Università di PaviaUniversità di Pavia

Dipartimento di Fisica “A. Volta”Dipartimento di Fisica “A. Volta”

Alcune tecniche fisiche per i Alcune tecniche fisiche per i Beni CulturaliBeni Culturali

Personale coinvolto:

Carlo Bruno Azzoni Associate Professor HofD

Pietro Galinetto ResearcherFrancesco Rossella Ph.D. StudentDorino Maghini Technician

cognome@fisicavolta.unipv.it

DIPARTIMENTO DI CHIMICA GENERALEvia Taramelli, 12 - 27100 Paviatel. +39 382 507325; Fax +39 382 528544

Persone da contattareProff. Sandro Meloni; Massimo Oddone; Vincenzo Riganti

L’attività scientifica ha avuto per oggetto l’applicazione dei metodi di analisi per attivazione neutronica ai beni culturali e in particolare agli studi di provenienza della materia prima di manufatti di interesse archeologico e/o storico-artistico.

L’analisi per attivazione neutronica comporta l’impiego del reattore nucleare TRIGA Mark II, installato presso il Laboratorio Energia Nucleare Applicata (L.E.N.A.) dell’Università di Pavia.

L’attività è caratterizzata da:

1) adozione di procedure standardizzate per la valutazione preliminare della omogeneità e della rappresentatività dei campioni di manufatti archeologici e di materie prime che vengono sottoposti ad indagine.

2) esame critico delle caratteristiche dei materiali standard di riferimento, abitualmente utilizzati nei procedimenti di analisi per attivazione neutronica, in relazione alla natura del manufatto archeologico in esame.

3) sviluppo di modelli chemiometrici applicati in particolare allo studio di provenienza di materiali di interesse archeologico e/o storico-artistico.

Attualmente i) caratterizzazione delle fonti di ossidiana del Monte Arci in Sardegna e allo studio di provenienza di manufatti di ossidiana ritrovati in insediamenti neolitici sardi; ii) produzione di materiale ceramico nella Pavia pre-romana e romana: individuazione delle fonti di approvvigionamento dell’argilla.

DIPARTIMENTO DI CHIMICA FISICA via Taramelli, 16 - 27100 Paviatel.+39 382 507200; Fax +39 382 507575

Persone da contattareProf. Paolo Ferloni

Settore di competenzaMetodi termici e microscopici di analisi, diffrattometria di raggi X

Attività nel settore dei beni culturali- Raccolta di documentazione- Studi su antiche malte

Strumentazione disponibileVarie apparecchiature di analisi termica, microscopia ottica ed elettronica con microsonda, diffrattometro a raggi X per polveri, analisi dielettrica

Dipartimento di Fisica “A. Volta”Dipartimento di Fisica “A. Volta”

Tecniche a disposizioneTecniche a disposizione

Risonanza Paramagnetica Elettronica

Magnetizzazione statica

Spettroscopia Raman e micro-Raman

Termoluminescenza

Assorbimento ottico e fotoluminescenza

Tecniche magnetiche

Tecniche ottiche

Risonanza Paramagnetica Elettronica (EPR)

• Tecnica spettroscopica che rivela transizioni di dipolo magnetico in sistemi paramagnetici diluiti.

• Permette di caratterizzare la presenza di metalli di transizione e il loro stato di valenza.

• misura la quantità di elettroni spaiati, cioè non accoppiati in legami chimici, presenti nel reperto. Permette la datazione. Il principio di base è che i viventi non contengono elettroni spaiati. Pertanto la quantità di elettroni spaiati in un fossile riflette il tempo trascorso dalla morte del vivente. Gli elettroni spaiati sono prodotti nel tempo dalla radioattività ambientale DATAZIONE

Apparato di misura (EPR)

Alcuni recenti studiStudi su frammenti di vetrate della Certosa di Pavia (raffiguranti San Gregorio Magno, Santa Caterina, San Girolamo e il Presepe) hanno permesso di determinare lo stato di ossidazione degli ioni cromofori e avere indicazioni utili sull’atmosfera di cottura del vetro.Studi su vetri antichi (dal periodo Romano fino al medioevo) recuperati a Lomello (Pv). Informazioni su stato di ossidazione di Fe3+ e Mn2+. I risultati (combinati con misure di EMP – Electron Microprobe) permettono di definire i valori del rapporto ossidante-riducente che determina il colore di vetri lavorati.

Magnetizzazione statica Paleomagnetismo

I materiali contenenti atomi di ferro in forma ferritica (es argille), quando passano dal loro stato fuso allo stato solido, acquistano una debole magnetizzazione permanente orientata nella stessa direzione del campo magnetico terrestre e con una forza proporzionale all’intensità del campo magnetico naturale (un po’ come gli aghi delle bussole). Quindi l’oggetto che subisce questo trattamento di alta temperatura mantiene la memoria del campo magnetico terrestre nel momento della preparazione (tempo zero).

Se è nota la variazione del campo magnetico terrestre nella particolare località del manufatto, può essere valutata la sua età.

I problemi sono legati alla non perfetta conoscenza dell’andamento del campo magnetico terrestre nel tempo. La sua variazione non segue modelli attualmente prevedibili. Inoltre le calibrazioni valgono solo per certe località e lo stesso valore del campo può riapparire in più periodi storici.

Infine, secondo attuali teorie, ci sarebbero state anche due o tre inversioni negli ultimi 200000 anni

Apparato di misura: MAGNETOMETRO SQUID

Cosa misura:

momento magnetico“m” di un campione,

da cui si determinano suscettività magnetica e magnetizzazione

Unità di misura: emu (erg/G)

Range di misura di “m”: 10-8 2

emu (condizioni standard)

Errore di misura: in genere < 2%

Come misura:

Sonda bobina superconduttrice connessa

a uno SQUID che rileva la variazione del flusso

magnetico provocata dal movimento del

campione attraverso la bobina stessa (tecnica a

estrazione).

