La fisica nucleare applicata ai beni culturali

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1 Stage presso INFN di Legnaro, anno 2013 La fisica nucleare applicata ai beni culturali Camilla Forza Alessia Ruffino Federico Dal Bianco Zhangxiao Lin Silvia Pesce G. Moschini, M. C. Buoso, M. Bello, N. Uzunov, L. Sarchiapone, L. La Torre, D. Ceccato, G. Maggioni

2 SOMMARIO: INTRODUZIONE CARATTERISTICHE DELL ANALISI TECNOLOGICA L INFLUENZA DELL ANALISI TECNOLOGICA SULL OPERA BASI TEORICHE DELLE TECNICHE MICROSCOPIO ELETTRONICO (SEM) SPETTROSCOPIA RAMAN PIXE LAMPADA DI WOOD CASO D ANALISI 1: QUARTIERE DI MONTMARTRE CASO D ANALISI 2: MADONNINA

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4 E noto come l Italia sia un territorio molto ricco di beni culturali, risalenti a varie epoche e appartenenti a correnti artistiche diverse. Essi potrebbero contribuire in maniera determinante all economia del Paese attraverso il turismo culturale. È quindi necessario preservare tutte queste opere di grande valore. Cosa intendiamo per beni culturali? Per definizione, nei beni culturali rientrano «tutte le testimonianze, materiali e immateriali, aventi valore di civiltà..». Detto questo, è facile capire che non solo i dipinti rientrino nel patrimonio artistico, ma che questo comprenda anche libri, documenti, oggetti d uso comune o vestiti.

5 E necessario curare, restaurare e catalogare questo enorme patrimonio di opere artistiche. La tecnologia è lo strumento adatto a soddisfare questa esigenza. Infatti, essa ci permette, attraverso le sue diverse metodiche, di studiare i materiali che compongono l opera, di evidenziarne lo stato di conservazione, di farne la datazione, di guidarne le operazioni di restauro, di valorizzarla e posizionarla in un ambiente consono alla sua conservazione. Le caratteristiche principali delle metodiche impiegate nell analisi diagnostica dei beni artistici sono: - Dà informazioni oggettive sull opera - È parzialmente o addirittura totalmente non invasiva

6 L ANALISI TECNOLOGICA COME FONTE OGGETTIVA DI INFORMAZIONI: Per avere un analisi esaustiva dell opera è necessaria la collaborazione tra lo storico dell arte e lo scienziato. Mentre il primo è in grado di dare informazioni sul periodo storico dell opera, sulla formazione dell autore, sui sentimenti che voleva trasmettere ; il secondo è in grado di dare informazioni scientifiche sulla composizione dell opera. Storia dell arte e fisica sono discipline complementari per la tutela dei beni culturali. Riflettografia infrarossi (IR) Fluorescenza ultravioletta (UV) L ANALISI TECNOLOGICA COME STRUMENTO: L analisi applicata a opere, sia in buono che in cattivo stato di conservazione, è in grado di fornire molte importanti informazioni: - Qualità dell opera (tipi di materiale, pigmenti utilizzati, supporto impiegato) - Stratigrafia dell opera - Modalità di realizzazione dell opera (disegno preparatorio o tecnica di riporto del disegno, ripensamenti, precedenti restauri..) - Datazione dell opera (C¹⁴) - Autore (mediante confronto con le diverse palette degli artisti e delle epoche)

7 INFLUENZA DELL ANALISI TECNOLOGICA SULL OPERA: -NON INVASIVA: l opera rimane invariata anche dopo l analisi -MICROINVASIVA: l opera è leggermente cambiata dopo l analisi, la modifica è invisibile a occhio nudo. Talvolta è necessario effettuare micro-prelievi. -INVASIVA: l opera è cambiata macroscopicamente (analisi chimica)

8 BASI TEORICHE DELLE TECNICHE: LO SPETTRO ELETTROMAGNETICO lo spettro elettromagnetico è la classificazione dell insieme delle onde elettromagnetiche in base alla loro lunghezza d onda (λ) o alla loro frequenza (f).

