Come fare l'ottimizzazione delle pietre preziose? Guida ai metodi di sblocco e all'equipaggiamento

I trattamenti delle gemme, come il riscaldamento e la tintura, aumentano i colori e la chiarezza. Scoprite come funzionano questi metodi per rubini, zaffiri e altro ancora. Indispensabile per gioiellieri, designer e rivenditori per migliorare le gemme e ottenere una finitura straordinaria.

Come fare l'ottimizzazione delle pietre preziose? Guida ai metodi di sblocco e all'equipaggiamento

Gemma ottimizzata Metodi e principali attrezzature utilizzate

Esistono molti metodi di trattamento di ottimizzazione delle gemme e, con il progresso della scienza e della tecnologia, questi metodi vengono continuamente migliorati e aggiornati. I metodi di ottimizzazione più tradizionali includono il trattamento termico, la tintura e la colorazione, l'immersione in olio incolore e il rivestimento superficiale. Nell'antichità, ad esempio, si era già capito che il riscaldamento poteva migliorare il colore dell'agata e che, ponendo l'agata in tinture diverse, la si poteva tingere di vari colori. Sebbene questi metodi fossero noti, all'epoca venivano spesso scoperti per caso. Solo quando l'uomo ha gradualmente imparato a conoscere le proprietà fisiche e i meccanismi che causano il colore dei cristalli delle gemme (come diamanti, rubini, zaffiri, topazio, berillo, quarzo, ecc.) e delle gemme organiche (come perle, ambra, ecc.) ha potuto superare i campi tradizionali e sviluppare nuovi metodi di trattamento di ottimizzazione.

I principali metodi di trattamento di ottimizzazione delle gemme includono attualmente i seguenti: trattamento fisico-chimico, trattamento termico, trattamento di irradiazione, trattamento ad alta temperatura e ad alta pressione e trattamento laser. Il metodo più utilizzato nel trattamento di ottimizzazione delle gemme è il trattamento termico, che migliora il colore di gemme come rubini, zaffiri, giadeite e calcedonio, che sono colorati da tracce di impurità. Il metodo di irradiazione migliora principalmente il colore delle gemme con centri di colore, causando difetti nella composizione strutturale della gemma attraverso l'irradiazione, formando così centri di colore e cambiando il colore della gemma. Il trattamento fisico-chimico è un metodo di ottimizzazione più tradizionale, come la tintura, che utilizza comunemente diversi coloranti per colorare le gemme. L'attrezzatura necessaria è semplice e l'operazione è comoda, ma le gemme migliorate sono instabili e soggette a sbiadire. Il trattamento ad alta temperatura e ad alta pressione è attualmente un metodo per trattare i diamanti, modificandone il colore attraverso l'alta temperatura e la pressione. Il trattamento laser è utilizzato principalmente per il trattamento localizzato dei diamanti per migliorarne il colore e la chiarezza.

Sezione I Metodo di trattamento chimico delle gemme

I metodi di trattamento fisico e chimico delle gemme includono pratiche comuni come la tintura e la colorazione, lo sbiancamento, l'immersione in olio, il riempimento a iniezione, l'incollaggio, il rivestimento, il supporto, la stratificazione e l'incrostazione, che hanno una lunga storia. Tra queste, la tintura è un metodo tradizionale per migliorare il colore delle gemme che risale ai tempi antichi. Le testimonianze storiche indicano che l'agata rossa tinta è stata trovata nelle tombe egiziane intorno al 1300 a.C.. Grazie alla semplicità dei metodi di miglioramento tradizionali, essi possono essere applicati alla maggior parte delle gemme criptocristalline o monocristalline strutturalmente sciolte e con molte crepe. Molte gemme tinte presenti sul mercato si spacciano per gemme naturali, quindi è necessario identificare le gemme trattate con tintura e altri metodi di colorazione. Le gemme sono classificate in metodi di trattamento chimici e fisici in base alla natura dei metodi di trattamento.

I metodi di trattamento chimico si riferiscono all'aggiunta di una certa quantità di reagenti chimici, che reagiscono chimicamente con i componenti della gemma, consentendo agli elementi coloranti presenti nei reagenti chimici di entrare all'interno della gemma o di penetrare nelle fessure della gemma per modificarne l'aspetto del colore. Durante il processo di trattamento chimico, devono essere aggiunte sostanze diverse dai componenti della gemma. Questo metodo di ottimizzazione del trattamento è una forma di lavorazione e deve essere etichettato al momento della vendita della gemma. I metodi di trattamento chimico più comuni sono la tintura, la colorazione, lo sbiancamento e il riempimento per iniezione.

1. Tintura e colorazione

I processi e i principi della tintura e della colorazione differiscono solo per i coloranti utilizzati: la tintura utilizza coloranti organici, mentre la colorazione utilizza pigmenti inorganici. I principi della tintura e della colorazione sono gli stessi e prevedono l'infiltrazione di materiali coloranti nella gemma per migliorarne o modificarne il colore. I coloranti organici sono più vivaci, ma hanno una minore stabilità e sbiadiscono nel tempo; i reagenti chimici utilizzati nella colorazione hanno un colore simile a quello delle gemme naturali e una buona stabilità, che li rende meno inclini a sbiadire. Attualmente, la maggior parte delle gemme è colorata con pigmenti inorganici.

(1) Requisiti per materiali, coloranti e solventi

I metodi di tintura e di colorazione sono simili nella lavorazione e richiedono un'attrezzatura minima; è sufficiente immergere la gemma in un contenitore per qualche tempo. Se si desidera che il colore penetri nella gemma, è necessario riscaldare il processo e la temperatura di riscaldamento è generalmente bassa. La tintura e la colorazione sono utilizzate principalmente per le gemme di colore chiaro e con struttura sciolta. Gli effetti della tintura e della colorazione dipendono, tra le altre condizioni, dal materiale della gemma, dai coloranti e dai pigmenti selezionati e dai solventi coloranti, con i seguenti requisiti specifici.

① Requisiti per i materiali delle gemme

In primo luogo, devono essere resistenti agli acidi, alle basi e al calore. Le gemme da trattare devono essere pulite con acidi o alcali prima della tintura e durante il processo è necessario riscaldarle, talvolta bollendole per un certo tempo.

In secondo luogo, i materiali da trattare devono avere una certa porosità per consentire al colorante di penetrare nel materiale gemmologico. Materiali come giadeite, nefrite, calcedonio, agata e marmo sono relativamente facili da tingere.

Per le gemme non porose, è necessario creare pori o fessure artificiali per consentire al colorante di entrare nel cristallo. Ad esempio, il metodo dell'esplosione del quarzo richiede prima il riscaldamento e lo spegnimento del quarzo per creare crepe estremamente piccole, seguite dalla tintura o dalla colorazione, che può produrre quarzo rosso o verde (Figura 4-1).

② Requisiti dei coloranti (inclusi coloranti e pigmenti)

Per prima cosa, scegliere il colorante o il pigmento appropriato in base alle proprietà della gemma. Quando si tingono le gemme, il colore del colorante deve essere vicino al colore naturale della gemma. Le gemme tinte con coloranti organici hanno molti colori e sono molto brillanti, ma danno una sensazione di "falso" e hanno una scarsa stabilità, sbiadendo facilmente; il colore dei pigmenti inorganici è spesso più vicino alle gemme naturali, ha una migliore stabilità e non è facile da sbiadire, quindi le persone generalmente scelgono i pigmenti inorganici. Quando si selezionano i coloranti, cercare di scegliere quelli che non sbiadiscono. I coloranti organici, soprattutto quelli a base di ammina, sono soggetti a sbiadimento e devono essere utilizzati con cautela.

In secondo luogo, si selezionano coloranti che possono reagire chimicamente con determinati elementi all'interno della gemma o che possono essere adsorbiti dai pori del materiale della gemma. I coloranti più comuni sono i sali di cromo, i sali di ferro, i sali di manganese, i sali di cobalto, i sali di rame, ecc.

③ Requisiti per i solventi coloranti

Esistono due tipi di tintura con coloranti: la tintura in olio e la tintura in acqua. La tintura in olio utilizza vari oli per sciogliere il colorante, mentre la tintura in acqua utilizza acqua o molecole polari come l'etanolo come solventi per sciogliere il pigmento. Quando si tinge, è importante scegliere il solvente appropriato in base al tipo di colorante (pigmento) e alla capacità di assorbimento del materiale della gemma.

L'uso di olio molecolare non polare come solvente è chiamato tintura ad olio. Gli oli colorati (cioè gli oli che sciolgono i coloranti organici) sono comunemente usati per impregnare rubini e smeraldi, permettendo all'olio colorato di penetrare nelle fessure delle gemme.
La tintura ad acqua viene utilizzata soprattutto per i pigmenti inorganici, sciogliendo i pigmenti in acqua o alcool, creando una soluzione satura e immergendo poi le gemme pretrattate. Il tempo di immersione è solitamente più lungo di quello della tintura ad olio e, a volte, vengono utilizzati agenti chimici che reagiscono con il colorante per ottenere il colore desiderato. Per esempio, quando si tinge l'agata, si scelgono diversi reagenti chimici per indurre una reazione chimica, e il precipitato risultante penetra nelle fessure della gemma, stabilizzando il colore dopo la tintura.

(2) Fattori che influenzano l'effetto tintorio delle gemme

Oltre a considerare il materiale della gemma e il colorante, si devono considerare anche altri fattori, come il trattamento di lavaggio acido della gemma prima della tintura, la temperatura di riscaldamento durante la tintura e la durata del processo di tintura.

① Trattamento di lavaggio acido

Prima di tingere le pietre preziose, è necessario un lavaggio acido per rimuovere il giallo, il marrone e altri colori misti dalla superficie della pietra preziosa, mantenendola pulita. Dopo il lavaggio acido, è necessario scegliere una certa soluzione alcalina per neutralizzare la gemma. Se si sceglie un metodo di reazione chimica per la tintura, è necessario considerare le condizioni necessarie per la generazione di precipitazioni, altrimenti la reazione non può procedere. Dopo il lavaggio acido, la gemma deve essere asciugata in forno o all'aria prima di essere sottoposta a ulteriori trattamenti.

② Temperatura di riscaldamento e tempo di trattamento della tintura

Durante il processo di tintura, il riscaldamento viene generalmente utilizzato per favorire la penetrazione del colorante nelle fessure della gemma. Anche la temperatura di riscaldamento e la durata del trattamento di tintura influiscono sul colore finale della gemma. Una temperatura di riscaldamento più elevata determina una velocità di reazione più rapida, che richiede un tempo di tintura più breve; al contrario, una temperatura di riscaldamento più bassa richiede un tempo più lungo per ottenere un effetto di tintura migliore.

Il processo di trattamento di tintura e colorazione è semplice, facile da usare e ampiamente utilizzato. Può essere applicato a gemme monocristalline con crepe e a materiali policristallini o criptocristallini con strutture sciolte. Le gemme comunemente tinte e colorate includono rubini, smeraldi, agate, calcedonio, nefrite, giada xiuyan, giadeite, perle, avorio, opali, corallo, quarzite, turchese e altri.

(3) Caratteristiche di identificazione delle gemme colorate

Le gemme tinte hanno colori brillanti e, con l'ingrandimento, il colore può essere visto lungo le fessure o tra le particelle, con colori più chiari nelle strutture dense e colori più scuri nelle strutture sciolte. Ad esempio, i rubini tinti (Figura 4-2) mostrano un colore concentrato nelle fessure del rubino sotto una lente d'ingrandimento, con un chiaro fenomeno di delimitazione del colore.

2. Sbiancamento

Lo sbiancamento è generalmente utilizzato per la giada o per le gemme organiche con molte variazioni di colore in superficie, come la giadeite, le perle e il corallo. Gli agenti sbiancanti includono in genere cloro gassoso, sali di ipoclorito, perossido di idrogeno e solfiti. Anche l'esposizione al sole può causare lo sbiadimento di alcune gemme, che può essere un effetto sbiancante della luce solare. Il perossido di idrogeno e i sali di ipoclorito sono agenti sbiancanti comunemente utilizzati nei processi di ottimizzazione delle gemme. Il perossido di idrogeno e la luce solare sono spesso utilizzati per sbiancare le perle naturali o di coltura, consentendo di sbiancare quelle particolarmente scure o verdastre, rendendole più simili a quelle naturali di alta qualità. Il perossido di idrogeno e i sali di ipoclorito sono comunemente usati per sbiancare la giada, come la giadeite (Figura 4-3), che, dopo lo sbiancamento, rimuove i toni gialli e marroni sulla superficie, permettendo al verde della giadeite di essere meglio evidenziato.

