Como fazer a otimização de pedras preciosas? Guia para desbloquear 5 métodos e equipamentos

Os tratamentos de pedras preciosas, como o aquecimento e o tingimento, aumentam as cores e a claridade. Saiba como estes métodos funcionam para rubis, safiras e muito mais. Essencial para joalheiros, designers e retalhistas para melhorar as suas pedras preciosas para um acabamento deslumbrante.

Como fazer a otimização de pedras preciosas? Guia para desbloquear 5 métodos e equipamentos

Gemstone Optimizatized Métodos e principais equipamentos utilizados

Existem muitos métodos de tratamento de otimização para pedras preciosas e, com o avanço da ciência e da tecnologia, estes métodos são continuamente melhorados e actualizados. Os métodos de otimização mais tradicionais incluem o tratamento térmico, o tingimento e a coloração, a imersão em óleo incolor e o revestimento da superfície. Por exemplo, nos tempos antigos, as pessoas reconheceram desde cedo que o aquecimento podia realçar a cor da ágata e, colocando a ágata em diferentes corantes, podia ser tingida com várias cores. Embora estes métodos fossem conhecidos, eram frequentemente descobertos por acaso na altura. Só quando as pessoas dominaram gradualmente as propriedades físicas e os mecanismos causadores de cor dos cristais de pedras preciosas (como diamantes, rubis, safiras, topázios, berilos, quartzo, etc.) e das pedras preciosas orgânicas (como pérolas, âmbar, etc.) é que puderam romper os campos tradicionais e desenvolver novos métodos de tratamento de otimização.

Os principais métodos de tratamento de otimização para pedras preciosas incluem atualmente os seguintes: tratamento físico-químico, tratamento térmico, tratamento por irradiação, tratamento a alta temperatura e alta pressão, e tratamento a laser. O método mais utilizado no tratamento de otimização de pedras preciosas é o tratamento térmico, que melhora a cor de pedras preciosas como rubis, safiras, jadeíte e calcedónia, que são coloridas por elementos de impurezas vestigiais. O método de irradiação melhora principalmente a cor das pedras preciosas com centros de cor, causando defeitos na composição estrutural da pedra preciosa através da irradiação, formando assim centros de cor e alterando a cor da pedra preciosa. O tratamento físico-químico é um método de otimização mais tradicional, como o tingimento, que normalmente utiliza diferentes corantes para colorir as pedras preciosas. O equipamento necessário é simples e a operação é cómoda, mas as pedras preciosas melhoradas são instáveis e propensas a desvanecer-se. O tratamento a alta temperatura e alta pressão é atualmente um método para tratar diamantes, alterando a sua cor através de alta temperatura e pressão. O tratamento a laser é usado principalmente para o tratamento localizado de diamantes para melhorar a sua cor e clareza.

Secção I Método de tratamento químico de pedras preciosas

Os métodos de tratamento físico e químico das pedras preciosas incluem práticas comuns como o tingimento e a coloração, o branqueamento, a imersão em óleo, o enchimento por injeção, a colagem, o revestimento, o suporte, a estratificação e a incrustação, que têm uma longa história. Entre eles, o tingimento é um método tradicional para melhorar a cor das pedras preciosas que remonta aos tempos antigos. Os registos históricos indicam que a ágata vermelha tingida foi encontrada em túmulos egípcios por volta de 1300 a.C. Devido à simplicidade dos métodos tradicionais de melhoramento, eles podem ser aplicados à maioria das pedras preciosas criptocristalinas ou monocristalinas estruturalmente soltas com muitas fissuras. Muitas pedras preciosas tingidas no mercado fazem-se passar por pedras preciosas naturais, pelo que é necessário identificar as pedras preciosas tratadas por tingimento e outros métodos de coloração. Estas são classificadas em métodos de tratamento químico e físico com base na natureza dos métodos de tratamento.

Os métodos de tratamento químico referem-se à adição de uma certa quantidade de reagentes químicos, que reagem quimicamente com os componentes da pedra preciosa, permitindo que os elementos corantes nos reagentes químicos entrem no interior da pedra preciosa ou se infiltrem nas fendas da pedra preciosa para alterar o aspeto da cor da pedra preciosa. Durante o processo de tratamento químico, devem ser adicionadas outras substâncias para além dos componentes da pedra preciosa. Este método de tratamento de otimização é uma forma de processamento, e deve ser rotulado quando a pedra preciosa é vendida. Os métodos comuns de tratamento químico incluem o tingimento, a coloração, o branqueamento e o enchimento por injeção.

1. Tingimento e coloração

Os processos e princípios de tingimento e coloração diferem apenas nos corantes utilizados: o tingimento utiliza corantes orgânicos, enquanto a coloração utiliza pigmentos inorgânicos. Os princípios de tingimento e coloração são os mesmos, envolvendo a infiltração de materiais de coloração na pedra preciosa para melhorar ou mudar a cor da pedra preciosa. Os corantes orgânicos são mais vibrantes, mas têm uma estabilidade mais fraca e desvanecem-se com o tempo; os reagentes químicos utilizados na coloração são semelhantes em cor às pedras preciosas naturais e têm uma boa estabilidade, tornando-os menos propensos a desvanecer-se. Atualmente, a maioria das pedras preciosas é colorida com pigmentos inorgânicos.

(1) Requisitos para materiais, corantes e solventes

Os métodos de tingimento e coloração são semelhantes em termos de processamento, exigindo um equipamento mínimo; basta mergulhar num recipiente durante algum tempo. Se se pretender que a cor penetre na gema, é necessário aquecimento durante o processo, sendo a temperatura de aquecimento geralmente baixa. O tingimento e a coloração são utilizados principalmente para materiais de gema que são de cor clara e têm uma estrutura solta. Os efeitos do tingimento e da coloração dependem do material da gema, dos corantes e pigmentos selecionados e dos solventes corantes, entre outras condições, com os requisitos específicos que se seguem.

① Requisitos para materiais de gema

Em primeiro lugar, devem ser resistentes aos ácidos, às bases e ao calor. Os materiais de gema a tratar têm de ser limpos com ácido ou álcali antes do tingimento e é necessário aquecimento durante o processo, sendo por vezes necessário ferver durante algum tempo.

Em segundo lugar, os materiais a serem tratados também devem ter uma certa porosidade para permitir que o corante penetre no material da gema. Materiais como a jadeíte, a nefrita, a calcedónia, a ágata e o mármore são relativamente fáceis de tingir.

No caso das gemas não porosas, é necessário criar poros ou fissuras artificiais para permitir a entrada do corante no cristal. Por exemplo, o método de explosão de quartzo requer primeiro o aquecimento e a têmpera do quartzo para criar fissuras extremamente pequenas, seguidas de tingimento ou coloração, que podem produzir quartzo vermelho ou verde (Figura 4-1).

② Requisitos para corantes (incluindo corantes e pigmentos)

Primeiro, escolha o corante ou pigmento adequado com base nas propriedades da pedra preciosa. Ao tingir pedras preciosas, a cor do corante deve ser próxima da cor natural da pedra preciosa. As pedras preciosas tingidas com corantes orgânicos têm muitas cores e são muito brilhantes, mas dão uma sensação "falsa" e têm pouca estabilidade, desvanecendo-se facilmente; a cor dos pigmentos inorgânicos é muitas vezes mais próxima das pedras preciosas naturais, tem melhor estabilidade e não é fácil de desvanecer, pelo que as pessoas geralmente escolhem pigmentos inorgânicos. Ao selecionar corantes, tente escolher aqueles que não se desvanecem. Os corantes orgânicos, especialmente os corantes de amina, são propensos ao desbotamento e devem ser usados com cautela.

Em segundo lugar, selecionar corantes que possam reagir quimicamente com determinados elementos no interior da pedra preciosa ou que possam ser absorvidos pelos poros do material da pedra preciosa. Os corantes comuns incluem sais de crómio, sais de ferro, sais de manganês, sais de cobalto, sais de cobre, etc.

③ Requisitos para solventes de corantes

Existem dois tipos de tingimento com corantes: o tingimento a óleo e o tingimento a água. O tingimento a óleo utiliza vários óleos para dissolver o corante, enquanto o tingimento a água utiliza água ou moléculas polares como o etanol como solventes para dissolver o pigmento. Ao tingir, é importante escolher o solvente adequado com base no tipo de corante (pigmento) e na capacidade de adsorção do material da pedra preciosa.

O uso de óleo molecular não polar como solvente é chamado de tingimento a óleo. Os óleos coloridos (ou seja, óleos que dissolvem corantes orgânicos) são normalmente utilizados para embeber rubis e esmeraldas, permitindo que o óleo colorido penetre nas fissuras das pedras preciosas.
O tingimento com água é maioritariamente utilizado para pigmentos inorgânicos, dissolvendo os pigmentos em água ou álcool, criando uma solução saturada, e depois mergulhando as pedras preciosas pré-tratadas. O tempo de imersão é geralmente mais longo do que o do tingimento a óleo e, por vezes, são utilizados agentes químicos que reagem com o corante para reprocessar e obter a cor desejada. Por exemplo, ao tingir a ágata, são selecionados diferentes reagentes químicos para induzir uma reação química, e o precipitado resultante penetra nas fissuras da pedra preciosa, estabilizando a cor após o tingimento.

(2) Factores que afectam o efeito de tingimento das pedras preciosas

Para além do material da pedra preciosa e do corante, devem também ser considerados outros factores, tais como o tratamento de lavagem com ácido da pedra preciosa antes do tingimento, a temperatura de aquecimento durante o tingimento e a duração do processo de tingimento.

① Tratamento de lavagem com ácido

Antes de tingir materiais de pedras preciosas, é necessária uma lavagem ácida para remover o amarelo, o castanho e outras cores misturadas da superfície da pedra preciosa, mantendo a superfície limpa. Após a lavagem com ácido, deve ser selecionada uma determinada solução alcalina para neutralizar a pedra preciosa. Se for escolhido um método de reação química para o tingimento, devem ser consideradas as condições necessárias para a geração de precipitação; caso contrário, a reação não pode prosseguir. Após a lavagem com ácido, a pedra deve ser seca numa estufa ou ao ar livre antes de qualquer outro tratamento.

② Temperatura de aquecimento e tempo de tratamento de tingimento

Durante o processo de tingimento, o aquecimento é geralmente utilizado para promover a penetração do corante nas fissuras da pedra preciosa. A temperatura de aquecimento e o tempo de tratamento de tingimento também afectam a cor final da pedra preciosa. Uma temperatura de aquecimento mais elevada resulta numa taxa de reação mais rápida, exigindo um tempo de tingimento mais curto; inversamente, uma temperatura de aquecimento mais baixa exige um tempo mais longo para obter um melhor efeito de tingimento.

O processo de tratamento de tingimento e coloração é simples, fácil de operar e amplamente utilizado. Pode ser aplicado a pedras preciosas de cristal único com fissuras e materiais de pedras preciosas policristalinas ou criptocristalinas com estruturas soltas. As pedras preciosas comumente tingidas e coloridas incluem rubis, esmeraldas, ágatas, calcedônia, nefrita, jade xiuyan, jadeíte, pérolas, marfim, opalas, coral, quartzito, turquesa e outros.

(3) Caraterísticas de identificação das pedras preciosas tingidas

As pedras preciosas tingidas têm cores brilhantes e, após ampliação, a cor pode ser vista ao longo das fissuras ou entre as partículas, com cores mais claras em estruturas densas e cores mais escuras em estruturas soltas. Por exemplo, rubis tingidos (Figura 4-2) mostram a cor concentrada nas fendas do rubi sob uma lupa, com um fenómeno claro de limite de cor.

