Sự khan hiếm và giá trị cao của kim cương tự nhiên đã thúc đẩy các nhà khoa học phát triển các phương pháp chế tạo kim cương với chất lượng không thua kém gì kim cương thô tự nhiên. Vậy, kim cương nhân tạo được tạo ra như thế nào? Trong bài viết này, Kim Cương Cao Hùng sẽ cùng bạn tìm hiểu về phương pháp và cách tạo kim cương phổ biến nhất hiện nay và tiềm năng phát triển trong tương lai của ngành công nghiệp này.
Quá trình tạo kim cương nhân tạo trong phòng thí nghiệm
Quy trình nuôi cấy kim cương HPHT
HPHT (High Pressure High Temperature) là một trong những phương pháp đầu tiên được sử dụng để tạo ra kim cương tinh khiết như kim cương tự nhiên. Phương pháp này mô phỏng lại điều kiện áp suất và nhiệt độ cao, tương tự như môi trường trong lòng Trái Đất, nơi kim cương tự nhiên hình thành.
Quá trình bắt đầu bằng việc đặt một mảnh kim cương nhỏ (được gọi là “hạt giống”) vào một buồng đặc biệt. Carbon, thường ở dạng than chì, sẽ bị ép dưới nhiệt độ khoảng 1.300 đến 1.600 độ C và áp suất từ 5.000 đến 6.000 MPa. Áp suất và nhiệt độ cao này khiến các nguyên tử carbon kết tinh thành kim cương xung quanh “hạt giống”.
Kim cương được tạo ra từ phương pháp HPHT thường có các bao thể (inclusions), đường viền giống kim cương thật và có thể được tạo ra dưới dạng kim cương màu hoặc kim cương không màu (trắng).
Cách làm kim cương giả HPHT là một bước tiến quan trọng trong công nghệ sản xuất kim cương, giúp tạo ra những viên kim cương có độ cứng và đặc tính quang học tương đương kim cương tự nhiên với chi phí thấp hơn và ít ảnh hưởng đến môi trường.
Quá trình tạo kim cương CVD
CVD (Chemical Vapor Deposition) là cách nuôi cấy kim cương trong phòng thí nghiệm lắng đọng hơi hóa học được đánh giá cao nhờ chi phí thấp hơn phương pháp HPHT trong một số trường hợp, đặc biệt đối với kim cương có kích thước lớn.
Quá trình này bắt đầu bằng việc đặt một “hạt giống” kim cương (thường là một mảnh kim cương tự nhiên hoặc tổng hợp chất lượng cao) trong một buồng chân không. Buồng này sau đó được nạp đầy khí giàu carbon, chẳng hạn như methane (CH4) và được đun nóng đến khoảng 700 đến 1000 độ C.
Dưới tác động của năng lượng từ một nguồn như tia plasma, vi sóng, laser… khí carbon bị phân tách, tạo thành các nguyên tử carbon. Các nguyên tử này từ từ lắng đọng lên bề mặt mảnh kim cương, tạo thành các lớp kim cương mới.
Phương pháp CVD cho phép tạo ra kim cương một cách nhanh chóng, nhưng đôi khi cần thêm bước xử lý sau khi kim cương hình thành để cải thiện màu sắc và độ trong suốt.
Kim cương CVD so với HPHT? Chế tạo kim cương bằng CVD ngày càng trở nên phổ biến hơn trong việc sản xuất kim cương chất lượng cao cho ngành trang sức, trong khi HPHT vẫn thường được sử dụng nhiều hơn để tạo ra kim cương tổng hợp cho mục đích công nghiệp và một số loại kim cương màu.
Các công nghệ tạo kim cương được ứng dụng mới nhất
Tạo kim cương làm từ kim loại lỏng
Các nhà khoa học tại Hàn Quốc đã phát triển một phương pháp mới sử dụng hỗn hợp kim loại lỏng, thường dựa trên gali, ở nhiệt độ khoảng 1.200 độ C và áp suất thấp hơn nhiều so với phương pháp HPHT, để tạo ra kim cương trong khoảng 2 tiếng 30 phút. Mặc dù phương pháp này vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển, nhưng đã mở ra tiềm năng mới trong ngành công nghiệp kim cương nhân tạo.
Phương pháp Gali-Silicon tạo kim cương trong 15 phút
Một bước đột phá gần đây trong việc tổng hợp kim cương là phương pháp sử dụng gali đun nóng kết hợp với silicon, cho phép tạo ra kim cương chỉ trong 15 phút. Quá trình này diễn ra ở áp suất thông thường, không cần đến áp suất cao như phương pháp HPHT hay CVD.
Dù phương pháp này nhanh chóng và tiết kiệm chi phí, nhưng kích thước của viên kim cương tạo ra thường rất nhỏ, khó có thể so sánh với kim cương tự nhiên hay kim cương được tạo ra bằng phương pháp HPHT về mặt thương mại.
Lưu ý: Công nghệ Gali-Silicon là cách làm kim cương giả chưa có kiểm chứng cụ thể để xác nhận hiệu quả. Vì vậy, trước khi quyết định áp dụng hay đầu tư vào công nghệ này, bạn nên chờ đợi thêm các nghiên cứu và bằng chứng thực nghiệm rõ ràng trong tương lai.
Hướng dẫn cách tạo kim cương nhân tạo tại nhà
Sau đây là hướng dẫn từng bước từ Cao Hùng, giúp bạn tự mình tạo ra một viên kim cương đơn giản từ những vật dụng quen thuộc trong gia đình.
