Un team internazionale di ricercatori, coordinato dall’infrastruttura di ricerca STAR dell’Università della Calabria, ha ottenuto un risultato inedito: la trasformazione di un topazio da incolore a una gemma di colore azzurro, impiegando esclusivamente raggi X prodotti da un sincrotrone. Lo studio, pubblicato sulla rivista Physica B: Condensed Matter e disponibile in open access sul sito della rivista, non solo aggiunge una nuova tecnica al campo dei trattamenti gemmologici ma contribuisce anche a chiarire i meccanismi fisici che governano tale cambiamento cromatico.

Il topazio è un minerale molto apprezzato in gioielleria per la sua eccezionale brillantezza e durezza. Tuttavia, la maggior parte dei topazi che si trovano in natura è incolore. Per ottenere le ambite tonalità di blu, l'industria della gioielleria si è affidata per decenni all'irraggiamento con fasci di neutroni, elettroni o raggi gamma. Questi trattamenti ad alta energia, pur efficaci, sono complessi, costosi e richiedono precauzioni di sicurezza rilevanti. Lo studio dimostra invece che è possibile ottenere la stessa colorazione con un approccio più semplice: un’irraggiamento controllato con raggi X molto intensi.

Il punto chiave della scoperta riguarda il modo in cui l’irraggiamento modifica il cristallo. Quando il topazio assorbe i raggi X, si genera una cascata di elettroni secondari che interagiscono con il reticolo atomico. Questi processi creano i cosiddetti difetti di Frenkel, in cui un atomo di ossigeno legato a un gruppo ossidrile (OH) si sposta dalla sua posizione regolare: al suo posto resta una vacanza, cioè un “vuoto” nel reticolo, mentre l’atomo finisce in un sito interstiziale, uno spazio normalmente non occupato. È proprio da queste imperfezioni che nascono i centri di colore, configurazioni elettroniche che assorbono selettivamente la luce rossa e fanno apparire il cristallo di colore azzurro. In questo esperimento, un successivo riscaldamento a 260 °C ha permesso di eliminare i difetti instabili responsabili delle sfumature marroni temporanee, mentre i centri di colore stabili sono rimasti inalterati, garantendo la permanenza della colorazione azzurra.

I campioni trattati hanno mantenuto intatta la tonalità per oltre tre anni a temperatura ambiente, senza variazioni percettibili. Si tratta di un risultato importante perché assicura non solo l’efficacia ma anche la stabilità nel tempo del trattamento.

«Quello che abbiamo dimostrato», spiega Raffaele Agostino, fisico dell’Università della Calabria e responsabile dell’infrastruttura STAR, «è che il colore di un minerale non dipende solo dall’intensità delle radiazioni a cui è sottoposto, ma dal modo in cui il reticolo cristallino reagisce generando difetti e centri di colore stabili. Questo risultato apre una prospettiva nuova: non ci limitiamo più a descrivere il fenomeno, ma iniziamo a capirne i meccanismi, e questo ci permette di immaginare trattamenti più mirati e sicuri anche per altri materiali».

«Dal punto di vista gemmologico», osserva Giuseppe Elettivo, esperto gemmologo, «questa tecnica apre prospettive molto interessanti: consente di valorizzare gemme naturali senza alterarne la struttura chimica e senza ricorrere a processi potenzialmente dannosi. Significa poter offrire al mercato pietre autentiche, con colori stabili e ottenute in maniera tracciabile e sostenibile. È un approccio che potrebbe diventare un punto di riferimento per l’industria, anche in termini di certificazione e fiducia del consumatore».

Oltre all’impatto diretto sulla gioielleria, i risultati interessano anche altri ambiti. La capacità di indurre e stabilizzare difetti elettronici in un cristallo può trovare applicazioni nella scienza dei materiali e nell’ottica avanzata, dove il controllo fine delle proprietà microscopiche apre a nuove funzionalità.

L’esperimento è stato realizzato sulla linea di luce DXRL di Elettra-Sincrotrone Trieste, progettata per irradiare campioni con dosi controllate di raggi X e ideale per studi avanzati sui materiali. Il progetto, che ha coinvolto esperti di gemmologia, fisica dello stato solido e spettroscopia, è stato coordinato da STAR (Università della Calabria) in collaborazione con l’Università di Bari, la Graz University of Technology ed Elettra-Sincrotrone Trieste, con il supporto del consorzio europeo CERIC-ERIC.