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ANALISI STRUTTURALI

• XRD (diffrazione di raggi X)

• MICROSCOPIA OTTICA

• SEM e TEM (microscopio a scansione

elettronica)

Il campionamentoIl campionamento� il più rispettoso possibile rispetto ai

contenuti estetici, storici ed alla integrità

fisica del manufatto;

� contenuto nel numero e limitato nelle

dimensioni dei prelievi pur garantendo le

finalità analitiche;

� rappresentativo della tipologia e

fenomenologia da studiare;

� selettivo al fine di ottimizzare le operazioni

analitiche e l’interpretazione dei risultati.

NorMaLNorMaL 3/803/80

Materiali lapidei:

Campionamento

NorMaLNorMaL 2/802/80

Archiviazione di materiali

lapidei: schema di scheda

DOCUMENTAZIONE: schede di campionamento

rappresentazione grafica e fotografica

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CAMPIONE

Tal quale SezionePolverizzato

1. Morfologia

2. Analisi elementare di superficie

3. Analisi fisiche

1. Stratigrafia

2. Composizione elementare

della sezione

1. Composizione chimica

(organica e inorganica)

2. Composizione Mineralogica

Analisi chimiche e morfologicheAnalisi chimiche e morfologiche

CAMPIONE

Tal quale

StereomicroscopiaMicroscopia elettronica

a scansioneSpettrometria X

Spettroscopia FTIR

Diffrattometria a raggi X

Studi di morfologiasuperficiale a bassi

ingrandimenti

Studi morfologiciComposizione elementale

dei livelli stratigrafici

ComposizioneChimica

Composizione mineralogica


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Composizione chimica

Composizione mineralogica

XRD, XRF, FTIR

Composizione chimica della

frazione idrosolubile

IC, AAS, ICP

Estrazione acquosa

Composizione chimica della

frazione organica

(additivi, leganti, trattamenti)

FTIR, GC-MS

Estrazione insolventi organici


Campione

polverizzato


CAMPIONE

sezione trasversale

Microscopia ottica

in luce riflessa

Micr. mineralogica

in luce polarizzata

Micr. elettronica a scansione SEMSpettrometria X

Spettroscopia

micro-FTIR

Studi stratigraficiComp. mineralogica, tessitura e struttura,analisi dell'immagine.

rapporti L/A, granulometria, addensamento

Studi morfologiciComp elementale

dei livelli stratigrafici

Composizione chimica

puntuale

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La cristallografia a raggi-X

La diffrattometria a raggi-X (XRD) viene usata per determinare le fasi cristalline contenute nei minerali.

Oltre a indagini di caratterizzazione e provenienza può servire per identificare cambiamenti dei materiali dovuti al degrado.

Arrivo di due onde e.m. sfasate di 2π su un reticolo cristallino: le onde riemesse dagli atomi interferiscono costruttivamente

Raggi X

RETICOLO CRISTALLINO

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Una misura XRD si basa sulla misura delle distanze tra piani reticolari utilizzando una sorgente di radiazione con lunghezza d'onda di poche decine di nanometri (nm).

condizione di Bragg

condizione di Bragg:

è soddisfatta e il rivelatore raccoglierà, in direzione dell' angolo , un picco di intensità della radiazione riflessa dal campione.

n λ λ λ λ = 2d sin(θθθθ)

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Diffrazione di raggi X su campione in polvere su terra verde, identificazione dei minerali costituenti A Celadonite (con cristalli di quarzo)B Terra verde di Cipro (Windsor e Newton) C ChloriteD Glauconite

DIFFRATTOGRAMMI

Esempio fasi cristalline del Nitruro di Titanio(NB la composizione elementare è la stessa ma cambia il reticolo cristallino)

Fonte: INFN Aquila

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un esempio di XRD su pigmenti bianchi

