Thạch anh là gì?

Thạch anh là gì?

Thạch anh (SiO2) hay còn gọi là thủy ngọc là một trong những khoáng vật phổ biến trên Trái Đất. Thạch anh được cấu tạo bởi một mạng liên tục các tứ diện silic–oxy SiO4, trong đó mỗi ôxy chia sẻ giữa hai tứ diện nên nó có công thức chung là SiO2.

Thạch anh được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau điện tử, quang học... và trong ngọc học. Các tinh thể thạch anh trong suốt có màu sắc đa dạng: tím, hồng, đen, vàng... và được sử dụng làm đồ trang sức từ rất xa xưa. Amethyst loại biến thể màu tím của thạch anh được coi là đá quý của tháng hai và là loại được ưa chuộng nhất của họ thạch anh.

Từ nguyên

Thạch anh là tên gọi theo phiên âm Hán-Việt có nguồn gốc là "石英". Trong tiếng Anh nó được gọi là quartz. Theo một trong những giả thiết, từ quartz trong tiếng Đức xuất phát từ từ queretz gần với từ querkluftertz trong tiếng Sachsen - Đức, nghĩa là "vân ngang", vì khi quan sát trên bề mặt của tinh thể thạch anh người ta thấy có nhiều sọc nằm trong mặt phẳng ngang vuông góc với phương dài nhất của tinh thể này.

Thành phần hoá học và cấu trúc tinh thể

Trong thành phần của thạch anh ngoài thành phần chính còn có thể chứa một số chất hơi, chất lỏng: CO2, H2O, NaCl, CaCO3... Các khoáng vật của nhóm thạch anh có công thức rất đơn giản SiO2, là một loạt biến thể đa hình gồm 3 biến thể độc lập: thạch anh, tridimit và cristobalit và tuỳ thuộc vào nhiệt độ, chúng sẽ tồn tại ở các dạng nhất định.

Biến thể nhiệt độ cao của thạch anh kết tinh trong hệ lục phương, biến thể thạch anh vững bền ở nhiệt độ dưới 573 °C kết tinh trong hệ tam phương. Dạng tinh thể thường hay gặp là dạng lưỡng tháp lục phương với các mặt lăng trụ rất ngắn hoặc không có. Thạch anh chỉ thành những tinh thể đẹp trong các hỗng hoặc các môi trường hở, có trường hợp gặp các tinh thể nặng tới một vài tấn có khi tới 40 tấn. Dạng tinh thể của thạch anh khá đa dạng nhưng đặc trưng là thường gặp các mặt m [0111], và có vết khía ngang trên mặt, mặt khối thoi r [1011] và z [0111], lưỡng tháp phức tam phương s [1121], khối mặt thang x [5161]... Ngoài hai biến thể kết tinh thạch anh còn có loại ẩn tinh có kiến trúc tóc: canxedon và thạch anh khác nhau chỉ do quang tính.

Trong thạch anh thường gặp các bao thể thể khí lỏng tạo thành bao thể hai pha. Các bao thể rắn thường gặp nhất là các bao thể kim que của rutin tạo thành những đám bao thể dạng búi tóc hay "tóc thần vệ nữ" cùng với các bao thể tourmalin, actinolit dạng sợi, clorit màu lục, gơtit, hematit màu nâu đỏ và màu cam và một số các bao thể khác nữa.

Tinh đám thạch anh

Các tính chất vật lý và quang học

Tính đa sắc: Thay đổi tuỳ thuộc vào màu của viên đá.

Tính phát quang: Loại rose quartz phát quang màu tím lam nhạt, các biến thể của thạch anh trơ dưới tia cực tím.

Màu sắc của thạch anh rất đa dạng nhưng phổ biến nhất là những loại không màu, màu trắng sữa và màu xám và theo màu sắc, thạch anh mang các tên khác nhau như: Pha lê không màu trong suốt; Amethyst: màu tím; Citrin Màu vàng; Smoky quartz màu ám khói, khi rất tối gọi là "morion"; Rose quartz màu đỏ; Aventurin quartz màu lục; Dumortierit quartz màu lam đậm hoặc lam tím; Milky quartz màu trắng tới màu xám; Siderit hoặc Sapphire quartz rất ít gặp, chúng thường có màu lam pha chàm.

Các hiệu ứng quang học đặc biệt

Hiệu ứng mắt hổ (tiger’s eye): Là một hiệu ứng đặc biệt thường thấy ở các biến thể của thạch anh và đặc trưng cho các biến thể có màu từ vàng nâu nhạt tới nâu và đỏ nhạt, lam nhạt hoặc thậm chí màu đỏ và ở các loại bán trong. Nguyên nhân của hiện tượng này là do sự sắp xếp có định hướng của các bao thể dạng sợi bên trong viên đá. Khi viên đá được mài cabochon sự phản xạ của ánh sáng trên bề mặt sẽ cho ta hiệu ứng "mắt hổ" rất đẹp.

