Come distinguere le gemme naturali dalle sintetiche

Attraverso lo studio spettroscopico della fotoluminescenza si può identificare la provenienza di una gemma

Tecnica sperimentale

Molti materiali emettono energia sotto forma di radiazione elettromagnetica (luce), come conseguenza di un'eccitazione. La misura dell'intensità della luce emessa (luminescenza) per ogni valore di l (lambda), misurata ad esempio in nanometri (nm), costituisce lo spettro caratteristico di ogni particolare materiale. Quando l'eccitazione è prodotta da fotoni, purché aventi energia sufficiente a produrre emissione, si parla di fotoluminescenza. Lo spettro di fotoluminescenza è fortemente influenzato dalla presenza nel materiale di centri luminescenti, tra cui ioni di metalli di transizione e "terre rare", introdotti intenzionalmente o presenti come impurezze naturali.

Fig.1 - Spettro di fotoluminescenza relativo al Cr⁺³ in diversi materiali di interesse gemmologico. a. rubino "Myanmar"; b. spinello rosso (vedi foto); c. crisoberillo sintetico

Gli studi finora effettuati su composti di sintesi e minerali di diversa natura ed origine, hanno messo in luce la capacità della tecnica di rivelare impurezze in concentrazioni molto piccole (rispetto a quelle identificabili mediante la maggioranza degli altri metodi disponibili) e di distinguere tra diversi stati di ossidazione degli ioni luminescenti. Piccole differenze, di natura chimica e strutturale, tra materiali apparentemente molto simili, possono quindi essere evidenziate e permettere lo studio della storia dei materiali dalla sintesi o dall'estrazione ­ se si tratta di un minerale ­ al prodotto finito.

La nostra strumentazione per lo studio della fotoluminescenza è molto versatile ed adattabile ad esigenze specifiche. Essa permette lo studio di campioni di diversa forma e dimensioni (da pochi centesimi di millimetro a parecchi centimetri), senza trattamenti preliminari: dalla roccia madre alla gemma montata. Il tempo necessario per una misura può andare da qualche minuto e qualche decina di minuti, a seconda dell'accuratezza richiesta dal problema e delle informazioni già in nostro possesso. Nel caso in cui si voglia verificare l'omogeneità di un materiale, le misure possono essere ripetute in diversi punti del campione, riuscendo a distinguere punti che distano tra loro anche decimi di millimetro.

Applicazioni gemmologiche

Lo studio della fotoluminescenza delle gemme costituisce un mezzo di grandi potenzialità per distinguere tra materiali naturali e sintetici, tra differenti minerali e tra varietà dello stesso minerale, fino all'identificazione della provenienza.

Nella Fig. 1, possiamo apprezzare le molteplicità di informazioni contenute in uno spettro di fotoluminescenza: la banda con il massimo a 1.388 nm del corindone (Al₂0₃) nella sua varietà rubino (campione a.) fornisce un'informazione chimica, in quanto univocamente correlata alla presenza di cromo nello stato di ossidazione +3 (cromo trivalente). Tale banda è identica in tutti i rubini naturali finora esaminati, sia per quanto riguarda il valore di l (lambda), sia la sua forma di "doppietto" di componenti ben distinguibili. Questo rende molto facile il riconoscimento di imitazioni a base di ioni coloranti diversi dal cromo (ad es. di neodimio). Lo spettro fornisce anche informazioni di natura strutturale: la larghezza delle righe spettrali può essere associata al grado di cristallinità (in un vetro sarebbero più larghe).

Un caso problematico è quello dello spinello MgO.Al₂0₃ (Fig. 1 campione b.), la cui varietà rossa viene spesso usata come imitazione del rubino anche in gioielli importanti. Il cromo dello spinello ha lo stesso stato di ossidazione di quello del rubino e si trova in un ambito chimico simile. Tuttavia, anche guardando solo il doppietto del cromo, si osservano differenze ben riproducibili. Il crisoberillo BeO.Al₂0₃ (Fig. 1, campione c.), gemma molto pregiata e rara (si tratta in questo caso di materiale sintetico), costituisce un ulteriore esempio di come differenti classi di gemme possano essere facilmente distinte in base al diverso comportamento assunto da una data impurezza.

Fig. 2. Spettro di fotoluminescenza di corindoni (zaffiri) naturali e sintetici: a. zaffiro azzurro "Sri Lanka"; b. zaffiro giallo "Sri Lanka" (v. foto); c. corindone azzurro sintetico.

Infine, uno studio preliminare sui rubini suggerisce che un contributo all'individuazione della provenienza possa venire da un'analisi dettagliata della regione a l (lambda) maggiore di 1.390 nm.

Nell'ambito della classe dei corindoni (Fig. 2), è possibile mettere in evidenza differenze sia chimiche sia strutturali. La l dei Cr⁺³ negli zaffiri, quando è osservabile (fig. 2a.), è identica a quella dei rubini, ma in generale la forma delle banda è differente, a causa delle interazioni con ioni di altri metalli (ferro, titanio). In alcuni corindoni gialli (Fig. 2b.), il cui colore è attribuito al ferro, lo spettro è molto simile a quello del corindone sintetico (fig. 2c.). Questo comportamento, derivante dai diversi modi in cui il ferro è legato alla struttura cristallina del corindone, può costituire un'importante fonte di informazioni sulle condizioni (naturali o artificiali) in cui il cristallo si è formato.

Ringraziamo il sig. S. Bettella [Settore Orafo, Confederazione Nazionale Artigianato (C.N.A.), Padova] per i campioni di corindone di diversa origine, il prof. C. M. Gramaccioli (Università, Milano) per il campione di crisoberillo sintetico ed il Museo di Mineralogia (Università, Padova) per averci permesso di esaminare uno spinello della sua collezione (n. inventario SA 16.942).