INTRODUZIONE ALLE LEZIONI DI GEMMOLOGIA DIAMANTE

Transcript

1 INTRODUZIONE ALLE LEZIONI DI GEMMOLOGIA DIAMANTE 1

2 Rubino grezzo Argomenti del corso di gemmologia 1. Cosa intendiamo per gemme e pietre preziose 2. Origine delle gemme naturali e principali metodi di sintesi 3. Proprietà fisiche ed ottiche delle gemme 4. Identificazione delle gemme 5. Tecniche di analisi gemmologica non-standard (IR, RAMAN) 6. Inclusioni nelle gemme 7. Caratteristiche, proprietà e trattamenti delle più comuni gemme. 2

3 Un esempio di trattamento IRRADIAZIONE O IRRAGGIAMENTO DI GEMME Topazi incolori (r.i. 1,609) trattati con cobalto 60 o cesio 137 (r.i. 1,620): sul mercato sono indicati come London blue, super blue, max blue e sky blue Ad esempio Osservando la fotografia è praticamente impossibile dire che tipo di gemma si tratti. Potrebbe essere ad esempio un rubino, uno spinello, una tormalina, un berillo rosso? Solo attraverso un analisi attraverso i seguenti strumenti potremmo stabilire che si tratti in realtà di un berillo raro chiamato bixbite o spesso smeraldo rosso. 3

4 GEMMOLOGIA Fu insegnata per la prima volta come corso di specializzazione della geologia tra il Nel 1916 corso semestrale di Edward Kraus. La gemmologia non si occupa solo dello studio dei materiali gemmiferi (perle comprese) e della corretta terminologia di questi ultimi, ma anche dei metodi d analisi gemmologica del taglio e della lucidatura, della gemma creata sinteticamente, dei metalli preziosi e delle loro leghe e infine delle procedure di valutazione. I corsi di corrispondenza GIA sono il risultato di lezioni tenute da R. Shipley tra il Cavalese SESTO SAN GIOVANNI MILANO 4

5 Cosa intendiamo per GEMMA? Per GEMMA intendiamo un materiale desiderabile per la sua BELLEZZA, di grande valore per la sua RARITA, e che sia dotato di DUREVOLEZZA in modo da mantenere la sua lucentezza nel tempo Le tre virtù cardinali sono quindi: BELLEZZA RARITA DUREVOLEZZA Cosa intendiamo per GEMMA NATURALE? Secondo le disposizioni dell UNI (Ente Nazionale Italiano di Unificazione- Norme 10245) per GEMMA NATURALE intendiamo un materiale di origine naturale, inorganico o organico. Si comprendono minerali, rocce, parti e secrezioni di animali e vegetali. Esempi: corindone (tutte le varietà); berillo (tutte le varietà); corallo; perla; ambra. Cosa si intende per materiale gemmologico artificiale? Secondo le disposizioni dell UNI (Ente Nazionale Italiano di Unificazione- Norme 10245) le sostanze organiche e/o inorganiche prodotte mediante procedimenti tecnologici sono genericamente definite materiale gemmologico artificiale. In questa categoria distinguiamo: Le gemme sintetiche (o minerali sintetici) sono materiali prodotti artificialmente con procedimenti tecnologici. Hanno sempre i corrispondenti naturali. Hanno la stessa composizione chimica, lo stesso sistema cristallino, e le stesse caratteristiche ottiche e fisiche della loro controparte naturale. Esempi: corindone sintetico (tutte le varietà); berillo sintetico (tutte le varietà); 5

6 6

7 Cosa si intende per materiale gemmologico artificiale? Secondo le disposizioni dell UNI (Ente Nazionale Italiano di Unificazione- Norme 10245) sono materiali gemmologici artificiali anche: Prodotti sintetici: sostanze cristalline ottenute con procedimenti di sintesi (es. CZ, GGG, YAG, il linobate) non hanno il corrispondente naturale Vetri artificiali: sostanze amorfe ottenute per raffreddamento di un fuso di qualunque composizione chimica; Materiali compositi: materiali ottenuti da due o più parti assemblate, naturali o artificiali; Plastiche Perle imitazioni Materiali agglomerati: materiali costituiti da frammenti naturali o artificiali, fusi e pressati. Es. ambra ricostituita. niobato di litio 7

8 Cosa si intende per simulante? I simulanti invece sono tutti quei materiali che assomigliano come aspetto estetico alla gemma che imitano. Ad esempio spesso si usano gemme naturali colorate poco preziose per simularne altre più preziose. Molto spesso vetri colorati (detti paste) sono usate come simulanti di gemme. E evidente che in questo caso la composizione, le proprietà dei simulanti sono molto diverse dalle gemme naturali che vogliono imitare. The Timur Ruby Altre imitazioni zircone Topazio azzurro Spinello blu Zaffiro 8

9 Yeuda Simulazioni: Trattamenti non dichiarati Le migliori imitazioni del diamante CZ: zirconia cubica ZrO 2 Disponibile sul mercato dal 1976 ma sintetizzata dal Nota anche come materiale ceramico resistente ad alte T (2500 C fusione) Non ha equivalenti in natura: esiste la baddeleyite, rombica. Stabilizzata con elementi di transizione (es:ossido di ittrio, Cu, Co, Mn, Cr) che a volte le conferiscono colorazioni; a volte con terre rare (praseodimio, neodimio, olmio, cerio che producono spettri di assorbimento caratteristici). Durezza 8.5 Arrotondamento degli spigoli Scarsa fuorescenza agli UV sul giallo (il diamante invece è blu). Sfaldatura assente (il diamante ha sfaldatura perfetta parallele all ottaedro) Opaca ai RX Riconoscimento mediante il metodo della riga o del punto. 9