Termoluminescenza

Cosa permette di datare?

Apparato funzionante al Dip. di Fisica “A. Volta”

c

Fotografia del forno, con la relativa testa di fotoconteggio

Hamamatsu H7155.

Il sistema (camera di misura-fotorivelatore) è compatto, di

piccole dimensioni ed efficente

La cripta nella chiesa di S.Felice

Le tombe emerse durante lo scavo archeologico nella Chiesa di San

Felice di Pavia: le prime due (dall’alto) sono state oggetto di

datazione con TL

“di Ariperga”

US59

campione Luogo di prelievo Datazione media

D1671(a-e) Tomba affrescata “di Ariperga” (*) US 61 750+80 d.C.

D1672(a-d)

D1672e

Tomba affrescata US 59 80+130 d.C.

725+90 d.C.

D1673(a-d) Cripta, navata sud, parete ovest 680+85 d.C.

D1674(a-d) Cripta, abside centrale, spigolo sud, varco di passaggio 850+75 d.C.

D1675a

D1675b

Cripta, abside centrale, volta soprastante il varco nord 725+100 d.C.

465+70 d.C.

D1676(a-c) Cripta, navata centrale, volta a botte lato ovest 445+100 d.C.

Spettroscopia micro-Raman

Spettroscopia -Raman

Tecnica NON-DISTRUTTIVA per analisi microscopiche di:

Permette di riconoscere differenti pigmenti che possono dare colorazioni simili (casi esemplari TiO2 anatase/rutilo; blue di Prussia/blue cobalto/ blue ultramarine) e quindi da informazioni su qualità, provenienza, stile e può permettere l’autenticazione di opere d’arte

Pigmenti naturali e/o sintetici in pitture, affreschi, decorazioni murali, quadri

Coloranti in tessuti, stampe, manufatti

Esempi di spettri Raman su pigmenti

Importante supporto per restauro e conservazione:

Analisi su piccole macchie bianche su carta blue di un disegno del Bronzino hanno permesso di capire che la causa della decolorazione era il PbCO3 contaminazione di piomboAnalisi del deterioramento prodotto da licheni su opere in pietra. Palazzo Farnese – Roma. La spettroscopia microRaman ha permesso di identificare il monoidrato ossalato di calcio (secreto dai licheni) all’interno delle incrostazioni.Ingiallimento di fibre bianche di un disegno su sfondo blue di Mignard è necessario bleaching ottico resiste il blue? Raman IN SITUIN SITU blue è indaco, colorante molto stabile e resistente al beaching

Alc

un

i esem

pi

PigmentiUn pigmento è una sostanza colorata che assorbe

una limitata fascia di lunghezza d'onda della luce incidente, riflettendo il resto. I pigmenti possono essere organici o inorganici, biologici o prodotti chimicamente.

I pigmenti vengono catalogati in base ad alcune proprietà particolari, quali colore, potere ricoprente e penetrante porosità stabilità alla luce, al calore, agli agenti atmosferici e chimici, ecc.

29/04/05 Irene Carne 21

La spettroscopia micro-La spettroscopia micro-Raman nell’ambito dei beni Raman nell’ambito dei beni culturali: lo studio dei culturali: lo studio dei pigmenti rossipigmenti rossi

Effetto Raman Apparato strumentale Spettroscopia -

Raman nell’ambito dei beni culturali

Studio dei pigmenti pittorici

Risultati sperimentali Conclusioni

APPARATO STRUMENTALEAPPARATO STRUMENTALE

Labram Dilor (modello 010) Sorgente laser (He-Ne): Potenza = 20 mW , λ = 632.8 nm Microscopio meccanicamente integrato nel sistema: Diametro dello spot 10 µm ÷ 1 µm al variare dell'obiettivo di

focalizzazione (10X, 50X, 100X), risoluzione in profondità ≈ 2 µm

Geometria in configurazione backscattering. Spettrometro lunghezza focale = 300 mm , 2 reticoli (1800 righe/mm o 600

righe/mm). Filtro notch olografico a reiezione totale, filtraggio della componente Rayleigh della

retrodiffusione del campione. CCD 256 X 1024 pixels (pixel = 27 µn, con range dinamico di 16 bit),

raffreddamento per effetto Peltier a circolazione d'aria.

ANALISI SPERIMENTALEANALISI SPERIMENTALE

Restauro degli intonaci affrescati del castello di Lardirago, realizzati tra il XII e il XIV secolo, affrontato in collaborazione tra il collegio Ghislieri e l'Università di Pavia (CISRIC)

Rosso vermiglione (Rosso vermiglione (HgSHgS))

200 400 600 800 10000

10000

20000

30000

40000

50000

60000

Inte

nsità

(u.

a.)

Raman shift (cm-1)

Energia dei modi Raman/ (cm-1) e intensità relative

252vs; 282w(sh); 343m

Spettro Raman del campione LR6

0 200 400 600 800 1000 120010000

11000

12000

13000

14000

15000

16000

In

tens

ità (

u.a.

)

Raman shift (cm-1)

Terra rossaTerra rossa, cioè una miscela , cioè una miscela di Fedi Fe22OO33 e argilla. e argilla.

A portable instrument for archeology applications

Analysis of frescos at Pompei restoring cabinet

Red pigment sample analisys

Find an interesting area on the sample by wiev on PC screen

Spectra collected:

Cynabre, a Hg based red pigment.

The system allow measurements at ground level

Pompei : Characterization of a mosaic

Detail of the sample under analisys

•Calcite based – left spectra

•Carbon based - right right

Obtained results

Schema dei componenti ottici

1 m