Opal là một loại đá quý với vẻ đẹp quyến rũ bắt nguồn từ cấu trúc vi mô phức tạp, tạo nên chủ yếu từ oxit silic (silica). Ở những mẫu vật hấp dẫn nhất, sự nhiễu xạ ánh sáng từ cấu hình ba chiều của các quả cầu oxit silic tạo ra một hiệu ứng “trò chơi mầu sắc” (play of color) độc đáo, khác biệt từ viên opal này sang viên opal khác. Tuy nhiên, vị thế cao quý của những viên opal chất lượng ngọc lại bị ảnh hưởng bởi tính dễ bị mất ổn định của chúng. Vật liệu đá quý này được coi là không ổn định nếu một số tính chất vật lý nhất định, đặc biệt là màu sắc, độ trong suốt và độ kết dính, có xu hướng bị thay đổi theo thời gian. Tính không ổn định của opal biểu hiện qua hai dạng rõ ràng: mất đi độ trong suốt (“trắng hóa”) và sự hình thành các vết nứt (Rondeau et al., 2011). Đương nhiên, những thay đổi này sẽ ảnh hưởng đáng kể đến giá trị của mẫu vật.

Opal là một thuật ngữ chung chỉ một loạt các biến loại ngậm nước tự nhiên của oxit silic, từ loại không kết tinh đến loại kết tinh ở kích cỡ nano. Trong một số trường hợp, các hạt có kích thước hàng trăm nanomet phân tán đơn phân có thể tự sắp xếp thành những cấu hình có trật tự, tạo ra hiệu ứng “trò chơi mầu sắc mê hoặc do hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng nhìn thấy. Opal có thể sở hữu cấu trúc xốp có thể chứa nước, hoặc là dưới dạng nước phân tử (H2O) hoặc ở dạng silanol (SiOH). Trong một nghiên cứu gần đây, chúng tôi đã thu thập hơn 200 kết quả đo từ tài liệu tham khảo (Chauviré et al., 2023) và, bằng cách bổ sung thêm một số kết quả đo chưa được thu thập trước đó (Villie, 2003), chúng tôi ước tính rằng opal thường chứa 7,07 ± 3,28% nước tính theo trọng lượng (bao gồm cả nước phân tử và silanol).

Cả tính chất  “trắng hóa” lẫn hiện tượng nứt vỡ của opal đã được ghi nhận trong văn liệu, và các nghiên cứu thực nghiệm ban đầu về sự mất ổn định của opal đã chỉ ra ảnh hưởng mang tính quyết định của quá trình “mất nước” như là một yếu tố cơ bản (Pearson, 1985; Smith, 1988). Hiện tượng “trắng hóa” được cho là xuất phát từ tính xốp của đá quý, gây ra sự tán xạ ánh sáng. Chauviré et al. (2023) nhấn mạnh rằng, sự nứt vỡ trong điều kiện của môi trường xung quanh bắt nguồn từ cơ chế mất nước, theo đó, áp suất mao dẫn gây ra ứng suất, và ứng suất này dẫn đến hình thành các vết nứt. Kích thước của các lỗ rỗng đóng vai trò then chốt trong cả quá trình tán xạ ánh sáng lẫn hiện tượng mất nước.

Trong vài năm gần đây, kỹ thuật phổ hồng ngoại nhiệt độ thấp (FTIR) đã được sử dụng để tính toán kích thước lỗ rỗng trong opal dựa trên nhiệt độ đóng băng của nước (Chauviré & Thomas, 2020; Thomas et al., 2020). Đã xác định được rằng, nhiệt độ đóng băng thay đổi theo kích thước lỗ rỗng chứa nước (lỗ rỗng càng nhỏ thì nhiệt độ đóng băng càng thấp), và phổ hồng ngoại thì nhạy cảm với trạng thái pha của nước (lỏng hoặc băng đá). Bằng cách kiểm soát những thay đổi trong các dải hấp thụ liên quan đến nước trong opal trong các thực nghiệm ở nhiệt độ thấp, chúng ta có thể ước tính được kích thước lỗ rỗng. Chúng tôi đã phân tích một loạt mẫu opal hydrophan (được xác định là loại opal có khả năng trở nên trong suốt khi nhúng trong nước và đục trở lại khi khô nước, Hình 1) bằng quang phổ hồng ngoại nhiệt độ thấp trước và sau khi nhúng nước (tương ứng với trạng thái đục và trong suốt). Chúng tôi nhận thấy rằng, hầu hết opal hydrophan hầu như không hiển thị nước đóng băng (trên phổ FTIR) khi mất nước (sự dịch chuyển của dải hấp thụ thường thấy trong quá trình thí nghiệm), và một lượng đáng kể (nước đóng băng) khi ngậm nước (dải hấp thụ dịch chuyển đột ngột về phía các tần số cao hơn khi băng tan, Hình 2). Tốc độ dịch chuyển tối đa của các mẫu phân tích được quan sát thấy trong khoảng giữa -12 và -16°C. Với việc chuẩn hóa được thiết lập trong nghiên cứu của Thomas et al. (2020), chúng tôi tính toán được rằng opal hydrophan chứa các lỗ rỗng có kích thước từ 2,5 đến 3 nm, phù hợp với hiện tượng tán xạ ánh sáng. Tất cả các lỗ rỗng này đều được kết nối với nhau và với môi trường xung quanh, cho phép chúng được lấp đầy và rỗng nước từ bên ngoài.