10 IL DIAMANTE Proprietà chimiche, fisiche e mineralogiche: Composizione chimica: C Caratteristiche cristallografiche: sistema cubico Durezza: 10 scala di Mohs Tenacità: non buona, presenta 4 direzioni di sfaldatura evidente secondo le facce dell ottaedro Le migliori imitazioni del diamante Prodotti artificiali il cosiddetto GGG, granato di gadolinio e gallio (gadolinium, gallium garnet); lo YAG, ossia granato di ittrio e alluminio (yttrium aluminum garnet), il niobato di litio, noto in commercio come linobate. E incolore, giallo, bruno, verde il titanato di stronzio (simile al rutilo, un minerale del titanio. In commercio si trova come fabulite). Hanno durezza bassa, tra 6 e 8 Non hanno il fuoco, poiché la dispersione è bassa. GGG- $0.40/carat YAG - $.20/carat fabulite 10

11 Le migliori imitazioni del diamante MOISSANITE SINTETICA (una delle migliori imitazioni del diamante) La storia della Moissanite ebbe inizio migliaia e migliaia di anni fa, quando una meteorite si schiantò sulla superficie terrestre creando un enorme cratere ancora oggi esistente, il Diablo Canyon, in Arizona. Solo nel 1904 il premio Nobel per la chimica Henri Moissan, analizzando i frammenti venuti dallo spazio, identificò la presenza di una nuova sostanza: il carburo di silicio naturale, e proprio in onore del suo scopritore prese più tardi il nome di Moissanite CSi: 70%sabbia, 30%carbone coke Questo prodotto ha la sostanziale differenza di essere birifrangente; mentre, dal punto di vista fisico, è una buona imitazione del diamante, in quanto ha durezza pari a 9.25 della scala di Mohs e conducibilità termica simile a quella del diamante, Solitario corrispondente ad un diamante di Ct.1 ( 7.000,00 ca.) PREZZO AL PUBBLICO 790,00 Parti principali del taglio Tavola superiore (o principale). Faccetta larga e piatta alla sommità della corona, parallelamente al piano della cintura Faccette di stella Corona:parte pietra sopra cintura Cintura:sezione perimetrale Faccette fondamenta li inferiori Padiglione:area inclinata tra cintura e apice N.B.:Faccette= superfici planari polite. Apice (o Tavola inf.) :faccetta dove si incontrano le faccette del padiglione 11

12 Sono considerate simulazioni anche le pietre assemblate o composite: ad esempio Doppiette in senso stretto: due parti di forma appropriata, ricavate da materiale della stessa specie e dello stesso colore incollate tra loro, di cui una costituisce la corona e l altra il padiglione. (es. due pezzi di diamante, di rubino, di zaffiro, ecc.). Doppiette in senso lato: due parti di forma appropriata, ricavate da materiale di diversa specie e incollate tra loro, di cui una di minerale naturale costituisce la corona e l altra di scarso valore il padiglione. (es. doppietta di diamante, in cui la corona è diamante e il padiglione è costituito da qualsiasi pietra incolore). Triplette: sono costituite da tre porzioni: la corona in materiale naturale, la parte sup. del padiglione, ricavata da un materiale simile, e la parte centrale, solitamente di vetro colorato. Sono considerate simulazioni anche le pietre assemblate: ad esempio - doppiette granato - vetro - strass (VETRO INCOLORE BRILLANTE SUSCETTIBILE DI OPPORTUNA COLORAZIONE. Composizione media: 35% silice, 50% ossido di piombo (minio), 12% ossido di K, tracce di B, ossido di Al e As. - doppiette e triplette opale - triplette spinello sintetico (spinello incolore - lamina vetro colorato - spinello incolore) - spinello sintetico (per imitare tormalina, acquamarina, peridoto) ingannevoli - doppiette corindone naturale e sintetico, doppiette diamante - mat. varie - ambra in plastica 12

13 La tabella seguente mette in luce alcuni materiali di interesse gemmologico che possono essere ricreati in laboratorio, oltre ai tipi di imitazioni che si possono incontrare. Pietra Possibilità di sintesi Imitazioni Ametista Corallo Diamante Si No Si Vetro, Plastica Plastica, Fosfato di Calcio Vetro, Zircone incolore, Zirconia Cubica, Moissanite, GGG (granato di gadolino di gallio), YAG (granato di ittrio e alluminio) Smeraldo Quarzo Si Vetro Si Vetro, Spinello sintetico, YAG, GGG, Zirconia Cubica verde, Quarzo verde Rubino Si Zirconia Cubica rossa, Spinello sintetico colorato,vetro, Plastica Zaffiro Si Zirconia Cubica blu, Spinello sintetico colorato,vetro, Plastica Perle di imitazione Dalle Majorca alle perle di Parigi, i prodotti inventati dall'uomo per competere con la natura Perle di Parigi: essenza d oriente Perle di Majorca: vetro ricoperto di essenza d oriente Perle di Boemia: protuberanze di madreperla Perle di Roma: alabastro ricoperto di iridescenze Perle di rose di Turchia: PETALI DI ROSA Perle di vasca: sfere di madreperla con pellicola di nylon Perle di Venezia: vetro con aggiunta di materiale madreperlaceo 13

