METODI ANALITICI PER LO STUDIO DEI BENI CULTURALI (6CFU) ANALISI CHIMICHE PER I BENI CULTURALI (3CFU) Nicola Ludwig

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1 METODI ANALITICI PER LO STUDIO DEI BENI CULTURALI (6CFU) ANALISI CHIMICHE PER I BENI CULTURALI (3CFU) Nicola Ludwig ricevimento: in via Celoria mercoledi e giovedì pomeriggio in via Noto su appuntamento Nicola.Ludwig@unimi.it Dipartimento di Fisica, via Celoria 16 Programma Obbiettivo del corso è fornire all esperto di beni culturali (conservatore o studioso) una capacità di lettura materica del manufatto artistico attraverso l uso di diverse tecnologie di analisi. Prima parte: basi di struttura della materia e di ottica per districarsi attraverso la terminologia delle principali metodologie analitiche. Seconda parte: le diverse metodologie saranno affrontate e discusse comparativamente, casi di studio affrontati (cataloghi), visita guidata laboratori. Parte monografica sul colore e sui pigmenti. esame: scritto/orale/tesine Nessuna distinzione fra frequentanti e non 1

2 Analisi di materiali - COME? analisi chimica spettrometrie nel visibile,, I.R., U.V. tecniche nucleari : tecniche di attivazione (con neutroni o particelle cariche) fluorescenza X (XRF) Ion Beam Analysis (PIXE, PIGE, NRA, RBS,...) Lo scopo delle analisi scientifiche, in generale, nel campo dei Beni Culturali non è diretto solo alla tutela, alla conservazione, al restauro, che ovviamente sono di prioritaria importanza, ma esse assolvono anche allo scopo di fornire gli elementi di caratterizzazione materica che integrano i dati dello studio storico-stilistica e che possono prescindere del tutto da scopi di conservazione e di restauro. 2

