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Jun 16, 2023

Cómo las rocas y los minerales juegan con la luz para producir colores impresionantes

Rocas y minerales están a nuestro alrededor. Algunos son apreciados por su belleza, mientras que otros son tan comunes que fácilmente se ignoran. Vienen en una variedad de colores y matices. Algunos captan la luz, otros

Rocas y minerales están a nuestro alrededor. Algunos son apreciados por su belleza, mientras que otros son tan comunes que fácilmente se ignoran. Vienen en una variedad de colores y matices. Algunos captan la luz, otros la doblan y algunos incluso la rompen.

Pero, ¿por qué los rubíes son rojos mientras que los zafiros, que tienen casi la misma fórmula química, vienen en muchos colores? ¿Por qué el cuarzo, uno de los minerales más abundantes de la Tierra, tiene tanta diversidad de color y opacidad? ¿Y por qué algunos minerales crean su propio mundo de arcoíris? Las respuestas a estas preguntas combinan cómo se comportan las rocas a escala molecular con una física fascinante.

Incluso el rubí, el zafiro o la esmeralda más impecablemente tallados obtienen su color brillante por ser imperfectos.

Comencemos con los rubíes y los zafiros, ambos son una variedad de corindón. Este mineral se forma cuando el óxido de aluminio se compacta en una estructura cristalina hexagonal. En su forma pura, el corindón es transparente; sin embargo, en ocasiones, un ion cromo puede reemplazar a un ion aluminio dentro de la red cristalina. No hace falta mucho (tal vez sólo se sustituye 1 átomo de cada 100), pero la imperfección resultante significa que el cromo ahora absorberá fotones verdes o violetas de la luz que incide sobre la gema. La luz roja, sin embargo, continúa transmitiéndose, creando ese tono rubí brillante.

Como se mencionó, los zafiros vienen en una variedad de colores: rosas, rojos, amarillos, dorados, morados, duraznos, champán y, por supuesto, el preciado azul. Al igual que los rubíes, los zafiros resultan de la sustitución de iones de aluminio dentro de una red de corindón; sólo que esta vez son reemplazados por iones de hierro y titanio (tan solo 1 entre 10.000 iones). Cuando la luz de una determinada longitud de onda incide sobre un zafiro, es absorbida y hace que un electrón se transfiera de un ión de hierro a un ión de titanio. Esto da como resultado un zafiro azul. Para producir diferentes colores, el zafiro debe contener otros oligoelementos, como plomo, cobalto, silicio, magnesio o cromo.

Hablando de cromo, sucede algo muy diferente cuando reemplaza el 1% de los iones de aluminio en el mineral incoloro berilo: esto hace que la luz roja y amarilla sea absorbida, creando un rico verde esmeralda.

Ciertos minerales brillan en misteriosos tonos de rosa intenso, amarillo vibrante o incluso un verde de apariencia extraterrestre cuando se irradian con luz ultravioleta. Este fenómeno ocurre cuando los iones o ciertas impurezas dentro del mineral (llamados activadores) absorben un fotón ultravioleta, lo que hace que un electrón sea promovido a un orbital atómico de mayor energía. Cuando el electrón regresa a su estado fundamental, no va allí directamente, sino que pasa por varios orbitales de energía diferentes. Una de estas transiciones puede provocar que el átomo emita un fotón de una longitud de onda más larga en el espectro visible. Cuando esto sucede, el mineral "brilla" en un proceso llamado fluorescencia.

Los minerales emiten fluorescencia en una variedad de colores, incluido el azul (como la fluorita y la scheelita), el amarillo (esperita), el rojo (smithsonita) y el morado (apatita). Luego está la autunita, un mineral que contiene cristales en forma de bloques. Tiene casi un 50% de uranio y emitirá una fluorescencia de color verde brillante.

Algunas piedras parecen contener un arco iris de colores. Por ejemplo, los ópalos brillarán en una amplia variedad de colores según el ángulo desde el que se miren. La iridiscencia de estas piedras tiene que ver con la disposición de diminutas esferas de sílice. La distancia entre estas esferas es minúscula, del orden de la longitud de onda de la luz visible. Debido a esto, actúan como una especie de rejilla de difracción, separando la luz en los colores que la componen.

