Mechanizm powstawania barw różowej, czerwonej i brązowej w naturalnych diamentach na skutek deformacji plastycznej
Różowa, czerwona i brązowa barwa w naturalnych diamentach stanowi szczególną kategorię zjawisk barwnych, wyraźnie odmienną od klasycznych mechanizmów opartych na domieszkach chemicznych. Barwy te są efektem deformacji plastycznej sieci krystalicznej diamentu, zachodzącej w warunkach wysokiego ciśnienia i temperatury w płaszczu Ziemi. Artykuł omawia warunki geologiczne deformacji, charakter defektów krystalograficznych, ich wpływ na strukturę elektronową diamentu oraz wynikające z tego właściwości optyczne i gemmologiczne.
Warunki geologiczne i fizyczne deformacji plastycznej
Naturalne diamenty powstają i przebywają przez znaczną część swojej historii geologicznej w górnym płaszczu Ziemi, najczęściej na głębokościach rzędu 150–300 km, ale zdarza się iż w niektórych przypadkach te głębokości są większe. W tych warunkach panują:
– ciśnienia rzędu ~5–7 GPa, a lokalnie wyższe
– temperatury zazwyczaj w zakresie ~900–1400 °C, sporadycznie do około 1600 °C
– długotrwałe naprężenia różnicowe związane z konwekcją płaszcza, deformacjami tektonicznymi oraz przemieszczaniem się mas skalnych
Pomimo wyjątkowej twardości, diament w takich warunkach może ulegać deformacji plastycznej, czyli trwałemu odkształceniu sieci krystalicznej bez jej makroskopowego pękania. W trakcie tego procesu atomy węgla zostają przesunięte z idealnych pozycji w węzłach sieci krystalicznej, zachowując jednak ciągłość kryształu.
Krystalograficzny charakter deformacji
Deformacja plastyczna w diamencie zachodzi przede wszystkim poprzez ruch dyslokacji wzdłuż określonych płaszczyzn krystalograficznych. Najważniejszą rolę odgrywają płaszczyzny poślizgu {111}🔍, które są najgęściej upakowanymi płaszczyznami w strukturze regularnej ściennie centrowanej (diamond cubic).
W wyniku deformacji powstają charakterystyczne defekty sieciowe, takie jak:
– układy dyslokacji (dislocation arrays)
– rozszerzone pasma defektów (extended defect bands)
– lamelle deformacyjne (deformation lamellae)
Defekty te są silnie ukierunkowane krystalograficznie i często występują w postaci równoległych zestawów, co odzwierciedla kierunek i charakter naprężeń działających na kryształ w przeszłości geologicznej.
🔍Co oznacza zapis {111}?
W najprostszym ujęciu zapis {111} opisuje kierunki, w których diament „najchętniej” buduje swoje naturalne ściany. Wynika to z wewnętrznego ułożenia atomów w krysztale – w pewnych kierunkach struktura jest bardziej stabilna i właśnie tam kryształ rośnie wolniej, ale i równiej. Efektem są charakterystyczne, trójkątne ściany, które razem tworzą kształt ośmiościanu (octahedronu). Można więc powiedzieć, że forma ta nie jest przypadkowa, lecz jest geometrycznym „śladem” tego, jak diament porządkuje swoją materię na poziomie atomowym.
Wpływ defektów na strukturę elektronową
W idealnym diamencie przerwa energetyczna (band gap) wynosi około 5,5 eV, co czyni go przezroczystym w zakresie światła widzialnego. Wprowadzenie rozległych defektów strukturalnych powoduje jednak lokalne zaburzenie symetrii sieci oraz pola potencjału elektronowego.
Defekty deformacyjne:
– nie tworzą klasycznych, punktowych centrów barwnych.
– wprowadzają rozproszone stany energetyczne w obrębie przerwy wzbronionej .
– modyfikują rozkład gęstości stanów elektronowych .
W rezultacie absorpcja światła widzialnego staje się anizotropowa, czyli zależna od kierunku propagacji światła względem orientacji krystalograficznej defektów.
