Tác động của bức xạ gamma lên ruby và sapphire hồng
Chiếu xạ gamma là một phương pháp xử lý có thể làm tăng cường màu sắc và vẻ ngoài của đá quý, có thể kể tên một số loại chẳng hạn như...
Chiếu xạ gamma là một phương pháp xử lý có thể làm tăng cường màu sắc và vẻ ngoài của đá quý, có thể kể tên một số loại chẳng hạn như kim cương, topaz, thạch anh và corundum...
Phương pháp xử lý này sử dụng tia gamma mạnh, từ các đồng vị phóng xạ như coban-60 (60Co) hoặc từ máy gia tốc tuyến tính (LINAC), để tạo ra các khuyết điểm trong cấu trúc tinh thể của đá quý. Những khuyết điểm này, do sự dịch chuyển hoặc ion hóa của các nguyên tử, có thể dẫn đến việc tạo ra và kích hoạt cái gọi là các trung tâm màu. Quá trình này có thể làm thay đổi màu sắc của đá quý theo những cách từ tinh tế đến ấn tượng, với mức độ thay đổi tùy thuộc vào các đặc tính nội tại của đá quý (ví dụ thành phần hóa học) và các chi tiết cụ thể của quá trình chiếu xạ.
Kỹ thuật chiếu xạ gamma để tăng cường màu sắc của corundum đã có từ nhiều thập kỷ trước. Sự ra đời của tia laser ruby (tổng hợp, chủ yếu có màu sáng và có sắc hồng) vào những năm 1960 đã làm dấy lên các cuộc điều tra sâu rộng trong khoa học quang học và vật liệu về cách bức xạ gamma ảnh hưởng đến các tia laser ruby này, đặc biệt là tác động của nó đến hiệu suất của chúng.
Vào những năm 1980, một sự quan tâm lớn trong ngành thương mại đá quý trước việc thử nghiệm chiếu xạ gamma để tăng cường màu sắc của corundum màu vàng hoặc màu nhạt chất lượng đá quý và đưa những viên đá được chiếu xạ hấp dẫn hơn này ra thị trường. Do đó, có thể nói rằng chiếu xạ corundum không phải là một phương pháp xử lý mới, nhưng bằng cách nào đó vẫn nằm dưới 'radar' của cộng đồng đá quý và ngành thương mại trong những thập kỷ qua, có lẽ là do số lượng corundum được chiếu xạ khá hạn chế và chủ yếu giới hạn ở đá sapphire vàng.
Điều này đã thay đổi trong vài năm qua, vì chúng tôi có nhiều nguồn đáng tin cậy chỉ ra rằng khá nhiều ruby và đá sapphire lạ mắt có màu từ hồng đến tím, vàng nhạt và thậm chí xanh lam có thể trải qua quá trình xử lý chiếu xạ gamma không được tiết lộ trước khi đưa ra thị trường (Hình 1).

Hình 1: Đá sapphire màu tím sang hồng trước và sau khi được xử lý chiếu xạ theo cái gọi là 'bệnh viện'. Như có thể thấy từ bức ảnh, sự thay đổi màu sắc do xử lý chiếu xạ gây ra thay đổi tùy theo từng loại đá, từ gần như không thay đổi đến thay đổi khá rõ rệt. Ảnh: SSEF
Vì đây là một thách thức mới đối với cả ngành thương mại và các phòng thí nghiệm, nên các hoạt động nghiên cứu và thảo luận ngay lập tức đã được khởi xướng giữa các phòng thí nghiệm đá quý với mục đích phát triển các tiêu chí để phát hiện quá trình xử lý chiếu xạ này (Pardieu et al. 2022, Scarratt – pers. comm. 2022, Leelawatanasuk – pers. comm. 2022, Krzemnicki 2022, Krzemnicki 2023). Dựa trên thông tin của chúng tôi, quá trình xử lý chiếu xạ gamma này ban đầu được thực hiện (bí mật?) tại các cơ sở y tế, sử dụng thiết bị xạ trị ung thư, do đó có tên là phương pháp điều trị 'bệnh viện'. Dựa trên thông tin gần đây hơn, phương pháp điều trị này hiện cũng được thực hiện tại các cơ sở chiếu xạ phi y tế, chủ yếu ở các quốc gia được biết đến là trung tâm cắt và buôn bán corundum.
