Analisi con Fasci di Ioni (Ion Beam Analysis, IBA) PIXE, PIGE, BS, IL, DPAA
Le tecniche di analisi con fasci ionici (Ion Beam Analysis, IBA) permettono di studiare la composizione di un campione dall’osservazione dei prodotti di interazione fra quest’ultimo, usato come bersaglio, e un fascio di particelle accelerate di energia dell’ordine dei MeV. Rivelando la radiazione emessa nelle interazioni fra gli ioni del fascio e gli atomi o i nuclei del bersaglio è possibile caratterizzare il campione sia qualitativamente che quantitativamente (pur con alcune limitazioni). Queste misure sono non invasive e non distruttive. Il campione da analizzare non ha bisogno di essere trattato né messo in vuoto (tipicamente, nelle applicazioni sui Beni Culturali, le misure vengono eseguite estraendo il fascio incidente direttamente in atmosfera); questo fa sì che non sia necessario in realtà prelevare un vero e proprio campione dall’opera da analizzare, ma che sia possibile effettuare la misura anche sull’opera intera, sempre se trasportabile presso il laboratorio.
Le tecniche si differenziano a seconda della radiazione che si decide di rivelare.
PIXE (Particle Induced X-ray Emission): si rivela la radiazione X, la cui energia è caratteristica delle specie atomiche che l’hanno emessa. In un set-up con fascio in esterno, è possibile rivelare in una singola misura da pochi minuti tutti gli elementi a partire dal sodio (con Z ≥ 11), anche se presenti in traccia.
PIGE (Particle Induced Gamma-ray Emission): si rivela la radiazione γ, la cui energia è caratteristica delle specie isotopiche che l’hanno emessa. Con la PIGE è possibile superare alcuni dei limiti della PIXE, per esempio quando il problema è rivelare la presenza di elementi leggeri situati in strati più profondi del campione.
BS (Backscattering spettroscopy): si rivelano gli ioni del fascio diffusi all’indietro dai nuclei del bersaglio. Questa tecnica ha il vantaggio di permettere la rivelazione di elementi leggeri (Z > 1 con fasci di protoni) anche in set-up in esterno e di dare informazioni sulla stratigrafia del campione.
IL (Ionoluminescenza): si rivela la radiazione luminosa (UV/VIS/IR). Lo spettro IL può dipendere significativamente dagli atomi vicini a quelli che lo emettono, dando così informazioni sui legami chimici. Questa analisi consente di identificare velocemente il materiale (ad esempio il cristallo) costituente il campione.
DPAA (Deep Proton Activation Analysis): si basa sulla produzione di isotopi radioattivi in seguito a reazioni nucleari indotte dai protoni del fascio sui nuclei atomici di cui è costituito il reperto in esame. Consente di concentrare l’analisi nella zona interna del reperto stesso (400-600 µm).
La radiografia – digitale – di dipinti, sia su tela che su tavola permette di ottenere informazioni sullo stato di conservazione, sulle caratteristiche dei supporti, sulle tecniche realizzative e sugli strati pittorici sottostanti la pellicola pittorica finale.
La tomografia può essere utilizzata con successo per tutte quelle opere per le quali è importante anche la terza dimensione, come ad esempio statuette, vasi, ornamenti o altri manufatti. Permette di vederne l’interno in modo non invasivo, ottenendo informazioni fondamentali sul loro stato di conservazione e sulle tecniche costruttive.
Gli strumenti sviluppati sono caratterizzati da diverse risoluzioni spaziali e permettono di indagare oggetti di varie dimensioni e tipologie. Gran parte dei nostri sistemi di analisi sono trasportabili e permettono quindi di effettuare analisi direttamente nei musei o nei laboratori di restauro, previa autorizzazione del nostro esperto qualificato.
