ANALISI STRUTTURALI
• XRD (diffrazione di raggi X)
• MICROSCOPIA OTTICA
• SEM e TEM (microscopio a scansione
elettronica)
Il campionamento
il più rispettoso possibile rispetto ai
contenuti estetici, storici ed alla integrità
fisica del manufatto;
contenuto nel numero e limitato nelle
dimensioni dei prelievi pur garantendo le
finalità analitiche;
rappresentativo
della
fenomenologia da studiare;
tipologia
e
selettivo al fine di ottimizzare le operazioni
analitiche e l’interpretazione dei risultati.
NorMaL 3/80
Materiali lapidei:
Campionamento
NorMaL 2/80
Archiviazione di materiali
lapidei: schema di scheda
DOCUMENTAZIONE: schede di campionamento
rappresentazione grafica e fotografica
1
Analisi chimiche e morfologiche
CAMPIONE
Tal quale
1. Morfologia
2. Analisi elementare di superficie
3. Analisi fisiche
Polverizzato
1. Composizione chimica
(organica e inorganica)
2. Composizione Mineralogica
Sezione
1. Stratigrafia
2. Composizione elementare
della sezione
Analisi chimiche e morfologiche
CAMPIONE
Tal quale
Stereomicroscopia
Microscopia elettronica
a scansione
Spettrometria X
Spettroscopia FTIR
Diffrattometria a raggi X
Studi di morfologia
superficiale a bassi
ingrandimenti
Studi morfologici
Composizione elementale
dei livelli stratigrafici
Composizione
Chimica
Composizione mineralogica
2
Analisi chimiche e morfologiche
Campione
polverizzato
Estrazione acquosa
XRD, XRF, FTIR
Composizione chimica
Composizione mineralogica
Estrazione in
solventi organici
IC, AAS, ICP
Composizione chimica della
frazione idrosolubile
FTIR, GC-MS
Composizione chimica della
frazione organica
(additivi, leganti, trattamenti)
Analisi chimiche e morfologiche
CAMPIONE
sezione trasversale
Microscopia ottica
in luce riflessa
Studi stratigrafici
Micr. mineralogica
in luce polarizzata
Micr. elettronica
a scansione SEM
Spettrometria X
Spettroscopia
micro-FTIR
Comp. mineralogica,
tessitura e struttura,
analisi dell'immagine.
Studi morfologici
Comp elementale
dei livelli stratigrafici
Composizione chimica
puntuale
rapporti L/A,
granulometria,
addensamento
3
La cristallografia a raggi-X
La diffrattometria a raggi-X (XRD) viene
usata per determinare le fasi cristalline
contenute nei minerali.
Oltre a indagini di caratterizzazione e
provenienza può servire per identificare
cambiamenti dei materiali dovuti al
degrado.
iX
gg
Ra
RETICOLO
CRISTALLINO
Arrivo di due onde e.m. sfasate di 2π su un reticolo cristallino: le onde
riemesse dagli atomi interferiscono costruttivamente
4
Una misura XRD si basa sulla misura delle
distanze tra piani reticolari utilizzando una
sorgente di radiazione con lunghezza d'onda
di poche decine di nanometri (nm).
condizione di Bragg
condizione di Bragg:
n λ = 2d sin(θ
θ)
è soddisfatta e il rivelatore raccoglierà, in direzione dell' angolo , un picco
di intensità della radiazione riflessa dal campione.
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DIFFRATTOGRAMMI
Diffrazione di raggi X su campione in polvere su terra verde, identificazione dei
minerali costituenti
A Celadonite (con cristalli di quarzo)
B Terra verde di Cipro (Windsor e Newton)
C Chlorite
D Glauconite
Esempio fasi cristalline del Nitruro di Titanio
(NB la composizione elementare è la stessa ma cambia il reticolo cristallino)
Fonte: INFN Aquila
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un esempio di XRD su pigmenti bianchi
Bianco di Titanio
TiO2
Anatase
Rutilo
Bianco di piombo
Cerussite
Idrocerussite
Distanze
interatomiche
nel reticolo
cristallino
7
portatili
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● Studio della craquelure
La microscopia in laboratorio
CAMPIONE
TAL QUALE
SEZIONE
stereomicroscopia
SEM - EDS
luce riflessa
luce polarizzata
Studi di morfologia
superficiale
a bassi
ingrandimenti
Studi morfologici
ed analisi
composizionale
di superficie
Studi
stratigrafici
Composizione
mineralogica,
tessitura e struttura,
analisi dell'immagine
SEM - EDS
Composizione
elementale
dei livelli
stratigrafici
rapporti L/A,
granulometria,
addensamento
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La microscopia in laboratorio
o Definizione del piano analitico
o Caratterizzazione dei materiali
o Studi stratigrafici
o Studi morfologici ad elevati ingrandimenti
o Definizione composizionale dei materiali
(componenti inorganiche)
La microscopia ottica
stereomicroscopio
Cam
min
con o ottico
sorg
d
ente ella luc
e
a mo
nte
microscopio in luce
polarizzata
CAMPIONE
polarizzatore
microscopio in luce
riflessa
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Stereomicroscopio
Per poter vedere gli oggetti in rilievo, occorre che ciascun occhio
li osservi da una direzione leggermente diversa rispetto all'altro.