2. Branqueamento

O branqueamento é geralmente utilizado para jade ou pedras preciosas orgânicas com muitas variações de cor na superfície, como jadeíte, pérolas e coral. Os agentes de branqueamento incluem normalmente cloro gasoso, sais de hipoclorito, peróxido de hidrogénio e sulfitos. A exposição ao sol também pode causar o desbotamento de certas pedras preciosas, o que pode ser um efeito de branqueamento da luz solar. O peróxido de hidrogénio e os sais de hipoclorito são agentes de branqueamento normalmente utilizados nos processos de otimização de pedras preciosas. O peróxido de hidrogénio e a luz solar são frequentemente utilizados para branquear pérolas naturais ou cultivadas, permitindo que as pérolas particularmente escuras ou esverdeadas sejam branqueadas, tornando-as mais próximas das pérolas naturais de alta qualidade. O peróxido de hidrogénio e os sais de hipoclorito são normalmente utilizados para branquear jade, como a jadeíte (Figura 4-3), que, após o branqueamento, remove os tons amarelos e castanhos da superfície, permitindo que o verde da jadeíte seja melhor evidenciado.

A estrutura do jade é danificada após o tratamento de branqueamento, e geralmente precisa de ser injectada e preenchida para tornar a sua estrutura densa e estável. As pedras preciosas orgânicas, como as pérolas e os corais, podem ser vendidas após o branqueamento sem tratamento de enchimento, e as suas cores são também muito estáveis. O tratamento de branqueamento é considerado otimização e não precisa de ser rotulado quando se vendem pedras preciosas; podem ser nomeadas diretamente usando o nome da pedra preciosa natural. As pedras preciosas utilizadas para o branqueamento são a jadeíte, a nefrita, o jade Xiuyan, o quartzito, a pérola, o coral, a calcedónia, a madeira siliciosa e o olho de tigre.

Após o tratamento de branqueamento, as pedras preciosas mostram uma casca de laranja ou uma estrutura semelhante a um canal sob ampliação, com microfissuras finas visíveis na superfície polida, uma estrutura interna solta e uma cor limpa e brilhante sem impurezas. O tratamento de enchimento é frequentemente utilizado após o branqueamento para estabilizar a estrutura da pedra preciosa.

3. Enchimento por injeção

O enchimento por injeção refere-se a um método de tratamento que injecta substâncias líquidas nas fissuras das pedras preciosas através de determinados meios tecnológicos. É principalmente adequado para materiais de pedras preciosas que são estruturalmente soltos ou contêm muitas fissuras, preenchendo as fissuras e poros das pedras preciosas com materiais como óleo incolor, óleo colorido, resina, cera ou plástico, tornando a sua estrutura mais sólida, melhorando a estabilidade das pedras preciosas ou alterando a cor das pedras preciosas. O enchimento por injeção pode ser dividido em incolor e colorido, com os seguintes objectivos principais.

(1) Cobertura de fissuras

As pedras preciosas naturais contêm frequentemente muitas fissuras quando são produzidas. A presença de numerosas fissuras afecta tanto a aparência como a estabilidade das pedras preciosas. As fissuras podem ser ocultadas através da injeção de óleo incolor e outros materiais nas fissuras, poros ou lacunas intergranulares do material da pedra preciosa, tornando-as menos perceptíveis e aumentando a sua capacidade de utilização e valor económico. Por exemplo, as esmeraldas e os rubis naturais contêm frequentemente muitas fissuras e, através da injeção de óleo incolor ou colorido, o aspeto da sua cor pode ser melhorado.

(2) Melhorar a estabilidade das pedras preciosas

Para pedras preciosas estruturalmente soltas, injetar e preencher os poros para as tornar mais sólidas, aumentando a sua dureza e estabilidade, como a turquesa e as esmeraldas.

(3) Melhorar o brilho da cor e o valor económico das pedras preciosas

Para pedras preciosas com cores mais claras, a injeção de óleo colorido, cera colorida e outros materiais não só reforça a sua estrutura como também aprofunda a cor das pedras preciosas.

Suponhamos que um material colorido é injetado nos poros da turquesa. Nesse caso, pode aumentar a sua dureza e reduzir a dispersão da luz, aprofundando a sua cor e melhorando significativamente a sua dureza.

As pedras preciosas que podem ser melhoradas utilizando o método de enchimento por injeção incluem rubis, safiras, esmeraldas, turquesa, lápis-lazúli, opala, berilo, quartzo e jade.

Após o enchimento por injeção, a gema mostra uma redução da transparência e do brilho na posição de enchimento sob ampliação. Por exemplo, uma esmeralda incolor preenchida com óleo (Figura 4-4) mostra que a transparência e o brilho no local de preenchimento são significativamente menores do que os das esmeraldas naturais. Se for utilizado óleo colorido para o enchimento, a cor nas fissuras aumenta. São visíveis bolhas no local do enchimento, e os testes de espetroscopia de infravermelhos revelam espectros de absorção de infravermelhos caraterísticos do material de enchimento, com índice de refração e densidade inferiores aos das gemas naturais.

Secção II Métodos de tratamento físico de pedras preciosas

Os métodos de tratamento físico de gemas são também muito utilizados, referindo-se à modificação de gemas com outros materiais através de colagem, união e outras técnicas para criar uma impressão global. Os métodos comuns de tratamento físico incluem revestimentos de superfície, chapeamento, incrustação, estratificação, suporte e união.

1. Revestimento de superfícies

A aplicação de uma camada de película colorida (também conhecida como "tratamento de película") na superfície ou no fundo da gema ou a utilização de tinta como revestimento em todas ou parte das facetas da gema muda a sua cor e altera assim o seu aspeto. Inicialmente, esta técnica era comummente utilizada para os diamantes; por exemplo, o revestimento mais simples consiste em marcar a superfície de um diamante com tinta azul, o que pode melhorar o aspeto do diamante devido à cor da tinta. A aplicação de uma camada de película azul na parte inferior de um diamante amarelo claro pode melhorar o seu grau de cor. Este método de tratamento é normalmente utilizado para diamantes, topázios, cristais, corais e pérolas.

O método de revestimento atualmente comum consiste em aplicar uma camada de revestimento colorido sobre topázio ou cristal incolor ou de cor clara, o que pode produzir várias aparências de cor. Na maioria dos casos, a cor adicionada existe apenas na superfície da pedra preciosa. As pedras preciosas com este revestimento são fáceis de identificar, uma vez que a superfície revestida apresenta frequentemente uma cor diferente da do fundo e, devido à menor dureza do revestimento da superfície, são frequentemente visíveis muitos riscos.

2. Revestimento de superfícies

Com o desenvolvimento da ciência e da tecnologia, Superfície Revestimento evoluiu gradualmente para a aplicação de uma camada de película colorida na superfície de pedras preciosas incolores ou de cor clara para alterar o aspeto da cor das pedras preciosas. Este método de tratamento é geralmente utilizado para diamantes, topázios, cristais, etc. O revestimento de diamante é muitas vezes uma película de diamante, que é uma camada muito fina de diamante sintético em cima do diamante; devido ao seu forte brilho e elevada dureza, parece muito semelhante ao diamante. Uma camada de película de óxido de metal é frequentemente revestida em topázios ou cristais de cor clara (Figura 4-5), que têm um aspeto de arco-íris na superfície. Ainda assim, os riscos podem ser vistos sob ampliação e, com o tempo, a superfície pode ficar parcialmente descascada.

3. Crescimento excessivo

O crescimento excessivo refere-se a uma camada de pedra preciosa que cresce na superfície de uma pedra preciosa sintética ou natural utilizando métodos sintéticos. Esta pedra preciosa de crescimento excessivo pode variar em espessura. Não é fácil distingui-la rigorosamente das pedras preciosas cultivadas em soluções aquosas. Por exemplo, uma camada de esmeralda sintética pode crescer num pedaço de esmeralda ou berilo, exibindo caraterísticas tanto de esmeraldas naturais como sintéticas. Ao identificar a pedra preciosa Overgrowth, deve-se observar a área de junção, as diferenças de cor e as caraterísticas de inclusão entre as camadas superior e inferior das pedras preciosas.

4. Camada intermédia e substrato

O InterA camada e o substrato são unidos usando vários métodos para formar uma pedra preciosa inteira, melhorando a aparência, a cor e o aspeto das pedras preciosas naturais. O substrato é usado principalmente para melhorar a cor de pedras preciosas mais claras, como diamantes com uma tonalidade amarelada; adicionar uma camada de substrato azul na parte inferior pode melhorar o grau de cor do diamante. A camada é geralmente utilizada em pedras compostas de três camadas; por exemplo, a camada superior é uma esmeralda verde-clara natural, e a camada inferior é berilo incolor ou verde-claro, com uma camada verde no meio, que realça a cor da esmeralda.

5. Compósito

O compósito é a combinação de várias pedras preciosas ou materiais de diferentes formas. As pedras compostas comuns incluem pedras compostas de duas e três camadas. O compósito é um método comum de melhoramento físico e é amplamente utilizado. Através do tratamento composto, a cor e o aspeto das pedras preciosas podem ser melhorados. As pedras preciosas compostas comuns incluem esmeraldas, rubis, granadas, opalas, diamantes, etc. (Figura 4-6). A identificação de pedras preciosas compostas utiliza principalmente a inspeção ampliada, prestando atenção às costuras compostas nas pedras preciosas, às diferenças de cor e brilho entre as diferentes camadas e às bolhas entre as costuras compostas.

Secção III Método de tratamento térmico

O tratamento térmico é um dos métodos mais utilizados para a otimização das gemas. As gemas são colocadas em equipamento que pode controlar o aquecimento, com diferentes temperaturas de aquecimento e atmosferas de oxidação-redução selecionadas para o tratamento térmico, melhorando a cor, transparência e clareza das gemas. O tratamento térmico pode aumentar o valor estético e económico das gemas, revelando a beleza potencial no seu interior, tornando-o um método fácil de operar e amplamente aceite para a otimização de gemas, classificado como otimização. Pode ser nomeado diretamente utilizando o nome da gema natural na nomenclatura de gemas.

1. Equipamento de tratamento térmico

Para efetuar o tratamento térmico de pedras preciosas, é necessário, em primeiro lugar, determinado equipamento para aquecer as pedras preciosas. Com base no seu papel no tratamento térmico, o equipamento de tratamento térmico pode ser dividido em duas partes principais: equipamento primário e equipamento auxiliar.

1.1 Equipamentos primários

O equipamento principal para o tratamento térmico é o equipamento de aquecimento, que inclui duas categorias: fornos de tratamento térmico e dispositivos de aquecimento. Os fornos de tratamento térmico comummente utilizados em laboratórios incluem fornos de tratamento térmico normais (fornos de resistência, fornos de sal, fornos de combustível), fornos de atmosfera controlada e fornos de tratamento térmico a vácuo. Os dispositivos de aquecimento incluem dispositivos de aquecimento por laser e dispositivos de aquecimento por feixe de electrões.

O equipamento auxiliar inclui dispositivos de atmosfera controlada (geradores de gás, dispositivos de decomposição de amoníaco, sistemas de vácuo, etc.), equipamento de energia (armários de distribuição, ventiladores, etc.), instrumentos de medição (instrumentos de temperatura, manómetros, medidores de fluxo e dispositivos de controlo automático, etc.), bem como cadinhos e equipamento de arrefecimento de limpeza, etc.

(1) Forno normal de tratamento térmico

Os fornos de tratamento térmico comuns referem-se principalmente a fornos de resistência, fornos de fusão de sal, fornos de combustível, etc., normalmente utilizados no tratamento térmico.

① Forno de resistência

Um forno de resistência é composto por elementos de aquecimento (fios, carboneto de silício, siliceto de molibdénio, óxido de cobalto, etc.). Os tipos mais utilizados nos laboratórios são os fornos de caixa e os fornos tubulares.

Forno de resistência do tipo caixa: O forno de resistência do tipo caixa tem uma câmara em forma de caixa (Figura 4-7), classificada em alta temperatura, média temperatura e baixa temperatura com base na temperatura de trabalho. Os fornos de resistência do tipo caixa fabricados no nosso país foram padronizados, exceto para aplicações de baixa temperatura, em que são utilizadas várias caixas de temperatura constante.

O forno de resistência do tipo caixa de alta temperatura é usado principalmente para melhorar a cor de pedras preciosas de alto ponto de fusão, como corindo, rubi, safira e zircão, com uma temperatura geral de aquecimento acima de 1000 ℃.

