Kim cương

Sự hình thành

Kim cương được tạo thành từ những khoáng vật có chứa cacbon dưới nhiệt độ và áp suất rất cao. Trên Trái Đất, mọi nơi đều có thể có kim cương bởi vì ở một độ sâu nào đó thì sẽ tồn tại nhiệt độ đủ cao và áp suất đủ lớn để tạo thành kim cương. Trong những lục địa, kim cương bắt đầu hình thành ở độ sâu khoảng 150 km (90 dặm), nơi có áp suất khoảng 5 gigapascal và nhiệt độ khoảng 1200 độ C (2200 độ F). Trong đại dương, quá trình này xảy ra ở các vùng sâu hơn do nhiệt độ cần cao hơn nên cần áp suất cũng cao hơn. Khi những áp suất và nhiệt độ dần giảm xuống thì viên kim cương cũng theo đó mà lớn dần lên.
Qua những nghiên cứu tỉ lệ các đồng vị (giống như phương pháp xác định niên đại lịch sử bằng C-14) ngoại trừ việc sử dụng những đồng vị bền như C-12 và C-13, carbon trong kim cương có nguồn gốc từ những nguồn hữu cơ và vô cơ. Các nguồn vô cơ có sẵn ở lớp trung gian của Quả Đất còn các nguồn hữu cơ chính là các loại cây đã chết chìm xuống dưới mặt đất trước khi biến thành kim cương. Cả hai nguồn này có tỉ lệ ¹³C:¹²C khác nhau rất lớn. Kim cương được cho rằng đã hình thành trên mặt đất trước đây rất lâu, khoảng 1 tỉ năm đến 3,5 tỉ năm.
Ngoài ra kim cương còn có thể được hình thành trong những hiện tượng có áp suất và nhiệt độ cao khác. Người ta có tìm thấy trong tâm thiên thạch những tinh thể kim cương có kích thước cực kì nhỏ sau khi chúng rơi xuống đất tạo nên một vùng có áp suất và nhiệt độ cao để phản ứng tạo kim cương xảy ra. Những hạt bụi kim cương được dùng trong khoa học hiện đại để xác định những nơi đã có thiên thạch rơi xuống.
Sự hình thành của kim cương tự nhiên đòi hỏi rất cụ thể điều kiện tiếp xúc với các vật liệu carbon chịu áp lực cao, dao động khoảng từ 4.41 đến 5.88 triệu tấn (4,5 và 6 GPa), nhưng ở một phạm vi nhiệt độ tương đối thấp giữa khoảng 900 và 1.300 °C (1.650 và 2.370 °F).
Kim cương nhân tạo được tổng hợp theo 2 phương pháp chính là phương pháp cao áp cao nhiệt HPHT (High pressure High temperature) sử dụng nhiệt độ và áp suất cực kỳ cao nhằm tái tạo môi trường giống như môi trường tái tạo kim cương trong lòng đất và phương pháp bốc hơi lắng tụ hóa học CVD (Chemical Vapor Deposition) sử dụng sự bốc hơi hóa học của hợp chất khí Carbon dưới tác động của tia nhiệt plasma tạo sự phân chia phân tử khí cho đến khi chỉ còn lại nguyên tử C lắng tụ và phát triển trên mầm kim cương có sẵn, có kim loại đóng vai trò như một dung môi chất xúc tác như niken, coban, sắt và tùy theo mạng tinh thể cacbon bị thay thể bằng nguyên tố nào mà kim cương sẽ có màu đó, tạp chất thường gặp nhất trong kim cương là nitơ, một phần nhỏ nitơ trong tinh thể kim cương làm cho kim cương có màu vàng thậm chí màu nâu.

