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Tecniche di datazione

Le potenzialità delle applicazioni in campo archeologico della tecnica di datazione con Termoluminescenza, TL sono note e consolidate dai primi anni '70 (Aitken 1985). La TL si applica al materiale ceramico o, più correttamente, a materiale contenente quarzo e/o feldspati che ha subito un riscaldamento prolungato a temperature dell'ordine di alcune centinaia di gradi (ceramiche, terrecotte, laterizi, porcellane, fornaci, focolari, selci bruciate, terre di fusione e scorie di metallurgia). La TL ha un'accuratezza del 3-5 % nell'intervallo di età tra 50 e 20.000 anni.

La TL sfrutta la proprietà che molti materiali isolanti hanno di emettere luce se precedentemente sottoposti ad irraggiamento ad opera di radiazioni ionizzanti. In altri termini, questi materiali restituiscono, sotto forma di energia luminosa, la quantità di energia ricevuta per effetto dell'irraggiamento naturale e che era stata immagazzinata in opportune trappole. La riemissione di questa energia accumulata avviene tramite riscaldamento. L’intrappolamento degli elettroni è possibile grazie alla presenza di difetti nel reticolo cristallino dei minerali che creano livelli energetici all’interno del gap di energia compreso tra la banda di valenza e la banda di conduzione. La possibilità di utilizzare la luminescenza per la datazione si basa sul fatto che i minerali sottoposti ad elevate temperature durante il processo di cottura di una ceramica subiscono uno svuotamento di tutte le trappole e quindi di tutto il segnale luminescente accumulato in precedenza. Da questo momento in poi inizia un nuovo irraggiamento e quindi il materiale ricomincia ad accumulare segnale luminescente. L’andamento della luminescenza cresce nel tempo in modo lineare fino a raggiungere una zona di saturazione che si instaura quando tutte le trappole disponibili sono occupate.

L'età di un oggetto, espressa in anni, viene ottenuta dal rapporto tra la quantità totale di energia assorbita dal momento dell’ultima cottura, espressa in dose (la cui unità di misura è il Gy) e detta dose totale o paleodose o dose archeologica, e la quantità di energia assorbita annualmente, dovuta all'esposizione alla radioattività naturale e detta dose annua (la cui unità di misura è il Gy/anno):

età = dose totale (paleodose)
                  dose annua

Va sottolineato che questa tecnica appartiene alla classe dei cosiddetti metodi distruttivi, poiché richiede il prelievo di una quantità non trascurabile, seppur limitata, di materiale (almeno 10 grammi di ceramica ed altrettanti di terreno di scavo). Questo aspetto, se non rappresenta generalmente un problema nel caso di scavi archeologici caratterizzati da abbondante ritrovamento di materiale "sacrificabile", diventa molto delicato quando si richieda la datazione di oggetti di interesse storico o artistico, vista l'esigenza di preservarne l'integrità. In tali casi è possibile effettuare un’autenticazione che richiede una piccola quantità di materiale.

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Datazione di vetri archeologici

La datazione di tessere musive dipende generalmente dalle proprietà dosimetriche delle inclusioni microcristalline nella matrice silicea piuttosto che della matrice stessa. D'altra parte i vetri commerciali prodotti negli ultimi anni mostrano buone caratteristiche dosimetriche per la valutazione dopo incidenti radioattivi. La ricerca ha preso avvio applicando lo stesso protocollo utilizzato per la misura dosimetrica dei vetri degli smartphone, il cosiddetto protocollo “pre-bleached with blue LEDs”,  a tessere di mosaico archeologiche, per verificare la compatibilità fra dose assorbita misurata ed età supposta del materiale. Come nel caso dei vetri commerciali è stato riscontrato un fading anomalo nel segnale TL delle tessere antiche, ed è stato dimostrato essere innescato dalla luce. Il protocollo sperimentale proposto isola il segnale TL più stabile termicamente attraverso un pretrattamento ottico, al fine di determinare una curva di fading per ogni campione analizzato.Utilizzando un approccio integrativo è possibile stimare la correzione da applicare per compensare il fenomeno di fading e ricostruire così l'età corretta. I risultati sono parzialmente in accordo con quelli ipotizzati su base storica, e dimostrano come il protocollo abbia buone potenzialità per la datazione di materiali vetrosi.