Như đã đề cập ở trên, mục đích của quá trình chiếu xạ này là để thay đổi và chuyển màu ban đầu thành màu sắc đẹp sống động hơn nên sẽ dễ bán hơn. Cụ thể là để loại bỏ sắc xanh trong đá sapphire và ruby tím để có được màu hồng rực rỡ ('nóng') hoặc đỏ thuần, hoặc để tạo ra sắc cam trong đá sapphire hồng, tạo ra trường hợp tốt nhất là màu cam hồng như được biết đến với đá sapphire Padparadscha.
Các thí nghiệm chiếu xạ được thực hiện bởi SSEF
Từ năm 2022, Viện Đá quý Thụy Sĩ SSEF đã hợp tác với Trung tâm Phẫu thuật Xạ trị Thần kinh Thụy Sĩ SNRC (Zurich) để hiểu rõ hơn về tác động của chiếu xạ gamma lên corundum chứa crom (ruby và đá sapphire hồng) và phát triển phương pháp thử nghiệm để phát hiện phương pháp xử lý chiếu xạ như vậy.
Trong một loạt các thí nghiệm, các mẫu corundum có màu từ hồng nhạt (từ Madagascar) đến đỏ sẫm (từ Mozambique) đã được xử lý bằng bức xạ gamma bằng thiết bị LINAC (ZAP-X, nền tảng phẫu thuật xạ trị con quay hồi chuyển, Hoa Kỳ) (Hình 2).

Thiết bị này có cấu hình bức xạ 3D được xác định rõ và cung cấp khả năng kiểm soát liều bức xạ chính xác. Các mẫu đã được tiếp xúc với tổng liều bức xạ là 10.000 Gray với mức tăng 2.000 Gray.
Một số mẫu đã được nung nóng (1200°C trong 10 giờ) trước khi chiếu xạ gamma để loại bỏ mọi tác động còn sót lại tiềm ẩn từ các lần xử lý trước đó trên đá quý và 'thiết lập lại' (ủ) về mặt cấu trúc bất kỳ tạp chất zircon nào hiện có. Lý do của quá trình gia nhiệt xử lý trước này là để làm cho sự thay đổi màu sắc có thể xảy ra do chiếu xạ gamma trở nên rõ ràng và dễ nhận biết hơn.
Sau các thí nghiệm chiếu xạ, quá trình kiểm tra trực quan ngay lập tức đã được tiến hành. Nhiều phương pháp phân tích khác nhau, chẳng hạn như phổ hấp thụ UV-VIS của corundum và phân tích Raman của các tạp chất zircon trong đá sapphire hồng đã được tiến hành để so sánh kết quả trước và sau khi chiếu xạ gamma. Để xác định độ ổn định màu của đá quý đã chiếu xạ, một thử nghiệm độ ổn định tiêu chuẩn cũng như bước ủ cuối cùng (500°C) đã được áp dụng.
Trong lần chạy thử nghiệm thứ hai, gần đây chúng tôi đã gửi một số viên sapphire tím từ Madagascar ẩn danh đến một cơ sở để tiến hành cái gọi là xử lý chiếu xạ 'bệnh viện' (xem Hình 1). Các mẫu này được một thành viên ủng hộ vui lòng tặng cho SSEF. Một lần nữa, tất cả các mẫu này đều được phân tích tỉ mỉ tại SSEF trước và sau khi chiếu xạ. Hiện chúng đang được kiểm tra bằng các phương pháp phân tích tiên tiến hơn nữa với sự hợp tác của các viện nghiên cứu học thuật Thụy Sĩ để ghi lại đầy đủ mọi thay đổi xảy ra do phương pháp xử lý này. Thí nghiệm thứ 2 này vẫn là một nghiên cứu đang được tiến hành, điều đó có nghĩa là các kết quả chi tiết hơn của thí nghiệm này sẽ chỉ được trình bày trong tương lai gần.
