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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Analisi ambientali, datazione e valorizzazione dei qanat e di insediamenti antropici arcaici
Persona di contatto
: Angelo Ferrari

QANAT PROJECT. Lo studio dei qanat, antiche opere idrauliche per l’irrigazione di aree desertiche o semi aride, prevede l’attivazione di analisi ambientali, per un progetto di riqualificazione funzionale dei sistemi irrigui e delle aree circostanti, e la realizzazione della loro datazione e catalogazione informatica (Atlante Tipologico dei Qanat). Attualmente sono attive due collaborazioni per lo studio dei qanat del deserto del Kavir in Iran: con l’Università Tecnologica di Shahrood e con il Centro Internazionale UNESCO di Yazd. INDAGINI IN ITALIA. Analisi ambientali per lo studio del sito arcaico del Montalto e del centro abbandonato di Sperone in Abruzzo ai fini della fruizione e del recupero delle antiche cultivar della produzione agraria autoctona.

Qanat di Shahrood nell’Iran nord orientale   –    Qanat di Zarch sotto la città di Yazd

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Personale di ricerca coinvolto:
Donatella Capitani
Piero Ciccioli
Valeria Di Tullio
Angelo Ferrari
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)
International Center on Qanats and Historic Hydraulic Structures (UNESCO) of Yazd (Iran), Prof. Hossein Ghafor

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
  • 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.
  • 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.
  • Ferrari A., Ragni P. “KEMESHK (Iran) Risorse idriche e territorio”. Ed. VALMAR, Roma (2016)
  • 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) in Speleo Club Chieti, Vol. VI, (2014)
  • 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)