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Fisica per i Beni Culturali

In breve

Il progetto è dedicato allo studio di reperti di interesse storico-artistico tramite strumentazione avanzata, un approccio integrato fornendo una combinazione di strumentazione portatile, consolidata esperienza nell’utilizzo di Large Scale Facilities ed innovativi metodi di analisi tramite statistica multivariata e machine learning.

Qual è la ricetta di preparati e medicamenti utilizzati in epoche passate? In che modo antichi popoli forgiavano il metallo? Esistono nuove chiavi per l’autenticazione di un’opera d’arte tramite il machine learning? È possibile identificare i fingerprints di un colore naturale?

Queste sono solo alcune delle domande alle quali il Laboratorio di Fisica per i Beni Culturali vuole dare una risposta seguendo un approccio scientifico tramite indagini archeometriche. Poiché l’utilizzo di una singola tecnica fornisce specifiche informazioni parziali riguardo alla totalità dell’oggetto studiato, risulta di successo un approccio integrato tramite l’utilizzo di più tecniche e l’utilizzo di metodi innovativi di analisi per l’interpretazione dei dati.

Il Laboratorio di Fisica per i Beni Culturali presso il CREF è dedicato allo studio di reperti di interesse storico-artistico tramite strumentazione avanzata ed un approccio integrato per la soluzione di problematiche di carattere archeologico e conservativo. Il laboratorio vuole fornire una combinazione di strumentazione portatile e consolidata esperienza nell’utilizzo di Large Scale Facilities Europee attraverso programmi di accesso a strumentazione avanzata di neutroni e radiazione di sincrotrone.

Il laboratorio ha attualmente a disposizione strumentazione portatile per analisi integrate di fluorescenza a raggi X (ED-XRF), spettroscopia Raman e spettroscopia infrarossa in trasformata di Fourier (FTIR) in trasmittanza ed assorbanza di cui si è proceduto all’installazione e collaudo nel corso dello scorso anno. È quindi iniziato a pieno ritmo il lavoro di testing, la pianificazione e realizzazione di campagne di misura su oggetti di interesse storico-artistico in collaborazione con Musei, Università ed Enti di Ricerca.

Di seguito sono presentate le principali attività di ricerca e collaborazioni in corso portate avanti nel periodo di riferimento.

Studio sistematico di pigmenti e leganti e loro interazione. Lo studio prevede attività sperimentali seguite da statistica multivariata e machine learning per l’analisi di dipinti e trattamenti superficiali. Il laboratorio ha lavorato alla costituzione di un database per pigmenti organici e inorganici tramite la strumentazione portatile a disposizione e sta intraprendendo lo studio dei limiti di rivelazione delle macchine nonché lo sviluppo di nuove procedure di analisi tramite l’utilizzo di statistica multivariata e machine learning. Lo studio fornisce la base per eventuali analisi di dipinti con particolare attenzione al ben noto pittore Michelangelo Merisi detto il Caravaggio.

Tre studi riguardo ad ossa combuste. Il primo studio, portato avanti nell’ambito del progetto ISIS@MACH, riguarda resti ossei provenienti dal ritrovamento dell’Ipogeo delle Ghirlande, uno straordinario sito sepolcrale di epoca romana risalente al I-II secolo d.C. e scoperto nel 2000 a Grottaferrata (Roma). Il sito comprende due sarcofagi di Aebutia Quarta e Carvilius Gemellus, che recano un sigillo originale e resti combusti. I resti di Aebutia Quarta mostrano tracce di possibile combustione delle ossa, associata ad una probabile deformazione termica. Le analisi – effettuate e lo studio tuttora in corso eseguito tramite spettroscopia vibrazionale – stanno fornendo risultati significative. Un secondo studio, attualmente nella sua fase finale, sta analizzando la struttura cristallina di materiali ossei in funzione della temperatura e delle condizioni di combustione, in particolare in contesti anaerobici. Un terzo studio affronta la problematica delle contaminazioni da mercurio nelle ossa ad opera del cinabro.

