Obiettivo

L’obiettivo dell’esperienza è utilizzare una penna tester per diamanti (Link acquisto) per confrontare la risposta dello strumento su diverse pietre preziose e osservare come le loro proprietà fisiche influenzino il risultato della misurazione. In particolare, sono state analizzate zaffiro – (Link per acquisto), acquamarina – (Link per acquisto), topazio – (Link per acquisto), diamante, moissanite – (Link acquisto) e rubino.

Un ulteriore obiettivo è verificare se il tester sia in grado di distinguere il diamante dalla moissanite, due materiali differenti che possono tuttavia produrre una risposta simile nei test basati sulla risposta termica.

Nella parte teorica dell’esperienza viene inoltre analizzata la birifrangenza, utilizzando la calcite, o Spato d’Islanda, come esempio di materiale fortemente birifrangente.

Principio teorico

Le pietre preziose sono materiali caratterizzati da proprietà fisiche differenti. Tra queste proprietà vi è la conducibilità termica, cioè la capacità di un materiale di trasferire energia termica attraverso la propria struttura.

Il diamante è una forma cristallina del carbonio. Gli atomi di carbonio sono disposti secondo una struttura tridimensionale molto compatta e sono collegati tra loro da forti legami covalenti. Questa particolare struttura conferisce al diamante una conducibilità termica molto elevata.

La moissanite, invece, è costituita principalmente da carburo di silicio (SiC). Anche questo materiale presenta una conducibilità termica elevata e, di conseguenza, può produrre una risposta simile a quella del diamante utilizzando alcuni tipi di tester. La penna tester utilizzata nell’esperienza rileva la risposta del campione mediante una sonda posta a contatto con la superficie della pietra. Lo strumento fornisce un’indicazione attraverso una scala numerica compresa tra 1 e valori superiori a 8. È importante precisare che il valore visualizzato dal tester non deve essere interpretato necessariamente come una misura diretta della conducibilità termica in senso fisico. Esso rappresenta piuttosto la risposta del materiale al sistema di misura dello strumento. Di conseguenza, il risultato del tester non costituisce da solo una prova definitiva dell’identità della pietra. In particolare, la moissanite può fornire una risposta molto simile a quella del diamante.

Materiali e strumenti

• Penna tester per diamanti;
• diamante;
• acquamarina;
• moissanite;
• Calcite trasparente (Spato d’Islanda);
• zaffiro;
• topazio;
• rubino;
• superficie di appoggio adatta alla prova;
• panno per la pulizia delle pietre.

Procedimento

1. Preparazione dei campioni

Le pietre da analizzare sono state inizialmente pulite e asciugate per eliminare eventuali tracce di polvere, grasso o umidità che avrebbero potuto influenzare la misurazione. I campioni sono stati successivamente posizionati su una superficie di appoggio stabile e non conduttiva.

2. Preparazione del tester

Accensione della penna tester

La penna tester è stata accesa portando l’interruttore nella posizione ON.

Si è quindi atteso che si accendessero anche le spie LAMP ON e READY OK, indicando che lo strumento era pronto per essere utilizzato.

Taratura della penna tester

Prima di effettuare le misurazioni è stata eseguita la taratura dello strumento. La taratura è stata effettuata ruotando l’apposita rotellina posta lateralmente alla penna, fino a ottenere l’accensione dei primi tre LED della scala, secondo la procedura prevista per lo strumento.

 

Una volta completata la taratura, la penna tester è stata utilizzata con le stesse impostazioni per tutti i campioni, in modo da rendere confrontabili i risultati.

3. Misurazione

La punta della penna tester è stata posta perpendicolarmente alla superficie di ciascuna pietra, mantenendo per quanto possibile la stessa posizione e le stesse condizioni di misura per tutti i campioni. Per ogni pietra è stato registrato il livello indicato dallo strumento sulla scala disponibile, compresa tra 1 e valori superiori a 8. Particolare attenzione è stata dedicata al confronto tra diamante e moissanite, poiché entrambe possono presentare una risposta termica molto elevata.

Risultati sperimentali

I risultati ottenuti durante l’esperienza sono riportati nella seguente tabella:

Pietra analizzata	Livello indicato dal tester
Rubino	4
Topazio	4
Zaffiro	5
Diamante	>8
Moissanite	>8
Acquamarina	5

Analisi e discussione dei risultati

I risultati mostrano che le diverse pietre analizzate hanno prodotto risposte differenti. Il rubino e il topazio hanno raggiunto il livello 4,

 

mentre lo zaffiro e acquamarina hanno raggiunto il livello 5.

 

Il diamante ha raggiunto un valore superiore a 8, cioè oltre il limite massimo della scala dello strumento.

Questo risultato è compatibile con la risposta molto elevata del diamante nei test basati sulle sue proprietà termiche. Un risultato particolarmente significativo è stato ottenuto dalla moissanite, che ha raggiunto anch’essa il valore >8.

