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

Kim cương, biểu tượng của sự vĩnh cửu và quyền lực, là một trong những khoáng chất quý hiếm và có giá trị nhất trên Trái đất. Để hiểu rõ hơn về sự hình thành của kim cương, chúng ta cần tìm hiểu về quá trình địa chất phức tạp kéo dài hàng triệu năm. Bài viết này, Cao Hùng Diamond sẽ đưa bạn vào hành trình từ sự bắt đầu dưới lòng đất sâu thẳm cho đến khi một viên kim cương sáng lấp lánh trên tay bạn.

Quá trình hình thành kim cương trong lòng đất như thế nào?

Các nhà khoa học đã cho rằng kim cương tự nhiên được hình thành từ rất lâu trên Trái Đất (khoảng 1 tỷ – 3,5 tỷ năm). Tuy nhiên, nó được tạo ra từ một trong những nguyên tố cơ bản xuất hiện nhiều nhất trong thiên nhiên, đó là cacbon. Sự kết tinh xảy ra trong những điều kiện vật lý vô cùng khắt khe, khi mà áp lực vượt 5 GPa (gigapascal) và nhiệt độ đạt trên 1300°C. Điều này tương đương với những điều kiện ở độ sâu từ 100 – 200km dưới lòng đất.

Cụ thể, quá trình hình thành kim cương sẽ diễn ra như sau:

• Khởi đầu: áp suất và nhiệt độ cao

Như đã đề cập, kim cương được hình thành từ cacbon có nguồn gốc hữu cơ, các chất hữu cơ này nằm dưới đáy biển cổ đại. Sau đó, dưới tác động của sự hút chìm thì các chất đó được đưa vào sâu trong lớp vỏ trái đất, nhằm mục đích để hình thành nên những viên kim cương. Tuy nhiên, để carbon chuyển hóa thành kim cương, cần có những điều kiện rất đặc biệt mà chỉ có ở độ sâu khoảng 140 đến 190 km dưới lòng đất, nơi áp suất khoảng 45 đến 60 kilobar và nhiệt độ từ 900 đến 1300 độ C.

• Quá trình chuyển hóa carbon

Dưới áp suất và nhiệt độ cao, các nguyên tử carbon sắp xếp lại thành cấu trúc tinh thể kim cương. Cấu trúc này cực kỳ vững chắc, với mỗi nguyên tử carbon liên kết với bốn nguyên tử carbon khác, tạo thành một mạng lưới ba chiều mạnh mẽ. Chính cấu trúc này làm cho kim cương trở thành vật liệu cứng nhất được biết đến.

• Sự di chuyển lên bề mặt

Kim cương hình thành ở độ sâu lớn không thể tự nhiên di chuyển lên bề mặt trái đất. Chúng cần nhờ đến các vụ phun trào magma kimberlite hoặc lamproite. Các vụ phun trào này mang kim cương từ lớp vỏ sâu lên bề mặt với tốc độ cực nhanh, tránh cho kim cương bị biến đổi thành than chì dưới áp suất và nhiệt độ thấp hơn.

• Khai thác kim cương

Kim cương khi đã đến gần bề mặt thường nằm trong các ống kimberlite hoặc lamproite. Các mỏ kim cương nổi tiếng như mỏ kimberley ở nam phi, mỏ mir ở nga, và mỏ argyle ở úc là những nơi chứa đựng các ống này. Quá trình khai thác kim cương bắt đầu bằng việc đào bới và xử lý hàng tấn đất đá để tìm kiếm những viên kim cương quý giá.

Những địa điểm có kim cương được tìm kiếm nhiều nhất là Venezuela, Bolivia, Siberi, Phần Lan, đảo Greenland, Trung Quốc, Châu Úc và Canada.

• Chế tác và mài giũa

Sau khi được khai thác, kim cương thô cần trải qua quá trình chế tác và mài giũa để trở thành viên ngọc sáng lấp lánh. Các nghệ nhân sử dụng các công cụ và kỹ thuật tiên tiến để cắt, mài và đánh bóng kim cương. Quá trình chế tác kim cương đòi hỏi sự tỉ mỉ và kỹ năng cao, vì chỉ cần một sai sót nhỏ cũng có thể làm giảm giá trị của viên kim cương.

Sự hình thành kim cương từ ngoài vũ trụ

Quá trình hình thành kim cương còn ở nhiệt độ và áp suất cao. Người ta đã tìm thấy trong tâm thiên thạch có những tinh thể kim cương kích thước cực kỳ nhỏ. Các hạt bụi kim cương này được nhà khoa học hiện đại dùng để xác định vị trí thiên thạch rơi xuống trái đất.