Tác động của chiếu xạ lên corundum: kết quả thí nghiệm của chúng tôi
Các thí nghiệm của chúng tôi sử dụng thiết bị LINAC cho thấy rằng chiếu xạ gamma (ít nhất là với liều lượng và điều kiện thử nghiệm mà chúng tôi đã chọn) không có tác động rõ rệt nào đến màu sắc của ruby có độ bão hòa màu đỏ mạnh (từ Mozambique). Điều này phù hợp với kết quả của các nhóm nghiên cứu và phòng thí nghiệm quốc tế khác. Tuy nhiên, nó có thể có một số ảnh hưởng nhất định đến ruby có sắc tím và độ bão hòa màu thấp hơn như Suwanmanee và cộng sự (2023) mô tả, chuyển màu của chúng sang sắc đỏ hấp dẫn hơn.
Trong số các mẫu vật của chúng tôi, mẫu số 3, một viên sapphire hồng nhạt, là mẫu duy nhất thể hiện sự chuyển màu (gần như) ổn định sang màu cam sau khi chiếu xạ gamma, với độ bão hòa màu cam chỉ giảm nhẹ sau bốn tháng,do đó đáng chú ý là nó không trở lại màu hồng nhạt ban đầu. Sự ổn định này vẫn tồn tại ở một mức độ nào đó ngay cả sau khi thử nghiệm độ ổn định màu với mẫu vẫn giữ được sắc cam yếu hơn nhưng vẫn cho đến khi trải qua bước ủ, cuối cùng đã khôi phục lại màu hồng nhạt ban đầu của nó (Hình 5).

Hình 5: Sự thay đổi màu của Mẫu #3, một viên sapphire màu hồng nhạt, sau mỗi bước xử lý. Từ trái sang phải, các phương pháp xử lý khác nhau cho thấy màu của viên đá chuyển từ hồng nhạt sang cam đậm và giảm xuống cam nhạt, và cuối cùng trở lại màu hồng nhạt ban đầu. Màu sắc được phân tích bằng Máy phân tích màu đá quý tại SSEF sau mỗi bước thử nghiệm. Nồng độ nguyên tố vết của viên đá được cung cấp ở bên phải. Hình: HAO Wang, SSEF
Trường hợp ngoại lệ này cho thấy sự hiện diện của ít nhất hai loại tâm màu cam riêng biệt trong các mẫu này: một không ổn định và một ổn định. Tâm màu không ổn định có thể góp phần vào sự đảo ngược màu được quan sát thấy ở các mẫu khác, trong khi tâm màu ổn định giải thích cho việc giữ lại màu cam kéo dài sau khi chiếu xạ gamma. Hành vi của mẫu số 3 cung cấp những hiểu biết có giá trị về cơ chế chuyển màu trong sapphire hồng, cho thấy sự tương tác phức tạp giữa các tâm màu khác nhau và tiềm năng sửa đổi màu có mục tiêu thông qua phương pháp xử lý cụ thể này.
Tóm lại, những phát hiện này cho thấy phản ứng khác biệt đối với chiếu xạ gamma giữa các loại corundum, có khả năng bị ảnh hưởng bởi hàm lượng crom (Cr) của chúng (Powell 1966). Các hiệu ứng khác nhau của chiếu xạ gamma có thể là do sự khác biệt về nồng độ Cr, với corundum có hàm lượng Cr cao (ruby có màu đỏ bão hòa) thể hiện khả năng phục hồi sau khi biến đổi màu so với corundum có hàm lượng Cr thấp (sapphire hồng). Sự khác biệt này đặt ra những câu hỏi thú vị về các yếu tố cấu trúc và thành phần góp phần vào hành vi quan sát được, chỉ ra nhu cầu nghiên cứu sâu hơn để hiểu các cơ chế hỗ trợ độ nhạy khác biệt đối với chiếu xạ gamma trong các loại corundum. Trong quá trình tìm kiếm phương pháp phát hiện cho phương pháp xử lý này, quang phổ UV-VIS là một kỹ thuật mạnh mẽ có thể nắm bắt được hành vi hấp thụ chi tiết của các tâm màu trong đá quý.
