La fisica per i beni culturali

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1 La fisica per i beni culturali Pier Andrea Mandò Dipartimento di Fisica e Astronomia, UniFi & INFN, Sezione di Firenze Biodola, IFA 2010

2 Per inquadrare il problema: il ruolo della scienza per i beni culturali In generale, l applicazione di indagini scientifiche ai beni culturali può essere utile per due scopi: 1) conoscenza e diagnosi 2) intervento sulle opere

3 Utenza 1) storici dell arte, archeologi, storici della scienza o delle tecnologie, etc. conoscenze puntuali su una singola opera per chiarire dubbi di attribuzione e cronologia e portare informazioni sulla specifica tecnica impiegata dall autore indagini più generali per tendenze storiche, fonti di approvvigionamento dei materiali, canali di scambio commrciale in varie epoche, etc.

4 2) restauratori e conservatori prima dell intervento: conoscenza dello stato di degrado delle opere conoscenza del materiale su cui intervenire per evitare incompatibilità e irreversibilità nelle procedure di restauro durante il restauro: Utenza come ausilio all intervento tradizionale o addirittura come tecnica operativa principale

5 Il ruolo della fisica nella diagnostica dei beni culturali la fisica ha un ruolo prevalente nel primo campo (datazioni, indagini sulla composizione dei materiali, tecniche di imaging, diagnosi dei problemi di deterioramento, etc). anche nella fase dell intervento la fisica offre oggi sempre più spesso valide alternative all approccio chimico tradizionale

6 il grande vantaggio della quasi totalità delle tecniche fisiche per i problemi di diagnostica sta nella non invasività (possibilità di rispondere al problema senza effettuare prelievi o comunque danneggiare l opera)

7 Tecniche fisiche per i Beni Culturali Tecniche di ablazione laser per la pulitura di manufatti deteriorati (lapidei, metallici, affreschi) Radiografia e tomografia Termografia Spettrometrie in riflettanza VIS, UV, NIR Analisi di materiali con tecniche laser microdistruttive (LIBS) Tecniche profilometriche (analisi 3D di superfici [deformazioni, distacchi, etc.])

8 Tecniche fisiche per i Beni Culturali Tecniche di datazione diretta ( 14 C, Termoluminescenza) Tecniche nucleari per l analisi di composizione dei materiali Fluorescenza X, Ion Beam Analysis

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10 collaborazioni con: altri laboratori scientifici in Italia e in Europa Sovrintendenze, Biblioteche, Dipartimenti di archeologia e storia dell arte, Istituti per la tutela del patrimonio culturale (Istituto Centrale per il Restauro, Opificio delle Pietre Dure), Regioni

11 foto Luca Casonato Milano foto Luca Casonato Milano

12 LABEC chi ci lavora strutturati Luca Cararresi Massimo Chiari Lorenzo Giuntini Franco Lucarelli Pier Andrea Mandò Marco Manetti Silvia Nava Francesco Taccetti precari Silvia Calusi (assegnista) Giulia Calzolai (assegnista) Mariaelena Fedi (ricerc. tempo det.) Novella Grassi (assegnista) Mirko Massi (assegnista) Alessandro Migliori (assegnista) Pamela Bonanni (dottoranda) Lucia Caforio (dottoranda) giallo INFN bianco UniFi azzurro oberato da carichi gestionali grigio poco produttivo (per età et al)

13 foto Luca Casonato Milano Tandetron da 3 MV (tensione max di terminale) 3 sorgenti di ioni indipendenti 5 canali per Ion Beam Analysis (IBA) (+ 1 da completare) 1 canale per Accelerator Mass Spectrometry (AMS)

14 Al LABEC non si lavora soltanto su applicazioni ai beni culturali, né soltanto con tecniche basate sull uso dell acceleratore

15 sviluppi tecnologici (elettronica e automazione procedure, sistemi di acquisizione dati, sistemi di rivelazione, nuovi canali di misura) sviluppi metodologici (test di nuove idee di procedure applicative) Tipologie di attività misure vere e proprie nell ambito sia di: riguardanti l acceleratore progetti di ricerca interdisciplinare in collaborazione con altri Enti pubblici (CNR, Enti di tutela del patrimonio, Enti di tutela dell ambiente) e altri Dipartimenti universitari collaborazioni interne per supporto ad altri gruppi di fisici soprattutto di area INFN (test rivelatori, radiation damage, etc.) attività di servizio