Questo significa che, nelle condizioni della prova, il tester ha fornito la stessa indicazione per diamante e moissanite. Anche zaffiro e acquamarina hanno mostrato lo stesso livello, pari a 5. Questo risultato evidenzia che il valore indicato dal tester non identifica direttamente una specifica pietra, ma rappresenta la risposta dello strumento alla proprietà fisica che esso rileva.

Confronto tra diamante e moissanite

Il confronto tra queste due pietre rappresenta l’aspetto più significativo dell’esperienza. Il diamante e la moissanite sono materiali differenti:

• il diamante è costituito da carbonio (C);
• la moissanite è costituita principalmente da carburo di silicio (SiC).

Nonostante la diversa composizione chimica e la diversa struttura cristallina, i due materiali presentano proprietà termiche tali da poter produrre una risposta molto simile nei comuni tester termici.

Nel nostro esperimento sono stati ottenuti i seguenti risultati:

Diamante  → >8

Moissanite  → >8

Pertanto, il risultato del tester non permette di distinguere con certezza le due pietre. Questo rappresenta un importante limite del metodo: un risultato superiore a 8 non deve essere interpretato automaticamente come prova che il campione sia un diamante. La moissanite può quindi rappresentare un possibile falso positivo in un’identificazione basata esclusivamente sulla risposta termica. Per distinguere i due materiali è quindi necessario utilizzare altre proprietà fisiche e ottiche.

Come distinguere diamante e moissanite

Tester termico ed elettrico

Un metodo pratico consiste nell’utilizzare un tester combinato termico ed elettrico (Link acquisto penna tester semi professionale). Uno strumento di questo tipo permette di ottenere informazioni aggiuntive rispetto alla sola risposta termica. La misura delle proprietà elettriche può infatti contribuire a distinguere il diamante dalla moissanite. Tuttavia, anche questo tipo di prova deve essere interpretato correttamente e, nei casi dubbi, integrato con ulteriori analisi.

Birifrangenza

Un’altra caratteristica molto utile per distinguere diamante e moissanite è la birifrangenza. Per comprendere questo fenomeno è necessario introdurre prima i concetti di isotropia e anisotropia.

Che cosa significa isotropo?

Un materiale è detto isotropo quando una determinata proprietà fisica si comporta allo stesso modo in tutte le direzioni.

Per esempio, immaginiamo di osservare una proprietà fisica di un materiale:

• da destra verso sinistra;
• dall’alto verso il basso;
• lungo una direzione obliqua.

Se il comportamento osservato rimane uguale indipendentemente dalla direzione, il materiale è isotropo rispetto a quella proprietà. Nel caso del diamante, dal punto di vista ottico, il materiale è isotropo. Questo è legato alla sua struttura cristallina appartenente al sistema cubico. In pratica, la luce che attraversa il diamante non viene normalmente separata in due raggi semplicemente a causa della direzione di propagazione all’interno del cristallo.

Che cosa significa anisotropo?

Il termine opposto è anisotropo. Un materiale anisotropo presenta proprietà fisiche che possono cambiare a seconda della direzione nella quale vengono osservate o misurate. Un esempio intuitivo è il legno. Il legno presenta una struttura caratterizzata dalle fibre. È generalmente più facile dividerlo lungo la direzione delle fibre rispetto alla direzione trasversale. Il suo comportamento quindi dipende dalla direzione. Nei cristalli anisotropi può verificarsi qualcosa di simile con la luce: la luce può propagarsi in modo differente a seconda della direzione attraverso il cristallo.

La moissanite è otticamente anisotropa.

Che cos’è la birifrangenza?

La parola birifrangenza significa letteralmente doppia rifrazione. Quando un raggio luminoso entra in un materiale birifrangente, può essere separato in due raggi luminosi che si propagano all’interno del cristallo con caratteristiche differenti.

In modo semplificato:

luce incidente → cristallo birifrangente → due raggi luminosi

I due raggi possono seguire percorsi leggermente diversi e produrre quindi una doppia immagine. Il fenomeno è dovuto al fatto che il materiale presenta, in determinate direzioni, differenti indici di rifrazione.

La calcite (Spato d’Islanda): un esempio di birifrangenza – (Link per acquisto)

Un esempio classico e molto evidente di materiale birifrangente è la calcite, conosciuta anche come Spato d’Islanda quando si presenta nella varietà trasparente utilizzata per dimostrare questo fenomeno. La calcite è particolarmente adatta a comprendere la birifrangenza perché l’effetto è facilmente osservabile. Se si appoggia un cristallo trasparente di calcite sopra una scritta, è possibile osservare che la scritta appare sdoppiata. Questo accade perché la luce proveniente dalla scritta attraversa il cristallo e viene separata in due raggi. Si può quindi schematizzare:

Una scritta → luce → calcite → due immagini

La calcite rappresenta quindi un esempio molto intuitivo per comprendere il concetto di birifrangenza.