Phân tích Mẫu số 3 của chúng tôi, được mô tả trong Hình 6, cho thấy những thay đổi quang phổ sau mỗi bước thử nghiệm. Đáng chú ý là có sự tăng cường hấp thụ được quan sát thấy ở khoảng 320nm và 475nm sau khi chiếu xạ gamma (vết màu xanh lục trong quang phổ).

Hình 6: So sánh phổ UV-VIS của Mẫu #3, một viên sapphire màu hồng nhạt, trải qua một loạt các xử lý. Lưu ý thanh dải màu có thể nhìn thấy ở trên cùng, cho biết rằng chỉ có những thay đổi phổ giữa 380nm và 700nm mới có thể được mắt chúng ta nhận thấy. Hình: HAO Wang, SSE
Không giống như tác động của xử lý nhiệt ở 1200°C không làm thay đổi sự hấp thụ ở 475nm, chiếu xạ gamma làm tăng rõ rệt sự hấp thụ ở bước sóng này. Hiện tượng này có thể là do sự hình thành các lỗ bị bẫy (O-1) nằm cạnh Fe3+ hoặc Cr3+, thay thế cho Al3+ trong cấu trúc tinh thể của corundum, do đó tạo ra hai loại tâm màu chịu trách nhiệm cho sự dịch chuyển của đá quý ban đầu có màu hồng nhạt sang màu cam đậm. Cơ chế này, tạo điều kiện thuận lợi cho việc tạo ra các lỗ bị bẫy và sự thay đổi màu sắc tiếp theo trong corundum chứa Cr và Fe, phù hợp với các quan sát trước đây về corundum tự nhiên chưa qua xử lý có màu cam (Dubinsky và cộng sự, 2020).
Hơn nữa, các phân tích của chúng tôi cho thấy rằng thử nghiệm độ ổn định màu tiếp theo (sử dụng nguồn ánh sáng ban ngày mạnh) không nhất thiết phải đưa quang phổ trở lại trạng thái ban đầu, để lại trong mẫu số 3 của chúng tôi một màu cam nhạt dai dẳng. Bên cạnh việc nghiên cứu các đặc tính trước/sau khi chiếu xạ của các mẫu corundum (hay còn gọi là đá quý chủ), chúng tôi cũng xem xét liệu các đặc điểm bao thể trong corundum có thể tiết lộ bằng chứng về xử lý chiếu xạ gamma hay không. Chúng tôi đặc biệt tập trung phân tích vào sự rối loạn mạng tinh thể của các bao thể zircon trong một trong những viên sapphire hồng từ Ilakaka, Madagascar (Mẫu số 3 màu hồng nhạt) trước/sau khi chiếu xạ. Cuộc nghiên cứu này được lấy cảm hứng từ các tài liệu chỉ ra rằng sự mở rộng đỉnh Raman, một đại diện cho sự gia tăng rối loạn mạng tinh thể (Nasdala và cộng sự, 1995), có thể là kết quả của bức xạ gamma (Zhu và cộng sự, 2015).
Chúng tôi tập trung vào hành vi của hai đỉnh Raman đặc trưng ở 974 cm-1 và 1008 cm-1. Kết quả thực nghiệm của chúng tôi, thu được từ năm bao thể zircon, không cho thấy sự mở rộng đáng kể về mặt thống kê của các đỉnh Raman sau khi chiếu xạ gamma (Hình 7).Để 'thiết lập lại' sự rối loạn cấu trúc của các zircon này, mẫu được nung nóng trước khi xử lý chiếu xạ. Như được trình bày chi tiết trong Hình 7, các giá trị nửa cực đại toàn chiều rộng (FWHM) cho cả hai đỉnh vẫn nhất quán với các giá trị được quan sát thấy trong 'trạng thái thiết lập lại' sau khi xử lý nhiệt, cho thấy không có sự gia tăng đáng kể nào về sự rối loạn mạng tinh thể do thí nghiệm chiếu xạ. Quan sát này được hỗ trợ thêm bằng cách phân tích các giá trị FWHM trung bình trên các tạp chất và sự thay đổi của các giá trị này, được đo bằng độ lệch chuẩn (STD) và độ lệch chuẩn tương đối (RSD).

