La Natura del Diamante
I cristalli di diamanti naturali si sono formati milioni di anni fa nella terra, ad una profondità di circa 160 km e sono stati portati in superficie molto più tardi da esplosioni vulcaniche. Queste eruzioni hanno formato strette tubature verticali di una roccia ignea chiamata kimberlite. I tubi di kimberlite vengono estratti per recuperare i diamanti e il minerale viene scomposto meccanicamente per liberare i cristalli.
La quantità di diamante nella kimberlite è molto bassa, circa una parte per milione, per tanto i minatori devono estrarre grandi quantità di minerale per ricavarne i diamanti. I diamanti naturali crescono in particolari condizioni di pressione e temperatura. Quest’ultima molto più alta di quella usata per coltivare diamanti sintetici. Così mentre a temperature elevate, i diamanti naturali crescono come cristalli ottaedrici, i diamanti sintetici ottenuti con temperature più basse crescono come cristalli con facce ottaedriche e cubiche.
I diamanti sintetici vengono coltivati in un tempo molto breve, da diverse settimane a poco più di un mese, ovviamente in condizioni diverse dalla formazione di diamanti naturali nelle profondità della terra. A causa del periodo di crescita molto breve, la forma di un cristallo di diamante sintetico è molto diversa da quella di un diamante naturale.
Diamanti di sintesi
Nella metà degli anni ’50 i primi scienziati hanno sviluppato i rudimenti della coltivazione dei diamanti sintetici, ottenendo però solo dei cristalli minuscoli.
La produzione di cristalli più grandi, utilizzabili nella produzione di gioielli, è iniziata a metà degli anni ’90 ed è tutt’oggi in evoluzione. I diamanti sintetici vengono coltivati in diversi paesi del mondo ed il loro principale utilizzo, oltre che nella gioielleria, è per applicazioni industriali.
Il metodo di sintesi tradizionale, chiamato crescita ad alta pressione e alta temperatura “High pressure-High temperature” (HPHT), sintetizza i diamanti da una lega di metallo fuso, come ferro (Fe), nichel (Ni) o cobalto (Co). Il metodo più recente, denominato deposizione chimica da fase di vapore” Chemical Vapor Deposition” (CVD) o crescita a bassa pressione e alta temperatura (LPHT), comporta la formazione di diamanti da un gas in una camera a vuoto dove le particelle reagiscono tra di loro creando strati di carbonio che si consolidano gradualmente in una singola pietra. In entrambi i metodi, un cristallo o una piastra diamantata viene usato come seme per dare l’avvio alla crescita
Sintesi HPHT
- La crescita del diamante HPHT avviene in una piccola capsula all’interno di un apparato in grado di generare pressioni molto elevate. All’interno della capsula, il materiale di partenza, polvere di diamante, si dissolve nel flusso di metallo fuso e quindi cristallizza sul seme per formare il cristallo di diamante sintetico. La cristallizzazione di uno o pochi cristalli avviene nell’arco temporale di qualche settimana fino a poco più di un mese. I cristalli di diamanti sintetici HPHT in genere mostrano facce cubiche oltre che ottaedriche. Poiché le forme dei cristalli di diamanti sintetici naturali e HPHT sono diverse, anche i loro modelli di crescita interna differiscono notevolmente. Questi modelli di crescita possono essere tra i modi più affidabili per distinguerli.
Le gemme sintetiche sfaccettate risultanti mostrano spesso caratteristiche visive come la distribuzione dei colori, la zonazione della fluorescenza e i modelli di graining correlati alla loro struttura a settore di crescita a forma di croce, nonché la presenza di occasionali inclusioni di metallo scuro.
