Quá trình hình thành kim cương trong tự nhiên và trong phòng thí nghiệm

Kim cương một loại đá quý biểu tượng cho sự vĩnh cửu và sang trọng, thực chất là một dạng tinh thể của nguyên tố cacbon. Những viên kim cương lấp lánh mà chúng ta thấy ngày nay đã trải qua một quá trình địa chất kỳ diệu kéo dài hàng triệu đến hàng tỷ năm dưới lòng đất. Để một viên kim cương tự nhiên ra đời, cần hội tụ đủ bốn yếu tố cơ bản: carbon, áp suất cực cao, nhiệt độ rất lớn và thời gian. Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá chi tiết quá trình hình thành kim cương trong tự nhiên, đồng thời tìm hiểu về kim cương từ ngoài vũ trụ, kim cương nhân tạo, cấu tạo tinh thể và cách con người khai thác những viên đá quý giá này.

Kim cương được hình thành như thế nào trong tự nhiên?

Kim cương tự nhiên hình thành sâu trong lòng đất, tại lớp phủ của Trái Đất – thường ở độ sâu khoảng 140–200 km dưới bề mặt. Ở độ sâu này, áp suất vào khoảng 45 – 60 kilobar (tương đương ~5 GPa) và nhiệt độ lên tới 900 – 1300 °C. Chính môi trường khắc nghiệt đó mới khiến các nguyên tử carbon kết tinh thành cấu trúc kim cương bền vững. Các nghiên cứu chỉ ra rằng phần lớn kim cương trên Trái Đất hình thành từ rất lâu, khoảng 1 đến 3,5 tỷ năm trước – tức là từ thời tiền sử sơ khai của hành tinh. Nguồn nguyên liệu để tạo ra kim cương chính là carbon hữu cơ và vô cơ có sẵn trong tự nhiên: carbon vô cơ đến từ khoáng vật dưới sâu trong lòng đất, còn carbon hữu cơ vốn là tàn tích sinh vật (ví dụ cây cối cổ đại) bị chôn vùi và trải qua biến đổi địa chất. Dưới đây, chúng ta sẽ đi từng bước qua hành trình hình thành nên một viên kim cương thô trong tự nhiên.

Cụ thể, quá trình hình thành kim cương tự nhiên diễn ra qua các giai đoạn chính như sau:

• Khởi đầu: Carbon dưới áp suất và nhiệt độ cực cao – Carbon cần thiết cho kim cương có thể bắt nguồn từ xác thực vật cổ đại dưới đáy biển hoặc các trầm tích giàu carbon khác. Những vật liệu này bị hút chìm vào sâu trong lòng đất qua hoạt động kiến tạo mảng. Ở độ sâu khoảng 150 km hoặc hơn, áp suất vượt 5 gigapascal và nhiệt độ trên 1000 °C sẽ tạo điều kiện cho carbon bắt đầu biến đổi. Chỉ trong môi trường đặc biệt khắc nghiệt (tương đương hàng chục ngàn atm áp suất và nhiệt độ của dung nham), carbon mới có thể kết tinh thành kim cương thay vì các dạng thông thường như than chì.
• Carbon kết tinh thành kim cương: Dưới sức ép khổng lồ và nhiệt độ cao, các nguyên tử carbon trong vật liệu ban đầu tái sắp xếp thành cấu trúc tinh thể lập phương đặc trưng của kim cương. Mỗi nguyên tử carbon liên kết chặt chẽ với bốn nguyên tử carbon xung quanh, tạo thành mạng lưới 3D cực kỳ bền vững. Quá trình kết tinh này diễn ra rất chậm, đòi hỏi thời gian hàng triệu năm để các nguyên tử dịch chuyển và gắn kết hoàn hảo. Kết quả thu được là những khối kim cương thô ẩn sâu trong đá magma của lớp phủ. Chính cấu trúc mạng nguyên tử đặc biệt này làm cho kim cương trở thành vật liệu cứng nhất trong tự nhiên mà con người biết đến.
• Di chuyển lên bề mặt Trái Đất:  Kim cương hình thành ở tầng sâu sẽ không tự “bò” lên mặt đất nếu không có tác động nào. Thực tế, chúng được đưa lên gần bề mặt nhờ các đợt phun trào núi lửa đặc biệt gọi là phun trào kimberlit (hoặc lamproit). Đây là những vụ phun trào xuất phát từ rất sâu trong lớp phủ, mang theo mảnh vụn đá giàu kim cương (gọi là xenolith) di chuyển qua đường ống magma rồi “đặt” kim cương lại ở lớp vỏ nông hơn. Tốc độ phun trào phải đủ nhanh để kim cương không bị phân hủy hoặc biến đổi thành dạng carbon khác (như than chì) trong điều kiện áp suất và nhiệt độ giảm dần. Các ống magma kimberlit cổ đại (đã nguội) chính là nơi lưu giữ kim cương thô cho tới khi được tìm thấy.
• Hình thành mỏ kim cương: Sau hàng chục triệu năm kể từ khi hình thành, nhiều kim cương vẫn nằm yên trong các ống kimberlit dưới lòng đất. Qua thời gian, một số ống kimberlit lộ thiên do xói mòn, hoặc vỡ ra giải phóng kim cương vào các dòng phù sa sông suối. Những mỏ kim cương nổi tiếng thế giới – như mỏ Kimberley (Nam Phi), mỏ Mir (Nga) hay mỏ Argyle (Úc) – đều là những miệng ống kimberlit đã được phát hiện và khai thác. Tuy trữ lượng kim cương trong tự nhiên rất hạn chế, sự phân bố của chúng khá rộng: con người đã tìm thấy kim cương trên khắp các lục địa, từ Siberia, châu Phi cho đến Bắc Mỹ, Úc… nhưng chủ yếu tập trung ở những vùng nền địa chất rất cổ (craton) nơi có điều kiện thuận lợi hình thành kim cương.

Kim cương hình thành từ ngoài vũ trụ

Không chỉ trong lòng đất, kim cương còn xuất hiện ở những nơi ngoài hành tinh, thậm chí rơi xuống Trái Đất từ vũ trụ. Các nhà khoa học đã phát hiện những tinh thể kim cương siêu nhỏ trong lõi thiên thạch – kết quả của các vụ va chạm vũ trụ trong quá khứ. Đáng chú ý, vào năm 2022, giới nghiên cứu xác nhận sự tồn tại của lonsdaleite, một dạng kim cương đặc biệt có cấu trúc lục giác (thay vì lập phương như kim cương thông thường) được tìm thấy trong thiên thạch ureilite. Lonsdaleite được cho là hình thành sau vụ va chạm giữa một tiểu hành tinh với hành tinh lùn khoảng 4,5 tỷ năm trước – áp suất và nhiệt độ từ vụ va chạm đã tạo ra kim cương lục giác này, thậm chí loại kim cương này còn cứng hơn kim cương bình thường. Những hạt bụi kim cương trong thiên thạch cũng giúp các nhà khoa học truy nguyên nguồn gốc và vị trí va chạm của chúng trên Trái Đất.

Quá trình hình thành kim cương nhân tạo trong phòng thí nghiệm

Kim cương tự nhiên quý giá và hiếm hoi, do đó con người đã tìm cách tạo ra kim cương nhân tạo để đáp ứng nhu cầu công nghiệp và trang sức. Vậy kim cương nhân tạo được tạo ra như thế nào? Về cơ bản, các nhà khoa học mô phỏng lại điều kiện hình thành kim cương trong lòng đất để tổng hợp kim cương trong phòng thí nghiệm. Hiện nay có hai phương pháp chính để chế tạo kim cương nhân tạo:

• Phương pháp cao áp cao nhiệt (HPHT): Đây là phương pháp lâu đời nhất, tạo môi trường tương tự như lòng đất sâu. Một buồng áp suất kín chứa mầm kim cương và bột carbon được nung nóng chảy cùng kim loại (sắt, nickel hoặc cobalt). Máy ép đặc biệt sẽ tạo áp suất cực lớn và nhiệt độ khoảng 1.300–1.600 °C trong buồng này. Sau vài tuần đến một tháng, carbon kết tinh trên mầm, hình thành nên những tinh thể kim cương tổng hợp có kích thước đủ lớn. Phương pháp HPHT có thể tạo ra nhiều tinh thể kim cương một lúc, tuy nhiên kích thước và chất lượng thường bị giới hạn bởi điều kiện buồng ép.
• Phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD): Phương pháp mới hơn này không đòi hỏi áp suất khủng khiếp như HPHT mà sử dụng phản ứng hóa học trong môi trường chân không. Khí hydrocarbon (giàu carbon) được bơm vào buồng phản ứng và bị kích thích (bằng plasma vi sóng hoặc laser) để phá vỡ phân tử, giải phóng nguyên tử carbon. Những nguyên tử carbon tự do sẽ lắng đọng xuống nền mầm kim cương và dần dần kết tinh thành lớp kim cương mỏng. Quá trình CVD thường kéo dài vài tuần, có thể tạo ra nhiều viên kim cương cùng lúc tùy kích thước buồng và số lượng mầm. Kim cương CVD có cấu trúc và tính chất gần như tương đồng kim cương tự nhiên, độ tinh khiết thậm chí có thể cao hơn do được kiểm soát trong phòng lab.

Kim cương nhân tạo ngày nay có chất lượng rất cao – lên tới 4C (màu sắc, độ sạch, độ cắt, trọng lượng) tương đương kim cương tự nhiên – nhưng giá thành rẻ hơn vì có thể sản xuất hàng loạt. Tuy nhiên, để phân biệt, các chuyên gia vẫn có thể nhận ra một số dấu vết đặc thù: chẳng hạn kim cương HPHT thường có bao thể kim loại nhỏ, còn kim cương CVD đôi khi có tăng trưởng theo từng lớp mỏng. Dù vậy, sự ra đời của kim cương nhân tạo đã giúp giảm áp lực khai thác kim cương tự nhiên cũng như mở ra khả năng ứng dụng kim cương rộng rãi hơn trong công nghiệp (ví dụ: chế tạo mũi khoan, linh kiện bán dẫn, v.v.).

Xem thêm: Cận cảnh quá trình điều chế kim cương nhân tạo A-Z

Cấu tạo tinh thể và tính chất của kim cương

Về thành phần hóa học, kim cương có công thức hóa học rất đơn giản: C (carbon tinh khiết). Hơn 99,95% cấu tạo kim cương là nguyên tử carbon, chỉ một lượng rất nhỏ tạp chất (khoảng 0,05%) như boron hoặc nitrogen xen vào cấu trúc mạng. Chính sự tinh khiết này khiến kim cương gần như không màu (các biến thể màu là do tạp chất hoặc khuyết điểm mạng tinh thể). Cần lưu ý, carbon trong tự nhiên tồn tại ở nhiều dạng khác nhau: ví dụ than chì (graphite) cũng là carbon thuần túy nhưng mềm và đen, do cấu trúc tinh thể dạng lớp phẳng. Ngược lại, kim cương có cấu trúc tinh thể lập phương với liên kết không gian 3 chiều, nên cực kỳ cứng và trong suốt. Trong tự nhiên, carbon để tạo thành kim cương thường xuất phát từ các nguồn như đá carbonat hoặc chất hữu cơ bị chôn vùi sâu – nếu thiếu áp suất và nhiệt độ, các vật liệu này sẽ chỉ trở thành than đá, than chì hoặc than bùn chứ không thành kim cương được.

Ở cấp độ vi mô, mỗi nguyên tử C trong mạng kim cương đều liên kết với 4 nguyên tử C lân cận theo cấu trúc tứ diện đều. Điều này tạo nên một mạng lưới đối xứng hoàn hảo trong không gian ba chiều. Mật độ nguyên tử trong kim cương rất cao, khiến cấu trúc cực kỳ đặc và bền chắc. Nhờ vậy, kim cương trở thành vật liệu cứng nhất trên thang Mohs với độ cứng 10/10 – không có khoáng vật tự nhiên nào sánh được. Khả năng chống trầy xước của kim cương gần như tuyệt đối; chỉ có một viên kim cương khác mới có thể cắt hoặc làm xước được kim cương. Bên cạnh độ cứng, kim cương còn nổi tiếng ở độ trong suốt và chiết suất cao: ánh sáng đi vào kim cương bị bẻ góc mạnh (chiết quang) rồi phản xạ nhiều lần bên trong, tạo ra hiệu ứng lấp lánh “ánh lửa” rực rỡ. Những tính chất đặc biệt này làm kim cương vừa quý trong công nghệ (ứng dụng làm dao cắt, mũi khoan, linh kiện quang học…) vừa được ưa chuộng trong chế tác trang sức.