Bianco di Titanio TiO2

Anatase

Rutilo

Bianco di piombo

Cerussite

Idrocerussite

Distanze interatomiche nel reticolo cristallino

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portatili

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● Studio della craquelure

La microscopia in laboratorioLa microscopia in laboratorio

CAMPIONECAMPIONE

TAL QUALETAL QUALE SEZIONESEZIONE

stereomicroscopiastereomicroscopia SEM SEM -- EDSEDS

Composizione

elementale

dei livelli

stratigrafici

rapporti L/A,

granulometria,

addensamento

Composizione

mineralogica,

tessitura e struttura,

analisi dell'immagine

Studi

stratigrafici

Studi morfologici

ed analisi

composizionale

di superficie

Studi di morfologia

superficiale

a bassi

ingrandimenti

luce polarizzataluce polarizzataluce riflessaluce riflessa SEM SEM -- EDSEDS

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La microscopia in laboratorio

o Definizione del piano analitico

o Caratterizzazione dei materiali

o Studi stratigrafici

o Studi morfologici ad elevati ingrandimenti

o Definizione composizionale dei materiali

(componenti inorganiche)

polarizzatore

Cammino ottico della luce

con sorgente a monte

CAMPIONE

��stereomicroscopiostereomicroscopio

� microscopio in luce

polarizzata


riflessa

La microscopia otticaLa microscopia ottica

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� Per poter vedere gli oggetti in rilievo, occorre che ciascun occhio

li osservi da una direzione leggermente diversa rispetto all'altro.

In questo modo, all'osservatore giungono due immagini

leggermente diverse che il cervello fonde in un'unica immagine

che risulta tridimensionale.

� Dotati di una illuminazione incidente, è possibile osservare

un campione utilizzando ingrandimenti da 2,5x fino 225x circa.

� Il frammento viene osservato tal quale

Stereomicroscopio

�Finalità

� Osservare il frammento ottenuto dal campionamento a maggior ingrandimenti

� Effettuare studi di superficie di maggior dettaglio, evidenziando caratteristiche

morfologiche

� Documentare il campione e ogni sua parte mediante acquisizione di immagini

in formato digitale

� Definire e validare la sequenza analitica prevista per la caratterizzazione

materica e la definizione dello stato di conservazione

� Campionare selettivamente le porzioni più idonee per ogni singola analisi

Stereomicroscopio

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Stereomicroscopio di laboratorio

[Barre = 1 mm]

STUCCO

Immagini per gentile concessione CNR ICVBC – sez. Milano

Stereomicroscopio di laboratorio

PIETRA


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polarizzatore



CAMPIONE

� stereomicroscopio

��microscopio in microscopio in

luce polarizzataluce polarizzata

�microscopio in luce

riflessa


Microscopio ottico in luce

polarizzata

� Viene usata luce polarizzata; essa è composta da onde luminose, i cui piani di vibrazione sono tutti orientati in un’unica direzione – polarizzati linearmente.

La luce viene resa polarizzata da filtri detti polarizzatori, che privilegiano un solo piano di oscillazione nella confusione statistica propria della luce naturale.

� Esistono due tipi di questi filtri: quello posto dietro all’obbiettivo si chiama analizzatore. Se i due filtri sono disposti a 90° l’uno rispetto all’altro non lasciano passare la luce (Nicol incrociati).

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Fascio di luce

Le vibrazioni avvengono in tutte

le direzioni possibili

La luce vibra in un solo piano che contiene la

direzione di propagazione (ABCD)

Convenzionalmente la luce è polarizzata nel

piano normale (EFGH) a quello di vibrazione

Fascio di luce naturale Fascio di luce polarizzato

Composizione mineralogico-petrografica dei materiali:

� identificazione dei minerali costituenti il litotipo, legante ed aggregato, scheletro e pasta di fondo;

�definizione della struttura (insieme delle proprietà scalari: forma, dimensioni, aggregazioni e reciproche relazioni dei singoli cristalli)

�definizione della tessitura (insieme delle proprietà vettoriali: disposizione spaziale della compagine cristallina ed orientazione dei cristalli).

�definizione delle componenti minerali pigmentanti

Nei materiali lapidei artificiali: individuazione dei materiali addizionati volontariamente (frammenti di marmo, cocciopesto, segatura);

Studio dello stato di conservazione del materiale (minerali di neoformazione);

Caratterizzazione del profilo superficiale

Scopo delle osservazioni

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Le studio di sezioni sottili

Osservazione con il

solo polarizzatore (Nicol //)

Forma, dimensioni, sfaldature, rilievo,

indici di rifrazione, colore, pleocroismo

Osservazione con

polarizzatori incrociati (Nicol X)

Birifrangenza, estinzione, allungamento,

angolo degli assi ottici, segno ottico

40x Sezione di una scaglia di bronzo

luce polarizzata

Verso l’esterno si

osservano strati

contenenti diversi

prodotti di degrado

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Sezioni sottili: caratterizzazione del litotipo


polarizzatore



CAMPIONE

� stereomicroscopio


polarizzata

��microscopio in luce microscopio in luce

riflessariflessa


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Microscopio ottico in luce riflessa

� Tecnica qualitativa e distruttiva che consente di individuare la

sequenza stratigrafica.