14 Cosa intendiamo per GEMMA? Per GEMMA intendiamo un materiale desiderabile per la sua BELLEZZA, di grande valore per la sua RARITA, e che sia dotato di DUREVOLEZZA in modo da mantenere la sua lucentezza nel tempo Le tre virtù cardinali sono quindi: BELLEZZA RARITA DUREVOLEZZA Cosa intendiamo per GEMMA NATURALE? Secondo le disposizioni dell UNI (Ente Nazionale Italiano di Unificazione- Norme 10245) per GEMMA NATURALE intendiamo un materiale di origine naturale, inorganico o organico. Si comprendono minerali, rocce, parti e secrezioni di animali e vegetali. Esempi: corindone (tutte le varietà); berillo (tutte le varietà); corallo; perla; ambra. Cosa si intende per materiale gemmologico artificiale? Secondo le disposizioni dell UNI (Ente Nazionale Italiano di Unificazione- Norme 10245) le sostanze organiche e/o inorganiche prodotte mediante procedimenti tecnologici sono genericamente definite materiale gemmologico artificiale. In questa categoria distinguiamo: Le gemme sintetiche (o minerali sintetici) sono materiali prodotti artificialmente con procedimenti tecnologici. Hanno sempre i corrispondenti naturali. Hanno la stessa composizione chimica, lo stesso sistema cristallino, e le stesse caratteristiche ottiche e fisiche della loro controparte naturale. Esempi: corindone sintetico (tutte le varietà); berillo sintetico (tutte le varietà); 14

15 Cosa si intende per materiale gemmologico artificiale? Secondo le disposizioni dell UNI (Ente Nazionale Italiano di Unificazione- Norme 10245) sono materiali gemmologici artificiali anche: Prodotti sintetici: sostanze cristalline ottenute con procedimenti di sintesi (es. CZ, GGG, YAG, il linobate) non hanno il corrispondente naturale Vetri artificiali: sostanze amorfe ottenute per raffreddamento di un fuso di qualunque composizione chimica; Materiali compositi: materiali ottenuti da due o più parti assemblate, naturali o artificiali; Plastiche Perle imitazioni Materiali agglomerati: materiali costituiti da frammenti naturali o artificiali, fusi e pressati. Es. ambra ricostituita. berillo BELLEZZA La gemma deve essere attraente, altrimenti non è considerata pietra preziosa. La bellezza delle gemme è soggettiva, non è una proprietà tangibile e quindi non QUANTIFICABILE. Potrà essere dovuta ad esempio: 1. Splendore: perché le gemme tagliate sono brillanti? 2. Trasparenza e Intensità del colore (es. rubino e smeraldo) 3. Colore (es. turchese) 4. Scomposizione della luce bianca nei colori dello spettro (es. il fuoco dei diamanti o l interferenza dell opale) Lucentezza:quanta luce è riflessa? 15

16 Bellezza Colore Trasparenza Lucentezza Brillantezza Fenomeni Ottici Origine del colore nelle gemme 16

17 Colore dei minerali A seconda delle colorazioni, i minerali si suddividono in: idiocromatici, che presentano sempre il medesimo colore, dovuto a uno specifico elemento che costituisce una parte essenziale del loro chimismo; allocromatici, che possono presentare colori differenti perchè non possiedono un loro colore caratteristico (es. i minerali che troviamo sia incolori che colorati, quali diamante, corindone, berillo, topazio, lo spinello, lo zircone, il quarzo. Minerali idiocromatici La costanza del colore nei minerali idiocromatici è dovuta alla presenza di elementi cromofori come Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu che entrano costantemente nella loro composizione (es: spessartite, uvarovite, almandino, olivina, turchese). Minerali allocromatici In questi minerali, la colorazione può essere determinata da più fattori fra i quali: la presenza dei medesimi elementi cromofori nella struttura del minerali, stavolta però come ioni estranei, in tracce la presenza di difetti strutturali nel reticolo (centri di colore) la presenza di inclusioni di altri minerali colorati Quale e dunque la causa del colore nelle gemme? La corrispondenza tra un certo colore (per esempio il verde dello smeraldo, una varietà del berillo) ed un dato elemento chimico (il Cromo) è oggi assodata. Questo ci fa capire che UNA DELLE CAUSE DEL COLORE E LA PRESENZA DI IMPURITA METALLICHE. 17

18 Il Cromo Rubino Spinello Solo 1-2% di Cr sostituisce Al Il cromo generalmente conferisce una colorazione intensa rossa o verde alla gemme. Quando esposti ai raggi UV o X i minerali contenenti Cr assumono una fluorescenza rossa. I minerali contenenti Cr mostrano generalmente una trasparenza nel rosso intenso Piropo Ma il Cromo conferisce anche colorazione verde.e una estrema trasparenza nel rosso intenso (es. smeraldo, alessandrite) SMERALDO: BERILLO TSAVORITE: VARIETÀ DI GROSSULARIA CROMODIOPSIDE;PIROSSENO GRANATO DEMANTOIDE: varietà dell andradite 18

