+ O - INSTM

DIAGNOSTICA E MATERIALI
INNOVATIVI
PER LA CONOSCENZA E LA
CONSERVAZIONE DEL PATRIMONIO
CULTURALE
Mauro Matteini
INSTM -VIII CONVEGNO NAZIONALE SULLA SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALI
Acicastello 26-29 Giugno 2011

LA SCIENZA PER I BENI CULTURALI
In poco più di 50 anni è venuta a svilupparsi una disciplina trasversale alle scienze
sperimentali, il cui obbiettivo è stato quello di applicare le competenze scientifiche
all’ambito dei Beni Culturali.
Prima di allora i BB.CC. erano tradizionalmente oggetto di un approccio conoscitivo
umanistico, che ne approfondiva il percorso storico e ne esplicitava i valori artisticoestetici.
Da allora, si è cominciato a prenderne in seria considerazione le realtà materiche
delle opere, le tecnologie di progettazione e costruzione, il comportamento fisico in
rapporto all’ambiente, i metodi di conservazione e restauro, le strategie anche di tipo
tecnologico per favorirne la fruizione e la valorizzazione.
In questa impresa le scienze sperimentali sono risultate indispensabili, si sono
specializzate configurando la nuova disciplina, e hanno fornito un contributo di
grande rilevanza.

Per la natura stessa dell’oggetto di studio, la chimica ha avuto, storicamente, un
ruolo dominante ne:
- lo studio della composizione materica delle opere;
- lo studio delle trasformazioni indotte dal degrado;
- la progettazione di nuovi materiali per il restauro e la conservazione;
Queste sono le tematiche che maggiormente hanno impegnato le competenze
chimiche in due ambiti importanti che riguardano i BB.CC:
- quello della CONOSCENZA FISICO-MATERICA;
- quello della CONSERVAZIONE
Ma in parallelo anche tutte le altre discipline sono state coinvolte e sono venute a
specializzarsi nel settore, dando vita a una fisica, una geologia, una biologia una
ingegneria per i BB.CC.; e più recentemente a l’ICT per i BB.CC.

Ecco uno schema in cui le diverse discipline interfacciano i diversi ambiti dei
BB.CC:
chimica
fisica
geologia
biologia
ICT
ingegneria
conoscenza datazione conservazione
fruizione
valorizzazione
sicurezza
salvaguardia
documentazione
archiviazione

CONOSCENZA
Diagnostica per la conoscenza dei materiali e delle tecniche di
realizzazione delle opere
XRD, XRF, FT-IR, SEM-EDS, GC-(Pyr)-MS, MicroRAMAN, NMR,
ecc.
Imaging: Radiografia,UV riflesso, UV fluorescenza, IR, IR falso colore,
Riflettografia IR, Scanner Multispettrali, ecc.
C 14 , Termoluminescenza, Dendrocronologia, ecc.

alizarina
imprimitura
preparazione
BOTTICELLI
‘La Primavera’ (1482)
studio della
tecnica pittorica
O
O
O
H
O
strati di Lacca di Garanza
H
Lacca di Garanza
dalla veste rossa
della Venere
fluorescenza UV

vernice esterna di
restauro a base di resina
mastice
Analisi FT-IR (1984) delle due vernici
della Primavera prima del restauro
patina interna
calcio ossalato naturale
CaC 2O 4
identificato per la prima
volta in un dipinto su tavola

MICHELANGELO
‘Il Tondo Doni’ (1506-1508)
studio della tecnica pittorica
test di colorazione blu della colla animale
nella preparazione, con AMIDO-BLACK
fluorescenza UV
che evidenzia i vari
strati preparatori
e di pittura

GIOTTO
La grande Croce dipinta di Santa
Maria Novella (Firenze) (1290)
3 2 1
Studio delle vernici vecchie e recenti in
fluorescenza UV al microscopio ottico
4
5
Sezione in fluorescenza UV

decorazione grigia su fondo rosso (XRF)
fluorescenza UV
amalgama grigia di mercurio e stagno
(SEM/EDS)
sottofondo di lacca rossa
luce riflessa
Studio delle
decorazione grigia della cornice
GIOTTO
Croce dipinta di Santa Maria Novella

