ngoại tới hồng ngoại, bền với hoá chất và chịu nhiệt rất cao.
Biết điều này giúp người mê đá nhìn đá tổng hợp bằng con mắt khác. Ruby hay sapphire tổng hợp không phải “đồ nhái” sinh ra để lừa người mua trang sức; phần lớn chúng là vật liệu kỹ thuật, và đá trang sức chỉ là một nhánh nhỏ. Bài này đi qua những ứng dụng chính, phương pháp làm khối sapphire lớn, và điều người dùng nên biết khi gặp chữ “sapphire” trên đồng hồ hay điện thoại.
Vì sao corundum được chọn: bộ tính chất đặc biệt
Bảng dưới đặt các tính chất của corundum cạnh nhu cầu kỹ thuật tương ứng. Số liệu là mức phổ thông trong tài liệu đá quý học và vật liệu học.
| Tính chất | Mức của corundum | Ý nghĩa với ứng dụng |
|---|---|---|
| Độ cứng | 9 trên thang Mohs | Chống xước tốt: cát, bụi thông thường không cào được |
| Độ trong suốt | Rộng từ tử ngoại tới hồng ngoại | Làm cửa sổ quang học, ống kính bảo vệ cảm biến |
| Điểm nóng chảy | Khoảng hai nghìn độ C | Chịu nhiệt trong lò, trong đèn công suất cao |
| Độ bền hoá học | Rất cao | Ít bị axit, kiềm, mồ hôi, nước biển ăn mòn |
| Cấu trúc tinh thể | Lục phương, mạng đều | Làm nền cho tinh thể bán dẫn mọc lên theo hướng định sẵn |
| Cách điện tốt | Rất cao | Dùng trong linh kiện điện tử chịu nhiệt |
Không vật liệu nào hoàn hảo. Corundum giòn, chịu va đập không bằng kính cường lực có độ dẻo nhất định, và khó gia công nên đắt hơn kính thường. Mỗi ứng dụng đều phải cân giữa chống xước, chống vỡ và chi phí.
Mặt kính đồng hồ và camera: chống xước nhưng không phải không vỡ
Chữ “kính sapphire” trên đồng hồ nghĩa là mặt kính được cắt từ khối corundum tổng hợp không màu, mài và đánh bóng. Vì độ cứng 9, mặt kính gần như không bị xước bởi các vật thường ngày như chìa khoá, cát hay mặt bàn đá. Đó là lý do loại kính này phổ biến trên đồng hồ tầm trung trở lên và trên lớp bảo vệ camera của một số điện thoại.
Điều người dùng hay hiểu nhầm: chống xước không có nghĩa là chống vỡ. Corundum cứng nhưng giòn. Một cú va mạnh vào cạnh, hay rơi xuống nền gạch đúng góc, vẫn có thể làm mặt kính sapphire nứt hoặc vỡ, đôi khi còn dễ hơn kính khoáng thông thường vốn mềm hơn nhưng chịu uốn tốt hơn một chút. Mặt kính sapphire cũng phản chiếu mạnh vì chiết suất cao, nên thường được phủ lớp chống loá.
Một mẹo phân biệt được nhiều người nhắc là nhỏ một giọt nước lên mặt kính: trên sapphire sạch, giọt nước thường đọng tròn hơn. Mẹo này chỉ là gợi ý, vì lớp phủ có thể làm thay đổi kết quả. Cách chắc chắn là xem thông số của nhà sản xuất hoặc hỏi thợ đồng hồ có dụng cụ kiểm.
Chân kính: những viên ruby nhỏ nhất trong đời sống
Mở mặt sau một chiếc đồng hồ cơ, bạn sẽ thấy những chấm đỏ nhỏ xíu. Đó là chân kính, tức các ổ đỡ làm bằng ruby tổng hợp, nơi trục bánh răng quay tì lên. Ruby cứng và trơn, nên trục kim loại mài mòn ổ đỡ rất chậm, giữ cho bộ máy chạy chính xác lâu năm. Con số “17 chân kính”, “21 chân kính” trên mặt đồng hồ nói về số ổ đỡ như vậy.
Trước khi có ruby tổng hợp, thợ đồng hồ dùng ruby và sapphire tự nhiên chất lượng thấp, khoan lỗ bằng tay, rất tốn công. Khi đá Verneuil xuất hiện đầu thế kỷ 20, chân kính trở nên rẻ và đồng đều, góp phần lớn vào việc đồng hồ cơ chính xác trở thành món đồ phổ thông. Đây có lẽ là ứng dụng sớm nhất và bền nhất của đá tổng hợp.
