Hình 1: Những viên ruby đạt chất lượng đá quý từ 3 nguồn khác nhau trên thế giới (Trái: Madagascar; 1,02 ct. Giữa: Myanmar; 1,52 ct. Phải: Mozambique; 1,18 ct.

Giới thiệu

Ruby là biến loại mầu đỏ chứa crom của khoáng vật corindon (Al₂O₃). Từ xa xưa, ruby đã là loại đá quý rất nổi tiếng trên thị trường đá quý và trang sức nhờ mầu đỏ có độ bão hòa cao, độ cứng cao và độ phản chiếu ánh sáng tốt (hình 1). Vào những năm gần đây, nhu cầu về ruby vẫn tiếp tục tăng trong khi sản lượng khai thác những viên đạt chất lượng cao đang ít dần. Vì thế, một số nhà cung cấp có xu hướng tập trung vào việc tăng cường chất lượng của những viên ruby chất lượng thấp bằng các phương pháp xử lý nhiệt khác nhau, chủ yếu để cải thiện mầu sắc và độ tinh khiết. Ngoài xử lý nhiệt, corindon cũng được xử lý bằng chiếu xạ. Pough & Rogers (1947) đã báo cáo rằng chiếu xạ tia X có thể tạo ra các gam mầu vàng trong tất cả các biến loại của corindon, nhưng mức độ thay đổi mầu sau chiếu xạ cũng còn phụ thuộc vào độ bão hòa mầu ban đầu của các viên đá.

Trong trường hợp ruby, có một số phương pháp để loại bỏ ánh tía và biến chúng thành mầu đỏ tươi hơn, cụ thể là bằng cách thêm gam mầu vàng khi xử lý ở nhiệt độ thấp và xử lý nhiệt berili. Với phương pháp xử lý chiếu xạ, người ta biết rằng mầu vàng sau chiếu xạ của corindon có liên quan với sai lệch cấu trúc tinh thể (tâm mầu) và rằng, chúng có thể không bền vững khi tiếp xúc lâu với ánh sáng ban ngày hoặc/ và với tác dụng nhiệt độ (Pisutha-Arnond et al., 2004). Đây đặc biệt là trường hợp khi mầu sau khi được chiếu xạ sẽ không bền vững và bị phai trở lại mầu ban đầu của viên đá.

Vì thế, các tác giả đã khảo sát một nhóm được lựa chọn các mẫu ruby đã chiếu xạ để hiểu rõ hơn ảnh hưởng của phương pháp xử lý này và phát triển các phương pháp nhận biết tiềm năng cho các phòng kiểm định đá quý. Trong nghiên cứu này, những viên ruby được chọn có mầu đỏ phớt tía đến từ Myanmar, Mozambique và Madagascar đã được khảo sát. Việc chiếu xạ thực nghiệm bằng tia gamma và chùm điện tử trên những mẫu ruby của chúng tôi đã được thực hiện tại một cơ sở chuyên dụng ở Thái Lan. Tất cả các mẫu ruby đều trải qua phép thử độ bền mầu sau khi được xử lý chiếu xạ. Sự thay đổi mầu sắc của các mẫu ruby này được nghiên cứu bằng phương pháp quang phổ hấp thụ UV-Vis và bằng phép chụp ảnh mầu để so sánh mầu sắc của chúng trước và sau khi chiếu xạ, cũng như sau khi thực hiện phép thử độ bền mầu.

Vật liệu và Phương pháp

06 viên ruby chưa xử lý đã được chọn cho nghiên cứu này, gồm cả các mẫu thô và mẫu đã chế tác (mài facet). Chúng được thu thập từ 3 nguồn: Myanmar, Mozambique và Madagascar. Tất cả những mẫu này được cung cấp bởi Phòng Kiểm định Đá quý thuộc Viện Đá quý và Trang sức Thái Lan (Tổ chức công). Những bức ảnh của mẫu được chụp trong một hộp đèn tiêu chuẩn với các bóng đèn huỳnh quang 5.500K. Phép thử độ bền mầu đối với ruby sau khi chiếu xạ đã được thực hiện dưới đèn sợi quang (halogen) 15V & 150W. Thời gian chiếu là 6 giờ.