PIERO DELLA
FRANCESCA
Storie della Vera Croce (1453-1466)
Scena dell’Annunciazione
Chiesa di San Francesco Arezzo
Studio della tecnica pittorica
dell’architettura sullo sfondo
mdiante Fluorescenza UV
Bianco di Calce
a fresco
UV
Bianco di Piombo
a tempera
UV
UV

CONSERVAZIONE
Diagnostica per lo studio del degrado

campionamento pustole indotte dal gesso
in sezione al M.O.
studio delle pustole che
disgregano la pittura
SEM/EDS mappa dello Zolfo
PIERO DELLA FRANCESCA
Storie della Vera Croce (1453-
1466)

sezione di un microframmento
dalla superficie
prima
VERROCCHIO
gruppo bronzeo
‘Cristo e San Tommaso’ (1466-1483)
Orsanmichele Firenze
dopo
CuC 2O 4.nH 2O Mooloite
Cu 2Cl(OH) 3 Atacamite
Cu 2O Cuprite +
Cu 2Cl 2 Nantokite
bronzo
Studio dei prodotti di alterazione
sulla superficie del bronzo
MO, FT-IR, XRD,
SEM/EDS,
Cromatografia Ionica

I ‘Quattro Santi Coronati’ (1408-1413)
di Nanni di Banco
gruppo marmoreo nella nicchia della
facciata nord di Orsanmichele prima del restauro

Analisi in MICROSCOPIA OTTICA e ELETTRONICA (SEM/EDS)
della falsa patina a imitazione del bronzo
Microscopia ottica 50x
luce normale, campo scuro
Microscopia ottica 50x
Fluorescenza UV
SEM/EDS 50x
Rosso = Zolfo
Verde = Calcio
rosso = Gesso
verde = calcio carbonato, marmo
verde scuro = calcio ossalato

immagine al SEM di una pustola.
Lungo la direzione della freccia
è stata effettuata un’analisi XPS
“La Porta del Paradiso” del Battistero di Firenze
Bronzo dorato di Lorenzo Ghiberti (1425-1452)
sali e ossidi
all’interfaccia
Studio del degrado
tre pustole in una ripresa macro.
una è stata aperta per prelevare i sali.

CONSERVAZIONE
Intervento: studio di materiali e metodi per l’intervento conservativo

Rimozione della patina artificiale
a imitazione del bronzo
mediante laser
Interventi coordinati dal Dott. Salvatore Siano del
Istituto di Fisica Applicata “Nello Carrara” IFAC-CNR
I ‘Quattro Santi Coronati’ (1408-1413)
di Nanni di Banco

Formelle delle
“Storie di Giuseppe”
e della “ Creazione”
Rimozione selettiva dei prodotti di
corrosione mediante complessazione in
bagno a pH neutro di Sale di Rochelle

RICONVERSIONE DEL BIANCO DI PIOMBO OSSIDATO
viraggio
della Biacca
riconversione
in laboratorio
reazioni di riconversione 1974 - 1975
+IV
PbO 2
biossido di Piombo
(bruno cioccolata)
PbAc 2
acetato
di Piombo
+ H 2 O 2 + 2 HAc
(130 vol)
4,6%
1 %
Pb2 Ac2 (OH) 2
idrossi-acetato
di Piombo
H 2O CO 2
Biacca +
Ocra Rossa
Biacca +
Terra Verde
+II
PbAc2 acetato
di Piombo
Biacca
o
Biacca +
Smaltino
1
2
3
Biacca +
Terra di siena
+ O 2 + 2 H 2O
Pb 3 (CO 3) 2 (OH) 2
idrossi-carbonato
di Piombo
Biacca

Alessio Baldovinetti
Cappella del Cardinale del Portogallo (1466 - ?)
Chiesa di S.Miniato - Firenze
riconversione
di biacca + Azzurrite

ignoto del XVII sec.
Castello di Strechau - Austria
dettaglio al centro lasciato
senza riconversione
riconversione
del Bianco ossidato

