Um einen höheren Preis für ihre Edelsteine zu erzielen, verschönern manche Händler sie künstlich. Berliner Forscher kommen dem Betrug jetzt mithilfe von Laserlicht auf die Schliche.
Ein lauter Knall hallt durch das Labor, als ein leuchtend grüner Laserstrahl auf die Probe in einer kleinen Kammer trifft: einen funkelnden Saphir. Der Edelstein übersteht unbeschadet den Schlag mit dem „Licht-Hammer”, den ihm die Wissenschaftler versetzt haben. Die Forscher im Team von Ulrich Panne wollen den Edelstein nicht beschädigen, sondern nur per Laserlicht einen Blick in sein Inneres werfen. Das Resultat bekommen sie auf einem Computerbildschirm zu sehen: In einem Lichtspektrum, das auf den Stein gerichtete Detektoren beim lautstarken Auftreffen des Laserblitzes aufgenommen haben, zeichnen sich zwei feine Linien ab – sie belegen, dass der Saphir Spuren des Erdalkalimetalls Beryllium enthält.
„Vor allem in Fernost werden minderwertige Edelsteine mit bestimmten chemischen Elementen behandelt, um sie schöner zu machen und so ihren Wert zu steigern”, berichtet Panne, der die Abteilung Analytische Chemie und Referenzmaterialien an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) in Berlin-Adlershof leitet und gleichzeitig als Professor an der Berliner Humboldt-Universität arbeitet.
Saphire werden häufig mit Beryllium aufgepeppt. „Die Edelsteine werden zusammen mit einer Beryllium-Lösung in einen Ofen gebracht. Durch die hohen Temperaturen diffundieren die Beryllium-Atome in die äußere Schicht des Saphirs hinein”, erklärt Panne. Die Atome werden dort in das Kristallgitter eingebaut. Einem unscheinbaren, blassen Stein verleihen sie so einen strahlenden orangefarbenen Schimmer. Auf diese Weise nachgefärbt, lässt er sich deutlich teurer verkaufen – ohne Zertifikat ein Betrug an dem Kunden, der für Echtheit und Authentizität des Steins viel Geld bezahlt.
Panne und seine Mitarbeiter haben eine Methode entwickelt, mit der sich die nachträgliche Manipulation von Edelsteinen aufspüren lässt. Die bisher zur Analyse angewandte Verfahren – per Mikroskop oder mithilfe von Röntgenstrahlen – lieferten oft nur unbefriedigende Ergebnisse. Außerdem mussten die Steine dafür teilweise aufwendig präpariert werden. Anders bei dem Verfahren, das die BAM-Forscher benutzen: Mit der so genannten Laserinduzierten Plasma-Spektroskopie (LIPS) lässt sich sehr schnell, zuverlässig und ohne den Stein zu beschädigen ein exakter „chemischer Fingerabdruck” von ihm erstellen.
Durch eine genaue Kenntnis der im Edelstein enthaltenen chemischen Spurenelemente lässt sich auch sein Herkunftsort identifizieren. Der Fundort eines Steins wiederum gibt Auskunft über dessen Qualität und Häufigkeit – und bestimmt damit maßgeblich seinen Wert.
Bei der LIPS-Methode wird ein intensiver Laserstrahl auf die Probe – etwa einen Saphir – fokussiert. Die hohe Energie des auftreffenden Laserlichts lässt einen winzigen Teil des Materials verdampfen. Die dabei herausgelösten Atome werden in einen energiereichen Zustand angeregt, manche werden ionisiert: Es bildet sich eine wenige Millimeter kleine leuchtende Wolke aus Plasma über der Saphir-Oberfläche. Sekundenbruchteile später gibt die Plasmawolke die vom Laserstrahl aufgenommene Energie wieder ab – in Form von Licht, das von empfindlichen Detektoren aufgefangen und in einem Spektrometer analysiert wird. „Anhand dieser Emission kann man feststellen, welche chemischen Elemente sich in welcher Menge an der Oberfläche des untersuchten Edelsteins befinden”, erklärt Ulrich Panne. „Der zurückbleibende Krater ist nicht sichtbar und mindert die Qualität des Steins nicht.”
„Das im Prinzip schon seit Langem bekannte Verfahren erlebt derzeit einen enormen Aufschwung”, sagt Panne. Voraussetzung dafür war auch die Entwicklung von preisgünstigen und dennoch leistungsfähigen Lasern, die extrem kurze und intensive Lichtpulse erzeugen können. Panne und sein Team wollen nun ein tragbares Gerät entwickeln, mit dem Händler das LIPS-Verfahren vor Ort in den Herkunftsländern der Edelsteine nutzen können, um Qualität und Echtheit der Steine unter die Laserlupe zu nehmen.
