IL LABORATORIO DI ANALISI NON DISTRUTTIVE DELL’IBAM-CNR Il laboratorio LANDIS (laboratorio di analisi non-distruttive) dell’IBAM si occupa dello sviluppo di strumentazione innovativa e di nuove metodologie per la caratterizzazione di materiali di interesse nel settore dei Beni Culturali. Le tecniche impiegate presso il laboratorio sono disponibili in strumenti portatili dalle dimensioni compatte e sono basate principalmente sull’utilizzo di fasci di raggi X (tecnica della fluorescenza X e della diffrazione) e di particelle cariche (tecnica PIXE - Particle Induced X-Ray Emission - e XPIXE - X-Ray and Particle Induced Induced X-Ray Emission). Le analisi effettuate in situ dallo staff dei ricercatori operanti presso il LANDIS, sono assolutamente non-distruttive e possono essere impiegate per lo studio sistematico delle opere in esame. Tipicamente le misure hanno una durata che varia, a seconda delle tecniche impiegate, tra 1-2 minuti e 30-60 minuti. Il risultato delle analisi fornisce informazioni accurate sulla composizione chimico-fisica delle opere analizzate. Tali informazioni risultano preziose a fini della conoscenza dei beni oggetto di studio (ad es. per la determinazione delle materie prime e delle tecnologie impiegate per la fabbricazione dei manufatti) e della loro conservazione. Gli interventi ad oggi compiuti dal LANDIS hanno interessato opere di grande valenza storico-artistica del Patrimonio Culturale nazionale ed internazionale. Tra questi si ricordano le analisi sulle sculture dei Della Robbia presso il Museo Nazionale del Bargello a Firenze; lo studio propedeutico al restauro della Chartula di S. Francesco di Assisi; le analisi di alcune stampe appartenenti alla collezione del Quirinale (presso l’ICPL di Roma); le analisi sulle monete tardo Imperiali del Tesoro di Misurata presso il Museo di Leptis Magna in Libia; lo studio della collezione dei gioielli greco–romani custoditi presso il Museo Benaki di Atene; lo studio di alcuni frammenti dei rari Rotoli del Mar Morto a fini della determinazione della loro provenienza. Le linee di intervento del LANDIS sono basate sull’utilizzo combinato di più tecniche. Questo rende possibile l’analisi globale, accurata e riproducibile delle differenti parti componenti le opere analizzate (ad es. superficie ed interno). Le tecniche sviluppate presso il LANDIS dell’IBAM vengono dettagliate nelle seguenti sezioni, inserite nel loro campo di intervento. Tecniche e strumenti portatil i per l’analisi delle superfici dipinte (pigmenti pittorici , ceramici, affreschi e miniature, delle patine di arricchimento superficiale nei metalli (dorature, argentature), delle pergamene nonché per analisi chimica di materiali strutturalmente omogenei (vetri , ossidiane, gemme e minerali) . La tecnica portatile PIXE-alfa (Particle Induced X -RayEmission)

Si basa sul bombardamento del campione con particelle alfa da 5.1 MeV emesse da una sorgente di 210Po. Gli elementi chimici costituenti gli strati più superficiali (5-10 microns) del campione rispondono emettendo raggi X di energia caratteristica, consentendone l’identificazione. Data l’intensità e l’energia della sorgente, l’analisi è totalmente non-distruttiva. L’innovazione apportata dal laboratorio LANDIS consiste nell’aver reso tale tecnica, di riconosciuta importanza nella diagnostica non-invasiva dei Beni Culturali, una tecnica di tipo “portatile”. Il primo spettrometro portatile PIXE-alfa è stato realizzato nel 1998. A questo prototipo

