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RADIOLOGIA TRATAMENTO POR IRRADIAÇÃO GAMA DECORRENTE DO COBALTO-60 COM O INTUITO DE INDUZIR A COR GREEN GOLD AO QUARTZO HIALINO TREATMENT BY GAMMA IRRADIATION

OCCURRENCE OF COBALT-60 WITH THE

INTENTION TO INDUCE THE COLOR GREEN

GOLD TO QUARTZ HYALINE

KAROLINA VIEIRA CAVALCANTE

TAMIRES PASSOS DUARTE GLÊICIO OLIVEIRA VALGAS

Resumo Introdução: devido à evidenciação de que minerais mudavam sua tonalidade com a presença de fontes naturais emissoras de radiação ionizante, despertou-se o interesse comercial pela irradiação de minerais, com a intenção de induzir cores variadas, tornando-as gemas de maior valor mercadológico. O cobalto-60 é o emissor de radiação gama mais utilizado no campo industrial. Entretanto, seu uso atualmente vem chamando atenção na irradiação de materiais gemológicos. Métodos e metodologia: o Brasil é o maior produtor de quartzo hialino mundial, sendo um cristal de grande demanda nacional e internacional. Este cristal apresenta características ideais para agregar tonalidades variadas com tratamento à base de irradiação com cobalto-60, seguido ou não por tratamento térmico simples. Algumas cores induzidas no quartzo são encontradas na natureza, mas também são produzidas cores jamais vistas ou documentadas como é o caso do quartzo conhecido comercialmente como green gold de matriz verde-amarelada. Mas para a aquisição do green gold, a estrutura cristalográfica do quartzo precisa contar com impurezas que modificam sua estrutura e propiciam a formação de centros de cor. Resultados: os Irradiadores de Cobalto-60 que são utilizados para irradiar materiais gemológicos, tem por objetivo acelerar o processo de coloração natural. Devido à interação da radiação gama com os minerais não produzir radioatividade induzida, este, se torna um dos métodos mais seguros para a aquisição de gemas artificiais irradiadas. Palavras-Chave: Quartzo Green Gold; Beneficiamento de Gemas; Irradiação Gama em Quartzo; Abstract Introduction: due to the evidence that minerals changed their tonality with the presence of natural sources emitting ionizing radiation, commercial interest was aroused by the irradiation of minerals, with the intention of inducing varied colors, making them gems of greater market value. Cobalt-60 is the most widely used gamma radiation emitter in the industrial field. However, its use has now been drawing attention to the irradiation of gemological materials. Methods and methodology: Brazil is the largest producer of hyaline quartz worldwide, being a crystal of great national and international demand. This crystal presents ideal characteristics to add varied shades with treatment based on cobalt-60 irradiation, followed or not by simple heat treatment. Some quartz-induced colors are found in nature, but colors are also produced that are never seen or documented, as is the case of quartz known commercially as green-yellow matrix green gold. But for the acquisition of green gold, the crystal structure of quartz needs to have impurities that modify its structure and allow the formation of color centers. Results: Cobalt-60 Irradiators that are used to irradiate gemological materials, aim to accelerate the process of natural coloration. Because the interaction of gamma irradiation with the minerals does not produce induced radioactivity, it becomes one of the safest methods for the acquisition of irradiated artificial gemstones. Keywords: Quartz Green Gold; Beneficially of Gems; Gamma Irradiation in Quartz; INTRODUÇÃO

Os raios X transcorreram-se de uma descoberta acidental observada pelo pesquisador Wilhelm Conrad Roentgen durante seu estudo sobre a ocorrência da luminescência. Em seus experimentos, Roentgen colocou em uma câmara escura uma caixa contendo um filme negro e um tubo de crookes de raios catódicos. Próximo a esta caixa deixou um papel revestido de platinocianeto de bário, quando a energia cinética era fornecida aos elétrons do tubo de crookes, fazia com que houvesse a emissão de radiação eletromagnética que marcava o filme negro. O pesquisador observou tal efeito e começou a colocar variados objetos opacos entre o papel fotográfico e o tubo de raios catódicos e constatou que a radiação que saia do tubo possuía alto poder de penetração, pois vários objetos não há atenuavam por completo (CRISTINI, 2011; CGEE, 2010; MEDEIROS, 2007).

Roentgen contribuiu de forma significativa para a radiologia industrial, pois foi a primeira pessoa a radiografar ferramentas com a intenção de observá-las de modo não destrutivo (figura 1).

Logo após diversas tentativas, chegou a radiografar a mão de sua esposa, e obteve como resultado a demonstração da estrutura óssea interna. Com o decorrer do tempo, os raios X começaram a ser usados para detectar falhas internas em soldas fundidas e outras formas metálicas (CRISTINI, 2011; CGEE, 2010; MEDEIROS, 2007).

A American Society Of Mechamical Enginurs - ASME abriu as portas para a aceitação e o uso dos raios X na indústria (CGEE, 2010).

Em 1933 o casal Jean Frederic Joliot e Irene Joliot Curie, foram os primeiros a produzir fontes radioativas artificiais. As fontes reproduzidas de modo artificial costumam ter maior eficiência no quantitativo de exposição do que fontes radioativas naturais, além ter o custo mais acessível, o que propiciou o aumento da utilização da radiação gama na radiologia industrial (CRISTINI, 2011).

O físico Antoine Henri Becquerel, por meio de estudos com sais de urânio atentou-se ao fato da emissão de radiação capaz de velar películas fotográficas e penetrar papel pesado, chegando à conclusão de que o urânio era a fonte de radiação

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ionizante. Verificando pela primeira vez o fenômeno da radioatividade natural (CRISTINI, 2011; MEDEIROS, 2007).

No início do século XX, anos após a descoberta de Henri Becquerel, alguns pesquisadores analisaram que pedras preciosas e semipreciosas (gemas) poderiam ter suas cores alteradas pela radiação ionizante (ABEN, 2012).

As pedras preciosas totalmente naturais estão cada vez mais escassas em áreas de garimpo e lavras. Por consequência, a indústria joalheira se viu na necessidade de utilizar gemas tratadas por algum processo que as beneficiem, de modo a induzir ou intensificar sua cor inicial, e até mesmo melhorando possíveis defeitos. A aplicação de pesquisas acerca da coloração de materiais gemológicos começou a partir da década de 80 pelo grande crescimento da indústria de joias (ABEN, 2012; DRUMMOND, 2009; PAGNAN, 2016).

Figura 1. Radiografia retirada do rifle de caça de Roentgen. Do qual já era perceptível ver uma falha no cano. FONTE: MEDEIROS, 2007.

Em dados divulgados pela Comissão Nacional de Energia Nuclear – CNEN e Centro de Gestões e Estudos Estratégicos – CGEE, aproximadamente 70% das gemas em uso na indústria joalheira passaram por algum processo que as beneficiaram. Os tratamentos de maior aplicação e procura pela efetividade de resultados são os que fazem uso de irradiação seguida ou não de tratamento térmico simples (ABEN, 2012).

O Brasil é um país rico em minerais e materiais gemológicos. Sendo o quartzo um dos minerais em maior abundância. Theophrastus em seu trabalho On Stones, com data de publicação aproximada de 300 anos a.C., já fazia referência ao quartzo. Provavelmente os cristais de quartzos tenham sido os primeiros minerais a serem utilizados pelo homem como adorno (DRUMMOND, 2009).

O quartzo hialino (incolor) é encontrado em diversos ambientes geológicos, sendo comum em rochas sedimentares, metamórficas e ígneas Pelo grande percentual de quartzos incolores encontrados na natureza, seu custo comercial é rebaixado (DRUMMOND, 2009). Mas, sua demanda é abrangente, sendo de imenso uso na indústria: óptica, de eletrônicos, de instrumentação, de abrasivos, de cerâmica, metalúrgica e de joias (ABEN, 2012; LIMA, 2015).