Chiếu xạ bằng gamma và chùm tia điện tử được áp dụng trong xử lý ruby với liều chiếu 1.000 kGy. Bức xạ gamma được tạo ra bằng cách sử dụng 6 cột cobalt-60 (60Co) ở mức năng lượng 1,17 và 1,33 MeV. Với bức xạ chùm điện tử, chúng tôi sử dụng một máy gia tốc điện tử năng lượng cao, vận hành ở mức 20 MeV với công suất 10MW. Các thiết bị cho cả hai phương pháp chiếu xạ này được đặt tại Viện công nghệ hạt nhân Thái Lan (Tổ chức công), tỉnh Nakhon Nayok. Phổ hấp thụ UV-Vis của ruby trước và sau khi xử lý được phân tích bằng cách sử dụng một máy quang phổ LAMBDA 1050 của hãng PerkinElmer. Kết quả đo cường độ hấp thụ được hiển thị theo đơn vị hệ số hấp thụ (cm^-1).

Kết quả xử lý chiếu xạ

Sự thay đổi mầu sắc do chiếu xạ và phép thử độ bền mầu

Chiếu xạ gamma: Hình 2 cho thấy mầu của những viên ruby trước và sau khi chiếu xạ, cũng như sau phép thử độ bền mầu. Chiếu xạ gamma tạo ra sắc mầu vàng nhạt trong ruby Mozambique. Kết quả là tạo ra mầu đỏ cam của mẫu này. Ngoài ra, các dải mầu lam cũng biến mất. Mầu của mẫu ruby Madagascar của chúng tôi trở nên đỏ hơi tối hơn sau chiếu xạ, trong khi ruby Myanmar vẫn không thay đổi do chiếu xạ gamma. Sau phép thử độ bền mầu, ánh phớt vàng trong ruby Mozambique được chiếu xạ đã được loại bỏ và mẫu trở nên đỏ phớt hồng, mầu sắc tươi hơn hẳn so với trước khi chiếu xạ. Ngược lại với trường hợp này, những mẫu ruby từ Myanmar và Madagascar không thay đổi sau phép thử độ bền mầu.

Hình 2: Sự đổi mầu của các mẫu ruby sau khi được chiếu xạ gamma và trải qua phép thử độ bền mầu.

Ảnh: W. Suwanmanee

Chiếu xạ điện tử (chùm điện tử): Sau khi chiếu xạ bằng chùm tia điện tử, những mẫu ruby bổ sung từ Mozambique và Madagascar chuyển thành đỏ tươi hơn rất ít, trong khi mẫu ruby từ Myanmar thì không thay đổi. Tất cả các mẫu đều không thay đổi sau khi được thử độ bền mầu (hình 3).

Hình 3: Sự thay đổi mầu của các mẫu ruby sau khi được chiếu xạ điện tử và trải qua phép thử độ bền mầu.

Ảnh: W. Suwanmanee

Quang phổ UV-Vis

Phổ hấp thụ của ruby thường thể hiện chủ yếu ở 2 dải phổ rộng liên quan tới Cr³⁺ có tâm tại khoảng 411 và 558 nm và một loạt những đỉnh bổ sung liên quan với Cr³⁺ ở 693 nm (Schmetzer & Schwarz, 2004; Promwongnan & Sutthirat, 2019). Một dải khác ở khoảng 330 nm là do sự có mặt của cặp Fe³⁺ – Fe³⁺ (Promwongnan & Sutthirat, 2019). Phổ hấp thụ của mẫu ruby từ Mozambique (hình 4) cho thấy sự hấp thụ tăng cường trong khoảng 300 – 600 nm sau khi chiếu xạ gamma và sự hấp thụ giảm nhẹ sau phép thử độ bền mầu. Bằng cách tách phổ hấp thụ UV-Vis ban đầu của mẫu chưa xử lý khỏi phổ của những mẫu đã chiếu xạ (hình 5, đường mầu đen), thì sự tăng cường hấp thụ sau chiếu xạ sẽ trở nên rõ ràng hơn (2 dải rộng giữa 300  – 600 nm), có thể là kết quả của tâm mầu được kích hoạt (Pisutha-Arnond và cộng sự, 2004). Tuy nhiên, những dải hấp thụ do chiếu xạ này đã hơi giảm đi sau phép thử độ bền mầu (hình 5, đường mầu đỏ).