19 Demantoide Granato verde, il suo nome che viene dall'olandese, significa più o meno "simile al diamante" per la sua unica brillantezza e luminosità. Il demantoide ha una relativamente elevata rifrazione della luce (1.888). Notevole dispersione, ovvero la sua capacità di riflettere la luce proveniente attraverso le sfaccettature e di scomporla nei colori dell'arcobaleno. Durezza inferiore di poco al grado 7 della scala Mohs Molto prezioso è quello di profondo verde smeraldo, che tuttavia è veramente molto raro. Esso, non soltanto è una pietra rara e raffinata, ma di solito è anche piuttosto piccola, solo poche pietre possono raggiungere più di due carati dopo il taglio, molte pesano circa un carato. Ritrovato in Namibia (non incluso, generalmente) e Russia, negli Urali. GRANATO DEMANTOIDE: varietà dell andradite, con inclusioni a coda di cavallo di bissolite (anfibolo) 19

20 Il sistema di classificazione delle gemme di colore si avvale di 3 parametri: TONALITÀ CROMATICA, LUMINOSITÀ E SATURAZIONE CROMATICA. Colore -TONALITÀ CROMATICA (o TINTA o TONO CROMATICO O Più SEMPLICEMTE COLORE IN S.S.) - colore percepito a colpo d'occhio. (Il sistema del G.I.A. distingue 31 tinte differenti, es. verde, rosso, ecc). - LUMINOSITÀ -descrive la luminosità relativa di una tinta. (La scala di tonalità del G.I.A. distingue fra 11 gradi, in cui il bianco o l'incolore vengono indicati con 0 ed il nero con il 10. Es. grigio neutro con estremi dal bianco al nero). -SATURAZIONE CROMATICA O CROMA- concentrazione o purezza di una tinta. (La scala del G.I.A. comprende 7 categorie). Per tinte molto sature si usa l'appellativo "forte"; per tinte estremamente sature si usa l'appellativo"vivido". Il colore è la risposta dell occhio alla parte visibile dello spettro elettromagnetico 1nm =10-9 m =10Å 350nm 750nm I LIMITI DELLA REGIONE DEL VISIBILE NON SONO NETTI, ma dipendono dall osservatore e dalle condizioni in cui la luce arriva al suo occhio: percio diventa conveniente considerare che LA REGIONE DEL VISIBILE SI ESTENDA da 700 A 400 nm. 20

21 QUALE E LA CAUSA DEL COLORE NELLE GEMME? Come sappiamo, la luce che interagisce con una gemma può essere trasmessa, assorbita, riflessa, rifratta, o diffusa. L assorbimento della luce è la causa principale del colore. Esso dipende dal comportamento degli elettroni all interno delle strutture del cristallo. Luce incidente Luce diffusa Rifrazione Luce riflessa Luce trasmessa Luce emessa (fluorescenza) I processi di diffusione e riflessione fanno parte delle proprietà percepite come lucentezza di un materiale. Assorbimento e riflessione Minerali incolori: la luce non è assorbita Minerali colorati: certe l sono assorbite Tutte le gemme colorate operano nei confronti della luce un assorbimento selettivo, sono cioè in grado di trattenere alcune lunghezze d'onda (ovvero alcuni colori) dello spettro del visibile. 21

22 Esistono degli strumenti chiamati spettroscopi, che essendo dotati al loro interno di elementi disperdenti (prismi o particolari reticoli), permettono la visione dello spettro di assorbimento di una gemma. Spettro di assorbimento dello zircone Zr(SiO 4 ) Come mi appare uno spettro di assorbimento e come lo interpreto? Spettro di assorbimento del granato almandino Fe 3 Al 2 (SiO 4 ) 3 22

23 Spettroscopia infrarossa ASSORBIMENTO DELL ENERGIA INFRAROSSA In condizioni di equilibrio a temperatura ambiente i legami di un composto vibrano per effetto dello scambio energetico con le molecole che si trovano nelle immediate vicinanze. L assorbimento di energia proveniente da una sorgente di radiazioni IR fa aumentare l ampiezza di queste vibrazioni ; rimossa la sorgente di eccitazione l energia viene rapidamente dispersa Solitamente le molecole che non subiscono eccitazione sono in numero molto maggiore rispetto a quelle che interagiscono con la radiazione. Ogni modificazione dello stato vibrazionale è quantizzata, cioè l assorbimento non è continuo ma apparirà come una serie di picchi di assorbimento 23

24 Modi vibrazionali M1 M2 1. modi di stretching o di stiramento (simmetrico o asimmetrico) dei legami; COMPORTANO UNO SPOSTAMENTO LINEARE DELLA MOLECOLA (O DEL GRUPPO DI ATOMI) E UN ALLUNGAMENTO, PROVOCANDO VARIAZIONI NEL LORO MOMENTO DIPOLARE; 2. modi di bending o di piegamento. I LEGAMI MODIFICANO IL LORO ASSETTO LINEARE IN MODO CHE SUBISCA VARIAZIONI L ANGOLO FORMATO DA TRE ANGOLI SUCCESSIVI. O O H H O H H H H L assorbimento della radiazione infrarossa comporta una variazione degli stati vibrazionali molecolari. Lo studio degli spettri di assorbimento infrarosso (IR) permette di trarre informazioni sulla flessibilità delle molecole,cioè sulla facilità con cui le lunghezze e gli angoli di legame possono variare rispetto ai valori che essi posseggono all equilibrio. 24

