Uniwersytet Śląski w Katowicach

Kamienie szlachetne są piękne i przydatne. Nie tylko jako coś, co ma dużą wartość pieniężną. Drzemie w nich wielka moc, o której opowie dr inż. Karolina Jurkiewicz z Instytutu Fizyki:

Klejnoty, czyli kamienie szlachetne to wartościowe, bo rzadko spotykane i odznaczające się efektownym, atrakcyjnym wyglądem, odmiany niektórych minerałów. Czołowym przedstawicielem kamieni szlachetnych jest diament, który odpowiednio oszlifowany nosi nazwę brylantu. Zadaniem szlifu jest wydobycie z diamentu niezwykłego połysku, iskrzenia tysiącami promieni. Efekt ten to tzw. zjawisko brylancji. Im większa ilość i intensywność światła, które dociera do obserwatora, tym lepiej – brylant ma wtedy tzw. „życie”.

Dlaczego brylanty tak błyszczą i mienią się kolorami?

Efekt brylancji jest konsekwencją, poza specjalnym szlifem, wysokiego współczynnika załamania światła diamentu, zwanego również współczynnikiem refrakcji. W tym momencie warto przypomnieć lekcję fizyki. W różnych ośrodkach optycznych światło rozchodzi się z różnymi prędkościami. Gdy biegnący w powietrzu promień światła padnie na powierzchnię diamentu, jego część odbije się, a część wpadnie do środka. Ze względu na to, że diament jest środowiskiem znacznie gęstszym optycznie niż powietrze, ta część promienia, która dostała się do środka, znacznie zwolni, co spowoduje zmianę jego kierunku. Następuje zatem zjawisko załamania się światła na granicy dwóch ośrodków. Stosunek prędkości światła w próżni do prędkości światła w danym ośrodku określany jest współczynnikiem załamania światła, inaczej współczynnikiem refrakcji. Im wyższy współczynnik załamania materiału, tym więcej światła odbije się od jego powierzchni i tym większy będzie jego blask. Okazuje się, że współczynnik załamania diamentu jest bardzo wysoki, wynosi aż 2,4. Zdarzają się minerały o wyższym współczynniku załamania, ale należy pamiętać, że istnieją jeszcze inne cechy, które wpływają na efekty świetlne kryształów, takie jak, np. jakość, czyli brak skaz i defektów oraz czystość. Diamenty pod tym względem wygrywają. Można oczywiście spotkać fantazyjne diamenty kolorowe. Ich barwa jest zależna właśnie od zanieczyszczeń – domieszek obcych substancji. Niestety zabarwienie diamentu jednocześnie obniża pożądane efekty brylancji. Są one najsilniejsze dla brylantów czystych – bezbarwnych i pozbawionych defektów. Każdy najmniejszy błąd struktury kamienia zakłóca przejście przez niego światła, obniżając jego cechy jakościowe.

Warto również wspomnieć, że diament wyróżnia się również na tle innych kamieni szlachetnych wysoką dyspersją światła, która wywołuje barwne migotanie promieni wychodzących z kryształu. Z fizycznego punktu widzenia jest to efekt podobny do rozszczepienia światła białego przez pryzmat na barwy spektralne. Ponieważ światło białe jest mieszaniną świateł o wielu barwach, to przepuszczenie go przez pryzmat (w naszym przypadku diament o szlifie brylantowym), spowoduje rozdzielenie poszczególnych składowych światła białego na tęczę kolorów, nadając kamieniowi tęczowy blask. Szerokość obserwowanej tęczy zależna jest od różnicy w kątach załamania promieni światła o różnych barwach – czyli właśnie dyspersji. Efekt ten odgrywa ważną rolę w kamieniach bezbarwnych lub kamieniach o bardzo jasnych barwach, wpływając na podniesienie ich wizualnej atrakcyjności.

Szlif brylantowy

Naturalny, nieoszlifowany diament nie lśni wcale tak jak brylanty w pierścionkach, mimo wysokiego współczynnika refrakcji. Ustaliliśmy już, że aby wydobyć z niego „życie”, potrzebny jest jeszcze specjalny szlif. Trudność polega na ustawieniu fasetek, czyli ścianek, pod takimi kątami w stosunku do siebie, by światło wpadające do bryły odbiło się od wnętrza kamienia (nawet wielokrotnie) i wróciło z powrotem do oka obserwatora. Chodzi o to, by nie dopuścić do ucieczki promieni dołem lub bokiem bryły. Podstawa obrobionego diamentu działa jak zwierciadło. Wnikające do wnętrza światło załamuje się na powierzchni ścianek,

a następnie odbija się od dolnej części, która pełni rolę lustra. Odbite promienie załamują się ponownie na wierzchniej części brylantu i wychodzą z niego, budząc podziw obserwatora. Zdecydowanie najczęściej stosowanym w obróbce diamentów naturalnych jest szlif okrągły, dla którego zarezerwowano nazwę ,,brylantowy”, wymagający stworzenia w części górnej -koronie, co najmniej 33 faset, a w części dolnej – pawilonie, co najmniej 25 faset. Jego pierwowzór zastał wymyślony w XVII w. przez weneckiego szlifierza Vicenzio Peruzziego. Do opisu wszystkich innych kształtów szlifu poza okrągłym używa się terminu „szlif fantazyjny”.

