Archeometria

Archeometria

Prof. Vandini

10 novembre 2015, martedì

Analisi diagnostiche di laboratorio

Prevalentemente per indagare i materiali (rientra anche l'analisi dei contesti). Tecniche di tipo sperimentale, quindi uso del laboratorio per approfondire i temi.

Prerequisiti

La materia

La materia è composta da particelle, atomi, la cui combinazione rappresentano le proprietà dell'elemento. Sostanza: porzione di materia con proprietà chimiche e fisiche ben definite.

Sostanza pura: sostanza omogenea, con proprietà (organolettiche, morfologiche, fisiche, chimiche) costanti in ogni suo punto.

Miscuglio: mescolanza di due o più sostanze pure (eterogeneo o omogeneo).

Composto (molecola): sostanza pura decomponibile in elementi.

Elemento (atomo): sostanza pura non decomponibile in altre sostanze più semplici (anche detti elementi chimici).

Gli elementi chimici sono caratterizzati dalla struttura minima chiamata atomo, unità minima che caratterizza ogni singolo elemento. L'atomo è divisibile, ma l'unità atomo caratterizza l'elemento chimico che invece è indivisibile in termini di sostanza (ad esempio, l'acqua è una sostanza pura che si può separare in altre due sostanze pure, idrogeno ed ossigeno, che invece non si possono ulteriormente separare).

L'atomo è suddivisibile in particelle subatomiche, che lo compongono. I costituenti basi della materia sono tutti uguali: nucleo che contiene neutroni e protoni, con elettroni che gli ruotano intorno (sono tutti uguali tra loro). Quelli che cambiano sono i suoi componenti (atomi).

Cosa dà una specifica qualità al materiale?

Il numero delle particelle, detto numero atomico (n.elettroni=n.protoni) e/o numero di massa (n.protoni o elettroni + n.neutroni); e la distribuzione delle particelle (zone di maggior probabilità di incontrare le particelle di elettrone, anche se bisogna immaginarle come rotaie fisse su cui si muove l'elettrone) in orbitali atomici (stati); anche la distanza o raggio delle orbite (quanto sono grandi i loro raggi rispetto al nucleo, in termini geometrici e di energia, cosa cioè caratterizza un elettrone rispetto al nucleo a livello di energia).

Tutto questo lo vediamo nella tavola periodica degli elementi: all'aumentare del numero atomico, gli elementi si possono classificare in base alle loro proprietà chimiche e all'affinità degli elementi: importante è il numero atomico (n.di elettroni), così come la massa atomica (espressa in unità di massa atomica, amu=dodicesima parte massa C₁₂).

Ione: atomo non elettricamente neutro avendo numero minore o maggiore di elettroni (ioni positivi o cationi; ioni negativi o anioni). Si pensa che si formano ioni con una minore o maggior facilità di scindere gli elettroni.

Gli orbitali atomici hanno regole di occupazione: dalla seconda in poi ce ne stanno al massimo 8, la prima con 2. Con eccesso di protoni avremo un carico positivo (Na⁺), al contrario lo avremo negativo (Cl^-): legame ionico della molecola del cloruro di sodio, Na⁺ Cl^-.

Gas nobili o inerti: a causa del completamento delle orbite esterne hanno scarsa combinazione chimica e di reagire alle influenze esterne.

Isotopo: riguarda le tecniche di datazione, soprattutto il radiocarbonio, il cui carbonio dipende dagli isotopi (stesso tipo di comportamento dal punto di vista chimico). Un isotopo è un atomo con stesso n.elettroni e protoni (Z) ma diverso n.di massa (A=neutroni+protoni), maggiormente concentrata nel nucleo perché gli elementi sono 1000 volte più pesanti degli elettroni; in quest'ultimo può cambiare solo il numero di neutroni.

Esempio: C: Z= 6; C= 6 neutroni + 6 protoni; C= 7 neutroni + 6 protoni; C= 8 neutroni + 6 protoni^{12 13 14} (elemento radioattivo).

Raggi atomici: dimensioni: 10^-10 m (Å).

Energie atomiche: KeV (energie nucleari: MeV (10⁶)).

La natura ci dà la maggior parte di isotopi, quindi ne troviamo di primordiali, radiogenici o cosmogenici.

Sistema internazionale di misura

Sistemi di misura per migliorarne la materia. Viene continuamente aggiornato. Definizione di convenzioni per cui noi chiamiamo le diverse unità di misura.

m: metro.