Um forno de caixa de temperatura média é frequentemente utilizado para tratar termicamente pedras preciosas como a safira, o topázio, o cristal e a tanzanite que requerem uma modificação da cor a uma temperatura média-baixa, com a temperatura de tratamento térmico a variar tipicamente entre 650°C e 1000°C.

O forno de tratamento térmico a baixa temperatura é utilizado principalmente para pedras preciosas orgânicas e pedras preciosas que contêm água na sua estrutura, tais como pérolas, corais, opalas, etc.

O forno de resistência tipo caixa tem uma estrutura simples, é fácil de operar e tem um baixo custo, tornando-o um dispositivo essencial em laboratórios. As vantagens do forno de resistência tipo caixa são a alta temperatura de aquecimento, o grande espaço interno e a capacidade de acomodar várias amostras de uma só vez. No entanto, este tipo de forno de tratamento térmico tem desvantagens como a baixa eficiência térmica, o aquecimento lento e a temperatura irregular do forno, que precisam de ser melhoradas durante o funcionamento. Por exemplo, a temperatura irregular do forno pode ser pré-determinada medindo o campo térmico e colocando as amostras em locais de temperatura específicos para superar a temperatura irregular.

Forno de resistência tubular: O forno de resistência tubular utiliza geralmente fios de resistência dispostos em camadas à volta de materiais refractários de alta temperatura (geralmente tubos de alumina 99%) e pode controlar a temperatura em segmentos. Também pode utilizar varetas de carboneto de silício como elementos de aquecimento dispostos em círculo à volta do tubo de alumina. O forno de resistência tubular pode controlar a atmosfera, isolando o elemento de aquecimento da atmosfera do forno com um invólucro, permitindo a introdução de diferentes atmosferas (tais como atmosferas oxidantes ou redutoras) conforme necessário, sendo os gases residuais expelidos através de orifícios de exaustão na tampa do forno (Figura 4-8).

As vantagens do forno de resistência tubular são a sua velocidade de aquecimento rápida, o controlo segmentado da temperatura e o controlo preciso da temperatura; as suas desvantagens são o facto de poder tratar uma quantidade menor de amostras e não ser fácil de extrair.

② Forno de fusão de sal:

O forno de fusão de sal é um dispositivo de tratamento térmico que utiliza sal fundido como meio de aquecimento, caracterizado por sua estrutura simples e velocidade de aquecimento rápida e uniforme. A temperatura de fusão do sal no forno de fusão de sal varia de 150 ~ 1300 ℃, dependendo da composição da solução de sal, geralmente permitindo uma faixa de temperatura de aquecimento adequada para tratamento térmico de baixa e média temperatura de pedras preciosas. As desvantagens são o elevado consumo de energia, a dificuldade em limpar as amostras após o tratamento e certos efeitos corrosivos e contaminantes nas pedras preciosas. Os tipos comuns de fornos de fusão de sal incluem o tipo de elétrodo e o tipo de aquecimento elétrico.

Forno de fusão de sal com eléctrodos: Este forno elétrico insere eléctrodos na câmara do forno e passa uma corrente elevada de baixa tensão, gerando uma forte circulação electromagnética quando a corrente flui através do sal fundido, promovendo a agitação do sal fundido para aquecer a amostra. Os fornos de fusão de sal de eléctrodos do nosso país são, na sua maioria, grandes para a produção industrial e inadequados para laboratórios. Nos laboratórios, podem ser projectados pequenos fornos utilizando transformadores de fornos de fusão de sal produzidos em série.
Forno de fusão de sal com aquecimento elétrico: Este forno é constituído por um cadinho que contém sal fundido e um corpo do forno que aquece o cadinho. A fonte de calor é frequentemente a energia eléctrica, mas também são utilizados outros combustíveis. É habitualmente utilizado para o tratamento térmico de pedras preciosas com coloração própria causada por componentes químicos. As suas caraterísticas incluem a ausência de restrições quanto à fonte de calor e a não necessidade de transformadores, mas a vida útil do cadinho é baixa e a distribuição da temperatura no interior do forno é irregular. Muitos modelos deste tipo de forno são produzidos no nosso país, mas apenas alguns são adequados para laboratórios de tratamento de otimização de pedras preciosas.

③ Fornos a combustível:

Os fornos de combustível podem ser classificados em fornos de combustível sólido, fornos de combustível a gás e fornos de combustível líquido com base no tipo de combustível utilizado. De acordo com a forma da câmara de aquecimento, também podem ser divididos em fornos de câmara, fornos de mesa, fornos de tipo poço, etc. O forno de combustível sólido mais comum é o forno de câmara de combustão inferior, sendo o carvão o principal combustível. As vantagens são a estrutura simples e o baixo custo; as desvantagens são a fraca uniformidade da temperatura e a dificuldade de controlo da temperatura.

Os fornos a gás utilizam gases combustíveis (como o gás de carvão, gás natural, gás de petróleo liquefeito, etc.) como combustível. Como os gases combustíveis se misturam facilmente com o ar e queimam completamente, a temperatura do forno é mais uniforme do que a dos fornos de combustível sólido, tornando-o adequado para o processamento laboratorial de rotina de pedras preciosas. No entanto, a exatidão da medição da temperatura no interior do forno pode ser melhorada.

Os fornos de combustível líquido utilizam gasóleo ou óleo pesado como combustível, e a sua estrutura é semelhante à dos fornos a gás. A única diferença entre os dois está na estrutura do dispositivo de combustão.

(2) Forno de atmosfera controlada

O oxigénio ou o gás redutor é injetado no forno de atmosfera controlada para melhorar a cor e o aspeto das pedras preciosas através do controlo da oxidação ou da atmosfera redutora. O forno de atmosfera controlada é geralmente composto por duas partes: o forno de trabalho de atmosfera controlada e o dispositivo de geração de atmosfera controlada.

① Forno de trabalho com atmosfera controlada:

Este tipo de forno é geralmente uma versão melhorada de um forno de resistência, e tanto os fornos de tipo caixa como os de tipo tubo podem ser utilizados como fornos de atmosfera controlada. Um forno de atmosfera controlada pode ser formado pela adição de um acessório de atmosfera controlável que permite a entrada de gás e a selagem da câmara do forno num forno de resistência. É normalmente utilizado para controlar a atmosfera do tratamento térmico, como a oxidação, a redução ou a neutralidade. Os gases oxidantes introduzidos incluem geralmente oxigénio, ar, etc.; os gases redutores incluem geralmente H₂, CO, N₂, CH₄Alguns destes gases são inflamáveis, pelo que é necessário um cuidado extra durante o funcionamento. Para evitar explosões, o melhor método consiste em purgar a câmara do forno com N₂(ou CO₂) antes de introduzir o gás ou de desligar o forno, sendo a quantidade de gás introduzida geralmente 4 a 5 vezes superior ao volume da câmara do forno. Além disso, o gás introduzido tem, por vezes, um elevado teor de CO, que pode facilmente intoxicar os operadores, pelo que é importante assegurar uma boa ventilação e verificar regularmente a vedação do corpo do forno e das tubagens. Os gases residuais descarregados devem ser inflamados ou libertados para o exterior.

② Dispositivo gerador de atmosfera controlada

Dispositivo gerador de atmosfera redutora (também conhecido como gerador de atmosfera endotérmica): Este dispositivo mistura gases brutos (gás natural, gás de petróleo liquefeito, gás de carvão, etc.) com ar numa determinada proporção. Sob a ação de uma fonte de calor externa e de um catalisador, é produzido através de uma combustão incompleta e de uma série de reacções. O gás gerado é uma boa atmosfera redutora, rigorosamente controlada e estável, mas a estrutura do equipamento é complexa e o custo é relativamente elevado.
Gerador de decomposição de amoníaco: No processo de tratamento térmico, devem ser introduzidas diferentes atmosferas de acordo com as causas de formação da cor das pedras preciosas, tais como atmosfera oxidante, atmosfera redutora, etc. A atmosfera redutora normalmente utilizada é obtida através de um gerador de decomposição de amoníaco.

É gerada uma atmosfera redutora utilizando um dispositivo que decompõe o amoníaco gasoso em azoto e hidrogénio, como se mostra na Figura 4-9. O amoníaco líquido da garrafa de amoníaco flui para o vaporizador 1, onde é aquecido e vaporizado, entrando depois no tanque de reação 2, onde se decompõe a alta temperatura e sob a ação de um catalisador. O gás de decomposição de amoníaco arrefecido é purificado no dispositivo de purificação 3, onde o oxigénio residual e o vapor de água são removidos e pode então ser introduzido no forno de tratamento térmico para utilização. O gás após a decomposição H₂:N₂ é de 3:1, que é uma atmosfera redutora.

(3) Forno de tratamento térmico sob vácuo

O tratamento térmico sob vácuo é um método de tratamento térmico em que o processo de aquecimento ou arrefecimento da amostra ocorre num estado de vácuo (pressão negativa), e o forno utilizado para este tratamento é designado por forno de tratamento térmico sob vácuo.

O tratamento térmico a vácuo é utilizado para condições especiais de tratamento térmico, como o processamento de zircónio cúbico preto, e a temperatura num forno a vácuo é também relativamente elevada. Devido a preocupações com a oxidação de elementos não aquecedores, os metais de alta temperatura como o alumínio, volfrâmio, tântalo e produtos de grafite podem ser utilizados como elementos de aquecimento. Ainda assim, é menos utilizado em processos de otimização de pedras preciosas do que em fornos de atmosfera controlada.

(4) Dispositivo de tratamento térmico por laser e feixe de electrões

As tecnologias de tratamento térmico por laser e feixe de electrões desenvolveram-se nos últimos anos. Caracterizam-se pela rápida velocidade de aquecimento, alta temperatura e ausência de oxidação, o que as torna particularmente adequadas para o tratamento térmico localizado. No entanto, devido ao aquecimento irregular deste equipamento, à rápida taxa de arrefecimento e aos elevados custos de investimento, são utilizados com menos frequência no tratamento térmico de pedras preciosas e são frequentemente aplicados no tratamento de inclusões escuras em diamantes.

Um feixe de electrões refere-se a um feixe de alta densidade energética de electrões emitidos por um filamento catódico aquecido, acelerado por um "ânodo" e focado por uma lente magnética. Quando este feixe de electrões entra em contacto com a superfície de uma amostra, converte imediatamente a energia dos electrões em energia térmica, aquecendo a amostra e até fundindo metais. O dispositivo que gera o feixe de electrões é designado por canhão de feixes de electrões. Este dispositivo é geralmente utilizado para o melhoramento localizado do tratamento térmico de pedras preciosas.

1.2 Instrumentos e dispositivos auxiliares para tratamento térmico

(1) Termopar

Os termopares são os elementos sensores de temperatura mais utilizados na medição de temperatura. Têm uma estrutura simples, são fáceis de utilizar, possuem uma elevada precisão e estabilidade e têm uma vasta gama de medição da temperatura, desempenhando um papel importante na medição da temperatura.

① O princípio de medição de um termopar:

Consiste em ligar dois fios metálicos (A e B) com composições químicas diferentes para formar um circuito fechado, que é um termopar. Quando as temperaturas nas duas junções destes fios são diferentes, é gerada uma força eletromotriz, conhecida como potencial termoelétrico, no circuito.

A magnitude do potencial termoelétrico de um termopar está relacionada com as propriedades do material dos condutores e com as temperaturas nas duas junções. Quando o material condutor é fixo, quanto maior for a diferença de temperatura entre as duas junções, maior será o potencial termoelétrico. A temperatura pode ser medida através da medição da magnitude do potencial termoelétrico.

② A estrutura e os tipos de termopares:

Um termopar é constituído por dois fios condutores diferentes, A e B, designados por eléctrodos térmicos. A extremidade soldada é designada por extremidade de trabalho, também conhecida por extremidade quente, e é colocada no meio medido; a outra é designada por extremidade de referência, também conhecida por extremidade livre ou fria, e é ligada ao instrumento.