In alcuni casi il materiale presenta una fosforescenza persistente dopo lo spegnimento della lampada a ultravioletti. Questi diamanti sintetici possono essere identificati in modo positivo utilizzando tecniche di laboratorio come la spettroscopia visibile e la fotoluminescenza. La maggior parte dei cristalli cresciuti con HPHT sono gialli, giallo arancio o giallo brunastro. Quasi tutti sono di tipo IIb, che è raro nei diamanti naturali. La creazione di sintetici HPHT incolori è stata una sfida, poiché sono necessarie modifiche alle condizioni di crescita e alle attrezzature per escludere l’azoto. Inoltre, i tassi di crescita per diamanti incolore di elevata purezza (tipo IIa o tipo IIb debole) sono inferiori a quelli del diamante sintetico tipo Ib, che richiede tempi di crescita più lunghi e un maggiore controllo sulle condizioni di temperatura e pressione. Mentre tradizionalmente è stato difficile coltivare cristalli HPHT incolori di alta qualità, recenti sviluppi hanno prodotto cristalli sufficienti per le pietre sfaccettate superiori a 10 carati di peso. L’aggiunta di boro nel sistema di crescita provoca cristalli blu. Altri colori, come il rosa e il rosso, possono essere prodotti da processi di trattamento post-crescita che coinvolgono radiazioni e riscaldamento, ma sono meno comuni.
Sintesi CVD
La crescita del diamante CVD avviene all’interno di una camera a vuoto riempita con un gas contenente carbonio, come il metano. Una fonte di energia, come un raggio di microonde, rompe le molecole di gas e gli atomi di carbonio sono attratti verso il basso dalle placche piatte del diamante. La cristallizzazione avviene in un periodo di diverse settimane per creare un certo numero di cristalli; il numero esatto dipende dalle dimensioni della camera e dal numero di semenze. I cristalli tabulari hanno spesso un bordo ruvido di grafite nera. Spesso mostrano anche un colore marrone che può essere rimosso dal trattamento termico prima della sfaccettatura. Come la sintesi HPHT, la sintesi CVD continua a migliorare e consente ai produttori di offrire dimensioni più grandi e un miglioramento del colore e della purezza.
IDENTIFICAZIONE
Negli ultimi anni, un numero crescente di aziende ha iniziato la produzione di diamanti sintetici per uso gioiello. Ci sono stati continui miglioramenti nella loro chiarezza e nel colore, così come aumenti del peso in carati.
Per identificare i materiali gemmari di tutti i tipi, un gemmologo esperto utilizza diversi tipi di strumenti per il test delle gemme, tra cui un rifrattometro, una lampada a fluorescenza ultravioletta, un microscopio binoculare, un polariscopio e ulteriori strumenti di test. Poiché la qualità dei diamanti sintetici migliora ulteriormente, sta diventando sempre più difficile separarli da gemme naturali utilizzando attrezzature standard.
Anche se un gemmologo esperto può non essere in grado di riconoscere i diamanti sintetici, possono essere identificati diversi fattori che possono identificare un trattamento di Sintesi come di seguito riportato.
Queste sono caratteristiche visive della maggior parte dei diamanti sintetici. Non tutti i diamanti sintetici sfaccettati mostreranno tutte queste caratteristiche. Ad esempio, un particolare diamante sintetico potrebbe non mostrare alcuna fluorescenza. Pertanto, è importante basare l’identificazione del diamante sintetico su quante più caratteristiche diagnostiche possibili.
I diamanti sintetici colorati cresciuti con HPHT mostrano spesso una colorazione irregolare che può essere vista con la luce trasmessa usando il microscopio e, se necessario, immergendo la pietra tagliata in acqua o olio minerale per ridurre al minimo i riflessi della superficie. Questa zonazione cromatica è dovuta al modo in cui le impurità, come l’azoto, vengono incorporate nel cristallo di diamante sintetico che si forma. Occasionalmente, i diamanti naturali mostrano una zonazione cromatica, ma non nel modello geometrico mostrato dai diamanti sintetici HPHT.
Al contrario, i diamanti sintetici cresciuti con CVD mostrano normalmente una colorazione uniforme.