Diamenty najlepszym przyjacielem kobiety… naukowca.

Niemal każda kobieta marzy o tym, by posiadać takie klejnoty. A zwłaszcza kobieta-naukowiec! Dlaczego? Już wyjaśniam. Szacuje się, że naturalne diamenty powstały do 500 km wgłąb ziemi pod wpływem bardzo wysokiej temperatury i ciśnienia, a dzięki wybuchom wulkanów zostały wyparte na płytsze warstwy i powierzchnię ziemi. Diamenty zbudowane są z węgla atomowego, są odmianą alotropową węgla charakteryzującą się niezwykłą twardością. W skali Mohsa ich twardość dostaje maksymalną ilość punktów – 10. Dla porównania grafit – inna odmiana alotropowa węgla ma jedynie 1 punkt. Diamenty mogą być również syntezowane. Proces produkcji wymaga zarodków kryształów diamentów i węglowego prekursora, np. grafitu, który w warunkach wysokiej temperatury (1500-2000°C) i ciśnienia (5-10 GPa) ulega przemianie fazowej do struktury diamentu. Jest to tzw. metoda HPHT (ang. high-pressure high-temperature). Diamenty są zatem wytwarzane w warunkach ekstremalnie wysokiego ciśnienia, ale same mogą też być wykorzystane do wygenerowania takiego ciśnienia. W 1988 r. przez pracowników National Bureau of Standards (obecnie National Institute of Standards and Technology) została wynaleziona komora z diamentowym kowadłem, która zrewolucjonizowała badania wysokociśnieniowe. W tego typu komorze (rysunek poniżej) dwa diamenty o jakości klejnotu przykładają siłę do próbki. Działa to jak imadło. Diament, choć niezwykle twardy, jest przezroczysty dla szerokiego zakresu promieniowania elektromagnetycznego, w tym promieni gamma, promieni rentgenowskich, światła widzialnego oraz części podczerwieni i ultrafioletu. Daje to naukowcom możliwość zastosowania wielu technik eksperymentalnych, w szczególności dyfrakcji rentgenowskiej, spektroskopii w podczerwieni i Ramana czy spektroskopii Mössbauera do badania materii pod wysokim ciśnieniem do około 100 GPa. Zdolność do badania materii przy bardzo wysokich ciśnieniach ma ważne implikacje dla zrozumienia fizyki i chemii materiałów. Gdy materiały poddawane są bardzo wysokiemu ciśnieniu, często dochodzi do niezwykłych przemian. Sód, przewodzący metal w normalnych warunkach, pod wysokim ciśnieniem staje się przezroczystym izolatorem, a gazowy wodór staje się ciałem stałym. Wykorzystując diamentowe kowadła, możemy syntetyzować absolutnie nowe materiały o unikalnych właściwościach do zastosowań technologicznych. Innym zastosowaniem diamentowych kowadeł jest odtworzenie warunków panujących we wnętrzach gigantycznych planet. Dzięki diamentom naukowcy mogą zatem badać wszechświat.

Twardszy niż diament?

W 2016 roku naukowcy z grupy Prof. Jodie Bradby z Australian National University wykazali, że ściskając węgiel szklisty – nieuporządkowaną odmianę materiału węglowego w diamentowych kowadłach, można stworzyć lonsdaleit, czyli materiał twardszy od diamentów jubilerskich [Shiell, T., et al. (2016). Nanocrystalline hexagonal diamond formed from glassy carbon. Scientific reports, 6(1), 1-8]. Lonsdaleit to odmiana diamentu występująca naturalnie w miejscach upadku meteorytów, w wyniku działania wysokiego ciśnienia i temperatury w chwili zderzenia z Ziemią. Jego niezwykła twardość jest skutkiem heksagonalnie ułożonych atomów.

W zwykłym diamencie struktura atomowa jest sześcienna. Wcześniejsze symulacje komputerowe pokazywały, że lonsdaleit może być o ponad 50% twardszy od zwykłego diamentu. Naturalne lonsdaleity nie były jednak tak twarde. Wynikało to z zanieczyszczeń i niedoskonałości struktury krystalicznej. Zespół Prof. Bradby uzyskał lonsdaleit

w diamentowym kowadle pod ciśnieniem 112 GPa i temperaturze 400°C. Diamenty niestety zostały uszkodzone (bo napotkały na materiał twardszy od siebie), ale próbka węgla szklistego została odzyskana i zbadana między innymi metodami synchrotronowej dyfrakcji rentgenowskiej i wysokorozdzielczej mikroskopii elektronowej. Znaleziono w niej nanokryształy lonsdaleitu. W przypadku materiałów typu nano często „mniejsze” znaczy „twardsze”. Kobiety naukowcy mogłyby zatem stać w opozycji do większości kobiet twierdząc, że „im mniejszy diament, tym lepszy”. Jedno jest pewnie – diament to prawdziwy skarb!