9 COME INTERAGISCONO LE RADIAZIONI CON LA MATERIA: In base alla diversa frequenza d onda le radiazioni sono in grado di penetrare la materia a diverse profondità; ogni singolo tipo di radiazione viene impiegata per analizzare un diverso strato dell opera presa in considerazione

10 MICROSCOPIO ELETTRONICO A SCANSIONE (SEM) Tecnica mediante la quale è possibile ricavare informazioni: -topografiche (com è la superficie dell oggetto) -morfologiche (dimensioni, fori, particelle invisibili ad occhio nudo,..) -utilizzando la EDS sono in grado di determinare anche quali elementi sono presenti sulla superficie o a profondità di pochi µm. Rivelatore EDS sorgente di elettroni Schermo EDS Schermo SEM colonna Camera di analisi

11 INGRANDIMENTO Capacità di ingrandire alfine di vedere particolari invisibili ad occhio nudo SEM 2x x OM 4 x- 1000x PROFONDITA DI CAMPO Qualità di messa a fuoco su tutti i piani RISOLUZIONE Capacità di distinguere oggetti diversi separati: 4mm - 0,4µm 15.5 µm µm 1 nm 10 nm O,2 µm -non risolta -parzialmente risolta -risolta

12 COME FUNZIONA: Viene effettuata una scansione utilizzando un fascio di elettroni: per ogni punto viene acquisito un segnale pari alla quantità di elettroni emessi dal campione, che determina la luminosità dell immagine scansionata. Gli elettroni del fascio incidente, primari, danno luogo a vari effetti tra i quali: -produzione di elettroni secondari (utili per identificare la morfologia del campione) -back-scatterati (o retrodiffusi, -raggi X (per la composizione)

13 SPETTROSCOPIA RAMAN: Tecnica di emissione non invasiva che si basa sull interazione fra le radiazioni elettromagnetiche e la materia utilizzata per determinare la struttura molecolare del campione. Si basa sul cosiddetto effetto Raman (o Scattering Raman), che a sua volta prende nome dal fisico indiano che studiò per la prima volta tale fenomeno. Raman aveva osservato come non tutte le radiazioni diffuse dal campione in esame avessero la stessa energia del raggio incidente e che tale differenza dipendesse proprio dalla struttura chimica delle molecole del campione stesso. Le radiazioni diffuse possono essere di tre tipi in base alla loro energia: -La radiazione Raylegh, avente la stessa lunghezza d onda della radiazione incidente -Le linee Stokes, che corrispondono alle diffusioni anelastiche in cui vengono emessi fotoni ad energia minore -Le linee Anti-Stokes, che corrispondono alle interazioni anelastiche in cui vengono emessi i fotoni a energia maggiore

14 Vantaggi Metodo di analisi per l identificazione della composizione molecolare del campione: ciascuna specie presenta un caratteristico spettro Raman vibrazionale. Tempi di misurazione molto brevi. Tecnica non invasiva e non distruttiva. Limiti Fornisce solo ed esclusivamente un analisi di tipo qualitativa e a livello molecolare. Non tutti i composti forniscono uno spettro Raman (non può essere applicata ai metalli) La misurazione dipende strettamente dall efficienza e dalla risoluzione dello spettrometro. Necessità di controllare attentamente la potenza del laser, che in alcuni casi potrebbe rischiare di danneggiare il campione. Possibilità di utilizzare laser di diverse lunghezze d onda. Infatti il Raman Shift, per un dato legame e per un determinato livello vibrazionale, dipende solamente dalla differenza tra i livelli vibrazionali dei legami presi in esame. Possibilità di utilizzare dispositivi portatili.

