I Seminário sobre Design e Gemologia de Pedras, Gemas e Jóias

I Seminário sobre Design e Gemologia de Pedras, Gemas e Jóias do Rio Grande do Sul
I Seminário sobre Design e Gemologia de Pedras,
Gemas e Jóias do Rio Grande do Sul
Soledade, RS – 06 a 08/05/2009.
http://www.upf.br/ctpedras/sdgem
INFRAESTRUTURA ANALÍTICA PARA A CARACTERIZAÇÃO DE
GEMAS E JÓIAS
Marcos Vasconcellos1 e Ruth Hinrichs2
1
Instituto de Física, UFRGS [email protected]; 2Instituto de Geociências, UFRGS [email protected]
Resumo – A caracterização de minerais de interesse gemológico exige a utilização de várias técnicas
analíticas. Alguns dos pontos de interesse incluem a identificação de inclusões sólidas e fluidas no interior das gemas,
distribuição de fraturas e outras propriedades. Estas são utilizadas para a diferenciação entre gemas naturais e sintéticas.
Também podem ser obtidas informações sobre a gênese dos depósitos e com isto permitir a determinação da
proveniência de uma gema natural, o que afeta o valor comercial deste material. O Laboratório de Microanálise do
Instituto de Física da UFRGS opera e desenvolve instrumentação nas técnicas de espectroscopia micro-Raman,
Espectroscopia Mössbauer, difração de raios-x, microscopia eletrônica de varredura e microscopia eletrônica de
transmissão, que constituem um potencial analítico importante para a caracterização de gemas e jóias
Palavras-Chave: gemas, jóias, micro-Raman, microscopia eletrônica de varredura, difração de raios x
Abstract – The characterization of minerals of interest for gemology requires the use of several analytical
techniques. Interesting studies include solid and fluid inclusions inside the gems, fracture distribution and other
properties. These are used to differentiate between natural and synthetic gems. Also, genesis of deposits can help to
determine the provenance of natural gems. The Laboratório of Microanálise from Instituto de Física-UFRGS operates
and develops instrumentation in micro Raman spectroscopy, X ray diffraction, Scanning Electron Microscopy and
Transmission Electron Microscopy, which represents an important research facility for the characterization of gemstone
and jewel.
Keywords: gemstone, jewel, micro Raman spectroscopy, scanning electron microscopy
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1. Introdução
A caracterização de minerais da área de gemologia exige a utilização de técnicas analíticas
sofisitcadas. Estas técnicas devem ser capazes de fornecer resultados que auxiliem os geólogos a responder a questões
tais como a correlação entre elementos traço e a origem das cores observadas em gemas ou então indicar subsídios para
a gênese de ametistas, entre tantos outros debates na área. Uma necessidade atual e de grande apelo comercial refere-se
a capacidade limitada do mercado de identificar a origem de gemas e definir inequivocamente se o material é genuíno
ou falso. O Laboratório de Microanálise do Instituto de Física da UFRGS conta com uma infraestrutura analítica
adequada e experiência em microanálise de materiais. Este trabalho procura apresentar algumas destas técnicas à
comunidade de gemas e jóias de forma a estabelecer futuras colaborações.
2. As técnicas e suas aplicações
Espectroscopia micro-Raman
A espectroscopia Raman é uma técnica analítica não destrutiva utilizada para caracterizar a natureza molecular
das amostras que permite a identificação de minerais de maneira rápida e com preparação de amostra similar àquela da
observação ótica. A técnica consiste na irradiação de um feixe de laser monocromático sobre a amostra e a luz
espalhada é analisada em um espectrômetro. Parte da luz espalhada possui uma frequência diferente da luz incidente
como consequência das mudanças nas energias vibracional e rotacional das ligações químicas das moléculas ou cristais
e vibração da rede cristalina. O mesmo arranjo experimental também pode ser modificado para incluir uma fonte de luz
diferente para realizar medidas de fotoluminescência. Esta última técnica permite a caracterização de centros de cor,
identificação de alguns elementos traço e alterações na ordem estrutural de gemas e jóias.
