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19 novembre 2018

Dr Arnaud Zoubir1 & Marie-Sophie de Maissin2

Introduction

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La spectroscopie est depuis longtemps utilisée en gemmologie pour la caractérisation et l’identification de gemmes. Un spectroscope permet de mesurer les longueurs d’onde de la lumière blanche absorbées par la matière et donc d’en déduire des informations sur la nature chimique des objets mesurés. Lorsqu’une gemme est observée au spectroscope, les longueurs d’ondes absorbées apparaissent sous forme de bandes noires plus ou moins fines superposées à l’image du spectroscope s’apparentant à une bande aux couleurs d’un arc-en-ciel (c’est-à-dire, le spectre entier de la lumière visible).

Différents types de spectroscopes existent. Ils consistent en un ensemble de composants optiques incluant une fente d’entrée, une lentille et un élément capable de séparer les longueurs d’onde de la lumière comme un prisme ou un réseau de diffraction. Leur utilisation consiste à positionner la gemme sous un éclairage en lumière blanche et à observer à l’oeil nu la lumière transmise (ou réfléchie) par la gemme au travers du spectroscope. Il est ainsi possible de visualiser les spectres d’absorption des gemmes, soit en transmission soit en réflexion.

Cet outil possède cependant plusieurs inconvénients : tout d’abord, certains spectroscopes ne permettent pas de visualiser l’échelle des longueurs d’onde (habituellement graduée en nanomètres). La position précise des pics ou des bandes d’absorption caractéristiques ne peut donc pas être mesurée, rendant l’observation approximative. De plus, l’utilisation à l’oeil nu du spectroscope génère à la longue un inconfort et une fatigue visuelle importante. Aussi, l’oeil humain est un organe très sensible et très performant qualitativement mais très peu efficace d’un point de vue quantitatif : il ne permet pas de mesurer précisément l’absorption ou la transmission à une longueur d’onde d’intérêt, rendant impossible la comparaison de certaines gemmes dont les différences sont parfois subtiles. Enfin, le spectroscope ne permet pas d’enregistrer un spectre et le gemmologue devra compter sur sa mémoire ou un transcription écrite de ce qu’il voit pour archiver ses spectres. Sans parler de l’impossibilité de communiquer à d’autres les spectres qu’il visualise.

Les micro-spectromètres représentent une nouvelle génération d’équipements ultracompacts pour les mesures spectrales, trouvant des applications dans de nombreux domaines. Combinés à un ordinateur portable ou à un smartphone, ils permettent une mesure plus précise et plus rigoureuse des spectres de lumière, comparés au spectroscope à visée oculaire, tout en conservant une très grande portabilité. On peut ainsi mesurer précisément la position des bandes d’absorption, comparer plusieurs spectres, les enregistrer ou les partager en les envoyant par email. En d’autres termes, les micro-spectromètres permettent non seulement de « visualiser » le spectre de gemmes mais également de les mesurer, de les enregistrer, de les analyser, de les comparer ou de les exporter. Ils possèdent ainsi tous les avantages des spectromètres de laboratoire, y compris pour des mesures de terrain.

Cet article présente les résultats obtenus avec le GoSpectro, un micro-spectromètre développé par le centre technologique ALPhANOV (illustré en Figure 1). Ce dispositif a l’avantage d’être utilisable avec n’importe quel smartphone doté d’un appareil photo. En « regardant » une source lumineuse ou un objet à travers le GoSpectro, on peut visualiser à l’écran le spectre de la lumière émise, transmise ou réfléchie par l’objet.

Ce spectromètre a été testé pour les applications de gemmologie. Nous avons ainsi exploré plusieurs cas d’école comme la caractérisation de certaines variétés de rubis ou de grenat, la fluorescence des spinelles naturelles et synthétiques ou encore la caractérisation de différentes tourmalines.

