Almudena Gómez Espada. Directora del Laboratorio de Análisis y Certificación del IGE
Las técnicas espectroscópicas han supuesto un avance en el mundo de la gemología, ya que no sólo permiten la identificación de gemas, sino que además ofrecen mucha información de ellas, como conocer su naturaleza o determinar si han sido o no tratadas para mejorar su aspecto.
Los métodos espectroscópicos son un conjunto de técnicas de análisis que tienen como objetivo la medición de fenómenos del espectro electromagnético (EM).
El funcionamiento de esos aparatos consiste en excitar a un material con fotones mediante un rayo láser de una longitud de onda determinada o un rango de longitudes de onda del espectro EM y observar el comportamiento o respuesta que da ese material.
Interacción de la luz con la muestra
Cuando el rayo de luz incide en una muestra transparente pueden suceder diferentes fenómenos: parte de la luz incidente es reflejada desde la superficie hacia afuera, gran parte de la luz es absorbida por la muestra y puede sufrir fenómenos de dispersión y luminiscencia y, por último otra parte atraviesa la muestra completamente y sale al exterior (luz transmitida).
La luz que es absorbida por la muestra y que posteriormente se dispersa en el interior de la misma corresponde al efecto Raman, y es la luz que emite como consecuencia de la excitación que ha sufrido por la radiación incidente. En el caso del efecto Raman se utiliza una longitud de onda determinada para excitar la muestra y no un rango de longitudes de onda.
Por ejemplo, en gemología se usa un láser de 532 nm como energía de excitación, y la muestra da una respuesta en diferentes longitudes de onda. Este tipo de espectroscopia recibe el nombre de espectroscopía de emisión y es en la que se basa el aparato Raman.
Efecto Raman
Cuando la energía del rayo de luz incidente en un material es la misma que la energía dispersada corresponde al efecto o energía Raylegh (dispersión elástica de las partículas). Hay una pequeña parte de la energía incidente que va a ser algo menor o mayor que la energía esparcida; esta diferencia de energías se denomina desplazamiento Raman (dispersión inelástica). Los picos obtenidos en un espectro o gráfico debidos a esta diferencia de energía serían semejantes a la huella dactilar de la estructura cristalina del material y, como consecuencia, permiten conocer la naturaleza del mismo.
Gemmo-Raman
El Gemmo-Raman es un aparato de espectroscopía que mide el efecto Raman y cuyo objetivo principal es el de identificar la naturaleza de las gemas.
Tiene muchas ventajas frente a otros métodos de identificación como la rapidez, y la facilidad que veremos a continuación.
Funcionamiento
Un rayo de luz láser de 532 nm de longitud de onda incide en la gema, ésta se excita y emite una respuesta que es interpretada por el programa instalado en el ordenador al que se encuentra conectado el dispositivo. La respuesta es detectada y transformada por el programa en un gráfico o espectro con una serie de bandas y picos de diferentes longitudes de onda. Cada especie mineral presenta un espectro característico. El aparato de espectroscopia Raman cuenta con una base de datos muy completa que hemos ido creando a lo largo de los años con espectros de diferentes gemas. Una vez que obtenemos el espectro de una gema lo comparamos con los espectros patrón que tenemos en la biblioteca, pudiendo determinar así la naturaleza de la gema que estamos analizando.
El aparato de espectroscopía Gemmo-raman puede medir dos fenómenos físicos que son el citado efecto Raman y también la fotoluminiscencia, que también es muy útil para detectar determinadas gemas. El fenómeno de la fotoluminiscencia consiste en captar los fotones de luz que se generan cuando un electrón vuelve a su nivel de energía inicial después de haber sido excitado y haber saltado a un nivel de mayor de energía.
Aplicaciones de la espectroscopía Raman
La espectroscopia Raman no sólo se utiliza para identificar la naturaleza de las gemas, sino que también se usa para determinar cuál es el origen del color en los diamantes Fancy que, a día de hoy, es un tema muy complejo y también para determinar si los diamantes del tipo IIa son naturales, naturales tratados o bien sintéticos del tipo HPHT o CVD.
Lo ideal para llevar a cabo correctamente estos análisis de diamantes es combinar la espectroscopia Raman, la espectroscopía de infrarrojos y la de luz visible y ultravioleta (Gemmo Sphere) para que la respuesta obtenida sea lo más precisa y segura. Cuando estamos analizando un diamante a temperatura ambiente sus partículas están vibrando a alta frecuencia y no se consigue que se marquen bien los picos de su espectro. Se necesita que el espectro esté definido lo máximo posible para poder compararlo con otros espectros de nuestra base de datos y con otros espectros de estudios de investigación y así poder determinar si el diamante está tratado o no. Para ello, se debe enfriar el diamante ya que las partículas ralentizan su vibración al disminuir la temperatura. En el Laboratorio de Análisis y Certificación del IGE disponemos de nitrógeno líquido, que se encuentra a una temperatura de -196ºC, y lo aplicamos a los diamantes para poder enfriar sus partículas y que los picos se definan mucho mejor.
Ventajas
Como se ha comentado, los métodos de espectroscopía han supuesto un avance significativo en el campo de la gemología, ya que nos permiten obtener mucha información de las gemas. Las ventajas que tienen son:
- La facilidad y rapidez con la que se analizan las gemas.
- Son técnicas que no se dañan la muestra. No son destructivas.
- Se usan para analizar gemas que están sueltas y también montadas en joyas.
Desventajas
La espectroscopia Raman es una técnica de análisis muy útil, pero también tiene sus inconvenientes:
- No diferencia entre variedades minerales. Por ejemplo, si se analiza una morganita (berilo de color rosa), el Raman puede indicar que se trata de una esmeralda o un berilo maxixe; pero el gemólogo, con su debida formación, es el que debe determinar que si la gema analizada es un berilo rosa (en este caso por su color), entonces no puede ser una esmeralda ni un berilo maxixe, sino que se trata de una morganita.
- No diferencia las gemas naturales de sus análogos sintéticos; es decir, que cuando analizamos por ejemplo un zafiro, la respuesta del Raman va a ser "zafiro", pero no es capaz de concretar si la piedra en cuestión es una gema natural o un material sintético. La única excepción son las espinelas sintéticas, que sí las diferencia de las espinelas naturales. Esto lo hace mediante la fotoluminiscencia.
- No identifica materiales que no tengan una estructura cristalina definida como en el caso del ópalo o de los vidrios.
- No diferencia minerales en los que se producen soluciones sólidas (sustitución de unos elementos por otros en la red cristalina) como por ejemplo algunos granates.
- Tiene dificultad para identificar gemas con una fluorescencia elevada ya que pueden verse atenuados los picos debido a esa fluorescencia fuerte. Por ejemplo, gemas con alto contenido en Cr como el rubí.