Quá trình khai thác kim cương tự nhiên

Sau khi hình thành và nằm lại gần bề mặt địa chất, những viên kim cương thô cần được phát hiện và khai thác qua các hoạt động khai mỏ. Vậy kim cương được khai thác như thế nào từ lòng đất? Trên thực tế, kim cương không lộ diện dễ dàng mà ẩn trong các loại đá đặc biệt (như đá kimberlit). Các nhà địa chất phải dựa vào dấu hiệu gián tiếp để tìm mỏ kim cương. Một phương pháp khá độc đáo là dựa vào loài mối: Ở một số vùng châu Phi, người ta quan sát thấy đất đá mà mối đào lên đắp tổ có chứa khoáng chất đặc trưng của kimberlit, gợi ý dưới lòng đất có ống kimberlit – nơi có thể tìm thấy kim cương. Khi xác định được vị trí ống kimberlit, quá trình khai thác sẽ bắt đầu.

Thông thường, nếu kim cương nằm nông (gần mặt đất hoặc chỉ bị phủ bởi lớp đất đá mỏng), người ta áp dụng phương pháp khai thác lộ thiên (open-pit mining). Máy móc hạng nặng được huy động để bóc hết hàng chục mét đất đá phủ bên trên miệng ống, sau đó khoét xuống dạng hố mở rộng dần để lấy quặng kimberlit chứa kim cương. Phương pháp lộ thiên hiệu quả với mỏ nông, chi phí rẻ hơn và thu được nhiều quặng hơn. Đối với những mỏ kim cương nằm sâu hơn trong lòng đất, khai thác hầm lò (underground mining) sẽ được triển khai. Kỹ sư mỏ phải đào các đường hầm theo cấu trúc thân ống kimberlit, tính toán chống đỡ địa chất cẩn thận vì khai thác ngầm phức tạp và tốn kém hơn rất nhiều.

Sau khi quặng kimberlit được đưa lên, công việc vẫn chưa xong – vì kim cương thô chỉ chiếm một phần cực nhỏ trong khối lượng đất đá. Trung bình, cần xử lý khoảng 250 tấn quặng mới thu được 1 carat (0,2 gram) kim cương thô. Quặng được nghiền nhỏ và cho đi qua nhiều bước xử lý công phu: tách bằng trọng lực, đãi bằng mỡ (dựa trên tính kị nước và bám dầu mỡ đặc trưng của kim cương) và soi bằng tia X để nhận diện những viên phát sáng đặc trưng. Cuối cùng, kim cương thô được phân loại, đánh giá rồi mới chuyển tới khâu cắt mài. Mỗi viên kim cương thô khi mới khai mỏ thường có hình dạng đa giác không đều và bề mặt mờ. Chỉ sau khi qua tay các nghệ nhân mài cắt với kỹ thuật tinh xảo (thường dùng chính bột kim cương mài lên kim cương khác), viên đá mới lộ rõ vẻ đẹp rực rỡ.

Quá trình hình thành kim cương từ lòng đất hay trong phòng thí nghiệm cho đến khi trở thành viên ngọc sáng lấp lánh là một hành trình dài và kỳ diệu. Mỗi viên kim cương mang trong mình câu chuyện hàng triệu năm của tự nhiên, sự khéo léo của con người và những giá trị văn hóa sâu sắc. Hy vọng là những thông tin này sẽ giúp ích cho quá trình tìm hiểu thông tin về kim cương của bạn.

Mời đọc tiếp: Cách tạo ra kim cương đẹp và tinh khiết như tự nhiên