LA MOISSANITE
La Moissanite sintetica (la formula chimica è SiC, carburo di silicio) è una gemma che attualmente rappresenta ancora la migliore e più convincente alternativa al diamante.
La Moissanite esiste in natura, ma solo d'origine meteoritica, e non è mai stata ritrovata in dimensioni tali da poter essere sfaccettata. Quindi quando si parla di gemma di Moissanite s’intende sempre Moissanite sintetica, non essendoci altra possibilità.
Tutte le altre imitazioni hanno deficienze significative; ad esempio lo spinello sintetico, lo zaffiro incolore e il granato di ittrio e alluminio (YAG) sono molto meno brillanti; il rutilo sintetico e il titanato di stronzio (ST) sono troppo teneri; il granato di gadolinio e gallio (GGG) e la zirconia cubica (ZrO2) hanno un alto peso specifico e dei riflessi metallici molto diversi dal diamante.
Al contrario, la Moissanite ha, mettendo alcuni valori a confronto:
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l'indice di rifrazione non molto più alto di quello del diamante (2,65/2,69 contro 2,42);
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la dispersione alta (0,104) ma non troppo eccessiva come il titanato di stronzio (0,190), mentre nel diamante è 0,044;
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il peso specifico leggermente più basso di quello del diamante (3,22 contro 3,52);
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una durezza (9,25) seconda solo al diamante (10);
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una resistenza anche superiore a quella del diamante perché non presenta una pronunciata sfaldatura ottaedrica secondo il piano {111}; tuttavia può essere relativamente debole secondo il piano {0001}. E’ resistentissima cioè ad una forza perpendicolare alla tavola, ma non ad una parallela ad essa.
La Moissanite presenta una significativa birifrangenza (0,043), minore di quella dello zircone naturale (0,059), e di quella altissima del rutilo sintetico (0,330).
Quest' effetto non è facilmente rilevabile perché le pietre sono tagliate perpendicolarmente all'asse ottico. Guardando perpendicolarmente attraverso la tavola della gemma quindi, non vedremo lo sdoppiamento nella zona della tavola e dell'apice; questo è visibile solo osservando dalla tavola la riflessione delle faccette del padiglione oppure, con qualche difficoltà, guardando attraverso la cintura della pietra.
LA SCOPERTA DELLA MOISSANITE
La possibilità di realizzare la crescita di un singolo cristallo di carburo di silicio è stata studiata per quasi un secolo per tre motivazioni:
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perché è un abrasivo molto duro, secondo solo al diamante;
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perché ha delle caratteristiche elettriche particolari che lo rendono utile per l'industria dei led e dei semiconduttori;
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perché è utilizzabile come gemma per gioielleria dato che le sue proprietà fisiche la rendono unica e simile al diamante più di ogni altro materiale conosciuto.
Un primo studio approfondito sul carburo di silicio (chiamato talvolta anche silicoide di carbonio) fu realizzato da Mellor nel 1929. Ma ancora precedentemente, nel 1893, Edward Acheson (in foto) evidenziò la sua durezza e le sue potenzialità come abrasivo.
Egli lo scoprì accidentalmente, mentre tentava di sintetizzare il diamante facendo passare una forte scarica elettrica tra due elettrodi di carbone attraverso una miscela fusa di carbonio, argilla e silicato di alluminio.
Chiamò la sostanza scoperta " CARBURUNDUM " - più tardi diventerà il suo nome più comune - perché all'inizio pensò si trattasse di un composto di carbonio (C) e corindone (Al2 O3) e anche perché la sua durezza era intermedia tra quella del corindone e quella del diamante.
Successivamente ottenne un risultato migliore usando una miscela di carbonio e sabbia silicea. Questo metodo è conosciuto come "processo Acheson" ed è oggi normalmente usato per produrre carburo di silicio per abrasivi o altri usi.
Nel 1904 il premio Nobel per la chimica Henri Moissan (in foto) scoprì per la prima volta il carburo di silicio naturale nel meteorite del Diablo Canyon in Arizona e Kunz, nel 1905, scelse il nome di "Moissanite" per questo materiale in onore del suo scopritore.
LA STRUTTURA DELLA MOISSANITE
Quando gli scienziati iniziarono a studiare la Moissanite sintetica, si creò una notevole confusione, perché trovarono varietà di diverse strutture cristalline che comprendevano simmetrie cubica (C), esagonale (H) e romboedrica (R).