Datazione di terre di fusione

A fianco delle datazioni con termoluminescenza, si è sviluppata a partire dagli anni ’90 (Aitken, 1998) la datazione con Luminescenza Otticamente Stimolata (OSL). L’OSL è una tecnica di datazione assoluta sviluppata per i sedimenti geologici e si presta in generale alla datazione di materiali che siano stati sottoposti ad illuminazione da parte della luce solare in qualche istante della loro vita e successivamente oscurati. Consente di determinare l’epoca geologica di formazione di un sedimento con una accuratezza del 5-10 % con estensione temporale fino a qualche centinaio di migliaia di anni.
L’OSL, come la TL, sfrutta la proprietà che molti materiali isolanti hanno di emettere luce se precedentemente sottoposti ad irraggiamento ad opera di radiazioni ionizzanti. In altri termini, questi materiali restituiscono, sotto forma di energia luminosa, la quantità di energia ricevuta per effetto dell'irraggiamento naturale e che era stata immagazzinata in opportune trappole. La riemissione di questa energia accumulata avviene tramite l’esposizione a luce di opportuna lunghezza d’onda. L’intrappolamento degli elettroni è possibile grazie alla presenza di difetti nel reticolo cristallino dei minerali che creano livelli energetici all’interno del gap di energia compreso tra la banda di valenza e la banda di conduzione. La possibilità di utilizzare la luminescenza per la datazione si basa sul fatto che i minerali esposti alla luce naturale subiscono uno svuotamento di tutte le trappole e quindi di tutto il segnale luminescente accumulato in precedenza (ciò avviene ad esempio durante il trasporto e la deposizione dei sedimenti). Dal momento in cui tali minerali non sono più esposti alla luce (quando i sedimenti si depongono e vengono coperti da altri strati), inizia un nuovo irraggiamento e quindi il materiale ricomincia ad accumulare segnale luminescente. L’andamento della luminescenza cresce nel tempo in modo lineare fino a raggiungere una zona di saturazione che si instaura quando tutte le trappole disponibili sono occupate.
L'età di un oggetto, espressa in anni, viene ottenuta dal rapporto tra la quantità totale di energia assorbita dal momento dell’ultima esposizione alla luce solare, espressa in dose (la cui unità di misura è il Gy) e detta dose totale o paleodose, e la quantità di energia assorbita annualmente, dovuta all'esposizione alla radioattività naturale e detta dose annua (la cui unità di misura è il Gy/anno):

età = dose totale (paleodose)
                  dose annua

L’applicazione dell’OSL alle datazioni presenta molti aspetti critici in più rispetto alla termoluminescenza, ma risulta indispensabile per estendere (anche in termini di tempo) i campi di applicazione delle tecniche basate sull’accumulo di elettroni in isolanti a materiali che non hanno subito cottura.

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Datazione di sedimenti

Una sfida interessante dell’OSL coinvolge l’ampliamento dei limiti temporali della tecnica. Il limite superiore è legato alla saturazione delle trappole responsabili della luminescenza. A tal proposito la TT-OSL (Thermally Transferred OSL) e la VSL (Violet Stimulated Luminescence) hanno dimostrato di essere tecniche promettenti ma necessitano di ulteriori approfondimenti dei meccanismi coinvolti nell’intrappolamento e nella ricombinazione degli elettroni e la messa a punto di protocolli di misura affidabili.

Anche l’utilizzo dei feldspati come dosimetri in alternativa al quarzo permette di estendere l’applicabilità dell’OSL a campioni molto antichi in quanto il loro segnale satura a dosi molto maggiori. Si potrebbero pertanto datare campioni di età di poco inferiore al milione di anni. I feldspati inoltre presentano un’intensità luminescente maggiore rispetto a quella del quarzo e pertanto risultano essere promettenti anche per la datazione di campioni giovani. Tali minerali però mostrano alcune criticità, tra cui il fenomeno del fading anomalo, che consiste in uno svuotamento spontaneo delle trappole OSL maggiore di quanto previsto dalla cinetica del processo.

