RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Tecniche innovative per la definizione dello stato di degrado nei metalli

Università di riferimento

Politecnico di TORINO - SCIENZA DEI MATERIALI E INGEGNERIA CHIMICA - ()

Responsabile dell'Unità di ricerca

Emma Angelini

Descrizione

L'unità Operativa del Politecnico di Torino (U.O. POLITO) è costituita da personale appartenente a due diversi dipartimenti: il Dipartimento di Scienza dei Materiali ed Ingegneria Chimica ed il Dipartimento di Elettronica con una combinazine di competenze tipiche del settore dei processi plasmochimici e del settore delle misure elettroniche. I due dipartimenti collaborano da molti anni in diversi settori in particolare, per quanto attiene questo progetto, la collaborazione ha portato alla realizzazione di uno strumento portatile per la misurazione dell'impedenza elettrica di interfacce elettrochimiche. I ricercatori del Dipartimento di Elettronica possiedono competenze specifiche di metrologia ed in particolare nel settore della misurazione di grandezze elettriche ed in questo ambito ha sviluppato diverse tecniche innovative per la misurazione dell'impedenza elettrica. I ricercatori del Dipartimento di Scienza dei Materiali ed Ingegneria Chimica effettuano da tempo ricerche sui problemi di corrosione di lungo periodo di manufatti metallici , partendo dalla simulazione del processo di degrado, alla modellizzazione ed alla proposizione di procedure di restauro e conservazione. Inoltre presso il Dipartimento di Scienza dei Materiali ed Ingegneria Chimica è stato recentemente realizzato un impianto pilota, multifunzionale ed estremamente versatile, che consente di effettuare sia trattamenti di deposizione di film sottili mediante sputtering (fisico e reattivo) assistito da campo magnetico, sia processi di deposizione di film SiOx mediante PECVD (Plasma Enhanched Chemical Vapor Deposition). L'impianto è costituito da una camera di caricamento a da una camera di processo ad elettrodi interni, paralleli ed asimmetrici, alimentati a radio frequenza (13.56 MHz).
Nell'ambito dell'attività presentata dal Coordinatore e riguardante l'applicazione di tecniche innovative per la valutazione dello stato di degrado dei manufati metallici, l'U.O. POLITO si occuperà, in prima istanza, della applicazione della spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS) alla valutazione delle caratteristiche di effetto barriera degli strati presenti sulle superfici di campioni di riferimento di natura microchimica e microstrutturale simile a quella dei reperti metallici per poi estendere la metodologia ottimizzata alla caratterizzazione dei reperti metallici reali provenienti dai siti di scavo scelti. I campioni di riferimento, leghe a base rame ed argento verranno prodotte dall'U.O. ISMN-CNR, mentre l'U.O. POLITO realizzerà mediante processi di deposizione per sputtering assistito da campo magnetico, campioni con spessori controllati di Au e Cu che verranno utilizzati dalle U.O. UNISAS e UNIROMA per le loro caratterizzazioni. I campioni di riferimento verranno invecchiati artificialmente presso l'U.O. POLITO e distribuiti alle altre U.O. per le valutazini delle altre tecniche proposte.
Presso l'U.O. POLITO verrà effettuata un'applicazione innovativa delle tecnologie al plasma per la caratterizzazione dello stato di degrado dei materiali metallici attraverso un'analisi spettroscopica quali-quantitativa UV-vis mediante spettroscopia di emissione ottica actinometrica, durante pre-trattamenti in plasma di idrogeno e durante i processi PECVD di deposizione di strati con effetto barriera sui campioni di riferimento e dopo ottimizzazione della tecnica sui reperti reali.
L'attività, programmata nell’arco dei due anni di durata del progetto, sarà articolata nelle seguenti cinque fasi nelle quali è prevista una totale sinergia tra le varie U.O.:
Fase I – Selezione dei manufatti metallici di interesse archeologico e storico-artistico; produzione dei campioni di riferimento
Fase II – Invecchiamento artificiale dei campioni di riferimento; applicazione di strati con effetto barriera mediante PECVD
Fase II - Valutazione mediante tecnologie al plasma dello stato di degrado dei campioni di riferimento; ottimizzazione della tecnica
Fase IV – Valutazione mediante spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS) dell'effetto barriera di strati superficiali presenti sui campioni di riferimento; ottimizzazione della tecnica
Fase V - Applicazione delle tecniche proposte ai manufatti metallici reali

