การศึกษาแร่และอัญมณีด้วยเทคนิคแสงซินโครตรอน
การศึกษาแร่และอัญมณีด้วยเทคนิคแสงซินโครตรอน
อัญมณี (Gemstone) มีสีสันสวยงามมากมายหลากหลายสี ถึงแม้ว่าอัญมณีบางชนิดอยู่ในกลุ่ม (Gemstone family) เดียวกันแต่กลับมีสีแตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น อัญมณีกลุ่มควอตซ์ (Quartz), อัญมณีกลุ่มคอรันดัม (Corundum), อัญมณีกลุ่มเบริล (Beryl), และกลุ่มการ์เนต (Garnet) เป็นต้น เพราะว่าสีของอัญมณีขึ้นอยู่กับส่วนประกอบทางเคมีและโครงสร้างภายในของอะตอม รวมไปถึงอะตอมของธาตุชนิดต่างๆ ที่เจือปนอยู่ในผลึก โดยธาตุเจือปนบางชนิดนั้นมีอยู่ในปริมาณน้อยมาก ตรวจสอบได้ยาก เทคนิคการดูดกลืนรังสีเอกซ์ (X-ray Absorption Spectroscopy, XAS) เทคนิคการเรืองรังสีเอกซ์ (X-ray Fluorescence Spectroscopy, XRF) และเทคนิคการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ (X-ray diffraction, XRD) โดยอาศัยรังสีเอกซ์ความเข้มสูงที่ผลิตได้ ณ สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน) นั้นมีประสิทธิภาพในการวิเคราะห์ชนิดของอะตอมที่มีปริมาณน้อย และโครงสร้างของสารประกอบที่มีผลต่อสีของแร่และอัญมณีอย่างละเอียด ทางสถาบันจึงได้จัดตั้ง “โครงการพัฒนาความเป็นเลิศทางด้านการวิเคราะห์แร่และอัญมณีด้วยเทคโนโลยีแสงซินโครตรอน” เพื่อเป็นศูนย์กลางการประยุกต์ใช้แสงซินโครตรอนในการค้นคว้าวิจัย วิเคราะห์ตรวจสอบ ด้านอัญมณีและแร่กับนักวิจัยในเครือข่าย เพื่อให้ได้ความรู้ระดับอะตอมในการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นหลังการปรับปรุงคุณภาพอัญมณี เพื่อไปรองรับการการวิจัยและพัฒนาอุตสาหกรรมแร่และอัญมณีของไทยและนานาชาติ
สาเหตุสำคัญที่ทำให้อัญมณีมีสีที่แตกต่างกัน เช่น ทฤษฎีสนามผลึก (Crystal field theory) ซึ่งอธิบายว่าสีของธาตุหรืออัญมณีเกิดอันเนื่องมากจากมีธาตุโลหะเดี่ยว ๆ ในชั้น d-orbital และ ชั้น f-orbital ยกตัวอย่างเช่น ธาตุไททาเนียม (Ti) ให้สีฟ้า, ธาตุเหล็ก (Fe) ให้สีเขียว สีเหลือง หรือ สีฟ้า, ธาตุโคบอล (Co) ให้สีฟ้า, ธาตุโครเมียม (Cr) ให้สีแดงหรือสีเขียว, ธาตุแมงกานีส (Mn) ให้สีชมพู, ธาตุคอปเปอร์ (Cu) ให้สีเขียว หรือ สีฟ้า เป็นต้น การเกิดสีในอัญมณีจากทฤษฎีสนามผลึกนี้สามารถแบ่งได้ 2 ลักษณะคือ
1. อิดิโอโครแมติค (Idiochromatic) หมายถึง สีของพลอยที่เกิดจากธาตุที่จำเป็นต่อโครงสร้างทางเคมีของพลอยชนิดนั้น พลอยประเภทนี้จะมีสีเดียว เช่น เทอร์ควอยส์ (Turquoise) จะมีสีฟ้าเนื่องจากมีธาตุคอปเปอร์ (Cu2+) องค์ประกอบ เช่นเดียวกันมาลาไคต์ (Malachite) จะมีสีเขียวเนื่องจากมีธาตุคอปเปอร์ (Cu2+) เป็นองค์ประกอบ
2. แอลโลโครแมติค (Allochromatic) หมายถึง สีของพลอยที่เกิดการแทรกซึมของธาตุที่ไม่จำเป็นต่อโครงสร้างทางเคมีของพลอยชนิดนั้นๆ พลอยประเภทนี้ถ้าอยู่ในสภาพบริสุทธิ์จะใสไม่มีสี การที่เกิดสีได้เนื่องจากมีมลทินเข้าไปเป็นส่วนประกอบของพลอย เช่น ทับทิม (Ruby) มีธาตุโครเมียม (Cr3+) เพียงเล็กน้อยเข้าแทนที่ Al3+ ทำให้เกิดสีแดง, ไพลิน (Sapphire) มีธาตุทิทาเนียม (Ti) และ เหล็ก (Fe) เข้าแทนที่ Al3+ จึงเกิดสีน้ำเงิน
หรือทฤษฎีสีที่เกิดจากการแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนระหว่างอะตอมของธาตุที่อยู่เป็นคู่ (Molecular orbital (Charge transfer)) อิเล็กตรอนจะวิ่งไปมาระหว่างไออนกันทำให้เกิดสีขึ้น นอกจากนี้ยังทฤษฎีศูนย์กลางสี (Color center) เกิดจากความผิดปกติของโครงสร้าง ภายในผลึก ความผิดปกติดังกล่าว อาจเกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ หรือ มนุษย์ทำขึ้นโดยการฉายรังสีที่มีพลังงานสูงไปที่อัญมณีเพียง 2-3 นาที แต่สีที่เกิดขึ้นจะไม่ถาวร สีจะจางลงเมื่อถูกความร้อนหรือแสงแดด เป็นต้น
เมื่อต้องการพิสูจน์ทราบถึงสาเหตุของการเกิดสีในตัวอย่างอัญมณีไม่ว่าจะเป็นสถานะไออน (Oxidation state) ของธาตุประกอบและธาตุโลหะทรานซิซันหลัก รูปร่างหรือรูปทรงของโครงสร้าง (Geometry of Structure) ที่แน่ชัด รวมไปถึงระยะห่างระหว่างอะตอม (Bond length) ในโครงสร้างของอัญมณี สามารถใช้เทคนิคการดูดกลืนแสงรังสีเอ็กซเรย์ (X-ray Absorption Spectroscopy) เพื่ออธิบายการพิสูจน์ทราบดังกล่าวได้ ตัวอย่างการศึกษาทางด้านแร่และอัญมณี เช่น
นอกจากนี้ทางโครงการยังได้ออกแบบและติดตั้งการใช้งาน UV-Vis-NIR spectrometer ร่วมเข้ากับเตาให้ความร้อนที่ BL1.1W (Octagon furnace) เพื่อรองรับการติดตามการดูดกลืนแสงในช่วง 200-2000 nm และ Oxidation state พร้อมกันในระหว่างให้ความร้อนจนถึง 750°C หากสนใจสามารถติดต่อเข้ามาใช้งานได้ที่ ดร.ชาตรี ไสยสมบัติ (chatree@slri.or.th)
ขั้นตอนการเตรียมตัวอย่างและการวิเคราะห์ข้อมูลเบื้องต้นสำหรับการวัดตัวอย่างอัญมณีด้วยเทคนิคการดูดกลืนแสงรังสีเอ็กซเรย์ซึ่งถูกจัดทำโดยโครงการฯ สามารถดาวน์โหลดอ่านได้เพิ่มตาม link