Surface dating

Ricerche recenti hanno permesso di sviluppare la tecnica di datazione surface dating. L’idea è quella di datare costruzioni formate da blocchi di materiale da costruzione (pietra, calcare, marmo, granito, arenaria, basalto) tramite le loro superfici. E’ altamente probabile che l'esposizione alla luce delle superfici esterne dei blocchi di materiali da costruzione prima della posa in opera ne cancelli il segnale OSL almeno per qualche millimetro. Se in conseguenza del collocamento del materiale nella struttura la superficie viene oscurata, cessa lo svuotamento delle trappole ed il segnale OSL inizia ad accumularsi. Può quindi essere sfruttato per determinale l'epoca di edificazione di monumenti e manufatti preistorici schermati dalla luce del sole dal momento della costruzione o in seguito a seppellimento o a crollo.

Datazione di malte

Un’altra applicazione avanzata riguarda le malte, materiale molto diffuso e non riciclabile, quindi adatto per datare con precisione le fasi costruttive di edifici. Per datare malte antiche con OSL si misura il segnale del quarzo contenuto nella sabbia aggiunta al legante. L’evento di “azzeramento” avviene durante il trasporto dell’inerte e nel corso delle operazioni di preparazione in cantiere. Datare il quarzo estratto da una malta significa quindi datare la il momento in cui l’impasto della malta è stato preparato, che corrisponde con precisione molto maggiore che per i laterizi all’epoca di costruzione dell’edificio.

Spesso però nelle malte l'efficacia dell’azzeramento costituisce un aspetto critico, in quanto l'esposizione alla luce solare può non essere stata sufficiente a svuotare in modo efficace e completo tutte le trappole del quarzo. Per superare questa difficoltà viene applicata la tecnica del singolo grano (Single Grain, SG) che permette di stimolare la luminescenza dei singoli grani di quarzo estratti dai campioni. Non sempre però tale metodo risulta preciso e pertanto è necessario testare ulteriormente la tecnica e l’affidabilità dei modelli statistici.

STRUMENTAZIONE

Due sistemi Risø TL/OSL Modello DA-20 per misure automatizzate di segnali di termoluminescenza (TL) e di luminescenza stimolata otticamente (OSL).
Sono composti da:
- un sistema per il cambio automatizzato dei campioni in condizioni di vuoto (< 2 * 10-2 mbar)
- due sistemi portacampioni da 48 posizioni per dischi piatti da 9.7 mm di diametro e coppette da 11.65 mm di diametro
- un sistema di misura e compensazione del vuoto automatico
- una striscia riscaldante Kanthal, con una temperatura massima raggiungibile di 700°C
- possibilità di utilizzare differenti filtri ottici
-  cluster di LED IR a 870 nm con flusso  > 135 mW/cm2 al campione e cluster di LED blu a 470 nm con flusso > 80 mW/cm2 al campione
- un laser a 405 nm da 100 mW di potenza per la stimolazione nel violetto
- Sistema per la misura di emissione OSL di singolo grano equipaggiato con un laser DPSS verde (532 nm) da 10 mW di potenza
- una sorgente beta 90Sr/90Y da 1.48 GBq (40 mCi)

L'analisi di concentrazione del radiocarbonio è alla base del più diffuso metodo di datazione di materiali organici (legno, carboni vegetali, resti umani e animali, conchiglie e coralli...). La tecnica si basa sulla misura della concentrazione dell'isotopo 14 del carbonio in un materiale organico, e sul calcolo del tempo necessario perchè il processo di decadimento radioattivo porti i livelli di radiocarbonio ai valori misurati. L'analisi consente di datare materiali con un'età non superiore a 45000-50000 anni. L'esigua quantità di materiale richiesto amplia il ventaglio di campioni databili (si pensi ad esempio a reperti archeologici ossei), ma rende anche estremamente critico il rischio di contaminazione da materiale introdotto dall'esterno (residui fungini o batterici, incrostazioni...). Per questo il laboratorio è attrezzato per garantire l'estrazione di carbonio dal materiale esaminato in ottime condizioni di pulizia, utilizzando metodiche collaudate e continuamente controllate.

