La moderna analisi gemmologica è molto più complessa di quanto non lo fosse in passato, a causa dei numerosi trattamenti e materiali sintetici attualmente disponili sul mercato, i quali, spesso, sono difficili da rilevare con i soli strumenti gemmologici standard. Tra le varie tecniche avanzate in grado di rispondere a molte esigenze della gemmologia contemporanea, negli ultimi anni ha assunto notevole importanza la microscopia Raman, in virtù della sua semplicità e velocità di analisi, il carattere non invasivo e non distruttivo, e la possibilità di esaminare regioni microscopiche di una gemma senza comprometterne l’integrità. La microscopia Raman trova svariate possibilità di impiego per lo studio delle gemme, siano esse sciolte, montate su gioiello, o racchiuse in blister e sigilli, senza richiedere alcuna preparazione del campione. Fra le tante applicazioni, questa tecnica è utilizzata principalmente per l’identificazione delle gemme, lo studio delle inclusioni in esse contenute e l’individuazione dei loro eventuali trattamenti.

Figura 1. Microscopio Raman Confocale DXR3 della Thermo Scientific usato nel Laboratorio Italiano di Gemmologia (LabiGem) per l’identificazione delle gemme, lo studio delle inclusioni in esse contenute e l’individuazione dei trattamenti.

Microscopia Raman: la tecnica

La microscopia Raman è una tecnica spettroscopica cosiddetta vibrazionale, basata sulla diffusione della luce che si verifica quando un raggio laser interagisce con le vibrazioni molecolari di un campione. Lo strumento utilizzato dal Laboratorio Italiano di Gemmologia (LabiGem) per le analisi Raman è un microscopio Raman confocale di ultima generazione, modello DXR3 della Thermo Scientific, dotato di un’elevatissima risoluzione spaziale. La strumentazione impiega un’intensa sorgente di luce monocromatica (laser), la quale viene focalizzata su aree del campione che possono raggiungere dimensioni micrometriche. Le radiazioni diffuse dal materiale analizzato sono raccolte dal sistema di misurazione dello strumento e mostrate sotto forma di uno spettro Raman, che in ordinata riporta l’intensità di emissione luminosa e in ascissa lo spostamento Raman, o anche detto “Raman shift”, che corrisponde, invece, alla differenza tra la radiazione osservata e la radiazione incidente, espressa in numeri d’onda (cm^-1). Questo spostamento Raman è caratteristico dei modi di vibrazione dei legami atomici del campione, pertanto, la sua analisi consente di ricavare informazioni cruciali sulla natura, struttura e composizione del materiale in esame.

Applicazioni della Microscopia Raman in Gemmologia: studio delle inclusioni

In campo gemmologico la microscopia Raman può essere impiegata per una rapida identificazione delle gemme, sia che si tratti di materiali cristallini o amorfi, sia che si abbia a che fare con materiale organico o inorganico, essendo ogni spettro Raman unico e distintivo del campione analizzato, al pari delle impronte digitali degli esseri umani. In particolare, la microscopia Raman può rilevarsi di cruciale importanza qualora con la semplice osservazione delle caratteristiche ottiche e morfologiche della gemma, impiegando la strumentazione gemmologica di base (es. microscopio ottico, rifrattometro), non si riuscisse a definire un’identità univoca della pietra analizzata.

Figura 2. Spettri Raman di varie gemme facilmente individuabili con il microscopio Raman. Ogni gemma è caratterizzata da picchi, o bande Raman, ben distinti e identificativi, i quali, nel loro insieme, costituiscono l’”impronta digitale” di ogni materiale analizzato.