A Espectroscopia Raman tem sido utilizada no Laboratório de Microanálise para a caracterização de ametistas
coletadas no Rio Grande do Sul, turmalinas do Estado de Minas Gerais e esmeraldas do Estado de Goiás [1,2]. A
Figura 1 mostra uma imagem fotográfica de uma ametista onde se observa a ocorrência de vários pulsos responsáveis
pela injeção de fluidos para a formação da ametista. As diferentes regiões podem ser caracterizadas usando a
espectroscopia Raman de forma a indicar diferenças significativas na cristalinidade associada, como se observa nos
espectros de 1 a 4.
20 mm
0
200
400
600
800
1000 1200 1400
0
200
Raman shift
400
600
800
1000 1200 1400
Raman shift
4
0
200
Intensity
3
Intensity
Intensity
2
Intensity
1
400
600
800
1000 1200 1400
Raman shift
0
200
400
600
800
1000 1200 1400
Raman shift
Figura 1. Imagem ótica de uma ametista e dos correspondentes espectros Raman associados a diferentes regiões da
amostra. O aumento da intensidade da linha de base é interpretada como uma alteração na cristalinidade do material
Microscopia Eletrônica de Varredura
A técnica de Microscopia Eletrônica consiste na irradiação de uma amostra, com um feixe de elétrons com
determinada energia. Os tipos mais comuns de microscópios eletrônicos são os de Varredura (MEV) e Transmissão
(MET). No MEV, a energia dos elétrons do feixe é da ordem de algumas centenas de eV até algumas dezenas de
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milhares de eV (dezenas de keV). Nesta técnica a amostra é varrida com um feixe focalizado, de forma a produzir
elétrons secundários no local de incidência do feixe sobre a amostra. Estes elétrons secundários são detectados e seu
número é transformado em um tom de cinza e é mapeado em uma imagem digital em um monitor, pixel a pixel, à
medida que o feixe varre seqüencialmente a superfície da amostra. Este mapa, em tons de cinza, de elétrons secundários
reproduz a topografia da amostra e em geral é facilmente interpretável. No modo de deteção de elétrons retroespalhados
os diferentes tons de cinza da imagem são relacionados ao número atômico médio destas regiões. Este modo pode
fornecer informações qualitativas sobre a distribuição dos elementos presentes na área da amostra analisada. O sistema
conta também com um detetor EDS que permite a identificação dos elementos químicos presentes na amostra e sua
quantificação.
Microdureza
O sistema de medida de dureza utiliza um modelo DUH211S da Shimadzu que fornece a dureza do material e
também o seu módulo de elasticidade. Este sistema esta sendo utilizado para avaliar a variação desta quantidade na
mistura calcedônia e opala e avaliar como a diferenca de dureza entre os materiais afeta para o processo de usinagem
das peças para a produção de camafeus.
Sistema de Feixe de ìons focalizado
Este sistema opera de maneira similar a um MEV, mas possui uma coluna iônica em adição a usual coluna
eletrônica. O varredura do feixe de íons pode ser precisamente controlada para nanoprocessamento de materiais. Na
área de gemas e jóias pode ser utilizado para gravar informações nas pedras preciosas que são imperceptíveis sem o uso
de aparatos óticos. Este procedimento já é utilizado em outros países para gravar as características e origem da gema
fortalecendo um dos itens fundamentais no seu valor comercial que é a rastreabilidade.
3. Observações finais
O Laboratório de Microanálise pode auxiliar na execução de projetos de pesquisa na área de gemas e jóias
estabelecendo colaborações com pesquisadores interessados para a elucidação de problemas microanalíticos. No
momento, encontra-se em andamento uma colaboração com o Dr. Léo Hartmann do IG/UFRGS para utilizar a
espectroscopia Raman aplicada à identificacao de gemas. Propomos também a utilização do sistema de microRaman
para estudar a composição de inclusões fluidas nas ametistas permitindo a modelagem de sua gênese e também para
servir como sistema de controle diferenciador entre gemas naturais e sintéticas.
4. Referências bibliográficas
DUARTE, L.; HARTMANN, L. A.; VASCONCELLOS, M. Epigenetic geode formation in the worldclass amethyst
deposits of the southern Parana basaltic province. in: I Simposio Brasileiro de Metalogenia, 2005, Gramado-RS.
CD-Rom, 6p.
VASCONCELLOS, M.; DUARTE, L.; GIURIATTI, G.; JUCHEM P. L.; STRIEDER, A. J.; HARTMANN, L. A.
Raman microprobe applied to gemstone and jewel identification. in: X Congresso Brasileiro de Geoquímica, 2005,
Porto de Galinhas. 2005.