Deformacja, widmo i pasma energetyczne
Różowe, czerwone, purpurowe i fioletowe diamenty w ujęciu spektroskopowym i kwantowym
Różowe, czerwone, purpurowe i fioletowe diamenty należą do najrzadszych odmian diamentów naturalnych. W przeciwieństwie do żółtych diamentów barwionych przez azot czy niebieskich z udziałem boru, ich kolor nie wynika przede wszystkim z klasycznych domieszek chemicznych. Kluczowym czynnikiem jest deformacja plastyczna sieci krystalicznej węgla.
Najważniejszym historycznym źródłem takich kamieni była kopalnia Argyle w Australii Zachodniej, która dostarczała ponad 90 procent światowych różowych diamentów aż do zamknięcia w 2020 roku. Ten fakt ma ogromne znaczenie zarówno naukowe, jak i inwestycyjne.
Z perspektywy fizyki ciała stałego mamy do czynienia z wyjątkową sytuacją. Makroskopowa deformacja mechaniczna w sposób bezpośredni modyfikuje strukturę elektronową półprzewodnika szerokopasmowego i nadaje mu barwę w zakresie widzialnym.
Struktura diamentu i model pasmowy
Diament krystalizuje w strukturze typu diamentowego, grupa przestrzenna Fd-3m. Każdy atom węgla znajduje się w hybrydyzacji sp3 i tworzy cztery wiązania kowalencyjne w geometrii tetraedrycznej.
Przerwa energetyczna wynosi około 5,47 eV w temperaturze pokojowej. W idealnym krysztale:
- brak stanów w przerwie energetycznej,
- brak absorpcji w zakresie widzialnym,
- pełna przezroczystość.
Barwa pojawia się wtedy, gdy w przerwie energetycznej tworzą się stany pośrednie. W przypadku omawianych odmian kluczową rolę odgrywają defekty dyslokacyjne i naprężenia.
Hamiltonian układu można zapisać jako:
H = H0 + Hstrain
gdzie H0 opisuje idealną sieć, a Hstrain zaburzenie potencjału krystalicznego wynikające z deformacji.
Plastyczna deformacja jako źródło koloru
Deformacja plastyczna w diamentach zachodzi w warunkach wysokiego ciśnienia i temperatury w płaszczu Ziemi, często w trakcie procesów tektonicznych lub transportu kimberlitowego.
Główne elementy strukturalne:
- dyslokacje krawędziowe,
- dyslokacje śrubowe,
- pasma poślizgu w płaszczyznach {111},
- lokalne zaburzenia symetrii.
Wzrost gęstości dyslokacji prowadzi do powstania lokalnych poziomów energetycznych w przerwie pasmowej. Przejścia elektronowe związane z tymi stanami powodują selektywną absorpcję światła zielonego w zakresie około 500 do 560 nm. Oko rejestruje wówczas barwę komplementarną, czyli róż lub czerwień.
Nie istnieje odrębne czerwone centrum barwne. Czerwony diament to ekstremalne stadium deformacji różowego.
Spektroskopia FTIR
Spektroskopia w podczerwieni służy głównie do klasyfikacji typu diamentu.
Instytucją referencyjną w tym zakresie jest Gemological Institute of America.
Większość różowych i czerwonych diamentów należy do typu IIa, co oznacza bardzo niską zawartość azotu. FTIR pozwala wykazać:
- brak agregatów azotu typu A i B,
- ewentualną obecność wodoru przy około 3107 cm⁻¹,
- subtelne zmiany tła związane z naprężeniem.
FTIR potwierdza, że barwa nie wynika z klasycznych centrów azotowych, lecz z deformacji.
Fotoluminescencja PL
Fotoluminescencja jest kluczową techniką w analizie tych kamieni.
W widmach PL często obserwuje się:
- NV0 przy 575 nm,
- NV minus przy 637 nm,
- szerokie pasma związane z deformacją.
Mapowanie przestrzenne pokazuje silną korelację pomiędzy intensywnością barwy a zagęszczeniem dyslokacji.
Różowe a czerwone
Różnica jest ilościowa, nie jakościowa.
W czerwonych diamentach:
- gęstość stanów defektowych jest wyższa,
- pasmo absorpcji jest szersze,
- transmisja światła zielonego jest niemal całkowicie tłumiona.
Jednym z najbardziej znanych przykładów jest Moussaieff Red Diamond ( na zdjęciu powyżej).
Purpurowe i fioletowe diamenty
Purpurowe diamenty wykazują komponent deformacyjny oraz wyraźniejsze linie NV minus. Fioletowe mogą zawierać udział wodoru i w niektórych przypadkach śladowy bor.
Mechanizm barwy jest hybrydowy:
- deformacja,
- centra NV,
- możliwy wpływ wodoru.
Widma są bardziej złożone niż w czystych różowych kamieniach.
Weryfikacja informacji i źródła
Najważniejsze publikacje i źródła:
- Zaitsev A.M., Optical Properties of Diamond, Springer.
- Collins A.T., Physical Properties of Diamond, Reports on Progress in Physics.
- De Weerdt F. et al., Deformation-related color in diamonds, Diamond and Related Materials.
- Publikacje badawcze Gemological Institute of America.
- Materiały archiwalne kopalni Argyle.
Wnioski przedstawione w artykule są zgodne z aktualnym stanem wiedzy naukowej.
Chcesz więcej takich historii?
Śledź mojego bloga – znajdziesz tu analizy, opowieści i ciekawostki z najwyższej półki świata diamentów. Zapraszam na inne moje kanały jak Instagram , YouTube czy TikTok .
Jeśli doceniasz moją pracę możesz mi też postawić kawę – będzie mi bardzo miło !
Teraz możesz wesprzeć moją pracę także poprzez
W przypadku pytań dotyczących diamentów zapraszam do kontaktu. Pamiętajcie że moich wpisów nie można traktować jako rekomendacji.
To po prostu moja opinia i chęć podzielenia się z Wami moją wiedzą nt. diamentów.
Przypominam także iż teksty są moją własnością i zgodnie z prawem podlegają ochronie. Wszelkie prawa zastrzeżone.