In questo modo, all'osservatore giungono due immagini
leggermente diverse che il cervello fonde in un'unica immagine
che risulta tridimensionale.
Dotati di una illuminazione incidente, è possibile osservare
un campione utilizzando ingrandimenti da 2,5x fino 225x circa.
Il frammento viene osservato tal quale
Stereomicroscopio
Finalità
Osservare il frammento ottenuto dal campionamento a maggior ingrandimenti
Effettuare studi di superficie di maggior dettaglio, evidenziando caratteristiche
morfologiche
Documentare il campione e ogni sua parte mediante acquisizione di immagini
in formato digitale
Definire e validare la sequenza analitica prevista per la caratterizzazione
materica e la definizione dello stato di conservazione
Campionare selettivamente le porzioni più idonee per ogni singola analisi
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Stereomicroscopio di laboratorio
STUCCO
Immagini per gentile concessione CNR ICVBC – sez. Milano
[Barre = 1 mm]
Stereomicroscopio di laboratorio
PIETRA
Immagini per gentile concessione CNR ICVBC – sez. Milano
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La microscopia ottica
stereomicroscopio
Cam
min
con o ottico
sorg
d
ente ella luc
e
a mo
nte
microscopio in
luce polarizzata
CAMPIONE
polarizzatore
microscopio
in luce
riflessa
Microscopio ottico in luce
polarizzata
Viene usata luce polarizzata; essa è composta da onde
luminose, i cui piani di vibrazione sono tutti orientati in
un’unica direzione – polarizzati linearmente.
La luce viene resa polarizzata da filtri detti polarizzatori,
che privilegiano un solo piano di oscillazione nella
confusione statistica propria della luce naturale.
Esistono due tipi di questi filtri: quello posto dietro
all’obbiettivo si chiama analizzatore. Se i due filtri sono
disposti a 90° l’uno rispetto all’altro non lasciano passare
la luce (Nicol incrociati).
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Fascio di luce
Fascio di luce naturale
Le vibrazioni avvengono in tutte
le direzioni possibili
Fascio di luce polarizzato
La luce vibra in un solo piano che contiene la
direzione di propagazione (ABCD)
Convenzionalmente la luce è polarizzata nel
piano normale (EFGH) a quello di vibrazione
Scopo delle osservazioni
Composizione mineralogico-petrografica dei materiali:
identificazione
dei minerali costituenti il litotipo, legante ed aggregato,
scheletro e pasta di fondo;
definizione
della struttura (insieme delle proprietà scalari: forma, dimensioni,
aggregazioni e reciproche relazioni dei singoli cristalli)
definizione
della tessitura (insieme delle proprietà vettoriali: disposizione
spaziale della compagine cristallina ed orientazione dei cristalli).
definizione
delle componenti minerali pigmentanti
Nei materiali lapidei artificiali: individuazione dei materiali
addizionati volontariamente (frammenti di marmo,
cocciopesto, segatura);
Studio dello stato di conservazione del materiale (minerali di
neoformazione);
Caratterizzazione del profilo superficiale
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Le studio di sezioni sottili
Osservazione con il
solo polarizzatore (Nicol //)
Forma, dimensioni, sfaldature, rilievo,
indici di rifrazione, colore, pleocroismo
Osservazione con
polarizzatori incrociati (Nicol X)
Birifrangenza, estinzione, allungamento,
angolo degli assi ottici, segno ottico
Verso l’esterno si
osservano strati
contenenti diversi
prodotti di degrado
40x
Sezione di una scaglia di bronzo
luce polarizzata
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Sezioni sottili: caratterizzazione del litotipo
Immagini per gentile concessione CNR ICVBC – sez. Milano
La microscopia ottica
stereomicroscopio
Cam
min
con o ottico
sorg
d
ente ella luc
e
a mo
nte
microscopio in luce
polarizzata
CAMPIONE
polarizzatore
microscopio in luce
riflessa
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Microscopio ottico in luce riflessa
Tecnica qualitativa e distruttiva che consente di individuare la
sequenza stratigrafica.