FASE 1 (mesi 1-5)
Nel corso della prima fase del programma di ricerca sarà effettuata, in collaborazione con le altre unità operative, la scelta dei manufatti metallici di interesse archeologico e storico-artistico da analizzare con le tecniche innovative proposte dalle varie U.O..
Verranno scelti manufatti delle seguenti tipologie:
-Oggetti in leghe a base Cu ed Ag provenienti dal sito di Tharros di epoca fenicio-punica
- Oggetti di varie epoche della Soprintendenza ai beni artistici
- Oggetti in oro di epoca precolombiana
Verranno prodotti dall'U.O. POLITO campioni di riferimento a diverso spessore di Au e Cu mediante sputtering assistito da campo magnetico su substrati di Cu e leghe Au-Cu, con diverso grado di rugosità, che saranno in particolare oggetto della caratterizzazione dell'U.O. UNISAS. La deposizione verrà effettuata utilizzando un reattore plasmochimico a piatti paralleli asimmetrici alimentati con un generatore a radiofrequenza (13.56 MHz): l'elettrodo superiore ospita il target ed alcuni magneti esterni per l'intensificazione del bombardamento ionico ed il conseguente aumento della velocità di sputtering. Entrambi gli elettrodi possono funzionare da elettrodo RF ed alimentare il plasma. L'impianto, multifunzionale ed estremamente versatile, consente di effettuare sia trattamenti di deposizione di film sottili mediante sputtering assistito da campo magnetico, che processi di modificazione superficiale. Le deposizioni del film di Au saranno effettuate utilizzando un target (diametro 100 mm, spessore 6 mm) ad elevata purezza (99,99%). Saranno esplorati ampi intervalli di variazione dei seguenti parametri sperimentali: gas di scarica (AR e/o He), pressione di lavoro, potenza di alimentazione, distanza target/substrato, tempo di trattamento. Sarà valutato in modo particolare l'effetto di questi parametri sulla velocità di deposizione, sulla morfologia e sull'adesione del film. La velocità di deposizione sarà determinata ex-situ attraverso misure di spessore condotte mediante osservazione della sezione dei campioni al microscopio elettronico.
Verranno reperiti i campioni di riferimento di leghe a base Cu ed Ag prodotti presso l' U.O. ISMN-CNR con composizione chimica e struttura simile a quella dei reperti.

Fase II (mesi 4-12)
Al fine di poter testare ed ottimizzare le tecniche innovative di analisi del degrado proposte dalle varie U.O. su delle superfici simili a quelle dei reperti metallici, i campioni di riferimento verranno sottoposti ad invecchiamento accelerato:
-in camera climatica, sia nei suoli provenienti dai siti di scavo sia in atmosfera controllata con diversi rapporti temperatura-umidità ed in presenza di solfuri ad esempio per accelerare il tarnishin gnelle leghe d'argento
- con metodi elettrochimici.
Una serie di campioni invecchiati verranno sottoposti a restauro ed una serie di campioni verranno protetti mediante deposizione PECVD di strati con effetto barriera.
Verranno distribuiti alle altre U.O. i campioni di riferimento invecchiati e sottoposti a procedura di restauro e di protezione.

Fase III (mesi 9-14)
Durante i pre-trattamenti in plasma di idrogeno e durante i processi PECVD verrà condotta un'analisi spettroscopica quali-quantitativa UV-vis mediante spettroscopia di emissione ottica actinometrica, con Ar, He e Xe come actinometri; verranno studiate le principali specie emittenti e il loro andamento sarà correlato alle proprietà protettive degli strati naturali o creati artificialmente ed alla presenza di contaminanti.

Fase IV(mesi 10-18)
-Verrà valutato mediante spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS) l'effetto barriera di strati superficiali presenti sui campioni di riferimento prima e dopo l'invecchiamento, prima e dopo il restauro.
Le misure verranno effettuate con uno strumento portatile che, sviluppato dall'U.O. POLITO per la valutazione di strati ad elevata resistenza, verrà implementato per ampliarne l'intervallo di applicabilità.
Le misure verranno validate confrontandole con quelle ottenute con uno strumento di laboratorio.

Fase V (mesi 18-24)
- Effettuazione di misure del degrado su reperti metallici reali mediante tecnologie al plasma e spettroscopie elettrochimiche dopo l'ottimizzazione sui campioni di riferimento.