Thạch anh

Thạch anh (silic dioxide, SiO₂), còn được gọi là thủy ngọc, là một trong những khoáng vật phổ biến nhất trên Trái Đất. Thạch anh được cấu tạo từ một mạng lưới liên tục các tứ diện silic - oxy (SiO₄), với mỗi oxy chia sẻ giữa hai tứ diện, do đó có công thức chung là SiO₂.

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

Từ nguyên

Tên gọi 'Thạch anh' trong tiếng Việt bắt nguồn từ phiên âm Hán - Việt của từ '石英'. Trong tiếng Anh, nó được gọi là Quartz. Theo một giả thuyết, từ 'Quartz' trong tiếng Đức có nguồn gốc từ từ 'Quertz', gần với 'Quarkluftertz' trong tiếng Sachsen - Đức, có nghĩa là 'vân ngang', vì khi quan sát bề mặt của tinh thể thạch anh, người ta thấy nhiều sọc nằm trong mặt phẳng ngang vuông góc với chiều dài của tinh thể.

Thành phần hóa học và cấu trúc tinh thể

Ngoài thành phần chính, thạch anh có thể chứa một số chất khí và lỏng như CO₂, H₂O, NaCl, CaCO₃,... Các khoáng vật thuộc nhóm thạch anh có công thức rất đơn giản là SiO₂ và bao gồm ba biến thể độc lập: thạch anh, tridimit và cristobalit, chúng tồn tại ở các dạng khác nhau tùy thuộc vào nhiệt độ.

Biến thể thạch anh ở nhiệt độ cao kết tinh theo hệ lục phương, trong khi biến thể thạch anh ổn định ở nhiệt độ dưới 573 °C kết tinh theo hệ tam phương. Dạng tinh thể phổ biến nhất là dạng lưỡng tháp lục phương với các mặt lăng trụ rất ngắn hoặc không có. Thạch anh chỉ tạo thành những tinh thể đẹp trong các hốc hoặc môi trường mở, có những tinh thể nặng từ vài tấn đến 40 tấn. Tinh thể thạch anh có nhiều dạng khác nhau nhưng thường có các mặt m [0111], 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 các biến thể kết tinh, thạch anh còn có loại ẩn tinh với cấu trúc giống như tóc: canxedon và thạch anh khác biệt chỉ dựa trên quang tính.

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

Các tính chất vật lý và quang học

Tính đa sắc: Thay đổi theo màu sắc của viên đá.

Tính phát quang: Loại thạch anh hồng (rose quartz) phát quang màu tím nhạt, trong khi các biến thể khác của thạch anh không phản ứng dưới tia cực tím.

Thạch anh có màu sắc rất đa dạng, phổ biến nhất là các loại không màu, trắng sữa và xám. Các loại thạch anh được phân loại theo màu sắc như sau: Pha lê - trong suốt; Amethyst - màu tím; Citrine - màu vàng; Smoky quartz - màu xám khói, khi tối rất có thể gọi là 'Morion'; Rose quartz - màu đỏ; Aventurin quartz - màu xanh lục; Dumortierit quartz - màu xanh đậm hoặc tím xanh; Milky quartz - từ trắng đến xám; Siderit hoặc sapphire quartz - ít gặp, thường có màu xanh 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, đặc trưng với các màu từ vàng nâu nhạt đến nâu đỏ, lam nhạt hoặc đỏ và có thể thấy ở các loại bán trong suốt. Hiện tượng này do sự sắp xếp có định hướng của các bao thể dạng sợi bên trong viên đá. Khi được mài theo kiểu cabochon, hiệu ứng ánh sáng phản xạ trên bề mặt tạo ra hiệu ứng 'mắt hổ' rất đẹp.

Hiệu ứng mắt mèo (cat’s eye): Tương tự như hiệu ứng mắt hổ nhưng nổi bật và rõ ràng hơn, thường xuất hiện ở các biến thể bán trong với màu trắng, xám nâu, vàng nhạt, xanh lục nhạt, đen hoặc xanh oliu tối.

Hiệu ứng sao: Thạch anh hồng và một số biến thể màu xám hoặc màu sữa có thể hiện hiện tượng sao sáu cánh tương tự như hiệu ứng sao trên ruby và sapphire.

Đặc điểm của một số biến thể chính

Ametit

Thạch anh màu tím đến tím nhạt được gọi là amethyst trong tiếng Anh. Từ 'amethyst' bắt nguồn từ chữ Hy Lạp 'amethystos', có nghĩa là không say, vì xưa kia người ta tin rằng đeo ametit sẽ không bị say rượu. Amethyst từng rất được ưa chuộng và có giá trị cao nhất trong các loại thạch anh.

