Beni Culturali

Il SEM, ovvero il microscopio elettronico a scansione, consta di uno strumento attraverso il quale è possibile condurre un’indagine di tipo non distruttivo ( requisito, quello della non distruttività, essenziale nello studio dei Beni Culturali ) grazie all’interazione tra un fascio di elettroni e il campione, oggetto d’esame.

Mediante il SEM è possibile ottenere, come verrà enucleato qui di seguito, informazioni di tipo morfologico e strutturale del campione, ma anche - con l’introduzione di uno spettrometro a dispersione di energia -  informazioni relative alla natura chimica dello stesso.

L’utilizzo del microscopio elettronico a scansione nello studio dei Beni Culturali diventa certamente un valido strumento di analisi, in quella fase di “conoscenza” imprescindibile ad un qualsiasi intervento conservativo o di restauro. Si pensi, per citare una delle molteplici applicazioni del SEM, alla possibilità di fruizione delle informazioni relative alle eterogeneità morfologiche e composizionali di un campione metallico, eterogeneità che possono dipendere da una particolare lavorazione – e quindi assumere il valore di markers diagnostici - o da fattori di degrado, come la presenza di ossidi, sali, oppure, ancora, di lesioni superficiali.

Gli elettroni del fascio incidente ( elettroni primari ) danno luogo a vari effetti, quali l’emissione di elettroni secondari e retrodiffusi ( questi ultimi detti anche backscattered elecrtons, dall’ inglese ), insieme a raggi X caratteristici e radiazioni nel range dell’ UV, del visibile e dell’IR.

L’apparato sperimentale è costituito da una colonna elettronica in cima alla quale è  collocato l’emettitore di elettroni ( generalmente un filamento di tungsteno o di esaboruro di lantanio ) che genera il fascio, seguono nel sistema lenti elettroniche per la focalizzazione e scansione del fascio, fenditure per la collimazione dello stesso, una camera porta campioni e un sistema di rilevazione collegato ad un computer per l’elaborazione dei dati.

Il fascio di elettroni incidente sul campione compie un movimento ( lungo le coordinate cartesiane X, Y e tale che lo scorrimento del pennello elettronico lungo l’asse X sia progressivamente traslato lungo Y di un incremento fisso ) sincronizzato con il fascio di elettroni che eccita gli elementi fluorescenti dello schermo, permettendo in questo modo la visualizzazione dell’ immagine. A differenza del microscopio ottico, il quale fornisce un’immagine reale del campione, il SEM, grazie alla scansione del fascio elettronico, restituisce un’immagine di tipo virtuale, a partire dai segnali emessi dal volume di interazione.

Tali segnali sono principalmente due: gli elettroni secondari e quelli retrodiffusi.

Gli elettroni secondari sono convenzionalmente definiti come aventi energia pari o inferiore a 50 eV e provengono dall’interazione del fascio primario e degli elettroni retrodiffusi con gli elettroni di valenza. Gli elettroni secondari forniscono informazioni sulla morfologia del campione in quanto l’immagine appare in rilievo poichè il segnale è rafforzato nelle zone in cui si risente di un effetto “di spigolo”.

Per quanto concerne invece gli elettroni retrodiffusi, essi sono caratterizzati da un’ energia superiore ai 50 eV, derivano dal fascio primario in seguito all’interazione con i nuclei atomici, e forniscono informazioni circa il numero atomico medio del volume di interazione. Questo risulta in diversi toni di grigio, tali che elementi più pesanti ( con un elevato Z ) appaiono in toni di grigio più chiaro.

Misurando poi l’energia e la distribuzione delle intensità dei raggi X generati dal fascio elettronico sul campione, utilizzando un rilevatore a dispersione di energia, è possibile effettuare un’analisi non distruttiva quali e quantitativa del campione, che possa pertanto riconoscere e quantificare gli elementi chimici presenti nella zona indagata (EDS, spettrometria per dispersione di energia).

Quando infatti un fascio di elettroni con energia sufficiente incide su un atomo e provoca una vacanza elettronica negli orbitali interni, la conseguente diseccitazione dell’atomo - che avviene in seguito alla transizione elettronica di un elettrone di livello superiore ( ad energia maggiore ) che decade, colmando la vacanza dell’orbitale inferiore - si ha emissione di un fotone X di energia pari alla differenza energetica tra i due livelli. La lacuna lasciata da questo secondo elettrone sarà colmata da un elettrone proveniente da un livello energetico ancora superiore con un’ulteriore transizione elettronica, generando così un altro fotone X di energia pari a questo nuovo salto quantico. Le lunghezze d’onda dei raggi X caratteristici di una certa specie chimica sono pertanto legate ad un livello di energia discreto e l’insieme dei salti quantici che hanno interessato l’atomo determinano dunque uno spettro a righe ( valori discreti, appunto ) caratteristiche dell’elemento in analisi.

L’EDXRF è un metodo ben conosciuto in archeometria poiché è non distruttivo, multielementale e relativamente economico. La tecnica è basata sull’irraggiamento di una opera pittorica con raggi X e sulla misurazione dell’energia dei raggi X secondari emessi dal campione stesso. L’energia dei raggi X secondari (detti anche caratteristici) è legata infatti agli elementi chimici presenti nel campione analizzato e la loro intensità è proporzionale alla quantità dell’elemento sotto esame.

Gli accertamenti possono essere preliminari o di ausilio ad una operazione di restauro, tuttavia questo metodo totalmente non distruttivo può essere applicato a semplice scopo conoscitivo prescindendo dal tipo di intervento. Questa tecnica può essere utilizzata, inoltre, non solo per i dipinti su tela, ma anche nella determinazione dei pigmenti utilizzati per i dipinti su tavole, ad affresco, su ceramiche e colorazioni di vetri.