Os Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN/SP e o Centro de

Desenvolvimento e Tecnologia - CDTN, são as únicas entidades brasileiras que empregam pesquisas sobre a mudança de coloração do quartzo. As demais empresas empregam os minerais de quartzo a irradiação gama, apenas com o intuito de aumentar o valor comercial. Como é o caso da Empresa Brasileira de Radiações CBE- Embrarad que foi a primeira a fazer o beneficiamento de pedras preciosas e até hoje desempenha um papel importante na irradiação de gemas no Brasil (ABEN, 2012).

O quartzo hialino vem surpreendendo pela sua elevação em relação aos demais minerais gemológicos, por adquirir uma maior gama de cores quando passa por processos de tratamento apropriado. Por via de irradiação gama o quartzo obteve cores jamais vistas antes de modo natural, como o green gold, fumê, honey, morion e o conhacne. Tornando o quartzo incolor uma matéria-prima produtiva para a indústria de joias. Um mineral de quartzo de baixo custo comercial, após passar por tratamento, pode se tornar uma gema com valorização na faixa de 300% do seu valor inicial (ABEN, 2012).

No momento presente toneladas de quartzo incolor no Brasil ganham agregação de valor por meio de irradiação gama por mês. Ainda sim, esses procedimentos é um mecanismo de tentativa de erros na aquisição de cores variadas (BARBOSA, 2012).

As irradiações de minerais são comumente feitas em irradiadores gama do tipo piscina, com projeção para múltiplas finalidades como: desinfecção e desinfestação de obras de arte e livros, radioesterelização de peças cirúrgicas e de tecidos biológicos, irradiação de alguns alimentos, dentre outros (RIBEIRO, 2010).

Este artigo de revisão teve por objetivo analisar a aplicação da radiação ionizante no tratamento de gemas em âmbito industrial. Priorizando exclusivamente o uso de irradiação com cobalto-60 no beneficiamento, mudança de coloração é agregação de valor do Quartzo Hialino, com a finalidade de alterá-lo para Quartzo Green Gold de matriz verde-amarelada.

Materiais e Métodos

Este artigo científico de pesquisa foi desenvolvido a partir de análises em bases eletrônicas de dados, como Google Acadêmico, repositório em teses de mestrado e doutorado de universidades como a USP, UNESP, e universidades federais como a UFMG e UFOP, que por sua grande maioria apresentaram pesquisas em parceria ao Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN; artigos científicos retirados da SciELO; verificações a livros contendo assuntos relacionados a mineralogia e estudos de gemas; Revistas e Informes em parceria a Comissão Nacional de Energia Nuclear – CNEN, ao Ministério de Minas e Energia, ao Centro de Gestões e Estudos Estratégicos - CGEE e a Secretária Executiva de

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Ciências, Tecnologia e Meio Ambiente - SECTAM; além de informativos da Associação Brasileira de Energia Nuclear - ABEN. Foram usadas como palavras-chaves: Irradiação, Cobalto-60, Gemas, Quartzo, Green Gold.

Com base nestas pesquisas, foi observada a empregabilidade de Irradiadores de cobalto-60, para o tratamento e beneficiamento do quartzo hialino com o objetivo de induzir a coloração green gold. Com o diferencial de ser uma gema adquirida artificialmente por irradiação gama e aquecimento simples. Radiação Ionizante

Por denominação a radiação é uma energia em movimento, emanado por meio de fonte, com transmissão possível através do vácuo, ar ou por meio material. No entanto, para a radiação ser considerada ionizante ela precisa ter a capacidade de ejetar elétrons, seja de átomos ou moléculas. A ionização pode decorrer de modo direto ou indireto. De forma direta, a ionização é possível por intermédio das partículas radioativas carregadas eletricamente, das quais podem ser citadas as partículas alfa, beta e prótons. A ionização indireta é estimulada por partículas não carregadas, tais como os fótons e nêutrons (SANTOS, 2017).

Para incitar a ejeção do elétron, é preciso sujeitá-lo a uma energia ionizante de valor igual ou maior que a sua de ligação com o átomo (SANTOS, 2017).

Fótons são corpúsculos de massa muito pequena, que não apresentam carga elétrica, mas lhes confere as características de ondas eletromagnéticas. A classificação dos fótons depende da sua origem. De modo que, podem suceder de transições nucleares como é o caso dos raios gama ou raios X advindos de freamento de elétrons acelerados, raios X do tipo característico, radiação de aniquilação, dentre outras formas (SANTOS, 2017; THRALL, 2003).

Ionização e excitação são processos que podem ocorrer no átomo pela consequência da deposição de energia provocada pela passagem de radiação. Os fótons depositam sua energia cinética nos átomos de modo indireto (por interações). Porém essas interações ocorrem com baixa frequência, o que garante o grande poder de penetração dos fótons na matéria. Mas a absorção da radiação varia exponencialmente à medida que as partículas penetram o meio (SANTOS, 2017).

Interações da Radiação com a Matéria

Há variados tipos de interações da radiação com a matéria. Tomando partido de que as transições nucleares são as mais prováveis, podem ser descritas como principais os efeitos: Compton, Fotoelétrico e Produção de Pares (SANTOS, 2017). Fotoelétrico

Um fóton incidente colide em um elétron, transferindo-lhe totalmente a sua energia e desaparece enquanto o elétron é ejetado para fora do átomo (figura 2) (THRALL, 2003; SANTOS, 2017).

Este efeito acomete mais nos elétrons das camadas mais internas do átomo, como as camadas K e L, o que provoca excitação. Quando os elétrons são ejetados, em seu lugar fica uma vacância que logo é preenchida por outro elétron, o que implica na formação de raios X Característicos ou Elétrons Auger. Tais interações transformam o átomo em um íon excitado (THRALL, 2003; SANTOS, 2017).

Figura 2 - Efeito fotoelétrico. FONTE: SANTOS, 2017 Compton

Neste efeito há a colisão de um fóton incidente com um elétron da camada mais externa. O fóton transfere parte da sua energia ao elétron e muda de direção (figura 3). Já o elétron é ejetado do átomo. Por consequência esse processo também causa a ionização do átomo. Este efeito tem maior predominância em fótons de média e alta energia (THRALL, 2003).

Figura 3 - Efeito Compton. FONTE: SANTOS, 2017

Produção de Pares

Neste efeito o fóton incidente interage diretamente com o campo Coulombiano do átomo, sendo-lhe absorvido totalmente, de forma que sua energia é convertida em um par de Elétron/Pósitron. Para a ocorrência deste efeito é necessário que o fóton tenha energia igual ou superior a 1,022 MeV (Mega elétron-Volts). Como há a ejeção do elétron o átomo torna-se ionizado (figura 4) (THRALL, 2003; SANTOS, 2017).

O Pósitron que é ejetado do núcleo do átomo é aniquilado ao se colidir com um elétron livre. Desta combinação um par de fótons em

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direções opostas com energia de 511 KeV cada (Quilo elétron-Volts) são formados (THRALL, 2003; SANTOS, 2017). Técnicas de Irradiação

Como formas de irradiação em gemas existem até então os Irradiadores de Cobalto-60, Aceleradores de Elétrons de tipagem industrial e Reatores de Nêutrons, com representação de utilização na Tabela 1. O método por irradiação gama tem principal enfoque no uso comercial e de pesquisa, sendo o único procedimento que não necessita passar pelas normatizações das agências reguladoras de gemas irradiadas demandadas para exportação e importação. As principais agências reguladoras são a Nuclear Regulatory Commission - NRC e American Gem Trade Association - AGTA. Os demais métodos de irradiação as gemas são obrigadas a passar por um prazo de quarentena, pois essas técnicas podem radioinduzir as gemas. Fato que não ocorre na irradiação gama, uma vez que não há interações dos fótons com os núcleos dos átomos constituintes das moléculas dos cristais (ENOKIHARA, 2013; ABEN, 2012).