15 PROCEDURA: Analisi dei campioni Lo spettrometro è composto da un laser, una fibra ottica per inviare il fascio al campione e un altra per raccogliere la luce diffusa e trasmetterla ad uno spettrometro controllato dal computer. Tramite il software dedicato BWSpec, si possono regolare: la potenza del laser, il tempo di acquisizione dei dati e il numero di ripetizioni della misura. Il programma consente, infine, di salvare gli spettri acquisiti. Analisi degli spettri e identificazione: Si individuano manualmente i valori di Raman-shift dei picchi ottenuti e si confrontano con i valori forniti in letteratura. Nelle nostre analisi abbiamo analizzato i pigmenti per confronto con i valori forniti dal L. Burgio Spectrochimica Acta part A 57 (2001) , (Spagna) e spettrometro Raman (InnoRam B&W Teck a 758 nm)

16 PIXE (Particle Induced X-ray Emission) Tecnica che si basa sul bombardamento del campione con ioni accelerati di sufficiente energia a ionizzare gli atomi nel loro livello energetico più interno. Gli elettroni dei livelli energetici più esterni scendono a completare i livelli interni e vengono emessi i raggi x di energia fissa caratteristica per l elemento. I raggi X interagendo col rivelatore, vengono trasformati in impulsi elettrici di ampiezza proporzionale all energia caratteristica. Questi impulsi vengono amplificati, digitalizzati (ADC, Analog to Digital Converter) e catalogati da un dispositivo multicanale (MC). Trasmessi, infine, a un computer e vengono mostrati disposti in un piano cartesiano dove sull ascissa c è l energia e sull ordinata i conteggi.

17 Lo spettro PIXE: Uno spettro PIXE è un istogramma che riporta la frequenza di conteggio in funzione dell energia. È costituito da picchi di varia altezza e larghezza e permette di identificare sia la qualità sia la quantità degli elementi presenti.

18 Vantaggi Si usa un fascio di protoni accelerati. I protoni eccitano l emissione di raggi X maggiormente rispetto a radiazioni elettromagnetiche (XRF). Svantaggi Le misure devono essere fatte sotto vuoto quindi i campioni devono essere preparati in maniera idonea. Il metodo PIXE è ideale per misure qualitative e quantitative. La sensibilità è dell ordine di qualche ppm (parte per milione). Viene eccitato e analizzato un grande numero di elementi (Z >11). In alcuni casi è distruttiva Gli elementi con basso peso atomico non vengono rivelati a causa dello spessore della finestra del rivelatore. I protoni hanno poca penetrazione (circa µm) nella materia quindi si può analizzare solo la superficie del campione. Il fascio di protoni può essere focalizzato (qualche micron) e utilizzato per fare una scansione del campione. È così possibile ottenere le mappe di distribuzione degli elementi nel campione. In questo modo si possono anche studiare campioni di piccole dimensioni fino a qualche micron.

19 RIFLETTOGRAFIA UV con LAMPADA DI WOOD: FUNZIONAMENTO Proiettando un fascio di raggi UV sulla superficie di un dipinto si potrà osservare come alcune parti di esso si illuminino mentre altre rimangano scure. Questo è dovuto al fenomeno fisico della fluorescenza ultravioletta nel campo del visibile, cioè alla proprietà che hanno alcune sostanze di illuminarsi quando vengono colpite dai raggi UV. I raggi UV, a noi invisibili, verranno infatti assorbiti e riemessi come raggi visibili. I gradi di fluorescenza variano in base alla composizione chimica dei pigmenti. Gli strati interessati sono quelli più superficiali e quindi quelli interessati da restauri, graffi, raschiature, etc.. È una sorgente luminosa che emette radiazioni elettromagnetiche nella gamma degli ultravioletti (lunghezza d'onda compresa all'incirca fra i 100 ed i 400 nm). È un metodo d indagine non invasivo ed ha trovato un largo impiego per l immediatezza della risposta e per la praticità e semplicità con cui tale indagine può essere eseguita.