25 Spettro di assorbimento nel visibile e nell infrarosso del berillo. visibile infrarosso I picchi corrispondono a bande di assorbimento. L assorbimento nella regione del visibile (da 0.1 a 0.8mm) è causato dai cromofori Fe e Cr; l assorbimento nella regione da 0.8 a 6.5mm è il risultato di vibrazioni molecolari; l assorbimento sopra i 4.5 mm è il risultato di vibrazioni reticolari. 25

26 CAUSE DEL COLORE: 1. Transizioni del campo cristallino 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3d 10-n 4s 1-2 Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu sono elementi con gli orbitali 3d parzialmente riempiti. Luce nello spettro visibile può eccitare gli elettroni degli orbitali d promuovendo transizioni elettroniche che sono alla base della formazione dei colori. Teoria del campo cristallino CFT (Crystal Field Theory) Teoria del campo cristallino CFT (Crystal Field Theory) Le cariche negative degli anioni coordinati al metallo di transizione creano un campo elettrico chiamato Campo Cristallino, che ha una specifica simmetria e forma e dipende dal numero di anioni, dalle loro distanze dal catione e dalle loro cariche. Tipo e g : massima densità elettronica lungo gli assi x, y,z Tipo t 2g : massima densità elettronica in direzioni comprese fra gli assi x, y,z In assenza di ioni vicini, i 5 orbitali 3d di un catione di un metallo di transizione hanno la stessa energia e hanno distribuzioni di probabilità distinte per gli elettroni 26

27 Energia Ione di un metallo di transizione circondato da un campo ottaedrico di cariche negative (anioni) Campo sferico Ione libero, senza primi vicini, come in un gas Separazione del campo cristallino, ossia separazione delle energie degli orbitali e g e t 2g. In una distribuzione ottaedrica, la repulsione elettronica fra gli orbitali degli anioni e gli orbitali posizionali centralmente al catione farà innalzare i livelli di energia degli orbitali eg. Questo fenomeno si chiama Separazione del Campo Cristallino. Sono ora possibili transizioni energetiche per assorbimenti di luce nel visibile. L entità della separazione degli orbitali e g e t 2g viene indicata dalla quantità 10Dq o Do (10Dq è una definizione). La quantità Dq dipende 1) dalla natura dello ione che porta l elettrone d 2) dall entità della carica 3) dalle distanze dal centro (cioè dalla struttura dell ospite) Viene generalmente usata come parametro empirico nella razionalizzazione dei risultati spettroscopici che hanno confermato questo tipo di teoria in maniiera molto soddisfacente. 27

28 Teoria del campo cristallino CFT (Crystal Field Theory) Poiché i minerali hanno diversi poliedri di coordinazione, ci saranno differenti separazioni del livelli di energia degli orbitali 3d dei metalli di transizione. Inoltre, qualsiasi distorsione del poliedro anionico di coordinazione attorno all elemento di transizione centrale produrrà ulteriori livelli di separazione degli orbitali 3d. Splitting degli orbitali d in un campo creato dagli anioni in coordinazione quadrata causate da distorsioni locali. E evidente il cambiamento di simmetria associato x 2 - y 2 x2 - y2 b 1g e g z 2 xy b 2g t 2g xy z 2 a 1g xz, yz xz, yz e g 28

29 IL BERILLO Composizione chimica: Be 3 Al 2 Si 6 O 18 con tracce di Cr e V nello Smeraldo. Caratteristiche cristallografiche: gruppo dimetrico, sistema Esagonale. Be Al Si Strati paralleli di anelli Si 6 O 18, fra i quali si hanno strati di ioni Be e Al. Il Be con coordinazione 4 e l Al in coordinazione 6 collegano gli anelli sia orizzontalmente sia verticalmente. Gli anelli sono posizionati l uno sopra l altro negli strati basali in maniera tale che le cavità centrali corrispondano, formando ampi canali paralleli all asse c. In questi canali possono essere ospitati una notevole varietà di ioni, atomi neutri, molecole (es. (OH), H 2 O, F, He, Rb, Cs, Na e K). Esempi di colore associato a CFT Rubino E' una delle più pregiate varietà del Corindone Al 2 O 3 durezza 9.0 Mohs Smeraldo Composizione: Be 3 Al 2 Si 6 O 18 Sistema cristallino: esagonale Durezza: 7,5/8 In entrambi i casi il colore è associato alla presenza di Cr 3+ che sostituisce Al 3+ in siti a coordinazione 6 distorta. 29

30 Corindone puro Al 2 O 3 Struttura esagonale compatta, costituita da ottaedri di ossigeni uniti per le facce con un atomo di alluminio nel centro di due su ogni tre ottaedri. Cosa lo rende un rubino? Il colore associato a transizioni del campo cristallino Nello smeraldo, nel quale il campo cristallino intorno al Cr 3+ è più debole (componente covalente di legame), i picchi di assorbimento sono spostati verso le energie inferiori, producendo trasmissione nella zona del verde. Trasmissione nel blu rubino Trasmissione nel verde. smeraldo Nel rubino, i picchi di assorbimento si trovano ad energie più elevate (legame a carattere decisamente più ionico), consentendo la trasmissione della luce principalmente nelle regioni del blu e del rosso. Trasmissione nel rosso. 30