Kim cương ở bề mặt Trái Đất

Những hòn đá mang kim cương bị kéo lại gần đến nơi núi lửa phun do áp suất. Khi núi lửa phun, nham thạch phải đi qua vùng tạo ra kim cương 90 dặm (150 km). Điều đó rất hiếm khi xảy ra. Ở dưới có những mạch nham thạch ngầm vận chuyển nham thạch và lưu giữ ở đó nhưng sẽ không trào ra khi núi lửa hoạt động. Những mạch chứa kim cương thường được tìm thấy ở những lục địa cổ bởi vì chúng chứa những mạch nham thạch cổ lâu nhất.
Các nhà địa chất học sử dụng các dấu hiệu sau để tìm những vùng có kim cương: những khoáng vật ở vùng đó thường chứa nhiều crôm hay titan, cũng rất thông dụng trong những mỏ đá quý có màu sáng.
Khi kim cương được các ống nham thạch đưa gần lên mặt đất, chúng có thể bị "rò rỉ" qua một khu vực lớn xung quanh. Một ống nham thạch được đánh giá là nguồn kim cương chính. Ngoài ra còn có thể kể đến một số viên kim cương rải rác do các nhân tố bên ngoài (môi trường, nguồn nước). Tuy nhiên, số lượng này cũng không lớn.
Kim cương còn có thể bị đưa lên mặt đất khi có sự đứt gãy các lục địa mặc dù điều này vẫn chưa được hiểu rõ ràng và hiếm xảy ra.

Độ trong

Độ trong được đánh giá dựa vào kết quả khi nhìn dưới kính lúp 10 lần số lượng các vết trầy xước, màu sắc của những vết gãy, vị trí của chúng, tất cả đều được dùng để đánh giá kim cương.
Khi độ trong nâng cao lên khi số kim cương đạt được tiêu chuẩn đó thấp hơn. Chỉ có 20% kim cương có thể đủ để làm đồ trang sức, 80% cho công nghiệp, trong đó có 20% kim cương có những vết trầy thấy rõ bằng mắt thường. Những người mua bình thường rất khó có thể nhìn thấy những vết như thế này.
Những vết xước không ảnh hưởng nhiều đến tính chất tinh thể của viên kim cương. Tuy nhiên, những vết mờ có thể làm giảm sự tán sắc ánh sáng. Vết nứt lớn có thể làm cho kim cương vỡ.
Kim cương có thể được đánh giá là không có khuyết điểm nào cho đến không hoàn hảo.

Màu sắc

Tạp chất thường gặp nhất trong kim cương là nitơ, một phần nhỏ nitơ trong tinh thể kim cương làm cho kim cương có màu vàng thậm chí màu nâu.
Một cấu trúc tinh thể nguyên chất sẽ làm cho viên kim cương không màu. Tuy nhiên, hầu hết những viên kim cương đều không hoàn hảo. Tùy theo màu sắc có thể tăng hay giảm giá trị của viên đá. Những đốm nhỏ màu vàng sẽ làm giảm giá trị kim cương đi rất nhiều trong khi màu hồng hay xanh dương (như viên kim cương Hope) sẽ làm tăng giá trị của viên kim cương.
Trong tiêu chuẩn GIA thì viên kim cương không màu là "D" và vàng là "Z". Đôi khi người ta còn sử dụng các phương pháp quang học phức tạp để xác định màu. Những viên kim cương có điểm màu thật thấp hay thật cao rất hiếm, và cũng rất đắt tiền. Từ D-F là những viên không màu, từ G-J là gần như không màu, K-M là hơi có màu, N-Y là màu vàng nhạt hay nâu. Tuy nhiên, viên kim cương có màu vàng nhạt Z rất hiếm có và có giá trị rất cao.
Trái với màu vàng và màu nâu, những màu khác khó tìm thấy hơn và có giá trị hơn. Chỉ cần viên kim cương hơi hồng hay xanh lam thì giá trị đã rất cao rồi. Tùy theo mạng tinh thể cacbon bị thay thể bằng nguyên tố nào mà kim cương sẽ có màu đó. Những màu thường gặp là vàng, hồng, xanh dương, xanh lá cây, đỏ, nâu,...
Các nhà khoa học sử dụng một thang đo khác dựa vào độ quý hiếm của những viên đá.

