STUDIO E DIAGNOSI DELLO STATO DI CONSERVAZIONE DI PERGAMENE ANTICHE MEDIANTE SISTEMI INNOVATIVI DI IMAGING MULTISPETTRALE

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1 STUDIO E DIAGNOSI DELLO STATO DI CONSERVAZIONE DI PERGAMENE ANTICHE MEDIANTE SISTEMI INNOVATIVI DI IMAGING MULTISPETTRALE Paola Iacomussi *, Elena Badea**, Giuseppe Rossi *, Michela Radis *, Alessandro Vitale Brovarone ***, Giuseppe Della Gatta **** * Dipartimento di Ottica, Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica, Torino, Italia ** Facoltà di Scienze, Università di Craiova, Romania (in congedo c/o Università degli Studi di Torino, Italia) *** Dipartimento di Studi Umanistici, Università degli Studi di Torino, Italia **** Dipartimento di Chimica, Università degli Studi di Torino, Italia, già professore ordinario Abstract La ricerca si propone di correlare indagini chimico-fisiche sullo stato di conservazione dei manoscritti pergamenacei con risultati dell analisi multispettrale, tecnica non invasiva realizzabile in situ, che in questo campo già viene utilizzata per il recupero dei testi cancellati nei palinsesti. In pratica le analisi multispettrali consentono di studiare come un manoscritto interagisca con la radiazione luminosa, fornendo informazioni non solo relativamente al testo scritto, come nel caso dei palinsesti, ma anche sullo stato di conservazione del documento stesso. Le finalità attese consistono nella possibilità di disporre di una tecnica non invasiva per la valutazione complessiva e quantitativa dello stato di conservazione dei reperti che consenta anche la definizione delle caratteristiche spettrali del reperto stesso e quindi l analisi delle condizioni ottimali di illuminazione per l esposizione e la consultazione, contribuendo ad esaltare le caratteristiche di leggibilità del manoscritto. Questa ricerca rientra nell ambito del progetto MuSA-System finanziato dalla Compagnia di San Paolo di Torino. Introduzione La pergamena si affermò gradualmente in campo librario a partire dal III secolo mantenendo la forma di rotolo (volumen), a imitazione del papiro; poi, fra i secoli IV e V, si affermò la forma di codice. In campo documentario invece la pergamena cominciò a essere usata non prima del VII secolo. Fra i secoli VIII e IX, per ragioni economiche, il fabbisogno di pergamena fu risolto con un procedimento tecnico antichissimo: il palinsesto, annullamento mediante raschiatura con la pomice di una scrittura esistente, ma considerata superata, contenuta in un libro, per poter usare nuovamente il supporto. La materia scrittoria più largamente adoperata nel medioevo fu dunque la pergamena e sino secolo XIII rimase l'unica d'europa e del mondo bizantino e slavo, poi sostituita gradatamente dalla carta. Ma il suo impiego non scomparve neppure con l'invenzione della stampa. Nel Quattrocento e nel Cinquecento era ancora diffusa l'abitudine di stampare e miniare libri in pergamena allo scopo di imitare i manoscritti antichi: così, presso le diverse cancellerie signorili, per i documenti solenni si ricorreva alla cartapecora. L obiettivo principale dello studio consiste nello sviluppo di nuovi sistemi di misura e metodologie di elaborazione dei dati per la caratterizzazione dei materiali pergamenacei e consentire di mettere a disposizione le modalità più idonee per la loro conservazione, monitoraggio, esposizione e fruizione presso gli enti preposti alla conservazione e alla tutela del patrimonio storico e culturale. Scopo principale della presente ricerca è di correlare le alterazioni nello stato di conservazione dei materiali pergamenacei individuabili mediante indagini chimico-fisiche generalmente micro-distruttive con le modalità di interazione tra materiale e luce rilevabili con tecniche di indagine multispettrale non-invasive e non-distruttive [1]. La caratteristica fisica più importante di un materiale che descrive la sua interazione con la luce è il fattore di riflessione spettrale (riflettanza) ρ(λ), per i materiali opachi, e il fattore di trasmissione spettrale (trasmittanza) τ(λ), per i materiali trasparenti. Essi indicano come un corpo alteri la radiazione riflessa (o trasmessa) rispetto alla radiazione incidente e sono le caratteristiche alla base sia della visione sia della percezione del colore degli oggetti. Dove Ф r indica il flusso radiante riflesso in funzione della lunghezza d onda