Hiệu ứng mắt mèo (cat’s eye): Cũng giống như hiệu ứng mắt hổ nhưng chúng thể hiện đẹp hơn và rõ nét hơn và thường gặp trong các biến thể bán trong và có màu trắng tới màu xám nâu vàng lục nhạt, đen hoặc màu lục oliu tối.

Hiệu ứng sao: Thạch anh hồng và một số biến thể màu xám hoặc màu sữa thường có hiện tượng sao 6 cánh giống như hiệu ứng sao trong ruby và saphia.

Đặc điểm một số biến thể chính

Amethyst

Các loại thạch anh có màu tím tới tím phớt hồng trong tiếng Anh được gọi là amethyist, từ amethyist xuất phát từ chữ Hy Lạp "amethystos" có nghĩa là không say bởi vì ngày xưa người ta tin rằng khi đã đeo amethyist thì không giờ bị say. Amethyist đã từng một thời rất được ưa chuộng và nó có giá trị cao nhất trong các loại thạch anh khác.

Citrine

Các biến thể màu vàng của thạch anh được gọi là citrine, có một thời người ta gọi nó là thạch anh topaz vì màu của nó giống với màu của topaz vàng. Màu của citrine thay đổi từ vàng tinh khiết tới vàng tôi hay vàng mật ong hoặc vàng nâu nhạt, không như amethyst, màu thường tập trung thành từng dải, đám, màu của citrine thường đồng đều hơn.

Rose quartz

Do sự có mặt của các bao thể nhỏ li ti thạch anh hồng thường có xu thế bán trong hơn là trong suốt.

Pha lê

Là loại thạch anh phổ biến và phân bố rộng rãi nhất đã được biết đến từ thời tiền sử, tên Hy Lạp "crystal" hoặc băng do họ tin rằng nó được đông cứng quá mạnh trong vỏ Trái Đất.

Thạch anh tóc

Là loại thạch anh có chứa các bao thể kim,que thường tạo bởi các khoáng thể tuamalin, hematit, actinolit, clorit... nhiều màu, ngoằn nghèo bên trong thạch anh. Thạch anh tóc cũng được cho có tác dụng chữa bệnh, phong thuỷ. Các mẫu đẹp được tìm thấy ở Australia, Brazil, Pakistan, Madagascar, Mỹ, Na Uy và Indonesia.

Các phương pháp xử lý và tổng hợp

Xử lý nhiệt

Dưới tác dụng của nhiệt độ cao amethyst, citrine, thạch anh ám khói và thạch anh hồng đều có khuynh hướng chuyển sang không màu. Bằng phương pháp xử lý nhiệt có thể chuyển các loại thạch anh có chất lượng thấp màu tím và ám khói sang loại có màu vàng nhạt hoặc cam đỏ nhạt với chất lượng cao hơn và được thị trường ưa chuộng hơn.

Amethyst khi xử lý nhiệt ở nhiệt độ 878 - 1.382 độ C sẽ cho màu vàng sáng, nâu đỏ hoặc màu lục hoặc không màu. Một số loại amethyst bị mất màu ở ánh sáng bình thường và màu sẽ khôi phục khi chiếu xạ tia X. Thạch anh ám khói khi nung ở nhiệt độ 572 - 752 độ C màu sẽ bị nhạt đi. Citrin tự nhiên khá hiếm trên thương trường và nguồn citrine chủ yếu là do amethyst hoặc thạch anh ám khói bị xử lý nhiệt. Amethyst chuyển sang vàng nhạt ở nhiệt độ 470 độ C và màu vàng tối tới màu nâu nhạt ở nhiệt độ 550 - 560 độ C. Thạch anh ám khói chuyển sang màu vàng sớm hơn ở nhiệt độ khoảng 300 - 400 độ C. Đa số citrine tự nhiên có màu vàng rất nhạt và khi bị xử lý sẽ không còn tính đa sắc, trong khi đó citrine tự nhiên có tính đa sắc yếu.

Tinh thể thạch anh tổng hợp từ phương pháp tổng hợp thủy nhiệt, nặng 126,8 gram, dài 19,1 cm và rộng 2,2 cm.

Chiếu xạ

Bằng phương pháp chiếu xạ có thể chuyển loại thạch anh không màu sang có màu.

Tổng hợp

Thạch anh cũng được tổng hợp trong công nghiệp với các tinh thể lớn dùng trong công nghiệp.

Mài cắt

Thạch anh có thể được mài cắt ở các dạng khác nhau từ những dạng nguyên thuỷ nhất cho tới những dạng mới nhất hiện nay. Citrine và amethyst thường được mài ở dạng bậc, kiểu kim cương hay kiểu hỗn hợp khi đó màu của viên đá có xu hướng trở nên đậm hơn. Kiểu cabochon thường dùng cho aventurin, rose quartz, mắt hổ và mắt mèo. Thạch anh mắt hổ cũng thường được chạm khắc ở dạng "cameo". Đối với amethyst, màu của chúng thường không đều do vậy trong quá trình mài ta phải chú ý định hướng sao cho phần màu đẹp nhất nằm tại pavilion gần culet.