31 Il colore associato a transizioni del campo cristallino: IL CASO DI PERIDOTO, OLIVINA E CRISOBERILLO Gli spettri di assorbimento di due minerali contenenti Fe 2+, peridoto, (Mg,Fe) 2 SiO 4, una varietà gemma dell olivina, e l almandino, Fe 3 Al 2 Si 3 O 12 un granato. E raffigurato anche lo spettro di un minerale contenente Fe 3+, il crisoberillo, Al 2 BeO 4. Fe 2+ in coordinazione 6: peridoto; Fe 2+ in coordinazione 8: almandino; Fe 3+ in coordinazione 6:crisoberillo La magia di una pietra rara La caratteristica più sensazionale di questa pietra, è la sua sorprendente capacità di cambiare colore. Verde alla luce naturale, l'alessandrite diventa di una delicata sfumatura di rosso, di rosso violaceo o di grigio violaceo alla luce di una candela o alla luce artificiale. L'alessandrite BeAl 2 O 4 è molto rara: questo a causa della sua composizione chimica. Fondamentalmente è un crisoberillio, che si differenzia dagli altri crisoberilli in quanto non contiene solo ferro e titanio ma anche cromo. Ed è proprio questo elemento ad essere responsabile dello spettacolare cambio di colore. 31

32 Abbiamo quindi detto che: GEMMA: specie di minerali o sostanze organiche usate come ornamento personale che posseggono i requisiti di BELLEZZA RARITA DUREVOLEZZA Bellezza Colore Trasparenza Lucentezza Brillantezza Fenomeni Ottici 32

33 Per riassumere: La CFT spiega il colore trasmesso nei minerali sulla base di: 1) natura dello ione di transizione che porta l elettrone d 2) carica, cioè stato di ossidazione, che determina il numero di elettroni negli orbitali 3d; 3) dalle distanze dal centro (cioè geometria del sito nel quale è ospitato il metallo di transizione); 4) Forza del campo cristallino (cariche sugli anioni, distorsione dei poliedri di coordinazione, tipo di legame, ecc.); 5) Modalità con cui l occhio interpreta le lunghezze d onda trasmesse. ---imperfezioni nel cristallo generano i cosiddetti centri di colore I difetti dell arrangiamento cristallino, siano essi atomi mancanti (lacune) o atomi addizionali (interstiziali), generano splendidi colori dopo l irradiazione della gemma. Questi difetti costituiscono uno pseudoatomo, il quale causa un assorbimento della luce (anche nella parte visibile dello spettro); lo si denomina centro di colore o centri F. I difetti possono essere indotti da radiazioni (raggi X, emanazioni di radio o altre sostanze radioattive) o da calore. Ad esempio, esposto a radio si provoca lo spostamento degli atomi di carbonio, e il diamante diventa verde. 33

34 Colore causato da riscaldamento o radiazioni ionizzanti: il caso del diamante. 47K 53K 29K 68K 34

35 Tipo I: con N Tipo Ia(98% diamanti ppm): N in aggregati, si dividono in: Tipo A, con N in coppie; Tipo A Tipo N3, aggregati di tre atomi di N e una lacuna Tipo N3 Tipo B aggregati di quattro atomi di N e una lacuna Tipo B Tipo Ib: sostituzione random di C con N (mediamente ppm) Tipo II: senza N (inferiore a 20 ppm Tipo IIa: C purissimo, senza difetti reticolari. Potrebbe essere il cristallo dimdiamante ideale, privo di difetti reticolari. Non conducono elettricità Tipo IIb: con B Tipo IIa Tipo IIb 35

36 a) b) Centro di Colore e - Struttura della fluorite, CaF 2, (AX 2 -reticolo cfc nella cella elementare cubica) nella quale un elettrone riempie una lacuna creata dalla rimozione di uno ione fluoro. In questo caso si ha un centro di colore determinato dalla presenza dell elettrone intrappolato nella lacuna. Un centro di colore nella fluorite può essere dovuto a: 1) Radiazioni ad alta energia; 2) Crescita da una soluzione con calcio in eccesso 3) Rimozione di fluoro per applicazione di un campo elettrico. Centro di Colore nella Fluorite e - 36

37 ---sostituzioni nel cristallo generano i centri di colore nel quarzo affumicato radiazione O 2- O 2- O 2- O 2- O 2- O 2- Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Al 3 + Si 4+ O 2- O 2- O 2- O 2- O 2- O 2- a) b) H + Struttura del quarzo in cui le parziali sostituzioni ioniche di Al 3+ per Si 4+ si accoppiano all ingresso nella struttura di H + per mantenere la neutralità elettrostatica. La radiazione X o gamma espelle uno degli elettroni della coppia presente in O 2- e lascia un centro di colore tipico del quarzo affumicato. quarzo affumicato Altri esempi di minerali in cui la colorazione è dovuta a centri di colore Minerale Ametista, fluorite Quarzo affumicato Diamante irraggiato Topazio naturale e irraggiato salgemma Colore Porpora Da marrone a nero Verde, giallo, bruno, blu, rosa Blu Blu e giallo I centri di colori possono essere eliminati attraverso il riscaldamento a circa 100 C, o in alcuni casi anche attraverso l esposizine agli UV. 37