L’identificazione di pigmenti impiegati nei lavori d’arte è di grande importanza per l’archeometria, la storia dell’arte e per il restauro dell’oggetto. La conoscenza dei materiali utilizzati può, per esempio, gettare luce sulle origini del dipinto, aiutare nel lavoro di datazione o nell’attribuzione dell’autore tramite la sua tavolozza dei colori, dare risultati essenziali per la scelta di materiali moderni compatibili nell’azione di restauro.

La sensibilità moderna nei confronti dei Beni Culturali ha spinto alla specializzazione di alcune tecniche totalmente non distruttive, tra le quali c’è certamente la Fluorescenza X. La Fluorescenza X infatti permette una identificazione veloce e precisa degli elementi che caratterizzano i pigmenti di origine inorganica ed un’analisi qualitativa delle zone analizzate. La tecnica consente l’individuazione degli elementi chimici presenti, ma non dei composti chimici a cui questi elementi appartengono. La maggior parte dei pigmenti sono però caratterizzati dalla presenza di uno o più elementi per cui non risulta quasi mai necessario utilizzare altre tecniche per la maggior parte distruttive per approfondire le analisi.

La capacità di penetrazione dei raggi X è generalmente molto bassa, ma nel caso dei dipinti questa penetrazione è certamente maggiore di una pellicola pittorica e, quindi, le informazioni ottenute non riguardano solamente lo strato più superficiale della porzione esaminata, ma si estendono anche agli strati inferiori raggiungendo anche il supporto del dipinto stesso.

Un sistema portatile di Fluorescenza X può essere, inoltre, trasportato nel luogo in cui l'opera d'arte è conservata senza che sia necessario il trasferimento della stessa in ambienti che possano lederne l’integrità.

Un tipico strumento di analisi con EDXRF è composto da un tubo emettitore di radiazione X, un rivelatore, un multicanale ed un computer. Il tubo miniaturizzato, il piccolo rivelatore termoelettricamente raffreddato ed il computer portatile permettono di definire la strumentazione utilizzata come portatile. Attraverso un puntatore a diodo laser è possibile centrare superfici di pochi millimetri quadrati e quindi fare misure molto selettive.

La spettroscopia Raman, è una tecnica non invasiva e non distruttiva che si basa sulla interazione radiazione materia. In particolare la radiazione emessa da un fascio laser interagisce con i moti rotovibrazionali delle molecole con la conseguente riemissione di luce a lunghezze d'onda diverse da quella incidente. La radiazione emessa viene studiata attraverso uno spettrometro e lo spettro che si ottiene, detto spettro Raman, fornisce così una impronta digitale della molecola in esame, permettendone l'identificazione. N

ello studio dei Beni Culturali la spettroscopia Raman ha assunto una notevole importanza in quanto permette di caratterizzare molecole e composti che altre tecniche atomiche non sono in grado di analizzare. Oltre a ciò attraverso l'effetto Raman è possibile differenziare mutazioni polimorfiche ad esempio quelle legate al diossido di titanio (rutilo oppure anatasio). Lo strumento tipico di spettroscopia Raman è composto da un sistema eccitante laser ad intensità variabile, un probe a fibre ottiche ed una CCD raffreddata.

La Riflettografia infrarossa è un metodo largamente utilizzato nell'indagine scientifica delle opere d'arte. Si basa sul principio della diversa trasparenza dei materiali pittorici alla radiazione infrarossa rispetto a quella visibile, per cui è possibile visualizzare elementi pittorici sottostanti lo strato visibile, difficilmente apprezzabili con altri metodi.

Il dipinto viene illuminato con una sorgente di radiazione quanto più spostata verso l'infrarosso, ad esempio tramite una lampada ad incandescenza, con filamento di tungsteno, collegata ad un variatore di intensità, che controlla il flusso di radiazione incidente sul dipinto. La radiazione riemessa dal dipinto viene intercettata da un sistema di ripresa sensibile alla radiazione infrarossa.

Le telecamere CCD ad alta risoluzione, come quella utilizzata, sfruttano un rivelatore al silicio che offre una maggiore sensibilità ed un rapporto segnale-rumore molto alto. Davanti alla telecamera può essere posto un filtro al fine di accentuare la componente infrarossa su quella visibile.

Le immagini si osservano in diretta in un piccolo schermo e, quando necessario, possono essere salvate su di un supporto di memoria. Una volta acquisita l'immagine è possibile analizzarla attraverso sistemi di filtraggio opportuni.

Come risulta evidente questo metodo sfrutta le differenti proprietà ottiche dei pigmenti colorati e perciò non comporta nessun tipo di prelievo o di contatto fisico tra l'opera e lo strumento di misura.

Con una semplice e veloce misura si ottengono diverse informazioni di carattere scientifico ed artistico-storiografico; i diversi dati possono essere utilizzati come strumento di documentazione e presentazione dello stato di conservazione dell'opera sotto esame.

Questo tipo di indagine è utile per ottenere informazioni sulla tecnica dell'autore e sul mezzo grafico impiegato per il disegno, oppure per rilevare scritte e date sottostanti lo strato pittorico o coperte da rifacimenti successivi. Non è raro trovare notevoli variazioni nella composizione dell'opera rispetto alla versione finale, o pentimenti dell'autore oppure tele riutilizzate in cui sono presenti schizzi di disegni che niente hanno a che fare con il dipinto visibile.