Monitoraggio, diagnosi e trattamento di opere e manufatti di interesse culturale

L’italia possiede un patrimonio culturale assai vasto, eterogeneo e di rilievo mondiale, risultando il Paese con il maggior numero di siti (50) inclusi da UNESCO nella lista dei Patrimoni dell’Umanità. La conservazione di ciascun manufatto di interesse storico-artistico presenta, però, cricità differenti, dovute a un’ampia gamma di fattori variabili, tra cui le condizioni climatiche e microlimatiche alle quali il bene è sottoposto, e le caratteristiche fisiche, chimiche e meccaniche dei materiali di cui è costituito. Pertanto, ogni caso di studio richiede lo sviluppo di soluzioni specifiche che necessitano di un approccio fortemente multidisciplinare.
In tal senso, differenti competenze presenti nell’IMC (chimica organica e inorganica, chimica fisica, fisica, geologia, archeologia, archeometria) convergono in attività di ricerca dedicate allo sviluppo di protocolli avanzati e nuove tecnologie per la tutela di beni culturali nazionali e non.

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Tecnologie NMR avanzate per la diagnostica dei beni culturali
Persone di contatto:
Donatella Capitani, Valeria Di Tullio, Noemi Proietti

Parte di questa attività si inquadra nell’utilizzo di tecnologie NMR portatili per diagnosticare e mappare quantitativamente, direttamente in situ ed in modo totalmente non invasivo l’umidità negli strati superficiali nelle murature di interesse storico-artistico. La metodica permette la diagnostica ed il monitoraggio nel tempo degli effetti di interventi mirati a ridurre la presenza di umidità eccessiva. Con la stessa tecnica è possibile valutare l’efficacia di trattamenti protettivi e/o consolidanti su materiali lapidei. Il protocollo non invasivo di stratigrafia NMR permette di ottenere un profilo della penetrazione di trattamenti in varie tipologie di materiali porosi. Le informazioni ottenute, che riguardano la profondità di penetrazione del trattamento, la variazione di porosità indotta dal trattamento nella struttura porosa e la presenza di eventuali discontinuità causate dal trattamento all’interno del materiale, sono cruciali per la scelta del tipo di trattamento e per l’ottimizzazione del tempo di applicazione del trattamento stesso.
Parte dell’attività prevede l’utilizzo combinato di metodi di NMR unilaterale, stratigrafia NMR e spettroscopia NMR allo stato solido e in soluzione per la diagnostica dello stato conservativo e la caratterizzazione dei materiali costitutivi di manufatti lignei e cartacei, materiali ceramici, ambre e materiali polimerici utilizzati nell’arte contemporanea e binder organici nei dipinti.

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Determinazione dei danneggiamenti strutturali e della degradazione superficiale di monumenti in roccia, e sviluppo di nuovi materiali per la loro conservazione.
Persona di contatto: Piero Ciccioli

Rappresentazione delle alterazioni superficiali e dei danneggiamenti strutturali avvenuti nell’arco degli ultimi trenta anni ai danni di tombe rupestri appartenenti a una necropoli etrusca del Lazio Settentrionale

Questa attività di ricerca è dedicata alla determinazione dei danneggiamenti strutturali e della degradazione superficiale a cui sono soggetti i materiali lapidei utilizzati per la realizzazione di monumenti rupestri e di altri beni culturali profondamente inseriti in contesti naturali.
Per quanto concerne le alterazioni superficiali, vengono valutati i cambiamenti nelle proprietà chimiche, mineralogico-petrografiche, fisiche e meccaniche delle rocce prodotti da processi di meteorizzazione associati alle condizioni climatiche e microclimatiche del sito. La determinazione del tipo e del grado di alterazione dei materiali viene effettuata attraverso tecniche analitiche (quali XRD RIR, XRF, SEM, FTIR, TGA-DTG-DTA, EPMA, MIP, 1H, 19Si e 27Al MAS NMR) e tramite test standard in campo e in laboratorio (tra cui test per la determinazione di resistenza a carico concentrato, indice sclerometrico, indice di resistenza alla gelività, indice di durabilità, resistenza alla cristallizzazione dei sali).
L’impatto dei danneggiamenti strutturali sulla conservazione dei monumenti viene valutato, invece, attraverso modellizzazione degli ammassi rocciosi e della meccanica delle fratture, elaborando i dati raccolti in situ con differenti tipi di approcci matematici, basati sugli elementi finiti e sui criteri di Hoek-Brown e Barton-Bandis.