Un ulteriore utilizzo dell'analisi è nel campo della produzione delle bioplastiche per misurare la concentrazione di materiale di origine biologica nei campioni semilavorati, secondo il metodo ASTM D 6866-10.

Si rimanda alla pagina del tariffario per una lista dettagliata dei materiali analizzabili.

LINEE DI RICERCA

Datazione di malte:

Il laboratorio è impegnato nel progetto "Mortar Dating Intercomparison Study (MODIS)", con lo scopo di analizzare approfonditamente la fattibilità e le condizioni necessarie per garantire una datazione affidabile di malte e affini attraverso lo studio dei carbonati antropogenici prodotti durante il processo di indurimento della malta. Questi materiali sono però spesso affette da una contaminazione di carbonati di origine geologica.. Nel corso dello studio i laboratori coinvolti vengono forniti con differenti tipologie di materiale che vengono analizzate mineralogicamente e chimicamente, e successivamente datate con i metodi ritenuti più efficaci dai singoli gruppi di ricerca. Il laboratorio di Milano-Bicocca sta studiando l'efficacia di una prima separazione fisica di carbonati geogenici e antropogenici, seguita dall'estrazione di carbonio elementare attraverso digestione chimica.

STRUMENTAZIONE

Linea di grafitizzazione assemblata per l'estrazione di carbonio da anidride carbonica
Linea da vuoto per l'estrazione chimica di carbonio elementare da carbonati
Analizzatore elementale CHNS Elementar MicroCUBE
Laboratorio chimico di preparazione e pretrattamento chimico dei materiali

La datazione dendrocronologica si basa sulla correlazione tra i pattern di accrescimento annuale negli alberi e le condizioni climatiche. Il confronto tra modelli di crescita avvenuti in un periodo storico determinato e pattern di crescita di un campione ligneo incognito permette di assegnare un periodo di calendario definito anche a quest'ultimo. Il campo di applicazione principale è relativo alla datazione di elementi architettonici o manufatti lignei con un'età che rende impossibile la datazione con radiocarbonio (e.g. 1600-1900 d.C.). I campioni analizzati devono essere di dimensioni adeguate: per produrre una datazione affidabile, infatti, è necessario che alla superficie dell'oggetto considerato sia presente una sequenza di almeno trenta anelli consecutivi.

STRUMENTAZIONE

Fotocamera da 16MP, obiettivi a focale fissa da 90mm equivalenti e 120mm equivalenti macro
Software di misura di pattern di crescita da foto Coorecorder v7.5
Software di analisi di dati dendrocronologici CDendro v7.5
Curve standard provenienti dal database pubblico NOAA

Il processo di reidrossilazione riguarda l'adsorbimento di gruppi ossidrili (OH-) da parte di materiali ceramici dopo il processo di cottura o dopo un intenso riscaldamento. Questo processo è stato dimostrato essere dipendente dal tempo, ed è quindi possibile in linea di principio risalire al periodo di fabbricazione di mattoni e ceramiche misurando la massa di gruppi ossidrili presenti nel materiale, e la velocità di adsorbimento propria di ogni campione. Dalla scoperta del fenomeno e dalla sua applicazione nel campo dei Beni Culturali sono stati esplorati molti dei parametri che influiscono sul processo, ma sono ancora molti i punti che sono allo studio prima di poter applicare l'analisi in maniera ordinaria.

 

LINEE DI RICERCA

Studio dei parametri caratteristici:

Il personale del laboratorio è stato formato in maniera specifica presso il Dipartimento di Ingegneria dell'Università di Manchester, dove è stato scoperto il fenomeno della reidrossilazione. Inoltre è stata avviata una collaborazione con la Queen's University di Belfast per lo studio di un protocollo di datazione che tenga conto dei parametri strutturali del materiale.