I suoi multipli vengono considerati con le radici, quindi: 10³ = K kilo km (mille); 10⁶ = M mega Mm (milione); 10⁹ = G giga Gm (miliardo); 10¹² = T tera Tm (millemiliardi); 10¹⁵ = P peta Pm; 10^-3 = m milli mm; 10^-6 = μ micro μm; 10^-9 = n nano nm (miliardesimo); 10^-12 = p pico pm; 10^-15 = f femto fm.

Composti e molecole

L'atomo nel suo complesso di particelle, legato ad altri atomi, uguali o diversi. Particella minimale costituita da uno o più atomi, in grado di esistere autonomamente e di mantenere le sue proprietà, almeno all'interno di determinate condizioni ambientali.

Cosa determina la proprietà di una molecola? Energia che determina i legami chimici, misurabile per distinguere le molecole in base a questa loro proprietà di tenere uniti gli atomi che la compongono.

Ossidi di rame: Diossidi di rame CuO (rame+ossigeno) Cu₂O (rame+2 molecole di rame). Cambia l'energia che lega gli elementi per formare la molecola; cambia anche la qualità dell'energia, oltre al numero. Stessi elementi possono combinarsi in maniera differente, le tecniche misurano l'energia che legano questi elementi tra loro.

Esistono banche dati che ci dicono il raggio dell'atomo o di ogni singolo elemento, così quanto vale l'energia di uno o dell'altro elemento.

Minerali e mineralogia

Proprietà della materia. Non sono distinguibili dalla materia e dai composti. CaCO₃ (carbonato di calcio); composto, molecola, al nome del minerale, calcite (specifica di una distribuzione geometrica, nello spazio, degli elementi chimici che compongono il carbonato di calcio). In questo caso, posso ottenere tre minerali diversi: calcite, aragonite, vaterite (hanno disposizioni diverse degli atomi): sono chiamati polimorfi.

L'aragonite si forma nei gusci degli organismi marini: importante indicazione per studiare le materie prime, ad esempio, della ceramica, dove veniva usato questo materiale (provenienza costiera del materiale-minerale).

Un minerale è una sostanza con composizione chimica ben definita, sostanza naturale solida, con disposizione regolare ed ordinata degli atomi, fissa e costante per ogni tipo di minerale (struttura cristallina). Quest'ultima è caratterizzata da una disposizione di atomi nello spazio che si ripete a intervalli regolari lungo più direzioni. La struttura tridimensionale viene chiamata reticolo cristallino, e si presenta come allineamenti regolari di atomi.

Le tecniche di indagine del materiale guardano la disposizione degli elettroni nell'atomo, quelle che indagano, quelle che riconoscono i minerali, si basano sulla misura della geometria.

Rocce e petrografia

Aggregato naturale di diversi minerali, che forma una massa ben individuabile, distinta da altre masse analoghe. Vi rientra anche la ceramica, essendo una roccia artificiale.

Rocce eterogenee: costituite da più specie di minerali (in termini cromatici, questa poliformazione si nota).

Rocce omogenee: più rare, formate da un solo minerale (monominerali).

Qualità delle rocce: numero e tipo di minerali, qualità, porosità, inclusioni non minerali, in che modo si aggregano tra loro.

Da stessi elementi chimici e minerali, quindi, posso ottenere diversi tipi di rocce, in base a come si aggregano tra loro o con altri elementi: genesi geologica degli elementi.

Hanno una uguale chimica e minerale: si aggregano in modo diverso: petrografia. Marmo (rocce metamorfiche, prodotti di modifiche legate ad alte temperature). Rocce carboniche (rocce sedimentarie).

Testi da consultare: Fiori, I materiali dei beni culturali, Aracne Editrice; Henderson, The science and archeology of materials, Routledge.

Radiazione elettromagnetica

Investigatore fisico della materia. È una forma di energia che si propaga nello spazio e nel vuoto sotto forma di onde, onde elettromagnetiche, che derivano dall'unione di elettromagnetismo. È un investigatore perché i metodi che vedremo funzionano tramite la radiazione elettromagnetica, inviata ad interagire con la materia studiata, per analizzare la sua risposta.

Ad esempio, la usiamo per misurare i lati del reticolo cristallino dei minerali, che ci aiuterà a capire la fine e l'inizio di questa misura, dandomi un numero in termini Armstrong, per poi individuare il minerale che compone la materia che volevamo indagare.

Prende diversi nomi, storicamente e per le interazioni che essi assumono: raggi gamma, prodotto della radioattività; raggi X; raggi ultravioletti, che ci permettono di vedere (analisi di materiali organici); infrarossi (studio dei materiali in duplice veste, sia perché oltrepassano le pellicole pittoriche, sia perché sono molte energie di legame delle molecole); onde radio; microonde (quelle del forno a microonde).