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Figure 1 – Photo du GoSpectro, spectromètre ultra compact pour smartphone

Du spectroscope au spectromètre

Quelle est la différence entre un spectroscope et un spectromètre ? La réponse est dans l’étymologie des mots : Le spectroscope « voit » alors que le spectromètre « mesure ». Ainsi le spectromètre va non seulement être capable d’identifier la typologie des bandes d’absorption (raies fines, raies larges, doublets, coupures, spectre en drapeau, etc) mais aussi de mesurer les valeurs de longueurs d’onde caractéristiques et les « hauteurs » relatives des raies qui seront plus ou moins intenses selon plusieurs gemmes que l’on souhaite comparer.

La Figure 2 ci-dessous montre, dans le cas du rubis, la comparaison entre le spectre « arc-en-ciel » tel que qu’on devrait le voir à l’oeil nu au travers d’un spectroscope et le spectre mesuré par le spectromètre « GoSpectro ». Le rouge est positionné à droite pour faciliter la comparaison.

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On retrouve ainsi la large bande d’absorption centrée sur le vert (550 nm). La coupure dans le bleu est autour de 450nm. Les raies fines ne sont pas directement visibles avec le spectromètre (l’observation avec un spectroscope de moyenne qualité n’a pas non plus permis de les observer à l’oeil nu). Ceci est dû au fait que la résolution spectrale des deux appareils utilisés n’était pas suffisante pour cela. Néanmoins, alors qu’elles n’étaient absolument pas visibles au spectroscope, ces raies d’absorption peuvent expliquer la légère inflexion visible sur la courbe du GoSpectro vers 450 nm et 650 nm. Le doublet d’émission à 700 nm, caractéristique du rubis, est clairement visible avec le GoSpectro. Ce doublet n’a pas pu être visualisé avec le spectroscope car la différence d’intensité dans ces conditions d’observation (éclairage par une lampe halogène) n’était pas suffisante pour l’oeil.

Figure 2 – Comparaison entre le spectre théorique du rubis et le spectre mesuré au GoSpectro

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De la couleur au spectre

La couleur fournit une information importante au gemmologue. Outre sa valeur esthétique, elle constitue une information importante dans l’analyse et la compréhension des gemmes.

La tourmaline est un exemple de gemmes présentant différentes couleurs en fonction de la présence de différents éléments chimiques.
La tourmaline est un cyclosilicate cristallisant dans le système rhomboédrique et possédant une formule chimique très complexe : (Na, Ca) Al12 (Fe, Mg, Li2)6 (OH, F)8 (Bo3)6 (Si6 O18)2. La tourmaline est considérée comme une « minéral poubelle », car elle englobe de nombreux éléments chimiques lors de sa formation. Sa couleur varie en fonction des éléments chromogène qu’elle rencontre lors de sa croissance.

La tourmaline est un minéral allochromatique ayant une large gamme de couleurs (rose, rouge, jaune, brun, bleue, verte, violette, noire, etc.), mais qui peut aussi être incolore ou multicolore, telle que :Marron Nordal Cuir Fauteuil Papillon Fauteuil YvbmI76ygf

  • tourmaline melon d’eau : coeur rose et périphérie verte
  • tourmaline Tête de Maure : incolore à terminaison noire
  • tourmaline Tête de Turc : verte à terminaison rouge

La Figure 3 ci-dessous représente les spectres d’absorption de trois types de tourmalines : une tourmaline jaune (courbe bleue), et deux tourmalines roses (rubellite) de deux teintes légèrement différentes. Sans grande surprise, la tourmaline jaune présente un pic d’absorption dans le bleu vers 490 nm.

C’est cette absorption qui lui confère sa couleur jaune, Spectre du rubis c’est-à-dire la couleur complémentaire de la couleur absorbée. Les deux rubellites présentent elles aussi une bande d’absorption, mais plus prononcée (couleur plus intense) et plutôt centrée sur la partie verte du spectre, expliquant la teinte rose, complémentaire de la couleur verte.

