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Mikroskopie Mikroskopie in der Gemmologie - „Fehler“ mit exklusiver Ästhetik

Autor / Redakteur: Michael Hügi * und Anja Schué ** / Olaf Spörkel

In modernen gemmologischen Labors bildet die mikroskopische Untersuchung der inneren und äußeren Merkmale eines Edelsteins noch immer das Rückgrat bei der Beurteilung der Qualitätskriterien.

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„Die Mikroskopie offenbart verborgene Schönheit“, sagt Michael Hügi, Dipl. Mineraloge und Gemmologe FGA, Schweizerische Gemmologische Gesellschaft.
„Die Mikroskopie offenbart verborgene Schönheit“, sagt Michael Hügi, Dipl. Mineraloge und Gemmologe FGA, Schweizerische Gemmologische Gesellschaft.
( Archiv: Vogel Business Media )

Zu den wichtigsten Aufgaben des Gemmologen zählt die Echtheits- und Qualitätsbestimmung eines Edelsteins. Er identifiziert einen unbekannten Stein durch Messung seiner optischen und physikalischen Konstanten, bestimmt Echtheit und Herkunft des Steins und kennt sich mit Behandlungsmethoden aus, die die optische Erscheinung des Steins verbessern. Die inneren Merkmale eines Steins spiegeln die chemischen und physikalischen Bedingungen wider, die während des Mineralwachstums in der Natur – oder bei synthetischen Materialien im Labor – geherrscht haben. Derartige Merkmale können zum Beispiel Farbzonen sein, die durch kristallographische Gesetzmäßigkeiten entstanden sind, oder gesetzmäßige Verwachsungen mehrerer Kristallindividuen, was auch als Verzwillingung bezeichnet wird. Vielfach sind in Edelsteinmineralien auch Fremdsubstanzen eingeschlossen. Dabei wird zwischen den folgenden Einschlusstypen unterschieden:

  • Protogenetische Einschlüsse: Fremdmineralien, die bereits vor der Bildung des Wirtkristalls vorhanden waren und von diesem umwachsen wurden.
  • Syngenetische Einschlüsse: Diese bildeten sich gleichzeitig mit dem Wirtkristall, beispielsweise verheilte Risse. Dabei bilden sich viele kleine Hohlräume (Negativkristalle), die Reste der wässerigen Lösung enthalten, in denen der Kristall gewachsen ist.
  • Epigenetische Einschlüsse: Einschlüsse, die nach der Bildung des Wirtkristalls entstanden sind. Meist handelt es sich um natürliche Rissfüllungen oder Entmischungen im Wirtkristall.

Mikroskop offenbart verborgene Schönheit

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Dass ein guter Edelstein lupenrein sein muss und Einschlüsse „Fehler“ seien, die den Wert eines Steins mindern, stimmt nur bedingt. Bei geschliffenen Diamanten ist die Reinheit des Steins ein maßgebliches Kriterium, das nach einer normierten Nomenklatur bewertet wird. Bei den übrigen Edel- und Schmucksteinen hingegen sind Einschlüsse nicht wertmindernd, solange sie die Erscheinung oder die Beständigkeit des Steins nicht beeinträchtigen. Vielmehr machen sie den Stein einmalig und unterstreichen die Exklusivität – sie sind die Unterschrift der Natur. Neben ihrer wissenschaftlichen Aussagekraft offenbaren Einschlüsse oft erst unter dem Mikroskop ihre einzigartige Ästhetik. In Anbetracht dieser verborgenen inneren Schönheit verkehrt sich der Begriff Fehler in das Gegenteil.

Die mikroskopische Untersuchung von Edelsteinen stellt hohe Anforderungen an den Gemmologen wie an das Instrument. Da meist geschliffene, in Schmuckstücke eingefasste Steine untersucht werden, lassen sich die inneren Merkmale oft nur eingeschränkt beobachten. In einigen Fällen kann eine Immersion in Flüssigkeiten helfen, die eine ähnliche Lichtbrechung wie diejenige des Steins aufweist. Extreme Kontrastunterschiede vor dunklem Hintergrund, beispielsweise aufgrund reflektierender Facetten oder metallisch glänzender Einschlüsse, stellen zudem hohe Anforderungen an die Beleuchtung.

Für gemmologische Untersuchungen werden in der Regel Stereomikroskope mit folgenden Kontrastverfahren eingesetzt:

  • Diffuses Hellfeld: Diese Beleuchtung ermöglicht die Beobachtung von kontrastarmen Wachstumsstrukturen, Farbzonierungen und Flüssigkeitseinschlüssen. Beim Einsatz von gekreuzten Polarisationsfiltern ist die Erkennung von doppelbrechenden Mineraleinschlüssen oder Zwillingslamellierung möglich.
  • Dunkelfeld: Im Dunkelfeld werden feinste Strukturen wie nadelförmige oder haarfeine Einschlüsse sichtbar, die im Hellfeld nicht sichtbar sind.
  • Glasfaserlichtleiter: Sie ermöglichen eine gerichtete Dunkelfeldbeleuchtung, oder sie werden mit Auflicht für die Untersuchung von Oberflächenstrukturen eingesetzt.