Quando as temperaturas das extremidades quente e fria diferem, o potencial termoelétrico gerado pelo termopar pode ser indicado ou registado pelo instrumento de acordo com a escala de temperatura. A figura 4-10 apresenta um diagrama esquemático do termopar.

Os dois fios do termopar estão cobertos com tubos isolantes para evitar curto-circuitos e estão protegidos por tubos de cerâmica ou de aço resistente ao calor para evitar a corrosão provocada por substâncias nocivas. A estrutura do termopar é apresentada na Figura 4-11.

③ Fio de compensação do termopar:

O potencial termoelétrico gerado pelo termopar só pode refletir diretamente a temperatura na extremidade quente quando a extremidade fria é mantida a 0℃.

No entanto, na utilização prática dos termopares, devido ao calor conduzido pelo próprio termopar e à influência da temperatura ambiente circundante, a temperatura da extremidade fria varia frequentemente, conduzindo a leituras de temperatura inexactas pelo instrumento de medição.

Para ultrapassar este efeito, são frequentemente utilizados fios de compensação para estender a extremidade fria do termopar a um local com uma temperatura mais constante, permitindo a adoção de medidas compensatórias.

Os fios de compensação são um par de fios metálicos com diferentes composições químicas. Eles têm as mesmas propriedades termoeléctricas que o termopar ao qual estão ligados na gama de 0-100℃ mas são muito mais baratos. A conexão dos fios de compensação é mostrada na figura 4-12.

Os fios de compensação são de núcleo duplo, fio único ou multi-fio, e cores diferentes distinguem suas camadas internas de isolamento para indicar polaridade positiva e negativa. Ao usar, deve-se notar que vários termopares devem usar os fios de compensação correspondentes para conexão; a temperatura nas extremidades da conexão do fio de compensação e do termopar deve ser mantida abaixo de 100 ℃; a nova extremidade fria estendida através do fio de compensação ainda deve ser compensada usando métodos como temperatura constante ou cálculo; o terminal positivo do fio de compensação deve ser conectado ao terminal positivo do termopar e o terminal negativo ao terminal negativo, para evitar conexões incorretas.

(2) Termómetros de radiação e termómetros ópticos

① Termómetro de radiação:

O termómetro de radiação é constituído por um sensor de temperatura de radiação e um instrumento de visualização. Durante a utilização, a imagem do objeto medido vista através da ocular deve cobrir completamente a termopilha [Figura 4-13 (a)] para garantir que a termopilha recebe adequadamente a energia térmica irradiada pelo objeto medido. Se a imagem do objeto medido for demasiado pequena ou estiver distorcida, o valor medido será inferior ao real.

② Pirómetro ótico:

Um pirómetro ótico é um instrumento portátil de medição da temperatura. O tipo mais utilizado é o pirómetro ótico de extinção de filamentos. Funciona com base no princípio de que existe uma relação correspondente entre a luminosidade do objeto incandescente e a sua temperatura, utilizando um método de comparação da luminosidade para medir a temperatura.

Quando em utilização, apontar o pirómetro para o objeto medido e mover a ocular para trás e para a frente. Comparar o brilho do filamento até que o brilho do filamento seja igual ao brilho do objeto medido; ou seja, a imagem do filamento desaparece na imagem do objeto medido [Figura 4-14 (b)], podendo então ser obtida a temperatura do objeto medido, a temperatura indicada pelo grau imediato.

(3) Cadinho

Os cadinhos são recipientes habitualmente utilizados no processo de tratamento térmico de pedras preciosas. Uma vez que as pedras preciosas tratadas termicamente são frequentemente submetidas a temperaturas mais elevadas e entram em contacto direto com o cadinho, a escolha do cadinho é um fator crucial para o êxito do tratamento térmico. Durante o processo de tratamento térmico, a seleção do cadinho deve satisfazer as seguintes condições

① O material do cadinho deve ter resistência suficiente às temperaturas de trabalho e não deve desenvolver fissuras durante períodos prolongados a temperaturas elevadas.

② Em atmosferas de trabalho, o material do cadinho deve ser bastante estável em relação às pedras preciosas. Não deve reagir quimicamente com elas, e deve ser dada especial atenção à pureza do material do cadinho para evitar a introdução de impurezas nocivas nos cristais de pedras preciosas.

③ O material do cadinho deve ter baixa porosidade e alta densidade para manter uma certa pressão após o cadinho ser selado.

④ Uma vez que os cadinhos são recipientes normalmente utilizados no processamento térmico de pedras preciosas, o material do cadinho deve ser fácil de processar e barato.

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2. Princípios do tratamento térmico para melhorar as pedras preciosas

O aquecimento de pedras preciosas naturais a determinadas temperaturas pode melhorar a sua cor, transparência e aparência. A razão para isso é principalmente que, através do tratamento térmico, a estrutura e a composição das pedras preciosas mudam, melhorando assim as suas caraterísticas de aparência e aumentando o seu valor estético e económico. Portanto, para entender as mudanças nas caraterísticas de aparência das pedras preciosas, é necessário analisar os princípios pelos quais o tratamento térmico melhora as pedras preciosas.

O aquecimento é o processo de explorar o potencial das pedras preciosas e maximizar a sua beleza. As pedras preciosas tratadas não têm diferenças nas propriedades físicas e químicas em comparação com as pedras preciosas naturais. O princípio é que o aquecimento provoca alterações no conteúdo e no estado de valência dos iões de coloração contidos na pedra preciosa, ou cria alguns defeitos estruturais que levam a alterações nas propriedades físicas da pedra preciosa, como a cor e a transparência.

A maioria das pedras preciosas que contêm impurezas de oligoelementos muda de cor ou de transparência após o tratamento térmico. O equipamento habitualmente utilizado para o tratamento térmico é simples e fácil de operar, adequado para a maioria das pedras preciosas de cor alocromática, tais como rubis, safiras, esmeraldas, turmalinas, zircão, jade e ágata. Este método aplica-se a pedras preciosas cuja cor é causada por componentes de elementos de transição ou impurezas de elementos de transição, e também é adequado para pedras preciosas cujas alterações de cor são causadas por transferência de carga. As pedras preciosas orgânicas também podem ter a sua cor e transparência alteradas através de tratamento térmico; por exemplo, o âmbar pode tornar-se claro e transparente após tratamento térmico através da remoção de bolhas internas.

De acordo com as propriedades físicas e químicas das pedras preciosas e os seus mecanismos de coloração, os princípios das pedras preciosas normalmente tratadas são resumidos da seguinte forma:

(1) Alterar o teor ou o estado de valência dos iões cromóforos nas pedras preciosas através de tratamento térmico

Os iões de impurezas vestigiais, colorem algumas pedras preciosas e utilizam o tratamento térmico para oxidar os catiões de baixa valência nas pedras preciosas em catiões de alta valência, alterando a cor das pedras preciosas. Por exemplo, a ágata vermelha é principalmente colorida por Fe³⁺. Através de tratamento térmico, o Fe ²⁺na ágata pode ser oxidado a Fe³⁺O tratamento térmico da ágata vermelha é um processo que aumenta o teor e a proporção de iões de ferro trivalentes, realçando assim o tom vermelho da ágata. O tratamento térmico dos rubis e da jadeíta vermelha também reforça a cor das pedras preciosas através deste princípio. A água-marinha com uma tonalidade verde também pode ter o seu tom verde removido através do tratamento térmico, realçando o tom azul da água-marinha. A Figura 4-15 mostra que a água-marinha (a) tem um azul significativamente mais profundo e um tom verde enfraquecido após o tratamento térmico.

(2) Alteração da composição das pedras preciosas orgânicas através de tratamento térmico

No caso das pedras preciosas orgânicas, como as pérolas, o marfim, o coral e o âmbar, o tratamento térmico pode oxidar a matéria orgânica que se encontra no seu interior. Se a temperatura for demasiado elevada, pode produzir uma coloração negra, resultando no fenómeno de "carbonização" da matéria orgânica. Este tipo de tratamento térmico pode imitar o "jade antigo" na indústria de pedras preciosas, vulgarmente conhecido como tratamento de "envelhecimento", muitas vezes chamado de torrefação de cor, e é frequentemente utilizado para âmbar, coral e outros.

(3) O tratamento térmico produz centros de cor

A cor de algumas pedras preciosas deve-se principalmente aos centros de cor. As pedras preciosas podem produzir centros de cor que absorvem determinada luz e geram cor através de tratamento térmico. O tratamento térmico é normalmente aplicado após o tratamento de irradiação da pedra preciosa para remover centros de cor instáveis e reter os estáveis. Por exemplo, o topázio tratado com calor remove os centros de cor castanha instáveis, preservando os centros azuis estáveis. O objetivo de melhorar a cor da pedra preciosa pode ser alcançado dominando a temperatura de aquecimento e a duração do tratamento térmico. A ametista que se torna amarela ou verde e o quartzo fumado que se torna amarelo-verde ou incolor são também resultados da utilização do tratamento térmico para alterar os centros de cor.

(4) O tratamento térmico provoca alterações de cor nas pedras preciosas hidratadas devido aos efeitos de desidratação

Algumas pedras preciosas contêm água adsorvida e água estrutural. Algumas pedras preciosas podem melhorar a sua cor durante o tratamento térmico sem danificar a água estrutural. Por exemplo, o berilo contém água estrutural, e o berilo amarelo-alaranjado contendo ferro e manganésio pode ser transformado num belo berilo cor-de-rosa através de tratamento térmico. A opala contém água estrutural e, se a opala for aquecida a cerca de 300 ℃, o efeito de mudança de cor desaparecerá devido à perda de água. O olho do tigre perde água estrutural através do tratamento térmico, resultando em cores marrom profundo ou marrom avermelhado.

(5) O tratamento térmico provoca alterações na estrutura cristalina

O tratamento térmico pode reorganizar a estrutura interna dos cristais, melhorando a sua cristalinidade e afectando assim a cor dos cristais. Os tipos comuns de zircão incluem zircão de tipo baixo, zircão de tipo médio e zircão de tipo alto. Através de tratamento térmico, o zircão de tipo baixo pode ser transformado em zircão de tipo médio, e o zircão de tipo médio pode ser transformado em zircão de tipo alto, etc. Ao mesmo tempo, a cor dos cristais também mudará; sob diferentes atmosferas, eles podem se transformar em cores diferentes. Por exemplo, em condições reduzidas, o tratamento térmico pode melhorar o zircão vermelho acastanhado e transformá-lo em zircão incolor.

(6) O tratamento térmico melhora as inclusões tipo seda e o efeito de luz das estrelas nas pedras preciosas

As pedras preciosas comuns, como as safiras, contêm iões de titânio sob a forma de rutilo (TiO₂), que produz um efeito de seda branca ou de estrela. A formação do rutilo é controlada pelas condições geológicas aquando da formação da pedra preciosa. Nalgumas safiras naturais, a distribuição das linhas estelares é desigual e o efeito estrela é fraco. Através do tratamento térmico, o rutilo nas safiras pode ser derretido e reorganizado, melhorando assim o efeito de estrela das pedras preciosas naturais. O efeito de estrela nas pedras preciosas sintéticas também é produzido utilizando este princípio.

3. Condições para o tratamento térmico

Durante o processo de tratamento térmico, é necessário dominar vários factores, como a velocidade de aquecimento, a temperatura mais elevada atingida em condições experimentais, o tempo de espera, a velocidade de arrefecimento e a atmosfera e pressão no interior do forno de aquecimento. Estas condições devem ser consideradas de forma abrangente.

(1) A velocidade de aquecimento a uma temperatura mais elevada

Devido à fraca condutividade térmica da maioria das pedras preciosas, a velocidade de aquecimento durante o tratamento térmico pode ser um pouco lenta para evitar fissuras causadas por uma grande diferença de temperatura entre o interior e o exterior da pedra preciosa. Se a velocidade de aquecimento for traçada como uma curva, ela representa a curva de aquecimento da pedra preciosa tratada, que requer suavidade, o que significa que a maior parte do aquecimento deve ser feita lentamente para evitar que a pedra preciosa se rache.