16 La facility del Tandetron al LABEC IBA dual source 3 MV Tandetron external beam (Environment) external micro-beam multi-sample AMS source high-energy AMS spectrometer external beam (Cultural Heritage) chopped beam line multipurpose IBA vacuum chamber multi-angle scattering chamber

17 Per il settore dei beni culturali si effettuano con l acceleratore: le datazioni col radiocarbonio le analisi di composizione con fasci ionici

18 Partiamo dalle analisi con fasci di ioni per indagini sui materiali Ion Beam Analysis (IBA)

19 Ion Beam Analysis (IBA) Analisi di composizione di materiali tramite fasci prodotti da acceleratori tipicamente fasci di protoni o alfa di qualche MeV di energia Rivelazione della radiazione e analisi spettrale Si Lapislazzuli Emissione di radiazioni di energie caratteristiche (raggi X, γ, particelle ) C o n t e g g i Na Al S K Ca 0 fascio di particelle acceleratore di particelle oggetto da analizzare

20 Ion Beam Analysis (IBA) emissione di raggi X (PIXE) a diffusione elastica degli ioni incidenti (PESA) emissione di raggi gamma (PIGE) emissione di particelle secondarie o diffusione inelastica degli ioni incidenti

21 Pregi delle tecniche IBA ASSOLUTA non distruttività e NESSUN danno (fasci esterni, sezioni d urto elevate, possibilità di correnti debolissime - controllabili perfettamente) ampia multielementalità specie se si integrano più tecniche nello stesso set-up analisi quantitativa molto affidabile informazioni anche sulla eventuale struttura stratigrafica, sempre in maniera NON DISTRUTTIVA

22 sezioni d'urto di produzione X (serie K) sezioni d'urto di produzione X (serie L) Na 1000 Zr Ag Ca Ba σ X (barn) Fe As Zr 100 σ X (barn) 10 Ta Pb 1 Ag Z crescente 1 0, , energia protoni (MeV) energia protoni (MeV)

23 Sviluppi di metodologie e set-up per le tecniche IBA microfascio esterno - scansione - mappe millifascio esterno - scansione - mappe sistemi integrati PIXE-PIGE-BS PIXE differenziale sviluppo IBIL (Ion Beam Induced Luminescence), anche con mappatura, per aggiungere informazioni non solo elementali

24 Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali il set-up di fascio esterno 1 cm

25 Con un fascio esterno si può determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale

26 Antichi manoscritti miniati,... documenti storici, Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl.16,22 (XV secolo, Biblioteca Laurenziana) Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante l analisi PIXE con fascio esterno

27 vetri antichi, terrecotte invetriate, Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa Adriana Analisi PIXE con fascio esterno del Ritratto di fanciullo di Luca Della Robbia prima del restauro all Opificio delle Pietre Dure

28 antichi ricami, stampe fotografiche, Analisi micro-pixe e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su disegno di Raffaellino del Garbo Analisi PIXE-PIGE di una stampa su piastra metallica del XIX secolo

29 ...disegni su carta, Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese, XVI secolo

30 ...pitture su tela o tavola, Analisi con PIXE differenziale e PIGE della Madonna dei Fusi di Leonardo Analisi micro-pixe e -PIGE del Ritratto Trivulzio di Antonello da Messina

31 Giorgio Vasari Tavoletta raffigurante S.Lucia dalla Pala Albergotti, Arezzo Andrea Mantegna Madonna col Bambino, dipinto su tela, Accademia Carrara di Bergamo

32 o qualunque altro materiale, per scopi anche diversissimi dallo studio dei beni culturali Uova di diversi allevamenti Polveri fini in aria (il famoso PM) raccolte su filtri

33 La struttura a strati delle pitture su tavola o tela

34 Come si possono distinguere i contributi dei differenti strati?

35 PIXE differenziale Ripetendo la misura sullo stesso punto con fasci di energie diverse si può ricostruire la sequenza stratigrafica (dalla preparazione all imprimitura ai veri e propri strati pittorici) dalla conoscenza del rate di perdita di energia de/dx del fascio negli strati, si può arrivare a misurarne lo spessore in maniera totalmente non distruttiva senza necessità di prelievi

36 Un esempio di buono sfruttamento delle potenzialità IBA: Ritratto Trivulzio Antonello da Messina Collab. con OPD e Museo Civico di Palazzo Madama, Torino