Hình 4: So sánh phổ UV-Vis của mẫu ruby Mozambique trước khi xử lý (đường mầu đen), sau khi được chiếu xạ gamma (đường mầu đỏ) và sau phép thử độ bền mầu (đường mầu lam).

Hình 5: Phổ UV-Vis thu được sau khi tách phổ hấp thụ ban đầu của  mẫu chưa xử lý khỏi phổ của mẫu đã chiếu xạ gamma (đường mầu đen), và phổ của mẫu  chiếu xạ gamma sau phép thử độ bền mầu (đường mầu đỏ)

Các nhận xét thay cho kết luận

Các kết quả thực nghiệm cho thấy rằng, cả chiếu xạ gamma và chùm điện tử đều có thể tạo ra gam mầu phớt vàng trong ruby mầu đỏ phớt tía, đặc biệt là trong những mẫu đến từ Đông Phi (như Mozambique và Madagascar). Những thực nghiệm của chúng tôi đã chỉ ra rằng, chiếu xạ gamma có thể tạo ra những gam mầu phớt vàng rõ ràng hơn so với chiếu xạ bằng chùm điện tử. Sự chuyển đổi sang mầu vàng nhạt sau chiếu xạ đã dẫn tới sự hơi tăng hấp thụ giữa 300 – 600 nm do sai lệch cấu trúc được kích hoạt (tâm mầu). Bằng việc áp dụng phép thử độ bền mầu, chúng tôi có thể loại bỏ một phần gam mầu phớt vàng trong ruby được chiếu xạ, đặc biệt là trong ruby Mozambique. Nhưng mầu trong mẫu này không hoàn toàn trở lại mầu đỏ phớt tía ban đầu. Như đã chỉ ra, phổ hấp thụ có thể thay đổi chút ít bởi phương pháp xử lý này. Tuy nhiên, sự hơi thay đổi về phổ hấp thụ này cho tới nay vẫn chưa thể được sử dụng một cách hữu hiệu như là một chỉ dấu rằng viên ruby đã được xử lý chiếu xạ. Cần có thêm những thực nghiệm nữa trong tương lại gần để hiểu rõ hơn về xử lý chiếu xạ ruby và độ bền mầu của nó.

Tác giả: 

Waratchanok Suwanmanee, Chotika Kittikunlayaworakun, Thanapong Lhuaamporn, Chanenkant Jakkawanvibul, Thanong Leelawatanasuk, Wilawan Atichat, Visut Pisutha-Arnond, Nongnuch Jangsawang, and Kanwalee Pangza

The Gem and Jewelry Institute of Thailand (Public Organization), Bangrak, Bangkok, 10500, Thailand

Thailand Institute of Nuclear Technology (Public Organization), Ongkarak, Nakornnayok, 26120, Thailand swaratchanok@git.or.th

Tài liệu tham khảo:

• Pisutha-Arnond, V., Hager, T., Wathanakul, P., and Atichart, W. 2004. Yellow and Brown Colouration in Beryllium-Treated Sapphires, Journal of Gemmology, 29 (2), 77-103.
• Pough, F.H. and Rogers, T.H. 1947. Experiments in x-ray irradiation of gemstones. American Mineralogist, 32 (1-2), 31–43.
• Promwongnan, S. and Sutthirat, C. 2019. An Update on Mineral Inclusions and Their Composition in Ruby from the Bo Rai Gem Field in Trat Province, Eastern Thailand, Journal of Gemmology, 36 (7), 634-645.
• Schmetzer, K. and Schwarz, D. 2004. The Causes of Colour in Untreated, Heat Treated and Diffusion Treated Orange and Pinkish-Orange Sapphires – A Review, Journal of Gemmology, 29 (3), 149-182.

Nguồn: IGC2023 Trang 138 – 141