2 Ф t indica il flusso radiante trasmesso in funzione della lunghezza d onda Ф i indica il flusso radiante incidente in funzione della lunghezza d onda λ indica la lunghezza d onda dei flussi radianti I fattori spettrali di riflessione/trasmissione sono misurabili mediante spettrofotometri in grado di analizzare sia il flusso incidente che il flusso riflesso di una area più o meno estesa del materiale e in diverse condizioni geometriche. Il risultato ρ(λ) è rappresentabile graficamente come riportato in Figura 1. Figura 1 Fattore di riflessione acquisito con tecniche di misura spettrografiche dei lati grain e flesh di una pergamena contemporanea. Esistono anche altre apparecchiature in grado di misurare le stesse quantità spettrali, ma tramite sistemi a immagine. In questo modo si acquisiscono diverse immagini del reperto, ognuna delle quali indica la capacità del materiale stesso di riflettere (o assorbire) una determinata lunghezza d onda. In Figura 2 sono riportati esempi di un manoscritto acquisito con tecniche multispettrali. Le immagini sono in falsi colori. Figura 2 Due immagini di pergamena storica vergata acquisite con tecniche multispettrali. Ogni immagine riporta la radiazione riflessa a una singola lunghezza d onda. Si noti che il colore dello sfondo (indicativo di una maggiore o minore intensità) varia rispetto al colore del testo scritto. Analisi sperimentali In questo studio sono state analizzate diverse pergamene contemporanee al fine di dimostrare l esistenza di una correlazione tra le caratteristiche spettrali del fattore di riflessione e le caratteristiche chimico-fisiche delle pergamene. Per valutare lo stato di conservazione di una pergamena sono stati elaborati diversi protocolli che utilizzano essenzialmente tecniche di analisi micro-distruttive (microcalorimetria differenziale di scansione, analisi termomeccanica, microscopia termica, miscroscopia eletronica di scansione, diffrazione di raggi X, microscopia di forza atomica) per la quantificazione del danno [2-3]. Nell ambito del progetto MuSA-System sono stati analizzati campioni provenienti da una pergamena contemporanea di agnello preparata all Istituto Nazionale di Ricerca per il Cuoio e i Tessili (INCDTP) di

3 X Congresso Nazionale IGIIC Lo Stato dell Arte Accademia Nazionale di San Luca, Roma 22/24 novembre 2012 Bucarest. Alcuni campioni sono stati sottoposti a cicli di invecchiamento accelerato per simulare le condizioni di deterioramento delle pergamene storiche. I campioni invecchiati artificialmente sono stati ottenuti esponendo, in accordo con le prescrizioni del D.M. 10/5/2001 (Atto di indirizzo sui criteri tecnico scientifici e sugli standard di funzionamento e sviluppo dei musei) e della normativa vigente [4-6], le pergamene nuove a illuminazione visibile e UV per tempi equivalenti a 100 e 200 anni di esposizione luminosa in condizioni di temperatura e umidità relativa controllate all interno di camere climatiche. Si è considerato che le pergamene, definite nel D.M. 10/5/2001 come materiale appartenente alla categoria di fotosensibilità 3 (alta sensibilità), appartengano in effetti alla categoria 4 (estremamente sensibili) a causa della presenza di inchiostri e pigmenti. Sulla base delle indicazioni del D.M. sopracitato i livelli di dose di radiazione visibile e UV accumulabile in diversi secoli di esposizione si possono raggiungere in tempi relativamente contenuti. I campioni sono stati sottoposti a misure spettrali dei fattori di riflessione e trasmissione nello stesso punto prima e dopo i trattamenti di invecchiamento accelerato. In questo modo è possibile valutare se la micro-zona esaminata ha subito alterazioni a seguito dell invecchiamento accelerato. Per effettuare queste misurazioni è stato impiegato uno spettrofotometro a doppio fascio Perkin Elmer Lambda 900 a nm in condizioni geometriche 8/d (radiazione incidente a 8 e raccolta della radiazione diffusa nello spazio) per le analisi in riflessione e 0/d (radiazione incidente a 0 e raccolta della radiazione diffusa nello spazio) per quelle in trasmissione. Le Figura 3 e Figura 4 riportano il fattore di riflessione spettrale dello stesso campione di pergamena contemporanea di agnello misurato in due diversi punti (punto 5 e punto 6) prima e dopo l invecchiamento accelerato. Si noti che le differenze sono più rilevanti nella zona dello spettro al di sotto dei 500 nm. Figura 3 Fattore di riflessione spettrale del punto P5 prima e dopo l invecchiamento artificiale per lato pelo (grain) e lato carne (flesh) Figura 4 Fattore di riflessione spettrale del punto P6 prima e dopo l invecchiamento artificiale per lato pelo (grain) e lato carne (flesh)