37 Misure di PIXE differenziale Linea di fascio esterno collimato PIXE - protoni 3 MeV PIXE differenziale Condizioni sperimentali analisi su spot singoli protoni da 1 a 5.5 MeV dimensioni fascio Ø 0.5 mm correnti ~ 50 pa tempo di misura per spot s caratterizzazione degli strati pittorici, incluso una stima dello spessore locale in certe zone, ad esempio: sfondo scuro pigmento a base di Cu (spessore dello strato µm) su una preparazione a gesso bottone biancastro (bianco di piombo +giallo di piombo e stagno) su uno strato rosso di cinabro (HgS) Concentrandosi sul mantello rosso

38 Il mantello rosso C era interesse a caratterizzare le pieghe scure e le ombreggiature Dagli spettri su punti singoli indicazione di uno strato ulteriore sopra il cinabro (HgS), ma grande variabilità da punto a punto nella presenza di altri elementi (come Al, Si, K, Fe ) Superficie inusuale, con macchioline scure di dimensioni sub-millimetriche (visibili a malapena a occhio nudo) 1 mm necessità di una buona risoluzione spaziale e di una tecnica di imaging, per correlare correttamente le distribuzioni elmentali ai dettagli visibili

39 Analisi PIXE a scansione facility di microfascio esterno Condizioni sperimentali protoni da 3 MeV dimensione fascio Ø 50 µm Intensità di corrente ~ 50 pa singole aree scandite (deflessione magnetica del fascio) 2x2 mm 2 circa 15 minuti per area scandita (~ 60 full scans) 1 mm aree scandite integrando la scansione magnetica del fascio con piccoli spostamenti del bersaglio

40 Esempio di risultati 2 mm Hg M + S K α Strato superficiale maculato contenente Al e K Strato sottostante con S e Hg Max. lacca rossa su cinabro Al K α K K α Min. L effetto a macchioline è probabilmente dovuto a un ritiro della lacca forse proprio durante l essiccamento

41 Una sbirciata allo strato di preparazione Ca K α Max. 1 mm Maggior quantità di X del Ca... e minore di X del Hg in corrispondenza di micro-fessure Min. Hg L α si vede il calcio dalla preparazione a gesso

42 Datazioni Il metodo del 14 C è un grande contributo della fisica nucleare all archeologia L orologio naturale su cui si fonda il metodo è il decadimento radioattivo del 14 C

43 Principio della datazione col 14 C Il 14 C è presente in atmosfera (concentrazione costante: equilibrio fra i processi di scomparsa per decadimento radioattivo e di continua produzione per effetto della radiazione cosmica) Tramite vari meccanismi, TUTTI GLI ORGANISMI VIVENTI PARTECIPANO A QUESTO EQUILIBRIO e hanno perciò nei loro tessuti la stessa concentrazione di 14 C FINCHE VIVENTI

44 14 C-14 R (rapporto concentration 14 C/ 12 C) Principio della datazione col 14 C 10 1,2-12 A partire dalla morte di un organismo, il 1 decadimento radioattivo del 14 C non è più 0,8 compensato da alcuna assunzione diretta o 0,6 indiretta dall atmosfera, e ciò porta ad una 0,4 progressiva diminuzione della concentrazione 0, R(t) = 14 R 0 e t/τ τ = 8266 y t = τ ln [ 14 R 0 / 14 R(t)] δ t = τ [δ 14 R(t) / 14 R(t)] cioè : 1% errore in 14 R(t) ± 80 y in 14 C in un reperto di origine organica tempo dalla morte (anni)

45 Datazioni Il metodo del 14 C è un grande contributo della fisica nucleare all archeologia L orologio naturale su cui si fonda il metodo è il decadimento radioattivo del 14 C Tipicamente nucleari sono anche le tecniche di misura della concentrazione residua di 14 C, sia quella tradizionale che sfrutta il conteggio dei decadimenti β dell isotopo, sia quella più moderna della spettrometria di massa con acceleratori (AMS)

46 Possibili metodi di misura del 14 C dn/dt = λ N (λ = 1/τ) metodo radiometrico spettrometria di massa misure delicate e difficili perché decadimento β puro necessarie grandi quantità di campione( g) e tempi di misura lunghi (ore o anche giorni) la spettroscopia di massa standard non è sufficientemente sensibile per discriminare le masse 14 dovute al 14 C da quelle degli isobari interferenti Accelerator Mass Spectrometry