La radiografia K-edge è una tecnica particolare di radiografia che si basa sull’esecuzione di due radiografie digitali con raggi X di energie, rispettivamente, di poco superiore e di poco inferiore al cosiddetto K-edge dell’elemento che si vuole identificare: il coefficiente di attenuazione di tale elemento subisce una cospicua variazione nell’intervallo tra le due energie impiegate. La sottrazione digitale delle due immagini, secondo un algoritmo ben noto, permette quindi di evidenziare questa variazione, fornendo la distribuzione dell’elemento considerato.
La mappa elementale così prodotta presenta tutti i vantaggi tipici di una tecnica di imaging rispetto ad una tecnica a campionatura: misura a zone e non per punti discreti, non-arbitrarietà nella scelta dei campioni, riconoscibilità di parti restaurate. La radiografia K-edge è molto utile per lo studio non-invasivo dei materiali pittorici di un dipinto, visto che un particolare elemento chimico è spesso caratteristico di un particolare pigmento (ad es.: Zinco del Bianco di Zinco, Mercurio del Cinabro, ecc.).
La diffrazione X (XRD) consente di determinare le fasi mineralogiche caratterizzanti i materiali analizzati.
Particolarmente efficace è la sua applicazione nella determinazione della natura dei pigmenti in dipinti, affreschi e pitture murali, pergamene e manoscritti miniati.
Altre applicazioni riguardano la determinazione di patine di corrosione o degrado in metalli antichi e materiale di interesse architettonico al fine di determinare la natura dei processi di degrado e di individuare opportuni protocolli di conservazione. La diffrazione trova impiego anche in campo forense per procedure di attribuzione e autenticazione di materiali di dubbia collocazione storico-artistica.
La spettroscopia Raman si basa sulla diffusione anelastica della luce da parte del campione e può fornire informazioni sulla composizione molecolare, i legami chimici, la fase e la struttura cristallina del campione in esame; permette di analizzare materiali in diversi stati: gas, liquidi e solidi amorfi o cristallini. Le sue applicazioni in archeometria sono molteplici, dalla caratterizzazione fisico-chimica non distruttiva di pigmenti pittorici all’identificazione del tipo di roccia o di gemma presenti nei manufatti. Tale caratterizzazione può fornire un importante contributo ai progetti di restauro e di conservazione delle opere d’arte o di reperti archeologici, fornendo dati essenziali sulla loro natura, l’eventuale stato di degrado e, a volte, sulla loro provenienza.
Grazie all’accoppiamento con un microscopio, caratteristica della microspettroscopia Raman, possono essere caratterizzati i singoli grani di pigmento anche di dimensioni dell’ordine del micron, permettendo così, ad esempio, di ottenere separatamente gli spettri dei pigmenti miscelati dal pittore per ottenere un certo colore.
E’ disponibile anche strumentazione portatile, che consente di analizzare in situ opere di qualunque dimensione.
La Spettroscropia Infrarossa in Trasformata di Fourier (FT-IR) è una tecnica diagnostica non distruttiva e non invasiva (o microinvasiva) in grado di analizzare la composizione molecolare dei materiali non metallici. In particolare, è possibile analizzarne la componente organica, non rilevabile con altre tecniche diagnostiche.
La spettroscopia FT-IR viene sempre più utilizzata per l’analisi superficiale dei materiali e dei manufatti nella fase preliminare al restauro, ottenendo informazioni utili per la scelta della migliore metodologia operativa.
La LIF è impiegata nel campo dei Beni Culturali come tecnica complementare alle tradizionali tecniche composizionali. La tecnica si basa sul principio che pigmenti/leganti/consolidanti, etc. possiedono una loro fluorescenza caratteristica, che ne permette il riconoscimento sulla superficie pittorica. L’identificazione dei materiali in esame avviene attraverso lo studio degli spettri di emissione caratteristici dei composti analizzati, generati in seguito ad un’eccitazione da parte di una sorgente laser.