Figura 4 - Efeito de produção de pares. FONTE: SANTOS, 2017 Produção do Cobalto-60

O cobalto-60 (60Co) é o emissor de radiação gama mais utilizado na indústria. Para a produção deste radioisótopo, deve se iniciar o processo com o cobalto natural constituído inteiramente por cobalto-59 (59Co). Pequenas partilhas são produzidas com o cobalto em pó sinterizado, que são seladas em cápsulas de Zircaloy e passam aproximadamente dois anos em reatores nucleares de potência sendo irradiado com nêutrons (SANTOS, 2017).

O 59Co absorve um nêutron se transformado em 60Co. Depois da irradiação com

nêutrons o material é ativado, as pequenas partilhas ativadas são encapsuladas em tubos de aço inox. Por intermédio deste processo é formada a fonte selada de 60Co, conhecida comercialmente como lápis de cobalto ou souce pencil. De modo padrão, as medidas dos lápis radioativos devem ser 40 cm de comprimento por 1 cm de diâmetro, com suportes selados localizados verticalmente lado a lado como mostra a (figura 5) (ENOKIHARA, 2013; SANTOS, 2017).

Figura 5 - Esquema da disposição das fontes de 60Co de um irradiador industrial. FONTE: SANTOS, 2017

Irradiadores com Fonte de Cobalto-60

Os irradiadores de 60Co de grande porte ou de pesquisa são empregados na indução de coloração de gemas. Com principal destaque e bons resultados na irradiação de quartzos, pela sua vasta aquisição de cores, qualidade e estabilidade (PINTO, 2012).

A radiação do 60Co apresenta de modo simplificado as emissões de dois fótons gama, com picos máximos de energia de variação entre 1,17 MeV e 1,33 MeV, com tempo de meia vida (tempo estipulado para que a atividade de uma amostra decline pela metade) de aproximadamente 5,2 anos. A irradiação gama produz uma uniformidade na cor de determinadas gemas em comparação a outros métodos, não gerando radionuclídeos, pois só interage com a retirada de elétrons dos átomos, sem que interfira

Tipo de radiação Energia (MeV)

Uniformidade de coloração

Energia elétrica

requerida

Radioatividade induzida

Aquecimento localizado

ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO

Raios Gama 1 Boa Nenhuma Não Não PARTÍCULAS

Elétrons 1 Baixa Alta Não Muito alta Elétrons 10 Baixa Alta Sim Muito alta

Nêutrons rápidos 1 Boa Muito alta Sim Não

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nos núcleos atômicos, além de não causa danos às gemas por alto aquecimento (CGEE, 2010; OMI, 2006).

O irradiador do tipo Tote Box (fig. 6) é o mais usado no Brasil. Mas existem outros modelos como o Conveyor e Pallet. Todos esses irradiadores comerciais são do tipo piscina, os minerais-gemas ficam envoltos em um cesto no formato de placa de aço fixados em estruturas que submergem na piscina (figura 7), da qual tem aproximadamente 7 metros de profundidade, onde estão localizadas as canetas de 60Co (CGEE, 2010; OMI, 2006).

Figura 6 - Irradiador gama (cobalto-60) tipo Tote Box modelo mais comum usado para irradiar gemas. FONTE: CGEE, 2010.

Figura 7 - A) Amostra de cesto de aço onde são colocados os minerais. B) Esquema do dispositivo simplificado de irradiação. FONTE: Adaptação de BARBOSA, 2012 e OMI, 2006.

A norma da CNEN NN 6.04 de resolução n° 145, de 20 de março de 2013,

se aplica para as instalações de radiografia industrial para a segurança e proteção

radiológica, de acordo com a resolução para licenciamento de instalações radiativas.

Esta norma se aplica a: • Pôr em vigor as exigências de

segurança e proteção radiológica (utilização, armazenamento, posse e transporte de fontes de radiação, que serão utilizadas nessas instalações), cruciais para as instalações de radiografia industrial funcionar corretamente, conforme a resolução 112/11- "Licenciamento de Instalações Radiativas".

• Aos equipamentos que geram radiação ionizante, fixos ou móveis, que são utilizados para inspecionar cargas em portos, fronteiras, aeroportos e outras aplicações equivalentes que se enquadram aos requisitos de proteção radiológica.

Como forma de segurança, se adequando a norma acima citada, os irradiadores apresentam sistema de contenção de fonte, sistema de radioproteção como a blindagem necessária das paredes (cerca de 2 metros de concreto), detectores, dispositivos de segurança em casos de acidente, sistemas de deionização (retirada de íons na água) e resfriamento da água na piscina, sistemas de proteção física, sistema para transporte de materiais dentro das zonas de exposição e movimento de material durante irradiação e locação apropriada para armazenamento de materiais processados e não processados (CGEE, 2010; DRUMMOND, 2009; OMI, 2006).

Geralmente os irradiadores usados nesse processo principalmente no Brasil são do tipo piscina, e não são específicos para a modalidade de irradiação de pedras preciosas e semipreciosas. Entretanto, no trabalho de Omi (2006), em parceria ao IPEN - Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares, apresentaram um modelo inédito, um específico irradiador de minerais gemológicos. Sua estrutura dispõe de cestos cilíndricos de movimentos de translação e rotação em volta de uma porta com fontes cilíndricas, contribuindo para uma

distribuição uniforme de dose nas gemas (Fig. 8) (OMI, N. Minoru, 2006). Dose

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Segundo Santos (2017), a dose (quantitativo de energia de radiação ionizante absorvida pelo material) absorvida nos materiais é dada na unidade Gray (Gy), obtida pela equação:

D=Ed Md

D= dose absorvida (J/Kg ou em Gray, 1

Gy equivale a 100 rad); Ed= quantitativo de energia J; Md= quantitativa de massa Kg.

Coloração Influenciada por Radiação Gama

Variações na cor do quartzo podem ser facilmente obtidas quando expostas a raios gama, contendo ou não o acréscimo de tratamento térmico. Os quartzos com variação de coloração encontrados na natureza adquirem essa característica pela presença de elementos radioativos próximos aos minerais de quartzo. Os mais comuns são: Urânio-238, o Tório-232 e o Potássio-40. Entretanto as colorações adquiridas de modo natural demoram cerca de 80 a 120 milhões de anos para mudar e estabilizar sua cor. As maiores reservas de quartzo estão nos estados de Minas Gerais (maior produtor no mundo de quartzo, demandados tanto para uso industrial, gemológico e de coleção), Mato Grosso do Sul, Santa Catarina, Goiás, Bahia, Tocantins e Para (DRUMMOND, 2009; ABDALLAH, 2010; MME, 2009)

Todo e qualquer mineral ou gema quando sujeita a radiação gama pode desenvolver os centros de cor. Mas para tal mudança priorizando o quartzo, são essenciais dois tipos de precursores, chamados de centro de lacuna e centro de elétron (BARBOSA, 2009).

O denominado centro de lacuna pode pré- existir como uma

impureza, átomo, íon, moléculas ou defeitos que possuam parelhas de elétrons. O importante nestes materiais é a possibilidade de um elétron ser ejetado pelos fótons gama, dando origem um centro de lacuna (espaço deixado pela falta do elétron ejetado) (BARBOSA, 2009).