Fig. Spettro di fluorescenza a raggi X di pigmenti minerali
Fig. Reperti in studio nell’ambito delle attività del laboratorio di Fisica per i Beni Culturali. a) farmacia portatile, b) vaso egizio.

Il cinabro è un minerale naturale, composto da solfuro di mercurio (HgS), il quale veniva estratto ed utilizzato come pigmento rosso in pitture per il corpo e ceramiche, nella produzione di gioielli e nei trattamenti medicinali. Il mercurio contenuto nel cinabro può essere assorbito per ingestione o attraverso la pelle e può accumularsi nelle ossa. Qui viene utilizzata la spettroscopia neutronica per lo studio del livello di mercurio in resti provenienti dalla grotta di Spaccasasso sui Monti dell’Uccellina (Alberese – Grosseto, Toscana, Italia). Il sito risale dalla fine del IV agli inizi del III millennio a.C. e dopo lo sfruttamento minerario fu utilizzato per pratiche funerarie.  Sono diverse le domande archeologiche riguardanti gli individui qui ritrovati in attesa di risposta in particolare riguardo al coinvolgimento delle popolazioni circostanti nell’estrazione mineraria.

Studio in collaborazione con il Museo di Medicina di Sapienza Università di Roma, con la partecipazione della Dott.ssa Miriam Focaccia. Lo studio riguarda le farmacie portatili del XVII e XVIII secolo. Le attività mirano a comprendere la farmacologia e le farmacopee nonché le formulazioni di antichi preparati e medicamenti. È stato adottato un approccio multidisciplinare che combina la caratterizzazione chimico-fisica con l’informazione storico-scientifica e la contestualizzazione culturale.

Studio di affreschi quattrocenteschi coordinato dall’AiAR (Associazione Italiana di Archeometria). Lo studio riguarda un ciclo di affreschi della Chiesa di San Panfilo a Tornimparte (AQ, Italia) realizzato da Saturnino Gatti (1491-1494), allievo del Verrocchio, e dai suoi collaboratori. Le analisi sono in corso attraverso un approccio archeometrico. In particolare, il laboratorio fornisce competenze e strumentazione portatile per indagini in situ.

Fig. Studio tramite di resti ossei tramite spettroscopie vibrazionali.

Collaborazione avviata di recente con la Pontificia Università Gregoriana di Roma per lo studio degli inchiostri e della carta antichi. Lo studio si propone di applicare tecniche non invasive e non distruttive riguardanti inchiostri e carta conservati nella biblioteca dell’Istituto.

Studio nel campo della ricerca numismatica e ceramica in collaborazione con il Dipartimento di Scienze dei Beni Culturali dell’Università degli Studi di Salerno”. Anche questo studio è stato avviato di recente.

Pontificia Università Gregoriana di Roma per lo studio degli inchiostri e della carta antichi. Lo studio si propone di realizzare tecniche non invasive e non distruttive riguardanti inchiostri e carta conservati nella biblioteca dell’istituto.

Finalizzazione delle analisi dei dati relativi alle campagne di misura effettuate presso il Museo Egizio di Torino e il Museo Archeologico di Lilibeo su materiali dell’Antico Egitto e di età Punica, con particolare attenzione ad alabastri, metalli, ceramiche e vetri, con l’obiettivo di migliorare la conoscenza sulle modalità di realizzazione e sul loro stato di conservazione.

Sono inoltre in corso attività di ricerca nell’ambito del dottorato in archeologia dell’University College London (UCL) in collaborazione con il CSIC- Consejo Superior de Investigaciones Científicas in Galizia per lo studio di manufatti in metallo dell’età del bronzo conservati presso il British Museum di Londra.

Nel periodo di riferimento sono state portate avanti attività di outreach come riportato di seguito.

Attività di divulgazione riguardo allo studio delle policromie tramite il Progetto “Invisible Colours – i colori, la fisica e l’archeologia”. In particolare, è stata curata la realizzazione di un evento divulgativo svoltosi online a dicembre 2020 che ha visto la partecipazione di scuole e studenti riscuotendo successo e partecipazione.