(2) A temperatura mais elevada atingida durante o tratamento térmico

A temperatura mais elevada atingida durante o tratamento térmico é a temperatura máxima que pode melhorar a cor ou a transparência da pedra preciosa, e é também a temperatura óptima para alterar a cor ou a transparência da pedra preciosa tratada. Esta é a condição mais importante que precisa de ser explorada repetidamente.

(3) Tempo de espera

O tempo durante o qual a gema é mantida à temperatura mais elevada, normalmente referido como tempo de retenção, com uma curva de temperatura que é uma curva de temperatura reta e constante. Para assegurar que toda a gema é estável e uniforme, é frequentemente necessário mantê-la durante um período que permita alterações internas uniformes. O tempo de espera ideal deve ser determinado através de experimentação extensiva.

(4) Curva de arrefecimento

A taxa de arrefecimento a partir da temperatura mais elevada e o gradiente de temperatura mantido durante o arrefecimento são conhecidos como a curva de arrefecimento. Na maioria dos casos, o arrefecimento é relativamente lento para evitar que a gema se parta, mas por vezes há requisitos especiais para um arrefecimento rápido, como a eliminação de inclusões em forma de agulha no corindo; o jade de quartzito e serpentina pode por vezes exigir um arrefecimento rápido para criar padrões de fissuras antes do tingimento.

(5) Atmosfera no forno

A atmosfera do forno refere-se ao controlo das condições de oxidação-redução durante o processo de tratamento térmico e à torrefação com componentes úteis. Algumas experiências requerem a adição de agentes químicos para a ustulação ou o aquecimento de amostras imersas em determinados reagentes líquidos. Por exemplo, para eliminar a tonalidade púrpura dos rubis, é necessário oxidar o Fe²⁺ no rubi para Fe³⁺ sob uma atmosfera oxidante, reduzindo o impacto da tonalidade púrpura no rubi; por exemplo, a queima vermelha da ágata envolve a oxidação do Fe²⁺na ágata para Fe³⁺ sob uma atmosfera oxidante, realçando a cor vermelha da ágata.

(6) Pressão no forno

Algumas experiências de tratamento térmico de pedras preciosas requerem o controlo de uma determinada pressão. Por exemplo, o tratamento térmico de diamantes utiliza frequentemente alta pressão, enquanto o tratamento térmico de pedras preciosas comuns, como rubis, águas-marinhas e ágatas, é efectuado em condições de pressão normal. Durante a experiência, deve ser explorada a possibilidade de utilizar uma pressão normal, reduzida ou aumentada, uma vez que as condições de pressão necessárias para cada tipo de pedra preciosa são diferentes.

No tratamento térmico de pedras preciosas, estes seis factores são obtidos através da exploração repetida em experiências. As condições experimentais para cada tipo de pedra preciosa são diferentes. Entre as condições para o tratamento térmico de pedras preciosas, é mais importante determinar a taxa de aquecimento, a taxa de arrefecimento, a temperatura máxima atingida e o tempo de espera (Figura 4-16). Tanto o aquecimento como o arrefecimento durante o processo de tratamento térmico devem ser lentos; caso contrário, podem ocorrer fissuras, reduzindo a qualidade da pedra preciosa. A combinação ideal destes factores pode frequentemente ser alcançada num processo específico.

As pedras preciosas melhoradas são materiais naturais de diferentes origens, contêm diferentes componentes de impureza ou foram submetidas a diferentes histórias. O ambiente histórico e as condições geológicas são bastante complexos, e mesmo as pedras preciosas que parecem iguais podem ter métodos de tratamento térmico muito diferentes. Para além disso, a maioria dos processos de tratamento térmico são mantidos estritamente confidenciais e não existem condições experimentais prontas a utilizar; é preciso explorar por conta própria.

Por exemplo, safiras com o mesmo amarelo acastanhado aparecem quando submetidas às mesmas condições de tratamento térmico; as safiras de Hainan tornam-se azuis, enquanto as de Shandong tornam-se amarelo alaranjado. Devem ser efectuadas experiências em várias condições para obter uma cor específica através do tratamento térmico. É necessário ter cuidado com todas as amostras para evitar danificar o material.

Para evitar que as pedras preciosas rachem durante o tratamento térmico, para além de controlar rigorosamente as condições de subida e descida da temperatura, é também necessário evitar a expansão das fissuras. O método específico consiste em remover adequadamente todas as áreas com fissuras antes do tratamento térmico e voltar a polir após o aquecimento; as pedras em bruto podem ser aquecidas para pequenas partículas de material de pedra preciosa sem falhas.

4. Efeitos térmicos no tratamento térmico

Existem vários efeitos térmicos no tratamento térmico. No entanto, entre as pedras preciosas comuns, os efeitos térmicos mais importantes nos materiais de pedra preciosa são os nove tipos resumidos pelo académico americano Nassau, como se mostra na Tabela 4-1.

Quadro 4-1 Mecanismo e exemplos de efeitos térmicos

Efeito	Mecanismo	Exemplo
Escurecimento	Oxidando lentamente e tornando-se preto no ar	"Envelhecimento" do âmbar e do marfim
Mudança de cor	Destruição do coração colorido	O topázio azul ou castanho torna-se incolor; o topázio rosa torna-se amarelo; a ametista torna-se amarela ou verde; o quartzo fumado torna-se amarelo-esverdeado ou incolor
Mudança de cor	Alterações devidas à hidratação ou condensação	A calcedónia rosa torna-se laranja, vermelha ou castanha; o olho de tigre aquecido produz um castanho profundo a castanho-avermelhado
Corpo poliédrico homogéneo	Alterações estruturais causadas pela radiação	Zircão de "baixo tipo" muda para zircão de "alto tipo"
Mudança de cor	Alteração da atmosfera, relacionada com a concentração de oxigénio	A água-marinha verde torna-se azul; a ametista transforma-se em topázio amarelo escuro; as safiras incolores, amarelas e verdes tornam-se azuis; os rubis castanhos ou roxos tornam-se vermelhos.
Alterações estruturais.	Alterações de temperatura, precipitação ou fusão de cristais.	Geração ou eliminação de efeitos de seda ou de luz estelar no corindo.
Sobreposição de cores	Difusão de impurezas	Difusão azul e estelar na superfície da safira
Fratura	Mudança brusca de temperatura, fratura da estrutura interna	"Halo" à volta de inclusões na safira, quartzo "explosivo"
Regeneração e purificação	Reologia sob calor e pressão	Regeneração e purificação do âmbar; regeneração da carapaça de tartaruga

A Tabela 4-1 omite os efeitos térmicos que são completamente reversíveis ou metaestáveis. Por exemplo, quando o rubi é aquecido até um estado vermelho-quente, torna-se verde e, quando arrefecido à temperatura ambiente, volta à sua cor original; o quartzo fumado torna-se azul-esverdeado quando aquecido e reverte para amarelo quando arrefecido à temperatura ambiente.

O efeito de escurecimento da Tabela 4-1 é por vezes utilizado para "envelhecer" o âmbar e o marfim. Este efeito é equivalente ao processo de carbonização lenta. A investigação mostra que o âmbar escurece mesmo quando colocado numa sala de armazenamento escura, o que indica que os materiais orgânicos são facilmente oxidados. Por conseguinte, é razoável esperar que o processo de oxidação se acelere durante o aquecimento lento.

A Tabela 4-1 mostra que o dano ao centro de cor causado pelo aquecimento pode levar ao desbotamento ou desaparecimento das cores das pedras preciosas. Por exemplo, o topázio castanho, a safira amarela e a turmalina vermelha podem tornar-se incolores após o tratamento térmico; algumas ametistas, citrinos e quartzo fumado também podem tornar-se incolores.

A destruição dos centros de cor pode, por vezes, resultar em alterações de cor. Por exemplo, o topázio castanho irradiado pode tornar-se azul após tratamento térmico; a ametista pode tornar-se citrina sob temperaturas controladas de tratamento térmico; certos topázios castanhos podem tornar-se cor-de-rosa após tratamento térmico. Estas alterações de cor podem ser restauradas às suas cores originais através do tratamento por radiação.

As mudanças de cor causadas pela hidratação ou condensação, como mostrado na Tabela 4-1, geralmente envolvem impurezas como o ferro. O aquecimento da limonite pode produzir hematite laranja profunda, castanha ou vermelha.

Em alguns materiais de quartzo contendo ferro, que vão do cinzento ao amarelo e castanho, como a ágata, a calcedónia e o olho de tigre, o aquecimento produz cores castanhas profundas a castanho-avermelhadas com base neste princípio.

Os corpos policristalinos homogéneos na Tabela 4-1 são alterações na estrutura da gema causadas pela transformação de corpos policristalinos homogéneos sob condições de tratamento térmico. Por exemplo, a grafite pode ser convertida em diamante sob alta temperatura e pressão; o zircão de "baixo tipo" pode transformar-se em "alto tipo" a altas temperaturas, etc.

As alterações de cor das gemas na Tabela 4-1 causadas por alterações na atmosfera oxidante ou redutora do ambiente estão principalmente relacionadas com a concentração de oxigénio no ambiente. Por exemplo, a água-marinha verde torna-se azul em condições redutoras; a ametista transforma-se em citrino escuro em condições oxidantes; as safiras incolores, amarelas e verdes tornam-se azuis em condições oxidantes; os rubis castanhos ou roxos tornam-se vermelhos, etc.

As alterações estruturais referidas no Quadro 4-1 conduzem a efeitos ópticos físicos nas gemas. Por exemplo, sob condições de tratamento térmico, as inclusões de rutilo nas safiras starlight derretem, fazendo desaparecer o efeito starlight. Após o arrefecimento, os cristais de rútilo precipitam e o efeito de luz estelar é regenerado.

O aumento da cor na Tabela 4-1 deve-se à adição de iões corantes, que aprofundam a cor das gemas. Por exemplo, nas safiras de difusão, a adição de iões corantes como o ferro e o titânio aprofunda a cor das safiras de cor clara.

As fracturas na Tabela 4-1 são alterações na estrutura interna das gemas sob condições de tratamento térmico, tais como linhas de tensão geradas em torno de inclusões em safiras e os padrões de fissuração que ocorrem em quartzitos tratados artificialmente pelo calor sob condições de têmpera.

A regeneração e a purificação referidas no Quadro 4-1 são alterações internas causadas por interações gás-líquido sob calor e pressão. Por exemplo, as bolhas no interior do âmbar rebentam em condições de tratamento térmico, aumentando a transparência; as carapaças de tartaruga podem regenerar-se em condições hidrotérmicas, etc.

5. Redox e difusão de gases

No processo de tratamento térmico de gemas, as condições redox são muito importantes e são um fator chave para o sucesso do tratamento térmico de gemas. O controlo da atmosfera oxidante ou redutora durante o tratamento térmico pode alterar a cor da gema. A atmosfera oxidante ou redutora durante o tratamento térmico está relacionada com a temperatura da gema e a concentração de oxigénio no interior do recipiente a essa temperatura.

(1) Redox

① Pressão parcial de oxigénio padrão (Po₂) : Quando as gemas contendo oxigénio são aquecidas no ar, as gemas estabilizam na mesma concentração que o oxigénio na atmosfera. Esta concentração é a pressão parcial de oxigénio padrão da gema a esta temperatura.

② Numa atmosfera oxidante, a pressão parcial de oxigénio no forno é maior do que a pressão parcial padrão de oxigénio para esta gema à mesma temperatura Po₂.

③ Numa atmosfera redutora, a pressão parcial de oxigénio no forno é inferior a 002.

Além de utilizar ar, uma atmosfera fortemente oxidante utiliza oxigénio puro; por vezes, o ar comprimido aumenta a densidade do oxigénio. Os gases quimicamente inertes (como o azoto) são geralmente considerados neutros, formando uma atmosfera neutra. Se puder diluir a atmosfera e reduzir o teor de oxigénio, também pode ser considerado um gás redutor, embora a sua capacidade de redução seja muito fraca.

Do mesmo modo, a atmosfera pode ser melhorada através da queima de combustíveis. Por exemplo, utilizando gás natural, propano, gasolina, etc., e controlando a quantidade de ar ou oxigénio insuflado, pode ocorrer uma redução do carbono, mas isto não é fácil de controlar.

