7. La concentrazione conta dai ppm alle percentuali: quanto basta davvero
Una volta compresi i meccanismi fisici ed elettronici alla base del colore nelle gemme,cromofori in traccia, centri di colore, trasferimenti di carica e difetti strutturali, diventa inevitabile affrontare una questione centrale per la gemmologia applicata: quanta materia colorante è realmente necessaria perché un colore diventi visibile, stabile e gemmologicamente significativo?
La risposta non è univoca, perché la concentrazione del cromoforo, pur essendo un fattore determinante, agisce sempre in stretta interazione con il reticolo cristallino ospite, lo stato ionico dell’elemento e il meccanismo elettronico responsabile dell’assorbimento selettivo della luce.
Nelle gemme, le concentrazioni dei cromofori possono variare su ordini di grandezza estremamente ampi: da poche parti per milione (ppm) fino a diversi punti percentuali in peso.
Questa enorme variabilità spiega perché, in alcuni casi, tracce infinitesimali producano colori intensi, mentre in altri siano necessarie concentrazioni elevate per ottenere una tinta percepibile.
Non esiste quindi una soglia universale di “ppm per colore”: ogni combinazione elemento–reticolo rappresenta un sistema a sé.
Le moderne tecniche analitiche hanno reso possibile lo studio quantitativo di questi fenomeni con un livello di precisione impensabile fino a pochi decenni fa.
La LA-ICP-MS (Laser Ablation–Inductively Coupled Plasma–Mass Spectrometry) è oggi lo strumento di riferimento nei principali laboratori gemmologici internazionali (GIA, SSEF, Gübelin), poiché consente di misurare metalli di transizione ed elementi delle terre rare fino a livelli inferiori alle ppm, mantenendo al contempo una risoluzione spaziale micrometrica.
Questo permette non solo di determinare la concentrazione assoluta di un cromoforo, ma anche di mappare la sua distribuzione all’interno del cristallo, informazione cruciale per distinguere tra crescita naturale, trattamenti di diffusione e alterazioni post-formazione.
Tecniche complementari, come la fluorescenza a raggi X (XRF), restano estremamente utili per analisi rapide e non distruttive, sebbene presentino limiti di sensibilità più elevati e una scarsa efficacia per elementi leggeri come berillio e boro.
Metodologie più recenti basate su spettrometria di massa a tempo di volo, oggi impiegate soprattutto in ambito di ricerca, consentono un’ulteriore raffinazione nell’identificazione di cromofori ultra-traccia, in particolare nei casi di diffusione artificiale.
Dal punto di vista gemmologico, ciò che emerge con chiarezza è che molti metalli di transizione sono cromaticamente efficacissimi.
Nel corindone, ad esempio, concentrazioni di Cr³⁺ dell’ordine di 100–300 ppm sono già sufficienti a produrre un rosso visibile; valori compresi tra 500 e 1500 ppmdanno origine ai rubini di colore vivido, mentre il famoso “sangue di piccione”, di colore rosso vivo e con sfumature violacee, provenienti da giacimenti di marmo, richiede una concentrazione di circa circa 1 700 – 4 200 ppm.
Allo stesso modo, nel berillo, il verde dello smeraldo può essere generato da Cr³⁺ e/o V³⁺ a livelli di poche decine o centinaia di ppm, con il ferro che agisce prevalentemente come modificatore del tono piuttosto che come cromoforo primario.
Al contrario, altri sistemi richiedono concentrazioni molto più elevate. Il blu dell’acquamarina, dovuto a Fe²⁺, necessita tipicamente di migliaia di ppm per diventare percepibile, mentre nei granati spessartina l’arancione intenso richiede percentuali in peso di Mn²⁺, spesso comprese tra il 5 e il 40%.
Questo dimostra come la sola presenza di un cromoforo non sia sufficiente: è il contesto cristallochimico a determinarne l’efficacia ottica.
Un caso particolarmente istruttivo è quello dei trasferimenti di carica intervallente (IVCT), nei quali il colore nasce dall’interazione tra due ioni a diverso stato di ossidazione.
