Chimica per il restauro - Colore, ambiente e materiali per il restauro

Modulo 1: Chimica per il colore

La conoscenza della chimica è fondamentale, sia per l'artista che per il restauratore. Inizialmente era vista male da tutti, come l'alchimia, poiché aveva un grande aspetto pratico, solo più tardi se ne capisce l'importanza. L'invenzione dei colori avveniva tramite effetto collaterale. È dalla composizione chimica che dipende la colorazione. Ad ogni elemento inizialmente viene associato un colore poi questi temi cromatici vennero smontati perché una volta associati ad altri elementi assumevano altre colorazioni.

Descrizione tridimensionale del colore

Possiamo associare al colore una descrizione tridimensionale: tonalità, saturazione, luminosità. I colori sono onde elettromagnetiche. Elettromagnetismo: la luce ha una doppia natura: quanti di energia (fotoni), o come un'onda elettromagnetica, caratterizzata da una lunghezza (distanza tra due picchi) e dalla frequenza (quante onde ci sono). La frequenza è inversamente proporzionale alla lunghezza d'onda e l'onda è inversamente proporzionale all'energia. Lo spettro elettromagnetico va dalle onde radio (più grandi e meno energetiche), ai raggi cosmici (più piccole e più energetiche). Il colore è la parte che va da 700 a 400 nm, unica visibile a noi.

Sorgenti di illuminazione

Abbiamo sorgenti d'illuminazione dirette (dette a spettro continuo, che emettono tutte le radiazioni del visibile, es. luce solare o lampade a incandescenza o alogene, o a spettro discontinuo, che emettono solo alcune radiazioni visibili, es. lampade a mercurio o neon) o sorgenti indirette (riflesse da un corpo materiale). Le sorgenti di radiazione a UV e IR non sono visibili, ma possono essere registrate da sensori o lastre fotografiche. Le lampade di Wood e a IR sono molto utilizzate nel restauro, ci permettono di vedere sotto la superficie.

Quando un raggio luminoso colpisce un oggetto può essere trasmessa, riflessa, dispersa o assorbita, e a seconda di ciò il colore varia. Il colore che noi vediamo è il colore che viene riflesso.

• Gli oggetti bianchi riflettono tutte le lunghezze d'onda.
• Gli oggetti neri le assorbono tutte.
• Gli oggetti colorati assorbono solo una parte della radiazione e ne riflettono l'altra.

Colori e pigmenti

I colori e pigmenti colorati assorbono le radiazioni luminose. I colori primari dei pigmenti sono: ciano, magenta, giallo (CMY). I colori primari della luce sono: rosso, verde, blu (RGB). Nei pigmenti il tipo di mescolanza è sottrattiva, quindi più pigmenti si mescolano maggiore è la quantità di luce assorbita. I tre primari danno il nero. Nella luce la mescolanza è additiva, più si mescola e minore è la quantità di luce assorbita. I tre primari danno il bianco.

Luce e strati pittorici

Lo strato di preparazione, il pigmento (mescolato a un legante) e una vernice protettiva, è la parte che interagisce con la radiazione luminosa. Gli strati pittorici sono composti da materiali tritati finemente dispersi in un medium trasparente. Se il pigmento è ben macinato e ho quindi delle piccole particelle, il pigmento risulterà più coprente.

L'indice di rifrazione dipende dalla diminuzione della velocità di propagazione della radiazione elettromagnetica all'interno di un mezzo. L'aria è il mezzo che ha indice di rifrazione più basso. Nei pigmenti scuri il potere coprente dipende dall'assorbimento selettivo, nei pigmenti chiari dalla granulometria e dall'indice di rifrazione, gli altri da questi tre parametri e dalla concentrazione del pigmento nel medium. A seconda del suo potere coprente la luce può raggiungere o meno lo strato preparatorio e dare fenomeni di dispersione o assorbimento, es. Verdaccio o il bolo.

Fenomeni ottici e protezione

Velatura è uno strato molto trasparente su base molto coprente, sfrutta l'interazione tra l'assorbimento della preparazione e quella del pigmento. Vernice di protezione. Attua lo scattering facendo variare l'indice di rifrazione del pigmento, elimina la diffusione della luce, quindi il colore è più brillante ma si ha un lieve abbassamento della riflessione e quindi il colore è più scuro.

