RICERCA ITALIANA     

RECUPERO E CONSERVAZIONE DEI BENI ARCHITETTONICI: MATERIALI NANOSTRUTTURATI E TECNOLOGIE INNOVATIVE

Università degli Studi di Palermo

Abstract

Il programma di ricerca proposto ha come obiettivo la preparazione e sperimentazione di materiali nano e microstrutturati quali nuovi prodotti per il restauro e la conservazione dei Beni Architettonici. La ricerca affronta, con le possibilità offerte dalle nanotecnologie, alcune delle problematiche legate alla conservazione dei Beni Architettonici nell'ottica dell'innovazione tecnologica e dell'interdisciplinarietà. L'obiettivo principale è quello di migliorare, attraverso l'uso dei micro-nanomateriali, le caratteristiche di affidabilità, compatibilità e durata nel tempo dei prodotti per il restauro e la conservazione.
L'applicazione delle NANOTECNOLOGIE può contribuire ad affrontare in maniera innovativa una serie di problematiche irrisolte sui temi della conservazione e della protezione dei materiali, sul consolidamento delle strutture dissestate, nonché a rivedere le attuali metodologie operative ed i prodotti esistenti sul mercato. Verranno trattati i seguenti temi di ricerca:

1. PRODOTTI NANOSTRUTTURATI PER IL CONSOLIDAMENTO DEI MATERIALI LAPIDEI PREVIA PULITURA
- Progettazione di nuovi sistemi "cleaning agents" funzionali al processo di pulitura che precede l'intervento di restauro dei manufatti lapidei.
- Progettazione e caratterizzazione dal punto di vista chimico-fisico, di sistemi nano-strutturati, costituiti da nano-particelle di idrossido di calcio, di carbonato di calcio, idrossido di bario ed ossalato di calcio opportunamente stabilizzate, da utilizzare come "long-term consolidant agents".
- Sintesi di polimeri ibridi nano-strutturati, basati su precursori epossidici e silicoalcossiderivati, atti al consolidamento di materiali lapidei deteriorati.
- Sperimentazione in laboratorio e sul campo dei materiali preparati.

2. MALTE DA RESTAURO NANOSTRUTTURATE
- Sviluppo e preparazione di campioni di malte carbonatiche ed idrauliche nano-strutturate mediante dispersione di composti inorganici allo stato nanometrico. Sperimentazione di nanoparticelle di carbonato di calcio, opportunamente stabilizzate, per ideare nuove tecniche di incollaggio.
- Sperimentazione in laboratorio e sul campo dei materiali preparati. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Alberto Sposito Università degli Studi di PALERMO

Obiettivo del Programma di Ricerca

Nell'ottica dell'interdisciplinarietà e dell'innovazione tecnologica questa ricerca ha l'obiettivo generale di affrontare, con gli strumenti derivanti dalle nano-microtecnologie, alcune delle problematiche legate alla conservazione dei Beni Architettonici. Il presente programma ha come fine ultimo quello di proporre al mercato, in sostituzione dei prodotti attualmente utilizzati, materiali innovativi meglio rispondenti alle esigenze del restauro dei Beni Architettonici.
In particolare, in relazione all'uso di materiali, di prodotti e metodi per il restauro conservativo, la ricerca proposta mira a migliorarne le caratteristiche di affidabilità, di compatibilità e durabilità attraverso la preparazione e sperimentazione in laboratorio e sul campo di materiali nanostrutturati.
Nell’ambito di tale obiettivo i partecipanti saranno sollecitati a:
- Studiare alcuni dei più rilevanti meccanismi di degrado che si manifestano nei materiali lapidei naturali.
- Studiare le attuali soluzioni e i prodotti esistenti sul mercato e individuare i requisiti dei nuovi materiali.
- Progettare nuovi sistemi "cleaning agents" micro- e nano-strutturati funzionali al processo di pulitura che precede l'intervento di restauro dei manufatti lapidei.
- Progettare, caratterizzare e stabilizzare, dal punto di vista chimico-fisico, sistemi inorganici nano-strutturati da utilizzare come "long-term consolidant agents".
- Sintetizzare polimeri ibridi nano-strutturati atti al consolidamento di materiali lapidei deteriorati.
- Sviluppare e sintetizzare malte carbonatiche ed idrauliche nano-strutturate finalizzate anche a sperimentare un nuovo incollaggio che interagisca con la calcite spatica spesso presente nelle superfici di fratturazione.
- Sperimentare in laboratorio e sul campo i materiali preparati, confrontando le risultanze con i prodotti esistenti sul mercato <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Dalla crisi energetica degli anni Settanta, decenni di elaborazioni culturali ci hanno abituato a trattare il patrimonio storico-artistico, considerando ovvio l'obiettivo della sua conservazione. L'esigenza di recuperare, conservare, restaurare e proteggere tale patrimonio ha portato all'impiego di adeguate tecnologie e metodologie operative. Ma osservando gli esiti degli interventi, che hanno comportato gravi danneggiamenti, se non l'intera perdita dei manufatti, e lo stato in cui versa gran parte di questo importante patrimonio, spesso ne constatiamo con allarme la precarietà. Da qui emerge l'esigenza di interventi conservativi meno invasivi, più cauti e consapevoli e più rispettosi della materia storica.

