Edelsteen van de maand: kleurwisselstenen

“Kleurwisselstenen” is een term die edelsteenkundigen gebruiken voor edelstenen die onder epaalde omstandigheden tijdelijk van kleur veranderen. De veranderde omstandigheden kunnen worden veroorzaakt door:
  1. Verschil van de gebruikte lichtbron: daglicht of kunstlicht, zoals het alexandriet-effect bij chrysoberyl.
  2. Padlengte bij één lichtbron bij doorvallend licht, in een dikke steen heeft een intredende lichtstraal een langere weg in het materiaal af te leggen dan in een dun stukje, zoals het usambara-effect bij toermalijn.
  3. Temperatuur: bij verhitting, zoals bij korunden van onder meer Sri Lanka.
  4. Kijkrichting: bij dubbelbrekende stenen, pleochroïsme zoals bij ioliet.
  5. Concentratie: door absorptie door chromoforen of insluitsels, zoals bij granaten.
  6. Wel of geen lichtbron: vanuit het donker naar (zon)licht, tenebrescentie, zoals bij sodaliet/hackmaniet. 

Afb.1 Diverse lichtbronnen met een verschil in intensiteit per golflengte(gebied). Hoe hoger de intensiteit, des te krachtiger is de kleur. Ook deuterium-en xenon(auto!)lampen worden door spectroscopisten gebruikt (niet in de grafiek weergegeven.

1. Verschil in gebruikte lichtbron
Afb.2 Alexandriet effect bij chrysoberyl.
Kleurveranderingen bij mineralen of edelstenen tussen daglicht en kunstlicht zijn al lang bekend. De eerste waargenomen kleurverandering wordt toegeschreven aan de vondst van een kleurwissel chrysoberyl in 1831 in het Oeralgebergte in Rusland. Het mineraal werd vernoemd naar Tsaar Alexander II. De kleuren waren lichtgroen in daglicht, maar paarsrood in kaarslicht. Groen en rood waren de toenmalige Russische legerkleuren.

De oorzaak van de kleurwissel is de aanwezigheid van een kleine hoeveelheid chroom die door een andere lichtbron (zie Afb.1) van spectrale samenstelling wijzigt. Een andere kleurwisselsteen is (chroom)toermalijn uit Tanzania. Bij daglicht groen, bij kunstlicht rood. Bij daglicht langs de c-as geelbruin en haaks op de c-as blauwgroen. Bij kunstlicht langs de c-as oranjerood en haaks op de c-as zwak groen. De kleurwissel granaten (pyroop-spessartien) uit Tanzania, Sri Lanka, Madagaskar, Tjechië en Noorwegen zijn door chroom bij daglicht blauwgroen, bij kunstlicht paarsrood.

Andere bekende stenen met kleurwissel effecten zijn fluoriet, paarse spinel, zirkoon, kyaniet en diaspoor. De laatste ook bekend als zultaniet. In Brazilië worden “kleurwissel beryllen” gevonden: lichtgroen in daglicht, intens roze in kunstlicht. Afhankelijk van de kijkrichting kunnen, langs of haaks op de c-as, tintverschillen zijn te zien. Rode chroom houdende mineralen tonen in het spectrum overwegend banden van 390-415 nm en 540-570 nanometer, toegeschreven aan oxiden. Groene chroom houdende mineralen hebben overwegend banden op 420-460 en 580-650 nanometer, toegeschreven aan silicaten. De waarden bij kleurwisselstenen liggen daar tussen in. Een bekende imitatie van alexandriet is de paarse synthetische korund. Bij daglicht groenig, bij kunstlicht rozig.

2. Padlengte bij één lichtbron.
Afb.3 Usambara effect in groene toermalijn.
Het Usambara effect kan worden waargenomen bij doorvallend licht van één lichtbron en is afhankelijk van dikte van de steen. Dit verschijnsel werd in 1960 voor het eerst waargenomen bij mineralen uit het Usambara-gebergte in Tanzania. Chrysoberyl is trichroïstisch: dat wil zeggen dat met de dichroscoop drie kleuren kunnen worden waargenomen. Bij daglicht is chrysoberyl groen. Bij kunstlicht kunnen met de dichroscoop de volgende kleuren worden waargenomen:
1. Oranjegeel
2. Lichtgroen en
3. Roodpaars

Echter bij een dikke steen blijft roodpaars dezelfde kleur behouden. Bij een dunne steen verandert roodpaars in groen. Dikkere groene toermalijn uit Madagaskar die tegen het zonlicht wordt gehouden, kleurt in het midden rood. De verklaring van het usambara effect: spectrale distributie. Als een lichtbundel een steen invalt, vindt er door een afstandsverschil meer of minder absorptie van chroom-ionen (Cr3+) plaats. De mindere absorptie verloopt niet gelijkmatig maar heeft een dalende intensiteit: eerst absorptie in groen, daarna absorptie in rood; van een kortere naar een langere golflengte. Zie ook Afb.1. Het menselijk oog is het meest gevoelig in het groengele gebied. Het kleurverschil betreft alleen de spectrumkleur (Eng. hue). De verzadiging (saturation) en het licht/donker (light) blijven gelijk.