Il sistema portatile PIXE‐alfa 

sono seguiti altri spettrometri via via più innovativi e maneggevoli, rendendo possibile l’esecuzione della tecnica PIXE-alfa direttamente in-situ in differenti contesti (musei, siti archeologici), anche di rilevanza internazionale. La tecnica dà informazioni sulla composizione chimica di elementi leggeri (Na, Mg, Al, Si, S, Cl, K, Ca, Ti, Fe, Zn) e medio-pesanti (Ag, Pb, Hg, Sn, Au, Ba). Le sue principali applicazione riguardano i pigmenti su ceramica, affreschi, pergamene, patine di arricchimento su manufatti metallici e patine di alterazioni da inquinamento su materiali lapidei da costruzione (ad es. croste nere), gemme e minerali. L’uso combinato delle tecniche portatili PIXE-alfa ed XRD (sotto descritta) permette l’analisi quantitativa, elementale e mineralogica, dei campioni oggetto di studio. Un innovativo sistema portatile di micro-fluorescenza a raggi X di bassa energia

La tecnica della micro-fluorescenza a raggi X viene comunemente impiegata in indagini non-invasive di materiali di interesse nel settore dei Beni Culturali per la sua eccellente risoluzione spaziale. La tecnica

consente di determinare in modo non-distruttivo la distribuzione delle specie chimiche sui campioni oggetto di studio. Tuttavia, data la ben nota eterogeneità dei materiali archeologici o storico-artistico (ad es. la struttura stratigrafica di un dipinto o la presenza di sottili argentature o dorature sulla superficie di metalli), le analisi della micro-fluorescenza X effettuate con strumentazione standard, possono fornire risultati poco accurati. I ricercatori dell’IBAM hanno recentemente realizzato il primo micro-fascio a raggi X portatile operante a bassa energia di eccitazione. Il nuovo sistema presenta una eccellente risoluzione laterale (appena 100 micron) e, allo stesso tempo, una

profondità di penetrazione limitata. Queste caratteristiche rendono lo spettrometro particolarmente adatto per la mappatura elementale e non-distruttiva delle superfici, senza che gli strati più interni del campione vangano interessati dalle analisi. Il micro-fascio X è stato realizzato accoppiando un tubo a raggi X (operante ad energia max. compresa tra 5 e 8 keV) ed un ottica capillare lineare per la focalizzazione del fascio ad uno spot avente diametro di 100 micron. La rivelazione dei raggi X caratteristici indotti sui campioni analizzati, viene effettuata con un rivelatore SDD di alta risoluzione e grande superficie, in grado di operare ad altissimi rate di conteggio. Il micro-fascio X è infine dotato di un sistema di movimentazione XYZ che consente una mappatura delle superfici con passo pari a 10 micron. Le misure hanno una durata che varia tra 100-900 secondi. Le tipiche profondità analitiche del sistema sono di 2-3 micron negli studi di arricchimento superficiale (dorature e argentature) nei metalli e fino a 20 micron per le superfici dipinte (affreschi, pigmenti, miniature) e/o nello studio di patine di degrado.

Il sistema PIXE‐alfa durante le analisi delle sculture dei Della Robbia al Museo del Bargello (Firenze) 

Il micro‐fascio X di bassa energia realizzato dal LANDIS 

Il micro‐fascio X di bassa energia durante l’analisi dei nummi Romani del Tesoro di 

Misurata (Libia) 

Il sistema modulare per la diffrazione a raggi X non- distruttiva e portatile L’utilizzo della diffrazione a raggi X trova grande utilità nell’analisi mineralogica dei materiali di interesse nel settore dei Beni Culturali. L’analisi fornisce informazioni utili soprattutto per lo studio dei pigmenti e delle patine di corrosione nei metalli. Tuttavia, il suo impiego è limitato dal fatto che i sistemi per diffrazione X non possono operare in situ e l’analisi necessita di campionamenti distruttivi, soprattutto quando le opere in esame sono inamovibili (vedi ad es. un affresco o una pittura murale). Negli ultimi anni il laboratorio LANDIS si è dedicato alla realizzazione di un sistema per diffrazione a raggi X portatile, avente prestazioni equivalenti a quelle di un sistema da laboratorio (in termini di risoluzione angolare, tempi di misura e fasi mineralogiche analizzabili). Il sistema XRD del LANDIS è realizzato impiegando n. 2 sorgenti a raggi X microfocus da 50 micron (rispettivamente con anodo di Fe e di Cr) accoppiate ad ottiche poli-capillari per raggi X da 40, 200 e 600 micron. Tali strumenti sono modulari e immediatamente intercambiabili, in modo da ottimizzare le prestazioni del sistema in base alla natura del materiale in esame. Il sistema XRD opera su una meccanica goniometrica motorizzata che permette di posizionare il campione da analizzare fuori dal cerchio di misura. Questo consente l’impiego del diffrattometro in situ anche su grandi opere, permettendone una analisi non-distruttiva sistematica. Le misure XRD hanno tipicamente la durata di 1 ora e vengono combinate con la tecnica PIXE-alfa e, nei casi di campioni di piccole dimensioni, con la micro-fluorescenza X di bassa energia sopra descritte. I campi di applicazione interessano la determinazione delle fasi mineralogiche o policristalline in pigmenti e materiale ceramico (utili a determinare le materie prime e le temperature di cottura); in pigmenti pittorici su affresco, a secco e dipinti; nelle patine di degrado su metalli o materiale litico. Tecniche e strumenti portatil i per l’analisi composizionale non-distruttiva delle leghe metalliche e per gli studi di provenienza, mediante l’analisi di elementi in traccia caratterizzanti , di manufatti preistorici in ossidiana, di ceramica archeologica fine e di pietre preziose La tecnica della fluorescenza X portatile a controllo di stabilità