Permette studi morfologico - strutturali delle stratificazioni
(adesione tra gli strati, caratteristiche proprie dello strato)
Analisi di superficie (degrado,
applicazione di prodotti, tecniche
pittoriche, riconoscimento di eventuali
ridipinture)
Microscopio ottico in luce riflessa
Studi morfologico-strutturali sulle stratificazioni definiscono:
colori degli strati,
gli spessori,
il grado di adesione tra gli stessi e con il substrato
indagine condotta sulla seconda metà del calco da cui è
stato ottenuta la sezione sottile precedentemente descritta
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Sezioni lucide trasversali
Finitura su pietra
Immagini per gentile concessione CNR ICVBC – sez. Milano
Sezioni lucide trasversali
Finiture su superfici ceramiche
18
f
e
d
c
b
a
19
Ingrandimento
80x
Lamina di
argento in luce
normale
Ingrandimento 80x
Lamina di argento
fuso in laboratorio
in luce normale
Immagini
microscopiche in
luce ultravioletta
50x
Scaglia di marmo da una statua
luce normale
Stessa immagine
in fluorescenza ultravioletta
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Microscopio di cantiere
Stereomicroscopio portatile dotato di
zoom in continuo da 25x a 200x
ingrandimenti, sistema di
digitalizzazione dell’immagine e
successiva acquisizione delle immagini
con risoluzione di 1792x1184 pixel.
Individuazione
delle caratteristiche
morfologiche superficiali
Individuazione delle aree di
campionamento rappresentative del bene
Immagini per gentile concessione CNR ICVBC – sez.
Milano
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Microscopia elettronica a scansione
Il potere risolutivo di un microscopio è inversamente proporzionalmente alla
lunghezza d’onda della radiazione impiegata, qualunque sia il tipo di sorgente.
Nella microscopia elettronica si sfrutta il fatto che gli elettroni, impiegati come
sorgente “luminosa”, hanno una radiazione di bassissima lunghezza d’onda e
pertanto il loro impiego permette di ottenere poteri risolutivi assai più elevati
rispetto a quelli ottenuti con la microscopia ottica.
Viene eseguita in alto vuoto e basso vuoto
Vengono condotte su sezioni lucide e su campioni tal quale
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Interazione fra il fascio
di elettroni e la
superficie del campione
Elettroni secondari
e- che facevano parte delle nubi elettroniche degli atomi contenuti nel campione,
ma che hanno ricevuto dal fascio incidente una quantità d’energia sufficientemente
alta per sfuggire.
Sono emessi dagli strati più superficiali del campione permettono di studiare la
morfologia ed i fenomeni di superficie
Immagini per gentile concessione CNR ICVBC – sez. Milano
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• Elettroni secondari (interazione superficiale
=> morfologia della superficie)
• Elettroni retrodiffusi (interazione con i nuclei
=> mappatura degli elementi superficiali)
• Raggi X caratteristici (interazione più profonda
=> composizione elementare)
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prodotti applicati sulle superfici
fenomeni di degrado biologico
Studi morfologici: fenomeni di degrado
Immagini per gentile concessione CNR ICVBC – sez. Milano
Confronto
M.O. - SEM
Immagini per gentile concessione CNR ICVBC – sez. Milano
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Si ottengono spettri di emissione o mappe di distribuzione di elementi
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Analisi SEM + EDS
Analisi al SEM su un campione di marmo con fenomeni di croste nere evidenziate dalla
presenza di zolfo (dall’inquinamento atmosferico) e di calcio (dal carbonato di calcio del marmo)
Immagini per gentile concessione CNR ICVBC – sez. Milano
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Esempio:
Applicazione degli studi di microscopia ad
un frammento di stucco con doratura
[Barra = 100 µm]
Immagine in BSE relativa agli strati di finitura e spettro
EDS registrato a carico di uno strato di doratura
realizzato mediante l’impiego di una foglia composita
Pigmenti neri carboniosi:
Carbone di legna (a)
Nocciolo di pesco (c)
Nerofumo (b)
Sughero (d)
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Lamina di bronzo dorato
30
31
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