I diamanti sintetici HPHT spesso mostrano inclusioni di metallo fuso solido, che appaiono nere e opache nella luce trasmessa ma hanno una lucentezza metallica nella luce riflessa. Poiché la lega di flusso utilizzata per la crescita dei diamanti di solito contiene elementi come ferro, nichel e cobalto, i diamanti sintetici con inclusioni metalliche più grandi possono essere raccolti con un magnete.
I diamanti sintetici cresciuti con CVD si formano in un modo diverso e non hanno inclusioni metalliche.
| HPHT sintetico | CVD sintetico |
|---|---|
| Distribuzione dei colori non uniforme | Distribuzione dei colori non uniforme |
| Diversi modelli di graining | Nessun modello di graining |
| Colori insoliti di fluorescenza | Colori insoliti di fluorescenza |
| Modelli di colore a fluorescenza | Modelli di colore a fluorescenza |
| Fosforescenza occasionale | Fosforescenza occasionale |
| Inclusioni di flusso metallico | Punti scuri occasionali |
| Nessun modello di deformazione | Modelli di ceppo a bande |
| Possibile iscrizione sulla cintura | Possibile iscrizione sulla cintura |
Alcuni diamanti naturali contengono inclusioni scure di grafite o qualche altro minerale, ma queste inclusioni non hanno una lucentezza metallica. Quando esaminati tra due filtri polarizzanti orientati a un angolo di 90 gradi l’uno rispetto all’altro, un diamante naturale spesso esibisce un modello tratteggiato o mosaico luminoso di colori di interferenza o “sforzo”. Questi colori di interferenza derivano dal fatto che il diamante è sottoposto a sollecitazioni mentre era in profondità nella terra o durante la sua eruzione esplosiva sulla superficie terrestre. Al contrario, i diamanti sintetici crescono in un ambiente pressurizzato pressoché uniforme dove non sono soggetti a sollecitazioni, quindi se esaminati nello stesso modo, non mostrano alcun modello di deformazione o un modello di deformazione a banda debole. Anche la fluorescenza dei diamanti sintetici è spesso molto utile per l’identificazione, è spesso più forte sotto un’onda corta rispetto a una lampada a raggi ultravioletti a onda lunga e può mostrare uno schema distintivo. I diamanti sintetici cresciuti con HPHT tendono a mostrare un motivo di fluorescenza a forma di croce sulla corona o sul padiglione della pietra tagliata. I diamanti sintetici cresciuti con CVD possono mostrare uno schema striato se visualizzati attraverso le sfaccettature del padiglione. I tipici colori di fluorescenza sono verde, giallo-verde, giallo, arancione o rosso. Quando la lampada a raggi ultravioletti viene spenta, il diamante sintetico può presentare una fosforescenza persistente fino a un minuto o più.
La vera sfida dell’identificazione che affronta il commercio di gioielli è la sperimentazione di diamanti molto piccoli che vengono venduti in pacchetti da diverse centinaia a diverse migliaia e che possono includere diamanti sia naturali che sintetici. Per aiutare il commercio di gioielli ad affrontare questo problema, oramai esistono degli strumenti automatizzati creati e sviluppati per testare diamanti anche molto piccoli chiamati DiamondView
(Synthetic Diamond Detector).
Riassumendo, i diamanti sintetici vengono ora resi disponibili in quantità crescenti per l’uso di gioielli; sappiamo che possono essere identificati con un DiamondView che verifica i campioni di qualsiasi dimensione e colore utilizzando i tre check fondamentali che sono la fotoluminescenza, l’illuminazione ultravioletta e l’assorbimento ottico . Le caratteristiche rilevabili possono variare sotto trattamento termico (a bassa o alta pressione); questi cambiamenti sono identificabili e possono fornire un rilevamento inequivocabile di diamanti sintetici cresciuti con CVD o HTHP.