RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Tecniche innovative per la definizione dello stato di degrado nei metalli

Università di riferimento

Consiglio Nazionale delle Ricerche - ()

Responsabile dell'Unità di ricerca

Gabriel Maria Ingo

Descrizione

Il progetto è basato sulla stretta collaborazione ed integrazione fra le Unità di ricerca (UdR) coinvolte che operano già da tempo sinergicamente nello studio delle proprietà dei materiali metallici a livello nano e microscopico e nello sviluppo ed impiego di avanzate tecniche di indagine nano- e micro-diagnostica.
Gli stessi Centri operano in collaborazione anche nello studio di materiali metallici e ceramici, con lo scopo di caratterizzare lo stato di degrado e di individuare i possibili agenti e meccanismi di deterioramento.
L'impiego di avanzate tecniche di indagine e le competenze acquisite dai proponenti nel campo dello studio di innovativi materiali micro e nanostrutturati può infatti fornire un contributo fondamentale anche per l'individuazione di nuovi elementi diagnostici non macroscopici di manufatti metallici utilizzati anticamente per produrre manufatti metallici (leghe base rame e argento).
Si sottolinea che tali elementi diagnostici su scala micro e nanometrica possono fornire dettagliate informazioni utili per l'individuazione di agenti e meccanismi degrado di cui si ignora la natura, l'origine e l’evoluzione.
Sulla base di tali considerazioni, obiettivo scientifico primario della ricerca è la conoscenza di agenti e meccanismi degrado operanti in leghe base rame e argento ed esso sarà perseguito migliorando la capacità di conoscenza attraverso l’uso di metodologie diagnostiche di indagine nano e micro-chimica-fisica-strutturale e di superficie finora impiegate con successo quasi esclusivamente per lo studio e l’ottimizzazione dei moderni materiali avanzati di interesse tecnologico.
Tali metodologie fra cui possono essere ricomprese XPS, AES, SAM, FEG-SEM-EDS, AFM e XRD, opportunamente adattate nel corso del progetto alle problematiche del degrado dei metalli (Ag e Cu e loro leghe), saranno utilizzate per condurre indagini non distruttive o micro-distruttive e permetteranno un avanzamento delle conoscenze nel settore del degrado dei metalli.
La descrizione del programma e dei compiti dell'UdR, gli obiettivi scientifici specifici della presente proposta progettuale ed i risultati attesi sono qui di seguito riportati secondo la seguente articolazione in fasi operative seriali e parallele:

FASE I
- Individuazione e selezione di metodologie avanzate d’indagine per la caratterizzazione chimico-fisica-strutturale di aree e volumi micro e nanometrici. In stretta collaborazione con le altre UdR del progetto, tale obiettivo sarà raggiunto mediante l’uso integrato di tecnologie strumentali avanzate installate presso ISMN-CNR fra le quali possono essere ricomprese XPS, AES, SAM, FEG-SEM-EDS, AFM e XRD. L'utilizzo delle suddette metodiche estenderà sia la possibilità di impiego di tecniche avanzate di indagine micro e nanometrica generalmente impiegate per lo studio dei materiali tecnologicamente avanzati sia di investigare con un dettaglio fino ad ora raramente raggiunto le specificità di manufatti metallici oggetto di differenti azioni di degrado che comprendono sia la formazione di prodotti di corrosione di leghe base Cu e Ag e sia la successiva loro interazione con fasi costituentti il contesto di "vita" delle leghe quali l'atmosfera salina (a cura del Poliecnico di Torino), il terreno e l'ambienti acquoso.
In tale ambito si prevede di utilizzare in modo combinato la spettroscopia fotoelettronica (XPS) sia risolta in angolo sia abbinata a sequenze di erosione ionica in modo da ricavare i profili di concentrazione degli elementi (anche a basso numero atomico) presenti sia nei primi monostrati atomici sia a profondità dell'ordine dei 300-400nm. Tali informazioni saranno poi confrontate con i risultati morfologici ottenuti mediante microscopia a forza atomica (AFM) e microscopia a emissione di campo ad elevata risoluzione spaziale (FEG-SEM con elettroni secondari e retrodiffusi) abbinata ad analisi a dispersione di energia (EDS) in modo da ottenere una ricostruzione tridimensionale strutturale e chimica di superfici affette da degrado. Tali informazioni saranno infine confrontate e discusse con le risultanze ricavate dalle altre UdR che con metodiche complementari p.es. le tecniche elettrochimiche o l'indagine XRD a basso e alto angolo, hanno studiato gli stessi materiali di riferimento.