La cultura italiana di recente ha confermato l'idea che alla conservazione sono legate una complessità di operazioni. All'incontro internazionale di Palermo ‘La conservazione affidabile per il patrimonio architettonico’ (27-28 Sett. 2002) sono chiaramente emersi alcuni punti: 1) la conoscenza dei beni culturali è pluridisciplinare, essa richiede un APPROCCIO CONGIUNTO tra discipline antiche e di nuova istituzione, essa non può essere acquisita una volta per tutte, ma procede per gradi ed è continua nel tempo; 2) è necessario ricorrere alla locuzione PROCESSO CONOSCITIVO per indicare la sequenza di momenti che hanno fra loro in comune il fine della conoscenza e che possono avvenire con aggiornamenti anche nella fase della conservazione; 3) le risorse culturali hanno una loro fisicità e sono inserite in un contesto naturale e costruito che è in continuo cambiamento. Inoltre, per il fatto che il mondo esterno non è costituito da fatti indipendenti ma da fenomeni che si condizionano, dando luogo a vari scenari in movimento, bisogna considerare non la conservazione in sé, come uno stato finale, ma i PROCESSI CONSERVATIVI che variano nel tempo in funzione degli uomini, che diversamente interagiscono fra loro e con l'ambiente. In particolare è da segnalare che le discipline tecnologiche e quelle del restauro hanno contribuito ad interpretare l'assetto normativo più recente e a riflettere sulla conservazione, in termini di QUALITÀ, di RISCHIO TECNICO e di AFFIDABILITÀ degli interventi.

Per quanto riguarda la conservazione, un'altra strada, ancora da percorrere, è quella dei materiali di nuova generazione e dell'indagine tecnologica innovativa che può risultare più efficace e più affidabile: la strada delle nanotecnologie e dei nanomateriali. L'applicazione delle NANOTECNOLOGIE può contribuire ad affrontare in maniera innovativa una serie di problematiche irrisolte sui temi della conservazione e della protezione dei materiali, sul consolidamento delle strutture dissestate, nonché a rivedere le attuali metodologie operative ed i prodotti esistenti sul mercato, partendo dallo studio a scala nanometrica della materia da restaurare. Con il termine NANOTECNOLOGIE si fa riferimento ad un insieme di tecnologie, tecniche e processi atti a studiare, manipolare e caratterizzare la materia in una dimensione compresa tra 100 nanometri (nm) ed 1nm; ciò significa operare a livello molecolare, dal momento che 1nm è un milionesimo di millimetro. Le nanotecnologie puntano a sfruttare e ad applicare i metodi delle NANOSCIENZE per la produzione e l'utilizzazione di materiali, dispositivi e sistemi con dimensioni a livello molecolare, ottenendo prodotti con caratteristiche notevolmente migliori rispetto a quelli tradizionali o del tutto nuove in quanto le proprietà ed il comportamento della materia a livello nanometrico offrono l'opportunità per la realizzazione di strutture e dispositivi che operano in maniera radicalmente diversa rispetto a quelli con dimensioni macro.

