Kim cương

Đối với các định nghĩa khác, xem Kim cương (định hướng).

Kim cương là một trong hai những dạng thù hình quý được biết đến nhiều nhất của carbon (dạng còn lại là than chì), có độ cứng rất cao và khả năng khúc xạ cực tốt làm cho nó có rất nhiều ứng dụng trong cả công nghiệp và ngành kim hoàn. Kim cương được cho là một loại khoáng sản với những tính chất vật lý hoàn hảo. Chúng là những vật liệu tốt để tạo ra các bề mặt nhám và chỉ có những viên kim cương khác, những tinh thể carbon dạng lồng hay ADNR mới có thể cắt kim cương được. Điều đó có nghĩa là chúng có thể giữ bề mặt đánh bóng rất lâu và rất tốt. Khoảng 150 triệu cara (30.000 kg) kim cương được khai thác mỗi năm với tổng giá trị là 10 tỷ đô la Mỹ. Ngoài ra khoảng 100.000 kg kim cương hàng năm được điều chế nhân tạo.

Kim cương
Những viên kim cương được cắt mài khéo léo.
Thông tin chung
Thể loại	Khoáng vật tự nhiên
Công thức hóa học	C
Hệ tinh thể	Isometric-Hexoctahedral (Lập phương)
Nhận dạng
Phân tử gam	1201 Phân tử gam
Màu	Vàng, nâu hoặc ghi cho đến không màu. Có thể có màu xanh lam, xanh lá cây, đen, trắng trong, hồng, tím violet, da cam, tím và đỏ.
Dạng thường tinh thể	Lập phương
Cát khai	111 (Tuyệt vời trong 4 phương)
Vết vỡ	Conchoidal (vỏ sò)
Độ cứng Mohs	10
Ánh	Adamantine
Màu vết vạch	không màu
Tính trong mờ	Trong suốt từ biểu thức con sang mờ
Tỷ trọng riêng	350±001
Mật độ	3.5–350 g/cm3
Láng er	Adamantine
Thuộc tính quang	Khúc xạ đơn
Chiết suất	2.500 (at 500 nm)
Khúc xạ kép	Không
Đa sắc	Không
Tán sắc	0.045
Nhiệt độ nóng chảy	1200°C
Tham chiếu

Tên gọi kim cương trong nhiều ngôn ngữ châu Âu đến từ tiếng Hy Lạp adamas (αδάμας có nghĩa là "không thể phá hủy"). Chúng đã được sưu tầm như một loại đá quý và sử dụng trên những biểu tượng tôn giáo của người Ấn Độ cổ cách đây ít nhất 2.500 năm. Người ta còn tìm thấy kim cương đầu mũi khoan, cũng là dụng cụ để khắc lên đá đối với người cổ đại. Sự phổ biến của kim cương tăng lên ở thế kỷ XIX, khi những kỹ thuật đánh bóng và cắt đã đạt đến một trình độ nhất định, kinh tế thế giới đã phát triển, và những nhà kim hoàn bắt đầu những chiến dịch quảng cáo rầm rộ.

Một viên kim cương được đánh giá theo một hệ thống chất lượng 4C: "carat" (khối lượng), "clarity" (độ trong suốt), "color" (màu sắc) và "cut" (cách cắt) và hiện nay có khi người ta còn đánh giá theo tiêu chuẩn 6C, thêm "cost" (giá cả) và certification (giấy chứng nhận, kiểm định). 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. Mặc dù kim cương nhân tạo được sản xuất với khối lượng gần gấp 4 lần so với kim cương tự nhiên nhưng phần lớn chúng được dùng vào mục đích công nghiệp vì hầu hết chúng là những viên kim cương nhỏ và không hoàn hảo, tuy hiện điều này đã cải thiện rõ rệt với những công nghệ làm kim cương nhân tạo mới.

Khoảng 49% kim cương được khai thác ở Trung Phi và Nam Phi, mặc dù 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.

Nguồn gốc

Sự hình thành

Kim cương được tạo thành từ những khoáng vật có chứa carbon 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 lực 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.