A sinistra: test per la determinazione della resistenza a carico concentrato su un litotipo utilizzato per la realizzazione di monumenti; a destra: campione di malta che incorpora il medesimo tipo di roccia del monumento, da utilizzare per trattare fratture (1) e joint (3) che interessano il bene culturale, al fine di evitare danneggiamenti strutturali, come scivolamenti di cunei rocciosi (2)

Recentemente, questa attività è stata estesa anche allo sviluppo di nuove malte e rocce artificiali che incorporano il medesimo litotipo con cui sono costituiti i monumenti. Ciò al fine di ottenere materiali efficaci per il rispristino strutturale dei beni culturali e, allo stesso tempo, in grado di apparentarsi bene con la roccia incassante in termini di caratteristiche estetiche (colore, tessitura) e proprietà fisiche e meccaniche (permeabilità, elasticità).

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Trattamenti di pulitura su manufatti con enzimi
Persona di contatto
: Enrica Donati, Chiara Marcella Polcaro

Uno dei problemi nel restauro dei beni culturali riguarda la pulitura di manufatti dalle macchie colorate, in particolare quelle brune o marroni dovute alla melanina prodotta da colonie di Aspergillus niger, su materiali lapidei, affreschi, arazzi, materiale cartaceo e pergamene, specialmente se conservate in ambienti scuri e umidi. Di solito l’eliminazione delle colonie fungine avviene mediante l’uso di fungicidi o disinfettanti, ma la decolorazione delle macchie è problematico; sui marmi si ottiene con soluzioni di carbonato, mentre sui dipinti o le carte si effettua per lo più meccanicamente, sempre che il pigmento non sia assorbito sulle fibre, utilizzando eventualmente una soluzione di tensioattivo.
Un approccio validato nella pulitura di superfici lapidee, pitture murali e materiali di vario genere di interesse per i beni culturali e archeologici è quello enzimatico. Nella pulitura di dipinti su tavola o murali, gli enzimi proteasi e amilasi sono generalmente utilizzati per la rimozione di tracce di colla o di altri materiali biologici, come l’albume d’uovo, mentre le lipasi e le esterasi si usano per rimuovere patine oleo-resinose. Per eliminare la crosta scura da superfici lapidee è recentemente stato sperimentato l’uso della Glucoso-ossidasi con sviluppo di acqua ossigenata . Enzimi ligninolitici sono stati utilizzati per decolorare pigmenti prodotti da microrganismi sul marmo e carte.
L’esperienza maturata nell’IMC nell’uso di enzimi ossidanti è volta all’uso dell’enzima lignolitico laccasi e di coadiuvanti, come la vanillina, in grado di accentuare l’attività dell’enzima stesso, per la degradazione della Melanina.

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Identificazione, censimento e valorizzazione di siti archeologici arcaici
Persona di contatto
: Angelo Ferrari

Qanat di Shahrood nell’Iran nord orientale

Nell’ambito della tematica Ambiente e Beni Culturali, sono stati avviati alcuni progetti che hanno lo scopo di studiare il singolo manufatto inserito nel più ampio contesto territoriale e ambientale. I casi presi in esame, finalizzati alla valorizzazione storico culturale e alla fruizione, si riferiscono a grandi opere del passato che esercitano ancora oggi una influenza significativa, territoriale e sociale.