Scattering avviene quando la luce colpisce una particella, e viene in parte assorbita e in parte rimandata indietro in tutte le direzioni. Interazioni di luce bianca: parte del raggio è riflessa speculiarmente dalla vernice. Una parte, d'intensità ridotta, attraversa la superficie e subisce rifrazione. Raggiunto lo strato pittorico, questa parte è in parte diffusa ed in parte assorbita selettivamente. La parte che attraversa lo strato pittorico incontra lo strato preparatorio dal quale può essere assorbita o diffusa. All'occhio tornano le componenti che in questo percorso sono state riflesse o specularmente o per diffusione.

Proprietà dei metalli di transizione

I metalli di transizione hanno orbitali riempiti in maniera non sottostante. Sono solidi a parte il mercurio, elevato punto di fusione, elevata durezza, buoni conduttori di calore ed elettricità, non particolarmente reattivi. Formano composti con colorazioni molto diverse perché possono legare con tutti i loro elettroni. Molti danno cristalli ionici, con strutture molto solide, legandosi analogamente alle molecole. Per ogni cristallo ionico abbiamo colorazioni diverse, es. azzurrite-malachite (trasformazione che può avvenire o naturalmente o per effetto del calore). La macinazione di queste sostanze, essendo molto resistenti, implicava notevole fatica. Essi non assorbono la luce ma la riflettono, eccetto Cu e Ag che ne assorbono un po', per questo hanno quella colorazione.

Semiconduttori: è necessaria poca energia per determinare gli spostamenti elettronici.

Pigmenti e coloranti

I pigmenti sono composti solidi, insolubili in acqua, devono essere macinati e dispersi in un mezzo o legante. Possono essere naturali o artificiali. Per molto tempo sono stati noti solo quelli inorganici. I coloranti sono sostanze organiche, solubili in acqua, usate soprattutto per la tintura dei tessuti, non hanno corposità e sono poco coprenti. Venivano fissati con l'allume (solfato di alluminio e potassio dodecaidrato).

Colori organici sono molti, caratterizzati da strutture con atomi di carbonio concatenati. Inizialmente venivano ricavati da animali o piante. I più importanti sono: Porpora di Tiro, Indaco e Rosso robbia.

I primi chimici: il colore nell'antichità

La prima forma d'arte che conosciamo è l'arte rupestre. I colori venivano ricavati dall'ambiente circostante: Rosso (ematite), verde (glauconite e celadonite), neri/marroni (ossido di manganese, pirolusite, carbone vegetale), bianco (gesso, ossa macinate). Già da quei tempi ci si rende conto dell'esigenza di un legante. Sono state sperimentate delle ricette nelle quali si utilizzavano degli additivi, ovvero materiali neutri, es. Feldspato di K, per migliorare la brillantezza e la durata dei pigmenti.

Gli egiziani, avevano una tavolozza più variegata, avevano molte conoscenze chimiche ma i colori erano spesso scoperti per effetto collaterale. Dipinti dedicati alle attività devozionali, gli artisti erano spesso dei sacerdoti.

• Blu egizio o fritta egizia, è il più antico pigmento di sintesi, è un silicato di Ca e Cu, si otteneva mescolando: gesso, un minerale di Cu, sabbia, in una fornace a 800-900°C. È un materiale fragile.
• Antimoniato di Pb, (giallo) pigmento sintetico, prodotto utilizzando a loro volta reagenti sintetici come PbO e carbonato basico di Pb, e ossido di antimonio, ottenuti dalla trasformazione chimica dei minerali.
• Biacca, è uno dei composti più importanti, prodotta a partire dal IV secolo. Veniva ottenuta esponendo lastre di Pb a vapori di aceto, insieme alla CO₂ derivante dal letame. Reazione molto lenta che richiedeva tempo.
• Minio, ottenuto riscaldando la biacca. È un tetraossido di Pb. Scoperto casualmente. Utilizzato nelle miniature, soprattutto nel Medioevo.
• Verderame, acetato basico di Cu. Molto usato nell'antichità, fino al 19° secolo. Minerale di Cu che esposto a vapori di aceto, formando una patina che era il pigmento.

Nell'arte classica cambia la tavolozza. Vi è una pittura quadricromatica: bianco, nero, rosso, giallo. Si cerca attuare una pittura sulle tre dimensioni. La quadricromia permetteva infatti di controllare meglio il colore, come le luci e le ombre.

Incontro tra Oriente e Occidente

È importante l'incontro tra Oriente e Occidente, poiché in Oriente i chimici avevano già ampie conoscenze tecniche. Tra i colori più importanti, importati dall'Oriente, abbiamo: cinabro, composto inorganico, usato in Cina, e indaco, colorante organico vegetale, importato dall'India. Fino al Medioevo gli acidi forti non erano conosciuti, gli egiziani erano a conoscenza dell'acido acetico, un acido debole. Acidi e basi forti vengono anch'essi importati dall'Oriente.