Esse elétron ejetado é capturado por um

precursor de centro de elétron, que por consequência é um íon nas proximidades do átomo. As lacunas formadas neste efeito interagem com as ondas do espectro de luz de uma forma diferente, absorvendo fótons de comprimentos de onda específicos. Quando esses fotos estiverem no espectro visível ocorre à alteração da cor no material, sendo, portanto um efeito visual óptico (ENOKIHARA, 2013).

Em outras palavras a sequência de acontecimentos ocorre da seguinte maneira, a interação predominante da radiação gama resultante do cobalto-60 é o Efeito Compton, do qual, o fóton gama incide em um elétron orbital da estrutura cristalina, encaminhando parte da sua energia inicial ao elétron, que sofre a ejeção do átomo. O fóton incidente muda de curso e sai com menor energia do que obtinha inicialmente. Devido à ejeção do elétron a há criação de uma vacância (centro de lacuna) (figura 9) (ENOKIHARA, 2013).

Figura 9 - a) Precursores de centro de Laguna e de elétrons; b) formação dos centros de lacuna e de elétrons. FONTE: ENOKIHARA, 2013.

Praticamente todos os minerais dispõe de um predecessor de centro de lacuna, ainda sim, se não houver um predecessor de centro de elétron ou caso o elétron seja ejetado e não for capturado em seguida, o elétron retornar à sua localidade de origem. Por consequência o mineral mantém-se incolor ou preserva sua coloração inicial. Para a estabilidade da cor perante a atuação da luz ou do calor é essencial que a captura do elétron seja resistente, caso contrário o efeito é inconsistente (ENOKIHARA, 2013).

Cristalografia

Essencialmente a cristalografia é o estudo em nível atômico da estrutura dos sólidos cristalinos, observando a disposição dos átomos, não dependendo da sua origem e nem do seu estado físico, determinando as propriedades dos sólidos (TILLEY, 2004).

O marco da cristalografia foi à percepção de que os raios X poderiam ser utilizados para observar a estrutura da matéria, de uma maneira não invasiva. Ao atingir um objeto, os raios X fazem com que átomos do objeto se espalhem.

dos cestos; FONTE: OMI, 2006.

Posicionamento das fontes na piscina (cilíndrica); 2-Vista superior do eixo de rotação dos cestos em volta da fonte. 3-Dispositivo planetário com catraca de acionamento do posicionamento angular dos cestos; FONTE: OMI, 2006.

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Devido a um arranjo regular dos átomos de cristais, os raios X se dispersam somente em algumas direções específicas, e por meio de medições da intensidade e direção e dos feixes espalhados, os cientistas produziram uma imagem da estrutura atômica do cristal tridimensional (SILVA, 2010; TILLEY, 2004). O estado sólido da matéria é composto por átomos, íons e moléculas, que possuem uma ligação muito forte, restringindo os seus movimentos no espaço, apresentando uma estrutura rígida. As propriedades dos sólidos variam de acordo com o tipo de força que mantém os átomos, íons e moléculas unidos. A classificação do sólido se dá por cristalinos ou amorfos (figura 10) (TILLEY, 2004; ALKIMIM, 2012).

Figura 10 - Sólido cristalina e Sólido a amorfo com exemplificação na formação SiO2. FONTE: CHEMISTRY CHALLENES AND SOLUTIONS.

• Cristalinos: seus átomos constituintes de 11 moléculas possuem a organização seguindo um padrão constante e tridimensional, ou seja, em simetria translacional. Tem a ordem de longo alcance.

• Amorfos: seus átomos, íons e moléculas não são organizados, ou seja, não estão em simetria translacional. Tem a ordem de curto alcance. Estrutura Cristalina

É definida pelo conjunto de pontos que podem ser átomos ou grupo de átomos, que se repetem periodicamente no espaço tridimensional, formando uma rede credenciada. (IBMG, 2005) Um cristal pode ser definido como um conjunto de átomos distribuídos em uma rede determinada por três vetores lineares independentes a, b, c, que recebem o nome de vetores fundamentais de translação, o arranjo atômico é semelhante em todos os aspectos se for observado por dois vetores posição r e r1, são relacionados por:

r1 = r + ha + kb + lc

Com h, k e l sendo inteiros arbitrários. O r

fixo no conjunto variando h, k e l, recebe o nome de rede cristalina (TILLEY, 2004).

A estrutura do cristal é formada colocando uma base de átomos sobre cada ponto da rede cristalina, idêntica em todos os pontos da rede. Formando a relação entre estrutura com, rede cristalina e base de átomos (figura 11) (TILLEY, 2004).

Figura 11 - a) Rede cúbica simples, b) base de um único átomo, c) estrutura cristalina. FONTE: MINERALOGIA E QUÍMICA DO SOLO, 2014.

Todos os paralelogramos são idênticos, podendo escolher somente um, o determinando como a menor porção da rede retratada no espaço (TILLEY, 2004).

Repetindo o paralelogramo que é denominada célula unitária (figura 12), que gera todo o cristal. A célula unitária é formada por um número limitado de átomos, que ocupa determinado volume. A célula unitária é chamada de primitiva quando possui somente um ponto da rede, já o não primitivo ocorre quando célula unitária possuir mais de um ponto da rede (TILLEY, 2004).

Figura 12 - Célula unitária cúbica. FONTE: CHEMISTRY LIBRETEXTS, 2016.

Sendo assim quando um ponto estiver

dentro da célula, é pertencente somente dela, e quando o ponto estiver no vértice de uma rede é pertencente de 8 células (TILLEY, 2004). Eixos Cristalográficos

O tamanho e a forma da célula unitária são descritos pelos três vetores a, b e c, são

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designados por eixos cristalográficos e junto com os ângulos que são formados entre eles, formam os parâmetros da rede de uma célula unitária (figura 13) (TILLEY, 2004).

Os eixos cristalográficos são um conjunto de linhas imaginárias, que são paralelas aos ângulos que limitam as principais faces de um cristal, E essas linhas se cruzam no centro da célula unitária (TILLEY, 2004).

Os três eixos são perpendiculares em relação aos outros. O eixo a está do fundo para frente horizontalmente; o eixo b esta da esquerda para a direita horizontalmente; e o eixo c está de baixo para cima na vertical. Uma extremidade de cada eixo recebe um sinal + (positivo), e a outra recebe um sinal - (negativo) (TILLEY, 2004).

Figura 13 - Eixos cristalográficos. FONTE: MINERALOGIA E QUÍMICA DO SOLO, 2014. Sistemas Cristalinos

Segundo os comprimentos de acordo com os eixos cristalográficos (a, b, c) e seus anguloso (alfa, beta, gama), são formadas células unitárias primitivas, com diferentes tamanhos e formatos que em conjunto denominam o sistema cristalino (TILLEY, 2004).

É possível a formação de 14 tipos de células unitárias geométricas, as redes cristalinas possíveis são decorrentes desses 14 tipos de células adquire o nome de células de Bravais, que estão em conjunto em sete sistemas cristalinos representados na tabela 2 (SILVA, 2010; TILLEY, 2004).