La struttura della giada è danneggiata dopo il trattamento di sbiancamento e in genere deve essere iniettata e riempita per rendere la sua struttura densa e stabile. Le gemme organiche come le perle e i coralli possono essere vendute dopo lo sbiancamento senza trattamento di riempimento e i loro colori sono molto stabili. Il trattamento di sbiancamento è considerato un'ottimizzazione e non deve essere etichettato quando si vendono le gemme; esse possono essere denominate direttamente con il nome della gemma naturale. Le gemme utilizzate per lo sbiancamento sono giadeite, nefrite, giada Xiuyan, quarzite, perla, corallo, calcedonio, legno siliceo e occhio di tigre.

Dopo il trattamento di sbiancamento, le gemme mostrano una struttura a buccia d'arancia o simile a un canale, con sottili microfratture visibili sulla superficie lucidata, una struttura interna sciolta e un colore pulito e brillante senza impurità. Il trattamento di riempimento viene spesso utilizzato dopo lo sbiancamento per stabilizzare la struttura della gemma.

3. Riempimento a iniezione

Il riempimento a iniezione si riferisce a un metodo di trattamento che inietta sostanze liquide nelle fessure delle gemme attraverso determinati mezzi tecnologici. È adatto soprattutto per i materiali gemmologici strutturalmente allentati o che contengono molte fessure, riempiendo le fessure e i pori delle gemme con materiali come olio incolore, olio colorato, resina, cera o plastica, rendendo la loro struttura più solida, migliorando la stabilità delle gemme o cambiandone il colore. Il riempimento a iniezione può essere suddiviso in incolore e colorato, con i seguenti scopi principali.

(1) Copertura delle fessure

Le gemme naturali contengono spesso molte crepe quando vengono prodotte. La presenza di numerose crepe influisce sia sull'aspetto che sulla stabilità delle gemme. Le crepe possono essere nascoste iniettando olio incolore e altri materiali nelle crepe, nei pori o nelle fessure intergranulari del materiale della gemma, rendendole meno evidenti e aumentandone l'utilizzabilità e il valore economico. Ad esempio, gli smeraldi e i rubini naturali contengono spesso molte crepe e, iniettando olio incolore o colorato, è possibile migliorarne l'aspetto cromatico.

(2) Miglioramento della stabilità delle gemme

Per le gemme strutturalmente sciolte, iniettare e riempire i pori per renderle più solide, aumentandone la durezza e la stabilità, come nel caso di turchesi e smeraldi.

(3) Migliorare la luminosità del colore e il valore economico delle gemme.

Per le gemme dai colori più chiari, l'iniezione di olio colorato, cera colorata e altri materiali non solo ne rafforza la struttura, ma ne approfondisce anche il colore.

Supponiamo che un materiale colorato venga iniettato nei pori del turchese. In questo caso, può aumentare la sua durezza e ridurre la dispersione della luce, rendendo più intenso il suo colore e migliorando significativamente la sua durezza.

Le pietre preziose che possono essere migliorate con il metodo dell'iniezione sono rubini, zaffiri, smeraldi, turchesi, lapislazzuli, opale, berillo, quarzo e giada.

Dopo il riempimento per iniezione, la gemma mostra una trasparenza e una lucentezza ridotte nella posizione di riempimento sotto ingrandimento. Ad esempio, uno smeraldo incolore riempito di olio (Figura 4-4) mostra che la trasparenza e la lucentezza nel punto di riempimento sono significativamente inferiori a quelle degli smeraldi naturali. Se per il riempimento si utilizza olio colorato, il colore delle crepe si intensifica. Le bolle sono visibili nel punto di riempimento e i test di spettroscopia infrarossa rivelano gli spettri di assorbimento infrarosso caratteristici del materiale di riempimento, con indice di rifrazione e densità inferiori a quelli delle gemme naturali.

Sezione II Metodi di trattamento fisico delle gemme

Sono molto diffusi anche i metodi di trattamento fisico delle gemme, che si riferiscono alla modifica delle gemme con altri materiali attraverso l'incollaggio, la giunzione e altre tecniche per creare un'impressione generale. I metodi di trattamento fisico più comuni includono rivestimenti superficiali, placcature, incrostazioni, stratificazioni, incollaggi e giunzioni.

1. Rivestimento superficiale

L'applicazione di uno strato di lamina colorata (nota anche come "trattamento della lamina") sulla superficie o sul fondo della gemma o l'utilizzo di vernice come rivestimento su tutte o parte delle sfaccettature della gemma ne modificano il colore e quindi l'aspetto. Inizialmente, questa tecnica era comunemente utilizzata per i diamanti; ad esempio, il rivestimento più semplice consiste nel marcare la superficie di un diamante con inchiostro blu, che può migliorare l'aspetto del diamante grazie al colore dell'inchiostro. L'applicazione di uno strato di pellicola blu alla base di un diamante giallo chiaro può migliorarne il colore. Questo metodo di trattamento è comunemente utilizzato per diamanti, topazi, cristalli, coralli e perle.

Il metodo di rivestimento attualmente più diffuso consiste nell'applicare uno strato di rivestimento colorato su topazio o cristallo incolore o chiaro, che può dare origine a diverse sfumature di colore. Nella maggior parte dei casi, il colore aggiunto è presente solo sulla superficie della gemma. Le gemme con questo rivestimento sono facili da identificare, poiché la superficie rivestita presenta spesso un colore diverso dal fondo e, a causa della minore durezza del rivestimento superficiale, sono spesso visibili molti graffi.

2. Placcatura superficiale

Con lo sviluppo della scienza e della tecnologia, Superficie Placcatura si è gradualmente evoluto nell'applicazione di uno strato di pellicola colorata sulla superficie di gemme incolori o chiare per modificarne l'aspetto cromatico. Questo metodo di trattamento è comunemente utilizzato per diamanti, topazi, cristalli, ecc. Il rivestimento di diamante è spesso una pellicola di diamante, che è uno strato molto sottile di diamante sintetico sopra il diamante; grazie alla sua forte lucentezza e all'elevata durezza, ha un aspetto molto simile al diamante. Sui topazi o sui cristalli chiari viene spesso ricoperto uno strato di ossido metallico (Figura 4-5), che ha un aspetto simile all'arcobaleno sulla superficie. Tuttavia, i graffi sono visibili con l'ingrandimento e, con il tempo, la superficie può essere parzialmente scrostata.

3. Sovracrescita

La sovracrescita si riferisce a uno strato di gemma cresciuto sulla superficie di una gemma sintetica o naturale con metodi sintetici. Questa gemma in sovracrescita può variare di spessore. Non è facile distinguerla rigorosamente dalle gemme coltivate in soluzioni acquose. Ad esempio, uno strato di smeraldo sintetico può crescere su un pezzo di smeraldo o di berillo, presentando caratteristiche sia dello smeraldo naturale che di quello sintetico. Per identificare la gemma Overgrowth, occorre osservare l'area di giunzione, le differenze di colore e le caratteristiche di inclusione tra lo strato superiore e quello inferiore della gemma.

4. Interstrato e substrato

Il InterLo strato e il substrato vengono uniti con vari metodi per formare una gemma intera, migliorando l'aspetto, il colore e l'aspetto delle gemme naturali. Il substrato viene utilizzato principalmente per migliorare il colore delle gemme più chiare, come i diamanti con una tonalità giallastra; l'aggiunta di uno strato di substrato blu nella parte inferiore può migliorare il grado di colore del diamante. Il substrato è generalmente utilizzato in pietre composite a tre strati; ad esempio, lo strato superiore è uno smeraldo naturale verde chiaro e lo strato inferiore è un berillo incolore o verde chiaro, con uno strato verde nel mezzo, che esalta il colore dello smeraldo.

5. Composito

Il termine composito indica la combinazione di più gemme o materiali in modi diversi. Le pietre composite più comuni sono quelle a due e a tre strati. Il composito è un metodo comune di miglioramento fisico ed è ampiamente utilizzato. Grazie al trattamento composito, è possibile migliorare il colore e l'aspetto delle gemme. Le gemme composite più comuni includono smeraldi, rubini, granati, opali, diamanti, ecc. L'identificazione delle gemme composite si basa principalmente sull'ispezione con ingrandimento, prestando attenzione alle cuciture composite nelle gemme, alle differenze di colore e lucentezza tra i diversi strati e alle bolle tra le cuciture composite.

Sezione III Metodo di trattamento termico

Il trattamento termico è uno dei metodi più utilizzati per ottimizzare le gemme. Le gemme vengono collocate in apparecchiature in grado di controllare il riscaldamento, con diverse temperature di riscaldamento e atmosfere di ossidoriduzione selezionate per il trattamento termico, migliorando il colore, la trasparenza e la chiarezza delle gemme. Il trattamento termico è in grado di migliorare il valore estetico ed economico delle gemme, rivelandone la potenziale bellezza, il che lo rende un metodo di ottimizzazione delle gemme facile da utilizzare e ampiamente accettato, classificato come ottimizzazione. Può essere denominato direttamente con il nome della gemma naturale nella nomenclatura delle gemme.

1. Apparecchiature per il trattamento termico

Per eseguire un trattamento termico sulle gemme, sono necessarie alcune apparecchiature per riscaldare le gemme. In base al loro ruolo nel trattamento termico, le apparecchiature per il trattamento termico possono essere suddivise in due parti principali: apparecchiature primarie e apparecchiature ausiliarie.

1.1 Apparecchiature primarie

L'apparecchiatura principale per il trattamento termico è l'apparecchiatura di riscaldamento, che comprende due categorie: forni per il trattamento termico e dispositivi di riscaldamento. I forni per il trattamento termico comunemente utilizzati nei laboratori comprendono forni per il trattamento termico ordinario (forni a resistenza, forni a sale, forni a combustibile), forni ad atmosfera controllata e forni per il trattamento termico sotto vuoto. I dispositivi di riscaldamento includono dispositivi di riscaldamento a laser e a fascio di elettroni.

Le apparecchiature ausiliarie comprendono dispositivi per l'atmosfera controllata (generatori di gas, dispositivi di decomposizione dell'ammoniaca, sistemi di vuoto, ecc.), apparecchiature di alimentazione (armadi di distribuzione, soffianti, ecc.), strumenti di misura (strumenti di temperatura, manometri, misuratori di flusso e dispositivi di controllo automatico, ecc.

(1) Forno per trattamento termico ordinario

I forni ordinari per il trattamento termico si riferiscono principalmente a forni a resistenza, forni per la fusione del sale, forni a combustibile, ecc.

① Forno a resistenza

Un forno a resistenza comprende elementi riscaldanti (fili, carburo di silicio, siliciuro di molibdeno, ossido di cobalto, ecc.) I tipi comunemente utilizzati nei laboratori sono i forni a cassetta e i forni a tubo.

Forno a resistenza a scatola: il forno a resistenza a scatola ha una camera a forma di scatola (Figura 4-7), classificata in alta temperatura, media temperatura e bassa temperatura in base alla temperatura di lavoro. I forni a resistenza di tipo box prodotti nel nostro Paese sono stati standardizzati, tranne che per le applicazioni a bassa temperatura, per le quali vengono utilizzati diversi box a temperatura costante.

Il forno a resistenza di tipo box ad alta temperatura è utilizzato principalmente per il miglioramento del colore di gemme ad alto punto di fusione come corindone, rubino, zaffiro e zircone, con una temperatura di riscaldamento generale superiore a 1000℃.

Un forno a camera a media temperatura viene spesso utilizzato per il trattamento termico di gemme come zaffiro, topazio, cristallo e tanzanite che richiedono una modifica del colore a temperatura medio-bassa, con una temperatura di trattamento termico che varia in genere tra 650°C e 1000°C.

Il forno per il trattamento termico a bassa temperatura è utilizzato principalmente per le gemme organiche e per quelle che contengono acqua nella loro struttura, come perle, coralli, opali, ecc.

