FISICA PER I BENI CULTURALI

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1 FISICA PER I BENI CULTURALI VI Riflettografia IR, spettrofotometria P. Sapia Università della Calabria a.a. 2009/10

2 Collocazione spetrale dei raggi IR

3 LUCE e COLORE Riflessione / Diffusione Assorbimento Trasmissione

4 Riflettività nel visibile, nell IR e nell UV. I raggi IR sono meno assorbiti in un materiale rispetto ai raggi UV, che vengono assorbiti in genere nei primi micrometri di superficie. Questa è la ragione per cui la riflettività o la riflettometria IR rispecchia gli strati più profondi di un dipinto, in quanto i raggi IR possono penetrare più in profondità prima di essere riflessi, mentre la riflettometria UV è rappresentativa dei primissimi strati superficiali.

5 Riflettografia in Infrarosso e Ultravioletto. Il principio su cui si basa la riflettografia IR e UV è facilmente comprensibile: in molti casi i pigmenti utilizzati in campo pittorico sono trasparenti alla radiazione infrarossa (IR); illuminando in tal modo gli strati di colore e registrando con opportuni sistemi di rivelazione la parte che ne viene riflessa, è possibile ottenere una nuova immagine dell'opera d'arte che mette in luce particolari altrimenti celati all'occhio nudo. VISIBILE IR

6 RIFLETTOGRAFIA INFRAROSSA Tecnica di indagine ottica utilizzata per analisi di dipinti (su tavola e su tela), papiri e affreschi, per l individuazione di: Restauri (presenza di pigmenti diversi) Pentimenti (variazioni stilistiche) Disegno preparatorio Riutilizzi Testi non più leggibili (sporco)

7 RIFLETTOGRAFIA INFRAROSSA

8 RIFLETTOGRAFIA INFRAROSSA BRAMANTINO: La Sacra Famiglia. Pinacoteca di Brera - Milano CLICK

9 RIFLETTOGRAFIA INFRAROSSA BRAMANTINO: La Sacra Famiglia. Pinacoteca di Brera - Milano CLICK

10 CLICK RIFLETTOGRAFIA INFRAROSSA BELLINI: Madonna col Bambino. Pinacoteca di Brera - Milano

11 CLICK RIFLETTOGRAFIA INFRAROSSA Riflettografia effettuata con il sistema di scansione a singolo fotodiodo (fotosensore InGaAs) realizzato dall INOA di Firenze BELLINI: Madonna col Bambino. Pinacoteca di Brera - Milano

12 EVOLUZIONE DELLA TECNICA DI RIPRESA 1970 Pellicola B/N Infrarosso 1982 Vidicon (PbS) RAFFAELLO: Sposalizio della Vergine (particolare). Pinacoteca di Brera - Milano 2002 Scanner (ingaas)

13 CONFRONTO TRA DIVERSI FOTOSENSORI CLICK MARCELLO FOGOLINO: San Francesco Riceve le Stimmate. Pinacoteca Civica di Vicenza

14 CONFRONTO TRA DIVERSI FOTOSENSORI CLICK Visibile Si PbS PbS

15 ANCORA UN RIFLETTOGRAMMA IR

16 VISIBILE vs UV vs IR VIS IR UV

17 VISIBILE vs UV vs IR VIS IR UV

18 VISIBILE vs UV vs IR VIS IR UV

19 Schema di SPETTROMETRIA IN TRASMISSIONE

20 Schema di SPETTROFOTOMETRIA IN RIFLESSIONE

21 SCANNER SPETTRALE Lo Spettrometro Spectral Scanner permette di acquisire la composizione spettrale di ogni punto dell' oggetto scansionato: si ottiene dunque la distribuzione delle intensità delle diverse lunghezze d'onda per ogni punto campionato. Una volta messa a fuoco, l'immagine viene acquisita riga per riga, come in un normale scanner, attraverso una fenditura; l'ottica dello spettrometro separa la radiazione di ogni singolo punto della riga nelle sue componenti spettrali la cui intensità è rilevata da una camera costituita da una matrice bidimensionale di elementi fotosensibili.

22 Fibre Ottiche Le fibre ottiche sono filamenti di materiali vetrosi o polimerici, realizzati in modo da poter condurre la luce. Sono normalmente disponibili sotto forma di cavi. Sono flessibili, immuni ai disturbi elettrici ed alle condizioni atmosferiche più estreme, e poco sensibili a variazioni di temperatura. Hanno le dimensioni di un capello e pesano molto poco, una singola fibra pesa infatti circa 20 kg/km compresa la guaina che la ricopre. Ogni singola fibra ottica è composta da due strati concentrici di materiale trasparente estremamente puro: un nucleo cilindrico centrale, o core, ed un mantello o cladding attorno ad esso. Il core presenta un diametro molto piccolo di circa 10 μm, mentre il cladding ha un diametro di circa 125 µm. I due strati sono realizzati con materiali con indice di rifrazione leggermente diverso, il cladding deve avere un indice di rifrazione minore (tipicamente vale 1.475) rispetto al core (vale circa 1.5). Come ulteriore caratteristica il mantello (Buffer) deve avere uno spessore maggiore della lunghezza di smorzamento dell'onda evanescente, caratteristica della luce trasmessa in modo da catturare la luce che non viene riflessa nel core. All'esterno della fibra vi è una guaina protettiva polimerica detta jacket che serve a dare resistenza agli stress fisici e alla corrosione ed evitare il contatto fra la fibra e l'ambiente esterno. 22

