Kim cương nhân tạo và một số tiến bộ của ngành công nghiệp kim hoàn

Sau 60 năm hình thành và phát triển thì kỹ thuật nuôi cấy kim cương trong phòng thí nghiệm đã đạt được nhiều bước đột phá, gần như đã có thể mô phỏng tự nhiên để tạo ra những viên kim cương hoàn hảo. Xin kể lại với các bạn một vài điểm nổi bật của ngành công nghiệp kim cương nhân tạo cũng như kỹ thuật tiên tiến trong ngàng kim hoàn hiện nay.

Trước giờ các hãng phát triển kim cương nhân tạo đều khẳng định sản phẩm của họ có đều có chất lượng cao, không xung đột và thường có giá rẻ hơn so với những loại kim cương kiểu cũ vốn được tạo thành trong lớp manti của vỏ Trái Đất bằng nhiệt độ và áp suất cực cao trong thời gian, sau đó được con người khai thác. Tuy nhiên một số chuyên gia đá quý lại không đồng ý với quan điểm này và cho rằng việc khai thác kim cương sẽ góp phần thúc đẩy phát triển kinh tế địa phương, đồng thời kim cương nhân tạo cũng không phải là rẻ hơn nhiều so với kim cương tự nhiên.

Tinh thể kim cương được nuôi cấy bằng kỹ thuật áp suất nhiệt độ cao​.

Dù vậy, ngành công nghiệp sản xuất kim cương tổng hợp vẫn là một kỳ công khoa học hình thành từ cách đây 60 năm và liên tục được hoàn thiện theo thời gian. Viên kim cương nhân tạo đầu tiên được tạo ra bởi General Electric vào năm 1954 bằng kỹ thuật áp suất và nhiệt độ cao (HPHT) mô phỏng cách kim cương thiên nhiên được hình thành. Tuy nhiên, kim cương tạo ra bằng HPHT thường bị mờ và dễ xuất hiện lỗi, từ đó hình thành nên một giới hạn của ngành công nghiệp kim cương nhân tạo.

Nhưng đó đã là chuyện của nhiều năm về trước còn hiện tại, phần lớn những viên kim cương nhân tạo chất lượng cao đều được tạo thành bằng quá trình bay hơi lắng đọng hóa học (CVD). Hoàn toàn khác với quá trình ngoài tự nhiên, kỹ thuật này tạo ra viên kim cương từ một hỗn hợp hydro và hydrocarbon nóng, có thêm mê tan ở áp suất cực tháp trong một buồng chân không. Viên kim cương đầu tiên được tạo ra bằng kỹ thuật CVD có kích thước rất nhỏ nhưng đến những năm 1980, các nhà khoa học đã tìm được cách sử dụng CVD để sản xuất ra các tấm phim kim cương.

Những mẻ kim cương được tạo thành bằng kỹ thuật CVD​.

Tới những năm 1990 thì họ cuối cùng đã phát hiện ra phương pháp sử dụng CVD để tạo ra kim cương có kích thước chất lượng đá quý. Một trong những chìa khóa của thành công này chính là dùng một tinh thể kim cương làm hạt giống phát triển viên kim cương hoàn chỉnh. Các nhà khoa học cho biết gần đây, người ta còn dùng silic để làm mầm nuôi cấy tinh thể kim cương bằng kỹ thuật CVD. Nguyên nhân là do Silic có kích thước nguyên tử lớn hơn carbon và sự chênh lệch này dẫn tới quá trình hình thành kim cương.

Một yếu tố khác trong sự đột phá của kỹ thuật nói trên chính là có thể tìm được hỗn hợp khí và nhiệt độ tối ưu để hình thành nên kim cương nhân tạo có chất lượng đá quý. Hiện tại, quá trình CVD đã có thể nuôi cấy nên những viên kim cương 4 carat với độ trong suốt cực cao. Wuyi Wang, giám đốc nghiên cứu phát triển tại học viện đá quý Mỹ cho biết thị trường tiêu thụ kim cương CVD ngày càng phát triển nhanh chóng. Ông cho biết Gemesis là một trong những nhà cung cấp kim cương nhân tạo lớn nhất thế giới và họ từng đạt sản lượng 350.000 carat vào năm 2014 và 400.000 carat vào năm 2015.

Một viên kim cương thô được tạo thành bằng kỹ thuật CVD​.