Nguồn gốc và phân bố

Thạch anh là khoáng vật rất phổ biến trong tự nhiên và là thành phần của rất nhiều loại đá và khoáng sản quặng. Thạch anh thường gặp ở dạng thành phần chính của nhiều loại đá magma axit xâm nhập và phun trào ở dạng hạnh nhân như mã não và onix, một số đá trầm tích cơ học như cát kết thạch anh, đá biến chất từ các loại đá trên như quartzit. Trong các quá trình biến chất thạch anh hình thành do sự khử nước của các đá trầm tích chứa opal để thành tạo ngọc bích. Trong các quá trình ngoại sinh thạch anh và conxedon thành tạo do sự khử nước và tái kết tinh của keo silic. Ngoài ra còn gặp các tinh thể lớn của thạch anh trong các hỗng pegmatit cộng sinh với fenspat, muscovit, topaz, beryl, tuamalin và một số khoáng vật khác, và là khoáng vật phổ biến trong các khoáng sàng nhiệt dịch.

Các tinh thể thạch anh xuất hiện trong tự nhiên có độ tinh khiết cao thường dùng trong công nghiệp bán dẫn thì cực kỳ đắt và hiếm. Các mỏ thạch anh có độ tinh khiết cao như mỏ đá quý Spruce Pine ở Spruce Pine, Bắc Carolina. Bên cạnh đó, loại citrine được khai thác chủ yếu ở Brasil (Minas Gerais), Mỹ (Colorado), Nga (Ural), Pháp và Scotland. Còn amethyst được khai thác chủ yếu ở Brasil, Uruguay... đặc biệt kết tinh trong các tinh hốc với kích thước rất lớn.

Ở Việt Nam thạch anh tinh thể đẹp gặp rất nhiều ở nam Thanh Hoá, Pia oắc, miền sông Đà ở Vạn Yên có những tinh thể lặng trụ rất dài, thạch anh tím được khai thác nhiều ở Kontum, thạch anh tinh thể, pha lê gặp nhiều ở Bảo Lộc, Gia Nghĩa...

Các đá giống thạch anh và phương pháp nhận biết

Với giá trị chiết suất dao động trong khoảng 1,54 - 1,55 và tỷ trọng 2,65 - 2,66 thạch anh rất dễ phân biệt với các loại đá quý khác. Để phân biệt với canxedon người ta dùng dung dịch tỷ trọng 2,62 khi đó canxedon sẽ nổi còn thạch anh chìm; với topaz và saphia bởi giá trị chiết suất; với thuỷ tinh bởi đặc tính quang học; với aventurin màu lục thường nhầm với nefrit hoặc jadeit nhưng chúng có tỷ trọng và giá trị chiết suất thấp hơn.

Trong chiến tranh thế giới thứ 2 khi hồng ngọc và xa-phia tổng hợp mới xuất hiện trên thị trường và đang còn khan hiếm người ta thường dùng thạch anh để làm giả chúng khi đó thạch anh thường được xử lý để cho màu lam đậm và giả hình dạng của xa-phia, đối với loại này bằng việc xác định chiết suất và giám định dưới kính ta sẽ phân biệt được chúng.

Amethyst rất dễ nhầm với beryl, fluorit, thuỷ tinh, corindon tổng hợp, kunzit, spinen, topaz và tuamalin, và dạng tổng hợp không phục vụ cho ngành trang sức. Thạch anh ám khói rất dễ nhầm với andalusit, sanidin, tourmalin. Citrine rất dễ nhầm với beryn màu vàng, Orthoclas, topaz vàng và tuamalin vàng.

Ứng dụng

Một đặc tính quan trọng của tinh thể thạch anh là nếu tác động bằng các dạng cơ học đến chúng (âm thanh, sóng nước...) vào tinh thể thạch anh thì chúng sẽ tạo ra một điện áp dao động có tần số tương đương với mức độ tác động vào chúng, do đó chúng được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực. Chẳng hạn kiểm soát những sự rung động trong các động cơ xe hơi để kiểm soát sự hoạt động của chúng và được ứng dụng nhiều trong các ngành công nghệ như: làm vật cộng hưởng, vật liệu áp điện hiệu ứng phát quang âm cực.

Những tinh thể thạch anh đầu tiên được sử dụng bởi chúng có tính chất "áp điện", có nghĩa là chúng chuyển các dao động cơ khí thành điện áp và ngược lại, chuyển các xung điện áp thành các dao động cơ khí. Tính chất áp điện này được Jacques Curie phát hiện năm 1880 và từ đó chúng được sử dụng vào trong các mạch điện tử do tính chất hữu ích này.

Lần đầu tiên Walter G. Cady ứng dụng thạch anh vào một bộ kiểm soát dao động điện tử vào năm 1921. Ông công bố kết quả vào năm 1922 và đến năm 1927 thì Warren A. Marrison đã ứng dụng tinh thể thạch anh vào điều khiển sự hoạt động của các đồng hồ.

Thạch anh ở dạng hạt (cát, bột) được sử dụng làm vật liệu đánh bóng, là vật liệu quan trọng trong công nghệ bán dẫn.