Sistema

Cristalino

Geometria da Célula Unitária

Parâmetros da Célula

Grupo 1 Cúbico

α=β=γ=90° a=b=c

Grupo 2

Tetragonal

α=β=γ=90° a=b≠c

Hexagonal

α=β=90°γ=120°

a=b≠c

Trigonal:

a=b=c α=β=γ≠90°

Grupo 3

Ortorrômbico

a=β=γ=90° α≠b≠c

Monoclínico

a=γ=90°≠β α≠b≠c

Triclínico

a≠β≠γ≠90° α≠b≠c

Tabela 2 - Classificação dos cristais por sistema cristalográfico. FONTE: Adaptação de CHEMISTRY LIBRETEXTS, 2016. Definição de Gema

O termo gema pode ser subtendido como uma substância rara com brilho, dureza, cor, tradição, simbolismo e preciosidade. A variedade de gemas existentes na natureza desperta interesse desde as civilizações mais antigas, sendo utilizadas por reis, rainhas e cidadãos de influência política, atraídos por sua beleza, representação espiritual e misticismos. Posteriormente se tornou facilmente moeda de troca entre comerciantes. Atualmente o termo gema é o modo correto de se designar a pedras preciosas e semipreciosas, que são fornecidas principalmente a indústria de joias artesanais (luxo), joias em série e joias folheadas, indústria de acessórios usados como enfeite em vestimentas, adornos, sapatos, relógios, celulares, peças religiosas entre outros (SECTAM, 2003; CGEE, 2010).

A área da mineralogia que estuda e pesquisa especificamente as gemas é denominada de gemologia. A pesquisa de materiais gemológicos analisam não só a estrutura da gema (propriedades físicas e químicas), mas também produção (natural ou artificial), identificação, lapidação (dar forma para realçar características especiais) e polimento das gemas (CGEE, 2010).

Segundo a Secretaria Executiva de Ciências, Tecnologia e Meio Ambiente - SECTAM (2003) as gemas podem ser classificadas em:

• Gemas artificiais: criadas artificialmente

em laboratórios, sem achados correspondentes na natureza.

• Gemas inorgânicas: substâncias

compostas por minerais, rochas, granitóides, mármore, dentre outros compostos semelhantes.

• Gemas sintéticas: assim como as gemas artificiais as gemas sintéticas também são criadas artificialmente, porém, apresentam correspondentes presentes na natureza.

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• Gemas orgânicas: advêm de origem animal ou vegetal, sem ligação com minerais ou rochas, como as pérolas e fósseis.

• Gemas tratadas: nesse processo, as gemas com menor raridade ou valor comercial passam por processo de beneficiamento para agregação de valor. Os tratamentos podem ser com irradiação, tratamentos térmicos, ópticos, entre outros dependendo do tipo de gema.

A cor da gema é um importante fator de beleza e avaliação de mercado. Determinados minerais e pedras preciosas têm propriedades que permitem sua mudança de coloração, devido a tratamentos que melhoram a sua aparência, disfarçam imperfeições ou até mesmo mudam as propriedades químicas e físicas. Não são todas as gemas que podem passar pelo mesmo processo de tratamento e sofrer mudanças satisfatórias no material. Por esse motivo é importante diferenciar os tipos de gemas em relação a sua composição e aspectos físicos (LIZ, 2007; LIMA, 2015). A unidade de medida das gemas é o quilate (caract em inglês - ct), de modo que 1ct equivale a 0,2 gramas (SECTAM, 2003).

Quartzo Estrutura do Cristal de Quartzo

O quartzo está entre os minerais mais comuns na crosta terrestre, encontram se na classe dos silicatos de arranjo tetraédrico, onde o centro é ocupado por um átomo de silício (Si) e em cada lado dos quatro vértices e ocupado por um átomo de oxigênio (O) de fórmula SiO4 (figura 14). Quando os tetraédricos ligam se, resultam numa estrutura cristalina e eletricamente neutra de formulação SiO2 (ENOKIHARA T., 2013; GUZZO, 1992; LUZ, 2000; ALKIMIM, 2012).

Figura 14 - a) Estrutura tetraédrica SiO4 do quartzo, os oxigênios (vermelho) se ligam ao átomo de sílica (branco), b) tetraedros interligados formando uma forte estrutura. FONTE: Adaptação de ENOKIHARA, 2013 e BARBOSA, 2012.

As principais propriedades físicas e ópticas do quartzo estão expressas na Tabela 3.

PROPRIEDADES FÍSICAS E ÓPTICAS

Composição = 46,7% Si - Densidade = 2,65

53,3% O Peso específico = 2,6481

g/cm³ Dureza (escala de Mohs) =

7 Ponto de fusão = 1705 ºC Ponto de ebulição = 2477 ºC

Brilho = Vítreo, gorduroso Transparência = transparente e translúcido

Sistema Cristalino:

quartzo α = trigonal quartzo β = hexagonal

Propriedades piezoelétricas e pirelétricas = acentuadas

Tabela 3 - Propriedades físicas e ópticas do quartzo. FONTE: ENOKIHARA, 2013.

A temperatura é um dos fatores que influenciam mudanças na estrutura cristalina do quartzo. Tais mudanças alteram o arranjo tetraedro do quartzo para a formação de estruturas denominadas de polimórficas da sílica, das quais os dominantes são as classes de quartzo α (alfa) e quartzo β (beta) (BARBOSA, 2012; GUZZO, 2008; ROSSMAN, 1982).

Em temperaturas abaixo de 573ºC encontram-se de forma consistente em um sistema trigonal o quartzo α. Nas temperaturas maiores que 573ºC até 870ºC encontra-se elaborado em sistema hexágonal o quartzo β (GUZZO, 2008).

Pelo fato do quartzo β coexistir somente em temperaturas muito elevadas, o quartzo α encontra-se em maior predominância principalmente em rochas ígneas, sedimentares e metamórficas. O quartzo α também se destaca pela maior escala de matrizes de cor. No Brasil praticamente todo quartzo extraído está classificado na categoria de quartzo α, sendo o grupo de abordagem deste artigo (BARBOSA, 2012).

O quartzo α abrange o eixo óptico cristalográfico C, e perpendicular a esse eixo, situam-se três eixos horizontais de mesma extensão. A célula unitária do grupo α é formado por 3 átomos de silício ligados a 6 átomos de oxigênio. No caso dos tetraédricos de composição SiO4, possuem ligação parcialmente iônica e covalente. Sua estrutura e estabelecida helicoidalmente no formato de espiral ou hélice em torno do eixo óptico C, com representações na figura 15 (GUZZO, 1992; BARBOSA, 2012; ENOKIHARA, 2013).

a) b)

c)

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Figura 15 - Eixos cristalográficos do quartzo, b) célula unitária do quartzo, c) estrutura tetraédrica do quartzo organizado helicoidalmente. FONTE: ENOKIHARA, 2013.

A organização dos tetraedros propicia a formação de canais grandes e pequenos (figura 16), paralelos ao eixo cristalográfico C. Estes canais ocupam cerca de 1⁄2 da célula unitária do quartzo (ENOKIHARA, 2013; BATISTA, 2008).

Figura 16 - Representação do arranjo dos tetraedros mostrando os canais grandes e os canais pequenos. FONTE: adaptação de ENOKIHARA, 2013 e BATISTA, 2008.

O mineral de quartzo em estado bruto é relativamente puro, contudo apresenta quase que obrigatoriamente impurezas ou defeitos em sua estrutura. As impurezas são consideradas como elementos ligados à rede cristalina de caráter substitucional ou intersticial (RIBEIRO, 2010).

Impurezas de caráter substitucional são elementos capazes de substituir os átomos de Si+. Pelo fato do íon de Si4+ ser de tamanho reduzido a estrutura do cristal integra poucos elementos ao seu lugar, tal como o alumínio trivalente (Al3+), o ferro trivalente (Fe3+) e quatro íons de hidrogênio (4H+). Impurezas substitucionais podem coexistir em duas modalidades: isoeletrônicas e heteroeletrônicas. As isoeletrônicas ocorrem quando o cátion substitucional do Si4+ dispõe de mesma carga. As heteroeletrônicas transcorrem quando o íon de Si4+ é substituído por um cátion de carga oposta, como é o caso do Al3+ ou Fe3+ (BARBOSA, 2012 BARBOSA, 2009; BATISTA, 2008).