Hình dáng

Kim cương không đẹp và ít chiết quang nếu như nó ở dạng thô. Nó buộc phải được cắt để làm tôn thêm vẻ đẹp riêng của nó. Có vô số cách cắt được nghĩ ra từ xưa đến nay để làm nhiệm vụ đó. Số đó có khi không có một con số cụ thể nào để làm tiêu chuẩn cụ thể như cách cắt "tròn", "bánh mì" (hạt dưa), "vuông", "trái tim", "hoa hồng". Cách cắt cũng phụ thuộc rất nhiều vào thời trang. Những cách cắt mới thường được đánh giá là làm đổi mới nhãn hiệu của mình hơn là sự sáng tạo thực sự.

Chất lượng

Chất lượng của một viên kim cương được đánh giá rộng rãi bằng tiêu chẩn 4C. Thông thường một viên kim cương đã được cắt được tin là làm tăng thêm giá trị của viên kim cương hơn dù khối lượng của nó bị giảm đi hơn 30% trong quá trình cắt do làm tăng lên độ trong và làm tôn lên màu sắc của viên kim cương.
Một viên kim cương tốt khi được cắt tốt khi được nhìn từ trên xuống phải có màu trắng. Nếu được cắt không tốt, khi nhìn từ trên cao xuống sẽ có màu đen ở chính giữa, và đôi khi có một cái bóng ở đỉnh viên kim cương.
Có một số chiếc máy được chế tạo ra để kiểm tra chất lượng kim cương như FireScope, IdealScope, Heart & Arrow Viewer, GemEx, BrillianceScope, ASET,...

Tính chất

Kim cương là một tinh thể không màu gồm cacbon nguyên chất trong đó một nguyên tử cacbon đều có liên kết với 4 nguyên tử cacbon khác gần đó nhất. Chúng ta sử dụng kim cương vì những tính chất vật lý vô cùng quý giá của chúng. Một trong số đó là độ cứng rất cao, độ khúc xạ tốt, cách nhiệt cao. Những tính chất trên là những tính chất cơ bản trong những lĩnh vực có sử dụng kim cương.

Độ giòn

Khác với độ cứng, chỉ khả năng chống lại những vết trầy xước, độ giòn của kim cương chỉ từ trung bình khá đến tốt. Độ giòn chỉ khả năng khó bị vỡ của vật liệu. Độ giòn của kim cương một phần là do cấu trúc tinh thể của kim cương không chống chịu tốt lắm. Kim cương do đó cũng dễ bị vỡ hơn so với một số vật liệu khác, và câu chuyện lưu truyền về việc kiểm định kim cương bằng đe và búa của vua chúa xưa chỉ là truyền thuyết. Ngày nay, người ta thường dùng cối xay bằng thép nghiền nát kim cương để làm bột đánh bóng

Màu sắc

Kim cương có rất nhiều màu sắc: không màu, xanh dương, xanh lá cây, cam, đỏ, tía, hồng, vàng, nâu và cả đen. Những viên kim cương có những vệt màu sáng được gọi là những viên kim cương màu. Nếu viên kim cương có màu rất đậm, chúng sẽ được gọi là "có màu sắc rực rỡ". Kim cương có màu là loại kim cương chứa một lượng nhỏ tạp chất, do trong cấu trúc của nó, một nguyên tử cacbon bất kỳ trong mạng tinh thể bị thay thế bởi một nguyên tử của nguyên tố khác. Thông thường nguyên tố đó là nitơ khiến cho kim cương có màu vàng. Nguyên tử kim cương nguyên chất không có màu. Kim cương có độ màu cực trắng sẽ được đánh giá là loại D, còn thấp nhất là Z, chỉ viên kim cương có màu hơi vàng ngả sang nâu.

Độ bền nhiệt độ

Ở áp suất khí quyển (1 atm) kim cương không ổn định có tính chất giống như như than chì có thể bị phân hủy. (ΔG = −2.99 kJ / mol). Kim cương sẽ cháy ở khoảng 800 °C, nếu có đủ ôxy. Điều này được miêu tả vào cuối thế kỷ XVIII nhưng cũng tìm thấy được trong những cuốn sách cổ thời La Mã. Nhưng, do có một hàng rào động năng lớn, kim cương gần như không tự phân hủy. Dưới tác dụng của nhiệt độ và áp suất bình thường thì một viên kim cương chỉ có thể bị biến thành than chì sau một khoảng thời gian bằng khoảng thời gian để vũ trụ hình thành cho tới nay (15 tỷ năm).