Il forno a resistenza di tipo box ha una struttura semplice, è facile da usare e ha un costo ridotto, il che lo rende un dispositivo essenziale nei laboratori. I vantaggi del forno a resistenza di tipo box sono l'elevata temperatura di riscaldamento, l'ampio spazio interno e la capacità di ospitare più campioni contemporaneamente. Tuttavia, questo tipo di forno per trattamenti termici presenta degli svantaggi, come la bassa efficienza termica, il riscaldamento lento e la temperatura non uniforme del forno, che devono essere migliorati durante il funzionamento. Ad esempio, la temperatura non uniforme del forno può essere predeterminata misurando il campo termico e posizionando i campioni a temperature specifiche per superare la temperatura non uniforme.

Forno a resistenza tubolare: il forno a resistenza tubolare utilizza generalmente fili di resistenza stratificati attorno a materiali refrattari ad alta temperatura (solitamente tubi di allumina 99%) e può controllare la temperatura in segmenti. Può anche utilizzare barre di carburo di silicio come elementi riscaldanti disposti in cerchio intorno al tubo di allumina. Il forno a resistenza tubolare può controllare l'atmosfera, isolando l'elemento riscaldante dall'atmosfera del forno con un involucro, consentendo l'introduzione di diverse atmosfere (come quella ossidante o riducente) a seconda delle necessità, con l'espulsione dei gas di scarto attraverso i fori di scarico sul coperchio del forno (Figura 4-8).

I vantaggi del forno a resistenza tubolare sono la velocità di riscaldamento, il controllo della temperatura a segmenti e il controllo accurato della temperatura; gli svantaggi sono che può gestire una quantità ridotta di campioni e non è facile da estrarre.

② Forno per la fusione del sale:

Il forno fusorio a sale è un dispositivo di trattamento termico che utilizza il sale fuso come mezzo di riscaldamento, caratterizzato da una struttura semplice e da una velocità di riscaldamento rapida e uniforme. La temperatura di fusione del sale nel forno fusorio a sale varia da 150 a 1300℃, a seconda della composizione della soluzione salina, consentendo in genere un intervallo di temperatura di riscaldamento adatto al trattamento termico a bassa e media temperatura delle gemme. Gli svantaggi sono l'elevato consumo di energia, la difficoltà di pulire i campioni dopo il trattamento e alcuni effetti corrosivi e contaminanti sulle gemme. I tipi più comuni di forni per la fusione del sale sono il tipo a elettrodi e il tipo a riscaldamento elettrico.

Forno per la fusione del sale a elettrodi: questo forno elettrico inserisce gli elettrodi nella camera del forno e fa passare corrente ad alta tensione a bassa tensione, generando una forte circolazione elettromagnetica quando la corrente attraversa il sale fuso, favorendo il vortice del sale fuso per riscaldare il campione. I forni per la fusione del sale elettrodico del nostro Paese sono per lo più di grandi dimensioni per la produzione industriale e non adatti ai laboratori. Nei laboratori, è possibile progettare forni di piccole dimensioni utilizzando trasformatori per la fusione del sale prodotti in serie.
Forno di fusione del sale a riscaldamento elettrico: questo forno è costituito da un crogiolo contenente sale fuso e da un corpo del forno che riscalda il crogiolo. La fonte di calore è spesso l'energia elettrica, ma vengono utilizzati anche altri combustibili. È comunemente utilizzato per il trattamento termico delle gemme autocolorate a causa di componenti chimici. Le sue caratteristiche sono l'assenza di limitazioni alla fonte di calore e la non necessità di trasformatori, ma la durata di vita del crogiolo è bassa e la distribuzione della temperatura all'interno del forno è irregolare. Molti modelli di questo tipo di forno sono prodotti nel nostro Paese, ma solo alcuni sono adatti ai laboratori di trattamento di ottimizzazione delle gemme.

③ Forni a combustibile:

I forni a combustibile possono essere classificati in forni a combustibile solido, forni a gas e forni a combustibile liquido in base al tipo di combustibile utilizzato. In base alla forma della camera di riscaldamento, possono anche essere suddivisi in forni a camera, forni a tavolo, forni a pozzo, ecc. Il forno a combustibile solido più comune è il forno a camera con alimentazione dal basso, con il carbone come combustibile principale. I vantaggi sono la semplicità della struttura e il basso costo; gli svantaggi sono la scarsa uniformità della temperatura e la difficoltà di controllarla.

I forni a combustibile gassoso utilizzano come combustibile gas combustibili (come gas di carbone, gas naturale, gas di petrolio liquefatto, ecc. Poiché i gas combustibili si mescolano facilmente con l'aria e bruciano completamente, la temperatura del forno è più uniforme rispetto a quella dei forni a combustibile solido, il che li rende adatti alla lavorazione di routine delle gemme in laboratorio. Tuttavia, l'accuratezza della misurazione della temperatura all'interno del forno potrebbe essere migliorata.

I forni a combustibile liquido utilizzano gasolio o olio pesante come combustibile e la loro struttura è simile a quella dei forni a gas. L'unica differenza tra i due è la struttura del dispositivo di combustione.

(2) Forno ad atmosfera controllata

Nel forno ad atmosfera controllata viene iniettato ossigeno o gas riducente per migliorare il colore e l'aspetto delle gemme controllando l'atmosfera di ossidazione o riduzione. Il forno ad atmosfera controllata comprende solitamente due parti: il forno di lavoro ad atmosfera controllata e il dispositivo di generazione dell'atmosfera controllata.

① Forno di lavoro ad atmosfera controllata:

Questo tipo di forno è generalmente una versione migliorata di un forno a resistenza, e sia i forni a scatola che quelli a tubo possono essere utilizzati come forni ad atmosfera controllata. Un forno ad atmosfera controllata può essere realizzato aggiungendo un attacco ad atmosfera controllabile che consente al gas di entrare e sigillare la camera del forno su un forno a resistenza. Viene comunemente utilizzato per controllare l'atmosfera del trattamento termico, come ossidazione, riduzione o neutro. I gas ossidanti introdotti includono generalmente ossigeno, aria, ecc.; i gas riducenti includono generalmente H₂, CO, N₂, CH₄Alcuni di questi gas sono infiammabili, pertanto è necessaria una maggiore cautela durante il funzionamento. Per evitare esplosioni, il metodo migliore è quello di spurgare la camera del forno con N₂(o CO₂) prima di introdurre il gas o di spegnere il forno; la quantità di gas introdotta è generalmente pari a 4~5 volte il volume della camera del forno. Inoltre, il gas introdotto ha talvolta un elevato contenuto di CO, che può facilmente intossicare gli operatori; è quindi importante garantire una buona ventilazione e controllare regolarmente la tenuta del corpo del forno e delle tubazioni. Il gas di scarico scaricato deve essere acceso o rilasciato all'aperto.

② Dispositivo per la generazione di atmosfera controllata

Generatore di atmosfera riducente (noto anche come generatore di atmosfera endotermica): Questo dispositivo miscela gas grezzi (gas naturale, gas di petrolio liquefatto, gas di carbone, ecc.) con aria in una certa proporzione. Sotto l'azione di una fonte di calore esterna e di un catalizzatore, il gas viene prodotto attraverso una combustione incompleta e una serie di reazioni. Il gas generato è una buona atmosfera riducente, rigorosamente controllata e stabile, ma la struttura dell'apparecchiatura è complessa e il costo è relativamente elevato.
Generatore di decomposizione di ammoniaca: Nel processo di trattamento termico, devono essere introdotte diverse atmosfere a seconda delle cause di formazione del colore delle gemme, come l'atmosfera ossidante, l'atmosfera riducente, ecc. L'atmosfera riducente comunemente utilizzata è ottenuta attraverso un generatore di decomposizione di ammoniaca.

L'atmosfera riducente viene generata da un dispositivo che decompone l'ammoniaca gassosa in azoto e idrogeno, come illustrato nella Figura 4-9. L'ammoniaca liquida proveniente dalla bottiglia di ammoniaca fluisce nel vaporizzatore 1, dove viene riscaldata e vaporizzata, quindi entra nel serbatoio di reazione 2, dove si decompone ad alta temperatura e sotto l'azione di un catalizzatore. Il gas di decomposizione dell'ammoniaca raffreddato viene purificato nel dispositivo di purificazione 3, dove vengono rimossi l'ossigeno residuo e il vapore acqueo e può quindi essere introdotto nel forno di trattamento termico per l'uso. Il gas dopo la decomposizione H₂:N₂ è 3:1, ovvero un'atmosfera riducente.

(3) Forno per il trattamento termico sotto vuoto

Il trattamento termico sottovuoto è un metodo di trattamento termico in cui il processo di riscaldamento o raffreddamento del campione avviene in uno stato di vuoto (pressione negativa) e il forno utilizzato per questo trattamento è chiamato forno di trattamento termico sottovuoto.

Il trattamento termico sottovuoto è utilizzato per condizioni di trattamento termico speciali, come la lavorazione della zirconia cubica nera, e la temperatura in un forno sottovuoto è relativamente alta. A causa delle preoccupazioni sull'ossidazione degli elementi non riscaldanti, è possibile utilizzare come elementi riscaldanti metalli ad alta temperatura come alluminio, wolframio, tantalio e prodotti di grafite. Tuttavia, è meno utilizzato nei processi di ottimizzazione delle gemme rispetto ai forni ad atmosfera controllata.

(4) Dispositivo di trattamento termico a fascio laser ed elettronico

Negli ultimi anni si sono sviluppate tecnologie di trattamento termico con laser e fascio di elettroni. Sono caratterizzate da una rapida velocità di riscaldamento, un'elevata temperatura e l'assenza di ossidazione, che le rendono particolarmente adatte al trattamento termico localizzato. Tuttavia, a causa del riscaldamento non uniforme, della velocità di raffreddamento e degli elevati costi di investimento, queste apparecchiature sono utilizzate meno frequentemente nel trattamento termico delle gemme e sono spesso applicate al trattamento delle inclusioni scure nei diamanti.

Per fascio di elettroni si intende un fascio di elettroni ad alta densità energetica emesso da un filamento catodico riscaldato, accelerato da un "anodo" e focalizzato da una lente magnetica. Quando questo fascio di elettroni entra in contatto con la superficie di un campione, converte immediatamente l'energia degli elettroni in energia termica, riscaldando il campione e persino fondendo i metalli. Il dispositivo che genera il fascio di elettroni è chiamato cannone a fascio di elettroni. Questo dispositivo viene generalmente utilizzato per migliorare in modo localizzato il trattamento termico delle pietre preziose.

1.2 Strumenti e dispositivi ausiliari per il trattamento termico

(1) Termocoppia

Le termocoppie sono gli elementi di rilevamento della temperatura più utilizzati nella misurazione della temperatura. Hanno una struttura semplice, sono facili da usare, possiedono un'elevata precisione e stabilità e hanno un ampio intervallo di misurazione della temperatura, svolgendo un ruolo importante nella misurazione della temperatura.

① Il principio di misura di una termocoppia:

Si tratta di collegare due fili metallici (A e B) con composizioni chimiche diverse per formare un anello chiuso, che è una termocoppia. Quando le temperature alle due giunzioni di questi fili sono diverse, nel circuito si genera una forza elettromotrice, nota come potenziale termoelettrico.

L'entità del potenziale termoelettrico di una termocoppia è legata alle proprietà dei materiali dei conduttori e alle temperature delle due giunzioni. Quando il materiale del conduttore è fisso, maggiore è la differenza di temperatura tra le due giunzioni, maggiore è il potenziale termoelettrico. La temperatura può essere rilevata misurando l'entità del potenziale termoelettrico.

② Struttura e tipi di termocoppie:

Una termocoppia è costituita da due diversi fili conduttori, A e B, chiamati elettrodi termici. L'estremità saldata è chiamata estremità di lavoro, nota anche come estremità calda, ed è posizionata nel mezzo di misura; l'altra è chiamata estremità di riferimento, nota anche come estremità libera o fredda, ed è collegata allo strumento.

Quando le temperature dell'estremità calda e fredda differiscono, il potenziale termoelettrico generato dalla termocoppia può essere indicato o registrato dallo strumento in base alla scala di temperatura. La Figura 4-10 mostra un diagramma schematico della termocoppia.

I due fili della termocoppia sono coperti da tubi isolanti per evitare cortocircuiti e sono protetti da tubi in ceramica o in acciaio resistente al calore per evitare la corrosione da sostanze nocive. La struttura della termocoppia è illustrata nella Figura 4-11.