Hình 7: Phân tích Raman các tạp chất zircon trong Mẫu số 3 (sapphire hồng nhạt), vẫn giữ được màu cam nhạt sau khi chiếu xạ gamma và thử nghiệm độ ổn định màu. Trên cùng: hình thái của các tạp chất zircon ở trạng thái ban đầu, sau khi xử lý nhiệt 1200 ̊C và sau khi chiếu xạ gamma. Dưới cùng: Tóm tắt thống kê các đỉnh phổ Raman (ở 974 cm-1 và 1008 cm-1) bao gồm nửa cực đại toàn chiều rộng (FWHM), độ lệch chuẩn (STD) và độ lệch chuẩn tương đối (RSD) cho mỗi đỉnh. FWHM đóng vai trò là thước đo mức độ mất trật tự tinh thể, với các giá trị cao hơn biểu thị mức độ mất trật tự tăng lên. Các giá trị RSD đánh giá sự thay đổi của FWHM trên các tạp chất, với RSD cao hơn cho thấy sự khác biệt lớn hơn về mức độ mất trật tự tinh thể giữa các tạp chất
Điều thú vị là, trong khi chiếu xạ gamma làm thay đổi đáng kể màu sắc của sapphire hồng nhạt, nó không ảnh hưởng đến tính toàn vẹn cấu trúc của các tạp chất zircon ở mức độ có thể đo lường được. Ngược lại, xử lý nhiệt được áp dụng trước khi chiếu xạ gamma làm giảm đáng kể FWHM và RSD của các đỉnh Raman zircon, cho thấy sự giảm rối loạn mạng. Những phát hiện này cho thấy liều lượng bức xạ gamma được sử dụng trong nghiên cứu của chúng tôi là không đủ để gây ra những thay đổi có thể phát hiện được trong các tạp chất zircon, trái ngược với kỳ vọng dựa trên các tài liệu trước đây. Do đó, việc phân tích rối loạn tinh thể zircon sau khi chiếu xạ gamma hiện có thể không phải là phương pháp hiệu quả để phát hiện ra quá trình xử lý chiếu xạ này.
Triển vọng: điều gì sẽ xảy ra?
Dựa trên kết quả nghiên cứu hiện tại của chúng tôi và sau khi thảo luận với các phòng thí nghiệm đá quý khác, có thể nói rằng cho đến ngày nay, vẫn chưa có tiêu chí nào cho phép phát hiện rõ ràng loại corundum được xử lý bằng chiếu xạ gamma.
Nghiên cứu đang được tiến hành tại SSEF tập trung vào việc khám phá mối quan hệ giữa phát quang liên quan đến Cr (cường độ vạch R) và nồng độ Cr, tất cả đều nhằm mục đích tìm ra phương pháp phát hiện khả thi đối với ruby và đá sapphire hồng được chiếu xạ gamma.
Điều cần lưu ý là việc phát hiện ra phương pháp xử lý chiếu xạ này có thể không chỉ yêu cầu một tiêu chí và phương pháp phát hiện, mà còn cần kết hợp các thử nghiệm và phương pháp, theo tính phức tạp của các tác động của phương pháp xử lý này đối với corundum có thành phần nguyên tố vết khác nhau và từ các bối cảnh địa chất và địa lý khác nhau. Điều này thậm chí còn đúng hơn, vì corundum tự nhiên chưa qua xử lý có thể đã trải qua quá trình chiếu xạ tự nhiên nếu tiếp xúc với chất lỏng chứa các nguyên tố phóng xạ hoặc do chiếu xạ tự nhiên trong đá chủ (Nassau và Valente 1987).
Hiện tại, chỉ có thể phát hiện ra phương pháp xử lý khi viên đá cũng đã được phân tích ở trạng thái trước khi xử lý và được so sánh và phân tích lại sau khi chiếu xạ. Chúng tôi biết rằng đây là một tình huống đầy thách thức đối với cả ngành thương mại và phòng thí nghiệm và muốn nhấn mạnh rằng chúng tôi nỗ lực hết mình trong nghiên cứu để tìm ra giải pháp cho ngành thương mại chống lại thách thức này và sẽ cập nhật thường xuyên cho ngành thương mại về bất kỳ phát hiện mới nào trong vấn đề này.