23 Spettrofotometro portatile a fibra ottica Spettrofotometro UV-visibile-NIR di dimensione estremamente ridotte Range spettrale: nm Il segnale di emissione dalla lampada e quello riflesso dal campione sono trasportati da una fibra ottica 23

24 Escludendo un limitato numero di eccezioni, gli oggetti di indagine nel campo beni culturali sono opachi I 0 I r Spettroscopia di riflettanza Registra lo spettro della radiazione diffusa dalla superficie del campione, inclusa o esclusa la componente riflessa

25 Applicazioni della spettrometria UV-Vis-NIR Riconoscimento di pigmenti (effetto della vernice e della granulometria) inorganici ed organici (Riconoscimento di leganti) Riconoscimento di prodotti di degrado su materiali lapidei (tipicamente solfati, ossalati e nitrati) Riconoscimento di agenti coloranti nei vetri Misura del colore

26 Optics Fibre Reflectance Spectroscopy In questa tecnica la radiazione di riflettanza del campione è raccolta mediante una sonda con fibra ottica. La sonda può contenere sia la fibra di raccolta della radiazione, sia la fibra che porta la radiazione primaria Nella sonda con geometria 3x45 /0 le due fibre esterne portano l illuminazione sul campione, mentre la fibra intermedia, posta a 45 rispetto alle sorgenti, raccoglie la luce di riflettanza diffusa evitando la riflettanza speculare

27 Esecuzione di misure UV-visibili in riflettanza Per effettuare misure in riflettanza è necessario in primo luogo registrare uno spettro del bianco, ovvero di una sostanza la cui superficie sia (idealmente) totalmente riflettente, quindi fornisca come risposta esclusivamente lo spettro di emissione della sorgente, senza modifiche dovute alle molecole della sostanza irraggiata Una sostanza che ha queste caratteristiche è il solfato di bario, BaSO 4, che costituisce uno standard di riferimento molto utilizzato in riflettanza UV-visibile, in quanto ha una riflettanza vicina al 100% nel range visibile. Altri standard impiegati comunemente sono costituiti da materiali polimerici di aspetto, ovviamente, bianco

28 Spettrofotometria infrarossa La spettrofotometria infrarossa (IR) è una tecnica molto nota in campo chimico e ha notevoli applicazioni anche nel campo dei beni culturali. Si tratta di una tecnica di analisi molecolare nella quale sono misurate transizioni tra livelli energetici vibrazionali, che richiedono energia corrispondente a radiazioni nella regione infrarossa dello spettro elettromagnetico, cioè tra 1 e 500 µm Con questa tecnica è possibile avere informazioni sui gruppi funzionali presenti nelle molecole che formano il campione e quindi, indirettamente, sulle molecole stesse. Le informazioni sono prevalentemente di tipo qualitativo; l aspetto quantitativo è scarsamente sfruttato

29 L energia in gioco Frequenza (ν in Hz, sec -1 ) Lunghezza d'onda (λ in nm o in µm) Numero d'onda: ( = 1/λ in cm -1 ) Frequenza = Numero v d onda x c (velocità della luce) Campo spettrale della radiazione IR: µm ( cm -1 ) µm ( cm -1 ): vicino IR (NIR) µm ( cm -1 ): medio IR (MIR) µm ( cm -1 ): lontano IR (FIR)

30 Infrarosso vibrazione delle molecole L energia delle radiazioni infrarosse è sufficiente per attivare anche transizioni energetiche rotazionali

31 Moti vibrazionali delle molecole stretching: modificano le lunghezze dei legami. Distinti in: simmetrico asimmetrico bending: modificano gli angoli tra gli atomi. Distinti in: rocking scissoring wagging twisting

32 IR: modi di vibrazione

33 Energia delle transizioni Ogni transizione vibrazionale, come quelle elettroniche e rotazionali, ha una specifica energia che dà luogo ad un assorbimento della regione infrarossa in una specifica regione Ogni gruppo funzionale può avere più modi vibrazionali che corrispondono ad energie diverse; allo stesso tempo gli assorbimenti dei differenti gruppi funzionali corrispondono ad energie simili anche se presenti in molecole diverse Va considerato che, nonostante i modi di vibrazione di una molecola possano essere diversi, le regole della meccanica quantistica ci dicono che l assorbimento di energia, e quindi la transizione tra due stati energetici vibrazionali, avviene solo se la vibrazione implica un cambiamento nel momento dipolare della molecola. Nel gergo della meccanica quantistica ciò equivale ad indicare un modo di vibrazione attivo o permesso

34 L anidride carbonica L anidride carbonica, CO 2, può avere i modi di vibrazione illustrati nella figura, con l atomo di carbonio al centro. Questi moti sono responsabili dell effetto serra che la CO 2 esercita in atmosfera, assorbendo energia termica dalla terra. La vibrazione A, stretching simmetrico (~40 trilioni di vibrazioni/sec), non è attiva in quanto non cambia il momento dipolare; le altre vibrazioni sono invece attive

35 Spettro IR della CO 2 I segnali dello spettro di assorbimento IR della CO 2 corrispondono ai modi di vibrazione permessi: quelli di bending, entrambi attorno a 666 cm -1, e quello di stretching asimmetrico a 2350 cm -1 Lo stretching simmetrico del gruppo C=O, che dovrebbe essere a 1340 cm -1, nella CO 2 non è attivo perchè in questa molecola non cambia il momento dipolare 666 cm -1 (bending) 1340 cm -1 (stretching simmetrico) 2350 cm -1 (stretching asimmetrico)