③ Filo di compensazione della termocoppia:

Il potenziale termoelettrico generato dalla termocoppia può riflettere direttamente la temperatura dell'estremità calda solo quando l'estremità fredda è mantenuta a 0℃.

Tuttavia, nell'uso pratico delle termocoppie, a causa del calore condotto dalla termocoppia stessa e dell'influenza della temperatura ambientale circostante, la temperatura dell'estremità fredda varia spesso, determinando letture imprecise della temperatura da parte dello strumento di misura.

Per ovviare a questo effetto, spesso si utilizzano fili di compensazione per estendere l'estremità fredda della termocoppia in una posizione con una temperatura più costante, consentendo di adottare misure di compensazione.

I fili di compensazione sono una coppia di fili metallici con composizioni chimiche diverse. Hanno le stesse proprietà termoelettriche della termocoppia a cui sono collegati nell'intervallo 0-100℃, ma sono molto più economici. Il collegamento dei fili di compensazione è illustrato nella figura 4-12.

I fili di compensazione sono a doppio filo, a filo singolo o a filo multiplo, e i diversi colori distinguono i loro strati isolanti interni per indicare la polarità positiva e negativa. Durante l'utilizzo, è necessario tenere presente che le varie termocoppie devono utilizzare fili di compensazione corrispondenti per il collegamento; la temperatura alle estremità di collegamento del filo di compensazione e della termocoppia deve essere mantenuta al di sotto di 100℃; la nuova estremità fredda estesa attraverso il filo di compensazione deve essere ancora compensata utilizzando metodi quali la temperatura costante o il calcolo; il terminale positivo del filo di compensazione deve essere collegato al terminale positivo della termocoppia e il terminale negativo al terminale negativo, per evitare collegamenti errati.

(2) Termometri a radiazione e termometri ottici

① Termometro a radiazione:

Il termometro a radiazione è costituito da un sensore di temperatura di radiazione e da uno strumento di visualizzazione. Durante l'uso, l'immagine dell'oggetto misurato vista attraverso l'oculare deve coprire completamente la termopila [Figura 4-13 (a)] per garantire che la termopila riceva adeguatamente l'energia termica irradiata dall'oggetto misurato. Se l'immagine dell'oggetto misurato è troppo piccola o distorta, il valore misurato sarà inferiore a quello reale.

② Pirometro ottico:

Il pirometro ottico è uno strumento portatile per la misurazione della temperatura. Il tipo comunemente utilizzato è il pirometro ottico a estinzione di filamento. Funziona in base al principio che esiste una relazione corrispondente tra la luminosità dell'oggetto incandescente e la sua temperatura, utilizzando un metodo di confronto della luminosità per misurare la temperatura.

Durante l'uso, puntare il pirometro verso l'oggetto misurato e muovere l'oculare avanti e indietro. Confrontare la luminosità del filamento fino a quando la luminosità del filamento non coincide con quella dell'oggetto misurato; in altre parole, l'immagine del filamento scompare nell'immagine dell'oggetto misurato [Figura 4-14 (b)], quindi è possibile ottenere la temperatura dell'oggetto misurato, indicata dal grado immediato.

(3) Crogiolo

I crogioli sono contenitori comunemente utilizzati nel processo di trattamento termico delle gemme. Poiché le gemme trattate termicamente sono spesso completate a temperature più elevate ed entrano in contatto diretto con il crogiolo, la scelta del crogiolo è un fattore cruciale per il successo del trattamento termico. Durante il processo di trattamento termico, la scelta del crogiolo deve soddisfare le seguenti condizioni:

① Il materiale del crogiolo deve avere una resistenza sufficiente alle temperature di lavoro e non deve sviluppare crepe per periodi prolungati ad alte temperature.

In atmosfera di lavoro, il materiale del crogiolo deve essere abbastanza stabile nei confronti delle gemme. Non deve reagire chimicamente con esse e occorre prestare particolare attenzione alla purezza del materiale del crogiolo per evitare di introdurre impurità dannose nei cristalli delle gemme.

Il materiale del crogiolo deve avere una bassa porosità e un'alta densità per mantenere una certa pressione dopo che il crogiolo è stato sigillato.

Poiché i crogioli sono contenitori comunemente utilizzati nella lavorazione termica delle gemme, il materiale del crogiolo deve essere facile da lavorare e poco costoso.

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2. Principi del trattamento termico per migliorare le pietre preziose

Il riscaldamento delle gemme naturali a determinate temperature può migliorarne il colore, la trasparenza e l'aspetto. Il motivo è che il trattamento termico modifica la struttura e la composizione delle gemme, migliorandone le caratteristiche estetiche e aumentandone il valore estetico ed economico. Pertanto, per comprendere i cambiamenti nelle caratteristiche estetiche delle gemme, è necessario analizzare i principi con cui il trattamento termico migliora le gemme.

Il trattamento è il processo di sfruttamento del potenziale delle gemme e di massimizzazione della loro bellezza. Le gemme trattate non presentano differenze nelle proprietà fisiche e chimiche rispetto alle gemme naturali. Il principio è che il riscaldamento provoca cambiamenti nel contenuto e nello stato di valenza degli ioni coloranti contenuti nella gemma, oppure crea alcuni difetti strutturali che portano a cambiamenti nelle proprietà fisiche della gemma, come il colore e la trasparenza.

La maggior parte delle gemme contenenti impurità di oligoelementi cambia colore o trasparenza dopo il trattamento termico. L'apparecchiatura comunemente utilizzata per il trattamento termico è semplice e facile da utilizzare, adatta alla maggior parte delle gemme di colore allocromatico, come rubini, zaffiri, smeraldi, tormaline, zirconi, giade e agate. Questo metodo si applica alle gemme il cui colore è causato da componenti di elementi di transizione o da impurità di elementi di transizione ed è adatto anche alle gemme i cui cambiamenti di colore sono causati dal trasferimento di carica. Anche le gemme organiche possono subire alterazioni del colore e della trasparenza attraverso il trattamento termico; ad esempio, l'ambra può diventare chiara e trasparente dopo un trattamento termico che rimuove le bolle interne.

In base alle proprietà fisiche e chimiche delle gemme e ai loro meccanismi di colorazione, i principi delle gemme comunemente trattate sono riassunti come segue:

(1) Modificare il contenuto o lo stato di valenza degli ioni cromofori nelle gemme attraverso il trattamento termico.

Tracce di ioni impuri, colorano alcune gemme e utilizzano il trattamento termico per ossidare i cationi a bassa valenza nelle gemme in cationi ad alta valenza, cambiando il colore delle gemme. Ad esempio, l'agata rossa è colorata principalmente da Fe³⁺. Attraverso il trattamento termico, il Fe ²⁺nell'agata può essere ossidato a Fe³⁺aumentando il contenuto e il rapporto di ioni di ferro trivalente, esaltando così il tono rosso dell'agata. Anche il trattamento termico dei rubini e della giadeite rossa rafforza il colore delle gemme grazie a questo principio. Anche l'acquamarina con una tonalità verde può essere eliminata attraverso il trattamento termico, esaltando la tonalità blu dell'acquamarina. La Figura 4-15 mostra che l'acquamarina (a) ha un tono blu significativamente più intenso e un tono verde indebolito dopo il trattamento termico.

(2) Modifica della composizione delle gemme organiche attraverso un trattamento termico.

Per le gemme organiche come perle, avorio, corallo e ambra, il trattamento termico può ossidare la materia organica al loro interno. Se la temperatura è troppo elevata, può produrre una colorazione nera, con conseguente fenomeno di "carbonizzazione" della materia organica. Questo tipo di trattamento termico può imitare la "giada antica" nell'industria delle gemme, comunemente noto come trattamento di "invecchiamento", spesso chiamato torrefazione del colore, ed è frequentemente utilizzato per ambra, corallo e altri.

(3) Il trattamento termico produce centri di colore

Il colore di alcune gemme è dovuto principalmente ai centri di colore. Le gemme possono produrre centri di colore che assorbono una certa luce e generano colore mediante trattamento termico. Il trattamento termico viene solitamente applicato dopo il trattamento di irradiazione della gemma per rimuovere i centri di colore instabili e conservare quelli stabili. Ad esempio, il topazio trattato con il calore rimuove i centri di colore marrone instabili e conserva quelli blu stabili. L'obiettivo di migliorare il colore delle gemme può essere raggiunto padroneggiando la temperatura di riscaldamento e la durata del trattamento termico. Anche l'ametista che diventa gialla o verde e il quarzo fumé che diventa giallo-verde o incolore sono risultati del trattamento termico per cambiare i centri di colore.

(4) Il trattamento termico provoca cambiamenti di colore nelle gemme idrosolubili a causa degli effetti della disidratazione.

Alcune gemme contengono acqua adsorbita e acqua strutturale. Alcune gemme possono migliorare il loro colore durante il trattamento termico senza danneggiare l'acqua strutturale. Ad esempio, il berillo contiene acqua strutturale e il berillo giallo-arancio contenente ferro e manganese può essere trasformato in un bellissimo berillo rosa attraverso il trattamento termico. L'opale contiene acqua strutturale e se viene riscaldato a circa 300℃, l'effetto di cambiamento di colore scompare a causa della perdita di acqua. L'occhio di tigre perde acqua strutturale attraverso il trattamento termico, dando origine a colori marrone intenso o marrone-rossastro.

(5) Il trattamento termico provoca cambiamenti nella struttura cristallina.

Il trattamento termico può riorganizzare la struttura interna dei cristalli, migliorandone la cristallinità e quindi influenzandone il colore. I tipi comuni di zircone comprendono lo zircone di tipo basso, lo zircone di tipo medio e lo zircone di tipo alto. Attraverso il trattamento termico, lo zircone di tipo basso può essere trasformato in zircone di tipo medio e lo zircone di tipo medio in zircone di tipo alto, ecc. Allo stesso tempo, anche il colore dei cristalli cambierà: in atmosfere diverse, possono trasformarsi in colori diversi. Ad esempio, in condizioni ridotte, il trattamento termico può migliorare lo zircone rosso-brunastro e trasformarlo in zircone incolore.

(6) Il trattamento termico migliora le inclusioni simili alla seta e l'effetto luce stellare nelle gemme

Le gemme comuni, come gli zaffiri, contengono ioni di titanio sotto forma di rutilo (TiO₂), che produce un effetto seta bianca o stella. La formazione del rutilo è controllata dalle condizioni geologiche in cui si è formata la gemma. In alcuni zaffiri naturali, la distribuzione delle linee stellari è irregolare e l'effetto stella è scarso. Attraverso un trattamento termico, il rutilo negli zaffiri può essere fuso e riorganizzato, migliorando così l'effetto stella delle gemme naturali. Anche l'effetto starlight delle gemme sintetiche viene prodotto secondo questo principio.

3. Condizioni per il trattamento termico

Durante il processo di trattamento termico, è necessario tenere sotto controllo diversi fattori come la velocità di riscaldamento, la temperatura massima raggiunta in condizioni sperimentali, il tempo di mantenimento, la velocità di raffreddamento, l'atmosfera e la pressione all'interno del forno di riscaldamento. Queste condizioni devono essere considerate in modo completo.

(1) La velocità di riscaldamento a una temperatura superiore

A causa della scarsa conducibilità termica della maggior parte delle gemme, la velocità di riscaldamento durante il trattamento termico può essere un po' lenta per evitare crepe causate da una grande differenza di temperatura tra l'interno e l'esterno della gemma. Se la velocità di riscaldamento viene tracciata come una curva, essa rappresenta la curva di riscaldamento della gemma trattata, che richiede una certa scorrevolezza, il che significa che la maggior parte del riscaldamento deve avvenire lentamente per evitare che la gemma si crepi.

(2) La temperatura più alta raggiunta durante il trattamento termico.

La temperatura massima raggiunta durante il trattamento termico è la temperatura massima che può migliorare il colore o la trasparenza della gemma, ed è anche la temperatura ottimale per modificare il colore o la trasparenza della gemma trattata. Questa è la condizione più importante che deve essere esplorata ripetutamente.

(3) Tempo di mantenimento

Il tempo durante il quale la gemma viene mantenuta alla temperatura più alta, comunemente indicato come tempo di mantenimento, con una curva di temperatura rettilinea e costante. Per garantire che l'intera gemma sia stabile e uniforme, spesso è necessario mantenerla per un periodo che consenta cambiamenti interni uniformi. Il tempo di mantenimento ottimale deve essere determinato attraverso un'ampia sperimentazione.