Impurezas de caráter intersticial são cátions monovalentes balanceadores de carga, localizados entre os canais pequenos e grandes na estrutura cristalina (ROSSMAN, 1988).

Em uma única amostra de quartzo pode conter consideráveis números de defeitos no conjunto tetraedro SiO4, sem contar da presença

de elementos substitucionais. Estes que são considerados defeitos de ligações moleculares do quartzo, são formados por tensão e ruptura da ligação entre silício e oxigênio (ruptura Si-O) (ROSSMAN, 1988).

A mudança de cor, se tratando dos minerais de quartzo, é referente à substituição do Si4 por íons de Fe3+ e Al3+, o que ocasiona uma instabilidade eletrônica, que pode ser neutralizada com a comparência de cátions, que irão desempenhar a função de estabilizadores de carga. Mas as variedades de cores são relativas à formação química do quartzo e o ambiente geológico do qual foi retirado (BARBOSA, 2012).

Um dos aspectos que propiciam as rupturas das ligações e agregação de impurezas são o crescimento rápido do mineral, temperatura, pressão e os elementos químicos presentes no ambiente.

Formação Geológica dos Quartzos Pegmatíticos

Quartzos de origem pegmatíticos são encontrados nas localidades das regiões sul, norte e centro-oeste do Brasil (fig 17). A formação destes quartzos são em temperaturas entre 400 a 500ºC com pressão aproximada de 1500 a 3000 Kgf/cm2 com crescimento lento, por esse motivo, apresentam pouco defeitos relacionados a crescimento (PINTO, 2012; CORREA, 2010).

Os quartzos encontrados em domínio pegmatíticos são: os citrinos, as ametista, o quartzo rosa leitoso e o quartzo incolor, principalmente extraído de Minas Gerais (SZCZEPANIAK, 2016).

Figura 17 - (a) Cristal de quartzo com marcas de crescimento. (b) A mostrar de quartzo hialino bruto. FONTE: DRUMMOND, 2009.

Interações do Quartzo com os Traços de Alumínio

Como já mencionado anteriormente na estrutura tetraédrica do SiO4, o silício pode ser substituído por impurezas de Al3+, Fe3+ ou 4H+, e para manter o equilíbrio eletrônico e favorecer a estabilidade de cor é preciso conter íons nos canais da rede cristalina, como o: lítio (Li+), hidrogênio (H+), potássio (Na+) e ferro bivalente (Fe2+).

Mas para a obtenção do quartzo green gold a impureza substitucional de interesse e destaque é o Al3+. De modo que, o elemento alumínio será o de maior abordagem e discrição neste artigo (BARBOSA, 2012).

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O alumínio é um dos minerais mais comuns na crosta terrestre. Quando o Al3+ substitui o íon de silício na estrutura do cristal de quartzo, os íons intersticiais compensadores de carga mais comuns de se aproximarem a essa estrutura são o Li+ e o H+. Entretanto o alumínio é um dos elementos formadores de centro de cor de maior desconhecimento e de menor abordagem nos estudos relacionados à coloração do quartzo. Porém os centros de cor com Al3+ e a variedade de posicionamentos dos íons de interstício na ligação cristalina, chegam a formar tons terrosos e amarronzados chamados comercialmente de quartzo fumê e matriz verde-amarelada como quartzo olive e o green gold. Os quartzos com maior concentração de Li+ apresentam aquisição do green gold de melhor qualidade. Pelos estudos com termoluminescência que analisam a formação das cores nos cristais, o papel do íon de lítio não é totalmente compreendido quando se trata das matrizes nos centros de cor (BARBOSA, 2009).

Mas tanto os quartzos incolores com impurezas de lítio ou hidrogênio, têm consideráveis chances de transporem para a matriz verde-amarelada pós-irradiação gama é tratamento térmico. A figura 18 demonstra uma estrutura com impureza de alumínio e lítio do qual é exposta a irradiação gama com interação do Efeito Compton (BARBOSA, 2012).

Figura 18 - Configuração dos átomos do quartzo puro e do quartzo com impureza de Al e Li. FONTE: ENOKIHARA, 2013.

No Brasil até o momento, as localidades de São José da Safira no estado de Minas Gerais e Santana do Araguaia no Pará, ganharam destaque por apresentar grande quantitativo de extração de quartzos com as características ideais para a indução ao green gold (ENOKIHARA, 2013).

Teoria de Indução de Cor Para explicar a indução de cores em

materiais gemológicos, são aceitáveis quatro teorias, que se adéquam a diferentes substâncias: Teoria de Banda, Teoria do Orbital Molecular, Efeitos ópticos e Teoria do Campo Cristalino (ENOKIHARA, 2013; PINTO, 2012).

Teoria de Banda: Este mecanismo pode

ocorrer em alguns minerais semicondutores como a Galena e o Diamante, os elétrons nesses materiais se movimentam no cristal como um todo, gerando cor por interações com luz visível. Por característica a teoria de banda considera todo sólido separado em bandas de condução e de valência, que no meio entre as essas bandas existe um espaço chamado de "banda de lacuna", da qual se designa níveis específicos de defeitos no cristal, tais como moleculares, pontuais ou planares. Nestes níveis os elétrons podem se alojar, gerando vários efeitos eletromagnéticos. Os efeitos eletromagnéticos podem ser de dois modos: absorção e emissão de fótons, efeitos de fosforescência e luminescência (ENOKIHARA, 2013).

Teoria do Orbital Molecular: nessa

teoria o mecanismo responsável pela indução da cor é a denominada transferência de carga. De forma simples o que ocorre nesses mecanismos são reações naturais de troca de elétrons por íons na tentativa de reorganizar o balanço eletrônico, devido a algumas causas: a irradiação de modo natural, calor excessivo ou a incidência de luz (ENOKIHARA, 2013).

Teoria dos Efeitos Ópticos: essa teoria

explica as cores advindas de efeitos físicos e ópticos (refração e difração). Porém, está teoria não tem aplicação quando se trata de irradiação de minerais gamológicos (ENOKIHARA, 2013).

Teoria do Campo Cristalino: essa teoria

explica as interações da rede cristalina com os elétrons dos elementos em transição, responsáveis pela mudança de cor na maioria dos minerais. Os elementos de transições mais conhecidos são: alumínio, ferro e níquel. O campo de aplicação desta teoria se abrange as cores provocadas por metais de transição, que estão presentes na composição química do mineral ou presença de impurezas que estimulam a formação dos centros de cor. O mecanismo centros de cor é o maior responsável pela mudança da matriz do quartzo Hialino, pois estão diretamente interligados a íons na rede cristalina expressos na Teoria do Campo Cristalino (ENOKIHARA, 2013; NASSAU, 1978). Preparação

A preparação pré-irradiação pode ocorrer em alguns casos. Esta preparação consiste no aquecimento dos cristais para deixá-los

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totalmente incolores. Pois quando o quartzo é encontrado em fase de coloração parcial natural, com a intenção de tornar o tratamento com irradiação gama mais efetivo, se expõe o material a uma temperatura que quebre totalmente os seus centros de cor em fase de formação, tornando-o incolor (BARBOSA, 2009).

Quartzo Green Gold

O quartzo Hialino é o mineral de maior variedade de tons adquiridos quando submetidos a tratamentos. Deste modo o quartzo hialino é originário do quartzo green gold, mas também de outras colorações como os quartzos: fumê, Olive, prasiolita, Cognac, Rose d' France, ametista, limão, azul, dentre outros ilustrados na figura 19 (CGEE, 2010).