Outro tipo de atmosfera de proteção por gotejamento consiste em gotejar diretamente líquido orgânico no forno para reagir com o oxigénio e controlar a atmosfera.

(2) Difusão de gás

A reação redox é obtida através da difusão de gases. Para que atue em toda a amostra, o oxigénio deve difundir-se no interior da amostra de gema ao longo de um determinado caminho, geralmente a uma distância de mais de 1 cm. A temperatura de difusão deve exceder 1000℃, e o tempo deve ser de várias horas.

Devido às caraterísticas da estrutura da gema de óxido, o oxigénio não precisa de se deslocar toda a distância para produzir o efeito desejado, permitindo que esta difusão ocorra rapidamente. Por exemplo, o processo de difusão do oxigénio da atmosfera para as vacâncias de oxigénio do óxido de alumínio corindo, mostrado na figura 4-17.

6. classificação dos métodos de tratamento térmico

De acordo com o tipo e o método de tratamento térmico, existem três métodos comuns de tratamento térmico:

(1) Método normal de tratamento térmico

O método normal de tratamento térmico envolve o aquecimento direto da pedra preciosa, causando alterações no conteúdo dos iões de coloração e no estado de valência. Por vezes, pode também alterar os defeitos estruturais internos do cristal, alterando as propriedades físicas da pedra preciosa, como a cor e a transparência.

Por exemplo, as pedras Geuda brancas leitosas, acastanhadas e amarelas claras do Sri Lanka transformam-se em safiras, as águas-marinhas mudam de verde para azul água-marinha, as tanzanites tornam-se azuis após tratamento térmico, etc.

(2) Método de torrefação com reagente químico

O método de ustulação com reagente químico, também conhecido como método de difusão, refere-se à utilização de reagentes químicos para destruir a estrutura cristalina da superfície da pedra preciosa, fazendo com que a composição química da camada superficial se altere como pretendido. Os iões de coloração dentro da pedra preciosa podem também trocar através da camada superficial (difundindo-se para fora ou para dentro), resultando em mudanças de estado de valência ou de conteúdo.

A safira de difusão, o topázio de difusão e a turmalina de difusão populares no mercado internacional são obtidos através deste método. As pedras preciosas melhoradas por este método podem clarear pedras preciosas escuras, transformando pedras preciosas cinzentas claras em pedras preciosas azuis, etc.

(3) Método de eletrólise de sal fundido

Depois de misturar o sal fundido, coloque-o num cadinho de grafite e prossiga com o processo de eletrólise. Um fio de platina (Pt) é usado como ânodo, envolvendo a amostra de pedra preciosa com o ânodo do fio de platina, de modo que a pedra preciosa se torne o ânodo e o cadinho de grafite sirva como cátodo.

Depois de o eletrólito derreter no forno, coloque o ânodo e a pedra preciosa juntos na célula electrolítica para eletrólise, como se mostra na Figura 4-18. A tensão do tanque de controlo está definida para 3,0 V e o tempo de eletrólise é de 40-45 min. Em seguida, remover o ânodo e a amostra. O processo de eletrólise altera o estado de valência e o conteúdo dos iões de coloração na pedra preciosa, alterando assim a cor e a transparência da pedra preciosa. A desvantagem deste método é que se o sal fundido for selecionado incorretamente, pode ser excessivamente corrosivo para a pedra preciosa.

7. Métodos comuns de tratamento térmico para melhorar as condições das pedras preciosas

Existem muitos tipos de pedras preciosas adequadas para melhoria através de tratamento térmico, e as temperaturas de tratamento térmico necessárias variam para diferentes pedras preciosas. Por exemplo, safiras requerem uma alta temperatura de tratamento térmico, geralmente acima de 1300 ℃; rubis requerem uma temperatura de tratamento térmico relativamente mais baixa, cerca de 1000 ℃; outras pedras preciosas, como água-marinha, cristal e calcedônia, requerem temperaturas em torno de 700 ℃. As temperaturas controladas podem ser divididas em quatro segmentos: baixo calor 200-400 ° C; calor médio 400-700 ℃; alto calor 800 ~ 1300 ℃; e forte calor acima de 1300 ℃. As condições de tratamento térmico para pedras preciosas comuns são mostradas na Tabela 4-2.

Tabela 4-2 Condições para o tratamento térmico de pedras preciosas comuns

Pedra preciosa	Objetivo do tratamento térmico	Cor final	Temperatura	Utilização
Rubi	Remover as cores misturadas (castanho, púrpura) para excluir ou reduzir as substâncias filamentosas e aumentar a transparência.	Vermelho	Cerca de 1000℃	Frequentemente
Safira azul	Aprofundar a cor do corindo que contém ferro e titânio, aclarar o azul profundo do corindo	Azul	Calor forte	Frequentemente
Safira amarela	Aquecimento de corindo adequado, de cor clara ou incolor, que contenha ferro	Amarelo profundo	Febre alta	Frequentemente
Várias cores de safiras	Aquecer o corindo adequado para eliminar inclusões "fibrosas" ou "tipo estrela"	Aumentar	Forte calor elevado	Frequentemente
Luz estelar difusa rubi, safira	As impurezas são difundidas para a superfície da pedra preciosa por aquecimento ( TiO₂ ), apresentando a luz das estrelas	Rubi, safira, luz das estrelas	Primeiro calor forte, depois calor elevado durante muito tempo	Poucas vezes utilizado
Difusão de rubi e safira	Os iões corantes difundem-se para a superfície da gema através do aquecimento, apresentando cor	Corindo de várias cores	Calor forte	Normalmente utilizado para azul
Água-marinha (incolor ou verde)	Excluir os tons amarelos em verde	Azul marinho	Febre baixa	Comumente usado
Berilo amarelo-alaranjado	Excluir os tons amarelos do verde	Vermelho vivo	Calor baixo	Poucas vezes utilizado
Turmalina azul ou verde profunda	A cor clareia	Azul ou verde	Calor médio	Comumente usado
Turmalina vermelha escura	Remover os tons negros	Cor-de-rosa	Calor baixo	Comumente usado
Turmalina verde fumada	Remover o tom castanho	Verde brilhante	Calor baixo	Comumente usado
Quartzo fumado	A cor clareia	Branco ou amarelo	Calor baixo	Comumente usado
Um pouco de ametista	Aquecimento castanho	Laranja-amarelo ou verde	Calor baixo	Comumente usado
Zircão verde ou castanho	Tratamento do castanho	Incolor ou azul	Febre alta	Comumente usado
Ágata, calcedónia, etc.	Variedades de iões de ferro	Vermelho	Febre média-alta	Comumente usado
Quartzo íris	Têmpera de cristais de quartzo aquecidos	Pode ser tingido em várias cores	Calor médio	Utilizar menos
Tanzanite	O aquecimento transforma a zoisite transparente em azul	Azul púrpura	Calor médio	Generalizada

Secção IV Métodos de irradiação radioactiva

Irradiação é o processo pelo qual partículas microscópicas se propagam de uma fonte de radiação em todas as direcções através do espaço, o que pode causar alterações nas propriedades físicas e químicas dos materiais. Esta secção apresenta principalmente o equipamento necessário para a irradiação radioactiva, as precauções e o processo de formação e eliminação dos centros de cor das pedras preciosas após a irradiação.

1. Tipos de raios de irradiação e fontes de radiação

A fonte de radiação é um material ou dispositivo que pode produzir radiação ionizante. Os tipos mais comuns de fontes de radiação são os seguintes:

(1) Raios emitidos por elementos radioactivos

Os elementos radioactivos emitem raios β e γ por decaimento, entre os quais sete são utilizados principalmente para o tratamento por irradiação de pedras preciosas. Por exemplo, o isótopo radioativo ⁶⁰O Co pode servir como fonte de raios γ, emitindo dois tipos de raios a 1,17MeV e 1,33MeV, com uma semi-vida de 5,3 anos, normalmente utilizado como fonte de radiação para a irradiação de pedras preciosas; além disso, o isótopo ¹³⁷Os elementos de Ce e de combustível nuclear irradiado podem também ser utilizados como fontes de radiação de raios γ.

Quando os elementos radioactivos decaem, podem emitir dois raios γ de energia próxima. Os raios γ têm um forte poder de penetração e podem alterar a cor das pedras preciosas; com uma semi-vida longa, podem ser utilizados para tratamento por irradiação durante muito tempo.

(2) Raios produzidos por aceleradores de electrões

Um acelerador de electrões é um dispositivo elétrico que acelera as partículas carregadas até atingirem uma energia elevada através de campos electromagnéticos. Os aceleradores de electrões obtêm principalmente energia muito elevada através de campos electromagnéticos, e diferentes tipos de aceleradores de electrões podem produzir feixes de electrões que vão de vários mega-electrões-volt a 300MeV, incluindo aceleradores electrónicos estáticos, tubos de raios X, aceleradores de electrões de micro-ondas, etc.

(3) Raios produzidos por reactores nucleares

A reator nuclear é um dispositivo ou material que produz radiação ionizante através de transformação nuclear. Os neutrões produzidos em reactores nucleares são geralmente utilizados para a irradiação de pedras preciosas e a reação comum é a interação de partículas α com berílio ( ⁹Ser + ⁴Ele -> ¹²C + n) ). Por conseguinte, a mistura de fontes naturais de radiação de partículas α com pó de berílio pode produzir uma fonte de neutrões com energia distribuída em torno de 0-13MeV, sendo a energia dos neutrões mais abundante de cerca de 4MeV. Assim, ao tratar pedras preciosas com irradiação, é melhor utilizar o processo de fissão de um reator nuclear como fonte de neutrões.

2. Equipamento comum para a irradiação de pedras preciosas

O equipamento comum para irradiação inclui reactores, aceleradores de electrões e dispositivos de irradiação com fonte de cobalto. Diferentes tipos de equipamento de irradiação são utilizados para diferentes tipos de pedras preciosas.

(1) Reator

O tipo mais utilizado é um reator de investigação, que pode utilizar a radioatividade dos componentes do reator para irradiar pedras preciosas. Existem quatro tipos comuns de reactores de investigação: Reator de Investigação de Água Pesada (HWRR), Reator de Piscina (SPR), Mini Reator de Fonte de Neutrões e Reator Rápido de Neutrões. O Mini Reator de Fonte de Neutrões não é geralmente utilizado para o tratamento de irradiação de pedras preciosas.

As amostras de pedras preciosas são colocadas no reator para irradiação, sendo o tempo e a dose de irradiação determinados pela melhoria de cor desejada. Os reactores normalmente utilizados incluem os seguintes tipos:

① Reator de investigação a água pesada (HWRR)

O reator de investigação de água pesada é um dispositivo que permite a irradiação de isótopos, o ensaio de combustíveis e materiais, a dopagem de silício monocristalino com neutrões, a análise da ativação de neutrões no reator, a irradiação para a modificação de dispositivos electrónicos e várias investigações físicas. A irradiação de pedras preciosas é apenas um dos domínios de aplicação que desenvolveu. Os diferentes reactores de água pesada têm parâmetros diferentes.

② Reator de piscina (SPR)

Os reactores de piscina são amplamente utilizados, com vantagens como o elevado fluxo, a disposição flexível e as baixas temperaturas de irradiação subaquática. Para além da investigação científica, podem fornecer tecnologia de irradiação para a agricultura, medicina, aviação, eletrónica, etc., para irradiar pedras preciosas e pérolas de água doce, dispositivos electrónicos, etc.

③ Reator de neutrões rápidos

Os reactores de neutrões rápidos são um tipo de reator nuclear relativamente avançado. A taxa de utilização do combustível nuclear é muito elevada, atingindo 60%-70%, enquanto a taxa de utilização do combustível de urânio nas nossas centrais nucleares de reactores de água pressurizada é de apenas 1%-2%; os reactores de neutrões rápidos utilizam plutónio 239 industrial produzido por reactores de água pressurizada como carga inicial, convertendo urânio-238 não físsil em combustível de plutónio físsil, também conhecidos como reactores de reprodução de neutrões.