(4) Curva di raffreddamento

La velocità di raffreddamento dalla temperatura più alta e il gradiente di temperatura mantenuto durante il raffreddamento sono noti come curva di raffreddamento. Nella maggior parte dei casi, il raffreddamento è relativamente lento per evitare che la gemma si fessuri, ma a volte ci sono requisiti speciali per un raffreddamento rapido, come l'eliminazione delle inclusioni aghiformi nel corindone; la quarzite e la giada di serpentino possono talvolta richiedere un raffreddamento rapido per creare modelli di crepe prima della tintura.

(5) Atmosfera nel forno

L'atmosfera nel forno si riferisce al controllo delle condizioni di ossidoriduzione durante il processo di trattamento termico e alla tostatura con componenti utili. Alcuni esperimenti richiedono l'aggiunta di agenti chimici per la tostatura o il riscaldamento di campioni immersi in determinati reagenti liquidi. Ad esempio, per eliminare la tonalità viola dei rubini, è necessario ossidare il Fe²⁺ nel rubino a Fe³⁺ sotto un'atmosfera ossidante, riducendo l'impatto della tinta viola sul rubino; ad esempio, la combustione rossa dell'agata comporta l'ossidazione del Fe²⁺nell'agata a Fe³⁺ sotto un'atmosfera ossidante, esaltando il colore rosso dell'agata.

(6) Pressione nel forno

Alcuni esperimenti di trattamento termico delle gemme richiedono il controllo di una certa pressione. Ad esempio, il trattamento termico dei diamanti utilizza spesso l'alta pressione, mentre il trattamento termico di gemme comuni come rubini, acquamarine e agate viene effettuato in condizioni di pressione normale. Durante l'esperimento, si deve valutare se utilizzare una pressione normale, ridotta o aumentata, poiché le condizioni di pressione richieste per ogni tipo di gemma sono diverse.

Nel trattamento termico delle gemme, questi sei fattori si ottengono attraverso l'esplorazione ripetuta negli esperimenti. Le condizioni sperimentali per ogni tipo di gemma sono diverse. Tra le condizioni per il trattamento termico delle gemme, la più importante è determinare la velocità di riscaldamento, la velocità di raffreddamento, la temperatura massima raggiunta e il tempo di mantenimento (Figura 4-16). Sia il riscaldamento che il raffreddamento durante il processo di trattamento termico devono essere lenti; in caso contrario, potrebbero verificarsi delle crepe, riducendo la qualità della gemma. La combinazione ottimale di questi fattori può spesso essere ottenuta con un processo specifico.

Le gemme migliorate sono materiali naturali di origine diversa, contengono componenti di impurità diverse o hanno subito una storia diversa. L'ambiente storico e le condizioni geologiche sono piuttosto complessi e anche gemme apparentemente uguali possono avere metodi di trattamento termico molto diversi. Inoltre, la maggior parte dei processi di trattamento termico è tenuta strettamente riservata e non sono disponibili condizioni sperimentali pronte per l'uso: bisogna esplorare da soli.

Ad esempio, zaffiri dello stesso colore giallo-bruno appaiono quando sono sottoposti alle stesse condizioni di trattamento termico; gli zaffiri di Hainan diventano blu, mentre quelli di Shandong diventano giallo-arancio. Per ottenere un colore specifico attraverso il trattamento termico, è necessario condurre esperimenti in diverse condizioni. È necessario prestare attenzione a tutti i campioni per evitare di danneggiare il materiale.

Per evitare che le gemme si spacchino durante il trattamento termico, oltre a controllare rigorosamente le condizioni di innalzamento e abbassamento della temperatura, bisogna anche evitare l'espansione delle crepe. Il metodo specifico consiste nel rimuovere in modo appropriato tutte le aree che presentano crepe prima del trattamento termico, per poi rilucidare dopo il riscaldamento; le pietre grezze possono essere riscaldate per piccole particelle di materiale gemmologico senza difetti.

4. Effetti termici nel trattamento termico

Esistono diversi effetti termici nel trattamento termico. Tuttavia, tra le gemme comuni, i più importanti effetti termici sui materiali gemmari sono i nove tipi riassunti dallo studioso americano Nassau, come mostrato nella Tabella 4-1.

Tabella 4-1 Meccanismo ed esempi di effetti termici

Effetto	Meccanismo	Esempio
Oscuramento	Lentamente si ossida e diventa nero nell'aria.	"Invecchiamento" di ambra e avorio
Cambio di colore	Distruzione del colore del cuore	Il topazio blu o marrone diventa incolore; il topazio rosa diventa giallo; l'ametista diventa gialla o verde; il quarzo fumé diventa giallo-verde o incolore.
Cambio di colore	Cambiamenti dovuti all'idratazione o alla condensazione	Il calcedonio rosa diventa arancione, rosso o marrone; l'occhio di tigre riscaldato produce un colore che va dal marrone intenso al marrone rossastro.
Corpo poliedrico omogeneo	Cambiamenti strutturali causati dalle radiazioni	Lo zircone di "tipo basso" si trasforma in zircone di "tipo alto".
Cambio di colore	Cambiamento nell'atmosfera, in relazione alla concentrazione di ossigeno	L'acquamarina verde diventa blu; l'ametista si trasforma in topazio giallo scuro; gli zaffiri incolori, gialli e verdi diventano blu; i rubini marroni o viola diventano rossi.
Cambiamenti strutturali.	Variazioni di temperatura, precipitazione o fusione dei cristalli.	Generazione o eliminazione dell'effetto seta o luce stellare nel corindone.
Sovrapposizione di colori	Diffusione delle impurità	Diffusione blu e stellare sulla superficie dello zaffiro
Frattura	Improvvisa variazione di temperatura, frattura della struttura interna	"Aureola" intorno alle inclusioni nello zaffiro, quarzo "esplosivo"
Rigenerazione e purificazione	Reologia sotto pressione e calore	Rigenerazione e purificazione dell'ambra; rigenerazione della tartaruga.

La Tabella 4-1 omette gli effetti termici completamente reversibili o metastabili. Ad esempio, quando il rubino viene riscaldato allo stato rovente, diventa verde e, una volta raffreddato a temperatura ambiente, ritorna al suo colore originale; il quarzo fumé diventa blu-verde quando viene riscaldato e ritorna al giallo quando viene raffreddato a temperatura ambiente.

L'effetto di scurimento riportato nella Tabella 4-1 viene talvolta utilizzato per "invecchiare" l'ambra e l'avorio. Questo effetto è equivalente al processo di carbonizzazione lenta. Le ricerche dimostrano che l'ambra si scurisce anche quando viene riposta in un magazzino buio, il che indica che i materiali organici sono facilmente ossidabili. Pertanto, è ragionevole aspettarsi che il processo di ossidazione acceleri durante il riscaldamento lento.

La Tabella 4-1 mostra che i danni al centro del colore causati dal riscaldamento possono portare allo sbiadimento o alla scomparsa dei colori delle gemme. Ad esempio, il topazio marrone, lo zaffiro giallo e la tormalina rossa possono diventare incolori dopo il trattamento termico; anche l'ametista, il citrino e il quarzo fumé possono diventare incolori.

La distruzione dei centri di colore può talvolta provocare cambiamenti di colore. Ad esempio, il topazio bruno irradiato può diventare blu dopo il trattamento termico; l'ametista può diventare citrino a temperature controllate di trattamento termico; alcuni topazi bruni possono diventare rosa dopo il trattamento termico. Questi cambiamenti di colore possono essere riportati ai colori originali attraverso il trattamento con radiazioni.

I cambiamenti di colore causati dall'idratazione o dalla condensazione, come mostrato nella Tabella 4-1, coinvolgono generalmente impurità come il ferro. Il riscaldamento della limonite può produrre ematite di colore arancione intenso, marrone o rosso.

In alcuni materiali quarzosi contenenti ferro, che vanno dal grigio al giallo e al marrone, come l'agata, il calcedonio e l'occhio di tigre, il riscaldamento produce colori dal marrone intenso al marrone rossastro basati su questo principio.

I corpi policristallini omogenei della Tabella 4-1 sono cambiamenti nella struttura delle gemme causati dalla trasformazione di corpi policristallini omogenei in condizioni di trattamento termico. Ad esempio, la grafite può essere trasformata in diamante ad alta temperatura e pressione; lo zircone "di tipo basso" può trasformarsi in "di tipo alto" ad alte temperature, ecc.

Le variazioni di colore delle gemme riportate nella Tabella 4-1, causate da cambiamenti nell'atmosfera ossidante o riducente dell'ambiente, sono principalmente legate alla concentrazione di ossigeno nell'ambiente. Ad esempio, l'acquamarina verde diventa blu in condizioni di riduzione; l'ametista si trasforma in citrino scuro in condizioni di ossidazione; gli zaffiri incolori, gialli e verdi diventano blu in condizioni di ossidazione; i rubini marroni o viola diventano rossi, ecc.

I cambiamenti strutturali riportati nella Tabella 4-1 portano a effetti ottici fisici nelle gemme. Ad esempio, in condizioni di trattamento termico, le inclusioni di rutilo negli zaffiri starlight si sciolgono, facendo scomparire l'effetto starlight. Al raffreddamento, i cristalli di rutilo precipitano e l'effetto starlight viene rigenerato.

L'aumento del colore indicato nella Tabella 4-1 è dovuto all'aggiunta di ioni coloranti, che rendono più intenso il colore delle gemme. Ad esempio, negli zaffiri a diffusione, l'aggiunta di ioni coloranti come il ferro e il titanio rende più intenso il colore degli zaffiri chiari.

Le fratture riportate nella Tabella 4-1 sono cambiamenti nella struttura interna delle gemme in condizioni di trattamento termico, come le linee di stress che si generano intorno alle inclusioni negli zaffiri e i modelli di fessurazione che si verificano nella quarzite trattata artificialmente a caldo in condizioni di quenching.

La rigenerazione e la purificazione di cui alla Tabella 4-1 sono cambiamenti interni causati da interazioni gas-liquido sottoposte a calore e pressione. Ad esempio, le bolle all'interno dell'ambra scoppiano in condizioni di trattamento termico, aumentando la trasparenza; i gusci di tartaruga possono rigenerarsi in condizioni idrotermali, ecc.

5. Redox e diffusione dei gas

Nel processo di trattamento termico delle gemme, le condizioni redox sono molto importanti e rappresentano un fattore chiave per il successo del trattamento termico delle gemme. Il controllo dell'atmosfera ossidante o riducente durante il trattamento termico può modificare il colore della gemma. L'atmosfera ossidante o riducente durante il trattamento termico è legata alla temperatura della gemma e alla concentrazione di ossigeno all'interno del contenitore a quella temperatura.

(1) Redox

① Pressione parziale standard dell'ossigeno (Po₂) : Quando le gemme contenenti ossigeno vengono riscaldate in aria, si stabilizzano alla stessa concentrazione dell'ossigeno presente nell'atmosfera. Questa concentrazione è la pressione parziale standard di ossigeno della gemma a questa temperatura.

② In un'atmosfera ossidante, la pressione parziale dell'ossigeno nel forno è superiore alla pressione parziale standard dell'ossigeno per questa gemma alla stessa temperatura.₂.

③ In un'atmosfera riducente, la pressione parziale dell'ossigeno nel forno è inferiore a 002.

Oltre all'aria, un'atmosfera fortemente ossidante utilizza ossigeno puro; talvolta, l'aria compressa aumenta la densità dell'ossigeno. I gas chimicamente inerti (come l'azoto) sono generalmente considerati neutri e formano un'atmosfera neutra. Se è in grado di diluire l'atmosfera e di ridurre il contenuto di ossigeno, può anche essere considerato un gas riducente, sebbene la sua capacità di riduzione sia molto debole.

Allo stesso modo, l'atmosfera può essere migliorata bruciando combustibili. Ad esempio, utilizzando gas naturale, propano, benzina, ecc. e controllando la quantità di aria o ossigeno immessa, si può ottenere una riduzione delle emissioni di carbonio, ma non è facile da controllare.

Un altro tipo di atmosfera di protezione consiste nel far gocciolare direttamente nel forno un liquido organico che reagisce con l'ossigeno per controllare l'atmosfera.