Bước 1: Chuẩn bị nguyên vật liệu
Bạn cần chuẩn bị 2 cốc sứ, 3 mảnh ruột bút chì 3mm (graphite), một vài giọt dầu oliu nguyên chất, một đoạn sợi chỉ cotton 100% (khoảng 5 inch) và một lò vi sóng đã được làm sạch kỹ lưỡng.
Bước 2: Chuẩn bị sợi chỉ với dầu oliu
Nhỏ vài giọt dầu oliu lên một đĩa nhỏ và đặt sợi chỉ cotton lên để dầu thấm đều. Dầu oliu sẽ giúp tập trung nhiệt vào một điểm nhất định trên mảnh graphite trong quá trình nấu. Sau đó, buộc một nút lỏng trên sợi chỉ để sau này dễ dàng tròng qua mảnh graphite.
Bước 3: Chuyển dầu oliu sang graphite
Cẩn thận buộc sợi chỉ đã thấm dầu oliu quanh một mảnh ruột bút chì. Hãy đảm bảo rằng nút buộc đủ chặt để giữ graphite nhưng không quá căng để tránh làm hỏng. Sử dụng hai nửa que tăm để nâng mảnh graphite lên, giữ cho mảnh graphite không chạm vào đĩa. Đợi khoảng 30 phút để dầu oliu thấm hoàn toàn vào graphite.
Bước 4: Sắp xếp “nồi nấu”
Lật úp một chiếc cốc sứ xuống và đặt hai mảnh graphite không có dầu song song trên mặt đáy của cốc. Tiếp đó, đặt mảnh graphite đã được buộc sợi chỉ nằm ngang trên hai mảnh graphite này, không được tiếp xúc trực tiếp với cốc. Sau đó, úp chiếc cốc sứ thứ hai lên trên để tạo ra một không gian kín, giống như một chiếc nồi nấu để tập trung nhiệt độ.
Bước 5: Đặt “nồi nấu” vào lò vi sóng
Đặt “nồi nấu” đã chuẩn bị vào lò vi sóng, có thể cần phải tháo khay kính để đủ chiều cao cho các cốc. Đặt thời gian lò vi sóng ở mức tối đa và công suất cao nhất. Trong vài phút đầu, sẽ có những tia lửa nhỏ do dầu oliu phản ứng với graphite, hiện tượng này là bình thường và sẽ dừng sau một thời gian. Sau khi hoàn thành quá trình nấu, để lò nguội hoàn toàn trước khi lấy ra.
Bước 6: Kết quả
Khi lò vi sóng đã nguội, hãy cẩn thận mở cốc và lấy mảnh graphite ra. Bạn sẽ thấy một viên kim cương nhỏ, chỉ to hơn hạt cát một chút, đã hình thành tại vị trí được buộc chỉ.
Lưu ý: Quy trình chế tạo kim cương tại nhà này là một thử nghiệm không an toàn. Lò vi sóng có thể sẽ không thể tạo ra nhiệt độ và áp suất đủ lớn để chuyển graphite thành kim cương, điều này có thể dẫn đến hỏng thiết bị hoặc gây ra cháy nổ. Do đó, bạn nên cân nhắc việc thực hiện. Thay vào đó, bạn hãy sử dụng các phương pháp đã được khoa học chứng minh để đảm bảo tính khả thi và an toàn.
Tương lai của ngành sản xuất kim cương nhân tạo
Tương lai của ngành sản xuất kim cương nhân tạo đang có sự tăng trưởng về thị phần và sự chấp nhận rộng rãi từ người tiêu dùng. Theo Vietstock (lấy dữ liệu từ Zimnisky), kim cương nhân tạo đã chiếm khoảng 18,4% tổng thị trường kim cương vào năm 2023, so với 2% vào năm 2017. Sự phát triển này giúp giảm chi phí và các tác động tiêu cực đến môi trường trong quá trình sản xuất kim cương tự nhiên.
Tuy nhiên, sự tăng trưởng nhanh chóng này đã làm cho giá kim cương nhân tạo giảm mạnh do sản xuất quá mức. Điều này dẫn đến tình trạng các nhà sản xuất và bán lẻ kim cương tổng hợp không thể cạnh tranh về giá có thể phá sản. Ngành công nghiệp kim cương nhân tạo cũng đang chuyển hướng sang sản xuất bền vững với các tiêu chuẩn mới về sử dụng năng lượng tái tạo và thu giữ carbon.
Ấn Độ, một trong những trung tâm chế tác kim cương lớn nhất thế giới, đang từng bước tham gia mạnh mẽ hơn vào thị trường kim cương nhân tạo, nhưng Trung Quốc và Hoa Kỳ vẫn là các quốc gia dẫn đầu trong sản xuất kim cương tổng hợp. Tương lai của ngành này sẽ phụ thuộc vào khả năng cân bằng giữa việc mở rộng sản xuất, đáp ứng nhu cầu thị trường và duy trì giá trị bền vững cho sản phẩm.
Hy vọng qua bài viết này, bạn đã hiểu rõ hơn về cách tạo ra kim cương nhân tạo, các phương pháp phổ biến và tiềm năng của chúng trong tương lai. Mặc dù loại kim cương này sở hữu các đặc tính tương tự như kim cương hình thành trong tự nhiên, nhưng chúng không thể thay thế hoàn toàn do giá trị, ý nghĩa và sự khan hiếm của kim cương thiên nhiên. Để được tư vấn chi tiết hơn về bài viết hoặc các vấn đề liên quan đến trang sức kim cương, mời bạn trực tiếp liên hệ Cao Hùng để được hỗ trợ nhanh chóng.
Xem tiếp: Ý nghĩa của kim cương