4 Le analisi condotte sulla pergamena sottoposta a invecchiamento accelerato dimostrano quindi come sia possibile correlare le variazioni del fattore di riflessione/trasmissione con le condizioni di conservazione del campione. Per poter estendere questi risultati a tipologie differenti di pergamene e alle pergamene storiche è necessario analizzare pergamene provenienti da diverse specie animali per definire uno spettro di riferimento del fattore di riflessione/trasmissione per le diverse specie. In Figura 5 sono riportati due spettri di riferimento di pergamene ottenute con pelli di agnello e capra. E evidente il diverso andamento dei due fattori di riflessione spettrale. Figura 5 Spettri del fattore di riflessione di pergamene contemporanee ottenute da agnello (lamb) e capra (goat) Inoltre, poiché non è possibile disporre della caratterizzazione dello stato iniziale delle pergamene storiche è necessario valutare l incertezza associata allo spettro di riferimento sopracitato per escludere che le alterazioni rilevate possano essere dipendenti dall eterogeneità del campione stesso. E infatti noto che a seconda della zona anatomica dell animale da cui proviene la pergamena ha caratteristiche diverse. A questo si deve aggiungere il contributo dei differenti metodi di preparazione. Per valutare questi diversi contributi è stato effettuato uno studio di eterogeneità su un intera pergamena contemporanea di agnello. I campioni sono stati prelevati da diverse parti dell intera pelle ed è stata analizzata la variabilità dei fattori di riflessione e di trasmissione. In questo modo è stato stabilito il livello di soglia tra le differenze rilevabili per lo stesso animale. Questo indice di eterogeneità è stato calcolato dalla deviazione standard dei diversi valori del fattore di riflessione spettrale misurato in diversi punti della pergamena. In Figura 6 sono riportati i fattori di trasmissione medi misurati su tutti i punti dei due lati (pelo e carne) della pergamena insieme con la loro deviazione standard. La deviazione standard è l indice di eterogeneità necessario per poter stabilire quale sia la variabilità delle caratteristiche spettrali a seconda della zona dell animale. E infatti noto che le pergamene provenienti dalla zona del dorso (spalle e coscia) hanno caratteristiche meccaniche diverse da quelle provenienti da altre zone come il ventre. Figura 6 Fattore medio di trasmissione e deviazione standard indicative dell eterogeneità del materiale

5 Se una variazione del fattore di riflessione/trasmissione risulterà essere superiore al valore della deviazione standard per il tipo di pergamena esaminata allora si potrà affermare che la variazione sia imputabile a una alterazione delle condizioni di conservazione senza che vi sia necessità di condurre prove distruttive sui campioni. Dopo aver definito gli spettri di riferimento di più specie e le variazione spettrali prodotte da differenti processi di deterioramento/invecchiamento individuabili mediante indagini chimico-fisiche e gli indici di eterogeneità sarà possibile affrontare il caso delle pergamene storiche: qualora si individui un alterazione rispetto al riferimento superiore all indice di eterogeneità sarà significativa delle condizioni di conservazione. Conclusioni Le analisi multispettrali hanno dimostrato che è possibile correlare condizioni di conservazione di pergamene con variazioni del loro fattore di riflessione/trasmissione spettrale. Queste indagini possono essere condotte con strumentazioni in grado acquisire immagini digitali a diverse lunghezze d onda, o in diverse bande, come avviene durante il processo di digitalizzazione cui sono normalmente sottoposti molti documenti. Di conseguenza, la digitalizzazione, qualora venga eseguita mantenendo definite regole che garantiscono la riproducibilità delle misure/acquisizioni, potrebbe diventare anche uno strumento non invasivo idoneo a misurare e valutare il grado del danno di beni archivistici e culturali. Il progetto MuSA-System, avviato durante il 2012 e finanziato dalla Compagnia di San Paolo, si prefigge di correlare i risultati provenienti da indagini chimicofisiche (es. microcalorimetria, microscopia termica, spettroscopia infrarossa, microscopia elettronica di scansione) con i risultati di scansioni multispettrali.in questo caso, la digitalizzazione dei documenti sarà non solo un modo utile per preservare e divulgare la storia e la conoscenza alle generazioni odierne e future, ma anche una nuova metodologia di indagine per studiare a livello scientifico documenti difficilmente accessibili sia per le condizioni di conservazione sia per l ubicazione [7]. BIBLIOGRAFIA 1. Padoan Roberto, Steemers Th.A.G., et al., Quantitative hyperspectral imaging of historical documents: technique and applications, 9 th International Conference on NDT of Art, Jerusalem Israel, May Improved Damage Assessment of Parchment (IDAP) Collection and Sharing of Knowledge, Research Report No. 18, a cura di Larsen René, Office for Official Publications of the European Communities, Lussemburgo, ,Badea Elena, Mašić Admir, Miu Lucretia, Laurora Cecilia, Braghieri Anna, Coluccia Salvatore, Della Gatta Giuseppe, Protocolli chimico-fisici per la valutazione del deterioramento ambientale di pergamene antiche, in Lo Stato dell Arte 5, Nardini Editore, Firenze, Italia, 2007, p Norme per la conservazione e il restauro, comprendenti l esposizione e la movimentazione, in Atto di indirizzo sui criteri tecnico scientifici e sugli standard di funzionamento e sviluppo dei musei, Ministero per i Beni e le Attività Culturali, Decreto 10 Maggio UNI 10829:1999, Beni di interesse storico e artistico. Condizioni ambientali di conservazione. Misurazione e analisi 6. UNI 10586:1997, Condizioni climatiche per ambienti di conservazione di documenti grafici e caratteristiche degli alloggiamenti 7. A. Giacometti, A. Campagnolo, L. MacDonald et al., Cultural Heritage Destruction: Documenting Parchment Degradation via Multispectral Imaging, Electronic Visualisation and the Arts (EVA 2012), London, UK, July