(2) Diffusione del gas

La reazione redox avviene attraverso la diffusione dei gas. Affinché agisca sull'intero campione, l'ossigeno deve diffondersi all'interno del campione di gemme lungo un determinato percorso, di solito su una distanza superiore a 1 cm. La temperatura di diffusione deve superare i 1000℃ e il tempo deve essere di diverse ore.

Grazie alle caratteristiche della struttura della gemma di ossido, l'ossigeno non deve percorrere l'intera distanza per produrre l'effetto desiderato, consentendo a questa diffusione di avvenire rapidamente. Ad esempio, il processo di diffusione dell'ossigeno nell'atmosfera nei vuoti di ossigeno dell'ossido di alluminio corindone mostrato nella figura 4-17.

6.Classificazione dei metodi di trattamento termico

A seconda del tipo e del metodo di trattamento termico, esistono tre metodi di trattamento termico comuni:

(1) Metodo di trattamento termico ordinario

Il metodo di trattamento termico ordinario prevede il riscaldamento diretto della gemma, che provoca cambiamenti nel contenuto e nello stato di valenza degli ioni coloranti. Talvolta, può anche modificare i difetti strutturali interni del cristallo, alterando le proprietà fisiche della gemma, come il colore e la trasparenza.

Ad esempio, le pietre Geuda dello Sri Lanka, di colore bianco latte, marroncino e giallo chiaro, si trasformano in zaffiri, le acquamarine passano dal verde al blu acquamarina, le tanzaniti diventano blu dopo il trattamento termico, ecc.

(2) Metodo di arrostimento con reagenti chimici

Il metodo di tostatura con reagenti chimici, noto anche come metodo di diffusione, si riferisce all'utilizzo di reagenti chimici per distruggere la struttura cristallina della superficie della gemma, causando la modifica della composizione chimica dello strato superficiale come previsto. Gli ioni coloranti all'interno della gemma possono anche scambiarsi attraverso lo strato superficiale (diffondendosi verso l'esterno o verso l'interno), con conseguenti cambiamenti di stato di valenza o di contenuto.

Lo zaffiro da diffusione, il topazio da diffusione e la tormalina da diffusione, molto popolari sul mercato internazionale, sono ottenuti con questo metodo. Le gemme migliorate con questo metodo possono schiarire le gemme scure, trasformare le gemme grigie chiare in gemme blu e così via.

(3) Metodo dell'elettrolisi a sali fusi

Dopo aver mescolato il sale fuso, si consiglia di metterlo in un crogiolo di grafite e procedere con il processo di elettrolisi. Si utilizza un filo di platino (Pt) come anodo, avvolgendo il campione di gemma con l'anodo di filo di platino in modo che la gemma diventi l'anodo e il crogiolo di grafite serva da catodo.

Dopo che l'elettrolita si è sciolto nel forno, posizionare l'anodo e la pietra preziosa insieme nella cella elettrolitica per l'elettrolisi, come mostrato nella Figura 4-18. La tensione del serbatoio di controllo è impostata a 3,0 V e il tempo di elettrolisi è di 40-45 minuti. Quindi, rimuovere l'anodo e il campione. Il processo di elettrolisi modifica lo stato di valenza e il contenuto degli ioni coloranti nella gemma, alterandone così il colore e la trasparenza. Lo svantaggio di questo metodo è che se il sale fuso non è selezionato correttamente, può essere eccessivamente corrosivo per la gemma.

7. Metodi comuni di trattamento termico per migliorare le condizioni delle gemme

Esistono molti tipi di gemme che possono essere migliorate attraverso il trattamento termico e le temperature di trattamento termico richieste variano a seconda delle gemme. Ad esempio, gli zaffiri richiedono una temperatura di trattamento termico elevata, generalmente superiore a 1300℃; i rubini richiedono una temperatura di trattamento termico relativamente più bassa, intorno ai 1000℃; altre gemme come l'acquamarina, il cristallo e il calcedonio richiedono temperature intorno ai 700℃. Le temperature controllate possono essere suddivise approssimativamente in quattro segmenti: calore basso 200-400°C; calore medio 400-700℃; calore alto 800 ~1300℃; calore forte oltre 1300℃. Le condizioni di trattamento termico per le gemme comuni sono riportate nella Tabella 4-2.

Tabella 4-2 Condizioni per il trattamento termico delle gemme più comuni

Pietra preziosa	Scopo del trattamento termico	Colore finale	Temperatura	Utilizzo
Rubino	Rimuovere i colori misti (marrone, viola) per escludere o ridurre le sostanze filamentose e aumentare la trasparenza.	Rosso	Circa 1000℃	Spesso
Zaffiro blu	Approfondisce il colore del corindone contenente ferro e titanio, schiarisce il blu intenso del corindone.	Blu	Forte calore	Spesso
Zaffiro giallo	Riscaldamento di un adeguato corindone chiaro o incolore contenente ferro	Giallo intenso	Febbre alta	Spesso
Vari colori di zaffiri	Riscaldare il corindone adatto per eliminare le inclusioni "fibrose" o "a stella".	Aumento	Forte calore elevato	Spesso
Luce stellare diffusa rubino, zaffiro	Le impurità si diffondono sulla superficie della gemma per riscaldamento ( TiO₂ ), presentando la luce delle stelle	Rubino, zaffiro starlight	Prima calore forte, poi calore alto per lungo tempo	Non utilizzato spesso
Diffusione di rubino e zaffiro	Gli ioni coloranti si diffondono sulla superficie della gemma attraverso il riscaldamento, presentando così il colore	Corindone di vari colori	Forte calore	Comunemente utilizzato per il blu
Acquamarina (incolore o verde)	Escludere i toni gialli in verde	Blu mare	Febbre bassa	Utilizzato comunemente
Berillo giallo-arancio	Escludere i toni gialli dal verde	Rosso vivo	Basso calore	Non utilizzato spesso
Tormalina blu o verde intenso	Il colore si schiarisce	Blu o verde	Calore medio	Utilizzato comunemente
Tormalina rosso scuro	Rimuovere i toni neri	Rosa	Basso calore	Utilizzato comunemente
Tormalina verde fumé	Rimuovere il tono marrone	Verde brillante	Basso calore	Utilizzato comunemente
Quarzo fumé	Il colore si schiarisce	Bianco o giallo	Basso calore	Utilizzato comunemente
Alcune ametiste	Riscaldamento marrone	Giallo-arancio o verde	Basso calore	Utilizzato comunemente
Zircone verde o marrone	Trattamento marrone	Incolore o blu	Febbre alta	Utilizzato comunemente
Agata, calcedonio, ecc.	Varietà di ioni di ferro	Rosso	Febbre medio-alta	Utilizzato comunemente
Iris di quarzo	Tempra del cristallo di quarzo riscaldato	Può essere tinto in vari colori	Calore medio	Usare meno
Tanzanite	Il riscaldamento trasforma la zoisite trasparente in blu	Viola Blu	Calore medio	Diffuso

Sezione IV Metodi di irradiazione radioattiva

Irradiazione è il processo attraverso il quale particelle microscopiche si propagano da una sorgente di radiazioni in tutte le direzioni dello spazio, causando cambiamenti nelle proprietà fisiche e chimiche dei materiali. Questa sezione introduce principalmente le attrezzature necessarie per l'irradiazione radioattiva, le precauzioni e il processo di formazione ed eliminazione dei centri di colore delle gemme dopo l'irradiazione.

1. Tipi di raggi di irradiazione e sorgenti di radiazioni

A sorgente di radiazioni è un materiale o un dispositivo in grado di produrre radiazioni ionizzanti. I tipi più comuni di sorgenti di radiazioni sono i seguenti:

(1) I raggi emessi da elementi radioattivi

Gli elementi radioattivi emettono raggi β e raggi γ attraverso il decadimento, tra cui sette sono principalmente utilizzati per il trattamento di irradiazione delle gemme. Ad esempio, l'isotopo radioattivo ⁶⁰Il Co può servire come sorgente di raggi γ, emettendo due tipi di raggi a 1,17MeV e 1,33MeV, con un'emivita di 5,3 anni, comunemente utilizzati come sorgente di radiazioni per l'irradiazione delle pietre preziose; inoltre, l'isotopo ¹³⁷Anche il Ce e gli elementi di combustibile nucleare esaurito possono essere utilizzati come sorgenti di radiazioni a raggi γ.

Quando gli elementi radioattivi decadono, possono emettere due raggi γ vicini per energia. I raggi γ hanno un forte potere di penetrazione e possono cambiare il colore delle pietre preziose; con una lunga emivita, possono essere utilizzati per il trattamento di irradiazione per un lungo periodo.

(2) I raggi prodotti dagli acceleratori di elettroni

Un acceleratore di elettroni è un dispositivo elettrico che accelera particelle cariche ad alta energia attraverso campi elettromagnetici. Gli acceleratori di elettroni ottengono principalmente un'energia molto elevata attraverso i campi elettromagnetici e diversi tipi di acceleratori di elettroni possono produrre fasci di elettroni che vanno da alcuni megaelettronvolt a 300MeV, tra cui acceleratori statici di elettroni, tubi a raggi X, acceleratori di elettroni a microonde, ecc.

(3) Raggi prodotti dai reattori nucleari

A reattore nucleare è un dispositivo o un materiale che produce radiazioni ionizzanti attraverso una trasformazione nucleare. I neutroni prodotti nei reattori nucleari sono generalmente utilizzati per l'irradiazione delle gemme e la reazione comune è l'interazione delle particelle α con il berillio ( ⁹Essere + ⁴Lui -> ¹²C + n) ). Pertanto, mescolando sorgenti di radiazioni naturali di particelle α con polvere di berillio si può ottenere una sorgente di neutroni con energia distribuita intorno a 0-13MeV, e l'energia neutronica più abbondante è di circa 4MeV. Pertanto, quando si trattano le gemme con l'irradiazione, è meglio utilizzare il processo di fissione di un reattore nucleare come sorgente di neutroni.

2. Apparecchiature comuni per l'irradiazione delle pietre preziose

Le apparecchiature comuni per l'irradiazione comprendono reattori, acceleratori di elettroni e dispositivi di irradiazione con sorgenti di cobalto. Per i diversi tipi di gemme vengono utilizzati diversi tipi di apparecchiature di irradiazione.

(1) Reattore

Il tipo comunemente usato è il reattore di ricerca, che può utilizzare la radioattività dei componenti del reattore per irradiare le gemme. Esistono quattro tipi comuni di reattori di ricerca: Reattore di ricerca ad acqua pesante (HWRR), Reattore a piscina (SPR), Mini Reattore a sorgente di neutroni e Reattore a neutroni veloci. Il mini reattore a sorgente di neutroni non viene generalmente utilizzato per il trattamento di irradiazione delle gemme.

I campioni di pietra preziosa vengono inseriti nel reattore per l'irradiazione, con il tempo e la dose di irradiazione determinati dal miglioramento del colore desiderato. I reattori comunemente utilizzati comprendono i seguenti tipi:

Reattore di ricerca ad acqua pesante (HWRR)

Il reattore di ricerca ad acqua pesante è un dispositivo per l'irradiazione di isotopi, il test di combustibili e materiali, il drogaggio neutronico di silicio a cristallo singolo, l'analisi dell'attivazione neutronica nel reattore, l'irradiazione per la modifica di dispositivi elettronici e varie ricerche fisiche. L'irradiazione delle pietre preziose è solo uno dei settori di applicazione sviluppati. I reattori ad acqua pesante hanno parametri diversi.

Reattore a piscina (SPR)

I reattori da piscina sono ampiamente utilizzati, con vantaggi quali l'elevato flusso, la flessibilità del layout e le basse temperature di irradiazione subacquea. Oltre alla ricerca scientifica, possono fornire tecnologie di irradiazione per l'agricoltura, la medicina, l'aviazione, l'elettronica, ecc. per l'irradiazione di pietre preziose e perle d'acqua dolce, dispositivi elettronici e altro ancora.

Reattore a neutroni veloci

I reattori a neutroni veloci sono un tipo di reattore nucleare relativamente avanzato. Il tasso di utilizzo del combustibile nucleare è molto elevato, raggiungendo 60%-70%, mentre il tasso di utilizzo del combustibile uranio nelle nostre centrali nucleari con reattore ad acqua pressurizzata è di soli 1%-2%; i reattori a neutroni veloci utilizzano come carica iniziale il plutonio 239 industriale prodotto dai reattori ad acqua pressurizzata, convertendo l'uranio-238 non fissile in combustibile plutonio fissile, noti anche come reattori di riproduzione neutronica.