CONSOLIDAMENTO E DESOLFATAZIONE DEGLI AFFRESCHI
COL METODO DELL’IDROSSIDO DI BARIO
È il “capostipite” dei metodi d’intervento e fu ideato da Enzo Ferroni e
Dino Dini alla fine degli anni ’60.
desolfatazione Trasformazione del gesso in solfato di bario insolubile (e carbonato di calcio)
(NH 4) 2CO 3 + CaSO 4 (NH 4) 2SO 4 + CaCO 3
ammonium
carbonate
(soluble)
gypsum
(scarcely
soluble)
ammonium
sulphate
(soluble)
calcium
carbonate
(insoluble)
Ba(OH) 2 + (NH 4) 2SO 4 BaSO 4 + 2 NH 3 + 2 H 2O
barium
hydroxide
(soluble)
ammonium
sulphate
(soluble)
barium
sulphate
(very insoluble)
consolidamento Carbonatazione spontanea dell’idrossido di bario in eccesso in bario carbonato
con effetto consolidante
Ba(OH) 2 + CO 2 BaCO 3 + H 2O

Due esempi di straordinaria qualità,
con risultati di alta durabilità
Crocifissione Beato Angelico
Capitolo di San. Marco (Firenze)
trattata nel 1969
Crocifisso Beato Angelico
Chiostro di San. Marco (Firenze) trattata nel 1970

PROTEZIONE/PASSIVAZIONE CON AMMONIO OSSALATO
È un metodo innovativo di protezione dei manufatti lapidei calcarei (inclusi affreschi)
(M.Matteini, S.Giovannoni, A. Moles) basato sulla passivazione della superficie ottenuta
per mezzo della moderata trasformazione del CaCO 3 in calcio ossalato (CaC 2O 4 )
CaCO 3 + (NH 4) 2C 2O 4 CaC 2O 4 + 2NH 3 + H 2O + CO 2
calcium
carbonate
0,00
-0,50
-1,00
-1,50
-2,00
-2,50
-3,00
-3,50
-4,00
ammonium
oxalate
calcium
oxalate
Logarithm of Molar Solubility
CaSO 4.2H 2O
CaC 2O 4.H 2O
CaCO 3
ammonia water
-4,50
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0 13,0 14,0
pH
carbon
dioxide

“Eterno Padre” di Baccio Bandinelli (1556) - Santa Croce Firenze
(Dopo pulitura e protezione con AmOx - 2000)

Facciata graffita del XV secolo Palazzo
Barbolani Montauto - Firenze
Dopo pulitura e protezione con AmOx
(2000).

CONSOLIDAMENTO MEDIANTE FOSFATI AMMONICI
E’ la linea più recente nel campo dei consolidanti minerale-inorganici,
direttamente derivata dal metodo dell’Ossalato di Ammonio,
Estremamente promettente.
Sviluppata a partire dal 2006 (M. Matteini, G. Botticelli, F. Fratini e S. Rescic).
10CaCO 3
calcium
carbonate
Vantaggi:
+
6(NH4 )H2PO4 di-ammonium
phosphate
soluble
→
Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2
calcium phosphate
(HydroxyApatite)
very insoluble
+
6 NH 3
ammonia
gas
+
8H 2 O
- concentrazione potenzialmente molto superiore (fino a 50%) rispetto a quelle del
“Bario”(5%) e dell’”ossalato di ammonio”(5%);
- totale assenza di tossicità;
- solubilità bassissima dell’idrossiapatite (Ksp=5,5.10 -117 )
water
gas
10CO 2
carbon
di-oxide
gas

RA (resistance to abrasion)
200,00
180,00
160,00
140,00
120,00
100,00
80,00
60,00
40,00
20,00
0,00
RESISTANCE TO ABRASION
RA = n stabr/wl
——
——
not treated
Am Phosphate 5%
—— Am Phosphate 15%
——
Barium Hydroxide 5%
—— Am Oxalate 5%
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000
depth (m)

MONITORAGGIO
“diagnostica nel tempo
dell’evolversi delle
cause di degrado
per lo studio:
del progredire degli
effetti del degrado
della durata delle
prestazioni dei
trattamenti di restauro

Monitoring the state of conservation post-restoration (The David by Michelangelo)
The David during the monitoring campaign
U.V photographic
fluorescence of the back
of the statue
An extensive diagnostics campaign was carried out before restoration with the main aim of planning it.
It involved 8 CNR institutes, 7 Italian universities groups, the ENEA and the OPD.
After the restoration (completed on April 2004) a monitoring program immediately started
SMW08 International Workshop – ‘In situ monitoring of monumental surfaces’ – Florence, Italy 27-29 October 2008

