Ciencia de las gemas

Una gema mineral tiene una composición química definida, escrita como fórmula, y una disposición interna ordenada de átomos. El corindón es óxido de aluminio (Al₂O₃); el berilo es un silicato de berilio y aluminio (Be₃Al₂Si₆O₁₈); el diamante es carbono solo. Las variedades de una misma especie se diferencian sobre todo en los elementos traza que sustituyen a los átomos principales en la red, y por eso el rubí y el zafiro comparten una única fórmula.

Los cristalógrafos ordenan las estructuras cristalinas tridimensionales en siete sistemas cristalinos: triclínico, monoclínico, ortorrómbico, tetragonal, trigonal, hexagonal y cúbico. La gemología los describe por las longitudes relativas de unos ejes de referencia imaginarios y por los ángulos entre ellos. El sistema rige la forma externa del cristal (octaedros en el diamante y la espinela, prismas de seis caras en el berilo) y, más útil todavía para la identificación, su comportamiento óptico. Las gemas cúbicas son isótropas: la luz las atraviesa a la misma velocidad en todas las direcciones. Las gemas de los otros seis sistemas son anisótropas y desdoblan la luz en dos rayos. La composición por sí sola no fija la estructura: el diamante y el grafito son ambos carbono puro, dispuesto de otra manera.

Algunos materiales gemíferos carecen de orden atómico de largo alcance y, por tanto, de sistema cristalino. El vidrio, casi todo el ópalo de calidad gema y el ámbar orgánico son amorfos y, como los cristales cúbicos, son ópticamente isótropos.

La dureza es la resistencia al rayado. El mineralogista Friedrich Mohs ordenó diez minerales de referencia del talco (1) al diamante (10), cada uno capaz de rayar a los que quedan por debajo. La escala de Mohs es una ordenación, no una medida de pasos iguales. Los ensayos de indentación dejan clara esa desigualdad: la microdureza Vickers ronda 0.14 GPa en el talco, 1.5 en la calcita, 12.2 en el cuarzo y 19.6 en el corindón, mientras que el diamante se sitúa cerca de 115. La dureza importa en joyería porque el polvo doméstico contiene cuarzo, de modo que las gemas más blandas que 7 en Mohs pierden poco a poco el pulido.

La tenacidad es la resistencia a romperse y a desportillarse, y es independiente de la dureza. La jadeíta puntúa entre 6.5 y 7 y la nefrita entre 6 y 6.5, y sin embargo ambas son extremadamente tenaces, por lo que los cuchillos y las cabezas de hacha neolíticos se hacían a menudo de nefrita. El diamante, la gema natural más dura, puede partirse igualmente con un golpe seco: tiene cuatro direcciones de exfoliación perfecta, paralelas a sus caras octaédricas triangulares. El topacio tiene una exfoliación perfecta y la kunzita dos. Donde no hay exfoliación, la piedra se rompe por fractura; el cuarzo y el vidrio presentan fractura concoidea, curva y en forma de concha.

La estabilidad es la resistencia al calor, la luz y los productos químicos. El ópalo retiene hasta un 20% de agua, parte de la kunzita se decolora con luz intensa y las perlas se corroen con los ácidos.

La densidad (SG, specific gravity) compara el peso de una gema con el de un volumen igual de agua. GIA da 3.52 (+/- 0.01) para el diamante. La circonia cúbica es bastante más densa, de modo que una circonia cúbica de un quilate resulta visiblemente menor que un diamante de un quilate. Los gemólogos miden la densidad pesando la piedra en aire y después en agua, o la estiman viendo si la piedra se hunde o flota en líquidos de densidad conocida.

El índice de refracción (IR) expresa cuánto frena y desvía la luz al entrar en una gema: el cuarzo da alrededor de 1.54, el corindón entre 1.762 y 1.770, el diamante 2.42. Las piedras ajenas al sistema cúbico son birrefringentes y desdoblan la luz en dos rayos con índices distintos. La diferencia entre ambos es la birrefringencia. La del peridoto, de 0.035 a 0.038, es lo bastante grande como para que se vean dos ejemplares de cada faceta del pabellón a través de la corona.

La dispersión es la variación del IR con la longitud de onda, que separa la luz blanca en colores espectrales y se percibe como fuego. El gráfico usa la convención gemológica B a G, la diferencia de IR entre dos líneas de Fraunhofer, una en el rojo y otra en el violeta. Para el diamante se cita habitualmente 0.044. La moissanita sintética, que GIA midió en 0.104, lo supera con creces.

El brillo describe la calidad de la luz reflejada en la superficie de una gema. Depende del índice de refracción y de lo bien que la superficie admita el pulido. El diamante tiene brillo adamantino, el más intenso de los tipos corrientes; la mayoría de las gemas, del cuarzo al corindón, son vítreas. Otros términos habituales son resinoso para el ámbar, céreo para la turquesa, nacarado para las perlas y algunas superficies de exfoliación, y sedoso para los materiales fibrosos.