FASE II
- Ottimizzazione e/o modifica delle configurazioni strumentali di tecniche di indagine convenzionali per il rilevamento di segnali “deboli” provenienti da micro e nano aree e volumi con finalità diagnostiche utili alla definizione di agenti e meccanismi di degrado. In tale ambito si prevede di investigare i limiti strumentali delle suddette tecniche e di variarne i parametri per ricavare informazioni qualitative utili all'identificazione di micro e nano osservabili in grado di identificare processi di degrado ancora ai primi stadi. Ad esempio, si intende variare in modo sistematico il potenziale di accelerazione degli elettroni del fascio primario impiegati in microscopia elettronica per l'emissione delle caratteristiche radiazioni X (EDS). In tal modo sarà variata la profondità di informazione (volume di iterazione degli elettroni e relativo volume di orduzione dei raggi X) dai primi 300-400 nm a circa un micron e quindi, potrebbero essere ricavati "profili" di concentrazione da confrontare con i risultati ricavati sia dalla presente UdR che dalle altre UdR coinvolte;
- applicazione di tecnologie strumentali avanzate quali XPS, AES, SAM, FEG-SEM-EDS, AFM e XRD per l’individuazione di elementi diagnostici specifici e distintivi su micro e nanoscala in metalli soggetti a fenomeni di degrado e definizione dettagliata di oggettivi parametri identificativi su scala micro e nanoscopica.

FASE III
- Produzione di materiali di riferimento con peculiari caratteristiche tali da fungere come strumento di validazione dell’approccio diagnostico sopra descritto, attività che sarà condotta in stretta collaborazione con le altre UdR del progetto.
In particolare, ISMN-CNR prevede di produrre leghe metalliche base rame e base argento (non reperibili commercialmente) caratterizzate da una composizione chimica e da caratteristiche strutturali simili a quelle antiche e di cui se ne determinerà la natura morfologica, chimica e strutturale secondo l'approccio sperimentale-diagnostico sopra descritto.
Tali leghe saranno infatti sottoposte a mirate azioni di degrado combinate e accelerate simulanti quelle vissute da un manufatto metallico per poter disporre di materiali degradati di riferimento sia per la propria attività di studio e di ricerca sia da distribuire alle altre UdR.
L'attività è finalizzata a produrre materiali di riferimento caratterizzati dalla presenza di prodotti di corrosione di natura e spessore noto che in seguito anche a trattamenti in contesti archeologici (suolo) o ambienti di "vita" di un manufatto sviluppano prodotti di degrado con la partecipazione dei componenti p.es. del terreno (Cl, Si, P, S etc.) e quindi, permetterano di produrre materiali di riferimento dalle caratteristiche morfo-strutturali note.
In tale ambito, saranno prodotti in collaborazione con il Politecnico di Torino anche materiali di riferimento (base Cu e Ag) rivestiti da sottili strati di Ag e Au, rispettivamente di spessore variabile da 1 a 10 microns e rugosità dell’interfaccia variabile tali da permettere la messa a punto di tecniche capaci di misurare lo spessori di film metallici sottili (a cura dell'UdR Università di Sassari) mediante materiali di riferimento attualmente non disponibili;

FASE IV
- Validazione del sopra descritto approccio diagnostico-sperimentale in stretta collaborazione con le altre UdR del progetto.
Tale validazione verrà dapprima effettuata su materiali moderni (leghe base rame e base argento prodotte dall’ISMN nell’ambito del progetto PRIN e non reperibili commercialmente) con composizione chimica e caratteristiche strutturali simili a quelle antiche che siano stati sottoposti a processi di degrado accelerati simulanti quelli vissuti da un manufatto metallico. Successivamente la validazione sarà condotta su alcuni selezionati manufatti metallici antichi caratterizzati da natura e prodotti di degrado differenti.

FASE V
- Disseminazione dei risultati. Durante tutto il progetto sin da quando saranno prodotti i primi risultati significativi la diffusione dei risultati sarà un impegno che sarà perseguito in stretto contatto con le altre udR coinvolte.