A questo punto è naturale chiedersi quale sia lo stato dell'arte di tale settore tecnologico ed innovativo, in relazione alla conservazione del patrimonio architettonico. All'INTERNATIONAL CONGRESS OF NANOTECHNOLOGY, svoltosi dal 7 al 12 Novembre 2004 a San Francisco, ed al 2nd INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON NANOTECHNOLOGY IN CONSTRUCTION, svoltosi a Bilbao dal 13 al 16 Novembre 2005, dalle relazioni generali e dal confronto culturale fra le varie professionalità presenti, è emerso come le nanotecnologie costituiscano un'area di ricerca e di sviluppo multidisciplinare, che richiede la sinergia di scienziati, ricercatori, architetti, ingegneri meccanici ed elettronici, biologi, fisici e chimici. Tale traguardo si può raggiungere con la condivisione di attrezzature e di conoscenze nell'ambito di reti e gruppi di lavoro internazionali, nonché mediante la realizzazione di parternariati multidisciplinari di cooperazione tra il settore pubblico e quello privato. E' significativo rimarcare che le relazioni presentate hanno riguardato applicazioni in diverse aree tematiche, quali la nanobiologia, la nanomedicina e la nanoelettronica, ma in nessun contributo è stata proposta l'applicazione delle nanotecnologie al settore dei beni culturali. Di interesse, nel settore architettonico, solo alcuni trattamenti superficiali anti-usura ed autopulenti. In altri termini è del tutto evidente che ad oggi le nanotecnologie si presentano come un salto innovativo radicale; ma ancora non esistono applicazioni nei settori del recupero, del restauro e della conservazione dei Beni Culturali.

Il problema della conservazione del materiale lapideo naturale ed artificiale esiste da sempre, anche se oggi sembra più pressante. Infatti, molti monumenti, rimasti quasi inalterati per secoli hanno subito in pochi anni danni gravissimi a causa di fattori (fisici e chimici) naturali o legati all'intervento dell'uomo. I fattori fisici sono generalmente connessi al gelo-disgelo, umidificazione-essiccamento o alla cristallizzazione dei sali presenti nelle rocce. Il degrado legato a fattori chimici è, d'altro canto, divenuto sempre più importante. Infatti, oggi soprattutto nelle grandi città la varietà di inquinanti gassosi è così ampia che è praticamente impossibile studiarli tutti. Allorché i materiali litici sono tanto deteriorati da non poter essere consolidati, bisogna procedere alla loro sostituzione. Tra i materiali lapidei, naturali e artificiali, certamente le malte sono gli aggregati che presentano una vita più corta. Microstruttura (porosità e distribuzione dei pori) e proprietà chimiche sono certamente le cause del deterioramento delle malte rendendole suscettibili all'effetto particolarmente deleterio dei sali solubili.

L'esigenza di influire sulla cinetica e sugli effetti del degrado di materiali lapidei si è concretizzata in un'ampia mole di lavoro finalizzato, fra l'altro, a valutare l'efficacia, quali agenti conservanti, di una serie di prodotti già esistenti sul mercato. I prodotti sono convenzionalmente suddivisi in due grandi categorie: i CONSOLIDANTI e i PROTETTIVI. I consolidanti hanno il compito di migliorare sia la coesione tra i grani sia l'adesione tra le parti deteriorate e quelle ancora integre della pietra. L'obiettivo del trattamento protettivo è, invece, quello di proteggere lo strato superficiale della pietra, cioè lo spessore di materiale ove avvengono gli scambi gassosi tra il materiale litico ed i componenti dell'atmosfera; dove si realizza l'impatto di particelle solide trasportate dal vento; dove si esercita l'azione dilavante della pioggia battente. Un protettivo deve costituire una barriera nei confronti dell'acqua e degli inquinanti atmosferici, ma allo stesso tempo deve consentire la respirazione della pietra ossia la migrazione di gas e dell'acqua all'interno della sua struttura. Deve altresì essere caratterizzato da buone proprietà adesive per impedire all'acqua di distribuirsi tra lo strato polimerico e la superficie lapidea.

I composti chimici attualmente usati per la "conservazione" di superfici lapidee di interesse storico-artistico rispondono solo in parte ai suddetti requisiti e appartengono a due categorie: quelli contenenti silicio e i polimeri organici. Inerzia chimica, fotostabilità, termoresistenza e assenza di apprezzabili alterazioni cromatiche sono le caratteristiche essenziali dei materiali contenenti silicio mentre i vantaggi dei polimeri organici sono dovuti ad una temperatura di transizione vetrosa modulabile, una flessibilità strutturale, buone proprietà di adesione ed un certo grado di idrofobia, per cui non necessariamente il trattamento consolidante deve essere seguito dal trattamento protettivo. Gli aspetti negativi associati all'utilizzo di polimeri organici sono rappresentati da alterazioni cromatiche delle superfici trattate e perdita delle proprietà idrorepellenti. Le attuali strategie di sintesi, volte al miglioramento della stabilità fotochimica di questi materiali, prevedono l'introduzione di atomi di fluoro nei suddetti networks così come l'utilizzo di epossidi alifatici. Lo sviluppo di materiali e/o nuove metodologie conservative meglio rispondenti ai bisogni specifici di edifici e monumenti di interesse storico-artistico non ha ricevuto, ad oggi, il giusto impulso.