(2) Acceleratori di elettroni

Gli acceleratori di elettroni hanno un'ampia gamma di applicazioni in fisica. L'acceleratore elettrostatico è comunemente usato per irradiare le pietre preziose.

① Moltiplicatore ad alta tensione

I moltiplicatori ad alta tensione sono utilizzati principalmente per la misurazione dei dati nucleari, le reazioni nucleari di neutroni e particelle cariche, l'analisi dell'attivazione neutronica e l'irradiazione con fascio di elettroni di vari materiali, come la modifica di fili e cavi e la conservazione di alimenti e frutta.

Le sue particelle accelerate comprendono protoni, idrogeno, ossigeno, azoto, ecc. Iniezione al di sotto dei 5keV, N⁺può modificare le proprietà del materiale.

Acceleratore lineare di elettroni

L'acceleratore lineare di elettroni viene utilizzato per studiare gli effetti dell'irradiazione transitoria, la modifica dell'irradiazione dei materiali semiconduttori (comprese le gemme), la conservazione degli alimenti, ecc. I vantaggi sono l'alta energia (10 ~ 14MeV) e l'elevata velocità di penetrazione.

③ Acceleratore elettrostatico

Le particelle che possono essere accelerate includono protoni, deuteroni, elio, elettroni, ossigeno e azoto. La sua gamma di energia è regolabile e viene utilizzata principalmente per la misurazione dei dati nucleari, gli esperimenti di reazione nucleare con neutroni e particelle cariche, l'irradiazione con fascio di elettroni, l'impiantazione di ioni, ecc.

④ Ciclotrone

Il ciclotrone è un acceleratore a energia fissa utilizzato principalmente per esperimenti che coinvolgono reazioni nucleari di particelle cariche e per l'analisi dell'attivazione di particelle cariche e la verifica delle proprietà dei materiali, con rare applicazioni nella ricerca sulle gemme.

(3) Dispositivo di irradiazione con sorgente di cobalto

Il dispositivo di irradiazione con sorgente di cobalto è uno strumento che utilizza le radiazioni emesse dall'isotopo radioattivo ⁶⁰Co e i sette raggi per studiare gli effetti delle radiazioni sui materiali (minerali, cristalli, materiali organici e organismi viventi, ecc.

Questa sorgente di irradiazione ha un basso consumo energetico, un inquinamento minimo e nessun residuo radioattivo. È stata applicata per la prima volta nell'irradiazione delle gemme ed è particolarmente adatta per l'irradiazione del quarzo fumé.

3. Tecnologia di irradiazione

Quando si irradiano le pietre preziose, queste vengono collocate in una scatola di campioni al centro del reattore. Un motore deve far ruotare continuamente la scatola dei campioni e devono essere presenti dispositivi di ingresso e uscita dell'acqua per raffreddare i campioni, con una temperatura dell'acqua non superiore a 50℃. L'apparecchiatura e il processo di irradiazione sono illustrati nella Figura 4-19.

Durante il processo di irradiazione, per ottenere gemme di colore uniforme con tonalità appropriate, è necessario attenersi ai seguenti quattro aspetti tecnici fondamentali:

(1) Per garantire un colore uniforme del prodotto, è necessario ottenere un'irradiazione uniforme e le gemme devono essere ruotate a velocità costante o capovolte ripetutamente durante l'irradiazione.

(2) Per evitare che i campioni si rompano o si surriscaldino a causa della temperatura eccessiva durante l'irradiazione, è necessario adottare misure di raffreddamento adeguate. Queste possono comprendere l'aggiunta di acqua di raffreddamento in circolazione o l'esposizione periodica dei campioni all'aria per il raffreddamento.

(3) La profondità del colore deve essere controllata con un dosaggio sufficiente di radiazioni. È necessario ripetere l'irradiazione se si desidera un colore più profondo per la gemma. Prima che il dosaggio di irradiazione sia saturo, la profondità del colore della gemma è proporzionale al dosaggio di irradiazione; più lungo è il tempo di irradiazione, più profondo è il colore della gemma.

(4) Il colore migliorato dall'irradiazione è talvolta instabile e soggetto a sbiadire se esposto alla luce e al calore. Un metodo di riscaldamento a bassa temperatura può rimuovere i centri di colore instabili mantenendo quelli stabili. Tuttavia, dopo il riscaldamento a bassa temperatura si verificano spesso cambiamenti di colore. Ad esempio, il topazio può passare dal marrone al blu e il cristallo dal marrone al giallo. Se la temperatura di riscaldamento è mal controllata, il colore può sbiadire completamente e tornare al colore precedente all'irradiazione.

4. Formazione ed eliminazione dei centri di colore durante l'irradiazione

L'irradiazione può far sì che i cristalli incolori producano centri di colore vacanti, dando origine a colori fumosi o viola. Il colore e la profondità che si formano nel cristallo dopo l'irradiazione dipendono dal tipo e dal contenuto di impurità presenti nel cristallo. Se il cristallo incolore contiene Al³⁺ impurità, diventerà fumoso o nero dopo l'irradiazione; se contiene Fe³⁺ impurità, diventerà viola.

La profondità del colore dopo l'irradiazione è legata al contenuto di impurità della gemma. Un contenuto di impurità più elevato determina un colore più intenso, mentre un contenuto di impurità più basso determina un colore più chiaro.

(1) Il processo di formazione ed eliminazione dei centri di colore

Dopo il trattamento di irradiazione, le gemme generano internamente centri di colore, causando un cambiamento di colore. Ad esempio, nel quarzo fumé, il processo di formazione ed eliminazione dei centri di colore può essere visto nei diagrammi dei livelli energetici dalla Figura 4-20 (a) alla Figura 4-20 (d). Quando si forma un centro di colore, gli elettroni vengono eccitati dallo stato A allo stato D e poi allo stato B, il che richiede molta energia. Quando si elimina il centro di colore, o si ha la dissolvenza, gli elettroni si spostano dallo stato B allo stato C e poi allo stato A, il che richiede anch'esso molta energia. Questi centri di colore, che richiedono molta energia per la formazione e l'eliminazione, sono centri di colore stabili nella luce visibile.

Esiste anche un'altra situazione, come mostrato nella Figura 4-20 (e). Il sistema forma un centro di colore eccitando dallo stato / allo stato D e poi allo stato B, il che richiede molta energia; tuttavia, spostarsi dallo stato B allo stato C per tornare allo stato A richiede pochissima energia. La Figura 4-20 ( f ) mostra che la formazione di un centro di colore dallo stato A allo stato D e allo stato B richiede pochissima energia e anche lo spostamento dallo stato B allo stato C per tornare allo stato A richiede pochissima energia.

Questa energia rientra nella gamma della luce visibile. Il sistema può superare la barriera energetica C e svanire quando la luce visibile lo illumina. Le proprietà di assorbimento della luce e di transizione agli stati eccitati E e F rimangono invariate, ma tutti questi colori possono svanire alla luce visibile. Pertanto, i centri di colore delle figure 4-12 (e) e (f) sono chiamati centri di colore instabili.

(2) Stabilità dei centri di colore

In genere, il colore delle gemme dopo il trattamento di irradiazione può essere riportato al colore originale attraverso il riscaldamento. Le gemme con centri di colore stabili richiedono temperature di trattamento termico più elevate, mentre quelle con centri di colore instabili richiedono temperature di trattamento termico inferiori. Ad esempio, il quarzo fumé richiede generalmente una temperatura di trattamento termico di 140-280℃ per eliminare il colore fumé (Figura 4-21), mentre l'ametista richiede una temperatura di trattamento termico più elevata, generalmente superiore a 400℃ (Figura 4-22). Pertanto, l'ametista irradiata è più stabile del quarzo fumé.

I centri di colore delle gemme non sono fissi; la temperatura a cui i campioni svaniscono dopo l'irradiazione varia con le diverse fonti di radiazione. Anche la stabilità del centro di colore di uno stesso materiale, formatosi per cause diverse, è diversa. Ad esempio, il centro di colore giallo dello zaffiro, formatosi per irradiazione artificiale, è molto instabile e svanisce rapidamente alla luce visibile. Il centro di colore giallo dello zaffiro naturale, invece, è stabile alla luce visibile e non sbiadisce facilmente.

L'irradiazione artificiale è ad alta dose e di breve durata, mentre l'irradiazione in natura è a bassa dose e di lunga durata, con conseguenti diverse altezze delle barriere energetiche C.

5. Cambiamenti di colore nelle pietre preziose causati dall'irradiazione

L'irradiazione produce effetti diversi sulle gemme, causando vari cambiamenti nei diversi tipi di gemme. Quando le particelle irradiate entrano in una gemma, interagiscono con gli atomi o gli ioni al suo interno, alterandone la struttura o la carica ionica e cambiandone così il colore. I cambiamenti nelle gemme causati dalle radiazioni comprendono i seguenti aspetti.

(1) Fa sì che la gemma formi centri di colore naturali, già scoperti.

L'irradiazione può produrre i centri di colore già presenti nelle gemme naturali, ma non si trovano comunemente in natura a causa della scarsità di gemme naturali. Ad esempio, il topazio blu naturale è raro. Al contrario, il colore del topazio blu prodotto tramite irradiazione è stabile alla luce, al calore e ad altri fattori, con un meccanismo di formazione simile a quello del topazio blu naturale. Pertanto, il topazio blu irradiato ha un valore commerciale e attualmente non è stato trovato un metodo di identificazione efficace per distinguere il topazio blu naturale da quello irradiato, ad eccezione di una piccola quantità di residui radioattivi; ha lo stesso valore di utilità del topazio blu naturale.

(2) Rafforzare i centri colore esistenti

Il trattamento di irradiazione può migliorare i centri di colore formati nelle gemme naturali, rendendo i colori delle gemme più vivaci. Ad esempio, il quarzo naturale può produrre colori verdi e viola dopo il trattamento di irradiazione. Controllando il dosaggio e la durata dell'irradiazione, è possibile ottenere il colore desiderato, che rimane stabile a temperatura ambiente e non influisce sull'uso e sull'usura.

(3) Ripristino dei centri di colore sbiaditi a causa del riscaldamento e dell'esposizione alla luce.

L'irradiazione e il trattamento termico sono reazioni reversibili; in genere, i colori formati dall'irradiazione possono essere riportati ai colori precedenti all'irradiazione attraverso il trattamento termico. Allo stesso modo, un'ulteriore irradiazione può produrre i colori desiderati.

(4) Migliorare e rimuovere i colori non correlati al nucleo del colore.

In genere, quando le gemme vengono sottoposte a trattamento di irradiazione, il colore delle gemme irradiate può essere modificato controllando le condizioni di irradiazione, come il dosaggio e il tempo. La stabilità del colore dopo l'irradiazione è un fattore importante che influisce sul valore della gemma e si cerca di ottenere un nucleo di colore stabile eliminando i nuclei di colore instabili nella gemma.

(5) Formazione di nuclei di colore naturale che non sono stati mai scoperti prima

Con l'approfondimento della comprensione delle cause dei colori delle gemme, i tipi di gemme che possono essere sottoposti al trattamento di irradiazione aumentano continuamente e le variazioni di colore delle gemme diventano sempre più diverse. Si ritiene che l'irradiazione possa produrre nuclei di colore che le gemme naturali non possiedono, creando così nuove varietà e nuovi meccanismi di colore delle gemme.

Attualmente, molti tipi di gemme sono comunemente utilizzati per il trattamento di irradiazione: diamanti, zaffiri, topazio, berillo, zircone, cristallo, tormalina e perle sono relativamente comuni. Le variazioni di colore di queste gemme dopo il trattamento di irradiazione sono riportate nella Tabella 4-3.