Thêm vào đó, các nhà khoa học hiện đại đã tìm dấu vết và chứng minh rằng kim cương tồn tại trên sao Hải Vương, Thiên Vương và các hành tinh khác. Nó còn thậm chí trên sao Thổ và sao Mộc còn có mưa kim cương.

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

Kim cương được hình thành như thế nào? Kim cương là loại đá quý có giá trị cao và tuyệt đẹp. Nhưng nó lại có nguồn cung cấp hạn chế, không thể đáp ứng được nhu cầu của tất cả của chúng ta. Do đó, các nhà khoa học đã nghiên cứu để tạo thành kim cương nhân tạo:

• Tạo kim cương tổng hợp HPHT – Quá trình tăng trưởng kim cương HPHT diễn ra ở một buồng kính trong phòng thí nghiệm. Buồng kính này được đặt trong một thiết bị có khả năng tạo ra nguồn áp suất tương đối cao. Phía bên trong buồng kín, bột kim cương được hòa tan trong hợp kim nóng chảy thường là sắt, nickel hoặc cobalt. Tiếp theo, kết tinh sẽ hình thành trên mầm để tạo thành tinh thể kim cương tổng hợp. Sau 1 tháng, khi kết thúc sẽ tạo ra một số tinh thể kim cương tổng hợp.
• Tạo ra kim cương tổng hợp CVD – Kim cương được hình thành như thế nào? Sự tăng trưởng CVD diễn ra ở môi trường chân không, nó chứa đầy các loại khí nhiều carbon. Đây là một nguồn năng lượng được sử dụng để phá vỡ liên kết giữa các nguyên tử cacbon và các phân tử khí rơi xuống dưới tấm mầm. Thông thường, quá trình kết tinh mất vài tuần để tạo ra nhiều tinh thể cùng một lúc. Tuy nhiên, số lượng tinh thể phụ thuộc vào kích thước của buồng tăng trưởng và mầm.

Cấu tạo và quá trình khai thác kim cương tự nhiên

Sau khi nắm rõ thông tin về quá trình hình thành kim cương thì chúng ta bắt đầu tìm hiểu sâu hơn về thành phần cấu tạo, cấu trúc tinh thể và quá trình khai thác kim cương diễn ra như thế nào nhé!

• Cấu tạo tinh thể

Công thức hóa học của kim cương đều có cấu tạo từ các nguyên tử C (cacbon). Trong tự nhiên, các nguyên tử cacbon để hình thành kim cương đều có trong carbonate và thực vật. Khi bị vùi lấp trong các lớp địa chất thì chúng biến thành than bùn, than đá, than… Khi môi trường đủ các điều kiện như nhiều áp suất, nhiệt độ thì khi đó cacbon bị nén khít với nhau, tạo thành kim cương trong hệ tinh thể lập phương.

Tinh thể kim cương có cấu trúc lập phương nên chúng chứa những nguyên tử cacbon bậc 4 và có tính đối xứng cao. Thông thường, mỗi nguyên tử cacbon sẽ liên kết với 4 nguyên tử cacbon khác có vị trí gần nhất nên kim cương có rất nhiều tính chất riêng. Vì mật độ các nguyên tử tương đối cao giúp đá có cấu trúc chặt chẽ. Kết hợp với đó là độ cứng lên đến 10 Mohs – đây là độ cứng đứng đầu trong các loại đá tự nhiên và nhân tạo.

Xem thêm: Cách nuôi tinh thể kim cương tại nhà chi tiết, dễ hiểu

• Quá trình khai thác

Thông thường, các nhà địa chất học dùng mối để tìm đến các ống kimberlite bởi loài mối khi xây tổ chúng thường bới đá và khoáng chất (gần khu vực đó thường tìm thấy kim cương). Kimberlite có mặt trong vỏ Trái Đất, nằm ở cấu tạo thẳng đứng như ống kimberlite.

Muốn đến được nơi có kim cương ở dưới đáy của ống kimberlite thì người ta phải khai thác hết đất đá phía trên. Đa phần việc khai thác lộ thiên là cách phổ biến nhất trong hoạt động khai thác kim cương.

Người ta thường khai thác lộ thiên khi dự báo sẽ có kim cương bị che phủ bởi lớp sỏi mỏng và cát hoặc ở gần bề mặt. Hoạt động khai thác dưới lòng đất khá phức tạp, phương thức này được sử dụng dựa trên tính toán hình dạng, bản chất, kích cỡ của kho kimberlite.

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.