Questa complessità è spiegata dall'esistenza di particolari strutture cristalline chiamate "politipi": consistono in pratica nelle variazioni della struttura cristallina che possono dipendere dalle condizioni ambientali in cui avviene la crescita del cristallo.
I politipi, per altro, si possono trovare nei composti con struttura a strati impilati uno sull'altro, come, appunto, la Moissanite.
Si conoscono più di 500 politipi di carburo di silicio, e tutti sono chiamati Moissanite. Il materiale sintetico commercializzato come gemma è la Moissanite politipo 6H " chiamata alfa-carburo di silicio con formula SiC:6H.
L'altro e unico politipo di Moissanite che attualmente può essere prodotto in grossi cristalli è il politipo 4H. Ha proprietà simili al 6H, è utilizzato in elettronica ed è di colore giallo-marrone scuro.
Potrebbe essere interessante anche il politipo cubico 3C, chiamato beta-carburo di silicio, se si riuscisse a produrre in grossi cristalli: di colore giallo chiaro, presenta una struttura cristallina cubica, come quella del diamante,quindi non birifrangente. Le sue proprietà elettriche sono migliori di quelle del politipo esagonale per cui rende possibile la realizzazione di semiconduttori a bassa energia.
Sistema Cubico
Sistema Esagonale
Sistema Trigonale
Nel processo industriale Acheson per la cristallizzazione del Carburo di Silicio, il carbonio sotto forma di coke - o antracite - è mischiato con sabbia silicea contenente piccole quantità di cloruro di sodio e segatura di legno. La corrente elettrica passa attraverso un elettrodo centrale in grafite immerso nella miscela che viene scaldata a 2700 C° producendo una semplice reazione:
SiO2 + 3C = SiC +2CO
Nella massa si creano ammassi di cristalli singoli sottili, lunghi 1 cm, di colore variabile, dal nero al verde scuro, al giallo, che qualche volta presentano un' iridescenza superficiale.
Per ottenere una polvere purissima di Moissanite priva di sostanze volatili come per esempio il tetracloridrato di silicio, il silicone organico e gas - come il metano - vengono fatti reagire ad altissima temperatura con plasma. Fibre di Carburo di Silicio sono state così ottenute dalla decomposizione di fibre di polimero organosiliconico
CRESCITA DEL CRISTALLO DI MOISSANITE
Per molti decenni - fino dal 1960 - sono state studiate molte tecniche per fare crescere monocristalli sintetici di Moissanite. Di questi processi solo quello di sublimazione con inseminazione derivato dal processo "Lely" ha dimostrato la possibilità tecnica di controllare la crescita di un grosso cristallo singolo di Moissanite.
Infatti, non si può ottenere la crescita di cristalli di Moissanite da una miscela fusa, perché il materiale inizia a decomporsi a 2830 C°, molto prima che la miscela si sciolga.
Con il procedimento di tipo "flux" si sono prodotti cristalli molto sottili di beta-carburo di silicio in forma cubica alla temperatura di 1700 C° da una miscela fusa di carburo di silicio, nickel, cromo e altri metalli in lega.
Il sistema a trasporto di vapori a 1800 C° è stato usato per ottenere solo film sottili, utilizzati per semiconduttori.
Con il processo di cracking gassoso chiamato "decomposizione pirolitica di Van Ankel" vari elementi volatili contenenti silicio e carbonio passano su una spirale rovente di tungsteno: su questa la Moissanite si deposita in cristalli molto piccoli.
Il processo "Lely" invece, usa la sublimazione: in un primo tempo il carburo di silicio è vaporizzato e, successivamente, si condensa senza passare dallo stato liquido.
Per questo suo originale procedimento, Lely (1955) usava un cilindro fatto di carburo di silicio cavo all'interno, inserito in un crogiuolo sigillato e riscaldato a 2500°: il cristallo di Moissanite cresceva all'interno del cilindro.
Sono state tentate e applicate molte modifiche a questo processo per controllare meglio la purezza e la crescita dei vari politipi; in particolare l'uso di un tubo sottile di grafite porosa che riveste la cavità centrale permettendo di controllare meglio la temperatura, l'atmosfera e la pressione.
