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La natura che ci circonda è fatta di piccoli mattoni, chiamati atomi. Alcuni di essi sono uguali tra loro, e costituiscono gli elementi: tutti gli elementi insieme formano tutti gli oggetti tangibili di cui abbiamo esperienza. Le nostre case, gli alberi, gli animali, l'acqua e le stelle sono costituiti da questi elementi.
La conoscenza degli elementi che compongono un oggetto, come una tazza di caffè, è un modo prezioso per avere informazioni sulla sua storia, sul suo presente e talvolta anche sul suo futuro. Ed è richiesta in molti casi, come nella produzione alimentare, nell'industria dei materiali e nelle scienze del patrimonio culturale. Soprattutto in quest'ultimo caso, è una pratica comune analizzare i manufatti per ottenere la loro composizione utile ai processi di restauro, a volte per attestarne la provenienza, o addirittura la loro autenticità.

Per rilevare la presenza e la natura degli elementi sono necessari dispositivi speciali. Il mio progetto di dottorato - nell'ambito del progetto T4C* - consiste nella realizzazione di uno strumento per lo studio della composizione elementale degli oggetti e utilizzabile in campo archeologico, nei musei e nei centri di conservazione, sfruttando le potenzialità di una disciplina che sembra estremamente lontana dai beni culturali: la fisica. La sua etimologia è, in realtà, "natura", e in effetti studia i costituenti che stanno alla base della materia: per questo torna utile anche ai nostri scopi.

Pensiamo, per esempio, a un dipinto. Potrebbe essere stato realizzato in diversi periodi, da diversi artisti e a volte quello che si ha di fronte sono due o più opere d'arte sovrapposte l'una all'altra. Per studiare in maniera non invasiva una tela, o un pannello, l'analisi fisica è uno strumento formidabile: può rivelare i materiali utilizzati, escludendo o confermando la provenienza del dipinto. Un'altra importante classe di esempi è la ceramica. I manufatti di ceramica possono avere dietro di sé molta storia, come il loro processo di fabbricazione, che può essere ricostruito a partire dai suoi costituenti elementari. Come fare questa analisi ed estrarre quindi le informazioni che vogliamo?
A seconda della loro identità, se opportunamente stimolati, gli atomi dei diversi elementi ci "dicono" chi sono: per esempio un metallo, come l'oro, o un composto, come il cloruro di sodio nel sale. La tecnica è chiamata emissione di raggi X che avviene naturalmente, se la materia viene stimolata con una fonte adeguata e un opportuno sistema di rilevamento.

L'obiettivo del mio progetto di dottorato è sviluppare e assemblare le diverse parti del dispositivo. Si tratta di studiare le proprietà tecniche delle varie componenti e di trovare il modo migliore per combinarle insieme. Ad esempio, sarebbe straordinario se il dispositivo che sto progettando potesse effettuare la mappatura degli oggetti, permettendo un'analisi più completa delle superfici. Anche se a prima vista potrebbe sembrare un progetto meramente tecnico, ha molte applicazioni nel mondo della scienza del patrimonio culturale, in grado non solo di fornire risposte ma di far sorgere ulteriori domande nel corso dell'esplorazione di questo campo.

Ma è sufficiente questa tecnica per fornire tutte le informazioni che vogliamo dell'artefatto? La risposta è ovviamente "No".
Molti oggetti infatti hanno una complessa struttura interna, come ad esempio gli intarsi su una mobilia pregiata, o anche l'interno delle tavole lignee, che non può essere descritta a partire dalla composizione elementale dell’oggetto. Per colmare questa lacuna, esploreremo la possibilità di integrare, nello stesso strumento, più di una tecnica. La radiografia per esempio, che fornisce informazioni sull'interno degli oggetti, piuttosto che sulla loro composizione superficiale, potrebbe fornire informazioni complementari su specifici casi studio. Stiamo quindi pensando, come prossimo passo, di compattare in un unico strumento le due tecniche. Ma è possibile farlo? E lo strumento che ne risulterà sarà in grado di svelare tutti i segreti degli oggetti del patrimonio culturale?
Restate sintonizzati e lo scopriremo insieme nel prossimo racconto!

AGGIORNAMENTO LUGLIO 2023
A tre anni di distanza da quando ho scritto la prima parte di questo racconto posso finalmente aggiornarvi su come si è sviluppato il progetto grazie anche alla collaborazione con INFN-CHNet, la rete dell'Istituto Italiano di Fisica Nucleare dedicata ai beni culturali. Lo strumento che ho realizzato si chiama Movable Device for in SiTu Analysis, MODESTA, ed è il primo dispositivo multi-tecnica che offre tre tecniche in un unico strumento. È stato sviluppato internamente assemblando il set-up di misura, il sistema motorizzato e le parti elettroniche necessarie e sono stati eseguiti test preliminari su oggetti reali. 

Le tecniche combinate sono in tutto tre: due tecniche spettroscopiche, la fluorescenza a raggi X (XRF), la luminescenza indotta da raggi X (XRL), e la radiografia digitale (DR), una delle tecniche di imaging più diffuse e utili nella scienza dei beni culturali. La prima fornisce informazioni sulla composizione elementare di un'opera d'arte, e quindi sulla sua tecnica di produzione e sui materiali. La XRL può essere impiegata in studi sulla provenienza dei manufatti, analizzando le rocce di cui sono composti. La DR viene utilizzata per ottenere informazioni sulla struttura interna, sullo stato di conservazione e sulle caratteristiche delle opere d'arte.

Come attività collaterale, nell'ambito della collaborazione INFN-CHNet, ho condotto l'analisi dei dati XRF su diverse applicazioni, dai mobili del XVII secolo ai dipinti del XVI secolo. I risultati hanno permesso di caratterizzare la tavolozza pittorica e la tecnica degli artisti e sono stati pubblicati in diversi articoli che trovate elencati qui sotto.

L. Sottili, L. Giuntini, A. Mazzinghi, et al. The Role of PIXE and XRF in Heritage Science: The INFN-CHNet LABEC Experience. Appl. Sci. 2022, 12, 6585. https://doi.org/10.3390/app12136585

L. Sottili, L. Guidorzi, A. Mazzinghi, et al. INFN-CHNet at work: X-ray fluorescence analyses on works of art at the CCR ``La Venaria Reale''. Il Nuovo Cimento C. 2022, 212. DOI: 10.1393/ncc/i2022-22212-7e

L. Sottili, L. Guidorzi, A. Mazzinghi et al.; Macro X-ray fluorescence analysis of XVI-XVII century Italian paintings and preliminary test for developing a combined fluorescence apparatus with digital radiography; ACTA IMEKO; 2022; 10.3390/app11031197

L. Sottili L. Guidorzi, A. Mazzinghi et al.. The Importance of Being Versatile: INFN-CHNet MA-XRF Scanner on Furniture at the CCR “La Venaria Reale”. Applied Sciences. 2021; 11(3):119

L. Sottili, L. Guidorzi, A. Mazzinghi et al. INFN-CHNet meets CCR La Venaria Reale: First results. In Proceedings of the 2020 IMEKO TC-4 International Conference on Metrology for Archaeology and Cultural Heritage 2020, Trento, Italy, 22�"24October 2020; pp. 507�"511

*_{Il progetto T4C (Technologies for Cultural Heritage) è finanziato dal programma Horizon 2020 per la Ricerca e Innovazione dell'Unione Europea, in accordo con il Marie Skłodowska-Curie grant agreement N. 754511}