Figure 3 – Spectre d’absorption de plusieurs tourmalines de couleurs différentes

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Quelle est la différence entre le rouge et le rouge ?

L’exemple précédent a montré que nous pouvions mesurer, voire anticiper dans certains cas, le spectre d’absorption de gemmes présentant des couleurs différentes. Le spectre présente alors une bande d’absorption centrée sur la zone du spectre correspondant à la couleur complémentaire de la teinte de la pierre.

Mais qu’en est-il de pierres chimiquement différentes mais possédant des couleurs très proches ? Est-il possible de les différencier à partir de leur spectre, alors qu’il est difficile, voire impossible, de le faire à partir de la simple observation visuelle de leur couleur ? Nous avons tenté de répondre à cette question à partir de trois gemmes de couleurs très similaires : deux grenats (pyrope et almandin) et une pâte de verre.

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Pyrope Verre Almandin

Les grenats désignent une famille de minéraux du groupe des nésosilicates cristallisant dans le système cristallin cubique (ou isométrique). Pour l’expérience, nous avons utilisé 2 grenats de la série des pyralspites (pyrope, almandin), lesquels sont des silicates alumineux de formule chimique générale X3Al2Si3O12 où X désigne Mn, Mg ou Fe2+. On emploie les appellations suivantes pour les différents grenats de composition simple vérifiant cette formule générale :

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Nom Formule
Pyrope Mg3Al2Si3O12
Almandin Fe3Al2Si3O12Fauteuil Brunner De Camping Camping Kerry Brunner Fauteuil De trdCshQx
Spessartine Mn3Al2Si3O12
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Les espèces Pyrope et Almandin constituent la majorité des grenats et sont souvent présentes en association (solution solide). Ces minéraux présentent un indice de réfraction élevé (1.74 à 1.83) qui rendent parfois difficile leur identification par réfractométrie.

Avec des teintes allant du rouge au violacé, il n’est pas toujours aisé de les différencier à l’œil nu. En revanche, ces gemmes présentent des caractéristiques spectrales spécifiques permettant de les distinguer les unes des autres à l’aide du spectromètre. Les spectres de transmission sont présentés en Figure 5.

Figure 5 – Spectre de transmission sur gemmes rouges

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Le spectre de Pyrope (courbe orange) et d’Almandin (courbe bleue) montrent une bande d’absorption commune à 575 nm. Mais, alors que l’Almandin semble présenter deux bandes d’absorption relativement étroites à 504 nm et 525 nm puis une bonne transparence dans le bleu, l’absorption du Pyrope s’étend jusqu’à 400 nm. Par comparaison, le spectre d’un verre rouge dont la couleur est très similaire à ces gemmes est également montré (courbe verte). Ce dernier présente un spectre d’une typologie encore différente des deux premiers, avec une absorption quasi-total jusqu’à 570 nm et une large fenêtre de transparence jusqu’à 700nm.

Il est donc possible, à partir de ces spectres de distinguer non seulement l’échantillon en verre des grenats, mais également de distinguer les deux types de grenats entre eux (almandin et pyrope). Comme le savent bien les spectroscopistes, la spectroscopie d’absorption qui sonde les transitions électroniques donnant ses couleurs à la matière, est moins spécifique que la spectroscopie vibrationnelle (par exemple, la spectroscopie Raman). La spectroscopie vibrationnelle permet en effet de sonder les vibrations entre les atomes qui constituent la matière. Elle fournit des spectres très caractéristiques de la matière analysée, présentant des pics relativement fins et dont l’ensemble constitue une véritable carte d’identité pour une gemme donnée. Cependant cette méthode basée sur un spectromètre d’absorption visible ultra portable offre un moyen efficace et accessible à tous en termes de coût et de facilité d’utilisation pour réaliser des premières évaluations sur le terrain.

Et la fluorescence dans tout ça ?