La tecnica della fluorescenza X è ad oggi una delle più utilizzate nelle analisi di materiali di interesse nel settore dei Beni Culturali. La tecnica è non-distruttiva, rapida e multi-elementale e può essere usata in situ grazie allo sviluppo di strumentazione sempre più compatta e trasportabile. Tali caratteristiche e la relativa semplicità di utilizzo ne fanno oggi uno strumento quasi indispensabile per gli studiosi del

La ceramica policroma della cultura Nasca (Perù) analizzata mediante l’impiego del diffrattometro modulare del LANDIS  

Il sistema di fluorescenza stabilizzato del LANDIS in opera su alcune rare sculture bronzee presso il Museo Salinas di 

Palermo 

Il micro‐fascio X del LANDIS durante le analisi della Chartula di S. Francesco 

patrimonio archeologico, storico ed artistico. Tuttavia, i tubi a raggi X impiegati per le analisi possono presentare fluttuazioni dell’energia e dell’intensità del fascio X impiegato per indurre la fluorescenza nei campioni in studio; per tali motivi tali strumenti spesso non sono adatti ad effettuare indagini quantitative e, in molti casi, sono necessarie frequenti e laboriose procedure di calibrazione degli strumenti per ottenere dati quantitativi significativi. Al fine di superare questa limitazione, i ricercatori del LANDIS hanno sviluppato il primo spettrometro a raggi X portatile dotato di un controllo della stabilità dell’energia e della intensità del fascio X di eccitazione. Questo consente di operare le misure di fluorescenza X con un'unica calibrazione iniziale dello spettrometro, fornendo risultati quantitativi assoluti, accurati e riproducibili. Il sistema di fluorescenza X stabilizzato del LANDIS è realizzato con un tubo a raggi X da 50 kV e 2 mA, accoppiato ad un rivelatore Si-PIN per il monitoraggio della stabilità ed un rivelatore SDD (di eccellente risoluzione energetica e grande superficie attiva) per l’effettuazione delle analisi. Il sistema è adatto all’analisi non-distruttiva e quantitativa di: elementi maggiori in leghe metalliche (anche in oggetti di grandi dimensioni); l’analisi di elementi in traccia caratterizzanti le provenienze di ossidiane e materiale litico; la suddivisione in classi delle ceramiche archeologiche (distinzione tra produzione locale ed importata); lo studio delle antiche tecniche di fabbricazione di leghe metalliche (vedi ad es. l’identificazione di tracce di mercurio in amalgama di oro e argento negli arricchimenti superficiali). Le misure non-distruttive hanno una durata di circa 100-150 secondi, permettendo in breve tempo l’analisi di numerosi campioni (ad es. collezioni). Tecniche e strumenti portatil i per l’analisi non-distruttiva degli inchiostri e delle miniature in pergamene e documenti cartacei, delle saldature in manufatti metallici e di inclusioni mineralogiche in materiale l itico e pietre preziose