(2) Aceleradores de electrões

Os aceleradores de electrões têm uma vasta gama de aplicações em física. O acelerador eletrostático é normalmente utilizado para irradiar pedras preciosas.

① Multiplicador de alta tensão

Os multiplicadores de alta tensão são utilizados principalmente para a medição de dados nucleares, reacções nucleares de neutrões e partículas carregadas, análise de ativação de neutrões e irradiação de feixes de electrões de vários materiais, como a modificação de fios e cabos e a conservação de alimentos e frutos.

As suas partículas aceleradas incluem protões, hidrogénio, oxigénio, azoto, etc. A injeção abaixo de 5keV, N⁺pode alterar as propriedades do material.

② Acelerador linear de electrões

O acelerador linear de electrões é utilizado para estudar os efeitos da irradiação transitória, a modificação por irradiação de materiais semicondutores (incluindo gemas), a conservação de alimentos, etc. As suas vantagens são a elevada energia (10 ~ 14MeV) e a elevada taxa de penetração.

③ Acelerador eletrostático

As partículas que podem ser aceleradas incluem protões, deuterões, hélio, electrões, oxigénio e azoto. A sua gama de energia é ajustável, utilizada principalmente para a medição de dados nucleares, experiências de reação nuclear com neutrões e partículas carregadas, irradiação com feixes de electrões, implantação de iões, etc., e só é adequada para irradiar pedras preciosas de superfície modificada, como as pérolas.

④ Ciclotrão

O ciclotrão é um acelerador de energia fixa utilizado principalmente para experiências que envolvem reacções nucleares de partículas carregadas e para a análise da ativação de partículas carregadas e para testar as propriedades dos materiais, com raras aplicações na investigação de gemas.

(3) Dispositivo de irradiação com fonte de cobalto

O dispositivo de irradiação com fonte de cobalto é um instrumento que utiliza a radiação emitida pelo isótopo radioativo ⁶⁰Co e os sete raios para estudar os efeitos das radiações sobre os materiais (minerais, cristais, materiais orgânicos, organismos vivos, etc.) e para efetuar tratamentos por irradiação desses materiais.

Esta fonte de irradiação tem baixo consumo de energia, poluição mínima e nenhum resíduo radioativo. Tem sido aplicada desde cedo na irradiação de pedras preciosas e é particularmente adequada para a irradiação de quartzo fumado.

3. Tecnologia de irradiação

Ao irradiar pedras preciosas, as pedras preciosas são colocadas numa caixa de amostras no centro físico do reator. Um motor deve girar continuamente a caixa de amostras, e deve haver dispositivos de entrada e saída de água para resfriar as amostras, com a temperatura da água não excedendo 50 ℃. O equipamento e o processo de irradiação são mostrados na Figura 4-19.

Durante o processo de irradiação, para obter pedras preciosas uniformemente coloridas com tonalidades adequadas, as quatro questões técnicas fundamentais seguintes devem ser respeitadas aquando da irradiação de pedras preciosas:

(1) Para assegurar a uniformidade da cor do produto, deve ser obtida uma irradiação uniforme e as pedras preciosas devem ser rodadas a uma velocidade constante ou viradas repetidamente durante a irradiação.

(2) Para evitar que as amostras apresentem fissuras ou sobreaquecimento devido a uma temperatura excessiva durante a irradiação, devem ser tomadas medidas de arrefecimento adequadas. Estas podem incluir a adição de água de arrefecimento em circulação ou a exposição periódica das amostras ao ar para arrefecimento.

(3) A profundidade da cor deve ser controlada com uma dose de radiação suficiente. É necessária uma irradiação repetida se for necessária uma cor mais profunda para a gema. Antes de a dosagem de irradiação estar saturada, a profundidade da cor da gema é proporcional à dosagem de irradiação; quanto maior for o tempo de irradiação, mais profunda será a cor da gema.

(4) A cor melhorada por irradiação é por vezes instável e suscetível de desvanecer quando exposta à luz e ao calor. Um método de aquecimento a baixa temperatura pode remover os centros de cor instáveis, mantendo os estáveis. No entanto, ocorrem frequentemente alterações de cor após o aquecimento a baixa temperatura. Por exemplo, o topázio pode mudar de castanho para azul e o cristal de castanho para amarelo. Se a temperatura de aquecimento for mal controlada, pode desvanecer-se completamente e voltar à cor anterior à irradiação.

4. Formação e eliminação de centros de cor durante a irradiação

A irradiação pode fazer com que os cristais incolores produzam centros de cor vaga, resultando em cores esfumadas ou púrpuras. A cor e a profundidade formadas no cristal após a irradiação dependem do tipo e do conteúdo das impurezas contidas no cristal. Se o cristal incolor contiver Al³⁺ impurezas, passará de fumado a preto após irradiação; se contiver Fe³⁺ impurezas, ficará roxo.

A profundidade da cor após a irradiação está relacionada com o teor de impurezas na pedra preciosa. Um maior teor de impurezas resulta numa cor mais profunda, enquanto um menor teor de impurezas resulta numa cor mais clara.

(1) O processo de formação e eliminação dos centros de cor

Após o tratamento de irradiação, as pedras preciosas geram centros de cor internamente, causando uma mudança de cor. Por exemplo, no quartzo fumado, o processo de formação e eliminação de centros de cor pode ser visto nos diagramas de níveis de energia da Figura 4-20 (a) à Figura 4-20 (d). Quando se forma um centro de cor, os electrões são excitados do estado A para o estado D e depois para o estado B, o que requer muita energia. Quando se elimina o centro de cor ou se desvanece, os electrões passam do estado B para o estado C e depois para o estado A, o que também requer muita energia. Estes centros de cor, que requerem muita energia para a sua formação e eliminação, são centros de cor estáveis na luz visível.

Existe também uma outra situação, como mostra a Figura 4-20 (e). O sistema forma um centro de cor ao passar do estado / para o estado D e depois para o estado B, o que requer muita energia; no entanto, passar do estado B para o estado C e de volta para o estado A requer muito pouca energia. A Figura 4-20 ( f ) mostra que a formação de um centro de cor a partir do estado A para o estado D e para o estado B requer muito pouca energia, e a deslocação do estado B para o estado C de volta para o estado A também requer muito pouca energia.

Esta energia está dentro da gama da luz visível. O sistema pode ultrapassar a barreira de energia C e desvanecer-se quando a luz visível brilha. As propriedades de absorção de luz e de transição para os estados excitados E e F permanecem inalteradas, mas todas estas cores podem desvanecer-se com a luz visível. Portanto, os centros de cor nas Figuras 4-12 (e) e (f) são chamados de centros de cor instáveis.

(2) Estabilidade dos centros de cor

Geralmente, a cor das pedras preciosas após o tratamento por irradiação pode ser restaurada à sua cor original através do aquecimento. As pedras preciosas com centros de cor estáveis requerem temperaturas de tratamento térmico mais altas, enquanto aquelas com centros de cor instáveis requerem temperaturas de tratamento térmico mais baixas. Por exemplo, o quartzo fumê geralmente requer uma temperatura de tratamento térmico de 140-280 ℃ para eliminar a cor fumê (Figura 4-21), enquanto a ametista requer uma temperatura de tratamento térmico mais alta, geralmente acima de 400 ℃ (Figura 4-22). Portanto, a ametista irradiada é mais estável do que o quartzo esfumaçado.

Os centros de cor das pedras preciosas não são fixos; a temperatura a que as amostras se desvanecem após a irradiação varia consoante as diferentes fontes de radiação. A estabilidade do centro de cor do mesmo material, formado por diferentes causas, também difere. Por exemplo, o centro de cor amarela da safira, formado por irradiação artificial, é muito instável e desvanece-se rapidamente à luz visível. No entanto, o centro de cor amarela da safira natural é estável à luz visível e não se desvanece facilmente.

A irradiação artificial é de dose elevada e de curta duração, enquanto a irradiação na natureza é de dose baixa e de longa duração, o que resulta em diferentes alturas de barreiras energéticas C.

5. Alterações de cor em pedras preciosas causadas por irradiação

A irradiação produz diferentes efeitos nas pedras preciosas, causando várias alterações em diferentes tipos de pedras preciosas. Quando as partículas irradiadas entram numa pedra preciosa, interagem com os átomos ou iões no seu interior, alterando a sua estrutura ou carga iónica, mudando assim a sua cor. As alterações nas pedras preciosas causadas pela radiação incluem os seguintes aspectos.

(1) Faz com que a pedra preciosa forme centros de cor naturais, já descobertos.

A irradiação pode produzir os centros de cor já presentes nas pedras preciosas naturais, mas estes não são normalmente encontrados na natureza devido à escassez de pedras preciosas naturais. Por exemplo, o topázio azul natural é raro. Em contraste, a cor do topázio azul produzido por irradiação é estável contra a luz, o calor e outros factores, com um mecanismo de formação semelhante ao do topázio azul natural. Por conseguinte, o topázio azul irradiado tem valor comercial e, atualmente, não foi encontrado nenhum método de identificação eficaz para distinguir entre o topázio azul natural e o topázio azul irradiado, exceto no que se refere a uma pequena quantidade de resíduos radioactivos; tem o mesmo valor de utilidade que o topázio azul natural.

(2) Reforço dos centros de cor existentes

O tratamento por irradiação pode realçar os centros de cor formados nas pedras preciosas naturais, tornando as cores das pedras preciosas mais vibrantes. Por exemplo, o quartzo natural pode produzir cores verdes e púrpuras após o tratamento por irradiação. Ao controlar a dosagem e a duração da irradiação, é possível obter a cor desejada, que permanece estável à temperatura ambiente e não afecta a utilização e o desgaste.

(3) Restaurar os centros de cor que se desvaneceram devido ao aquecimento e à exposição à luz

A irradiação e o tratamento térmico são reacções reversíveis; geralmente, as cores formadas por irradiação podem ser restauradas às suas cores anteriores à irradiação através de tratamento térmico. Do mesmo modo, uma nova irradiação pode também produzir as cores desejadas.

(4) Melhorar e remover cores não relacionadas com o núcleo de cor

Geralmente, quando as pedras preciosas são submetidas a um tratamento de irradiação, a cor das pedras preciosas irradiadas pode ser alterada através do controlo das condições de irradiação, tais como a dosagem e o tempo. A estabilidade da cor após a irradiação é um fator importante que afecta o valor da pedra preciosa, e são feitos esforços para conseguir um núcleo de cor estável, eliminando simultaneamente os núcleos de cor instáveis na pedra preciosa.

(5) Formação de núcleos de cores naturais nunca antes descobertos

À medida que a compreensão das causas das cores das pedras preciosas se aprofunda, os tipos de pedras preciosas que podem ser submetidas a tratamento por irradiação estão a aumentar continuamente e as variações de cor das pedras preciosas estão a tornar-se mais diversas. Acredita-se que a irradiação pode produzir núcleos de cor que as pedras preciosas naturais não possuem, criando assim novas variedades e formando novos mecanismos de cor de pedras preciosas.

Atualmente, muitos tipos de pedras preciosas são normalmente utilizados para tratamento por irradiação, sendo os diamantes, safiras, topázios, berilos, zircões, cristais, turmalinas e pérolas relativamente comuns. As alterações de cor destas pedras preciosas após o tratamento por irradiação são apresentadas na Tabela 4-3.