Birifrangenza della moissanite

La moissanite è un materiale anisotropo e birifrangente. In condizioni di osservazione appropriate e utilizzando strumenti gemmologici adeguati, alcune strutture della pietra possono apparire sdoppiate. Un esempio particolarmente utile riguarda le faccette posteriori della pietra. Osservando la moissanite attraverso la faccia superiore della pietra, chiamata tavola, alcune linee o alcuni spigoli delle faccette posteriori possono apparire sdoppiati. Questo effetto è dovuto alla birifrangenza della moissanite e costituisce una caratteristica utile per distinguerla dal diamante, che invece è otticamente isotropo e non presenta questo fenomeno. È tuttavia importante precisare che la birifrangenza non significa necessariamente che la pietra appaia sempre sdoppiata a occhio nudo. L’effetto dipende dall’orientamento del cristallo, dal taglio della pietra, dalla direzione di osservazione e dalle condizioni di illuminazione.

Dal punto di vista ottico, possiamo riassumere la differenza nel modo seguente:

Materiale	Comportamento ottico	Birifrangenza
Diamante	Isotropo	Assente
Moissanite	Anisotropa	Presente
Calcite	Anisotropa	Molto evidente

Questa differenza può essere sfruttata come prova aggiuntiva per distinguere diamante e moissanite. Il risultato ottenuto con il tester termico può quindi essere integrato con l’osservazione delle proprietà ottiche.

Proprietà ottiche

Diamante e moissanite presentano anche differenze nelle loro proprietà ottiche, tra cui la dispersione della luce, cioè la capacità di separare la luce bianca nelle sue diverse componenti cromatiche. La moissanite presenta una dispersione relativamente elevata e può quindi mostrare riflessi colorati particolarmente evidenti in determinate condizioni di illuminazione. Questa caratteristica può essere utile come elemento di confronto, ma non dovrebbe essere considerata, da sola, una prova definitiva dell’identità della pietra.

Identificazione gemmologica

Per ottenere un’identificazione affidabile è necessario combinare più prove fisiche e ottiche. Il tester utilizzato nell’esperienza deve quindi essere considerato principalmente uno strumento di identificazione preliminare e non uno strumento in grado, da solo, di certificare definitivamente l’identità di una pietra. Nel caso specifico del diamante e della moissanite, il risultato >8 ottenuto con il tester deve essere seguito, quando necessario, da ulteriori controlli, come l’analisi delle proprietà elettriche, l’osservazione della birifrangenza e altre prove gemmologiche.

Fonti di errore

I principali fattori che possono influenzare le misurazioni sono:

• presenza di polvere o impurità sulla superficie della pietra;
• presenza di umidità;
• temperatura iniziale dei campioni;
• pressione esercitata dalla punta del tester;
• posizione della punta sulla superficie;
• durata del contatto tra la sonda e il campione;
• eventuali variazioni nelle condizioni operative dello strumento;
• taratura non corretta della penna tester;
• caratteristiche specifiche delle pietre sintetiche o delle imitazioni;
• eventuali differenze nella superficie o nel taglio delle pietre.

Per ridurre gli errori sarebbe opportuno effettuare più misure sullo stesso campione, mantenere costanti le condizioni sperimentali e verificare la corretta taratura dello strumento prima di ogni serie di misure.

Conclusioni

L’esperienza ha permesso di confrontare la risposta di una penna tester per diamanti su  sei diverse pietre preziose: rubino, topazio, zaffiro, acquamarina, diamante e moissanite.

I valori misurati sono risultati:

Pietra	Risultato
Rubino	4
Topazio	4
Zaffiro	5
Acquamarina	5
Diamante	>8
Moissanite	>8

I risultati mostrano una risposta pari a 4 per rubino e topazio, 5 per zaffiro e acquamarina e >8 per diamante e moissanite.

L’aspetto più significativo dell’esperienza è stato osservare che diamante e moissanite hanno prodotto la stessa indicazione, >8. Questo risultato dimostra che il tester utilizzato non è sufficiente, da solo, per distinguere con certezza questi due materiali. La moissanite rappresenta quindi un possibile falso positivo in un’identificazione basata esclusivamente sulla risposta termica. Per ottenere un’identificazione più affidabile è necessario combinare la prova del tester con altre proprietà fisiche e ottiche, come le caratteristiche elettriche, la birifrangenza e la dispersione della luce, oppure utilizzare strumenti gemmologici specifici.

La birifrangenza rappresenta, in particolare, una caratteristica utile: la moissanite è un materiale otticamente anisotropo e birifrangente, mentre il diamante è otticamente isotropo. La calcite, o Spato d’Islanda, costituisce invece un esempio particolarmente evidente di materiale birifrangente, nel quale il fenomeno può essere osservato attraverso lo sdoppiamento di un’immagine. L’esperienza ha quindi evidenziato un importante concetto del metodo scientifico: una singola misura fisica non è sempre sufficiente per identificare un materiale. Quando due materiali producono una risposta simile, è necessario ricorrere a ulteriori proprietà e tecniche di analisi per ottenere una conclusione più affidabile.