Il blu classico dello zaffiro è l’esempio più noto: Fe²⁺ e Ti⁴⁺ devono essere entrambi presentiaffinché il trasferimento elettronico tra i due produca le ampie bande di assorbimento responsabili della tonalità blu.
Nessuno dei due ioni, preso singolarmente, è in grado di generare lo stesso effetto cromatico (ad esempio nello zaffiro).
Analogamente, la tormalina tipo Paraíba dimostra come piccole quantità di un cromoforo altamente efficiente possano produrre colori straordinariamente intensi.
In questo caso, il colore neon blu-verde è dovuto a Cu²⁺, spesso in combinazione con Mn²⁺ come modulatore, con concentrazioni che vanno tipicamente da alcune centinaia a qualche migliaio di ppm.
È importante sottolineare che il nichel non è responsabile del colore azzurro neon, contrariamente a quanto talvolta riportato in fonti obsolete: Ni²⁺ produce verdi più spenti e richiede concentrazioni molto più elevate per essere cromaticamente efficace.
Anche nel contesto dei trattamenti, la concentrazione assume un valore diagnostico fondamentale.
La diffusione del berillio nel corindone, ad esempio, può essere rilevata a livelli inferiori allo 0,1% in peso, spesso concentrata in zone superficiali o lungo fratture, fornendo una chiara evidenza di intervento artificiale anche quando l’effetto cromatico è sottile.
Nel complesso, la combinazione di più cromofori può rafforzare o attenuare il colore finale, a seconda che le rispettive bande di assorbimento si sommino o si contrastino.
È per questo che due gemme con contenuto chimico apparentemente simile possono presentare differenze cromatiche marcate: il colore non è mai il semplice risultato della quantità di elemento presente, ma l’espressione emergente di una complessa interazione tra chimica, elettronica e struttura cristallina.
In ultima analisi, la relazione tra concentrazione e colore nelle gemme non può essere descritta in termini lineari o semplificati.
Pochi ppm possono essere sufficienti a trasformare radicalmente l’aspetto di una gemma, mentre in altri casi neppure percentuali intere producono colori intensi.
Comprendere questa variabilità è essenziale non solo per l’identificazione gemmologica, ma anche per la valutazione, l’origine e la distinzione tra materiali naturali e trattati.
8. Chimica e teoria del campo cristallino perché lo stesso elemento genera colori diversi
Il colore nelle gemme non è mai il prodotto di un singolo fattore isolato, ma il risultato dell’interazione dinamica tra la sorgente luminosa, il materiale cristallino e il sistema visivo umano.
La luce visibile copre approssimativamente l’intervallo compreso tra 380 e 740 nanometri, e il colore percepito di una gemma dipende da quali porzioni di questo spettro vengono assorbite e quali invece trasmesse o riflesse.
Nel caso dello smeraldo, ad esempio, l’assorbimento selettivo interessa le regioni del rosso e del violetto-blu, lasciando passare il verde, una lunghezza d’onda a cui l’occhio umano è particolarmente sensibile.
Non è un caso: la più alta sensibilità fotopica visiva coincide approssimativamente con il massimo dell’irraggiamento solare alla superficie terrestre, un legame che unisce percezione cromatica, fisiologia e fisica dell’ambiente planetario.
Le cause fondamentali del colore nelle gemme
In mineralogia e gemmologia si riconoscono cinque meccanismi principali all’origine del colore:
- Ioni metallici dispersi nel reticolo cristallino
- Processi di trasferimento di carica (intervalenza o metallo–legante)
- Centri di colore legati a difetti strutturali
- Effetti di band-gap (tipici di semiconduttori e alcuni ossidi/solfuri)
- Ottica fisica (scattering, interferenza, diffrazione)
Tra questi, gli ioni metallici dispersi, atomi singoli che sostituiscono cationi strutturali nel reticolo, rappresentano il meccanismo cromatico più comune nelle gemme trasparenti.
Il colore emerge quando un elettrone in uno di questi ioni assorbe un fotone e compie una transizione da uno stato energetico fondamentale a uno eccitato.