• Kim cương không có nguồn gốc từ bề mặt Trái đất. Thay vào đó chúng hình thành ở nhiệt độ cao và áp lực xảy ra trong lớp vỏ Trái Đất khoảng 100 dặm bên dưới bề mặt của Trái đất.
• Hầu hết những viên kim cương được phát hiện đã được chuyển đến bề mặt Trái đất do các vụ phun trào núi lửa từ sâu trong lòng đất. Những vụ phun trào này bắt đầu trong lớp phủ vỏ trái đất (mantle), và trên đường đi lên, chúng xé ra những mảnh đá lớp phủ đưa những viên kim cương lên bè.
• Những khối này từ lớp phủ được gọi là xenoliths. Chúng chứa những viên kim cương được hình thành ở điều kiện nhiệt độ và áp suất cao của lớp phủ.
• Người ta tìm kiếm kim cương bằng cách khai thác đá có chứa xenoliths hoặc bằng cách khai thác đất và trầm tích hình thành khi đá chứa kim cương cuốn trôi lên bề mặt trong quá trình lớp vỏ trái đất thay đổi theo thời gian.

Một số viên kim cương được cho là hình thành trong điều kiện nhiệt độ / áp suất cao của vùng hút chìm hoặc vị trí va chạm của tiểu lục địa. Một số được chuyển đến Trái đất trong các thiên thạch. Tuy nhiên, cho đến hiện nay không có mỏ kim cương thương mại nào được phát triển có nguồn gốc này.

Kim cương thiên nhiên

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 nickel, cobalt, sắt và tùy theo mạng tinh thể carbon 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

Cấu trúc một núi lửa

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 chromi hay titani, 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.

Đặc tính địa chất

Cách sử dụng kim cương như một vật trang trí rất quen thuộc đối với nhiều người. Do dưới ánh sáng Mặt Trời, nó có nhiều màu nên nó còn được gọi là lửa và được đánh giá cao trong nhiều sách lịch sử. Khoảng năm 1900, những chuyên gia địa chất học đã đề ra phương án để phân loại kim cương dựa vào 4 đặc tính, còn nổi tiếng với tên 4C - "carat" (khối lượng), "color" (màu sắc), "clarity" (độ trong) và "cut" (cách cắt).

Giá của những viên kim cương trên thị trường thường được dựa vào quy tắc 4C. Đôi khi có người còn đánh giá kim cương theo tiêu chí 5C: ngoài 4C kể trên, còn có "cost" (giá cả), hoặc 6C với certification (giấy kiểm định, giấy chứng nhận của các công ty uy tín trên thế giới như GIA).

Một số tiêu chuẩn khác không nằm trong 4C nhưng vẫn ảnh hưởng nhiều đến giá cả: ví dụ như ánh huỳnh quang mà nó có thể tạo ra hay cũng như lịch sử của viên kim cương, đơn vị khoa học nào đã lượng giá viên kim cương, và đồng thời một chữ C khác: "cleanliness" (sạch sẽ).

Có bốn tổ chức địa chất có đủ khả năng đánh giá giá trị của viên kim cương. Trong khi khối lượng và góc cắt được tính toán theo công thức thì độ trong và màu sắc được đánh giá bằng mắt thường của một người có kiến thức sâu rộng.

• Viện Đá quý Hoa Kỳ (Gemological Institute of America) (GIA) nổi tiếng nhất và là nơi đưa ra các tiêu chuẩn đầu tiên về kim cương.
• Hiệp hội Đá quý Hoa Kỳ (American Gemological Society) (AGS) tuy không được đánh giá cao và rộng rãi như GIA nhưng cũng có một ảnh hưởng nhất định.
• Phòng thí nghiệm Đá quý Thế giới (IGL) là nơi được tôn trọng nhất trong giới khoa học nhưng cũng bị chỉ trích vì thiếu công bằng khi đánh giá kim cương của các nước nghèo, không như GIA và AGS.
• Phòng thí nghiệm Đá quý châu Âu (EGL) cũng được cho là giống IGL.