QANAT PROJECT. Lo studio dei qanat, antiche opere idrauliche per l’irrigazione di aree desertiche, intende progettare la riqualificazione funzionale dei sistemi irrigui e delle aree circostanti, realizzare la loro catalogazione informatica (Atlante Tipologico dei Qanat), e la loro protezione in un’ipotesi di fruizione (per questo studi sulla portata dell’acqua e sulla presenza del radon). Attualmente le indagini sono state focalizzate nel deserto del Kavir, in Iran, dove è operante un protocollo di ricerca dell’IMC-CNR con la locale Università Tecnologica di Shahrood e nell’area del castello di Showbak in Giordania e lungo l’asse che attraverso la Transgiordania raggiunge al sud Ma’an passando per Udruth, l’antica città di Adriano lungo il limes arabicus.

L’emissario del Fucino con il pozzo romano profondo oltre 100 m

INDAGINI IN ITALIA. Nell’ambito del Progetto Interdipartimentale “Cultura e territorio” del Dipartimento del CNR “Scienze Umane e Sociali, Patrimonio Culturale”, è stato avviato uno studio sui ritrovamenti arcaici rinvenuti sul Montalto in Abruzzo. L’obiettivo è predisporre uno studio per fornire indicazioni utili a progetti di valorizzazione ad uso dei gestori locali dei beni culturali e del paesaggio. Nel corso delle indagini sono state affrontate anche le problematiche relative alle datazioni dei reperti di un ampio sito, frammentato per quanto riguarda la distribuzione sul territorio e abitato con continuità per diverse epoche storiche, dal neolitico ai giorni nostri. Sono stati anche avviati i primi rilievi del centro abbandonato di Sperone in Abruzzo nell’ambito di una iniziativa di recupero e valorizzazione storico culturale. Lo scopo è un progetto per il riuso di un antico centro per finii sociali e di studio del territorio e dell’ambiente. Nell’ambito di questo Progetto verranno fatti anche dei tentativi per l’individuazione e il recupero delle antiche cultivar della produzione agraria locale. Inoltre è in corso di realizzazione una attività di analisi degli ambienti ipogei e delle acque nei Cunicoli di Claudio, con particolare riferimento alla presenza del gas radon, nel fitto reticolo sotterraneo che conduce le acque in eccesso della pianura del Fucino in Abruzzo nel fiume Liri. Altre analisi e rilevazioni del radon e delle caratteristiche geomorfologiche sono in corso nelle cavità naturali della montagna della Maiella in Abruzzo.

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Personale di ricerca coinvolto:
Donatella Capitani
Piero Ciccioli
Valeria Di Tullio
Enrica Donati
Angelo Ferrari
Chiara Polcaro
Noemi Proietti
Pietro Ragni
Enza Sirugo
Stefano Tardiola

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Principali collaborazioni scientifiche con università ed enti di ricerca pubblici
CNR-ICVBC (Dr Annamaria Mecchi)
CNR-IFAC (Dr Roberto Olmi)
CNR-IGAG
CNR-ISMA
CNR-ISTEC
CNR-IVALSA (Dr. Nicola Macchioni)
CNR- IPCB (Dr. Gennaro Gentile, Dr. Maurizio Avella, Dr. Maria Emanuela Errico)
Department of Macromolecular Chemistry, Università di Aachen (Prof. Bernhard Blümich)
Dipartimento di Chimica dell’Università degli Studi di Genova (Dr, Sivia Vicini)
Dipartimento di Chimica dell’Università degli Studi di Perugia (Prof. Antonio Sgamellotti)
Dipartimento di Fisica dell’Università degli Studi di Roma Tre (Dr Elena Pettinelli)
Dipartimento di Scienze Biologiche, geologiche e Ambientali, Università di Catania (Prof. Germana Barone. Prof. Paolo Mazzoleni)
Dipartimento di Scienze e Tecnologie Biologiche, Chimicge e Farmaceutiche, Università di Palermo (Prof. Eugenio Caponetti)
Dipartimento di Medicina Clinica, Scienze della Vita e dell’Ambiente, Università degli Studi dell’Aquila (Prof. Ezio Burri)
Dipartimento di Scienza dei Materiali, Università degli Studi di Milano Bicocca (Prof. Marco Martini)
Dipartimento di Scienze dell’Antichità dell’Università degli Studi di Roma Sapienza(Prof. Loredana Sist)
Department Sciences of Earth, University of Shahrood (Prof. Gholam Hosein Karami, Prof. Ardejani Faramaz Doulati)
Dipartimento di Scienze Fisiche, della Terra e dell’Ambiente, Università di Siena (Prof. Nadia Marchettini)
Istituto Superiore per la Conservazione e il Restauro, MIBAC (Dr Elisabetta Giani)
Museo Nazionale Preistorico Etnografico “Luigi Pigorini” (Dr. Luciana Rossi)
Dipartimento Best, Politecnico di Milano (Prof. Elisabetta Rosina)

