RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Indagine sugli effetti di interventi di Laser Cleaning/Ablation su materiali di interesse storico/culturale

Università di riferimento

Università degli Studi di LECCE - FISICA - LECCE(LE)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Maria Luisa DE GIORGI

Descrizione

Nel Dipartimento di Fisica dell'Università di Lecce si è consolidata nel corso degli anni passati un'attività di prestigio a livello internazionale nel campo dell'ablazione laser. L'attività scientifica svolta si basa essenzialmente sulle tematiche della deposizione di film sottili e di nanostrutture per ablazione laser e del trattamento di materiali con laser, nonchè della caratterizzazione morfologica, strutturale ed ottica dei film prodotti. Accanto a questa, si è sviluppata un'attività di diagnostica dell'emissione ottica della piuma di plasma prodotta dall'interazione laser-targhetta durante il processo di ablazione ed ablazione reattiva con laser. In particolare, mediante spettroscopia ottica in emissione (LIBS) risolta nel tempo e nello spazio ed imaging, è stato condotto lo studio della composizione del plasma, della sua evoluzione sia nello spazio (a diverse distanze dal target) che nel tempo (a diversi ritardi dall'arrivo dell'impulso laser sul target) per avere utili informazioni sulla cinetica delle specie presenti nel plasma e sui meccanismi di formazione dei composti. Recentemente la LIBS e' stata applicata alla diagnostica di opere d'arte, collaborando con il Museo "S. Castromediano" di Lecce. Gli studi di fattibilita' effettuati sono documentati in lavori scientifici sottomessi a riviste internazionali del settore. In particolare, e' stata determinata la composizione della lega metallica di un cannone ritrovato nei fondali marini vicino S. Cataldo (Lecce) attraverso l'identificazione delle emissioni atomiche caratteristiche provenienti dallo strato superficiale del pezzo di artiglieria. Un'analisi comparativa degli spettri ottici in emissione registrati prima e dopo il restauro del cannone ha dato prova della sua avvenuta pulitura mediante tecniche tradizionali di restauro e ha mostrato come la LIBS possa essere utilizzata come un'utile strumento di diagnostica per la verifica dell'efficacia del restauro di opere d'arte. La tecnica LIBS e' inoltre stata utilizzata per determinare la composizione delle differenti parti componenti il busto di S. Gregorio Armeno, della diocesi di Nardo' (Lecce). Le analisi hanno provato che tutti i pezzi erano coperti da strati sporchi ricchi di calcio e facilmente rimovibili per ablazione laser. Le indagini fatte hanno mostrato un risultato inatteso: lo strato decorativo della stola era stato realizzato in oro e non in ottone, come supposto dagli esperti del settore. Esistono, pertanto, in sede, le competenze in grado di gestire un progetto quale quello delineato di seguito e la strumentazione con cui svolgere l'attività proposta. L'attività di ricerca che si intende sviluppare e' tesa al trattamento di campioni di diversi materiali che afferiscono all'ambito storico-artistico mediante tecniche non convenzionali (ablazione laser) e all'analisi del plasma prodotto durante l'irraggiamento laser mediante la tecnica LIBS per raggiungere una migliore comprensione del fenomeno. L'obiettivo finale del progetto sarà quello di fornire agli operatori del settore (restauratori) una base tecnico-scientifica per la scelta delle migliori condizioni degli interventi di laser cleaning da seguire. In particolare, l'attività si svilupperà attraverso i seguenti stadi: - individuazione di materiali di particolare interesse storico-culturale - adeguamento della strumentazione di cui dispone il Laboratorio di Fisica delle Radiazioni nel Dipartimento di Fisica dell'Università di Lecce - esecuzione dei trattamenti di ablazione sui campioni individuati in diverse condizioni sperimentali per rimuovere i prodotti dell'inquinamento - utilizzazione della tecnica LIBS per il monitoraggio dell'intervento sul campione - studio delle caratteristiche dei campioni trattati in funzione dei parametri sperimentali La prima fase del progetto, che consiste nell'individuazione dei materiali di interesse storico-culturale da sottoporre a trattamento di pulitura con il laser, sarà effettuata dal gruppo degli afferenti al Dipartimento dei Beni Culturali. La selezione dei materiali sarà opportunamente concordata con gli organi preposti alla tutela dei Beni Culturali. In base alle diverse tipologie di materiali da trattare i ricercatori afferenti al Dipartimento di Fisica adegueranno la strumentazione già presente nel Laboratorio di Fisica delle Radiazioni. La seconda fase del progetto