La iridiscencia de las perlas es similar. Una perla se forma dentro de una ostra cuando un pequeño trozo de arena u otro objeto extraño entra en la concha. Poco a poco, se va recubriendo por capas de nácar, un tipo de carbonato cálcico. El espesor de las capas de nácar se acerca a la longitud de onda de la luz visible. Debido a esto, si miras una perla desde diferentes ángulos, la luz se reflejará en las diferentes capas dentro de la perla.

Estas longitudes de onda de luz se sumarán (interferencia constructiva) o se restarán (interferencia destructiva). Esta interferencia depende de la longitud de onda de la luz y de cómo se compara con la distancia entre capas; por lo tanto, el color de una perla cambiará ligeramente dependiendo de si los distintos colores interactúan de manera constructiva o destructiva.

El ojo de tigre es conocido por sus intrigantes bandas de oro, ámbar y marrón rojizo. Pero la causa de su brillo especial eludió a los científicos hasta hace poco.

Al igual que los ópalos y las perlas, el ojo de tigre parece captar la luz. Originalmente, los científicos pensaban que la piedra preciosa se creaba cuando las unidades fórmula de asbesto reemplazaban lentamente las unidades fórmula de cuarzo en un proceso llamado pseudomorfismo (el mismo proceso que genera madera petrificada). Sin embargo, un examen más detenido reveló que se estaba produciendo un proceso diferente.

El ojo de tigre comienza a formarse cuando el agua se filtra por una grieta dentro de una roca que contiene cuarzo y crocidolita (también conocida como amianto azul). El cuarzo y la crocidolita se disuelven en el agua y, a medida que lo hacen, el cuarzo comienza a cristalizar lentamente mientras se forman fibras de crocidolita a lo largo de la grieta. Luego, la roca se agrieta nuevamente y el proceso se repite, excepto que ahora las fibras de crocidolita están ligeramente desplazadas. Esta compensación crea las bandas abigarradas por las que se conoce al ojo de tigre. Cuando se producen estas grietas, la crocidolita también queda expuesta al aire y reacciona con el oxígeno para crear óxido de hierro, dando a la piedra sus característicos tonos marrón rojizo.

Los minerales no tienen que ser piedras preciosas raras para ser interesantes. Realice cualquier caminata y recoja una roca al azar. Probablemente será total o parcialmente cuarzo. Esto se debe a que el cuarzo es el segundo mineral más común en la superficie de la Tierra (después de los feldespatos). Constituye el 12% de la corteza del planeta. Los cristales de cuarzo incluso forman la arena de la mayoría de las playas.

El cuarzo se desarrolla en las profundidades de la Tierra a partir del magma solidificado que forma cristales de sílice. En su forma pura, el cuarzo es un cristal transparente e incoloro. Pero muchos factores pueden influir en la apariencia y el color del cuarzo, por ejemplo, cuando el magma que forma el cuarzo es rico en otros minerales o cuando el agua con minerales disueltos se filtra en los cristales de cuarzo en formación e introduce nuevos elementos.

El cuarzo rosa puede tener pequeñas cantidades de hierro, titanio o manganeso. Las impurezas de hierro irradiadas en el cuarzo también pueden crear los púrpuras reales de la amatista, y si la amatista se expone al calor y la presión durante mucho tiempo, esas mismas impurezas producen los intensos naranjas y amarillos del citrino. El cuarzo lechoso contiene pequeñas inclusiones de líquido o gas que le dan al mineral su brillo opaco. Por último, el jaspe suele ser un agregado de cristales de cuarzo con hierro, lo que le confiere un color rojo.

Estos minerales no reflejan simplemente la luz. Juegan con eso. Interactúan con la luz como una onda e interactúan con la luz como una partícula. Los electrones se mueven, ganan y pierden energía. Las impurezas de estas rocas no son simplemente defectos. Son ellos los que hacen que estos minerales sean verdaderamente únicos.