Wang chia sẻ: "Nếu kim cương được nuôi cấy với tốc độ 30 micron mỗi giờ thì bạn cần 100 giờ để tạo ra 1 carat nhưng bạn có thể nuôi cấy từ 50 hoặc 100 viên một lần". Dù vậy, quy trình sản xuất kim cương CVD sẽ nhanh chóng trở nên lạc hậu. Trớ trêu thay, cách đây 5 năm người ta đã trở về hoàn thiện HPHT để tạo nên kim cương với giá rẻ, đồng thời có chất lượng cao hơn so với CVD.

Giáo sư Wang cho biết: "Viên tinh thể lớn nhất từng được sản xuất alf 30 carat dưới dạng thô hoặc 10.02 carat sau khi đánh bóng và dây cũng là viên kim cương nhân tạo lớn nhất thế giới hiện tại. Tôi nghe đổn có một viên kim cương 60 carat và có nhóm nghiên cứu còn muốn đẩy con số đó lên 100 carat. Điều này rồi đây sẽ thay đổi hoàn toàn thị trường kim cương thế giới".

Trong một chiếc nhẫn hay mặt dây chuyền, không chỉ có viên kim cương nhân tạo mà còn nhiều đặc điểm khác cũng là sản phẩm của công nghệ cao. Hiện tại, người ta còn sử dụng phần mềm máy tính để dựng mô hình 3D của chiếc nhẫn hoặc nhiều loại trang sức khác. Bằng cách này, những người thợ kim hoàn có thể dễ dàng xác định được kích thước, màu sắc và hình dạng của chiếc nhẫn cũng như viên đá trước khi chế tác thật ngoài đời. Thậm chí, phần mềm còn có thể giả lập được hiệu ứng lấp lánh của viên đá.

Hình ảnh của sản phẩm trang sức được dựng bằng phần mềm 3D trên máy tính trước khi chế tác ngoài đời​.

Mike Magee, quản lý cấp cao của Viện đá quý Mỹ cho biết: "giới kim hoàn đã bắt đầu sử dụng phần mềm dựng 3D trên máy tính CAD từ giữa những năm 1990 nhưng nó vẫn chưa được phổ biến cho tới những năm 2000. Hiện các phần mềm CAD dành riêng cho ngành kim hoàn có độ phức tạp cao và hầu hết các hãng kim hoàn lớn đều phát triển những bản mở rộng cho phần mềm này. Trước khi có CAD, mỗi thiết kế đều được làm thủ công bằng sáp và bất cứ thay đổi nào thì buộc họ phải làm lại từ đầu. Tuy nhiên bằng CAD thì việc thiết kế trở nên đơn giản hơn rất nhiều".

Không chỉ lập mô hình 3D của trang sức trên máy tính mà bây giờ người ta còn sử dụng cả công nghệ in 3D. Sau khi hoàn tất thiết kế, người ta có thể dùng máy in 3D để tạo ra một mẫu thử cho khách hàng xem trước khi tạo ra phiên bản cuối cùng bằng vật liệu thật. Chưa dừng lại ở đó, người ta còn sử dụng tia laser để nung bột kim loại trong quá trình chế tác trang sức. Tuy nhiên, kỹ thuật này vẫn còn mắc tiền và hiện chưa có nhiều công ty kim hoàn áp dụng. Và trên thực tế, con người vẫn đóng vai trò chính trong quá trình chế tác trang sức, bao gồm cả các công đoạn cắt, mài, đánh bóng, đục lỗ và lắp đặt các viên kim cương.

Người ta còn sử dụng tia laser để nung bột kim loại trong quá trình chế tác trang sức.

Trên đây chỉ là một vài thông tin về công nghệ kim cương nhân tạo và kỹ thuật kim hoàn hiện đại. Ngành công nghiệp kim hoàn tưởng chừng như đầy bí ẩn và chậm phát triển so với các ngành khác hóa ra cũng nhanh chóng áp dụng những công nghệ cao từ nhiều ngành khác nhằm đơn giản hóa quá trình sản xuất và tạo nên những tác phẩm nghệ thuật gắn liền với cuộc sống mỗi người.

Nếu như chiếc nhẫn cầu hôn cách đây 10 năm và bây giờ là không khác nhau về ngoại hình nhưng thực sự, bên trong đó ẩn chứa nhiều điểm khác biệt trong toàn bộ quá trình chế tác. Hy vọng rằng sau khi mình tặng chiếc nhẫn, "khai thật" với bạn gái đó là kim cương nhân tạo và kể ra câu chuyện trên đây thì cô ấy sẽ vui vẻ tiếp nhận nó như một sản phẩm của tiến bộ khoa học công nghệ đương đại.