Carat

Carat là đơn vị dùng để đo khối lượng của đá quý nói chung. Một carat được định nghĩa là 200 milligram. Một điểm, bằng 1% carat hay 2 mg, được dùng để đánh giá các viên kim cương có khối lượng dưới 1 carat. Giá của viên kim cương tăng khi khối lượng tăng. Tháng 9 năm 2005 khi đánh giá những viên kim cương có khối lượng khác nhau cho thấy:

Khối lượng (carat)	Giá 1 carat (đô la Mỹ)	Giá tổng cộng (đô la Mỹ$)
0,5 carat (50 điểm)	3.000	1.500
1,0 carat	6.500	6.500
1,5 carat	8.500	12.750
2,0 carat	13.000	26.000
3,0 carat	17.000	51.000
5,0 carat	23.000	115.000

Giá của mỗi carat kim cương không tăng đều theo khối lượng kim cương. Tuy nhiên một viên kim cương 0,95 carat lại có giá rẻ đáng kể so với một viên 1,05 carat.

Trong mua bán kinh doanh lớn, người ta mua kim cương theo khối lượng và kích thước trung bình của những viên kim cương trong lô hàng. Tổng khối lượng carat (t.c.w) là một từ thường được ký hiệu để chỉ tổng khối lượng kim cương chứa trên một món hàng, rất thông dụng trên vòng cổ, vòng tay và những món trang sức khác.

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.

Để xác định độ trong hay còn gọi là độ tinh khiết của kim cương, các chuyên gia sẽ đặt ngửa nó lên bằng kính hiển vi ở độ phóng đại 10x và quan sát bằng mắt thường. Có năm yếu tố quan trọng trong việc xác định độ tinh khiết của một viên kim cương bao gồm kích thước của bào tử, số lượng, vị trí, bản chất tự nhiên, màu sắc và độ nổi

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

Một bộ nữ trang kim cương

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 carbon 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.

Cắt sắt

Kĩ thuật cắt kim cương vừa là một môn khoa học vừa là một nghệ thuật. Nó miêu tả quá trình viên kim cương được thành hình và đánh bóng từ dạng viên đá đầu tiên đến một viên ngọc sáng ngời.

Viên kim cương Hope

Có rất nhiều công trình nghiên cứu toán học được nghiên cứu nhằm làm cho lượng ánh sáng mà nó phản xạ được là nhiều nhất. Một trong số đó là công trình của nhà toán học yêu thích khoáng vật Marcel Tolkowsky. Ông là người nghĩ ra cách cắt hình tròn và đã đề ra các tỉ lệ thích hợp cho nó. Một viên kim cương được cắt theo kiểu hình tròn hiện đại trên bề mặt có tất cả 57 mặt. Trong đó, phần trên có 33 mặt và phần dưới có 24 mặt. Phần trên có nhiệm vụ tán xạ ánh sáng thành nhiều mằu sắc khác nhau trong khi phần bên có nhiệm vụ phản xạ ánh sáng.

Tolowsky đã đưa ra các tỉ lệ sau

• Tỉ lệ giữa đường kính mặt trên cùng và đường kính mặt giữa: 53%
• Tỉ lệ giữa độ sâu và đường kính mặt giữa: 59,3%
• Góc giữa mặt dưới và phương ngang: 40,75°
• Góc giữa mặt trên và phương ngang: 34,5°
• Tỉ lệ giữa độ sâu phần dưới và đường kính mặt giữa: 43,1%
• Tỉ lệ giữa độ sâu phần trên và đường kính mặt trên: 16,2%

Ngoài ra ở chóp dưới viên kim cương phải nhọn, nếu không thì ánh sáng sẽ đi qua dễ dàng. Thế nhưng trong thực tế thì người ta thường làm với đường kính bằng 1-2% đường kính mặt giữa.

Viên kim cương nào càng khác những tiêu chuẩn của Tolowsky thì ánh sáng sẽ bị phản xạ càng ít. Tuy nhiên trong xã hội hiện đại, người ta coi trọng đến khối lượng của viên kim cương nhiều hơn, dẫn đến việc những viên kim cương được gọt giũa rất ẩu để tăng khối lượng của chúng. Chỉ cần viên kim cương có khối lượng lúc sau cùng là 1 carat thì sẽ là một món tiền lớn hơn viên 0,95 carat. Vì vậy, người ta thường làm phần dưới có độ sâu lớn. Do đó, một viên kim cương cắt xấu nặng 1 carat sẽ có đường kính chỉ bằng một viên 0,85 carat cắt tốt. Người ta thường dựa vào tỉ lệ độ sâu phần đáy để biết nhanh viên kim cương đó có cắt đúng hay không. Lý tưởng là khi tỉ lệ 62,5%. Ngoài ra viên kim cương 1 carat sẽ có đường kính là 6,5 mm. Nhanh chóng hơn, đường kính một viên kim cương sẽ gấp 6,5 lần khối lượng tính bằng carat, hay 11,1 lần khối lượng tính bằng cm³.