20 CASO D ANALISI: QUARTIERE DI MONTMARTRE OBIETTIVO DELL ANALISI: verificare la validità dell opera

21 MOTIVAZIONE DELLO STUDIO: Convinzione del proprietario che il dipinto possa essere ricondotto ad un opera di Maurice Utrillo. La convinzione è basata su la similitudine dell opera in oggetto con altre opere dell autore. COME SI ANALIZZA UN OPERA D ARTE: 1. Analisi storica (ricercare informazione sulla sua committenze e possibili trasferimenti) 2. Analisi artistica (identificare l epoca, la corrente e l eventuale autore) 3. Documentazione fotografica 4. Analisi tecnologica (micro e macroscopica, chimica o fisica)

22 ANALISI STORICA: Secondo quanto riferito dalla proprietaria il quadro fa parte da almeno 50 anni del patrimonio di famiglia. Il quadro le è stato lasciato in eredità da sua padre. Informazioni ottenute ispezionando il retro del quadro «Grande impressionista francese..2 volte esposto e due volte premiato a Parigi.. Lit Firma del venditore»

23 ANALISI ARTISTICA: Parigi, 1883 Dax, 1955 (attivo dal 1902) Maurice Utrillo Pittore francese essenzialmente autodidatta. Influenzato in un primo momento dalla corrente impressionista, ottenne subito risultati di grande originalità nelle vedute di Montmagny, di Montmartre e dei dintorni di Parigi. Dipinse con vibrante e spontanea sensibilità e densi impasti materici caratterizzati nel cosiddetto periodo bianco ( ) caratterizzato da un insistito uso del bianco di zinco. Dopo il 1918, una sottile vena malinconica pervase le sue vedute cromaticamente più accese e contrastate. Con il successo e la conseguente fortuna economica, la produzione di U. (cui si aggiunse una straordinaria diffusione di falsi) fu, tranne poche eccezioni, segnata da un monotono ripetersi dei suoi temi consueti. Molte sue opere sono conservate nel Musée national d'art moderne di Parigi.

24 ANALISI STILISTICA: Donne a passeggio davanti alla chiesa, Utrillo. Donne a passeggio, dipinto in esame. IPOTESI DELLO STORICO DELL ARTE: Il dipinto potrebbe risalire agli ultimi anni di vita di Utrillo. Periodo in cui l artista dipingeva a memoria ed era in condizioni psicofisiche instabili. Firma Utrillo. Firma del dipinto in esame.

25 ANALISI SCIENTIFICHE: RIFLETTOGRAFIA UV tramite lampada di Wood per la ricerca di zone restaurate: Risultato: Il dipinto non è stato ritoccato

26 ANALISI DEI FRAMMENTI DI PIGMENTO PRELEVATI DAL QUADRO: Fasi di lavorazione: 1. ISPEZIONE VISIVA MEDIANTE MICROSCOPIO OTTICO 2. ISPEZIONE MEDIANTE MICROSCOPIO ELETTRONICO (SEM) 3. SPETTROSCOPIA RAMAN 4. ANALISI PIXE Campione giallo Campione blu Campione rosso Campione bianco

27 SEM Presenta fluorescenza. Non è stato possibile analizzarlo più in dettaglio. Raman Campione di pigmento giallo Campione analizzato Riferimento database 141 (vs) 141 (vs) 196 (vw) 393 (w) 512 (w) 635 (m) 987 (w) Microscopio ottico Risultato: GIALLO/ARANCIO CROMO (PbCrO₄)

28 PIXE Giallo Mappa Zinco Mappa Calcio Mappa Titanio Mappa Piombo S(K) Ca (Kα) Ti (Kα) Cr(Kα) Zn (Kα) Zn(Kβ) Pb(L) Giallo cromo Calcite da strato preparatorio litopone, utilizzato come riempitivo

29 SEM Campione di pigmento blu Considerazioni: Non presenta fibre Impasto presumibilmente di tipo minerale Microscopio ottico

30 Campione analizzato Posnjakite 147 (vs) (w) (w) 983 Risultato: CuSO₄.3Cu(OH)₂.H₂O

31 PIXE Blu Mappa Zolfo Mappa Titanio Mappa Zinco Mappa Ferro Ti (Kα) S(K) Fe(Kα) Fe(Kβ) Zn(Kα) Zn(Kβ) Cu(Kα) Sr(Kα) Sr(Kβ) Ba (Kα) Posnjakite Ematite Calcite Litopone