La transparencia va de transparente a opaca, pasando por translúcida. Depende del propio material, de las inclusiones que dispersan la luz y del espesor, y en algunas gemas determina el valor: la jadeíta fina se aprecia por una translucidez luminosa.

El pleocroísmo es un cambio del color de fondo según la dirección de observación. Solo se da en cristales birrefringentes, que absorben la luz de distinta manera según la dirección óptica. Los cristales tetragonales, hexagonales y trigonales pueden mostrar dos colores (dicroísmo); los ortorrómbicos, monoclínicos y triclínicos pueden mostrar tres (tricroísmo). Los materiales cúbicos y amorfos no muestran ninguno. La tanzanita es fuertemente pleocroica y muestra tres colores distintos al girar el cristal, y los talladores orientan el bruto para que el mejor de ellos quede hacia arriba, a través de la mesa.

Los gemólogos describen el color con tres atributos. El matiz es el color básico, como el rojo, el azul o el verde, junto con los colores que lo modifican. El tono indica lo claro o lo oscuro que parece el color. La saturación es su intensidad, del grisáceo o pardusco al vivo.

El color surge cuando una gema absorbe algunas longitudes de onda visibles y transmite o refleja el resto. En las gemas idiocromáticas el elemento colorante es un ingrediente principal, como el cobre en la turquesa y la malaquita. La mayoría de las gemas son alocromáticas: incoloras cuando son puras y coloreadas por cromóforos en cantidades traza. El estudio de GIA sobre el corindón enumera seis, entre ellos Cr³⁺, Fe³⁺, V³⁺, el par Fe²⁺ a Ti⁴⁺ y dos pares de hueco atrapado que dan el naranja y el amarillo. El rojo del rubí requiere de varios cientos a unos pocos miles de partes por millón de Cr³⁺; el zafiro azul procede de la transferencia de carga de intervalencia, un electrón que pasa del Fe²⁺ al Ti⁴⁺ bajo la luz y vuelve después.

Los centros de color son defectos de la red que atrapan un electrón o dejan un hueco electrónico, por lo general tras una irradiación. El cuarzo ahumado necesita aluminio en sustitución del silicio, presente en la mayor parte del cuarzo en el orden de varios cientos de ppm, antes de que la radiación pueda crear el centro de hueco pardo negruzco. La amatista es un centro similar construido sobre el hierro. Calentar el cuarzo ahumado hasta unos 400°C vacía las trampas y lo devuelve al estado incoloro.

La fluorescencia es la luz visible que una gema emite mientras está expuesta a radiación de mayor energía, por lo general ultravioleta (UV). La fosforescencia es el resplandor que continúa después de apagar la fuente de radiación. Los gemólogos ensayan ambas con lámparas UV de onda larga (365 nm) y de onda corta (254 nm) y registran el color y la intensidad de la respuesta.

GIA informa de que cerca del 35% de los diamantes naturales de incoloros a amarillo tenue emiten fluorescencia bajo UV de onda larga, y de que el azul representa el 97% de esas reacciones, emitido por el defecto N3. El cromo hace que el rubí emita fluorescencia roja. El hierro es un inhibidor frecuente en las piedras de color, de modo que los rubíes pobres en hierro procedentes de yacimientos en mármol, como los de Myanmar, presentan una fluorescencia intensa.

La fosforescencia es menos común y a menudo más reveladora. Los diamantes de tipo IIb, que contienen boro, casi siempre fosforecen, en azul o en rojo, bajo UV profundo, y el resplandor rojo posterior del diamante Hope dura varios minutos. Alrededor del 90% de los diamantes sintéticos cultivados por HPHT emiten fluorescencia amarilla o amarillo verdosa ante el UV de onda corta y después dan una fosforescencia intensa y duradera vinculada al boro, lo que convierte el ensayo en una pista útil de cribado. Las reacciones se solapan entre materiales distintos, así que la fluorescencia respalda una identificación en lugar de demostrarla.

Las gemas fenoménicas muestran efectos ópticos producidos por su estructura interna o por sus inclusiones, y no solo por el color de fondo. La mayoría se tallan en cabujón, como cúpulas lisas sin facetas, lo que concentra el efecto.

La chatoyance, el efecto ojo de gato, es una única banda brillante de luz reflejada en muchas agujas, fibras o tubos huecos paralelos. La banda se desliza por la cúpula cuando la piedra se mueve. El crisoberilo ojo de gato es el ejemplo clásico. El asterismo es esa misma clase de reflexión en dos o tres conjuntos de agujas que se cruzan entre sí, lo que produce una estrella. En el corindón las agujas suelen ser de rutilo, y GIA indica cuatro, seis o, en ocasiones, doce rayos, siendo seis el caso habitual.