Il procedimento finale, derivato da quello realizzato da Lely, è stato brevettato da Davis, Hunter e Carter nel 1990 e prevede la crescita a partire da un cristallo seme. Successivamente, nel 1998, gli stessi scienziati hanno depositato un brevetto per l'ottenimento di Moissanite incolore.
La maggior parte della Moissanite prodotta viene utilizzata per uso elettronico (chips, transistor, led blu, ecc...).
POLITIPISMO E MOISSANITE
Le specie chimiche cristallizzate sono dette "politipiche" se hanno la stessa composizione chimica ma strutture cristalline che differiscono nella direzione assiale. Nei politipi della Moissanite gli strati esagonali degli atomi sono impilati uno sull'altro, ognuno con una diversa sequenza di stratificazione.
I politipi non sono comuni tra i minerali. Alcuni esempi conosciuti di politipi sono quelli con impilamento a strati compatto come il solfuro di zinco (ZnS) che si presenta come sfalerite o blenda cubica e come Wurtzite in diverse strutture esagonali e trigonali. Anche il carbonio si presenta in due politipi; la struttura cubica del diamante e quella esagonale della Lonsdaleite (Grafite e Chaoite non sono politipi ma solo forme polimorfe) e la Moissanite. Altri minerali con impilamento a strati sono le Miche, le Cloriti, la Molibdenite, ecc...
I piani compatti o gli strati, detti moduli, sono strutture invarianti, e le varietà politipiche differiscono soltanto nelle modalità di impilamento di tali moduli che possono essere ordinate (come la Moissanite) o disordinate.
Consideriamo i due livelli esagonali di SiC nella figura 1, dove i circoli A rappresentano gli atomi di silicio ognuno legato ad un atomo di carbonio che si trova esattamente al di sotto. Mettiamo poi un secondo strato chiamato B sopra lo strato A.
Un terzo strato potrebbe essere ora aggiunto in due modi differenti: prima consideriamo il terzo strato che occupa la posizione esattamente sotto il primo strato A. Questa stratificazione si ripete e può essere descritta come ABABAB…..Questa struttura è esagonale e viene chiamata H; le unità strutturali che si ripetono consistono in due strati, che si possono identificare come 2H secondo la tabella di Ramsdell (Verma e Krishna, 1966).
Figura 1
Figura 2: la struttura esagonale 2H, 4H e 6H del carburo di silicio alfa e del carburo di silicio 3C
Se invece il terzo strato occupa la posizione C la ripetizione dei livelli può essere descritta come ABCABC……Sebbene non sia evidente nella figura 2, questa struttura è cubica e indicata come C (in seguito con l'aggiunta dei livelli B ed A si ottiene una struttura a tre livelli chiamata 3C).
Se aggiungiamo ai due strati mostrati in (C) e in (D) nella figura B2, corrispondenti ad ABCB……e ABCACB….entrambi sono esagonali, con quattro strati li chiamiamo 4H, con 6 li chiamiamo 6H.
La Moissanite 6H è la più comune forma nota come abrasivo (carborundum) e come gemma .
I politipi 4H e 6H sono, per ora, gli unici politipi che possono crescere in cristalli di dimensioni considerevoli.
Alcuni esempi di altri politipi esagonali sono indicati nella tavola 1. La più semplice struttura romboedrica di Moissanite è la 15R come da tavola 1.
A temperature inferiori ai 2000°C la prima fase stabile di Moissanite che appare è la 3C chiamata beta-carburo di silicio, l'unica con struttura cubica, indicata nella tabella 1.
Aumentando la temperatura si formano tutti gli altri 500 politipi di alfa-carburo di silicio, esagonali e romboedrici e spesso sono mischiati tra loro, e con essi anche la fase cubica (Verna e Krishna 1966, Davis e altri 1990).
Quando la crescita non è controllata si formano dei difetti tra cui la formazione di politipi dentro agli strati chiamati "politipi interlivellari".
In tutte le forme di Moissanite ogni atomo di Si è circondato da quattro atomi di C e ogni atomo di C da 4 di Si; tutte le lunghezze dei legami Si-C sono uguali e di circa 1,90 Amstrong.
In tutte le strutture esagonali e romboedriche, le direzioni di impilamento degli strati sono lungo l'asse C che è anche l'asse ottico.