Una delle attività importanti per la creazione dei pigmenti è la manifattura tessile. Gli egiziani inventarono la mordentatura, ovvero, prima di immergere il panno nel colorante lo immergevano nel mordente (solfato di Al e K, ovvero l'allume). I colori intensi tipici delle tinture tessili erano però troppo trasparenti per poter essere utilizzati su pietre, legno, etc, gli egizi quindi risolsero questo problema aggiungendo alla tintura, un vettore organico incolore, in polvere, solida e opaca detta lacca pigmento.

Liscivazione è un'estrazione solido-liquido. Venivano usate come basi la soda e la potassa. Consiste nella separazione di uno o più componenti da una massa solida, mediante un solvente. È il processo che permette di ottenere il sapone. Venivano utilizzate le ceneri (animali o vegetali).

Vetro si otteneva riscaldando fino al punto di fusione (2500°C) soda e sabbia.

Alchimia e arte: il Medioevo

L'alchimia aveva un'accezione negativa, dall'arabo alkimiya, ovvero pietra filosofale. L'alchimista andava alla ricerca di essa, poiché capace di trasformare i materiali in oro, portando all'immortalità. Il cambiamento di colore era il dibattito centrale degli alchimisti, che si concentravano su quegli elementi in grado di dare colorazioni diverse, es. biacca che se scaldata dava rosso, e scaldata ulteriormente il giallo, colorazione simile all'oro.

• Cinabro, derivante dal minerale, che assume il nome Vermiglione quando prodotto artificialmente come HgS (solfuro mercurico). La forma α ha una struttura trigonale, rosso; la forma β ha una struttura cubica, nero. Il cinabro e il minio sono molto importanti nel Medioevo per le miniature; il vermiglione è innovativo perché brillante per le campiture piatte, con poche ombre. Ha avuto grande popolarità nel Medioevo. Materiale fine e purissimo.
• Blu oltremare, è un cristallo ionico. Deriva dal lapislazzulo, ed è un materiale costoso per via della sua complicata e lunga lavorazione. Per le opere devozionali venivano impiegati i materiali più costosi tra cui quindi questo, insieme alla foglia d'oro, al vermiglione.

Supporti nell'arte medievale

Abbiamo la pergamena, di tipo animale, composta da collagene. È un procedimento lungo che richiede una grande conoscenza della chimica: viene estratta la componente grassa per mezzo di alcali e venivano utilizzate sostanze indurenti come l'allume. Altro supporto è la tavola, preparata con strati di colla e stucco polverizzati con l'aggiunta di collante. Per quanto riguarda la pittura murale abbiamo l'intonaco, in cui si distingue la tecnica a fresco (colore steso sull'intonaco, costituito da sabbia, polvere di marmo, calce ed acqua, ancora umido) e la tecnica a secco (uso di un materiale agglutinante, come il tuorlo d'uovo per legare i pigmenti).

Carbonatazione è una reazione naturale di un materiale esposto all'aria che reagisce con la CO₂ atmosferica. Nel caso dell'affresco, il materiale che subisce la carbonatazione è la calce spenta.

Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O

Questa reazione va a formare carbonato di Ca e acqua, che salda i materiali inerti e pigmento, portando quindi un indurimento della malta. La calce spenta si ottiene dalla cottura del calcare e la reazione torna poi al suo stato iniziale, cioè al carbonato di Ca.

Fedeltà alla natura: il Rinascimento

Non ci furono grandi scoperte dal punto di vista chimico. Due scuole diverse: Firenze, per cui il colore è secondario e Venezia, colore prima di tutto. Perdita del valore simbolico dei materiali. Scompare l'uso della foglia d'oro, sostituito con il pigmento. Viene introdotta la pittura ad olio, che seccando più lentamente, permetteva il mescolamento dei colori e di conseguenza ombreggiature e sfumature. L'olio però doveva essere siccativo (lino, noce, papavero).

Medium e pigmenti: è importante il mezzo nel quale è disperso il pigmento. Nell'olio i pigmenti rimangono isolati dal fluido. Il cambiamento del medium comporta cambiamenti anche nei pigmenti, es. possono perdere la loro brillantezza. Vi è la necessità di trovare nuovi coloranti, come:

• Resinato di rame, che va a sostituire il Verderame. È ottenuto combinando quest'ultimo con resine (trementina) estratte dai pini. Molto popolare per via della grande importanza che si dava alla rappresentazione della natura.
• L'oltremare in olio risultava molto scuro, veniva quindi aggiunta un po' di biacca, azzurrite, perdendo però brillantezza. Vengono quindi ricercati nuovi blu come l'azzurrite, che portano poi anche ad un cambiamento stilistico, derivante appunto dalle caratteristiche chimico-fisiche dei materiali.