� Permette studi morfologico - strutturali delle stratificazioni

(adesione tra gli strati, caratteristiche proprie dello strato)

� Analisi di superficie (degrado,

applicazione di prodotti, tecniche

pittoriche, riconoscimento di eventuali

ridipinture)

� Studi morfologico-strutturali sulle stratificazioni definiscono:

� colori degli strati,

� gli spessori,

� il grado di adesione tra gli stessi e con il substrato

� indagine condotta sulla seconda metà del calco da cui è

stato ottenuta la sezione sottile precedentemente descritta

Microscopio ottico in luce riflessa

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Sezioni lucide trasversali

Finitura su pietra


Finiture su superfici ceramiche

Sezioni lucide trasversali

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a

d

c

b

e

f

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Ingrandimento 80xLamina di argento in luce normale

Ingrandimento 80xLamina di argento fuso in laboratorio

in luce normale

Immagini microscopiche in luce ultravioletta

50x Scaglia di marmo da una statua

luce normale

Stessa immagine in fluorescenza ultravioletta

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Microscopio di cantiere

Stereomicroscopio portatile dotato di

zoom in continuo da 25x a 200x

ingrandimenti, sistema di

digitalizzazione dell’immagine e

successiva acquisizione delle immagini

con risoluzione di 1792x1184 pixel.

�Individuazione delle caratteristiche

morfologiche superficiali

�Individuazione delle aree di

campionamento rappresentative del bene


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� Il potere risolutivo di un microscopio è inversamente proporzionalmente alla

lunghezza d’onda della radiazione impiegata, qualunque sia il tipo di sorgente.

Nella microscopia elettronica si sfrutta il fatto che gli elettroni, impiegati come

sorgente “luminosa”, hanno una radiazione di bassissima lunghezza d’onda e

pertanto il loro impiego permette di ottenere poteri risolutivi assai più elevati

rispetto a quelli ottenuti con la microscopia ottica.

� Viene eseguita in alto vuoto e basso vuoto

� Vengono condotte su sezioni lucide e su campioni tal quale

Microscopia elettronica a scansione

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Interazione fra il fascio di elettroni e la

superficie del campione

e- che facevano parte delle nubi elettroniche degli atomi contenuti nel campione,

ma che hanno ricevuto dal fascio incidente una quantità d’energia sufficientemente

alta per sfuggire.

Sono emessi dagli strati più superficiali del campione permettono di studiare la

morfologia ed i fenomeni di superficie

Elettroni secondari


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• Elettroni secondari (interazione superficiale=> morfologia della superficie)

• Elettroni retrodiffusi (interazione con i nuclei=> mappatura degli elementi superficiali)

• Raggi X caratteristici (interazione più profonda=> composizione elementare)

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fenom

eni di degra

do b

iolo

gic

o prodotti applicati sulle superfici

Studi morfologici: fenomeni di degrado


Confronto

M.O. - SEM


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Si ottengono spettri di emissione o mappe di distribuzione di elementi

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Analisi al SEM su un campione di marmo con fenomeni di croste nere evidenziate dalla

presenza di zolfo (dall’inquinamento atmosferico) e di calcio (dal carbonato di calcio del marmo)

Analisi SEM + EDS


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[Barra = 100 µm]

Immagine in BSE relativa agli strati di finitura e spettro

EDS registrato a carico di uno strato di doratura

realizzato mediante l’impiego di una foglia composita

Applicazione degli studi di microscopia ad

un frammento di stucco con doraturaEsempio:

Pigmenti neri carboniosi:

Carbone di legna (a) Nerofumo (b) Nocciolo di pesco (c) Sughero (d)

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Lamina di bronzo dorato

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