Hình 1: Vị trí trọng tâm của dải hấp thụ hồng ngoại gần của nước trong opal ở nhiệt độ thấp.

Qua phân tích opal hydrophan, chúng tôi đã tính toán được kích thước lỗ rỗng liên quan đến hiện tượng tán xạ ánh sáng gây ra hiện tượng trắng hóa. Để mô phỏng hiệu quả sự tán xạ ánh sáng trong opal, một loạt các thông số cần phải được đánh giá, nhưng phương pháp này có thể dẫn đến việc dự đoán tác động của hiện tượng trắng hóa trước khi opal bị mất nước. Bằng cách kết hợp các phép đo kích thước lỗ rỗng với phương pháp hiện tại và một mô hình chính xác cho cả sự tán xạ ánh sáng và áp suất mao dẫn, chúng ta có thể phát triển một quy trình phân tích để xác định opal không ổn định trong tương lai.

Hình 2: Ví dụ về opal hydrophan trước và sau khi ngậm nước (hydration).

Tác giả:

Boris Chauviré, Jean-Yves Mevellec, Jacques Ferreire, Paul. S. Thomas, Emmanuel Fritsch

GeoGems, Guérande, France ; boris.chauvire@geogems.fr

Institut des Matériaux de Nantes Jean Rouxel, Nantes Université, CNRS, IMN, 44000 Nantes, France

Centre de Recherche Gemmologique, Nantes, France

School of Civil and Environmental Engineering, University of Technology, Sydney, NSW 2007, Australia

Tài liệu tham khảo:

• Aguilar-Reyes, B., 2004. Etude microstructurale des opales : application à la déstabilisation par blanchissement. PhD thesis, Université de Nantes.
• Chauviré, B., Mollé, V., Guichard, F., Rondeau, B., Thomas, P.S., Fritsch, E., 2023. Cracking of Gem Opals. Minerals 13, 356.
• Chauviré, B., Thomas, P.S., 2020. DSC of natural opal: insights into the incorporation of crystallisable water in the opal microstructure. J. Therm. Anal. Calorim. 140, 2077–2085.
• Jones, J.B., Segnit, E.R., 1971. Nature of Opal Part I : Nomenclature and constituent phases. J. Geol. Soc. Aust. 18, 57–68.
• Paris, M., Fritsch, E., Aguilar-Reyes, B., 2007. 1H, 29Si and 27Al NMR study of the destabilization process of a paracrystalline opal from Mexico. J. Non. Cryst. Solids 353, 1650–1656.
• Pearson, G., 1985. Role of Water in Cracking of Opal. Aust. Gemol. 15, 435–445.
• Rondeau, B., Fritsch, E., Mazzero, F., Gauthier, J., 2011. Opal – The Craze for Stability. InColor 4, 2–5.
• Smith, K.L., 1988. Opals from Opal Butte, Oregon. Gems Gemol. 24, 229–236.
• Thomas, P., Chauviré, B., Flower-Donaldson, K., Aldridge, L., Smallwood, A., Liu, B., 2020. FT-NIR and DSC characterisation of water in opal. Ceram. Int. 46, 29443– 29450.
• Villie, F., 2003. Déstabilisation des opales d’Ethiopie. DUG thesis. Université de Nante

Nguồn: Nguồn: Proceedings IGC2023, trang 73 – 74.