3 Programma dettagliato: (18.2) Introduzione alle tecniche di studio per i beni culturali: tecniche elementari, molecolari e strutturali. Cenni di struttura della materia. (atomi, molecole, legami molecolari, legame ionico, legame covalente, formule di struttura, legame metallico, struttura molecolare e stati di aggregazione della materia, transizioni di fase). (A.C.) (19.2) Elementi di statistica e analisi dei dati. La misura: concetti di accuratezza e precisione, limite di rilevabilità e cifre significative in un dato numerico. Analisi non invasive e non distruttive, media e deviazione standard in una serie di dati. Metodi grafici per la rappresentazione di dati, la curva di Gauss. (A.C.) (25.2) Elementi di struttura della materia e introduzione alle tecniche di analisi elementari. (dott.ssa L. Bonizzoni). Interazione della radiazione con la materia, tabella periodica degli elementi, energie di legame e orbitali atomici, peso e numero atomico, elementi leggeri e pesanti loro caratteristiche di rilevabilità, la radiazione X e g. (A.C.) (4.3) Tecniche analitiche elementari (1) (Prof. M. Milazzo) Tecniche di analisi con l ausilio di ioni, IBA, PIXE/PIGE, RBS (5.3) Tecniche analitiche elementari (2) (Prof. M. Milazzo). XRF con tubi X con radioisotopi, analisi XRF quantitativa e TXRF, SEM-EDS, ICP. cenni sui metodi di analisi statistica multivariata. (A.C.) (11.3) Elementi di ottica. Leggi della riflessione, rifrazione, indice di rifrazione. Riflettanza, assorbanza e trasmittanza. Tecniche spettroscopiche e ottiche : Analisi spettroscopiche in riflettanza assorbanza e trasmittanza (Ultravioletto, Visibile, Infrarosso vicino). Emissione di luce dalla materia (incandescenza e luminescenza, fluorescenza, spettri atomici, emissione spontanea e stimolata, temperatura di colore). Spettri caratteristici di alcuni materiali pittorici nel visibile-vicino IR. (A.C.) (12.3) Colorimetria, cenni ai sistemi di misura del colore. Fisiologia della visione, fenomenologia dell apparenza del colore. Colore fisico e colore psicofisico, sintesi additiva e sottrattiva, colori primari. Basi chimico-fisiche del colore. Diagramma di cromaticità, lunghezza d onda dominante, cenni ai sistemi di coordinate colorimetriche più in uso: RGB, CIELab, CYMK). Illuminanti e metamerismo. (A.C.) (18.3) I pigmenti pittorici (1) Superfici dipinte e tecniche pittoriche. Composizione chimica dei pigmenti. Pigmenti minerali e organici, coloranti naturali e artificiali. Trattamento conservativo delle superfici pittoriche. Analisi ottiche dei dipinti in falso colore (IR falso colore-, fluorescenza UV, spettroscopia d immagine). (19.3) Tecniche di indagine per immagini (1). Riflettografia infrarossa: cenni di funzionamento, evoluzione storica della tecnica, esempi di applicazioni. (25.3) Tecniche di indagine per immagini (2). Termografia per le indagini sull edilizia storica. Principi di funzionamento dei sistemi di ripresa termografici. Diagnostica dell umidità, distacchi degli intonaci e studio di tessiture murarie. (26.3) Tecniche analitiche elementari (3). LIP, LIBS, spettroscopie di assorbimento ed emissione atomica (AAS, AES), AMS. (A.C.) (1.4) Tecniche fotografiche. (dott. M.Gargano) Cenni storici, evoluzione e applicazioni dei dispositivi fotografici. (2.4) Tecniche di indagine per immagini (3). (Prof. M. Milazzo) Radiografia X, autoradiografia, gammagrafia e tomografie. (8.4) Tecniche analitiche molecolari (1). Spettroscopia IR e FTIR, spettroscopia Raman. Esempi ed applicazioni in campo archeometrico. (A.C.) (16.4) Tecniche analitiche molecolari (2). Metodi di separazione: cromatografie, a gas (GC) su strato sottile (TLC), Liquida ad alta pressione (HPLC). Spettrometria di massa e tecniche associate. (A.C.) (22.4) Metodi legati alla separazioni di fase. Analisi termiche (DTG, DTA, DSC), esempi ed applicazioni in campo archeometrico. (A.C.) (23.4) Analisi microstrutturali: XRD, microscopia ottica (MO), MO in luce polarizzata e in luce UV. Microscopio elettronico a scansione (SEM), TEM. (A.C.) (29.4) I pigmenti pittorici (2). Stratigrafie con e senza prelievo. Spot Test. metodi di riconoscimento e classificazione con tecniche di analisi distruttive, non distruttive, invasive e non invasive, loro catalogazione e impiego storico. di pigmenti pittorici Esempi di applicazioni allo studio di opere pittoriche su diversi supporti. (A.C.) (6.5) Visita guidata al Museo Arte e Scienza - Milano (7.5) Analisi sui materiali. Metalli e archeometallurgia, leghe e le patine. I materiali cellulosici il legno e la carta. I leganti pittorici e i relativi processi di invecchiamento. 3

4 La fisica e la chimica per i beni culturali Le analisi di tipo chimico e fisico su beni artistici/archeologici sono rivolte principalmente alla caratterizzazione dei materiali e delle tecniche di lavorazione. Studi di provenienza=> datazioni indirette. Due ambiti di indagine: conservazione/restauro studio La scelta dell analisi dipende dal tipo e dalla quantità di campione che si può analizzare e dal tipo di informazioni che si vogliono ottenere. ARCHEOMETRIA E l area delle applicazioni delle discipline scientifiche, inclusa la Fisica, che hanno come oggetto le misure riferite a oggetti antichi. In particolare, ma non esclusivamente, le datazioni. I metodi di analisi fisiche devono essere non distruttivi e perciò sono importanti alcuni metodi di fisica atomica (ion beam analysis) e nella totalità i metodi della Fisica nucleare. 4