38 Altri esempi di minerali in cui la colorazione è dovuta a centri di colore : il caso dello zircone Lo zircone se puro è incolore, ma se contiene Uranio, U, diventa blu e se danneggiato dal decadimento radioattivo diventa rosso-bruno I topazi sono frequentemente trattati irradiati o termicamente al fine di esaltarne la colorazione. I campioni qui riportati sono stati riscaldati ad alta temperatura. 38

39 Colore causato da riscaldamento o radiazioni ionizzanti: il caso del diamante. 47K 53K 29K 68K Tourmalina bicolore per esposizione a raggi gamma a trattamento a 47K 39

40 calcite blue, radiazioni gamma e trattamento a 38K; ---ma il colore può essere dovuto ad un altro fenomeno, detto trasferimento di carica Nel caso di impurità isolate, il colore risulta dalla transizione tra i livelli energetici di uno stesso ione. Capita tuttavia che un elettrone lasci l atomo di origine per occupare i livelli energetici di uno ione vicino. In altre parole gli elettroni di valenza si trasferiscono avanti e indietro tra ioni adiacenti. In questo caso si applica non la teoria del campo cristallino, ma quella degli orbitali molecolari condivisi e come tali delocalizzati. 40

41 Zaffiro Lo zaffiro è la varietà blu/azzurra del corindone.. Composizione = ossido di alluminio Sistema cristallino = esagonale Colore =blu in varie gradazioni, bianco, rosa, giallo Il colore è dovuto ai trasferimenti di carica tra: Fe 2+ e Ti 4+ Fe 2+ e Fe 3+ O 2- e Fe 3+ Il colore è dovuto ai trasferimenti di carica tra: Fe 2+ e Ti 4+ Fe 2+ e Fe 3+ O 2- e Fe 3+ La sola trasmissione avviene nella regione del blu-violetto 41

42 PROPRIETA' FISICHE L'Aquamarina è, insieme allo Smeraldo, una varietà del berillo, una specie minerale che cristallizza nel sistema esagonale. Composto Be 3 Al 2 Si 6 O 18. Durezza Mohs, indice di rifrazione , peso specifico 2.72, tenacità buona. Si ritrova soprattutto in Brasile, in Russia nella regione dei monti Urali, Afghanistan, Pakistan, India, Nigeria e Madagascar. Acquamarina Le colorazioni, dovute al ferro, variano dall'azzurro quasi pallido al celeste acceso con oscillazioni tra il blu verdastro e il verde-blu, comunque sempre con un tono molto delicato anche se la tinta è vivida alla vista. Raramente presenta inclusioni, ma si possono trovare anche inclusioni liquide e sono queste le acquamarine che più temono l'esposizione a fonti di calore 42

43 Inclusioni sotto forma di tubicini paralleli ---esempi in cui il colore è dovuto al trasferimento di carica Fe 2+ e Fe 3+ Ti 3+ e Ti 4+ Mn 2+ e Mn 3+ e Mn 4+ etc. Nell acquamarina ad esempio il colore blu è dato dal trasferimento di carica tra Fe 2+ e Fe

44 Fe 2+ - Fe 3+ (Mg,Fe) 2 Al 4 Si 5 O 18 nh 2 O Fenomeni Ottici crisoberillo dovuti alla sola riflessione della luce: -gatteggiamento è generato dalla presenza di microscopiche cavità isoorientate oppure di inclusioni, che concentrano la luce in una banda chiara, sottile, oscillante e iridescente. Es: crisoberillo (varietà occhio di gatto il quarzo con inclusioni di amianto (occhio di tigre), adularia ed il gesso. -asterismoè dovuto invece alla presenza di inclusioni aghiformi incrociate, e si manifesta come una stella luminosa a quattro o sei punte, che appare nella sua massima bellezza in seguito alla lucidatura della pietra; sono molto conosciuti ed ambiti dai collezionisti i rubini e gli zaffiri stellati, ma il fenomeno si presenta anche nel quarzo rosa, nella flogopite ed in alcuni pirosseni. rubino 44

45 Associazione di aghi di rutilo formanti un nido Fenomeni Ottici labradorite dovuti ad interferenza per lamina sottile -labradorescenza, tipica della labradorite dalla quale deriva il nome, è dovuta ad una particolare disposizione degli smistamenti, che produce un onda luminosa blu intenso se guardata da una particolare angolazione. dovuti a riflessione e interferenza -adularescenza (tipica dell adularia, cioè dell ortoclasio, detto anche pietra di luna). E dovuta a strati, non troppo spessi, interposti di albite ed ortoclasio. dovuti a diffrazione - giochi di colore 45

46 Giochi di colore dovuti a diffrazione: L OPALE Sfere di diametro variabile di silice amorfa intercalate da lacune disposte regolarmente con geometria cubica Composizione: SiO 2 H 2 O (silice idrata contenente tra l 1-21 % di acqua); Non cristallina Varietà più usate in gioielleria: opale nobile bianca e nera (arlecchinamento); opale nera, di fuoco, d acqua (varietà ialite). RI: (1.40 nell opale di fuoco) Peso specifico: Durezza: Lucentezza: vitrea Luminescenza: LW e SW UV da bianca a verde ad azzurra. Fenomeni Ottici dovuti a diffrazione e interferenza -oriente 46