I vantaggi di questa tecnica risiedono nella sua alta sensibilità, non invasività e risposta immediata. Uno dei problemi principali nell’analisi di miscele di differenti composti (ed.es. pigmento + legante) risiede nella difficoltà di isolare i contributi spettrali provenienti dai singoli componenti. Questa difficoltà può essere superata attraverso l’analisi risolta in tempo (TR-LIF) degli spettri, che permette l’identificazione del composto in esame attraverso lo studio dei tempi di decadimento caratteristici delle emissioni osservate.
La spettrometria ToF-SIMS è particolarmente indicata per l’identificazione e localizzazione di composti organici quali: resine, leganti, coloranti, lacche etc. Considerata una delle più potenti tecniche analitiche di indagine superficiale, la spettrometria di massa ioni secondari è in grado di fornire informazioni sulla composizione chimica di un materiale ed associarne un mapping.
Negli esperimenti di depth profiling (modalità dinamica) tale tecnica fornisce la composizione chimica del materiale in funzione della profondità. Attualmente la spettrometria SIMS è considerata la tecnica di indagine superficiale più sensibile (ppm/ppb), in grado di ottenere una risoluzione sub-nanometrica lungo z ed una risoluzione laterale di 60 nm.
La spettrometria di massa inorganica con sorgente di ionizzazione al plasma (ICP-MS) permette la determinazione quali-quantitativa della composizione elementale del campione con ampia copertura rispetto al totale degli elementi della tavola periodica. Si tratta di una tecnica estremamente sensibile in grado di operare nel campo delle ultratracce, che frequentemente consente di rivelare concentrazioni pari o inferiori a 10-12 g di analita per g di campione. La spettrometria di massa può essere considerata una tecnica milli-distruttiva, visto che la quantità di campione necessaria alla misura è molto modesta, in genere dell’ordine di poche decine di mg. L’ICP-MS può fornire un contributo in tutti quei casi in cui sia necessario, per esempio, cercare la presenza di elementi, anche a livello di contaminazione, che possano fornire indicazione sulla provenienza dello stesso o delle materie prime utilizzate per la sua realizzazione, nel caso si tratti di un manufatto.
La TIMS, specialmente nel caso di strumentazione dotata di collettore multiplo, è particolarmente adatta alla misura dei rapporti isotopici degli elementi. Permette infatti di ottenere misure ad altissima precisione utilizzabili, anche in questo caso, per compiere studi ed indagini sulla provenienza del reperto o, nel caso di manufatti, del materiale usato per la sua realizzazione. In certi casi tale tecnica viene usata anche per dimostrare l’autenticità delle opere d’arte. In genere gli elementi più sfruttati per queste applicazioni sono lo stronzio per campioni biologici e il piombo per materiali inorganici. Questo perché questi hanno almeno un isotopo di origine radiogenica la cui abbondanza dipende dall’età geologica e dall’origine geografica del materiale.
La spettrometria di massa isotopica stabile permette la misura dei rapporti isotopici di elementi comecarbonio, azoto, ossigeno, idrogeno e zolfo, in materiale allo stato solido, liquido o gassoso. Tale tecnica consente la misura dell’abbondanza naturale isotopica in diversi tipi di campioni, distinguendo sostanze chimicamente simili tra loro, sulla base della loro marcatura isotopica. La potenzialità di questo strumentosta nella capacità di poter determinare l’origine ed il percorso di una determinata sostanza nell’ambiente.
A titolo di esempio, l’analisi isotopica di C e N presenti nelle ossa permette di ricostruire l’alimentazione seguita dalle popolazioni del passato, l’analisi isotopica del C presente in materiale lapideo permette di studiarne la provenienza, mentre quella del C da residui organici in reperti ceramici archeologici consente di risalire alla tipologia di alimento utilizzato, distinguendo tra grassi vegetali ed animali. Dai rapporti isotopici dello stronzio sullo smalto dei denti invece si riescono a ricostruire le possibili migrazioni che hanno interessato gli individui di una specifica popolazione.
Il profilometro è uno strumento di misura per la quantificazione della rugosità di una superficie.
La risoluzione verticale è di solito il nanometro mentre la risoluzione laterale è di solito più bassa.