El juego de colores del ópalo noble es difracción. Esferas de sílice de tamaño uniforme, apiladas en disposiciones ordenadas que se comportan como cristales fotónicos tridimensionales, separan la luz blanca en manchas de color espectral puro que cambian con el ángulo de observación. Las esferas más pequeñas dan azul y violeta; las mayores dan rojo, naranja y verde. La adularescencia es el suave resplandor azulado y flotante de la piedra de luna, formada por capas alternas de feldespato ortoclasa y albita. La luz se dispersa entre esas capas microscópicas e interfiere, y cuanto más finas y uniformes son las capas, más intenso resulta el efecto.

La labradorescencia es el amplio destello azul, verde, dorado o naranja que recorre la labradorita al inclinarla. Al enfriarse despacio, el feldespato se separa en láminas alternas, y la luz reflejada en capas sucesivas interfiere; el color resultante sigue la difracción de Bragg sobre la pila. En una labradorita de labradorescencia amarilla, las láminas más gruesas promediaban 129 nm y las más finas unos 64 nm, un periodo de 193 nm que devuelve una reflexión cercana a 597 nm.

La aventurescencia es un centelleo de lentejuelas causado por pequeñas laminillas reflectantes. En el feldespato piedra de sol son de cobre metálico o de óxidos de hierro como la hematites; el cuarzo aventurina debe su centelleo a laminillas de mica.

El cambio de color es un giro del matiz aparente entre la luz del día y la luz incandescente. La alejandrita tiene una banda de absorción cerca de 580 nm y transmite tanto el verde como el rojo, de modo que se lee de verde a verde azulado con luz de día y de rojo a rojo purpúreo bajo una lámpara. Algunos zafiros, granates y espinelas muestran versiones más débiles del efecto, y el vanadio puede producirlo en el corindón.

La iridiscencia es color estructural creado por la interferencia de la luz reflejada o difractada en estructuras de menos de una micra. Aparece en el ágata de fuego, en el oriente superficial de las perlas finas y a lo largo de finas grietas llenas de aire en el cuarzo.

Las inclusiones son cristales, fluidos, fracturas y rasgos de crecimiento encerrados en una gema. Pocas piedras carecen de ellas, y su disposición en cada piedra es prácticamente única. También registran cómo y dónde creció la piedra que las aloja, de modo que los gemólogos las leen para separar el material natural del sintético, detectar tratamientos y apuntar el origen geográfico.

La seda es una malla de finas agujas de rutilo en el corindón. Suaviza el color, puede producir estrellas y se altera de forma visible cuando la piedra se calienta, lo que la convierte en una pista clave para detectar el tratamiento térmico. Las agujas son cristales o tubos alargados aislados. Las plumas son fracturas, llamadas así por su aspecto plumoso; en el diamante, las plumas que alcanzan la superficie son las aberturas que aprovechan los rellenos. Las fisuras e inclusiones características de la esmeralda se llaman su jardin, «jardín» en francés, y los comerciantes las dan por descontadas.

Algunas inclusiones apuntan a una localidad. Las esmeraldas colombianas contienen a menudo inclusiones trifásicas: una cavidad dentada que aloja un líquido salino, una burbuja de gas y un diminuto cubo de halita (sal gema), atrapados de las salmueras calientes que depositaron las esmeraldas. Los granates demantoides, sobre todo los de los Urales rusos, pueden contener colas de caballo: haces curvos de fibras que irradian desde un cristal minúsculo. GIA los cuenta entre los pocos rasgos internos que elevan el valor de una gema.

El diamante es casi carbono puro, pero las trazas de nitrógeno y de boro cambian su color, su fluorescencia y su comportamiento eléctrico. Los científicos ordenan los diamantes en tipos según esas impurezas, medidas con espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR). Las absorciones del nitrógeno caen en la región de un fonón, aproximadamente entre 1332 y 400 cm⁻¹.

Los diamantes de tipo I contienen nitrógeno que el FTIR puede medir. En el tipo Ia, que abarca más del 95% de los diamantes naturales, el nitrógeno ha migrado a lo largo del tiempo geológico hasta formar pares contiguos (agregados A, IaA) o grupos de cuatro átomos en torno a una vacante (agregados B, IaB). En el tipo Ib el nitrógeno está como átomos sueltos y aislados; las piedras Ib naturales son casi siempre pardas, amarillas o naranjas, y solo se dan en contadas ocasiones. La mayoría de los diamantes sintéticos cultivados por HPHT, en cambio, son de tipo Ib.

Los diamantes de tipo II no tienen nitrógeno detectable por FTIR, y también son muy raros en la naturaleza. Las piedras de tipo IIa suelen ser excepcionalmente incoloras, y los mayores diamantes de calidad gema, las piedras del estilo del Cullinan formadas entre 360 y 750 km de profundidad, entran casi siempre en la categoría IIa. Los diamantes de tipo IIb contienen boro, que los colorea de azul o de gris y los vuelve conductores de la electricidad. El tipo importa en la práctica: IIa es el tipo habitual del diamante cultivado por CVD y el tipo que el tratamiento HPHT puede decolorar, así que las piedras IIa se remiten de forma sistemática a un laboratorio para su análisis.