Per quanto riguarda le attività di divulgazione scientifica, il CREF ha ricevuto un finanziamento dalla Regione Lazio per il progetto VEROSH – Virtual ExploRation Of Science History per lo sviluppo di un’esperienza di realtà immersiva virtuale da integrare nel Museo. Data l’affinità tra le attività di questo progetto e le competenze in ambito tecnologico del laboratorio, le attività di progettazione sono state svolte congiuntamente ed in collaborazione con altri ricercatori del CREF.

Nel prossimo triennio si prevede il rafforzamento e l’ampliamento dei contatti con i Musei, in ambito regionale, nazionale ed internazionale, tramite la stipula di ulteriori nuove convenzioni finalizzate ad attività di ricerca congiunte.

  • Anthropological Service – Soprintendenza Archeologia del Lazio e dell’Etruria Meridionale
  • Bauart – Basel (Switzerland)
  • British Museum (London, UK)
  • Centro Restauro Venaria Reale (Torino)
  • CNR-IPCF
  • CNR-IBAM
  • CSIC- Consejo Superior de Investigaciones Científicas (Spagna)
  • ICTP – International Centre for Theoretical Physics (Trieste)
  • ISIS Spallation Neutron Source (Oxford, UK)
  • Museo Archeologico Lilibeo (Trapani)
  • Museo Egizio (Torino)
  • Opificio delle Pietre Dure (Firenze)
  • Paul Scherrer Institut, Villigen (Switzerland)
  • Sapienza Università di Roma (Roma)
  • University Collage London (Inghilterra)
  • Università Gregoriana (Roma)
  • Università degli Studi di Roma “Tor Vergata”
  • Università degli Studi di Salerno
  • Università di Siena
  • Università di Coimbra (Portogallo)
  1. Il progetto regionale ISIS@MACH prevede finanziamenti per acquisto di apparecchiature ed allestimento del laboratorio e l’inserimento del laboratorio nella nascente infrastruttura distribuita ISIS@MACH. ISIS@MACH è concepito come nodo di una infrastruttura internazionale per la caratterizzazione dei materiali in cordata con l’Università degli Studi di Roma “Tor Vergata” e la sorgente di neutroni ISIS Pulsed Neutron and Muon Source con sede nell’Oxfordshire (UK).
  2. Progetto di ricerca AiAR (Associazione Italiana di Archeometria). Studio degli affreschi di Saturnino Gatti tramite analisi non distruttive e non invasive e strumentazione portatile. Il laboratorio partecipa al progetto di ricerca con l’expertise e la strumentazione portatile per indagini in-situ.
  • Special Session “HANDHELD AND MOBILE INSTRUMENTATION IN CULTURAL HERITAGE RESEARCH” at IMEKO TC-4 International Conference on Metrology for Archaeology and Cultural Heritage”, Trento, 22-24 October 2020.
  • Special Session “HANDHELD AND MOBILE INSTRUMENTATION IN CULTURAL HERITAGE RESEARCH” at IMEKO TC-4 International Conference on Metrology for Archaeology and Cultural Heritage”, Milano 2021.
  • Festa, “Physics for Cultural Heritage”, NANOINNOVATION 2020, 16 settembre 2020, online event.

Negli ultimi 3 anni sono state avviate, e sono tutt’ora in corso, attività di formazione e ricerca con Università italiane e straniere descritte brevemente di seguito:

  • Attività di ricerca e formazione nell’ambito della Tesi di Dottorato della studentessa Laura Arcidiacono dell’University Collage London (Convenzione per attività di ricerca e formazione tra CREF, Univ. Tor Vergata e University College London (Londra, UK))
  • Corso di alta formazione “Analytical Probing with Neutrons” nell’ambito della “School of Neutron Science and Instrumentation”, G. Festa (co-direttore), Ettore Majorana Foundation and Centre for Scientific Culture, Erice previsto per il 12-17 luglio 2020

[2021] M. Leona, K. Fukunaga, H. Liang, P. Baglioni, G. Festa, V. Levchenko, From physics to art and back, Nature Reviews Physics, https://doi.org/10.1038/s42254-021-00362- x (2021).