Citrin

Các biến thể thạch anh màu vàng được gọi là citrin. Trước đây, citrin thường được gọi là thạch anh topaz vì màu sắc của nó giống như topaz vàng. Màu sắc của citrin có thể dao động từ vàng tinh khiết đến vàng nhạt như mật ong hoặc nâu nhạt, và thường đồng đều hơn so với ametit, nơi màu sắc thường tập trung thành từng dải hoặc đám.

Rose quartz

Vì sự hiện diện của các bao thể nhỏ li ti, thạch anh hồng thường có xu hướng bán trong hơn là hoàn toàn trong suốt.

Pha lê

Là loại thạch anh phổ biến nhất và đã được biết đến từ thời tiền sử. Từ 'crystal' trong tiếng Hy Lạp, có nghĩa là băng, xuất phát từ niềm tin rằng nó được đông cứng quá mức trong lòng đất.

Thạch anh tóc

Là thạch anh chứa các bao thể dạng kim hoặc que, thường được tạo bởi các khoáng chất như tourmalin, hematit, actinolit, clorit, với nhiều màu sắc và hình dạng ngoằn ngoèo bên trong. Thạch anh tóc còn được coi là có tác dụng chữa bệnh và phong thủy. Những mẫu đẹp thường được tìm thấy ở Úc, Brasil, Pakistan, Madagascar, Hoa Kỳ, Na Uy và Indonesia.

Thạch anh tóc đen có độ cứng từ 6 đến 7 trên thang độ cứng Mohs. Màu sắc của nó dao động từ đen trắng đến đen đậm, thuộc hệ tinh thể lục phương và có khả năng kết nối với luân xa số 1.

Ngoài thạch anh tóc đen, còn có thạch anh tóc tím, thạch anh tóc trắng, tùy thuộc vào cấu tạo của các bao thể bên trong viên đá. Tuy nhiên, những loại đá này không phổ biến như ba loại thạch anh đã đề cập.

Các phương pháp xử lý và tổng hợp

Xử lý nhiệt

Khi chịu tác động của nhiệt độ cao, ametit, citrin, thạch anh ám khói và thạch anh hồng có xu hướng chuyển sang không màu. Xử lý nhiệt có thể biến các loại thạch anh có chất lượng kém, như màu tím và ám khói, thành màu vàng nhạt hoặc cam đỏ nhạt với chất lượng tốt hơn và được thị trường ưa chuộng hơn.

Ametit xử lý nhiệt ở nhiệt độ từ 878 đến 1.382 độ C sẽ chuyển màu thành vàng sáng, nâu đỏ, lục hoặc không màu. Một số ametit có thể mất màu dưới ánh sáng bình thường và khôi phục khi chiếu tia X. Thạch anh ám khói sẽ nhạt màu khi nung ở nhiệt độ từ 572 đến 752 độ C. Citrin tự nhiên khá hiếm, và hầu hết citrin trên thị trường đều là kết quả của xử lý nhiệt từ ametit hoặc thạch anh ám khói. Ametit chuyển màu vàng nhạt ở 470 độ C và vàng tối đến nâu nhạt ở 550 - 560 độ C. Thạch anh ám khói có thể chuyển màu sớm hơn ở 300 - 400 độ C. Hầu hết citrin tự nhiên có màu vàng nhạt và mất tính đa sắc khi xử lý, trong khi citrin tự nhiên thường có tính đa sắc yếu.

Chiếu xạ

Qua phương pháp chiếu xạ, thạch anh không màu có thể được chuyển đổi thành các màu sắc khác.

Tổng hợp

Thạch anh cũng có thể được tổng hợp công nghiệp, tạo ra các tinh thể lớn phục vụ cho các ứng dụng công nghiệp.

Mài cắt

Thạch anh có thể được mài cắt theo nhiều kiểu khác nhau, từ các kiểu truyền thống đến các kiểu hiện đại. Citrin và ametit thường được chế tác theo kiểu bậc, kim cương hoặc hỗn hợp, làm cho màu sắc của viên đá có thể đậm hơn. Các kiểu cabochon phổ biến với aventurin, rose quartz, mắt hổ và mắt mèo. Thạch anh mắt hổ cũng thường được khắc theo kiểu 'cameo'. Đối với ametit, do màu sắc không đồng đều, quá trình mài cần chú ý định hướng để phần màu sắc đẹp nhất nằm ở pavilion gần culet.

Nguồn gốc và phân bố

Thạch anh là một khoáng vật phổ biến trong tự nhiên, có mặt trong nhiều loại đá và khoáng sản. Nó thường xuất hiện trong các đá magma axit, như mã não và onix, cũng như trong đá trầm tích và đá biến chất như quartzit. Thạch anh hình thành qua các quá trình biến chất, khử nước từ opal hoặc tái kết tinh từ keo silic. Các tinh thể thạch anh lớn thường gặp trong pegmatit, cùng với fenspat, muscovit, topaz, beryl và một số khoáng vật khác, cũng như trong các khoáng sản nhiệt dịch.