COLOR MEASUREMENTS
SULPHATES MAPPING BY PORTABLE
EDXRF
ANALYSES OF CONTAMINANTS BY
PORTABLE FT-IR
UV FLUORESCENCE (photographic)
FLUORESCENCE IMAGING - FLIM
PARTICULATE DEPOSITS
Opificio delle Pietre Dure (Florence)
Laboratory of Physics
University of Lecce-Dpt. of Material Science
ISTM/CNR Institute of Molecolar Sciences
and Technologies,Perugia
Opificio delle Pietre Dure (Florence)
Laboratory of Physics
University of Milan -Politecnico, Dpt. of
Physics
Opificio delle Pietre Dure (Florence)
Laboratory of Physics

Monitoring the gilded bronze doors of Florence Baptistery (Project Baptistery)
In the case of the bronze doors of the Baptistery of Florence the decay
progress was monitored not directly on the monument but on bronze tiles
simulating the original alloys located on the front of the doors
South door North door
SMW08 International Workshop – ‘In situ monitoring of monumental surfaces’ – Florence, Italy 27-29 October 2008

Monitoring the gilded bronze doors of Florence Baptistery (Project Baptistery)
rain
condensation, deposit
stagnation
The bronze tiles simulating the original alloys.
The monitoring targets were two:
1) the study of the causes of decay ;
2) the decay progress
SMW08 International Workshop – ‘In situ monitoring of monumental surfaces’ – Florence, Italy 27-29 October 2008

environmental parameters monitored
alteration products on the bronze tiles
produced by both corrosion and
deposit, characterized by:
atmospheric T°C and R.H., contact T°C on the doors
atmospheric gas pollutants NOx, SO 2, NH 3, Cl 2
atmospheric particulate: concentration, composition
(water soluble fraction, organic solvent soluble fraction,
insoluble fraction)
micro-biological particulate
O.M., SEM/EDS, Ion Chromatography, XRD, FT-IR,
XPS, GC-MS
VIS-U.V. O.M., and SEM/EDS on cross section
micro-roughness, contact angle

Monitoring the behavior of protective treatments (Project ‘Ratto delle Sabine’
by Giambologna) (4)
T
T
N.T
N.T
monitoring areas
SMW08 International Workshop – ‘In situ monitoring of monumental surfaces’ – Florence, Italy 27-29 October 2008
T
N.T

Monitoring the behavior of protective treatments (Project ‘Ratto delle Sabine’
by Giambologna) (1)
The ‘Ratto delle Sabine’ when the monitoring areas where
to apply the coatings were decided
During a measurement of
‘water absorption capacity’
SMW08 International Workshop – ‘In situ monitoring of monumental surfaces’ – Florence, Italy 27-29 October 2008

COLOUR
(Spectro-colorimeter)
MICROMORPHOLOGY OF SURFACE
(Digital Macro Imaging)
MICRO-ROUGHNESS
(Laser Profilometer)
WATER ABSORPTION CAPACITY
(Contact Sponge Method)
ANALYSIS OF PARTICULATE DEPOSITED
ON THE SURFACE
(Ion Chromatography)
CHEMICAL CHARACTERIZATION OF
POSSIBLE ALTERATION OF THE COATINGS
(portable FT-IR)
IN SITU CHEMICAL CHARACTERIZATION OF
INORGANIC PRODUCTS DEPOSITED
(XRF)
ICR - Istituto Centrale del Restauro
(Rome) Laboratory of Physics
OPD - Opificio delle Pietre Dure
(Florence) Laboratory of Physics
INOA/CNR –National Institute of Applied
Optics
ICVBC/CNR Inst. For the Conservation and
Valorization of Cultural Heritage (Florence)
ICVBC/CNR Inst. For the Conservation and
Valorization of Cultural Heritage (Florence)
ISTM/CNR Institute of Molecolar Sciences
and Technologies,Perugia
ISTM/CNR Institute of Molecolar Sciences
and Technologies,Perugia