Queste onde si possono rappresentare come oggetti veri e propri: allarmi, forni microonde...

Proprietà delle onde che ci permettono di distinguerle in diverse categorie: fenomeni ondulatori:

Onde trasversali, cioè si propagano in direzione perpendicolare alla direzione di vibrazione (caratterizzano la radiazione elettromagnetica, sono solo energia, non meccaniche, infatti si propagano anche nel vuoto; tipica propagazione della luce).

Onda longitudinale, cioè vibra nella stessa direzione di propagazione (tipiche della propagazione del suono); necessità di materia per propagarsi, perché legata alla trasformazione del mezzo.

Cosa distingue le varie onde dai raggi X? L'effetto sulla materia, in primo luogo, per la proprietà della radiazione che agisce sulla materia in maniera differente (lunghezza d'onda, frequenza ed energia).

Lunghezza d'onda: distanza minima tra due punti corrispondenti dell'onda, misurabile in metri.

Frequenza: numero di oscillazioni nell'unità di tempo, misurabile nel reciproco del tempo, periodo, quindi sec^-1, Hz (Hertz).

Energia: legata da una legge, detta di Planck, che ci dice che è uguale a h (costante di Planck) per la frequenza (ν).

Le frequenze e le energie comprendono 20 ordini di grandezze, estremamente variabili e grandi.

13 novembre 2015, venerdì

Venerdì 20 novembre, seminario della prof sui falsi nei beni culturali (ambito storico artistico); 9.30-12

Fenomeni ondulatori

Come si indaga? I metodi si basano sull'utilizzo di una fonte che sollecita una risposta, questa è la radiazione elettromagnetica (energia, non possiede massa, che si propaga da un punto all'altro nello spazio e nel vuoto). Questa fonte di energia si propaga sotto forma di onde, che non sono sempre meccaniche (come l'onda del suono) e non hanno bisogno della materia (onde trasversali); il piano di propagazione è composto da due assi perpendicolari nelle onde trasversali. La radiazione rientra nelle onde trasversali.

Lunghezza d'onda (λ): minima distanza tra due punti corrispondenti.

λ = vT

Frequenza dell'onda (ν): definita come il numero di oscillazioni nell'unità di tempo (in fisica, l'unità di tempo è il secondo, quindi bisogna definire le oscillazioni in un secondo); a questo elemento si lega il periodo (T).

ν = 1/T ν = v/λ

Periodo: tempo impiegato dall'onda per compiere un'oscillazione completa

T = λ/v

La frequenza e la lunghezza sono inversamente proporzionali. v è la velocità, una costante. Questo ci serve per capire l'interazione della materia con l'energia. Legge di Planck: E = hν; E = h(v/λ) h è una costante, per la frequenza; quindi, l'energia è legata al numero di oscillazione che l'onda fa al secondo. Energia e lunghezza d'onda sono inversamente proporzionali.

Le onde prendono diversi nomi in base alla loro energia e lunghezza; ad esempio, l'onda radio ha una lunghezza d'onda di 1 km, quindi non rintraccerà mai un atomo, ma oggetti di dimensioni maggiori, come una casa; se vogliamo vedere l'atomo, dobbiamo scendere di lunghezza d'onda.

In funzione delle specifiche caratteristiche, lunghezza d'onda, frequenza o energia, noi cambiamo completamente l'energia che si trasporta con l'onda elettromagnetica e la materia interessata: in base ai suoi composti, noi dobbiamo usare una determinata onda.

Raggi X: 1-100 Å (10^-10m; 0.1 nm). Vengono utilizzati nelle radiografie, sfruttando la bassa lunghezza d'onda e l'alta energia.

I nomi che usiamo per chiamare le varie onde hanno origini storiche, quindi troviamo diversi nomi per una stessa onda fisica (vedi raggi X e infrarossi): noi, quindi, li distinguiamo in base alla loro energia. I loro nomi sono legati ai fenomeni fisici che, insieme alla loro produzione, li distingue (vedi raggi X e raggi gamma: i primi si possono spegnere, fatti a mo' di lampada, i secondi invece no; anche se hanno stessa energia, questa differenza ha portato a distinguerli con due nomi).

Luce visibile

Andiamo da km ai femtometri: ci sono 19 ordini di grandezza, in mezzo. Di questi, una piccolissima parte è coperta dalla radiazione elettromagnetica visibile, quindi tutta quella luce che il nostro occhio può percepire.

Lunghezza d'onda: 380-780 nm.