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 chuẩn 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.

Độ rực rỡ của một viên kim cương tỷ lệ thuận theo độ chính xác mặt cắt của nó. Vết cắt (giác cắt) kim cương trong bảng tiêu chuẩn 4 C của GIA là gì? Tầm quan trọng của giác cắt đối với vẻ đẹp của viên kim cương.

• Vết cắt lý tưởng: ánh sáng được phản chiếu chính xác. Viên Kim cương có một vẻ đẹp rực rỡ.
• Vết cắt quá nông: ánh sáng bị mất ra hai bên khiến viên kim cương mất đi độ sáng.
• Vết cắt quá sâu: ánh sáng thoát ra khỏi đáy khiến viên kim cương có vẻ tối và mờ.

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 carbon nguyên chất trong đó một nguyên tử carbon đều có liên kết với 4 nguyên tử carbon 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.

Tính chất vật lý

Cấu trúc tinh thể

Cấu trúc tinh thể kim cương

Tinh thể có cấu trúc lập phương nên có tính đối xứng cao và chứa những nguyên tử carbon bậc 4. Vì có một nguyên tử carbon liên kết với 4 nguyên tử carbon gần nhất nên kim cương có rất nhiều tính chất riêng. Than chì, một dạng thù hình khác của carbon, có một cấu trúc tinh thể hình bình hành khiến cho chúng có những tính chất vật lý khác hẳn so với kim cương. Than chì là một chất mềm, màu xám, đục. Một nguyên tố khác trong nhóm carbon là silic khi kết hợp với carbon cũng tạo thành hợp chất có cấu trúc tinh thể giống kim cương mà người ta gọi là Moissanit. Khối lượng riêng của kim cương là 3,50 g/cm³.

Lonsdaleite cũng là một dạng thù hình của kim cương nhưng được tìm thấy ở những nơi khác có cấu trúc lục giác. Chúng rất khó tìm thấy trong tự nhiên nhưng đó chính là bản chất của kim cương nhân tạo. Một dạng tinh thể kì dị khác của kim cương là carbondo, dạng kim cương không màu, hay có màu xám hoặc đen với cấu trúc tinh thể rất nhỏ gọi là spherulite.

Độ cứng

Bài chi tiết: Độ cứng

Độ cứng của kim cương giúp phân biệt nó với than chì

Kim cương là vật chất cứng nhất được tìm thấy trong tự nhiên, với độ cứng là 10 trong thang độ cứng Mohs cho các khoáng vật. Kim cương còn chịu được áp suất giữa 175 và 250 gigaPascal trong những đợt kiểm tra khác nhau. Điều này đã được biết đến từ rất lâu, và đó chính là nguồn gốc của tên gọi "kim cương".

Những viên kim cương cứng nhất được tìm thấy ở vùng New England của bang New South Wales (Úc). Những viên kim cương này thường nhỏ, dùng để đánh bóng những viên kim cương khác. Độ cứng của chúng được xác định dựa vào điều kiện hình thành nên chúng. Viên kim cương cứng nhất khi chúng được hình thành chỉ trải qua một giai đoạn. Những viên kim cương khác do hình thành qua nhiều giai đoạn nên tạo thành những lớp, vết khiến độ cứng kim cương giảm (Taylor, 1990).

Ngành công nghiệp sử dụng kim cương có từ rất lâu vì tính chất cứng rắn của chúng. Nó là khoáng vật có giá trị cao nhất trong hơn 3.000 mẫu khoáng vật mà con người biết đến. Vì là vật chất cứng rắn nhất trong thiên nhiên, kim cương được dùng để đánh bóng, cắt mọi bề mặt, ngay cả một viên kim cương khác. Các ngành công nghiệp thông thường dùng kim cương như là một mũi khoan, lưỡi cưa hay bột mài. Một ứng dụng rất có triển vọng là làm chất bán dẫn: một số viên kim cương có màu xanh lam chính là chất bán dẫn thiên nhiên, trái ngược với các loại kim cương có màu khác là những chất cách điện tốt. Những viên kim cương nhân tạo dùng trong công nghiệp không phù hợp với việc làm trang sức nhưng có ưu điểm là làm giảm giá thành sản phẩm. Ngay từ thời cổ đại người ta đã biết dùng kim cương làm các mũi khoan và làm dụng cụ khắc chữ.

