Spettroscopia per Immagini per i Beni Culturali (ArtIS)

Nell'applicazione di tecniche diagnostiche per la conservazione del patrimonio storico-artistico è importante determinare la distribuzione spaziale dei diversi parametri di interesse.
A questo scopo, il gruppo di ricerca attivo nella tutela dei beni culturali ha sviluppato diversi sistemi di imaging basati sull'impiego di radiazione UV-VIS-NIR.

Il primo sistema permette di misurare le mappe spaziali del tempo di decadimento della fluorescenza in un campione esteso e realizza una tecnica di misura indicata con la locuzione inglese di “Fluorescence Lifetime Imaging (FLIM)”. Il sistema ha una risoluzione temporale inferiore al nanosecondo, è facilmente trasportabile e può essere impiegato in ambienti museali o in siti di interesse artistico grazie ad un opportuna progettazione che gli consente di operare in normali condizioni di illuminazione.
Il sistema permette di discriminare fluorescenze deboli sulla base del diverso tempi di decadimento e genera due mappe: la prima mostra il tempo di vita efficace e consente di distinguere la tipologia di materiale responsabile dell'emissione; la seconda fornisce l'ampiezza del segnale di fluorescenza e può essere sommariamente associata alla quantità di materiale responsabile dell'emissione.

Mappa di fluorescenza FLIM del volto del David di Michelangelo. Le immagini hanno permesso di identificare residui di cera, ossalato di calcio ed altre contaminazioni organiche.

Il secondo sistema, indicato con il nome di multispectral imaging, permette di acquisire spettri di riflettanza diffusa o di fluorescenza per tutti i punti di un'immagine. In termini estremamente semplificativi si può dire che questo sistema acquisisce delle "iperfotografie" dell'oggetto di indagine. Mentre le normali fotografie registrano le sole componenti cromatiche rosse, verdi e blu (RGB) di una scena, i sistemi multispettrali acquisiscono decine, o in alcuni casi centinaia, di componenti spettrali nel visibile (400-690 nm) e, in alcuni casi, nel vicino infrarosso.

Il sistema multispettrale sviluppato presso il dipartimento di Fisica si basa su un filtro a trasmittanza variabile costituito da una serie di lamine birifrangenti controllate da moduli a cristalli liquidi (Liquid crystal tunable filter). Mediante questo dispositivo si possono registrare immagini di riflettanza con illuminazione in luce bianca e immagini della fluorescenza eccitata mediante luce ultravioletta in 66 bande spettrali distanziate di 5 nm nell'intervallo 400-700 nm. Queste immagini costituiscono un cubo di dati (circa 70 MB per ogni immagine) che può essere analizzato con metodi di analisi multivariata per semplificarne la struttura. Dalle immagini multispettrali, sia di fluorescenza che di riflettanza, si possono ricavare informazioni sui materiali che costituiscono il campione. Inoltre, nel caso di dipinti è possibile evidenziare aree che presentano caratteristiche cromatiche simili e che corrispondono all'uso dei medesimi pigmenti da parte dell'artista.

 Mappe di similitudine ottenute mediante imaging multispettrale sul volto di Salomè appartenente ad un affresco di Masolino da Panicale presso il Battistero di Castiglione Olona (VA)

Il terzo sistema permette di misurare gli spettri di diffusione anelastica (Raman) in punti della superficie di un reperto artistico scelti con accesso casuale. La diffusione Raman appartiene alla categoria delle tecniche di spettroscopia vibrazione che, permettendo di individuare i legami molecolari presenti in un materiale, forniscono informazioni analitiche sui componenti chimici contenuti. Benché anche questo sistema sia in grado di generare vere e proprie "immagini analitiche" di una superficie, per ridurre i tempi di misura si preferisce generalmente acquisire gli spettri Raman soltanto in punti significativi del campione, scelti con l'ausilio delle tecniche di fluorescenza e di riflettanza considerate in precedenza.

La combinazione dei sistemi descritti può fornire a restauratori e a storici dell'arte importanti informazioni sia sullo stato di conservazione delle opere d'arte, che sulle tecniche realizzative usate dagli artisti.