Tenebrescenza
La tenebrescenza, nota anche come fotocromismo reversibile, è una proprietà di alcuni minerali che cambiano colore se esposti alla luce solare ma tornano lentamente al loro colore originale al buio. Il fenomeno della tenebrescenza fu osservato per la prima volta nel 1896 da una varietà di sodalite rinvenuta in Groenlandia.
Fu notato che il colore rosa di questa sodalite sbiadiva fino a diventare incolore se esposta alla luce e ritornava al suo colore rosa originale se posta al buio per un lungo periodo di tempo o se esposta alla luce ultravioletta a onde corte.
Da allora la tenebrescenza è stata studiata per le sue potenziali applicazioni nell’indicizzazione UV solare, per misurare la forza delle radiazioni UV, nell’imaging a raggi X, nel rilevamento delle radiazioni gamma e nell’abbigliamento intelligente.
Più specificatamente è stata studiata approfonditamente, a partire dalla metà del XX secolo e nel corso degli anni ’70-’80, la tenebrescenza di alcune sodaliti come l’hackmanite dal nome del geologo finlandese Victor Axel Hackman, con formula Na8(SiAlO6)Cl2. La tenebrescenza di queste sodaliti è caratterizzata dalla colorazione da bianca a viola del minerale dopo esposizione ad un irraggiamento di 250-275 nm corrispondente a 4.5-5 eV.
Meccanismo della tenebrescenza
Dalle ricerche appare che il meccanismo del fenomeno coinvolgeva impurità a base di zolfo, probabilmente lo ione S22-. La sodalite cristallizza nella struttura cubica con il gruppo spaziale P43n. Gli atomi di Si, Al e O formano una struttura chiamata gabbia β.
All’interno di questa gabbia è posto un tetraedro di ioni sodio Na + mentre al centro del tetraedro si trova uno ione cloruro Cl–. Il meccanismo proposto per la tenebrescenza di questo tipo di sodalite prevede la sostituzione nel cristallo di uno ione Cl– con uno ione S22- portando alla formazione di una vacanza di Cl– per mantenere l’elettroneutralità del cristallo.
Sotto irradiazione di raggi UV, lo ione S22-trasferisce un elettrone verso la vacanza di Cl–. Un elettrone intrappolato in una vacanza ha livelli di energia quantizzati e inducono l’assorbimento nella parte visibile dello spettro che dà il colore. Sotto l’influenza della luce bianca o del riscaldamento, l’elettrone intrappolato ritorna allo ione S22- e il materiale ritorna al suo colore originale.
Minerali tenebrescenti
Il minerale che mostra tenebrescenza più noto e studiato è l’hackmanite, una varietà di sodalite che si forma tipicamente in magmi alcalini a basso contenuto di silice. Tali condizioni sono presenti nelle sieniti nefeliniche, nelle fonoliti e nei tipi di rocce affini, nelle rocce calcaree meta somatizzate e nelle cavità dei blocchi vulcanici.
L’hackmanite è tipicamente incolore o grigio chiaro quando è nel suo stato naturale. Tuttavia, può mostrare una gamma di colori, tra cui rosa, viola o viola intenso, se esposta alla luce ultravioletta a causa delle sue proprietà tenebrescenti.
Questo cambiamento di colore è reversibile e diminuisce quando il minerale è protetto dai raggi UV tuttavia riscaldando il materiale a più di 500°C si distrugge la tenebrescenza e le pietre rimangono del colore che presentano allo stato naturale. L’hackmanite bianca, proveniente da alcuni giacimenti, può diventare rosso lampone dopo l’esposizione alla luce UV a onde corte e il colore sbiadisce rapidamente alla luce del sole.
Lo spodumene è un minerale appartenente al gruppo dei pirosseni ed è uno inosilicato a catena singola di litio e alluminio che ha formula LiAlSi2O6 che si presenta sotto forma di hiddenite di colore verde contenente cromo e sotto forma di kunzite contenente manganese di colore rosa che, dopo esposizione alla luce solare sbiadisce.
La tugtupite è un silicato di alluminio e berillio che ha formula Na4AlBeSi4O12Cl che ha tipicamente colore bianco, rosa, cremisi se contiene impurezze di zolfo e, in taluni casi, blu o verde. La tugtupite presenta una varietà di affascinanti proprietà ottiche ovvero fluorescenza, fosforescenza e tenebrescenza. Il suo colore cambia rapidamente, in pochi minuti, se è esposta alla luce solare o alla luce ultravioletta a onde corte passando dal al rosso vivo e persino al rosso porpora.
Sotto la luce UV a onde più lunghe assume una colorazione arancione. L’assenza di luce diurna fa sì che la tugtupite perda naturalmente il suo colore nel corso di settimane o mesi, ritornando al bianco o al rosa molto chiaro.
Zircone
Il fenomeno della tenebrescenza è insolito nello zircone, ortosilicato di zirconio che ha formula ZrSiO4 e si trova come costituente minore di rocce ignee, metamorfiche e sedimentarie e si trova sotto forma di piccoli cristalli o grani. È di colore giallo, marrone o rosso ma può presentarsi anche incolore, grigio, blu, verde e multicolore con striature più chiare e più scure.
Tuttavia alcuni zirconi gialli, tipicamente presenti in Africa orientale, Sri Lanka e Cambogia sono tenebrescenti. Essi infatti hanno un colore giallo-brunastro o giallo-arancio al buio e una volta esposti alla luce, nel giro di pochi minuti assumono il loro colore giallo chiaro.
Altri zirconi provenienti dall’Australia centrale diventano arancioni al buio e sbiadiscono fino a diventare quasi incolori se esposti alla luce. Un caso particolare è stato rilevato in alcuni zirconi di colore arancione rossastro che, sebbene inerti ai raggi UV sia a onde lunghe che a onde corte, dopo l’esposizione ai raggi UV a onde corte (SWUV) per circa 30 minuti, assumono una colorazione più scura.
In tale tipo di zircone dalla cui analisi si evidenziano quantità significative di zirconio e silicio, nonché tracce di afnio si verifica un fenomeno opposto rispetto agli altri infatti il suo colore arancione-rossastro non sbiadisce sotto l’illuminazione fluorescente o con la luce a fibre ottiche.
Infatti l’esposizione ai raggi UV a onde corte ne causa lo scurimento e la componente rosso-arancione gradualmente diminuisce e la pietra appare marrone. Lo spettro UV-visibile dopo l’esposizione ai raggi UV a onde corte mostra un aumento significativo dell’assorbimento nell’intervallo 590–750 nm, riducendo la trasmissione del colore dall’arancione al rosso e rendendo la pietra più scura.
Inoltre la reazione è reversibile e il colore arancione-rossastro ritorna al colore iniziale quando la pietra viene conservata al buio a temperatura ambiente. Per determinare se il processo fosse ripetibile, la pietra è stata nuovamente sottoposta a esposizione ai raggi UV a onde corte e ancora una volta il colore arancione-rossastro si è scurito di tono.