Độ cứng của kim cương cũng khiến cho nó phù hợp hơn với vai trò của một món trang sức. Bởi vì nó chỉ có thể bị làm trầy bởi một viên kim cương khác nên nó luôn luôn sáng bóng qua thời gian. Khác với những loại đá quý khác chỉ có thể mang vào những dịp đặc biệt, kim cương phù hợp với trang phục thường ngày vì chúng rất khó bị trầy xước. Do đó, trên những chiếc nhẫn đính hôn hay nhẫn cưới, người ta thường đính kim cương lên, và những tập đoàn nữ trang hàng đầu thế giới vẫn luôn hô hào khẩu hiệu "diamonds are forever" để quảng cáo rầm rộ cho trang sức đính 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 carbon 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 thì mới được đánh giá cao nhất.

Độ bền nhiệt độ

Ở áp suất khí quyển (1 atm) kim cương không ổn định có tính chất giống như than chì có thể bị phân hủy. (ΔG = −2.99 kJ / mol). Kim cương sẽ cháy ở khoảng 800 °C, nếu có đủ oxy. 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).

Phương diện điện từ

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 carbon 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 dù 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 để chế tác đồ trang sức, 80% kim cương kém phẩm chất hơn được sử dụng trong công nghiệp và các ứng dụng nghiên cứu.

Xem thêm

• Kim cương nhân tạo

Đọc thêm

• C. Even-Zohar (2007). From Mine to Mistress: Corporate Strategies and Government Policies in the International Diamond Industry (ấn bản thứ 2). Mining Journal Press. Bản gốc lưu trữ ngày 10 tháng 3 năm 2020. Truy cập ngày 3 tháng 4 năm 2010.
• G. Davies (1994). Properties and growth of diamond. INSPEC. ISBN 0852968752.
• M. O'Donoghue, M (2006). Gems. Elsevier. ISBN 0750658568.
• M. O'Donoghue and L. Joyner (2003). Identification of gemstones. Great Britain: Butterworth-Heinemann. ISBN 0750655127.
• A. Feldman and L.H. Robins (1991). Applications of Diamond Films and Related Materials. Elsevier.
• J.E. Field (1979). The Properties of Diamond. Luân Đôn: Academic Press. ISBN 0122553500.
• J.E. Field (1992). The Properties of Natural and Synthetic Diamond. Luân Đôn: Academic Press. ISBN 0122553527.
• W. Hershey (1940). The Book of Diamonds. Hearthside Press New York. ISBN 1417977159.
• S. Koizumi, C.E. Nebel and M. Nesladek (2008). Physics and Applications of CVD Diamond. Wiley VCH. ISBN 3527408010.
• L.S. Pan and D.R. Kani (1995). Diamond: Electronic Properties and Applications. Kluwer Academic Publishers. ISBN 0792395247.
• Pagel-Theisen, Verena (2001). Diamond Grading ABC: the Manual. Antwerp: Rubin & Son. ISBN 3980043460.
• R.L. Radovic, P.M. Walker and P.A. Thrower (1965). Chemistry and physics of carbon: a series of advances. New York: Marcel Dekker. ISBN 082470987X.
• M. Tolkowsky (1919). Diamond Design: A Study of the Reflection and Refraction of Light in a Diamond. Luân Đôn: E. & F.N. Spon.
• R.W. Wise (2003). Secrets Of The Gem Trade, The Connoisseur's Guide To Precious Gemstones. Brunswick House Press.
• A.M. Zaitsev (2001). Optical Properties of Diamond: A Data Handbook. Springer. ISBN 354066582X.

Liên kết ngoài

• Tư liệu liên quan tới Diamonds tại Wikimedia Commons
• Diamond (gemstone) tại Encyclopædia Britannica (tiếng Anh)
• Kim cương tại Từ điển bách khoa Việt Nam