A Empresa Brasileira de Radiações CBE-Embrarad na década de 80, foi a primeira empresa a irradiar com cobalto-60 o quartzo hialino e adquirir o green gold (figura 20) (CGEE, 2010).

Figura 19 - Diferentes variedades coloridas de quartzo adquiridas com radiação gama (cobalto-60). FONTE: CGEE, 2010.

Este quartzo de matrizes verde-amarelada conhecido como green gold, honey ou ouro verde, é um tipo raro de quartzo somente adquirido pelo tratamento a base de irradiação gama é térmico. Esta matriz de quartzo não é encontrada de modo natural, o que a torna quando lapidada uma gema de aquisição artificial, de cor jamais vista. Conta com bom valor comercial quando a matriz verde-amarelada é intensa e de qualidade (BARBOSA, 2012).

O quartzo hialino ideal para transpor a green gold deve apresentar o defeito de centro de cor Alsi

3+O4- e compensadores de carga presentes

nos canais intersticiais de Li+ ou H+. Quando submetido a tratamento com cobalto-60 e posteriormente tratamento térmico sua matriz de cor sofre uma alteração. As estruturas contendo percentual maior de Li+ seu centro de cor torna-se (AlsiO

4/Li+)0, estruturas de quartzo contendo percentual maior de H+ o centro de cor (AlsiO

4/H+)0 (BARBOSA, 2009).

Figura 20 - Quartzo green Gold bruto é lapidado. FONTE: BARBOSA, 2012.

Segundo Barbosa (2012), em sua dissertação de mestrado, apresentou pesquisas relacionadas à obtenção do quartzo green gold. Da qual submeteu 93 amostras de cristal de quartzo hialino retirados de Santana do Araguaia no estado do Pará, a um aquecimento de 162ºC a 310ºC. Posteriormente as amostras foram submetidas ao Irradiador de 60Co do IPEN/SP, com doses de 330 KGy. Após a irradiação, as amostras passaram por tratamento térmico em forno elétrico com temperaturas controladas variáveis entre 217ºC até 330ºC, com tempo de duração estimado de 15 minutos a 8 horas. Como resultado obteve-se variações de tonalidades de green gold, representados na figura 21.

Figura 21 - Amostras das aquisições de quartzo green Gold em variações de tonalidades. FONTE: BARBOSA, 2012.

As melhores tonalidades e com bom valor comercial estão nas amostras 1 a 11, com altas taxas de probabilidade de centro de (AlsiO

4/Li+)0. Nas amostras 12 a 17, com matrizes mais puxadas para o marrom, são muito prováveis de ter centros de cor (AlsiO

4/H+)0. Quanto mais intensa a matriz verde-amarelada do quartzo maior será o custo da gema de green gold comercialmente. Matrizes pouco intensas ou mais puxadas para o marrom o seu preço comercial tende a diminuir consideravelmente (BARBOSA, 2012).

Na dissertação de mestrado apresentado por Drummond (2009), do qual faz experimentos em diversas gemas na intenção de adquirir novas tonalidades de cor. Na aquisição do green gold, sujeitou a irradiação gama e tratamento térmico simples, duas amostras de quartzos hialinos extraídos da Mina Boca Rica no município da Galiléia-MG. A primeira amostra (figura 22) foi submetida à dose de 65 KGy com aquecimento de 310ºC a 315ºC, durante o período de 20

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minutos. Como resultado se adquiriu uma matriz intensa de tonalidade excelente e valor comercial alto. A segunda amostra de cristal (figura 23) foi submetida à dose de 400 KGy, posteriormente passou por tratamento térmico e adquiriu a matriz verde-amarelada de boa qualidade.

Figura 22 - Fotografia do lado esquerdo de um quartzo Green gold que foi irradiado a 65kGy e aquecimento térmico, e a direita uma pedra lapidada desse espécime bruto. Peso da gema é de 8,95ct. FONTE: DRUMMOND, 2009.

Figura 23 - Fotografia do lado esquerdo apresenta um quartzo green gold bruto que foi irradiado com 400kGy e a direita um a pedra lapidada desse espécime. Peso do quartzo é de 3,15ct. FONTE: DRUMMOND, 2009. Tratamento Térmico

O tratamento térmico em gemas consiste na intenção de alterar as propriedades de cor (fig. 24). Este efeito ocorre pela quebra de parte dos centros de cor. Esse processo pode ser executado de modo primitivo ou em fornos artesanais com fonte de aquecimento como: carvão, gás, óleo ou fontes elétricas com monitoração de temperatura. As temperaturas não devem ultrapassar valores exorbitantes, pois podem trazer ao quartzo danificações ou não adquirir a matriz desejada (BIASI, 2010; BARBOSA, 2009).

Figura 24 - quartzo incolor antes de tratamento de irradiação, b) após irradiações de 60Co, c) após tratamento térmico simples. FONTE: adaptação de BARBOSA, 2009.

Como em grande escala o minerais apresentam defeitos em sua estrutura cristalina, o tratamento térmico deve ser efetuado de forma gradual e com temperatura superior 100ºC (DRUMMOND, 2009).

Resultados e Discussão

Foi observado na construção desta obra acadêmica a importância da irradiação em pedras preciosas, semipreciosas e cristais. Principalmente no que se tratava da irradiação gama em quartzos incolores com a intenção de adquirir uma cor de matriz jamais encontrada na natureza.

Todos os autores das referências citadas neste artigo de revisão concordam que, o método de indução de cor no quartzo incolor de maior efetividade, é por uso de irradiação gama seguida por tratamento térmico simples.

Os estudos da origem de cor nos cristais foram profundamente pesquisados por NASSAU (1978), ROSSMAN (1982; 1988) e GUZZO (1992, 2008). Com citações indispensáveis em todos os trabalhos relacionados a cristais e formação de cor.

O tratamento através de irradiação gama é um método seguro, sendo o único que não passa por normatizações de agências reguladoras. Portanto, logo que irradiadas as gemas já podem ser conduzidas para o consumo ou passar por outros processos. Tal fato ocorre porque a irradiação com cobalto-60 apenas interage com os elétrons das ligações moleculares dos cristais, apenas alterando posições de elétrons orbitais, e de modo algum interferindo em núcleos atômicos, eliminando as chances de tornar o mineral irradiando em material radioativo.

ENOKIHARA (2013) afirma também que, a radiação gama gera um desequilíbrio eletrônico, e que não interfere no núcleo do átomo, fazendo a retirada de elétrons dos orbitais pelo Efeito Compton que transfere parte de sua energia.

O quartzo é um dos minerais mais existentes no solo brasileiro, mas seu custo não é rentável em pequenas quantidades, mesmo com diferentes demandas que necessitam deste cristal. Segundo BARBOSA (2012) a estrutura molecular neutra do quartzo é SiO4. Porém devido a fatores como temperatura e pressão essas ligações podem se rompidas gerando agregação de impurezas ao quartzo. Graças a essas impurezas presentes nas moléculas do quartzo que proporcionam a aquisição de cor.

A irradiação gama apesar de segura e efetiva, só apresenta bons resultados em gemas com centros de cor já pré-formados. Caso

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contrário à técnica terá pouco ou nenhum efeito. Os cristais de quartzo são propensos a adquirir impurezas, que propiciam a formação dos centros de cor, por isso a irradiação gama trás ótimos resultados na mudança de cor dos cristais.