 

STRUMENTAZIONE:

Bilancia termogravimetrica Quantachrome Aquadyne DVS2

Caratterizzazione dei materiali

L’analisi XRF (X-Ray Fluorescence) sfrutta l’emissione della fluorescenza X caratteristica da parte degli atomi del campione e permette di determinare, in maniera assolutamente non distruttiva, la composizione chimica “elementare” – cioè gli elementi chimici presenti - dei materiali analizzati, e di darne, in particolari casi, una valutazione quantitativa. È un’analisi che non richiede alcuna preparazione del campione e per la quale può essere facilmente realizzata una strumentazione portatile che permetta misure in situ, rendendola così particolarmente adatta ad applicazioni nel campo dei Beni Culturali. I dati raccolti sono riportati in grafici – denominati “spettri XRF” - che rappresentano l’intensità di fluorescenza degli elementi individuati in funzione dell’energia che li caratterizza; le energie delle emissioni di fluorescenza, e quindi gli elementi presenti, sono individuate in questo modo dai “picchi”. Ad esempio, nel caso di dipinti o affreschi, questo consente generalmente di risalire ai pigmenti utilizzati e di identificare gli eventuali interventi di restauro.

Dal momento che è sufficiente un’unica misura della durata di un centinaio di secondi per ottenere informazioni sugli elementi presenti nella zona di analisi, è possibile eseguire in tempi brevi un esame dettagliato di tutta la superficie del oggetto in esame scegliendo un numero elevato di punti da analizzare in funzione, ad esempio, delle diverse campiture cromatiche. Il limite effettivo dell’analisi XRF è dato dalla impossibilità di rivelare elementi con numero atomico basso; nel caso specifico della strumentazione utilizzata nel nostro laboratorio, è possibile distinguere chiaramente tutti gli elementi con numero atomico superiore o uguale a quello dell’alluminio. Per questo alcuni composti organici e silicati di elementi leggeri non possono essere direttamente determinati a causa della non rivelabilità degli elementi chimici che li compongono. Inoltre, anche per gli elementi pesanti presenti, attraverso l’analisi XRF si ottiene solo l’identificazione degli elementi chimici e non dei composti a cui essi appartengono. In conseguenza, i risultati ottenibili sono ovviamente migliori se si opera in stretta connessione con altri metodi di indagine, che permettano di superare i limiti intrinseci di questa tecnica, come ad esempio la spettroscopia VIS-NIR.

LINEE DI RICERCA

Analisi, modellizzazione e interpretazione di dati raccolti su dipinti

Si sviluppano metodologie atte ad ottimizzare i dati XRF acquisiti con strumenti a scanner, che hanno come risultato sperimentale mappe di distribuzione elementare; questo tipo di approccio risulta particolarmente innovativo soprattutto se integrato con immagini acquisite con altra strumentazione, e confrontate con i riferimenti spettroscopici ricavati da database costruiti ad hoc nel nostro laboratorio.

Analisi qualitativa e quantitativa di campioni stratificati/disomogenei di interesse storico/artistico/archeologico

L’analisi XRF non è adatta allo studio di campioni disomogenei, poiché l’informazione che si ottiene è mediata su tutto lo spessore attraversato dalla radiazione X primaria. Si stanno mettendo a punto metodi, sia sperimentali che di calcolo, che consentano di sfruttare le informazioni contenute negli spettri XRF acquisiti su campioni stratificati/disomogenei di interesse storico/artistico/archeologico per ottenere informazioni di tipo qualitativo e quantitativo.

GE-XRF (Grazing-Emission XRF)

Si sta modificando lo strumento presente in laboratorio per poter eseguire misure in “grazing-emission”.

STRUMENTAZIONE

Strumento portatile Artax 200 Bruker, con rivelatore Large Silicon Drift con area attiva di 25 mm2, finestra: 12 µm di Be, Risoluzione: <135eV alla MnKα con raffreddamento Peltier, Rate di misura: sopra i 500.00 conteggi per secondo, e con tubo a raggi X ad anodo di Mo, (10 - 50 kV, 5 µA min - 200 µA max).