5 TIPOLOGIA DI ANALISI Nelle analisi applicate ai BC è importante che la tecnica utilizzata sia il meno distruttiva possibile o, meglio ancora, completamente non distruttiva. ANALISI Metodi NON invasivi : il manufatto non viene toccato fisicamente (ma può essere impiegata della radiazione). Invasive Non distruttive Non invasive Metodi NON distruttivi : non si distrugge il manufatto indagato e neanche il campione eventualmente prelevato che rimane disponibile per ulteriori analisi. Microdistruttivi (alterazioni non percepibili ad occhio umano dimensioni< 100µm, peso<100 mg) Trasportabili/da laboratorio. Distruttive Microdistruttive ANALISI ELEMENTARI rivelano i tipi di atomi (elementi chimici) presenti nel materiale: Analisi distruttive del campione (AAS, AES, ICP- OES, ICP-MS) Analisi micro-distruttive del campione (LA-ICP- MS, LIP e LIBS) Analisi non distruttive del campione (XRF, PIXE, PIGE, SEM-EDX e TEM) 5

6 ANALISI MOLECOLARI: - Spettroscopia molecolare: Spettroscopia infrarossa (FTIR) Spettroscopia Raman e FT-Raman - Metodi di separazione cromatografie Gascromatografia (GC) e Cr. Liquida (HPLC) Spettrometria di massa (MS) Analisi termiche (TGA, DTA, DSC) Tecniche combinate GC-MS, GC-FTIR INTERAZIONE PARTICELLA-MATERIA A LIVELLO MICROSCOPICO (l atomo) Nucleo atomico (protoni e neutroni) ORBITALI INTERNI ORBITALI ESTERNI 6

7 TIPO DI INTERAZIONE NON DISTRUTTIVA CON IL CAMPIONE fascio di particelle o di radiazione Campione (manufatto o parte di esso) rivelatore segnale C o n t e g g i Si Al S Na Lapislazzuli K Ca 0 spettro di energia COS È UNO SPETTRO: CPS 2000 XRF su un vetro Pb Sr Fe Zn Zr Energy (KeV) Ag (scattering) (chiedersi:) indicazione di ascissa, ordinata e u.d.m., sensibilità-risoluzione,... 7

8 LA STRUTTURA DELLA MATERIA DIMENSIONI CORPI MOLECOLE ATOMI (nucleo di p, n; orbitali di e-) particelle subatomiche gli elementi chimici e la Tavola Periodica L atomo 8

9 ATOMO Elemento Analisi elementare NUCLEO ELETTRONI Schema banale della struttura atomica MOLECOLA Composto Analisi molecolare e dei composti Massa atomica e molecolare Composto organico Composto inorganico Analisi qualitativa Analisi quantitativa Rappresentazione della molecola del benzene La tavola periodica degli elementi GAS METALLI 9

10 Distinzioni fra gli elementi chimici Metalli / gas / non metalli Leggeri Pesanti Radioattivi Le molecole Principali tipi di legami che formano molecole Covalente: due o più atomi mettono in compartecipazione degli elettroni esterni (Chimica organica del carbonio). Ionico (cristalli). Gli atomi si ionizzano (+ e ), cedendo uno o più elettroni l un l altro. La coppia di atomi, fortemente caricata elettricamente, rimane legata. Metallico: si forma un reticolo nel quale gli elettroni più esterni di tutti gli atomi sono liberi di muoversi in tutto il solido (conduzione elettrica e termica). Legami deboli (ponte idrogeno). Sono legami fra molecole polarizzate tipiche p.es. dei liquidi. 10

11 LEGAMI MOLECOLARI determinano le proprietà ottiche dei materiali. TESTI CONSIGLIATI: (in ordine di Dispense delle lezioni (chiedere al docente le slide). Più dispense scaricabili dal sito: www. Elementi di archeometria. A cura di A.Castellano, M.Martini, E.Sibilia ed Egea Milano 2007 Capp. 6, 7 (per XRF e analisi associate) capp. 8, 9 (radiografie e gammagrafie), capp. 10, 11, 13 (per riflettografia, spettroscopia d immagine e analisi ottiche dei dipinti in falso colore) cap. 14 per Le analisi di laboratorio applicate ai beni artistici policromi. L. Apollonia, S. Volpin: Patron.editore,. pp e (esclusi percorsi 2 e 4 pagg Misurare il colore. C.Oleari Hoepli-Milano 2008 Capp 1, 2 (fino a 2.1.5), 3 (fino a 3.9), 6. (in tutti saltare le parti con formalizzazioni Chimica per l arte. L.Campanella et al. Zanichelli 2007 parte sulle tecniche di analisi pp e per chi vuole approfondire la parte sui pigmenti pittorici pp