Principali collaborazioni scientifiche con imprese, enti di ricerca privati e pubblico-privati
Bruker Biospin

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Pubblicazioni rilevanti

Di Tullio V, Capitani D., Trojsi G., Vicini S., Proietti N.
Nuclear Magnetic Resonance to investigate inorganic porous materials of interest in the cultural heritage field
European Journal of Mineralogy 2015, 27, 297-310.

Proietti N, Capitani D., Di Tullio V., Olmi R., Priori S., Riminesi C., Sansonetti A., Tasso F., Rosina E.
MOdihMA at Sforza Castle in Milano: Innovative Techniques for MOisture Detection in Historical Masonry
Built Heritage; Monitoring Conservation Management, Springer International Publishing Switzerland 2015, Toniolo et al. Eds, DOI 10.1007/978-3-319-08533-3_16, ISBN: 978-3-319-08532-6

Proietti N., Capitani D., Di Tullio V.
Applications of Nuclear Magnetic Resonance Sensors to Cultural Heritage
Sensors 2014, 14, 6977-6997.

Di Tullio V., Cocca M.C., Avolio R., Gentile G., Proietti N., Ragni P., Errico M. E., Capitani D., Avella M.
Unilateral NMR investigation of multifunctional treatments on stones based on colloidal inorganic and organic nanoparticles
Magnetic Resonance in Chemistry 2014, 50, 64-77

Burri E., Del Bon A., Hassani B., Ferrari A., Karami G. H., Ragni P.
La tutela e la valorizzazione dei qanat della provincia di Shahrood nell’Iran settentrionale” (Protection and enhancement of qanats in Shahrood region in Northern Iran)
Speleo Club Chieti 2014, VI

Proietti N., Di Tullio V., Capitani D., Tomassini R., Guiso M.
“Nuclear magnetic resonance in contemporary art: the case of “Moon Surface” by Turcato”
Applied Physics A 2013, 113, 1009–1017

Ferrara C., Di Tullio V., Barone P.M., Mattei E., Lauro S. E., Proietti N., Capitani D. and Pettinelli E.
Comparison of GPR and unilateral NMR for water content measurements in a laboratory scale experiment
Near Surface Geophysics 2013, 11, 143-153.

Di Tullio V., Capitani D., Presciutti F., Gentile G., Brunetti B. G., Proietti N.
Non-invasive NMR stratigraphy of a multi-layered artefact: An ancient detached mural painting
Anal. Bioanal. Chem. 2013, 405, 8669-8675.

Capitani D., Di Tullio V., Proietti N.
Advanced Nuclear Magnetic Resonance Methodologies in Cultural Heritage” in Cultural Heritage Protection, Developments and International Perspectives, P. Frediani, M. Frediani, L. Rosi Editors, Nova Science Publishers, Inc, New York (2013) (ISBN: 978-1-62808-822-9 e-book)

Capitani D., Spinella A., Caponetti E. “Solid State NMR” Chapter 3.4, pag. 79-90 in Lecture Notes Chemistry 79 Conservation Science for the Cultural Heritage Applications and Instrumental Analysis, Evangelia Varella Editor, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2013, ISSN 0342-4901, ISBN 978-3-642-30984-7, ISSN 2192-6603 (electronic), ISBN 978-3-642-30985-4 (eBook), DOI 10.1007/978-3-642-30985-4.