47 Genesi della perla Le perle si formano all interno di organismi animali appartenenti al phylum Molluschi, invertebrati che presentano una conchiglia, per lo più esterna, contenente le parti molli. Struttura dei molluschi perliferi La maggior parte dei molluschi perliferi appartiene alla classe dei Bivalvi, che presentano la conchiglia composta da due parti o valve. Tuttavia, si trovano molluschi perliferi anche nelle classi dei Gasteropodi e dei Cefalopodi. GRANO: unità di misura della massa utilizzata solo per le perle naturali. Corrisponde a 0,05 grammi. 1 grammo = 20 grani. 1grano metrico= 0.25 carati 1 carato= 0.2 grammi Natura e formazione delle perle La maggior parte dei molluschi perliferi appartiene alla classe dei Bivalvi (Pinctada Margaritifera, Tridacna Gigas, Unio=acqua dolce), che presentano la conchiglia composta da due parti o valve. Tuttavia, si trovano molluschi perliferi anche nelle classi dei Gasteropodi (Strombus Gigas e Haliotis:perle conch) e dei Cefalopodi. Come esempio, vediamo nel dettaglio la struttura di un Bivalve. Ai fini gemmologici, le parti più importanti di questi animali sono il mantello e il guscio. Anatomia di un bivalve:il mantello Il mantello è un lembo cutaneo, che si trova tra il guscio e il corpo dell animale. Consta di tre strati: quello esterno è costituito da uno strato di cellule epiteliali (ectoderma) che secernono una sostanza organica, la conchiolina (O 32 H 48 O 11 ), una scleroproteina di tipo cheratina (polisaccaride azotato. L ectoderma è responsabile della formazione del guscio del mollusco. 47

48 Incistamento Le perle complete vengono formate da un altro processo, quello dell incistamento nel mantello (mantle pearls o cyst pearls). Il corpo estraneo penetrato accidentalmente nella conchiglia è di solito un minuscolo parassita che con le sue contorsioni impedisce al mollusco di fissarlo con la madreperla alla conchiglia. Il processo può essere così schematizzato: a) Il corpo estraneo forma una depressione nel mantello; b) Il mantello forma una tasca che racchiude il corpo estraneo irritante; c) La tasca si separa dal mantello formando una cisti nel corpo dell animale. Questa sacca costituisce il sacco perlifero e contiene il corpo estraneo irritante Perle naturali Strati Concentrici di aragonite depositati intorno ad un irritante. 48

49 Coltivate con nucleo Nella maggioranza dei casi la perla di coltura è costituita da un nucleo sferico di madreperla che viene inserito dall uomo, sul quale il mollusco deposita strati sovrapposti, idealmente concentrici, di cristalli di carbonato di calcio (essenzialmente aragonite), ingabbiati in una rete tridimensionale di conchiolina Coltivate senza nucleo Le perle di coltura senza nucleo o con nucleo organico non contengono un nucleo rigido di madreperla. Esse sono costituite completamente da strati di perlagione e vengono prodotte quasi esclusivamente da molluschi di acqua dolce. Frammenti di epitelio inserito costituiscono l agente irritante e danno inizio alla formazione della sacca perlifera. Così, attorno all impianto organico, si depositano strati successivi di perlagione 49

50 Esame mediante raggi X: metodo Laue Ricordiamo che: Le perle naturali sono costituite da conchiolina e da cristallini di aragonite che si dispongono a raggiera, in strati concentrici, con l asse di allungamento "c" perpendicolare agli strati. Pertanto, le basi pseudoesagonali risulteranno sempre parallele alla superficie sferica delle perle. Le perle di coltura con nucleo sono costituite da un nucleo sferico di madreperla, attorno al quale inizia la deposizione concentrica degli strati di perlagione (conchiolina e aragonite). Il concetto fondamentale da tenere sempre presente è che i cristalli di aragonite che costituiscono il nucleo di madreperla hanno orientazione diversa rispetto ai cristalli di aragonite dello strato esterno di perlagione 50

51 Nelle perle naturali gli assi pseudoesagonali di aragonite sono tutti a raggiera e i raggi X viaggiano paralleli ad essi in tutte le direzioni (lauegramma senario). Nelle perle coltivate questo si verifica in una sola direzione, ma nelle altre il lauegramma è definito binario. Esame radiografico Si basa sulla diversa trasparenza ai raggi X tra conchiolina e carbonato di calcio. Nelle perle naturali la conchiolina può occupare il centro della perla, come nel caso delle cosiddette perle blu, oppure può occupare strati sottili interposti fra strati concentrici di cristalli di aragonite. X-radiograph of natural pearls. Several pearls show circular growth lines. 51

52 Radiografia perle naturali anni 20 Perle false e imitazioni Le perle di imitazione non contengono perlagione e la superficie è omogenea e granulare, spesso con graffi. L interno può essere in vetro, madreperla, plastica. Le perle Mabe sono perle composite. Secondo la recente normativa UNI sono: Materiale composito costituito da uno strato di perlagione a superficie curva e di forma varia, riempito da materiali diversi, con chiusura basale di madreperla o di altro materiale. L interno può essere composto esclusivamente di cera, oppure contenere anche una sferetta più piccola di madreperla. 52