O que a radiação gama faz nos minerais de quartzo, é intensificar e reproduzir o mais rápido possível efeitos que demorariam milhares de anos ocorrerem. Pois para que o material gemológico mude ou agregue cor com as fontes radioativas naturais levam em média 80 milhões de anos. Sendo inviável não acelerar esse processo, já que a indústria de joias pede uma demanda elevada de matéria-prima.

Empresas ligadas ao ramo de irradiação de gemas não divulgam dados referentes aos tratamentos das pedras preciosas e semipreciosas das quais produzem. Os valores de doses depositadas nas gemas são como segredos (fórmulas) de cada empresa. Na maioria dos casos passados de geração em geração entre seus integrantes. Tal fato dificulta a pesquisa de dados referentes a doses, delimitando as pesquisas a somente citar informações de trabalhos com experimentos de tentativas e erros adquiridos por pesquisadores do assunto.

Para irradiar materiais gemológicos os Irradiadores de 60Co do tipo piscina são os mais difundidos. Há relatos de que irradiar as gemas na água apresentam melhores resultados do que em Irradiadores de modelos que não precisam submergir os elementos. Mas tal conhecimento, não tem nenhum estudo comprovando que a irradiação na água é mais satisfatória.

Segundo ENOKIHARA (2013) embasado em NASSAU (1978), a teoria do campo cristalino é a que melhor explica a indução de cor nos cristais devido à interação com a radiação gama. Além de citar que os minerais de alumínio e ferro são as impurezas mais comuns de substituir o íon de silício formador da molécula cristalina do quartzo. ENOKIHARA (2013), BARBOSA (2006), CGEE (2010), NASSAU e DRUMMOND (2010) relacionam os centros de cor contendo alumínio e lítio como os formadores do quartzo green gold.

BARBOSA (2012) efetuou testes em cristais de quartzos hialinos de origem pegmatítica, concluindo que tratamentos com irradiação gama e aquecimento tornaram os quartzos green gold, mas com variações de tonalidades. DRUMMOND (2010) realizou experimentos dos quais chegou a concluir que o quartzo de origem pegmatítica contém maior concentração de minerais como alumínio, ferro e lítio em sua estrutura cristalina, que permitem sua transformação, dependendo das suas combinações a formar os centros de cor do green gold, beer e champanhe.

OMI (2006) desenvolveu um projeto específico de irradiador de gemas, para uma melhor distribuição de doses nos cristais, que por fim, elevaria a efetividade das cores obtidas.

Considerações Finais Pelas pesquisas analisadas a irradiação gama trata-se de um método benéfico a materiais gemológicos, principalmente nos cristais de quartzo. O quartzo é um elemento com centro de cor já formado, devido a falhas e impurezas presentes em sua estrutura cristalina. A irradiação gama é efetiva nesses casos, pois altera posições de elétrons na estrutura cristalina não alterando em nada núcleos atômicos presentes na formação do quartzo, ou seja, não promove alterações que tornem o mineral radioativo. O irradiador de cobalto-60 acaba por acelerar o processo de obtenção de cor natural que durariam milhares de anos. Auxiliando a indústria de joias a adquirir matéria-prima nacional de qualidade. Uma forma de agregar valor a um mineral de tanta abundância em solo brasileiro. Mas não são todos os quartzos que induzem a cor desejada, para tal efeito, são necessárias as características expressas neste trabalho. De modo que o quartzo green gold, só é gerando de acordo com os pesquisadores se em sua estrutura o íon de Alumínio substituir o íon de silício na estrutura SiO4 do quartzo. Além de ser de extrema importância ter nos canais intersticiais íons monovalentes como o lítio ou o hidrogênio. Por fim para a indução de cor é necessário que o cristal passe pelo processo de aquecimento. Pois quando o quartzo é irradiado adquiri uma cor escurecida devido à presença dos metais em sua estrutura. Após tratamento térmico o quartzo ganha uma transparência mantendo a cor e brilho para ser considerada uma gema. Agradecimentos Dedico este trabalho primeiramente a Deus, por não me desamparar em momento algum e por estar presente em todos os momentos de minha vida [1]. Agradeço a toda a minha família, em especial aos meus irmãos Adriano e Jose, meus pais Francisco e Adriano. Mas principalmente a minha mãe Isabel, grande guerreira, fazendo o papel de pai e de mãe quando necessário [1]. Ao meu futuro marido Jonhnatan por sempre me apoiar e estar ao meu lado, me dando motivação. E dedico a todas as pessoas queridas a minha volta [1]. Quero agradecer em especial ao professor Glêicio Oliveira Valgas pelos ensinamentos ministrados e pelas orientações. A minha amiga Karolina por estar comigo durante todos esses três anos de curso, compartilhando comigo conhecimentos e ser minha dupla de TCC[1]. Dedico de igual forma este trabalho a Deus e a minha família, agradeço por todo o apoia que me deram desde o começo desta

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graduação. Em especial dedico ao meu pai Leonel Henrique e a minha querida e motivadora mãe Maria do Socorro, aos meus irmãos Wesley Henrique e Carlos Henrique, a minha prima Joyce Souza e minha tia Maria Margareth, por todos esses anos de ajuda, pois sem eles jamais chegaria a tal alegria. Aos meus padrinhos Maria Celeste e Francisco de Assis por todos esses anos de incentivo que eu imensamente não sei como agradecer [2]. Agradeço a todos os meus colegas de classe pela convivência diária. Mas em especial a Sula, Jucilene e Alyson, pelos momentos de alegria e trabalhos em conjunto [2]. Agradeço a minha dupla de TCC Tamires Passos, que não só é uma companheira de trabalho, mas também, uma amiga de alma [2]. Agradeço ao professor Glêicio Oliveira, nosso orientador, pelo tempo nos disposto para elaboração deste trabalho, e a paciência que nos teve. Agradeço a todos os professores que nos passaram seus conhecimentos, em especial a excelente professora Juliana Rosada Dias, ao professor Anderson Gonçalves, a professora Vera Lucia e ao professor Thiago Mangueira [2]. 1 Tamires Passos Duarte 2 Karolina Vieira Cavalcante Referências: 1- ABDALLAH, Sald, Projeto Quartzo Industrial do Dueré-Cristalândia/TO, Informe de Recursos Minerais, Série Rochas e Minerais Industriais, número 06, Goiânia-GO, 2010. Disponível em < http://www.cprm.gov.br/publique/media/IRM_Quartzo%20Duere.pdf> 2- ABEN - Associação Brasileira de Energia Nuclear, Informativo da ABEN Brasil Nuclear, Ano 16, número 38, 2012. Disponível em <http://www.aben.com.br/Arquivos/46/46.pdf> 3- ALKIMIM, Danielle, Identificação do Potencial de Desenvolvimento de cor em Quartzo Natural Incolor por Meio da Espectrometria RAMAN (dissertação de mestrado), Belo Horizonte, 2012. Disponível em <http://www.bdtd.cdtn.br/tde_arquivos/2/TDE-2013-04-09T120258Z-150/Publico/Danielle%20Gomides%20A lkmim.pdf> 4- BARBOSA, Cassandra T., A Cor do Citrino: Efeito de Irradiação e Tratamento Térmico, Rio Claro - São Paulo, 2009. 5- BARBOSA, Cassandra T., A Origem do Quartzo Green Gold: Tratamento e Ambiente Geológico, (mestrado USP) São Paulo, 2012. Disponível em <http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/44/44144/tde-13022014-150426/pt-br.php> 6- BATISTA, Adriana C., Caracterização Química e Estrutural de Quartzos (dissertação de mestrado UFMT), Cuiabá - MT, 2008. 7- BIASI, Gabriel E. et. al. Tratamento Térmico em Ametista e Irradiação de Amostras de Quartzo de Chopinzinho e região, Paraná, 2010.

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