È percepita dall'occhio con diversi colori, quando la lunghezza d'onda viene cambiata; quindi, il rosso è percepito perché arrivano lunghezze d'onda che stanno tra 700-780 nm (stimolo cromatico); per questo, di notte, in ambito chiuso e con luce spenta, vediamo in bianco e nero, perché il rilevatore di colore è spento, gli stimoli delle lunghezze d'onda non sono attivi.

Spettro: deriva dal latino "specere", vedere, attraverso; guardando attraverso un prisma, si può vedere la luce separarsi, da qui il nome di questo fenomeno. Ad ogni forma, quindi, si può descrivere la lunghezza d'onda di ogni radiazione e i suoi colori. Nome associabile a vari fenomeni: divisione del comportamento della radiazione elettromagnetica, in funzione di una sua proprietà caratteristica (lunghezza d'onda, energia, ecc).

Domande con cui affrontare le applicazioni fisiche per lo studio dei materiali

• Conoscenza tecnica e storica (sulla storia della tecnica)
• Stato di conservazione di un oggetto
• Studio del sistema manufatto-ambiente (come interagisce sull'ambiente)
• Riconoscimento di interventi sull'opera
• Scelta di materiali e tecniche di intervento
• Verifica e controllo degli interventi e delle condizioni di conservazione
• Indirizzi di carattere economico

Occorre rendere chiaramente espliciti gli obiettivi che possono essere perseguiti con gli studi tecnico-scientifici: tutto questo, per interpretare correttamente le informazioni ed utilizzarle concretamente nella pratica degli interventi, con il contributo di tutte le discipline scientifiche, per conoscere al meglio il bene culturale.

Esempi

Laminetta in argento con volto virile, dalla necropoli di Tharros, oggetto pubblicato su Byrsa. Oggetto trovato in condizioni non ottimali, frammentarie. Primo obiettivo: garantirne una conservazione perché unicum, di cui abbiamo solo disegni e non pezzi (interesse archeologico): ha interesse conservativo, pieno di concrezioni di terra che ne hanno permesso la conservazione nella parte del volto.

Secondo obiettivo: tecniche che ne aumentassero la leggibilità, per capirlo meglio; analisi di tipo tomografico e ricostruzioni 3D. Terzo obiettivo: capire il perché si trova lì, visto che l'origine si pensa sia medio orientale, capendo la provenienza dell'argento utilizzato per produrlo.

Il restauratore voleva la conferma che fosse vero argento: l'analisi non doveva distruggere minimamente il campione, quindi bisognava utilizzare una tecnica non invasiva, per capire se fosse vero argento e con quale tipo di degrado. È stato utilizzato il microscopio a , strumento che non poteva distruggere il campione: abbinamento di un'analisi chimica ai risultati, per vedere la superficie e di quale metallo era composto, con successive caratteristiche del degrado: i risultati hanno fatto capire che il materiale era argento+cloro(materiale+degrado): i risultati sono ipotetici, perché le conferme sarebbero arrivate solo con analisi distruttive, non applicabili.

Nel nero, vi era terra, componenti di silicio, calcio, potassio: questo vuol dire che, prima di consolidare, il restauratore bisognava eliminare la terra: bisogna applicare un metodo di rimozione. L'oggetto, così, è restaurato.

L'origine dell'oggetto non era di certa conoscenza, anche se esistono tecniche di indagine isotopiche che possono dare informazioni sulle caratteristiche dell'argento; le tecniche, però, sono distruttive. È stato possibile utilizzare un piccolo frammento 'avanzato' dal restauro, non possibile attaccabile sull'oggetto; l'archeologo deve dare un contesto cronologico e geografico, in modo da indirizzare lo studio isotopico per limitare il range dei dati dell'argento a determinate aree geografiche-cronologiche: fondamentali, quindi, sono le interazioni tra i diversi settori di ricerca.

Altro esempio: monumento nazionale a Francesco Baracca, Lugo, 1936, dello scultore Domenico Rambelli, restaurato nel 2014, realizzato in travertino, roccia sedimentaria a cristallina fine, di sicura provenienza grazie alla notizia riportata in archivio. Per il restauro, sono state poste varie domande: morfologie impiegate, 3 diverse lavorazioni impiegate: macchie scure simboleggiano presenza di piombo, parti in rilievo lavorate per rendere la superficie scabra, parte liscia non in travertino semplicemente lavorato, ma finitura superficiale, stesa con olio di lino e pigmento di diossido di titanio (spessore di una pittura e con legante pittorico): il modo di intervento quindi deve essere specifico per questa situazione, non essendo unicamente un travertino.