La tecnica modulare portatile per la micro-fluorescenza a raggi X La micro-fluorescenza a raggi X rappresenta un potente metodo di indagine non distruttivo utile ad ottenere

informazioni locali sulla composizione chimica delle opere oggetto di studio. Il laboratorio LANDIS dispone un sistema modulare di micro-fluorescenza a raggi X equipaggiato con 3 sorgenti microfocus con anodo di Rh, Fe e Cr (max. 50 kV, max. 1 mA) e di differenti ottiche poli-capillari da 50 micron, da 200 micron e da 600 micron. Tali strumenti sono totalmente intercambiabili e possono operare in modo combinato a seconda della natura del materiale da analizzare e dalla sua struttura (campione omogeneo o stratigrafico). La fluorescenza indotta dal micro-fascio X sui

campioni in indagine viene poi rivelata da un rivelatore SDD di eccellente risoluzione energetica e grande efficienza geometrica. Inoltre il sistema è equipaggiato con sistemi di movimentazione micrometrica XYZ per la scansione dei campioni. Le opere del patrimonio culturale di piccole dimensioni (da qualche decina a qualche centinaia di micron) analizzabili con la micro-fluorescenza X del LANDIS sono molteplici.

Il sistema di micro‐fluorescenza X durante l’analisi degli inchiostri su documenti dell’archivio di 

stato (Roma) 

Le misure si applicano principalmente ad inchiostri (ad es. l’identificazione di inchiostri inorganici da quelli organici); inclusioni mineralogiche per studi di provenienza di minerali e pietre preziose; caratterizzazione di piccoli oggetti metallici (gioielli) e saldature; miniature. Inoltre, l’eccellente risoluzione spaziale offerta dalla tecnica modulare di micro-fluorescenza del LANDIS permette di operare la mappatura composizionale dei campioni sia in superficie e che nei primi strati del campione (fino a 50-60 micron di profondità). Le singole misure hanno durata che varia da 100 a 900 secondi a seconda che l’analisi interessi elementi maggiori o elementi in traccia. ANALISI MINERALOGICO-PETROGRAFICHE IN SEZIONE SOTTILE E ANALISI CHIMICHE DI POLVERI

Nei casi in cui sia possibile o si renda necessaria l’effettuazione di piccoli prelievi sul reperto da analizzare, il laboratorio LANDIS è attrezzato per l’esecuzione e lo studio di campioni secondo le tradizionali tecniche mineralogico-petrografiche e chimiche. Il LANDIS è dotato di: 1) un microscopio polarizzatore per l’analisi in sezione sottile di materiali ceramici e lapidei; 2) di un laboratorio dedicato alla produzione di pasticche in polvere per analisi composizionale. E’ dotato, in particolare, di mortaio ad agata e mulino a

palle per la produzione di polveri (con granuli di dimensioni fino 5 micron) di materiale lapideo e ceramico; di una pressa per la compattazione delle polveri e di un forno-essiccatore per l’eliminazione della eventuale acqua residua.

Le polveri così preparate vengono analizzate con la tecnica XPIXE (sotto descritta) e, quando necessario, con i sistemi PIXE-alfa, XRF e XRD già in precedenza citati.

La tecnica XPIXE per l’analisi chimica delle polveri

Si basa sull’emissione contemporanea, ad opera di una sorgente di 244Cm, di raggi X e particelle alfa. A differenza della tecnica PIXE, quest’ultima consente l’analisi contemporanea sia degli elementi maggiori (e non) presenti negli strati superficiali (componente PIXE) che degli elementi a medio-alto (Fe, Cu, Rb, Sr, Y, Zr, Nb e Mo) presenti fino a qualche decina di micron di profondità (componente XRF). Anche in questo

La strumentazione del LANDIS per la produzione delle pasticche in polvere 

Il microscopio polarizzatore e una sezione di ceramica Romana

caso il LANDIS ha realizzato il primo spettrometro portatile XPIXE. Un software dedicato consente di separare i contributi dei raggi X e delle particelle alfa e di effettuare gli opportuni calcoli di concentrazione in elementi chimici sul una vasta gamma di materiali di grande interesse nel settore dei Beni Culturali: ceramiche, materiali lapidei e pigmenti.

Lo spettrometro portatile XPIXE inopera