Nella struttura cubica la direzione di impilamento degli strati è lungo la diagonale <111>.
Tutti i politipi di Moissanite hanno celle cristalline esagonali (o equivalenti all'esagono) con dimensioni molto ravvicinate a = 3,08 Amstrong e c = 2,52 Amstrong, dove n è il numero degli strati nelle unità che si ripetono.
In tutti questi politipi il peso specifico e tutte le altre proprietà ottiche e fisiche sono molto simili.
Nella tavola 1 sono indicate alcune proprietà ottiche di vari politipi di Moissanite.
CARATTERISTICHE GEMMOLOGICHE DELLA MOISSANITE
Tabella comparativa tra Moissanite, diamante e pietre sintetiche incolori
Caratteristiche visibili ad occhio nudo
Le inclusioni, nelle Moissaniti di ultima generazione, sono praticamente assenti, mentre le produzioni meno recenti – ma ancora sul mercato - possono presentare formazioni aghiformi o più raramente carboniose, che penalizzano il livello di qualità.
La purezza delle pietre è ora paragonabile al grado IF-VVS della scala di valutazione del diamante.
Un ulteriore miglioramento è stato raggiunto per quanto riguarda il colore: l’ultima produzione della Charles and Colvard, uscita sul mercato con il nome di “Forever One”, può senza ombra di dubbio essere certificata come D/E/F.
Caratteristiche visibili con lente di ingrandimento
Lo sdoppiamento delle faccette non è visibile quando si guarda l'interno della pietra perpendicolarmente alla tavola verso l'apice, ma solo se lo osserviamo attraverso una delle faccette della corona.
Gli spigoli delle faccette sono lievissimamente più arrotondati rispetto al diamante, dove invece si presentano estremamente vivi.
La cintura si presenta di aspetto variabile : può essere smerigliata, lucidata o striata, spessa o sottile. Nel caso della “Forever One” della Charles and Colvard, viene incisa su di essa, a laser e in stampatello maiuscolo, la scritta: “FOREVER ONE” visibile chiaramente solo con il microscopio; con la lente 10 x si possono identificare solo due piccoli segni scuri.
Nel caso venisse danneggiata a causa di un urto violento, La Moissanite si frattura in modo concoide, seguendo i piani di sfaldatura perpendicolari all’asse ottico.
Proprietà ottiche
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L'indice di rifrazione è 2,648 e 2,691 (diamante 2,417);
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al riflettometro dà una lettura superiore a quella del diamante;
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doppia rifrazione, uniassica positiva (nel diamante la rifrazione é singola isotropica);
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birifrangenza moderata 0,043 (diamante assente);
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forte dispersione 0,104 (diamante moderata 0,044);
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al polariscopio - con liquido di densità 3,32 - l'esame è negativo attraverso la tavola, ma visibile la doppia rifrazione nelle altre direzioni (nel diamante risulta negativa in tutte le direzioni);
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allo spettroscopio la Moissanite mostra una piccola linea di assorbimento a circa 425 nm (nella Moissanite 4H è visibile a circa 400 nm), può essere confusa con quella del diamante della serie "Cape" a 415 nm;
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esaminando la Moissanite ai raggi ultravioletti e infrarossi e con la spettroscopia Raman si riscontrano differenze notevoli dal diamante. La fluorescenza ai raggi UV ad onda corta e ad onda lunga varia da inerte (normalmente) a moderata arancione uniforme.
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ai raggi X la luminescenza è normalmente inerte o moderatamente gialla, la trasparenza è mediamente opaca (il diamante è trasparente ai raggi X). Non presenta fenomeni di fosforescenza.
Caratteristiche chimiche, meccaniche, termiche e fisiche.