Ein LIPS-Analysator ließe sich auch für ganz andere brisante Untersuchungen einsetzen – etwa im Umweltschutz. Umweltschädliche Substanzen wie chlorierte Kohlenwasserstoffe lassen sich damit im Wasser oder in der Luft nachweisen. Dadurch könnte zum Beispiel überwacht werden, ob Mülldeponien oder Fabrikanlagen Giftstoffe emittieren. Ein weiteres Einsatzgebiet wäre die Herstellung von Glasprodukten. „Bislang war es schwierig, die Zusammensetzung von Glasschmelzen zu kontrollieren”, sagt Panne. Denn Messsonden, die in die bis zu 1500 Grad Celsius heiße Schmelze getaucht werden, könnten das Glas verschmutzen. Per Laserstrahl dagegen lässt sich das Glas während des Schmelzens problemlos aus sicherer Entfernung analysieren.
Noch mehr Auftrieb könnte dem LIPS-Verfahren die Elektroschrott-Verordnung der EU geben. Nach ihr dürfen Elektrogeräte bald nicht mehr einfach weggeworfen werden, sondern müssen stofflich getrennt und, soweit möglich, recycelt werden. Trennung und Sortierung der Bauteile nach verschiedenen Materialien geschieht bisher per Infrarotlicht. „Doch das ist für schwarze Kunststoffe recht unzuverlässig und zeitaufwendig”, sagt Ulrich Panne. Schneller und zuverlässiger ginge das Sortieren mit der Laserinduzierten Plasma-Spektroskopie. Denn die macht keinen Unterschied zwischen teuren Edelsteinen und wertlosem Müll. ■
Ralf Butscher
COMMUNITY Internet
Homepage der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung:
www.bam.de
Vielfältige Informationen zu Edelsteinen:
www.mineralienatlas.de/lexikon/ index.php/kategorie/gemmologie
Ohne Titel
„Diamonds are a girls best friend” – flötete die amerikanische Sex-Ikone Marylin Monroe in ihrem berühmten Film „Blondinen bevorzugt”. In der Tat: Viele Frauen schmücken sich liebend gerne mit den funkelnden Edelsteinen. Was aber macht die Glitzerdinger so begehrenswert?
Im Grunde handelt es sich bei Diamanten, Saphiren, Rubinen und anderen Edelsteinen um simple Mineralien. In ihnen sind die Atome eines oder mehrerer chemischer Elemente (etwa Kohlenstoff beim Diamant und Aluminiumoxid beim Saphir oder Rubin) auf regelmäßige Weise in einem Kristallgitter angeordnet.
Der kristalline Aufbau ist verantwortlich für die extreme Härte der meisten Edelsteine – Diamanten sind das härteste natürlich vorkommende Material. Und er sorgt dafür, dass Licht, das auf den Stein fällt, stark gebrochen und reflektiert wird – was das verführerische Funkeln erzeugt.
Was jeden Edelstein einzigartig macht, ist seine Farbe. Der Farbton unterscheidet sich von Stein zu Stein – und ist umso intensiver, je geringer dessen chemische Reinheit ist. Denn hervorgerufen wird die Farbe von Verunreinigungen: einzelnen Atome fremder chemischer Elemente, die sich während der Jahrmillionen, in denen das Mineral langsam im Inneren der Erde entstand, in das Kristallgitter eingelagert haben.
Diese so genannten Farbzentren absorbieren bestimmte spektrale Anteile des Lichts, während sie den Rest ungehindert passieren lassen. Je nachdem, welche Teile aus dem Licht herausgefiltert werden – also welche Fremdatome im Kristallgitter eingebaut sind – , schimmert der Stein in einer speziellen Farbe. So machen Chrom-Atome einen ansonsten farblosen, aus Aluminiumoxid bestehenden Korund zu einem rot leuchtenden Rubin. Und Eisen-Atome verleihen einem Quarzkristall aus Siliziumdioxid eine rosa bis violette Farbe: Er wird zum Amethyst. Das kunstvolle Schleifen eines rohen Edelsteins bringt seine Farbe und seinen Glanz dann brillant zur Geltung.
Die genaue Art und die Anteile der enthaltenen Farbzentren stellen einen unverwechselbaren „Fingerabdruck” eines jeden Edelsteins dar. Experten erkennen daran nicht nur, wo der Stein gefunden wurde, sondern auch, ob man ihn durch künstliches Einbringen bestimmter chemischer Elemente absichtlich verändert hat.