Chân kính có màu đỏ không phải vì cần màu đỏ, mà vì ruby pha crôm dễ sản xuất và dễ nhìn khi lắp ráp. Có đồng hồ dùng sapphire không màu cho một số ổ. Ngoài đồng hồ, ổ đỡ ruby và sapphire còn có trong đồng hồ đo, la bàn chính xác, kim máy hát và nhiều dụng cụ cơ khí nhỏ.
Laser ruby: thanh đá đỏ phát ra tia sáng đầu tiên
Năm 1960, nhà vật lý Theodore Maiman ở Mỹ cho chạy chiếc laser đầu tiên, dùng một thanh ruby tổng hợp nhỏ, hai đầu được tráng gương, đặt trong một đèn chớp xoắn ốc. Ánh chớp kích thích ion crôm trong ruby, và ion trở về trạng thái thấp phát ra ánh sáng đỏ đồng pha, được khuếch đại giữa hai gương thành tia laser.
Chính ion crôm, thứ cho ruby màu đỏ, là thứ làm nên laser ruby. Điều này cũng giải thích vì sao ruby phát huỳnh quang đỏ mạnh dưới đèn UV, một hiện tượng người giám định dùng hằng ngày. Cùng một cơ chế vật lý xuất hiện ở hộp đá trên bàn giám định và ở phòng thí nghiệm quang học.
Laser ruby cũng là ví dụ hay về chuyện “màu” và “ứng dụng” gắn với nhau. Crôm trong mạng corundum hấp thụ mạnh ánh sáng lục và lam, phát ra đỏ; người giám định đọc điều đó trên quang phổ kế cầm tay như những vạch hấp thụ quen thuộc, còn kỹ sư laser đọc nó như mức năng lượng để bơm. Cùng một dữ kiện, hai nghề nhìn theo hai cách.
Laser ruby ngày nay ít dùng hơn vì có những loại laser hiệu quả hơn, nhiều loại dùng tinh thể nhân tạo khác như YAG pha neodymi. Nhưng nhu cầu thanh ruby và thanh YAG thật sạch, không ứng suất, đã thúc đẩy phương pháp kéo tinh thể Czochralski phát triển, và gián tiếp làm phong phú thêm thị trường đá tổng hợp.
Đế sapphire cho đèn LED: ứng dụng lớn nhất hiện nay
Đèn LED trắng và lam phổ biến hiện nay được làm từ các lớp bán dẫn gali nitrua mọc trên một tấm nền. Sapphire là tấm nền được dùng rộng rãi, vì nó chịu được nhiệt độ cao trong quá trình mọc lớp bán dẫn, bền hoá học, trong suốt để ánh sáng thoát ra, và có mạng tinh thể đủ phù hợp. Giải Nobel Vật lý năm 2014 trao cho ba nhà khoa học vì phát minh đèn LED lam hiệu quả là mốc đánh dấu tầm quan trọng của dòng công nghệ này.
Nhu cầu tấm nền LED khiến sản lượng sapphire tổng hợp tăng vọt. Người ta cần những khối sapphire rất lớn, rất sạch, để cắt thành tấm mỏng như bánh tráng. Những khối này không làm bằng Verneuil, mà bằng các phương pháp mọc chậm trong nồi, nổi tiếng nhất là phương pháp Kyropoulos, cho khối nặng hàng chục tới hàng trăm ki-lô-gam, cùng các biến thể kéo tấm, kéo ống.
Với người mê đá, con số này có ý nghĩa: khối sapphire tổng hợp sản xuất cho công nghiệp mỗi năm lớn hơn rất nhiều lần toàn bộ sapphire tự nhiên được khai thác. Mảnh dư từ công nghiệp có thể được mài thành đá không màu cho trang sức rẻ hoặc dùng làm đá thay thế. Vì vậy một viên “sapphire trắng” giá mềm, sạch tuyệt đối, nhiều khả năng là tổng hợp.
Làm khối sapphire lớn: không còn là chuyện ngọn lửa
Lò Verneuil cho khối lê vài trăm carat, đủ cho chân kính và đá trang sức, nhưng quá nhỏ và quá nhiều ứng suất cho tấm nền LED hay cửa sổ quang học lớn. Công nghiệp vì thế dùng những phương pháp mọc chậm trong nồi kim loại chịu nhiệt, nơi nhiệt độ được điều khiển tới từng độ trong nhiều ngày hoặc nhiều tuần.