Tabela 4-3 Tipos comuns de pedras preciosas irradiadas e alterações de cor

Tipos de pedras preciosas	Alterações de cor antes e depois da irradiação
Diamante	Incolor, amarelo claro, verde, azul ou preto, castanho, cor-de-rosa, vermelho
Safira	Incolor-Amarelo (Instável)
Berilo	Incolor - amarelo, cor-de-rosa, amarelo dourado, azul-verde, etc.
Água-marinha	Azul - Verde, Azul claro - Azul escuro
Topázio	Incolor - Castanho (instável), Azul; Amarelo - Rosa, Vermelho Laranja
Turmalina	Incolor, amarelo claro, castanho, rosa, vermelho, verde, azul, etc.
Zircão	Incolor a castanho, vermelho claro
Cristal	Incolor a amarelo, amarelo-esverdeado, verde, fumado, púrpura
Mármore	Branco, amarelo, azul, roxo
Pérola	Incolor a cinzento, castanho, azul ou preto

6. O impacto do tratamento por irradiação nas pedras preciosas

Ao irradiar pedras preciosas, é importante considerar os efeitos da dose e do tempo de irradiação sobre elas. Devem ser utilizadas diferentes fontes de irradiação para diferentes tipos de pedras preciosas, e o tempo de irradiação depende da cor desejada. Os seguintes pontos devem ser observados durante o processo de irradiação:

(1) Uma energia de irradiação excessiva e um tempo de irradiação prolongado podem afetar negativamente a formação de centros de cor nos cristais de pedras preciosas. Por vezes, podem levar à agregação de vagas, fazendo com que a pedra preciosa pareça cinzenta ou preta.

(2) O efeito da irradiação é da superfície para o interior, com a cor da pedra preciosa a aprofundar-se gradualmente a partir do exterior. Quando a energia de irradiação é demasiado elevada, os iões na superfície da pedra preciosa podem absorver energia suficiente para se separarem da superfície, resultando em danos na superfície.

(3) Quando a energia de irradiação é demasiado elevada, pode causar rapidamente altas temperaturas localizadas na pedra preciosa, levando à lascagem da superfície.

(4) Os resíduos radioactivos produzidos após o tratamento por irradiação de pedras preciosas estão relacionados com o tipo de raios de irradiação, a dose de irradiação e a semi-vida dos isótopos radioactivos. Os resíduos radioactivos devem cumprir as normas nacionais antes de serem colocados no mercado.

Após a irradiação, a radioatividade residual na superfície da pedra preciosa está relacionada com o tipo de exposição à radiação, a quantidade de irradiação, os tipos e o teor de impurezas na amostra e a semi-vida dos elementos radioactivos. As pedras preciosas irradiadas devem ser colocadas durante algum tempo e a sua radioatividade residual deve ser inferior às normas nacionais antes de serem comercializadas. De acordo com as "Normas de Proteção contra as Radiações" estabelecidas pela Comissão Internacional de Proteção Radiológica, o valor de isenção para a atividade específica dos materiais radioactivos naturais é o mesmo em todos os países. A atividade específica dos materiais radioactivos naturais deve ser inferior a 350Bq/g por grama; os limites de isenção para os materiais radioactivos artificiais variam, sendo o limite do Reino Unido inferior a 100Bq/g, enquanto o Japão, a França e a Itália fixam os seus limites de isenção para os materiais radioactivos artificiais em menos de 74Bq/g. A norma estabelecida pelos Estados Unidos é a mais baixa, com 15Bq.

Secção V Método de tratamento a alta temperatura e alta pressão

O tratamento de otimização da cor dos diamantes inclui principalmente o tratamento por irradiação e o tratamento a alta temperatura e alta pressão. Desde 1930, têm sido utilizados métodos comerciais de tratamento que utilizam radiações de alta energia para melhorar a cor dos diamantes de qualidade de gema. Uma vez que a radiação residual dos diamantes irradiados é potencialmente nociva para o corpo humano, o que limita a aceitação das pedras preciosas irradiadas por parte dos consumidores, os gemólogos têm estado a trabalhar para encontrar um método de tratamento da cor dos diamantes inofensivo e viável. O método de alta temperatura e alta pressão foi inicialmente utilizado para diamantes sintéticos e, mais tarde, descobriu-se que a simulação das condições de crescimento e do ambiente dos diamantes poderia melhorar a sua cor.

1. História da modificação de cor a alta temperatura e alta pressão

Na natureza, a maioria dos diamantes são diamantes castanhos do tipo Ia, e os diamantes incolores e coloridos de alta qualidade que ocorrem naturalmente são raros. A raridade dos diamantes, a cor e o brilho intensificaram a procura de diamantes de alta qualidade. A modificação da cor do diamante sempre foi um tópico de pesquisa para os pesquisadores de gemas.

Desde a década de 1960, países como os Estados Unidos, o Japão e a Rússia têm vindo a realizar sucessivamente investigação sobre a modificação da cor dos diamantes a alta temperatura e alta pressão. A General Electric foi a primeira a propor uma possível previsão das alterações de cor dos diamantes. Posteriormente, Nikitin et al. (1969) utilizaram métodos de tratamento a alta temperatura e alta pressão para transformar diamantes amarelos claros do tipo Ia em diamantes amarelos e amarelo-esverdeados.

A General Electric e a De Beers publicaram uma série de métodos globais de modificação da cor dos diamantes castanhos naturais. No entanto, a maioria destes diamantes castanhos são do tipo IIa, e os instrumentos utilizados são prensas de dois lados, resultando em diamantes tratados que são, na sua maioria, quase incolores com um ligeiro tom cinzento. No final do século 20, usando uma prensa prismática, a Nova Company tratou com sucesso os diamantes marrons do tipo Ia em diamantes amarelo-verde, verde-amarelo, azul-verde e cor-de-rosa. No século XXI, alguns estudiosos e empresas aplicaram métodos de tratamento de alta temperatura e alta pressão para melhorar ou alterar a cor dos diamantes sintetizados por deposição de vapor químico, tratando-os principalmente em tons amarelos e castanhos claros. As empresas de gemas de países como a Rússia e a Suécia também adoptaram com êxito métodos de alta temperatura e alta pressão para melhorar a cor dos diamantes.

A tecnologia de modificação da cor dos diamantes a alta temperatura e alta pressão no nosso país começou relativamente tarde, tendo a investigação relevante começado apenas no final do século XX. O nosso país tem realizado com sucesso investigação experimental sobre a modificação da cor dos diamantes a alta temperatura e alta pressão. O equipamento nacional normalmente utilizado é uma prensa de seis lados e as condições de pressão são ainda inferiores às condições experimentais avançadas no estrangeiro; no entanto, desde que as condições sejam devidamente controladas, é ainda possível converter diamantes castanhos em diamantes incolores.

2. Principais tipos melhorados por alta temperatura e alta pressão

O método de modificação de cor de alta temperatura e alta pressão é semelhante às condições para diamantes sintéticos; a pressão das amostras geralmente precisa atingir 6GPa, a temperatura é de cerca de 2100 ℃ e a duração é muito curta, não excedendo 30 minutos.

Dois tipos comuns de diamantes foram submetidos a um tratamento de cor no mercado: os diamantes castanhos do tipo IIa com baixo teor de azoto que são transformados em diamantes brancos, com uma cor mais clara após o tratamento, podendo mesmo ser alterados para os graus de cor E, F, G, etc. Estes diamantes são geralmente marcados com a inscrição "GE-POL" na cintura do diamante através de um laser e são vulgarmente designados por diamantes GE-POL ou diamantes tratados com GE; o outro tipo é o dos diamantes Nova, que transformam os diamantes castanhos ou os diamantes brancos amarelados impuros do tipo Ia com teor de azoto em diamantes coloridos. Os diamantes tratados exibem uma componente verde distinta ou um amarelo vibrante, a maior parte dos quais se enquadra no espetro amarelo-esverdeado a amarelo-esverdeado, com um pequeno número de diamantes amarelos ou amarelo-acastanhados, mantendo frequentemente padrões de crescimento octaédricos em castanho a amarelo. As condições e as principais caraterísticas de identificação destes dois tipos de diamantes tratados a alta temperatura e alta pressão podem ser encontradas na secção III (2) dos métodos de tratamento de otimização de diamantes no sítio Web: https://sobling.jewelry/unveiling-single-crystal-gemstones-like-sapphire-beryl-and-diamond/

Desde 2010, algumas grandes empresas de joalharia começaram a realizar investigação experimental sobre a modificação da cor das pedras preciosas de safira utilizando métodos de alta temperatura e alta pressão. A pressão necessária para as pedras preciosas de safira é relativamente baixa em comparação com os diamantes, geralmente cerca de 100MPa, o que pode tornar a cor das safiras azuis mais vibrante. Uma empresa alemã foi a primeira a utilizar uma pressão baixa de 2,5MPa para tratar pedras preciosas de safira. Entretanto, o berilo pode obter cores mais vibrantes através do aquecimento a baixa temperatura e a baixa pressão.

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Como fazer a otimização de pedras preciosas? Guia para desbloquear 5 métodos e equipamentos

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Gemstone Optimizatized Métodos e principais equipamentos utilizados

Índice

Secção I Método de tratamento químico de pedras preciosas

1. Tingimento e coloração

(1) Requisitos para materiais, corantes e solventes

① Requisitos para materiais de gema

② Requisitos para corantes (incluindo corantes e pigmentos)

③ Requisitos para solventes de corantes

(2) Factores que afectam o efeito de tingimento das pedras preciosas

① Tratamento de lavagem com ácido

② Temperatura de aquecimento e tempo de tratamento de tingimento

(3) Caraterísticas de identificação das pedras preciosas tingidas

2. Branqueamento

3. Enchimento por injeção

(1) Cobertura de fissuras

(2) Melhorar a estabilidade das pedras preciosas

(3) Melhorar o brilho da cor e o valor económico das pedras preciosas

Secção II Métodos de tratamento físico de pedras preciosas

1. Revestimento de superfícies

2. Revestimento de superfícies

3. Crescimento excessivo

4. Camada intermédia e substrato

5. Compósito

Secção III Método de tratamento térmico

1. Equipamento de tratamento térmico

1.1 Equipamentos primários

(1) Forno normal de tratamento térmico

① Forno de resistência

② Forno de fusão de sal:

③ Fornos a combustível:

(2) Forno de atmosfera controlada

① Forno de trabalho com atmosfera controlada:

② Dispositivo gerador de atmosfera controlada

(3) Forno de tratamento térmico sob vácuo

(4) Dispositivo de tratamento térmico por laser e feixe de electrões

1.2 Instrumentos e dispositivos auxiliares para tratamento térmico

(1) Termopar

① O princípio de medição de um termopar:

② A estrutura e os tipos de termopares:

Figura 4-11 Estrutura do termopar

③ Fio de compensação do termopar:

(2) Termómetros de radiação e termómetros ópticos

① Termómetro de radiação:

② Pirómetro ótico:

Figura 4-14 Condições de orientação do pirómetro ótico (Wu Ruihua, 1994)

(3) Cadinho

2. Princípios do tratamento térmico para melhorar as pedras preciosas

(1) Alterar o teor ou o estado de valência dos iões cromóforos nas pedras preciosas através de tratamento térmico

(2) Alteração da composição das pedras preciosas orgânicas através de tratamento térmico

(3) O tratamento térmico produz centros de cor

(4) O tratamento térmico provoca alterações de cor nas pedras preciosas hidratadas devido aos efeitos de desidratação

(5) O tratamento térmico provoca alterações na estrutura cristalina

(6) O tratamento térmico melhora as inclusões tipo seda e o efeito de luz das estrelas nas pedras preciosas

3. Condições para o tratamento térmico

(1) A velocidade de aquecimento a uma temperatura mais elevada

(2) A temperatura mais elevada atingida durante o tratamento térmico

(3) Tempo de espera

(4) Curva de arrefecimento

(5) Atmosfera no forno

(6) Pressão no forno

4. Efeitos térmicos no tratamento térmico

Quadro 4-1 Mecanismo e exemplos de efeitos térmicos

5. Redox e difusão de gases

(1) Redox

(2) Difusão de gás

6. classificação dos métodos de tratamento térmico

(1) Método normal de tratamento térmico

(2) Método de torrefação com reagente químico

(3) Método de eletrólise de sal fundido

Figura 4-18 Diagrama esquemático da experiência de eletrólise do sal fundido

7. Métodos comuns de tratamento térmico para melhorar as condições das pedras preciosas

Tabela 4-2 Condições para o tratamento térmico de pedras preciosas comuns

Secção IV Métodos de irradiação radioactiva

1. Tipos de raios de irradiação e fontes de radiação

(1) Raios emitidos por elementos radioactivos