rappresenta quella esecutiva in cui si effettueranno i trattamenti di ablazione e di pulitura con il laser e si utilizzerà la tecnica della spettroscopia ottica in emissione per controllare i processi e verificare l'esito del trattamento e/o della pulitura. Per questo, si renderà necessario programmare un lavoro sistematico riguardo al processo d'interazione fra il fascio laser incidente ed i materiali sottoposti all'irraggiamento. Coadiuvando le competenze degli afferenti al Dipartimento di Beni Culturali con il know-how dei ricercatori del Laboratorio di Fisica delle Radiazioni, si prenderanno in considerazione più set di campioni: (i) campioni non trattati da considerare come campioni di riferimento, (ii) campioni sporcati e/o invecchiati artificialmente, (iii) campioni sporcati naturalmente. In questo modo sarà possibile interpretare i risultati mediante comparazioni tra campioni non trattati e trattati in modo artificiale o naturale. Inoltre i trattamenti di ablazione sui campioni saranno eseguiti in diverse condizioni sperimentali, cambiando opportunamente i parametri caratteristici del trattamento laser (lunghezza d'onda della radiazione laser, frequenza degli impulsi, fluenza laser, ecc.). Per l'ablazione/pulitura sarà utilizzato un laser ad eccimeri nell' UV impulsato, con impulsi della durata di circa 20 ns. La possibilità di usare un laser multigas, funzionante con diverse miscele, permetterà di studiare il processo di interazione laser-manufatto a diverse lunghezze d'onda (l = 308 nm per il laser XeCl, l = 248 nm per il laser KrF, l = 193 nm per il laser ArF). La fluenza del fascio laser, cioe' l'energia per unità di superficie del campione, e' un altro rilevante parametro di processo. L'aumento sistematico della fluenza laser consentirà l'individuazione di un'eventuale soglia di danneggiamento dell'opera d'arte e la determinazione dell'intervallo di valori adeguati al processo di pulitura. Risulta infine interessante analizzare come sul meccanismo di pulitura incide la frequenza di ripetizione del laser ed il numero di impulsi. Il processo di ablazione/pulitura sarà controllato sistematicamente mediante la tecnica di spettroscopia LIBS. Tale tecnica permette di individuare le specie chimiche che caratterizzano lo strato di materiale da rimuovere (ad esempio il calcio che uno degli elementi inquinanti più frequentemente registrati su strati sporchi, incrostazioni, ecc.) mediante l'identificazione delle linee di emissione della specie chimica considerata negli spettri di emissione che caratterizzano il plasma prodotto per effetto dell'interazione del fascio laser con la superficie del campione. Il controllo in tempo reale dell'intensità delle linee individuate permetterà di monitorare il processo di pulitura in corso, di fornire un'indicazione dei tempi di trattamento e di verificare l'esito dell'intervento. Lo studio delle caratteristiche dei campioni trattati in funzione dei parametri sperimentali permetterà quindi la determinazione dei parametri ottimali alla rimozione dello strato superficiale mediante la pulitura con fasci laser. Pertanto, da un'attenta analisi e da un accurato studio dei risultati sperimentali ottenuti nella seconda fase del progetto, si potrà procedere ad una dettagliata classificazione dei materiali e degli interventi da eseguire sul singolo materiale in modo da organizzare una base tecnico-scientifica per la scelta delle migliori condizioni da seguire. Il progetto che si intende sviluppare, le cui linee sono state tracciate, e' di grande attualità e di notevole rilievo soprattutto per la sua interdisciplinarietà. Esso permetterà di implementare le conoscenze relativamente all'interazione dei fasci laser con la materia ed in particolare con i singoli materiali d'interesse storico-culturale (quali pigmenti, pietre, marmi, metalli, carta…). Tali conoscenze stimoleranno la promozione di un dibattito scientifico finalizzato alla comprensione dei fenomeni di sperimentazione e applicazione di nuovi metodi di indagine e di intervento sui manufatti, incrementando l'interesse anche all'interno del corso di Laurea di Beni Culturali e del corso di Laurea Interfacoltà in "Tecnologie per i Beni Culturali". Il trasferimento delle conoscenze e delle competenze attraverso l'addestramento di personale a contratto destinato a questo specifico programma rappresentera' un ulteriore valore aggiunto del progetto. I risultati della ricerca ottenuti saranno comunicati e divulgati attraverso i soliti canali: pubblicazioni scientifiche, contributi a Conferenze nazionali ed internazionali, seminari, ecc. per garantire il trasferimento delle conoscenze sin dall'inizio del progetto in nuovi prodotti e servizi.