32 SEM Considerazioni: Non presenta fibre, struttura più compatta Campione di pigmento rosso Microscopio ottico Campione analizzato Riferimento database 141 (vs) 143 (vs) 339 (m) 378 (m) 380 (m) 632 (w) 824 (s) 824 (s) 842 (s) 842 (s) Rosso Cromo: PbCrO₄.PbO

33 8 PIXE S (Kα) Ca(Kα) Ti(Kα) Cr(Kα) Zn(Kα) Zn(Kβ) Mappa zinco Pb(L) Cd(Kα) Mappa piombo Cd(Kβ) Mappa zolfo Rosso Cromo Rosso di cadmio Calcite Litopone Ba(Kα) Ba(Kβ) Mappa titanio

34 SEM Campione di pigmento bianco Microscopio ottico Anatase (bianco di titanio) TiO₂ Campione analizzato Riferimento database 141 (vs) 143 (vs) 393 (w) 396 (w) 512 (w) 516 (w) 635 (m) 639 (m)

35 Mappa Zinco Mappa Titanio Mappa Zolfo Mappa Rame S (K) Ti (Kα) Ti (Kβ) Zn (Kα) Zn (Kβ) Cu (Kα) Bianco di titanio Calcite Litopone Cu proviene da tracce da altri pigmenti rimasti attaccati al bordo del campione

36 Madonnina ANALISI ARTISTICA: Supporto: legno ricoperto di foglia metallica Tecnica: incisione bicroma (nero e rosso) su tasselli di madre perla Iconografia: Maria e Gesù bambino nell atto di donare dei rosari; la cornice è formata da diversi Angeli e Santi intervallati da motivi floreali. Autore: sconosciuto Anno: sconosciuto Eventuali considerazioni: scritta in basso al centro «Madona del rosari» (lingua volgare) La tecnica dell incisione su madreperla si diffuse soprattutto nel XVIII secolo, anni in cui nacquero veri e propri centri e scuole di incisione (in Italia un centro molto importante è in Campania)

37 ANALISI STORICA: Opera facente parte del patrimonio di famiglia della stagista Camilla Forza. Iconografia simile alla tela 'Madonna del Rosario' presente a Pompei (Santuario della Beata Vergine del Rosario). Il dipinto fu portato a Pompei nel 1875 da Bartolo Longo il quale voleva diffondere la pratica del rosario tra i popolani. Il tema della vergine con Gesù bambino è diffuso a Napoli, ci sono infatti nella zona partenopea due dipinti simili e una statua, ovvero l'opera di Massimo Stanzione e Ludovico De Maio le quali hanno probabilmente influenzato l'opera. La tela a Pompei è riconducibile alla scuola pittorica di Luca Giordano, Napoli. Tra l'altro Pompei è vicina a Torre del Greco, centro di importanza notevole per le incisioni su corallo madreperla e avorio.

38 LAMPADA DI WOOD: È chiaramente visibile la differenza di tonalità del nero che ad occhio nudo appare uguale Risultato: non è stata restaurata

39 Supporto Madonnina

40 Scanning PIXE e analisi elementi del campione madonnina Supporto Madonnina S(K) Ca(Kα) Fe(Kα) Fe(Kβ) Mappa zinco Mappa calcio Mappa zolfo Mappa ferro Zn(Kα) Zn(Kβ) Bolo rosso (ossidi di ferro) Calcite Riempimento

41 Ottone

42 Lamina metallica Mappa Rame Mappa Zinco Cu(Kα) Zn(Kα) Cu(Kβ) Zn(Kβ) Ottone (lega zinco e rame)

43 ANALISI MICRORAMAN ESEGUITA DIRETTAMENTE SULL OPERA Aragonite (CaCO₃) madreperla naturale Rosso piombo (Pb₃O₄) Nero (non analizzabile perché organico)

44 Grazie per l attenzione!