La mesure spectrale de fluorescence est un autre élément sur lequel les gemmologues peuvent s’appuyer dans leur travail d’analyse. La fluorescence dans les gemmes est en général causée par la présence d’ions métalliques tels que le chrome, le manganèse, le cobalt ou le nickel.

La fluorescence de certaines gemmes a été mesurée à l’aide du GoSpectro. Un pointeur laser vert émettant à 532 nm est utilisé pour illuminer les gemmes. Un spectre de fluorescence typique, obtenu sur un rubis, est représenté ci-contre. Le spectre contient la raie d’excitation du laser à 532 nm, ainsi qu’un spectre de fluorescence dans la région rouge du spectre entre 600 et 700 nm avec un pic caractéristique à 695 nm. Ce spectre est caractéristique des ions chrome que l’on peut retrouver dans bon nombre de gemmes.

Figure 6 – Capture d’écran du GoSpectro montrant un spectre de fluorescence sur le rubis excité par un pointeur laser à une longueur d’onde de 532 nm

La fluorescence est parfois présente dans certaines gemmes synthétiques alors que la version naturelle de cette même gemme ne fluoresce pas. C’est le cas du spinelle. Ceci est dû, notamment, à la présence de fer dans le spinelle naturel.

Figure 7 – Photographie de spinelle synthétique et de spinelle naturel sous lampe UVMarron Nordal Cuir Fauteuil Papillon Fauteuil YvbmI76ygf

Le spectre de fluorescence a été enregistré en excitant la gemme à l’aide d’un pointeur laser du commerce émettant à 405 nm. Le même protocole a été opéré dans le cas du spinelle synthétique et du spinelle naturel. Pourtant seul le spinelle synthétique présente un spectre de fluorescence visible au spectromètre. Il s’agit d’une large bande d’émission allant de 500 nm 650 nm. Le spinelle naturel montre uniquement la raie d’émission du laser à 405 nm qui émane de la gemme dû au phénomène de diffusion élastique.

Cela constitue une solution intéressante et offrant une grande portabilité pour mesurer dans les gemmes la fluorescence des ions présents, générée à l’aide d’un simple pointeur laser fonctionnant sur pile. Il est à noter que, par comparaison avec un spectroscope à visée oculaire, le spectre est ici mesuré par le capteur photo du smartphone, plutôt que l’oeil du gemmologue. Cela réduit considérablement les risques liés à la sécurité oculaire auxquels l’utilisateur s’expose en utilisant un laser.

Figure 8 – Spectres de fluorescence de spinelle synthétique et de spinelle naturel excités par un pointeur laser à une longueur d’onde de 405 nm

Conclusion

Le GoSpectro permet la caractérisation spectrale de gemmes par la mesure de leur spectre de transmission (ou d’absorption) et de fluorescence. Les gemmes ayant un aspect et une coloration similaire peuvent être différenciées sur la base de leurs caractéristiques spectrales. La fluorescence, provenant d’ions chrome par exemple, peut aussi être facilement mesurée, permettant l’identification et la caractérisation d’un grand nombre de gemmes.Rotinfp165r Chaise Pliante Imitation Imitation Rotinfp165r Chaise Pliante qSGUzMVp
En comparaison d’un spectroscope à visée oculaire, la mesure est plus précise, dénuée de toute subjectivité, plus confortable et plus sûre (notamment en cas d’utilisation d’un laser). Les spectres mesurés peuvent ainsi être enregistrés, communiqués par email, comparés entre eux, pour être analysés. Enfin, cette nouvelle génération de spectromètres présente une grande portabilité, une grande facilité d’utilisation en comparaison d’appareils de laboratoire, permettant une utilisation simple et rapide, directement sur le terrain. Son coût raisonnable, similaire à un spectroscope à visée oculaire, devrait en faire un outil indispensable pour bon nombre de gemmologues professionnels et amateurs.

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Centre Technologique ALPhANOV
2 Gemmologue, ING, Paris – AIGS, Bangkok