Mechanizm powstawania barwy i anizotropia optyczna
Kluczową cechą diamentów zdeformowanych plastycznie jest fakt, że:
– intensywność barwy zmienia się wraz z orientacją kryształu
– barwa może być silniejsza lub słabsza przy obserwacji wzdłuż różnych osi krystalograficznych
– często obserwuje się pleochroizm oraz wyraźne strefowanie barwy
Zjawiska te stanowią bezpośredni dowód strukturalnego, a nie chemicznego pochodzenia barwy.
Geneza poszczególnych barw
Diamenty różowe
Różowa barwa powstaje w wyniku umiarkowanej deformacji plastycznej, w której dominują względnie regularne i dobrze uporządkowane lamelle deformacyjne. Defekty te powodują selektywną absorpcję światła w zielonej części widma, co prowadzi do powstania barwy różowej.
Cechy charakterystyczne obejmują:
– silną zależność intensywności barwy od kierunku obserwacji
– pasmowe rozmieszczenie koloru
– częste występowanie wewnętrznego „grainingu”
Diamenty czerwone
Czerwona barwa stanowi najbardziej ekstremalne stadium deformacji plastycznej. Gęstość defektów sieciowych jest w tych diamentach bardzo wysoka, a ich rozkład bardziej ciągły niż w diamentach różowych.
Barwa czerwona:
– nie jest odrębnym mechanizmem, lecz intensywną formą barwy różowej
– wynika z niemal całkowitego stłumienia transmisji w zielonej i części żółtej części widma
– należy do najrzadszych barw spotykanych w naturalnych diamentach
Naturalny czerwony diament w kształcie szlifu radiant
Diamenty brązowe
W diamentach brązowych deformacja plastyczna ma charakter bardziej rozproszony i chaotyczny. Zamiast uporządkowanych lamelli występują nachodzące na siebie sieci defektów o różnej orientacji.
Skutkiem jest:
– szerokopasmowa absorpcja światła widzialnego
– słabsza anizotropia optyczna
– charakterystyczna barwa od jasnobrązowej po ciemnobrązową
Rola domieszek chemicznych
Barwy różowa, czerwona i brązowa nie są wynikiem domieszki pierwiastków takich jak azot czy bor, jednak większość tych diamentów należy jednak do typu Ia, co bezpośrednio wskazuje na obecność w ich strukturze agregatów azotu.
Azot:
– nie jest centrum barwnym odpowiedzialnym za omawiane barwy
– może jednak wpływać na właściwości mechaniczne diamentu
– pośrednio oddziałuje na przebieg deformacji plastycznej
Znaczenie gemmologiczne i diagnostyczne
Deformacja plastyczna pozostawia w diamencie trwały zapis jego historii geologicznej. W praktyce gemmologicznej objawia się to poprzez:
– wyraźne strefowanie barwy zgodne z płaszczyznami {111}
– zmiany intensywności koloru przy obrocie kamienia
– charakterystyczne struktury wewnętrzne widoczne pod powiększeniem
Cechy te są kluczowe przy rozróżnianiu barw naturalnych od barw uzyskanych w sposób sztuczny, w wyniku obróbki lub napromieniowania.
I na koniec …
Różowe, czerwone i brązowe diamenty zawdzięczają swoją barwę trwałemu zniekształceniu sieci krystalicznej, powstałemu w ekstremalnych warunkach płaszcza Ziemi. Barwy te są efektem strukturalnym, a nie chemicznym, i stanowią unikalny zapis procesów deformacyjnych zachodzących głęboko we wnętrzu planety.
Źródła i literatura z których korzystałem w opracowaniu powyższego artykułu :
Orłow, J. L., Mineralogia diamentów, Moskwa.
Field, J. E. (red.), The Properties of Natural and Synthetic Diamond, Academic Press.
Harlow, G. E., „Pink and Red Diamonds”, Gems & Gemology, GIA.
Fisher, D., Spits, R. A., „Spectroscopic evidence of lattice defects in pink diamonds”, Diamond and Related Materials.
Shiryaev, A. A., Orlov, Y. L., „Plastic deformation and coloration of diamond”, Physics and Chemistry of Minerals.
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 !
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.