[2021] C. Scatigno, N. Prieto-Taboada, G. Festa, J. M. Madariaga, Soluble salts quantitative characterization and thermodynamic modeling on Roman Bricks to assess the origin of their formation, Molecules 2021, 26(10), 2866. https://www.mdpi.com/1420-3049/26/10/2866/html

[2021] G. Romanelli, G. Festa, D. Onorati, E. Preziosi, P. Ulpiani, C. Andreani, R. Senesi, Time-resolved Prompt-Gamma Activation Analysis at Spallation Neutron Sources and Applications to Cultural Heritage, Security, and Radiation Protection, Physics Open 7 (2021) 100073. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666032621000168

[2021] F. Albertin, L. E. Baumer, M. Bettuzzi, R. Brancaccio, E. Caruso, F. Casali, L. Cifarelli, G. Festa, M. G. Griffo, A. Mistretta, M. P. Morigi, R. Nania, A. M. Parrinello, L. Strolin, X-ray computed tomography to study archaeological clay and wood artefacts at Lilybaeum, Eur. Phys. J. Plus (2021) 136:513, https://doi.org/10.1140/epjp/s13360-021-01465-1

[2021] G. Festa, M. L. Saladino, V. Mollica Nardo, V. Renda, G. Nasillo, R. Pitonzo, A. Spinella, M. Borla, E. Ferraris, V. Turina, R.C. Ponterio, “Identification of the hidden content of an ancient Egyptian sealed alabaster vase from Kha and Merit’s tomb: an educational approach”, J. of Chemical Education, 21, 98, 2, 461–468 (2021)

[2020] G. Festa, C. Scatigno, M.L. Saladino, F. Armetta, V. Ciaramitaro, V. Mollica Nardo, R.C. Ponterio, “A database for historical pigments through handheld instrumentation”, Proceedings 2020 IMEKO TC-4 International Conference on Metrology for Archaeology and Cultural Heritage Trento, Italy, October 22-24, 2020. https://www.imeko.org/publications/tc4-Archaeo-2020/IMEKO-TC4-MetroArchaeo2020-029.pdf

[2020] E. Preziosi, F. Arcieri, A. Caltabiano, P. Camarri, S. Casagrande, D. Cavicchioni, F. A. Danza, E. Fabrizi, M. Fabrizi, G. Festa, C. Fornaro, F. Marchese, D. Merella, M. C. Morone, P. Picella, P. Picozza, L. Pizzimento, A. Rocchi, R. Santonico, R. Senesi, R. Sparvoli, G. M. Todesco and A. Cianchi, “TECNOMUSE: a novel, RPC-based, muontomography scanner for the control of container terminals”, 2020 J. Phys.: Conf. Ser.1548 012021. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1548/1/012021/meta

[2020] C. Scatigno, R. Senesi, G. Festa and C. Andreani. Chemometrics tools for Advanced Spectroscopic Analyses. IOP Publishing Journal of Physics: Conference series, 2020 1548 012030. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1548/1/012030

[2020] D. Onorati, G. Romanelli, P. Ulpiani, C. Cazzaniga, E. Preziosi, L. Arcidiacono, G. Festa, C. Andreani, R. Senesi, M. C. Morone, “FLUKA simulations and benchmark measurements of the YAP(Ce) scintillators installed on the VESUVIO spectrometer”, Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A, Volume 969, 21 July 2020, 164012. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0168900220304605

[2020] G. Festa, S. L. Lämmlein, R. Senesi, J. Price, C. Chiesa, C. Scatigno, D. Mannes, L. Arcidiacono, R. A. Robinson and C. Andreani, “Effect of coating systems as a barrier to humidity for lutherie woods studied by neutron radiography”, Journal of Cultural Heritage 43 (2020) 255–260. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1296207419305643

[2020] G. Festa, G. Romanelli, R. Senesi, L. Arcidiacono, C. Scatigno, F. Stewart Parker, M. P. M. Marques, C. Andreani, Neutrons for Cultural Heritage – Techniques, Sensors, and Detection, Sensors 2020, 20(2), 502. https://www.mdpi.com/1424-8220/20/2/502