Un altro importante contributo della microscopia Raman per l’analisi gemmologica riguarda il riconoscimento dei materiali usati spesso come imitazioni delle gemme di alto valore, specialmente quando queste sono contenute all’interno di blister o sigilli anticontraffazione, i quali non possono essere in alcun modo aperti, al fine di mantenerne l’integrità e validità. Infatti, essendo il microscopio Raman dotato di un’ottica confocale, è in grado di analizzare le gemme direttamente all’interno del proprio blister o sigillo, verificare in modo semplice e veloce se quanto ivi contenuto trattasi di un’imitazione. L’esempio più eclatante a tal riguardo è rappresentato dalla zirconia cubica e dalla moissanite, simulanti per eccellenza del diamante, i quali, a causa della diversa struttura cristallina e composizione chimica rispetto al diamante, sono caratterizzati da spettri Raman totalmente dissimili da quest’ultimo.

Figura 3. Spettri Raman del diamante (in alto) e delle sue imitazioni, moissanite (centro) e zirconia cubica (in basso).

Applicazioni della Microscopia Raman in Gemmologia: individuazione dei trattamenti

Oggigiorno esiste una vera e propria pletora di trattamenti applicati alle gemme con il fine di migliorarne le caratteristiche di colore, purezza, durevolezza e trasparenza. Alcuni di questi trattamenti possono mettere a dura prova il gemmologo munito di sola strumentazione gemmologica standard. Tuttavia, per valutare correttamente la qualità ed il valore di una gemma è molto importante individuare e quantificare la presenza di tali trattamenti e riportarli nel report di analisi gemmologica. La microscopia Raman può fornire un valido supporto per raggiungere il suddetto scopo, essendo in grado di rilevare molti dei materiali organici, come oli e resine, o inorganici, tra cui sostanze vetrose di vario tipo, comunemente utilizzati per riempire le fessure e cavità di gemme pregiate come smeraldi, zaffiri e rubini.

Applicazioni della microscopia Raman in Gemmologia: studio delle inclusioni

Un’altra applicazione classica della microscopia Raman, nonché la più importante in ambito gemmologico, riguarda lo studio delle inclusioni solide, liquide e gassose, spesso rinvenute nelle pietre e rilevabili grazie alla capacità della tecnica micro-Raman di analizzare aree molto piccole all’interno della gemma. Tali inclusioni, infatti, sono degli scrigni di informazioni, essendo in grado di fornire importanti indizi circa la natura della gemma e la sua origine naturale o sintetica. Talvolta, poiché vi è una stretta correlazione tra l’ambiente di formazione geologico di una gemma e le caratteristiche chimiche e fisiche delle sue inclusioni, l’identificazione di quest’ultime per mezzo della microscopia Raman, può essere di notevole aiuto per risalire all’area geografica da cui sono state estratte le gemme.

Figura 4. In alto, spettro Raman di un’inclusione gassosa (anidride carbonica) contenuta all’interno di un’inclusione multifase (inserto in alto a destra), a sua volta contenuta in uno smeraldo (berillo) dello Zambia (Sud Africa). I picchi contrassegnati con l’asterisco sono prodotti dallo smeraldo. In basso, spettro di riferimento dello smeraldo (berillo) estratto dal database mineralogico RRUFF.

In conclusione, la microscopia Raman è in grado di rispondere a molte richieste della gemmologia moderna, in particolare se usata in combinazione con i risultati forniti sia dalla strumentazione gemmologica di base, sia da altre metodologie d’indagine avanzata, come il microscopio elettronico a scansione (SEM-EDS) e lo spettrometro ad infrarosso (FT-IR), divenute ormai tecniche imprescindibili nei laboratori gemmologici d’avanguardia.

Bibliografia

Bersani, D., & Lottici, P. P. (2010). Applications of Raman spectroscopy to gemology. Analytical and bioanalytical chemistry, 397(7), 2631-2646.

Groat, L. A., Giuliani, G., Stone-Sundberg, J., Sun, Z., Renfro, N. D., & Palke, A. C. (2019). A Review of Analytical Methods used in Geographic Origin Determination of Gemstones. Gems & Gemology, 55(4).

Kiefert, L., & Karampelas, S. (2011). Use of the Raman spectrometer in gemmological laboratories. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 80(1), 119-124.

McClure, S. F., Kane, R. E., & Sturman, N. (2010). Gemstone Enhancement and Its Detection in the 2000s. Gems & Gemology, 46(3).

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