Các tinh thể thạch anh có độ tinh khiết cao, dùng trong công nghiệp bán dẫn, rất hiếm và có giá trị cao. Mỏ đá quý Spruce Pine ở Bắc Carolina nổi tiếng với loại thạch anh này. Citrin chủ yếu được khai thác ở Brasil (Minas Gerais), Mỹ (Colorado), Nga (Ural), Pháp và Scotland, trong khi ametit chủ yếu từ Brasil, Uruguay, và đặc biệt kết tinh trong các tinh hốc lớn.

Tại Việt Nam, thạch anh tinh thể đẹp có thể tìm thấy nhiều ở nam Thanh Hoá, Pia Oắc, và miền sông Đà, đặc biệt là ở Vạn Yên với các tinh thể dài và mảnh. Thạch anh tím được khai thác chủ yếu ở Kontum, trong khi thạch anh tinh thể và pha lê phổ biến ở Bảo Lộc, Gia Nghĩa và các khu vực khác.

Nhận diện các khoáng vật tương tự thạch anh và các phương pháp phân biệt

Thạch anh có chỉ số chiết suất từ 1,54 đến 1,55 và tỷ trọng từ 2,65 đến 2,66, giúp phân biệt dễ dàng với các đá quý khác. Để phân biệt với canxedon, sử dụng dung dịch có tỷ trọng 2,62; canxedon sẽ nổi trong khi thạch anh sẽ chìm. Đối với topaz và saphia, có thể phân biệt qua chỉ số chiết suất; với thủy tinh dựa trên các đặc tính quang học; và aventurin màu lục, mặc dù thường bị nhầm với nephrite hoặc jadeit, nhưng có tỷ trọng và chiết suất thấp hơn.

Trong Thế chiến thứ 2, khi hồng ngọc và xa-phia tổng hợp mới xuất hiện và còn hiếm, thạch anh thường được dùng để giả mạo. Thạch anh được xử lý để có màu lam đậm và giả dạng xa-phia. Để phân biệt, cần xác định chỉ số chiết suất và quan sát dưới kính hiển vi.

Ametit dễ bị nhầm lẫn với beryl, fluorit, thủy tinh, corindon tổng hợp, kunzit, spinen, topaz và tuamalin, và các dạng tổng hợp không dùng trong trang sức. Thạch anh ám khói cũng dễ nhầm với andalusit, sanidin, tourmalin. Citrin có thể bị nhầm với beryn vàng, Orthoclas, topaz vàng và tuamalin vàng.

Ứng dụng

Một đặc điểm quan trọng của tinh thể thạch anh là khi tác động cơ học như âm thanh hoặc sóng nước vào chúng, chúng sẽ tạo ra một điện áp dao động với tần số tương ứng với mức độ tác động. Nhờ vào tính chất này, thạch anh được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, chẳng hạn như kiểm soát rung động trong động cơ xe hơi và trong công nghệ như vật liệu cộng hưởng, vật liệu áp điện và hiệu ứng phát quang âm cực.

Tinh thể thạch anh đầu tiên được ứng dụng nhờ tính chất 'áp điện' của chúng, có nghĩa là chúng có khả năng chuyển đổi dao động cơ khí thành điện áp và ngược lại. Tính chất này được Jacques Curie phát hiện vào năm 1880 và kể từ đó đã được áp dụng trong các mạch điện tử nhờ vào sự hữu ích của nó.

Walter G. Cady lần đầu tiên ứng dụng thạch anh trong một bộ kiểm soát dao động điện tử vào năm 1921. Ông công bố kết quả vào năm 1922, và đến năm 1927, Warren A. Marrison đã sử dụng tinh thể thạch anh để điều chỉnh hoạt động của đồng hồ.

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

Thạch anh vàng thường được coi là đá thu hút tài lộc, trong khi thạch anh xanh nổi bật với khả năng làm dịu cảm xúc và giúp tâm trí thư giãn. Thạch anh đen, ngược lại, được biết đến với tác dụng trừ tà và kích thích sự sáng tạo.

Trong lĩnh vực phong thủy, thạch anh được ưa chuộng để tăng cường năng lượng cho không gian sống và làm việc. Với giá thành hợp lý và nguồn cung phong phú ở Việt Nam, thạch anh trở thành lựa chọn hàng đầu cho các ứng dụng phong thủy và năng lượng.

Thạch anh thường được sử dụng trong trang sức, đặc biệt là các chuỗi hạt đeo tay nhằm gia tăng năng lượng cho cơ thể. Do là đá tự nhiên, mỗi hạt và vòng thạch anh đều có đặc điểm riêng biệt, vì vậy giá cả cũng thay đổi theo kích thước và độ trong của từng hạt.

Thư viện ảnh