La spettroscopia Raman è una tecnica di spettroscopia molecolare che, come la spettroscopia FTIR, sfrutta l'interazione della luce con la materia per ottenere informazioni sulla struttura o sulle caratteristiche di un materiale. Quando la luce interagisce con le molecole di un gas, di un liquido o di un solido, la maggior parte dei fotoni viene dispersa o diffusa mantenendo la stessa energia dei fotoni incidenti. Questo fenomeno è denominato diffusione elastica o diffusione di Rayleigh. Una quantità molto piccola di questi fotoni, circa 1 fotone su 10 milioni, dopo la diffusione ha una frequenza diversa da quella del fotone incidente. Lo spostamento in frequenza rispetto alla radiazione incidente è caratteristico del campione in esame. Questo processo è denominato diffusione anelastica, oppure effetto Raman, in onore di Sir C. V. Raman che lo scoprì e per il suo lavoro ricevette nel 1930 il premio Nobel per la fisica. Da allora, la diffusione Raman è stata utilizzata per una vasta gamma di applicazioni che vanno dalla diagnostica medica alla scienza dei materiali e all'analisi delle reazioni.

Nell’ambito della scienza dei materiali applicata ai beni culturali è generalmente utilizzata sia per la semplice analisi chimica (ad esempio il riconoscimento di pigmenti o di prodotti di degrado), sia per trovare risposte a problemi di conservazione, studiare meccanismi di invecchiamento, identificare tecnologie di produzione o trattamenti superficiali e determinare il grado di deterioramento o di corrosione delle superfici esposte. L’importanza di studiare tale effetto, concretizzata solo grazie all’avvento di sorgenti ad elevata brillanza (principalmente laser), risiede essenzialmente nel fatto che ogni specie chimica ha un suo caratteristico spettro Raman che può essere usato per la sua identificazione. Tale tipo di spettroscopia infatti è in grado di rivelare la presenza di specie molecolari senza perturbarne l’equilibrio chimico. Inoltre poiché l’intensità della riga è legata alla concentrazione della specie chimica, è possibile, in via teorica, svolgere un’analisi semiquantitativa oltre che qualitativa.

STRUMENTAZIONE

Strumento portatile i-Raman Plus BW Tec in configurazione con fibre ottiche dotato di laser a 785 nm con potenza massima alla sonda di 418 mW e possibilità di regolazione percentuale dell’emissione di potenza. Il sistema permette di acquisire dati nel range spettrale tra 200 - 3000 cm-1 con una risoluzione inferiore a 5 cm-1.

Le tecniche utilizzate (fotogrammetria, scansione laser, tecniche di mappatura spettroscopiche) permettono di fruire dei modelli tridimensionali con l’immediatezza comunicativa delle analisi d’immagine. La possibilità di mappare le informazioni scientifiche acquisite mediante tecniche di imaging su oggetti virtuali in tre dimensioni permette di accedere e fruire di informazioni, solitamente presentate su tavole bidimensionali, in maniera completa e rapida ed esporle ad un pubblico sia di tecnici, sia di semplici appassionati, promuovendo l’interazione, la conoscenza e la valorizzazione del patrimonio artistico.
Possibili applicazioni di questa metodologia sono sia di carattere documentale, sia per la diffusione e valorizzazione del patrimonio artistico e culturale. Si pensi, ad esempio, alla possibilità di monitorare lo stato conservativo di opere policrome attraverso scansioni programmate a distanza di tempo e visualizzarne l’evoluzione temporale su di un modello tridimensionale fruibile a 360° e non necessariamente in loco.
Inoltre è possibile visualizzare il modello e le informazioni connesse direttamente dal laboratorio di restauro o dall’ufficio del conservatore può snellire le procedure di definizione dei processi di manutenzione e restauro, oltre a rendere sempre disponibile tutte le informazioni indipendentemente dall’accessibilità reale dell’opera. Avere un modello tridimensionale digitale apre le porte anche alle nuove tecnologie emergenti nel settore della valorizzazione dei beni culturali, in particolare l’impiego di visori per la realtà virtuale e dispositivi per la realtà aumentata.

STRUMENTAZIONE

Software Agisoft Metashape
Laser scanner Nextengine
Stampante 3D Anycubic I3
Fotocamera ad alta risoluzione