Spinella A., Capitani D., Bastone S, Di Stefano C., Caponetti E. “Solid State NMR to Characterize Paper and Parchment Samples from a Sixteenth Century Book” Chapter 5.6, pag 208-216 in Lecture Notes Chemistry 79 Conservation Science for the Cultural Heritage Applications and Instrumental Analysis, Evangelia Varella Editor, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2013, ISSN 0342-4901, ISBN 978-3-642-30984-7, ISSN 2192-6603 (electronic), ISBN 978-3-642-30985-4 (eBook), DOI 10.1007/978-3-642-30985-4.

Ferrari A.
“The Samnite area between Abruzzo and Molise (Italy)”
Journal of cultural heritage 2013, 14S, S2-S5

Burri E., Ferrari A., Ragni P., Del Bon A., Mancini M., Albino G., Di Paolo P., Meneghini M.
Indagini sugli ipogei artificiali nel castello di Shawbak e nelle aree limitrofe, Giordania meridionale” (Investigation on artificial underground caves in the Castle of Shawbak and on the nearby areas, Southern Jordan), Temporis Signa, Centro italiano di studi sull’Alto Medioevo, Spoleto, 2013

Burri E., Ferrari A., Ragni P., Del Bon A., Mancini M., Di Paolo P., Albino G., Meneghini M.
Indagini sugli ipogei artificiali nel Castello di Shawbak e nelle aree limitrofe (Giordania meridionale)
Temporis Signa – Archeologia della tarda età e del medioevo 2013, VI ,283 – 317

Burri E., Ferrari A., Ragni P., Del Bon A., Di Somma A.
Proposal for a typological, topographical and morphological atlas of qanat in 6th International Congress on Science and Technology for the Safeguard of Cultural Heritage in the Mediterranean Basin (Athen, 22-25/10/2013) – ISBN 978-88-97987-05-5

Di Tullio V., Proietti N., Gentile G., Giani E., Poggi D., Capitani D.
Unilateral NMR: a noninvasive tool for monitoring in situ the effectiveness of intervention to reduce the capillary raise of water in an ancient deteriorated wall painting the effectiveness of intervention to reduce the capillary raise of water in an ancient deteriorated wall painting
International Journal of Spectroscopy, vol. 2012, 49430, doi:10.1155/2012/49430

Capitani D., Di Tullio V., Proietti N.
Nuclear Magnetic Resonance to characterize and monitor Cultural Heritage
Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy 2012, 64C, 29-69.

Proietti N., Presciutti F., Di Tullio V., Doherty B., Marinelli A. M., Provinciali B., Macchioni N., Capitani D., Miliani C. “Unilateral NMR, 13C CPMAS NMR Spectroscopy and micro-analytical techniques for studying the materials and the state of conservation o fan ancient Egyptian Wooden Sarcophagus”
Anal. Bioanal. Chem. 2011, 399, 3117-3131.

Di Tullio V., Proietti N., Capitani D., Nicolini I., Mecchi A. M.
NMR depth profiles as a non-invasive analytical tool to probe the penetration depth of hydrophobic treatments and inhomogeneties in treated porous stones
Anal. Bioanal. Chem. 2011, 400, 3151-3164.

Castro K., Princi E., Proietti N., Manso M., Capitani D., Vicini S., Madariaga J.M., De Carvalho M. L.
Assessment of the weathering effects on cellulose based materilas trough a multianalytical approachNucl. Instr. Meth. Phys. Res. B 2001, 269, 1401-1410.

Ciccioli P., Cattuto C., Plescia P., Valentini V., Negrotti R.
Geochemical and engeneering geological properties of the volcanic tuffs used in the Etruscan tombs of Nochia (Northern Latium, Italy) and factors responsible of their fast surface and structural decay.
Archaeometry
2010, 52, 229–251.

Di Tullio V., Proietti N., Gobbino M., Capitani D., Olmi R., Priori S., Riminesi C., Giani E.
Non-destructive mapping of dampness and salts in degraded wall paintings in hypogeous buildings: the case of St. Clement at mass fresco in St. Clement Basilica, Rome.
Anal. Bioanal. Chem 2010, 396, 1885-1896.