Er zijn meer stenen die het usambara effect kunnen vertonen: andalusiet, kornerupien, epidoot, zoisiet en daar komt ‘ie weer: toermalijn. Het effect bij deze stenen is minder snel zichtbaar omdat bij deze dubbelbrekende stenen de gewone straal (ω) de buitengewone straal (ɛ) vaak overheerst. Bij andalusiet wordt dit verklaard door de aanwezigheid van ijzer (Fe2+ en Fe3+). Sommige stenen vertonen ook het alexandriet effect

3. Temperatuur.
Afb.4 Rechts moissaniet die boven een kaarsvlammetje is gehouden.
Kleurwissel kan ook plaats vinden door verhitting waarbij sprake is van roosterverstoring. Sommige robijnen uit Sri Lanka worden verhit tot ca.600oC en verkrijgen een groene kleur, na afkoeling komt de rode kleur terug. Waarom verhit men de robijnen? De kleur kan mooier worden en minder verzadigd, dat wil zeggen helderder. Verhitting van edelstenen wordt tegenwoordig op ruime schaal en met verschillende methoden toegepast. Na verhitting blijven de veranderde kleuren veelal stabiel. Kleur terugkeer (reversibiliteit) geldt voor de meeste chroomhoudende stenen: smaragd, uvaroviet, fuchsiet en chroomdiopsiet.

Pyroop, een rode steen, met 1,5% chroom wordt groen bij een verhitting van ca. 200oC. Pyroop met 3.7% chroom wordt groen bij een verhitting van ca.150oC. Bij diamant is dit verschijnsel bekend als kameleon effect. Als een olijfgroene diamant wordt verhit boven een kaarsvlam verandert de kleur in licht geelgroen. Bij blauwe zirkoon verandert de kleur in groenblauw door verschil in kamertemperatuur (RT) versus onderdompeling in vloeibare stikstof (LNT - bij spectroscopisch onderzoek). De kleur komt weer terug bij kamertemperatuur.

Andere thermochromische stenen zijn: scapoliet, tugtupiet, spinel, granaat. Een bekend voorbeeld is kleurloze moissaniet. Als we willen weten of een kleurloze steen diamant, cubic zirkonia of moissaniet is: even een paar seconden boven een kaarsvlammetje. De steen die geel kleurt is moissaniet.

4. Kijkrichting of oriëntatie.
Afb. 5a en b. Ioliet bezien vanuit verschillende kijkrichtingen.

Alle dubbelbrekende stenen vertonen een meer of minder goed zichtbare vorm van pleochroisme. Bij ioliet is dat met het blote oog goed waar te nemen. Draai een ioliet tussen je vingers en beschijn de steen met een lichtbron. Je zou achtereenvolgens drie kleuren moeten kunnen zien: paars-blauw, geel en zwart (=geen kleur).

Kijk in de lengterichting van de c-as of optische as en daarna in verschillende dwarsrichtingen. Met gebruikmaking van een dichroscoop kunnen de kleurverschillen ook worden waargenomen. Andere stenen met een sterk pleochroïsme zijn: tanzaniet, saffier, toermalijn.

5. Concentratie.
Polychromie of meer kleurigheid ontstaat ook door absorptie van de hoeveelheid chromoforen (elementen die verantwoordelijk zijn voor de kleur van het mineraal) of insluitsels. Dit komt soms voor bij granaten. Een pyroop met 3% chroom is paars in daglicht en wijnrood bij kunstlicht. Een pyroop met 6% chroom is blauwgroen in daglicht en wijnrood bij kunstlicht. De hoeveelheid chroom is dus bepalend voor de kleur. Ook bekend bij kleurzonering bij amethist en saffier.
Afb.6
De bovenste twee: granaat pyroop met 3% chroom, links in daglicht, rechts in kunstlicht. De onderste twee: granaat pyroop met 6% chroom, links in daglicht, rechts in kunstlicht.

6. Tenebrescentie (omkeerbare fotochromie).
Afb.7 hackmaniet bij daglicht en rechts onder UV-licht.
Van donker naar (zon)licht of beschenen met een UV-lamp. Dit komt met name voor bij sodaliet variëteit hackmaniet. De kleur wisselt waar je bij staat. In daglicht is hackmaniet grijs-roze, indien door UV-licht beschenen wordt hackmaniet in enkele seconden diep-violet.

Na enige tijd in daglicht wordt de steen weer grijs-roze. In mindere mate bekend bij scapoliet, spodumeen, zirkoon en tugtupiet. Een toepassing van dit verschijnsel is de kleurwissel bij brillenglazen.

Synthetische stenen
Afb.8 Glas sim zultaniet
Afb.8 Glas imitatie van diaspoor, met kleurwissel.

Synthetisch korund, spinel, chrysoberyl-alexandriet, cubische zirkonia (CZ): alle kleurwissel combinaties die we maar kunnen bedenken zijn mogelijk bij synthetische stenen. Hetzelfde geldt voor glas.

Alexiet (nep-alexandriet), tavaliet, zandriet, nanosital: alle kleurwissel combinaties die we maar kunnen bedenken komen voor.

Leuk proefje!
Stel je werkt op een zonnige dag in je tuin en je hebt toevállig een groene (chroom) toermalijn op zak. Pluk twee of drie groene bladeren en houd deze tegen het zonlicht. Plaats de toermalijn er voor en zie: de steen kleurt rood!
Verklaring: het natuurlijke pigment chlorofyl of bladgroen veroorzaakt een alexandriet-effect.

Bronnen:
- A.Halvarson, Usambara-effect in tourmaline, Journal of Gems 2006
- K.Nassau, Physics of Color, G&G 2001
- Vakopleiding NGL, H.13 Pleochroïsme en kleurwissel

Foto’s: Archief K. Hoving