Tabella 4-3 Tipi comuni di gemme irradiate e variazioni di colore

Tipi di pietre preziose	Cambiamenti di colore prima e dopo l'irradiazione
Diamante	Incolore, giallo chiaro, verde, blu o nero, marrone, rosa, rosso.
Zaffiro	Giallo incolore (instabile)
Beryl	Incolore: giallo, rosa, giallo oro, blu-verde, ecc.
Acquamarina	Blu - Verde, Azzurro - Blu scuro
Topazio	Incolore - Marrone (instabile), Blu; Giallo - Rosa, Arancione Rosso
Tormalina	Incolore, giallo chiaro, marrone, rosa, rosso, verde, blu, ecc.
Zircone	Da incolore a marrone, rosso chiaro
Cristallo	Da incolore a giallo, giallo-verde, verde, fumé, porpora
Marmo	Bianco, giallo, blu, viola
Perla	Da incolore a grigio, marrone, blu o nero

6. L'impatto del trattamento di irradiazione sulle gemme

Quando si irradiano le gemme, è importante considerare gli effetti della dose e del tempo di irradiazione su di esse. Per i diversi tipi di gemme si devono utilizzare fonti di irradiazione diverse e il tempo di irradiazione dipende dal colore desiderato. Durante il processo di irradiazione è necessario tenere presente i seguenti punti:

(1) Un'energia di irradiazione eccessiva e un tempo di irradiazione prolungato possono influire negativamente sulla formazione dei centri di colore nei cristalli delle gemme. A volte possono portare all'aggregazione dei centri di colore, facendo apparire la gemma grigia o nera.

(2) L'effetto dell'irradiazione va dalla superficie all'interno, con il colore della gemma che si intensifica gradualmente a partire dall'esterno. Quando l'energia di irradiazione è troppo alta, gli ioni sulla superficie della gemma possono assorbire abbastanza energia da staccarsi dalla superficie, con conseguenti danni superficiali.

(3) Quando l'energia di irradiazione è troppo elevata, può causare rapidamente alte temperature localizzate nella gemma, con conseguente scheggiatura della superficie.

(4) I residui radioattivi prodotti dopo il trattamento di irradiazione delle gemme sono legati al tipo di raggi di irradiazione, alla dose di irradiazione e all'emivita degli isotopi radioattivi. I residui radioattivi devono soddisfare gli standard nazionali prima di essere immessi sul mercato.

Dopo l'irradiazione, la radioattività residua sulla superficie della gemma è legata al tipo di esposizione alle radiazioni, alla quantità di irradiazione, al tipo e al contenuto di impurità nel campione e all'emivita degli elementi radioattivi. Le gemme irradiate devono essere conservate per un certo periodo di tempo e la loro radioattività residua deve essere inferiore agli standard nazionali prima di essere commercializzate. Secondo gli "Standard di protezione dalle radiazioni" stabiliti dalla Commissione internazionale per la protezione dalle radiazioni, il valore di esenzione per l'attività specifica dei materiali radioattivi naturali è lo stesso in tutti i Paesi. L'attività specifica dei materiali radioattivi naturali deve essere inferiore a 350Bq/g per grammo; i limiti di esenzione per i materiali radioattivi artificiali variano: il limite del Regno Unito è inferiore a 100Bq/g, mentre il Giappone, la Francia e l'Italia fissano i loro limiti di esenzione per i materiali radioattivi artificiali a meno di 74Bq/g. Lo standard fissato dagli Stati Uniti è il più basso, pari a 15Bq.

Sezione V Metodo di trattamento ad alta temperatura e ad alta pressione

Il trattamento di ottimizzazione del colore dei diamanti comprende principalmente il trattamento di irradiazione e il trattamento ad alta temperatura e ad alta pressione. Dal 1930 sono stati utilizzati metodi di trattamento commerciali che utilizzano radiazioni ad alta energia per migliorare il colore dei diamanti di qualità. Poiché le radiazioni residue dei diamanti irradiati sono potenzialmente dannose per il corpo umano e limitano l'accettazione delle gemme irradiate da parte dei consumatori, i gemmologi hanno lavorato per trovare un metodo di trattamento del colore dei diamanti innocuo e fattibile. Il metodo ad alta temperatura e ad alta pressione è stato inizialmente utilizzato per i diamanti sintetici e successivamente si è scoperto che simulando le condizioni di crescita e l'ambiente dei diamanti si poteva migliorare il loro colore.

1. Storia della modifica del colore ad alta temperatura e alta pressione

In natura, la maggior parte dei diamanti sono diamanti bruni di tipo Ia e i diamanti incolori e colorati di alta qualità presenti in natura sono rari. La rarità dei diamanti, il colore e la brillantezza hanno intensificato la domanda di diamanti di alta qualità. La modifica del colore dei diamanti è sempre stata un argomento di ricerca per i ricercatori di gemme.

A partire dagli anni '60, paesi come gli Stati Uniti, il Giappone e la Russia hanno condotto ricerche sulla modifica del colore dei diamanti ad alta temperatura e ad alta pressione. La General Electric è stata la prima a proporre una possibile previsione dei cambiamenti di colore dei diamanti. Successivamente, Nikitin et al. (1969) hanno utilizzato metodi di trattamento ad alta temperatura e ad alta pressione per trasformare i diamanti di tipo Ia giallo chiaro in diamanti gialli e giallo-verdi.

General Electric e De Beers hanno pubblicato una serie di metodi di modifica del colore dei diamanti naturali bruni a livello globale. Tuttavia, la maggior parte di questi diamanti bruni sono di tipo IIa e gli strumenti utilizzati sono presse a due facce, con il risultato di diamanti trattati che sono per lo più vicini all'incolore con un leggero tono grigio. Alla fine del XX secolo, utilizzando una pressa prismatica, la Nova Company è riuscita a trattare i diamanti bruni di tipo Ia in diamanti di colore giallo-verde, verde-giallo, blu-verde e rosa. Nel XXI secolo, alcuni studiosi e aziende hanno applicato metodi di trattamento ad alta temperatura e ad alta pressione per migliorare o alterare il colore dei diamanti sintetizzati mediante deposizione chimica da vapore, trattandoli principalmente in tonalità gialle e marrone chiaro. Anche aziende gemmologiche di paesi come la Russia e la Svezia hanno adottato con successo metodi ad alta temperatura e ad alta pressione per migliorare il colore dei diamanti.

La tecnologia per la modifica del colore dei diamanti ad alta temperatura e ad alta pressione nel nostro Paese è nata relativamente tardi, con ricerche rilevanti iniziate solo alla fine del XX secolo. Il nostro Paese ha condotto con successo ricerche sperimentali sulla modifica del colore dei diamanti ad alta temperatura e ad alta pressione. L'apparecchiatura comunemente utilizzata in patria è una pressa a sei lati e le condizioni di pressione sono ancora inferiori a quelle delle condizioni sperimentali avanzate all'estero; tuttavia, a condizione che le condizioni siano controllate correttamente, è ancora possibile convertire i diamanti marroni in diamanti incolori.

2. Tipi principali migliorati da alta temperatura e alta pressione

Il metodo di modifica del colore ad alta temperatura e ad alta pressione è simile alle condizioni per i diamanti sintetici; la pressione dei campioni deve solitamente raggiungere i 6GPa, la temperatura è di circa 2100℃ e la durata è molto breve, non superiore ai 30 minuti.

Due tipi comuni di diamanti sono stati sottoposti a trattamento del colore sul mercato: i diamanti bruni di tipo IIa con basso contenuto di azoto che vengono trasformati in diamanti bianchi, con schiarimento del colore dopo il trattamento, e possono anche essere cambiati in gradi di colore E, F, G, ecc. Questi sono solitamente contrassegnati con la scritta "GE-POL" sulla cintura del diamante mediante il laser e sono comunemente chiamati diamanti GE-POL o diamanti trattati GE; l'altro tipo è costituito dai diamanti Nova, che trasformano i diamanti bruni o impuri bianco-giallastri di tipo Ia contenenti azoto in diamanti colorati. I diamanti trattati presentano una spiccata componente verde o un giallo vivace, che rientra per lo più nello spettro dal giallo-verdognolo al giallo-verde, con un piccolo numero di diamanti gialli o giallo-brunastri, che spesso conservano schemi di crescita ottaedrici di colore marrone-giallo. Le condizioni e le principali caratteristiche di identificazione di questi due tipi di diamanti trattati ad alta temperatura e ad alta pressione sono riportate nella sezione III (2) dei metodi di trattamento di ottimizzazione dei diamanti, con il sito web: https://sobling.jewelry/unveiling-single-crystal-gemstones-like-sapphire-beryl-and-diamond/.

Dal 2010, alcune grandi aziende di gioielleria hanno iniziato a condurre ricerche sperimentali sulla modifica del colore delle gemme di zaffiro utilizzando metodi ad alta temperatura e ad alta pressione. La pressione richiesta per le gemme di zaffiro è relativamente bassa rispetto ai diamanti, generalmente intorno ai 100MPa, e può rendere il colore degli zaffiri blu più vivace. Un'azienda tedesca è stata la prima a utilizzare una bassa pressione di 2,5MPa per trattare le gemme di zaffiro. Nel frattempo, il berillo può ottenere colori più vivaci grazie al riscaldamento a bassa temperatura e a bassa pressione.

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Indice dei contenuti

Sezione I Metodo di trattamento chimico delle gemme

1. Tintura e colorazione

(1) Requisiti per materiali, coloranti e solventi

① Requisiti per i materiali delle gemme

② Requisiti dei coloranti (inclusi coloranti e pigmenti)

③ Requisiti per i solventi coloranti

(2) Fattori che influenzano l'effetto tintorio delle gemme

① Trattamento di lavaggio acido

② Temperatura di riscaldamento e tempo di trattamento della tintura

(3) Caratteristiche di identificazione delle gemme colorate

2. Sbiancamento

3. Riempimento a iniezione

(1) Copertura delle fessure

(2) Miglioramento della stabilità delle gemme

(3) Migliorare la luminosità del colore e il valore economico delle gemme.

Sezione II Metodi di trattamento fisico delle gemme

1. Rivestimento superficiale

2. Placcatura superficiale

3. Sovracrescita

4. Interstrato e substrato

5. Composito

Sezione III Metodo di trattamento termico

1. Apparecchiature per il trattamento termico

1.1 Apparecchiature primarie

(1) Forno per trattamento termico ordinario

① Forno a resistenza

② Forno per la fusione del sale:

③ Forni a combustibile:

(2) Forno ad atmosfera controllata

① Forno di lavoro ad atmosfera controllata:

② Dispositivo per la generazione di atmosfera controllata

(3) Forno per il trattamento termico sotto vuoto

(4) Dispositivo di trattamento termico a fascio laser ed elettronico

1.2 Strumenti e dispositivi ausiliari per il trattamento termico

(1) Termocoppia

① Il principio di misura di una termocoppia:

② Struttura e tipi di termocoppie:

Figura 4-11 Struttura della termocoppia

③ Filo di compensazione della termocoppia:

(2) Termometri a radiazione e termometri ottici

① Termometro a radiazione:

② Pirometro ottico:

Figura 4-14 Condizioni di puntamento del pirometro ottico (Wu Ruihua, 1994)

(3) Crogiolo

2. Principi del trattamento termico per migliorare le pietre preziose

(1) Modificare il contenuto o lo stato di valenza degli ioni cromofori nelle gemme attraverso il trattamento termico.

(2) Modifica della composizione delle gemme organiche attraverso un trattamento termico.

(3) Il trattamento termico produce centri di colore

(4) Il trattamento termico provoca cambiamenti di colore nelle gemme idrosolubili a causa degli effetti della disidratazione.

(5) Il trattamento termico provoca cambiamenti nella struttura cristallina.

(6) Il trattamento termico migliora le inclusioni simili alla seta e l'effetto luce stellare nelle gemme

3. Condizioni per il trattamento termico

(1) La velocità di riscaldamento a una temperatura superiore

(2) La temperatura più alta raggiunta durante il trattamento termico.

(3) Tempo di mantenimento

(4) Curva di raffreddamento

(5) Atmosfera nel forno

(6) Pressione nel forno

4. Effetti termici nel trattamento termico

Tabella 4-1 Meccanismo ed esempi di effetti termici

5. Redox e diffusione dei gas

(1) Redox

(2) Diffusione del gas

6.Classificazione dei metodi di trattamento termico

(1) Metodo di trattamento termico ordinario

(2) Metodo di arrostimento con reagenti chimici

(3) Metodo dell'elettrolisi a sali fusi

Figura 4-18 Schema dell'esperimento di elettrolisi a sali fusi

7. Metodi comuni di trattamento termico per migliorare le condizioni delle gemme

Tabella 4-2 Condizioni per il trattamento termico delle gemme più comuni

Sezione IV Metodi di irradiazione radioattiva

1. Tipi di raggi di irradiazione e sorgenti di radiazioni

(1) I raggi emessi da elementi radioattivi