Il fenomeno della Tenebrescenza: trasformazione luminosa di alcuni minerali

Tenebrescenza, o fotocromismo reversibile, è un attributo di certi minerali che variano di colore quando esposti alla luce del sole, ma ritornano gradualmente al loro colore originale in assenza di luce. Questo fenomeno è stato identificato per la prima volta nel 1896 grazie a una varietà di sodalite scoperta in Groenlandia.

È stato osservato che il colore rosa di questa specifica sodalite sfuma fino a diventare incolore quando esposta alla luce. Al contrario, riassume il suo colore rosa originale se mantenuta in ambito buio per un ampio periodo o se esposta alla luce ultravioletta di frequenza corta.

Da quel momento, la tenebrescenza è stata ampiamente esaminata per il suo potenziale utilizzo nella valutazione dei raggi UV solari, per la misura dell’intensità delle radiazioni UV, nell’imaging a raggi X, nel rilevamento delle radiazioni gamma e nel campo dell’abbigliamento intelligente.

In particolare, i minerali sodaliti come l’hackmanite, così denominata per il geologo finlandese Victor Axel Hackman e avente formula Na8(SiAlO6)Cl2, sono stati studiati per le loro proprietà di tenebrescenza da metà del XX secolo e negli anni ’70-’80. La tenebrescenza caratteristica di queste è evidenziata dalla transizione da un colore bianco a viola post esposizione a un irraggiamento di 250-275 nm corrispondente a 4.5-5 eV.

Meccanismo della tenebrescenza

Gli studi indicano che il meccanismo alla base di questo fenomeno coinvolge delle impurità a base di zolfo, probabilmente l’ione S22-. La sodalite cristallizza in una struttura cubica con il gruppo spaziale P43n. Gli atomi di Si, Al e O costituiscono una struttura chiamata “gabbia β”.

meccanismomeccanismo

Dentro a questa gabbia, sono posizionati un tetraedro di ioni sodio Na+ e, al suo centro, uno ione cloruro Cl–. Il meccanismo proposto per la tenebrescenza di questo tipo di sodalite implica la sostituzione, nella struttura del cristallo, di uno ione Cl– con uno ione S22- per mantenere l’elettroneutralità del cristallo.

Quando viene irradiato da raggi UV, lo ione S22- trasferisce un elettrone alla posizione vacante di Cl–. Un elettrone intrappolato in una posizione vacante ha livelli di energia quantizzati che causano l’assorbimento nella parte visibile dello spettro, dando il colore al minerale. Sotto l’influsso di una luce bianca o di un riscaldamento, l’elettrone intrappolato ritorna allo ione S22- e il minerale ritorna al suo colore originale.

Minerali tenebrescenti

Tra i minerali che mostrano la tenebrescenza, il più famoso e studiato è l’hackmanite, una varietà di sodalite che si forma tipicamente in magmi alcalini con basso contenuto di silice. Queste condizioni si possono trovare nelle sieniti nefeliniche, nelle fonoliti e in altri tipi di rocce correlate, nelle rocce calcaree metasomatosizzate e nelle cavità dei blocchi vulcanici.

L’hackmanite è generalmente incolore o grigio chiaro nel suo stato naturale. Tuttavia, può assumere una varietà di colori, inclusi rosa, viola o viola scuro, se esposta alla luce ultravioletta grazie alle sue proprietà tenebrescenti.

tenebrescenzatenebrescenza

Questa variazione di colore è reversibile e diminuisce quando il minerale viene tenuto lontano dai raggi UV. Però, se il materiale viene riscaldato a temperature superiori a 500°C, si distrugge il suo attributo tenebrescente e le pietre restano del colore che presentavano nello stato naturale. L’hackmanite bianca, proveniente da alcuni depositi, può diventare rosso lampone dopo l’esposizione alla luce UV di frequenza corta e il colore svanisce rapidamente alla luce del sole.

Lo spodumene appartiene al gruppo dei pirosseni ed è un catena singola di inosilicato di litio e alluminio la cui formula è LiAlSi2O6. Può presentarsi sotto forma di hiddenite verde contenente cromo e kunzite rosa contenente manganese, entrambe le varietà sbiadiscono dopo l’esposizione alla luce solare.

La tugtupite è un silicato di alluminio e berillio con formula Na4AlBeSi4O12Cl che generalmente presenta un colore bianco, rosa, cremisi se contiene impurità di zolfo e, in alcuni casi, blu o verde. La tugtupite presenta una serie di intriganti proprietà ottiche, tra cui fluorescenza, fosforescenza e tenebrescenza. Il suo colore cambia rapidamente, in pochi minuti, se esposta alla luce del sole o alla luce ultravioletta a onde corte, passando dal bianco al rosso vivo e al porpora.

Sotto la luce UV a onde più lunghe assume una colorazione arancione. L’assenza di luce diurna causa la perdita del colore della tugtupite nel corso di settimane o mesi, tornando al bianco o al rosa pallido.

Zircone

La tenebrescenza è un fenomeno insolito nello zircone, ortosilicato di zirconio con formula ZrSiO4. Questo minerale si trova come costituente minore di rocce ignee, metamorfiche e sedimentarie, presentandosi sotto forma di piccoli cristalli o grani. Il suo colore può variare tra giallo, marrone, rosso ma può presentarsi anche incolore, grigio, blu, verde e multicolore, con sfumature chiare e scure.

zirconezircone

Nonostante ciò, alcuni zirconi gialli tipicamente presenti in Africa orientale, Sri Lanka e Cambogia, risultano tenebrescenti. Questi minerali presentano un colore giallo-marrone o giallo-arancione in assenza di luce, per poi assumere il loro colore giallo chiaro tipico entro pochi minuti dall’esposizione alla luce.

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 riscontrato in alcuni zirconi di colore arancione rossastro che, nonostante la loro inerzia ai raggi UV a onde lunghe o corte, dopo l’esposizione ai raggi UV a onde corte (SWUV) per circa 30 minuti, assumono una colorazione più scura.

In questa particolare tipologia di zirconi, da cui l’analisi evidenzia quantità significative di zirconio e silicio, oltre a tracce di hafnio, si verifica un fenomeno opposto rispetto agli altri: il colore arancione-rossastro non sbiadiscené sotto l’illuminazione fluorescente né con la luce a fibre ottiche.

Infatti, l’esposizione ai raggi UV a onde corte fa sì che ne risulti lo scurimento, 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 incremento significativo dell’assorbimento nell’intervallo 590-750 nm, riducendo la trasmissione del colore dall’arancione al rosso e rendendo il minerale più scuro.

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 verificare 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 è diventato più scuro.

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