Poiché tali transizioni sono quantizzate, ogni ione assorbe solo specifiche lunghezze d’onda.
I cromofori più comuni includono Ti (con Fe), V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni e Cu, ma il loro comportamento cromatico non dipende unicamente dall’elemento chimico: lo stato di valenza, la geometria di coordinazione e l’ambiente cristallino locale sono altrettanto determinanti.
Queste relazioni sono descritte dalla teoria del campo cristallino, introdotta in mineralogia nella seconda metà del Novecento e oggi utilizzata come modello operativo fondamentale in gemmologia.
Colore e ambiente ionico: esempi strutturali
Poiché l’ambiente locale controlla la separazione energetica degli orbitali d, anche differenze strutturali minime producono colori differenti, pur in presenza dello stesso cromoforo:
- Nel corindone, il Cr³⁺ genera il rosso del rubino grazie a una distanza Cr–O particolarmente breve (~1,91 Å), che produce un forte campo cristallino.
- Nello zoisite, lo stesso Cr³⁺ produce un verde intenso, con distanze metallo–ossigeno maggiori (~1,97 Å).
- Nel granato piropo, la distanza Cr–O è simile (~1,96 Å), dando origine a rossi profondi.
- Nella knorringite, un granato cromifero ad alta pressione, l’allungamento dei legami (~2,03 Å) sposta l’assorbimento verso energie più basse, producendo tonalità viola scuro.
Il rubino mostra inoltre due principali finestre di trasmissione: una centrata attorno ai 480 nm(blu) e una oltre i 610 nm (rosso), combinazione che contribuisce alla sua saturazione cromatica unica.
Questi esempi dimostrano chiaramente che il colore riflette la struttura atomica più della semplice composizione chimica.
Perché un solo elemento può produrre molti colori
Un singolo elemento cromoforo può generare un’ampia varietà di colori per due ragioni fondamentali e interconnesse: lo stato di valenza e l’ambiente di coordinazione.
Stato di valenza: l’effetto della carica
La carica ionica influisce direttamente sull’energia e sulla probabilità delle transizioni elettroniche, modificando tinta e saturazione.
Il manganese ne è un esempio classico:
- Mn²⁺ nel berillo produce il rosa delicato della morganite.
- Mn³⁺, con transizioni molto più intense, è responsabile del rosso saturo del berillo rosso (bixbite).
Anche il ferro mostra una versatilità cromatica straordinaria:
- Fe³⁺ nel berillo genera il giallo dell’heliodor.
- Fe²⁺ produce il blu dell’acquamarina.
- La coesistenza di entrambi, attraverso trasferimenti di carica Fe²⁺–Fe³⁺, genera tonalità verdi.
Gli stati di valenza possono essere modificati artificialmente: il riscaldamento del berillo verde in condizioni riducenti converte Fe³⁺ in Fe²⁺, eliminando la componente gialla e producendo l’azzurro puro dell’acquamarina.
Ambiente di coordinazione e campo cristallino
Il numero e la disposizione degli atomi vicini controllano la separazione degli orbitali d e quindi le lunghezze d’onda assorbite.
Il cobalto (Co²⁺) è un esempio didattico:
- In coordinazione ottaedrica, come nella cobaltocalcite, produce un rosa intenso.
- In coordinazione tetraedrica, come nello spinello, genera un blu profondo ed estremamente saturo.
Il nichel (Ni²⁺) produce verdi tenui nel quarzo (crisoprasio) ma tonalità diverse in silicati e ossidi, mentre il rame (Cu²⁺) genera i blu-verdi elettrici della tormalina Paraíba grazie a transizioni particolarmente efficienti.
Anche a parità di ione, valenza e coordinazione, piccole variazioni nelle distanze interatomiche e nella distorsione del sito spostano le bande di assorbimento.
È questa estrema sensibilità strutturale che spiega come lo stesso Cr³⁺ possa produrre il rosso del rubino, il verde dello smeraldo e i viola dei granati cromiferi.
Articolo di: Dario Marchiori
