Microscopi dell'invisibile

14. Acceleratori per i beni culturali

percorso di Silvia Miozzi

 Le tecniche sviluppate per la ricerca fondamentale nella scienza dei materiali hanno trovato applicazioni in molte aree come il patrimonio culturale e l’archeologia. Per esempio con l’impiego di acceleratori è possibile datare reperti archeologici ed esaminare la composizione di vari strati di un dipinto senza alterarlo o distruggerlo. Sono molte le tecniche in uso, di seguito descriviamo quelle più importanti.

Ion Beam Analysis (IBA) utilizza un fascio di ioni per rivelare la composizione di materiali inorganici (analisi elementale). È lo strumento ideale per l'analisi di inchiostri, pigmenti, vetro, ceramica, gemme, pietre o leghe metalliche di inestimabili opere d'arte o reperti archeologici. Tecniche come IBA, che non danneggiano i campioni, sono collettivamente note come Non Destructive Testing (NDT). Queste tecniche sono così potenti che è possibile identificare con precisione la composizione dei colori utilizzati da un artista per creare un'opera d'arte. Questo ad esempio permette a storici dell’arte di approfondire il processo creativo, e ai restauratori di programmare eventuali interventi nel massimo rispetto dell’opera.
L’analisi dei materiali viene fatta attraverso l’esame della radiazione emessa dal campione dopo che questo è irraggiato con un fascio di ioni, in particolare le tecniche sono:
PIXE (Particle Induced X-ray Emission): misura i raggi X emessi e permette l’analisi dei pigmenti
.

PIGE (Particle Induced gamma-ray Emission): misura i raggi gamma e permette l’analisi di alcuni isotopi leggeri
.

BS (Back Scattering): misura le particelle del fascio rimbalzate all’indietro per l’analisi della componente organica.


IBIL (Ion Beam Induced Luminescent): che misura la radiazione luminosa per l’analisi di alcuni legami molecolari.


IBA permette la datazione indiretta di dipinti poiché alcuni pigmenti sono stati utilizzati soltanto in determinati periodi storici, e di manoscritti grazie alla concentrazione degli elementi presenti negli inchiostri che possono variare a seconda del periodo e delle procedure di fabbricazione. Ad esempio presso il LABEC di Firenze dell’INFN, sfruttando questa tecnica sono stati datati alcuni manoscritti di Galileo Galilei dedicati al moto. Galileo, oltre a fabbricarsi da sè gli inchiostri come molti suoi contemporanei, riportava (datando) tutte le spese fatte su una apposita agenda. Comparando le composizioni degli inchiostri dei manoscritti con quelli dell’agenda, è stato possibile datarli con esattezza.

L’unico inconveniente di questa tecnica è che l’opera deve essere portata in laboratorio e non sempre è possibile.
Per risolvere il problema è nato il progetto Machina (Movable Accelerator for Cultural Heritage In situ Non-destructive Analysis), uno strumento compatto e trasportabile, progettato dall'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn),  dal Cern di Ginevra e dall' Opificio delle Pietre Dure di Firenze. L’opera d’arte non dovrà essere spostata dal museo o dal laboratorio di restauro, ma sarà l’acceleratore a raggiungerla. Inoltre queste tecniche, al momento utilizzabili in pochi luoghi al mondo, potranno essere sfruttate in molte realtà rivoluzionando la conservazione ed il restauro dei beni culturali.

 beni cultrali machina

Machina

La Ion Beam Analysis può essere utilizzata anche per la salvaguardia dell’ambiente. Le analisi elementali permettono di identificare, all’interno degli aerosol presenti nell’aria, i vari inquinanti.

Tornando ai beni culturali, l’utilizzo di acceleratori ha rivoluzionato la datazione dei reperti attraverso il 14C.
La tecnica utilizzata è nota come Accelerator Mass Spectrometry (AMS) e si basa sulla misurazione diretta della concentrazione di radiocarbonio (14C) in un oggetto di origine organica. Gli organismi viventi assorbono il 14C presente nell’atmosfera fino alla loro morte. La quantità residua di questo elemento consente di determinare il periodo di morte dell'organismo: più antico è il campione, minore è la quantità di radiocarbonio residuo. Per effettuare la misura è necessario prelevare, seppure in piccola quantità, un campione di materiale da analizzare. Nell’analisi tradizionale erano necessarie grandi quantità del materiale da datare. Essendo una analisi distruttiva, questo impediva di utilizzarla per oggetti particolarmente preziosi o rari. Per dare un’idea, per datare un tessuto con la tecnica tradizionale erano necessari 20-50 gr. Con la tecnica AMS è sufficente una quantita 10000 più piccola (0.02-0.05 gr). Questo ha permesso, per esempio, di datare frammenti della tonaca di San Francesco d’Assisi conservata a Cortona.

sfrancescao labec

Nel campo dei beni culturali la luce di sincrotrone, nello spettro dei raggi X, è particolarmente utilizzata per fare analisi non distruttive. Un fascio di luce di sincrotrone viene inviato su un campione e la radiazione riemessa ne permette l’analisi chimica. Con questa tecnica è stato possibile far apparire dipinti nascosti sotto altri oppure poter leggere antichi papiri senza srotolarli dunque senza rovinarli. Ne sono un esempio i papiri, ritrovati nella villa dei papiri ad Ercolano, che a seguito dell’eruzione del Vesuvio nel 79 d.c. si sono carbonizzati.

carbonizzato

 

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