Il trionfo dei colori scuri nel Manierismo

Le tavolozze dei pittori diventano più scure, es. Rembrandt. Tra i nuovi pigmenti troviamo:

• Terra di Cassel, o bruno Van Dyck, materiale organico che deriva dalla torba e contiene ossidi di ferro.
• Bitume, è un residuo della distillazione del petrolio. Il problema è che non asciuga mai e quindi tendeva a colare. es. La Zattera di Gericault, ormai deteriorata.
• Giallo indiano, pigmento organico. Ottenuto a partire dall'urina di mucche nutrite esclusivamente di mango.

L'esplosione della chimica: 19° secolo

In questo periodo si assiste a un'esplosione di scoperte chimiche che porterà alla creazione di nuovi pigmenti e coloranti, per effetto collaterale. Ciò grazie anche allo sviluppo di varie attività industriali come: metallurgica, tessile, farmaceutica.

• Un nuovo bianco, si capisce la tossicità della biacca. È una tossicità endogena, che entra nel corpo e va a "sostituire" il Ca, e viene messo poi in circolo andando a intaccare il sistema nervoso. Si arriva quindi alla sintesi del Bianco di Zn, scoperto dai greci. È un ossido di zinco. Non ebbe però molto successo nella pittura per i costi e perché faticava ad asciugare. Vengono poi scoperti degli essiccativi che ne favoriscono l'utilizzo. Viene utilizzato dai produttori di colori come "schiarente".
• Cadmio, elemento scoperto agli inizi dell'800, sotto l'industria metallurgica. Giallo cadmio: Solfuro di Cd + ossido di Zn. Pigmento particolarmente coprente. Arancio cadmio: si otteneva cambiando T e acidità della soluzione. Rosso cadmio: è il seleniuro di cadmio. È un pigmento rosso chiaro.
• Emerald green, o verde di Parigi. È un sale, acetato arsenito di rame. Aveva un basso costo e per questo divenuto popolare, ma a contatto con l'umidità si decomponeva, emanando un gas tossico (morte di Napoleone).
• Crocoite, minerale scoperto in Siberia, macinato fornisce una polvere arancio, che non viene usata come pigmento. Le ricerche sul minerale portarono però alla scoperta di un nuovo elemento: il cromo. Giallo cromo, derivante dal cromato, che venne isolato nel 1804. È stato utilizzato dal 1810. Il cromato dà origine a diverse colorazioni che si può scurire, aggiungendo acidi o per precipitazioni in soluzione alcalina si arriva ad un pigmento arancio, il primo puro dopo il Realgar. Ha un potere molto coprente.
• Viridian, o verde smeraldo. È un ossido di Cromo bi-idrato. Brillante grazie all'aggiunta di molecole d'acqua. Va a sostituire il tossico Emerald green.
• Blu cobalto, è un alluminato di Co. Venne incaricato un chimico di ricercare un nuovo blu che andasse a sostituire il costoso oltremare. Dal cobalto derivano poi altri pigmenti, sintetizzati, es. violetto di cobalto (primo viola non derivante da delle miscele), l'azzurro ceruleo, verde di Co (con ossido di Zn, colore brillante), aureolina (pigmento giallo che ebbe sviluppo nell'acquerello). Tutti i pigmenti a base di Co avevano: costo elevato e poca stabilità.

Nell'800 viene inventato il tubetto allontanando gli artisti dagli aspetti tecnici, legati alla preparazione dei colori. Nasce una nuova figura professionale: il colourman, chimico esperto di colori. Uno dei più famosi è George Field che creò l'arancio vermiglione, un solfuro mercurico, o cinabro, sintetico.

L'utilizzo di questi colori sgargianti nasce dalla teoria di Goethe con il suo saggio "La teoria dei colori", del 1810 che mette in evidenza gli aspetti emotivi del colore, che non potevano essere spiegati attraverso una teorica meccanicistica. Altre intuizioni molto importanti, come il concetto di complementarità, o che l'insieme di tutti i colori dava una luce grigia (Newton bianca), o che utilizzando i colori puri si otteneva maggiore brillantezza e durata nel tempo.