Tính chất quang học

Kim cương có khả năng tán sắc tốt, do có chiết suất biến đổi nhanh với bước sóng ánh sáng. Điều này giúp kim cương biến những tia sáng trắng thành những màu sắc, tạo nên sức hấp dẫn riêng của kim cương khi là một món trang sức.
Chiết suất cao của kim cương, vào khoảng 2,417, lớn hơn so với 1,5 của các thủy tinh thông thường, cũng dễ làm xuất hiện sự phản xạ toàn phần trên mặt trong của kim cương tạo độ lấp lánh. Độ lấp lánh của viên kim cương, đặc trưng cho cách ánh sáng tác động lên một viên kim cương, thường được miêu tả là "adamantine".
Một số viên kim cương có phát xạ ánh sáng (hầu hết là màu xanh dương) dưới tia cực tím, một số có màu đỏ tía. Hầu hết các viên kim cương phát xạ ánh sáng xanh trắng, vàng hay xanh lá cây dưới tác dụng của tia X và dùng trong khai mỏ để tách riêng kim cương có khả năng phát sáng và những viên đá bình thường khác không có khả năng này. Trong điều kiện thường, hầu hết các viên kim cương đều không phát ánh sáng, trừ ánh sáng xanh dương mặc dù các loại kim cương màu có thể phát quang nhiều màu hơn.

Tính dẫn điện

Ngoại trừ kim cương xanh dương vốn là một chất bán dẫn, mọi loại kim cương còn lại là chất cách điện tốt. Nguyên nhân là do trong phân tử kim cương xanh dương có chứa nguyên tử bo tạp chất, là một chất cho điện tử và tạo ra một chất bán dẫn loại p. Tuy nhiên, các loại kim cương màu xanh dương không chứa tạp chất bo, như loại khai thác ở mỏ kim cương Argyle tại Úc, có màu như vậy là do chứa nhiều hiđrô nên là một chất cách điện.

Tính dẫn nhiệt

Không giống như những chất cách điện tốt khác, kim cương là một chất truyền nhiệt tốt bởi vì các nguyên tử được liên kết chặt chẽ với nhau. Hầu hết các viên kim cương xanh có chứa bo thay thế cho cacbon trong mạng nguyên tử cũng có khả năng truyền nhiệt cao. Một viên kim cương nhân tạo nguyên chất có hệ số truyền nhiệt vào khoảng 2.000-2.500 W/(m.K), cao gấp 4 đến 5 lần so với đồng và là cao nhất trong tất cả những chất đã được biết trong nhiệt độ phòng. Do đó, người ta dùng nó trong những thiết bị bán dẫn để giúp cho silic và các vật liệu bán dẫn khác không bị quá nóng. Mức năng lượng các lỗ trống trên kim cương vào khoảng 5,4-6,4 eV.

Khai thác và thị trường

Khoảng 49% kim cương được khai thác ở Trung Phi và Nam Phi, mặc dầu một số lượng lớn kim cương cũng được tìm thấy ở Canada, Ấn Độ, Nga, Brasil, Úc. Hầu hết chúng được khai thác ở những miệng núi lửa đã tắt, sâu trong lòng Trái Đất nơi mà áp suất và nhiệt độ cao làm thay đổi cấu trúc của các tinh thể. Việc khai thác kim cương cũng là nội dung của những cuộc tranh chấp. Cũng có một số tranh cãi rằng tập đoàn De Beers đã lợi dụng độc quyền trong ngành cung cấp kim cương để điều khiển giá cả của thị trường, mặc dù thị phần công ty đã giảm xuống 50% trong những năm gần đây.
Chỉ khoảng 20% sản lượng kim cương trên thế giới được dùng làm hàng trang sức, 80% kim cương kém phẩm chất hơn được sử dụng trong công nghiệp và các ứng dụng nghiên cứu.