Für Aufnahmen, wie in der Bildergalerie gezeigt, wird in der Schweizerischen Gemmologischen Gesellschaft ein Leica Stereomikroskop mit einem Planapo-Objektiv 1.0x verwendet, das einen ausreichenden Arbeitsabstand für die Untersuchung auch großer Schmuckstücke erlaubt. Als Lichtquelle für die Hell- bzw. Dunkelfeldbeleuchtung dient eine Kaltlichtquelle von Leica Microsystems. Zusätzlich werden zwei Glasfaserlichtleiter mit einer externen Lichtquelle eingesetzt.

Da viele Edelsteine optisch anisotrope, d.h. doppelbrechende Materialien sind, wird standardmäßig mit aufgesetztem Polarisationsfilter (Analysator) gearbeitet, um doppelbrechungsbedingte Bildunschärfen auszuschalten.

Einschlüsse digital fotografieren

Die Dokumentation innerer Merkmale von Edelsteinen mithilfe der Mikrofotografie geht bis ins 19. Jahrhundert zurück. Der deutsche Mineraloge Ferdinand Zirkel erwähnt das Verfahren 1873 in seinem Buch „Die mikroskopische Beschaffenheit der Mineralien und Gesteine“. Zirkel stand der Mikrofotografie allerdings skeptisch gegenüber. Seiner Ansicht nach bestand bei der fotografischen Technik im Vergleich zur zeichnerischen Darstellung keine Möglichkeit, aussagerelevante Bildelemente hervorzuheben oder unwichtige Details wegzulassen. Trotz dieser vermeintlichen Unflexibilität wurde die Mikrofotografie auch in der Gemmologie zum unverzichtbaren Instrument des Wissenschaftlers.

Gemmologen wie der Schweizer Prof. Eduard Gübelin, Mitbegründer der Schweizerischen Gemmologischen Gesellschaft, und der Amerikaner J. Koivula haben die Einschlussfotografie mit Schwarzweiß- und Farbfilm maßgeblich weiterentwickelt. Deren Techniken werden selbst im Zeitalter der Digitalfotografie immer noch angewendet.

Eine gute optische Ausrüstung, sauberes Arbeiten und viel Geduld sind die Voraussetzungen für gelungene Mikroaufnahmen. Die spezielle Charakteristik der Einschlussmikroskopie macht das Gelingen von Mikroaufnahmen nicht einfach. Allen voran erschweren starke Kontraste, begrenzte Tiefenschärfe, aber auch unbemerkte Staubkörnchen oder Kratzer auf der Oberfläche des Steins oft das Fotografieren. Wie bei der mikroskopischen Analyse sind auch bei der Fotografie unterschiedliche Beleuchtungstechniken und vor allem deren Kombination entscheidend für das Ergebnis.

Bearbeiten ohne zu verfälschen

Die digitale Mikrofotografie, die in sich den letzten Jahren weitgehend durchgesetzt hat, eröffnet der Einschlussfotografie neue Möglichkeiten. Mit der Technik des High-Dynamic-Range Imaging (HDRI) können Objekte erfasst werden, deren Kontrastbereich größer ist, als ihn der Kamerasensor bei einer einzelnen Aufnahme erfassen kann. HDRI-Aufnahmen werden im Computer aus einer Aufnahmeserie mit unterschiedlichen Belichtungen generiert, so dass der gesamte Kontrastumfang in einem 32-bit Bild gespeichert ist. Dieses Bild kann allerdings weder mit herkömmlichen Monitoren noch mit Drucktechniken wiedergegeben werden. Um ein realistisches, dem visuellen Eindruck entsprechendes Bild mit durchgezeichneten Lichtern und Tiefen zu erhalten, wird in einem zweiten Schritt, dem so genannten Tone-Mapping, ein mit herkömmlichen Medien reproduzierbares 8-bit Bild erzeugt.

Die computergestützte Nachbearbeitung der digitalen Bilder bietet die Chance, gewisse durch die immer noch limitierte fotografische Technik bedingte Einschränkungen zu überwinden und ein realitätsnäheres Bild zu erhalten. Dies darf aber nicht dazu verleiten, Bilder durch Retuschen oder Farbveränderungen absichtlich in ihrer Aussage zu verfälschen. In dieser Hinsicht hat Ferdinand Zirkel auch heute noch recht: Der Autor soll mit seinen Einflussmöglichkeiten – sei es mit dem Zeichenstift, sei es mit dem Bildbearbeitungsprogramm – helfen, die Realität nachvollziehbar zu dokumentieren.

* Dipl. Mineraloge/Gemmologe FGA M. Hügi, Schweizerische Gemmologische Gesellschaft SGG, 3074 Muri b. Bern/Schweiz

** Anja Schué, Leica Microsystems GmbH, 35578 Wetzlar

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