47 Misura della concentrazione di 14 C con AMS Lo stripping al terminale elimina le interferenze di 13 CH e 12 CH 2 Acceleratore Tandem Analisi in massa e sistemi di rivelazione Sorgente, dove si mettono i campioni da analizzare La sorgente di ioni negativi elimina l interferenza del N L analisi finale degli ioni ad alta energia consente di eliminare eventuali interferenze residue

48 Misura del 14 C con AMS Sensibilità a concentrazioni fino a sono databili reperti risalenti fino a oltre anni fa non solo, ma per l analisi bastano quantità minuscole di materiale (mg)

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51 Il campione trattato viene bruciato (CO 2 ) e poi ridotto a grafite (CO H 2 2 H 2 O + C)

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56 Analizzatore elettrostatico dopo l analisi magnetica ad alta energia e contatore finale del 14 C

57 Datazioni 14 C la ricalibrazione la concentrazione di partenza in passato non è sempre stata quella convenzionalmente assunta, dalla quale si deduce un valore altrettanto convenzionale per l età (età di radiocarbonio: t rc = τ ln R 0 /R(t) ) migliaia di misure effettuate su campioni di età misurata indipendentemente curva di ricalibrazione (età convenzionale vs. età vera) fino a quai anni fa si corregge così l età convenzionale convertendola in una data vera calendariale

58 Esempio di ricalibrazione dalla radiocarbon age all età vera ultimi 2000 anni 2000BP Atmospheric data from Reimer et al (2004);OxCal v3.10 Bronk Ramsey (2005); cub r:5 sd:12 prob usp[chron] età convenzionale Radiocarbon di determination radiocarbonio 1500BP 1000BP 500BP 0BP CalBC/CalAD 500CalAD 1000CalAD 1500CalAD 2000CalAD data calendariale Calibrated date calibrata

59 Datazioni 14 C al LABEC numero campioni II sem

60 Le reliquie conservate presso la Chiesa di San Francesco a Cortona e la Basilica di Santa Croce a Firenze Gli scavi archeologici nel parco di Baratti-Populonia Sedimenti fluviali la successione di Abak Creek in Etiopia Gli scavi archeologici nel centro di Firenze (Palazzo Vecchio e Biblioteca Magliabechiana)

61 Il Papiro di Artemidoro L Icona di Santa Maria Advocata della Basilica di Santa Maria in Aracoeli, Roma La Croce di Rosano

62 Sviluppi AMS al LABEC Progettata e costruita ex novo la parte finale del canale di fascio con nuovi sistemi di monitoraggio profilo fascio, rivelazione isotopi rari e acquisizione dati per migliorare sensibilità e riproducibilità delle misure 14 C, ma anche in vista della misura di nuovi isotopi

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64 Sviluppi AMS al LABEC Messa a punto di procedure per il pretrattamento di nuovi materiali a fini datazione 14 C (estrazione collagene da ossa, estrazione cellulosa da legno e carta, etc.) e per la separazione dello iodio contenuto in campioni di acqua marina, per misurare il rapporto isotopico dello 129 I rispetto allo 127 I (valori attesi da in su)

65 Sviluppi AMS al LABEC Automazione delle procedure di preparazione dei campioni per misure di 14 C Nuova linea di preparazione, con possibilità di una procedura di combustione alternativa a quella finora usata Raddoppio della capacità di produzione campioni grazie a modifiche della linea per la fase finale di grafitizzazione

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67 Non solo tecniche di analisi con acceleratore Al LABEC è stato sviluppato un sistema XRF innovativo che può per certi aspetti avvicinarsi alle prestazioni delle tecniche IBA e ha il vantaggio della portatilità

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69 Affresco della Resurrezione Piero della Francesca Sansepolcro, Museo Civico

70 Dopo solo pochi mesi di vita, il nuovo XRF è già stato utilizzato - oltre che per le misure sulla Resurrezione di Pier della Francesca - anche su: La Madonna del Granduca di Raffaello (Gall. Palatina) Il crocifisso dipinto del maestro di Figline (S.Croce) I globi del Coronelli (Ist. e Museo di Storia della Scienza) Affreschi del XIII sec. recentemente scoperti a Bologna A breve: affreschi di Giotto (Cappella Peruzzi, S.Croce)