Phương pháp Kyropoulos, mang tên một nhà khoa học đầu thế kỷ 20, nhúng mầm vào nồi corundum nóng chảy rồi để tinh thể lớn dần xuống phía dưới chủ yếu bằng cách hạ nhiệt từ từ, gần như không kéo lên. Khối sapphire tạo ra có thể nặng hàng chục tới hàng trăm ki-lô-gam, rất ít ứng suất. Ngoài ra còn có phương pháp kéo Czochralski, các biến thể kéo qua khe để ra tấm hoặc ống có sẵn hình dạng, và phương pháp trao đổi nhiệt làm nguội từ đáy nồi.
Khối sapphire công nghiệp sau đó được khoan thành trụ, cắt thành tấm mỏng bằng dây cắt kim cương, mài phẳng và đánh bóng tới mức gần như hoàn hảo về bề mặt. Chuỗi gia công này tốn kém vì sapphire quá cứng; chính độ cứng làm nên giá trị của nó cũng làm nó khó cắt. Đây là lý do mặt kính sapphire luôn đắt hơn kính khoáng, dù nguyên liệu chỉ là oxit nhôm phổ biến.
Những nơi khác bạn có thể gặp corundum tổng hợp
Danh sách dưới không đầy đủ, chỉ để thấy vật liệu này hiện diện rộng tới đâu:
- Cửa sổ của máy quét mã vạch ở quầy thu ngân, nơi hàng hoá cọ lên mặt kính cả ngày.
- Ống kính bảo vệ cảm biến quang học trong máy công nghiệp, thiết bị đo ngoài trời.
- Vỏ bọc đèn công suất cao, ống dẫn trong lò, đầu phun trong máy móc chịu mài mòn.
- Dao mổ và linh kiện trong một số dụng cụ y tế cần độ cứng và độ trơ hoá học.
- Bột corundum nhân tạo làm vật liệu mài, đá mài, giấy nhám; đây là corundum đa tinh thể, không phải đơn tinh thể như đá quý.
Mỗi ứng dụng khai thác một mặt của corundum: độ cứng, độ trong, độ trơ hoá học hay khả năng chịu nhiệt. Viên ruby trên nhẫn và mặt kính trên đồng hồ là hai khuôn mặt của cùng một khoáng vật.
Ví dụ giả định: bạn đang cân nhắc hai chiếc đồng hồ, một ghi kính sapphire, một ghi kính khoáng. Nếu bạn hay làm việc ngoài công trường nhiều bụi cát, kính sapphire giữ mặt sạch xước lâu hơn; nếu bạn hay va đập mạnh, hãy chú ý thêm vành bảo vệ, vì sapphire giòn.
Câu hỏi thường gặp
Kính sapphire trên đồng hồ có phải là đá sapphire thật không?
Có, về khoáng vật: đó là corundum, cùng loài với sapphire. Nhưng nó là corundum tổng hợp không màu, được cắt thành tấm, không phải đá quý tự nhiên. Chữ sapphire ở đây chỉ vật liệu, không nói gì về giá trị như đá trang sức.
Chân kính trong đồng hồ có phải ruby thiên nhiên không?
Gần như toàn bộ chân kính hiện nay là ruby hoặc sapphire tổng hợp. Từ đầu thế kỷ 20, đá tổng hợp đã thay thế đá tự nhiên trong vai trò này vì đồng đều, rẻ và dễ gia công. Số chân kính nói về kỹ thuật bộ máy, không về giá trị đá.
Mặt kính sapphire có bị xước không?
Rất khó xước với vật dụng thường ngày. Chỉ những vật liệu cứng bằng hoặc hơn, như kim cương, một số gốm kỹ thuật, hoặc corundum khác, mới để lại vết. Lớp phủ chống loá trên mặt kính thì mềm hơn và có thể mòn, xước nhẹ theo thời gian.
Vì sao đèn LED lại cần sapphire?
Lớp bán dẫn phát sáng của đèn LED lam và trắng phải mọc trên một tấm nền chịu nhiệt cao, bền hoá học và có mạng tinh thể phù hợp. Sapphire đáp ứng tốt các yêu cầu đó với chi phí chấp nhận được, nên trở thành tấm nền phổ biến.
Laser ruby đầu tiên dùng ruby tự nhiên hay tổng hợp?
Thanh ruby trong chiếc laser đầu tiên năm 1960 là ruby tổng hợp. Laser cần tinh thể đồng đều, sạch, lượng crôm ổn định, điều mà ruby tự nhiên khó đáp ứng.
Sapphire công nghiệp có thể bị bán làm đá quý không?
Mảnh dư có thể được mài thành đá trang sức không màu. Bán đúng tên là sapphire tổng hợp thì không có gì sai. Nếu được rao là sapphire trắng tự nhiên thì đó là khai sai, và cần phiếu giám định để làm rõ.