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La composizione chimica della Moissanite è SiC, non ha impurezze identificabili al di sopra del 0,001%;
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peso specifico di 3,224 +/- 0,020 (il diamante è 3,52) galleggia in ioduro di methylene (peso sp. 3,32) mentre il diamante si deposita sul fondo. La Moissanite è più grande del 9% rispetto ad un diamante di eguale peso;
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la durezza secondo la scala di Mohs è 9,25 (nel diamante è 10), secondo quella più precisa di Knoop è variabile da 2.917 a 2.954 Kg/mm² misurata sulla faccia C del cristallo (nel diamante è 8.000 kg/mm²). Questa durezza non le impedisce di essere tagliata con le macchine normalmente usate per il corindone e altre pietre. L'unico inconveniente è rappresentato dal cambiamento superficiale di colore della pietra, che diventa leggermente gialla. Questo fenomeno, probabilmente, è dovuto all'azione superficiale meccanica e di riscaldamento per attrito della mola che altera la posizione dei primi strati cristallini (la Moissanite, come abbiamo detto, essendo un politipo ha una struttura cristallina a strati) orientandoli diversamente; di conseguenza la luce subisce una diversa riflessione che conferisce alla pietra una tonalità tendente al giallo.
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la resistenza è eccellente (nel diamante è da buona ad eccellente , mediamente resistente alla frattura ma debole nel piano di sfaldatura {0001}.
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è molto più stabile al calore del diamante perché resiste fino a 1700 C° in aria e fino a 2000 C° sotto vuoto;
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non viene intaccata da nessuna sostanza chimica al di sotto dei 1000 C°, ad eccezione di fluoro, cloro, alcali fusi, ed alcune leghe metalliche fuse;
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ha una eccellente resistenza all'incasso nei gioielli, gli ultrasuoni e gli altri sistemi di pulizia non la danneggiano. E' possibile fondere gioielli con la Moissanite sintetica preincassata nella forma. Le unicheattenzioni da osservare durante la lavorazione sono quelle di evitare l'utilizzo di carte o paste abrasive contenenti diamante o carburo di silicio perché la righerebbero, e di non usare una pressione laterale eccessiva sulle griffe perché, come abbiamo detto, la Moissanite ha piani di sfaldatura paralleli alla tavola, diversi da quelli del diamante
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la conducibilità termica varia da 2,3 a 4,9 W/cmK o da 0.55 a 1,7 calorie/cm Celsius secondo (nel diamante rispettivamente da 7 a 20 e da 1,6 a 4,8) quindi fredda come il diamante;
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l'inerzia termica è da 0,30 a 0,63 cal/cm² (nel diamante da 0,8 a 1,4): é per questo motivo che i tester termici attualmente in uso la indicano come diamante;
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la capacità calorica è di 28,5 J/mol. Kelvin o 0,170 cal/g;
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la Moissanite sintetica è un materiale semiconduttore come il diamante a causa del suo basso livello di impurezze e perchè ha un' elettroconduttività variabile.
Si presenta, come il diamante, nelle forme ad alta conduttività e isolante; -
come nel diamante la conduttività e il colore sono causati dalla presenza di una bassissima quantità di atomi di azoto (pochi ppm), che, se sono presenti in alta concentrazione, sono responsabili dei colori giallo, verde e nero. Se sono presenti delle impurezze di alluminio il colore diventa blu scuro; mentre nel diamante questo colore è indotto da impurezze di boro. Nella Moissanite sintetica le impurezze di boro danno la colorazione gialla.
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nel reticolo cristallino del diamante gli atomi di carbonio sono posizionati in modo che ognuno di essi risulti al centro di un tetraedro ai cui vertici sono posti gli atomi contigui. Anche nella Moissanite il reticolo è tetraedrico ma ad ogni atomo di carbonio è unito uno di silicio.
Il Carburo di Silicio SiC ha parti uguali di silicio e carbonio, entrambi elementi del gruppo IV. La distanza tra gli atomi di Silicio (a) o gli atomi di Carbonio è di circa 3,08 Å per tutti i politipi
L'atomo di carbonio si trova al centro della massa della struttura tetragonale delineata dai quattro atomi di Si vicini (foto A).
La distanza tra l'atomo di Carbonio e ciascuno degli atomi di Silicio è approssimativamente di 2,52 Å.
L'altezza della cella di base, chiamata c, varia tra i diversi politipi. Pertanto, il rapporto dell’altezza della cella di base c con la distanza tra gli atomi di silicio a differisce da in ogni politipo.
Questo rapporto è 1.641, 3.271 e 4.908 rispettivamente per il 2H, 4H, e 6H.
Ogni doppio strato di SiC, pur mantenendo lo schema di legame tetraedrico del cristallo, può essere situato in una di tre possibili posizioni rispetto al reticolo (A,B, o C).
Foto A – Schema dei legami atomici
di base del Carburo di Silicio
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