Tài liệu tham khảo
Ashbuugh, CE, 1988. Chiếu xạ và phóng xạ đá quý. Gems & Gemology 24, số 4, 196-213.Brown, IJ và MA Brown, 1981. Sự giãn nở nhiệt ở nhiệt độ thấp của Ruby được chiếu xạ γ. Physical Review Letters 46, số 13, 835-837.De Goer, AM và B. Dreyfus, 1967. Hiệu ứng chiếu xạ γ lên độ dẫn nhiệt của Al2O3 có tạp chất Cr hoặc Mn ở nhiệt độ thấp. Physica Status Solidi 22, số 1, 77-82.Dubinsky, EV, J. Stone-Sundberg và JL Emmett, 2020. Mô tả định lượng về nguyên nhân tạo màu sắc của Corundum. Gems & Gemology 56, số 1, 2-28.Flowers, W., và J. Jenney, 1963.
Ảnh hưởng của chiếu xạ γ lên hiệu suất của laser Ruby. Biên bản báo cáo của IEEE 51, số 5, 858-859. Johnson, VR và RW Grow, 1964. Hiệu ứng chiếu xạ gamma trong Ruby. Biên bản báo cáo của IEEE 52, số 2, 185-186.Johnson, VR và RW Grow, 1967.
Ảnh hưởng của chiếu xạ γ lên hiệu suất của laser Ruby. Tạp chí IEEE về Điện tử lượng tử QE-3, số 1, 858-859.Krzemnicki, MS, 2022.
Thử nghiệm bổ sung mới tại SSEF về Độ ổn định màu của hồng ngọc Bản tin SSEF. https://www.ssef.ch/new- additional-test-at-ssef-for-the-colour-stability-of-rubies/Krzemnicki, MS, 2023. The Frontier of Research: Irradiation Experiments on Corundum. Facette số 28, 40.
Maruyama, T., và Y. Matsuda, 1964. Colour Centers in γ-Irradiated Ruby. Tạp chí của Hội Vật lý Nhật Bản, số 7, 1096-1104.Nasdala, L., G. Irmer, D. Wolf, 1995. Mức độ biến chất trong zircon; một nghiên cứu quang phổ Raman. Tạp chí Khoáng vật học Châu Âu số 7, số 3, 471–478.Nassau, K., 1983.
Vật lý và Hóa học của Màu sắc. John Wiley & Sons Inc, New York.Nassau, K., và GK Valente, 1987.
Bảy loại đá Sapphire vàng và độ ổn định của chúng đối với ánh sáng. Gems & Gemology 23, số 4, 222-231. Pardieu, V., K. Scarratt, R. Hughes, 2022. Chiếu xạ hồng ngọc · Lưu ý cảnh báo. ngày 23 tháng 2.
Powell, RC, 1966. Tương tác của các ion crom trong tinh thể hồng ngọc. Bài báo nghiên cứu khoa học vật lý, số 299. Massachusetts: Văn phòng nghiên cứu hàng không vũ trụ.Zhu, W., L. Fan và X. Lu, 2015. Sự tiến hóa về cấu trúc dướitác động của tia gamma đối với zircon có nguồn gốc từ tỉnh Hải Nam, Trung Quốc. Trong Biên bản báo cáo của Hội nghị quốc tế lần thứ 3 về Kỹ thuật vật liệu, cơ khí và sản xuất. Quảng Châu, Trung Quốc: Nhà xuất bản Atlantis, 1748-1752.
Bởi Tiến sĩ Hao Wang, lần đầu tiên xuất bản trên Facette 29 (tháng 5 năm 2024)
Lược dịch Kira Trần

Khoa học - Công nghệ
/khoa-hoc-cong-nghe
Bài viết nổi bật khác
- Hot nhất
- Mới nhất
Hãy là người đầu tiên bình luận bài viết này