Un altro problema legato alla conservazione dei Beni Culturali riguarda l'uso di solventi a basso impatto ambientale per la rimozione di materiale dalla superficie del manufatto. Infatti, prima di effettuare gli interventi di restauro e conservazione è necessario rimuovere i contaminanti. Il processo di invecchiamento può provocare la depolimerizzazione o reazioni di cross-linking che rendono il materiale impiegato per il restauro essenzialmente insolubile. Nel passato, sono stati adoperati solventi organici molto aggressivi i quali presentano dei limiti dovuti alla loro tossicità e all'incompatibilità con il manufatto trattato. Pertanto, la scelta di sistemi solventi efficient and problem free costituisce uno degli obiettivi fondamentali nell'ambito del restauro dei Beni Culturali. E' evidente, quindi, che per la conservazione dei Beni Architettonici è indispensabile progettare nuovi sistemi da adoperare come cleaning agents per rimuovere il materiale inquinante e/o polimerico adsorbito dal manufatto lapideo e long-term consolidant agents per ripristinare le originarie caratteristiche chimiche e fisiche del manufatto stesso. Entrambe le richieste trovano un denominatore comune nella Chimica-Fisica dei Sistemi Colloidali e delle Interfasi che fornisce risposte univoche e puntuali riguardanti sia il processo di solubilizzazione di sostanze indesiderate sia la progettazione di nuovi materiali funzionali alla conservazione del Bene Architettonico.

Per quanto riguarda la progettazione di sistemi cleaning agents, i tensioattivi hanno caratteristiche promettenti al fine di un loro uso per i manufatti lapidei. La loro natura anfifila (una testa polare ed una catena idrofoba) consente loro di formare in soluzione acquosa diversi tipi di strutture nano-aggregate, quali monostrati, micelle, doppi strati, cristalli liquidi, ecc. Recentemente, si sta assistendo ad un crescente interesse verso nuove classi di tensioattivi macromolecolari che per la loro natura chimica differiscono da quelli classici tradizionalmente studiati e risultano essere a basso impatto ambientale. Una peculiarità delle soluzioni acquose di tensioattivi è la loro capacità di aumentare la solubilità in acqua di sostanze organiche scarsamente solubili. Inoltre, essendo caratterizzati da un elevato rapporto superficie/volume, essi presentano un'elevata area di contatto con la superficie del Bene Architettonico facilitando la rimozione del materiale indesiderato (inquinante, vecchio consolidante, ecc.).

Al fine di progettare nuovi materiali funzionali alla conservazione dei Beni Culturali sono state seguite diverse strategie che hanno fatto uso tipicamente di sistemi a base di silicio e di polimeri organici. Solo di recente è stata presa in considerazione la possibilità di utilizzare per queste applicazioni materiali nanostrutturati, costituiti da particelle di dimensioni inferiori ai 100 nm. E' da sottolineare che i nanomateriali hanno proprietà chimico-fisiche uniche e notevolmente differenti dai sistemi di eguale natura chimica ma di dimensioni macroscopiche. Questo suggerisce che il loro impiego possa dare un notevole impulso all'innovazione dei processi e dei prodotti anche nell'ambito dei Beni Culturali, rendendo l'intervento sul manufatto storico-artistico meno invasivo, più compatibile, affidabile e duraturo. Ciò in quanto, rispetto ai materiali tradizionali, le nanoparticelle sono tipicamente caratterizzate da una elevata area interfacciale, penetrabilità, viscosità, compatibilità, conducibilità termica, ecc., tutte proprietà che possono consentire di risolvere problematiche legate al rigetto dell'intervento effettuato o alla presenza di nuovi prodotti che contribuiscono all'ulteriore degrado dei sistemi trattati. <<<