Fisica per i Beni Culturali

Qual è la ricetta del primo inchiostro permanete della storia con il quale gli antichi Egizi dipingevano i tessuti in lino così che non scolorisse con il lavaggio? Perché alcuni intonaci antichi resistono apparentemente molto più a lungo di quelli moderni? Possiamo “vedere” il contenuto di un vaso sigillato senza doverlo aprire? Queste sono alcune delle domande cui è possibile dare una risposta seguendo un approccio scientifico tramite indagini archeometriche. Poiché l’utilizzo di una singola tecnica fornisce specifiche informazioni a volte 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 risultati.

Archeometria al CREF

Il laboratorio attualmente in fase di sviluppo 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, ospitato nei locali del seminterrato della Palazzina di via Panisperna, 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.

Spettro di fluorescenza a raggi X di pigmenti minerali.

 

A partire dal 2019 è stata acquisita la prima strumentazione portatile installata presso il laboratorio, per analisi integrate di fluorescenza a raggi X e spettroscopia Raman e si è proceduto al collaudo e messa in opera della stessa presso il CREF. Nel corso della seconda metà del 2019 e 2020 sono stati seguiti gli iter burocratici in materia di radioprotezione ed antincendio relativamente agli spazi del laboratorio ed alla prima strumentazione a raggi X per l’utilizzo sia in sede che in-situ presso i Musei, i laboratori di restauro ed altri soggetti interessati nell’ambito di collaborazioni scientifiche di ricerca. Sono inoltre stati svolti i primi studi su pigmenti organici e inorganici per l’identificazione del set-up ottimale e la creazione di un database specifico dello strumento tramite l’analisi di campioni in polvere di composizione nota utilizzati in pittura anche in antichità. È tutt’ora in corso la determinazione dei limiti di rivelazione e quantificazione della strumentazione XRaman tramite l’analisi di campioni realizzati ad-hoc. Sono inoltre state effettuate le prime misure tramite la strumentazione a disposizione su campioni di interesse storico-artistico quali monete metalliche di epoca romana, frammenti di intonaci policromi e vetri di età punica.

Parallelamente alle attività di ricerca effettuate tramite strumentazione portatile, sono stati svolti inoltre esperimenti presso large scale facilities ed in particolare recentemente presso la sorgente di neutroni ISIS Neutron and Muon Source sono state svolte le seguenti ricerche: New dimensions in forensic profiling: imaging burned human bones at IMAT, Study of chronic mercury exposure in ancient populations from the cinnabar mining, Bronze Age Metalwork at the British Museum.

Studio di reperti ossei archeologici tramite un approccio integrato di spettroscopie vibrazionali e di neutroni [G. Festa et al, Science Advances 5, eaaw1292 (2019)].

Sono inoltre tutt’ora in corso attività di analisi dei dati di campagne di misura svolte in periodi di riferimento precedenti.

Nel prossimo triennio si prevede lo sviluppo del laboratorio tramite la messa in opera di nuova strumentazione insieme alla messa a regime delle attività di ricerca e di diffusione scientifica nell’ambito dello studio di materiali di interesse storico-artistico. Si prevede il rafforzamento e l’ampliamento dei contatti con i Musei, ed istituzioni in ambito regionale, nazionale ed internazionale, tramite la stipula di nuove convenzioni finalizzate ad attività di ricerca congiunte. Si prevede inoltre l’ampliamento del parco strumentazione del laboratorio dedicato ai beni culturali tramite il finanziamento del progetto regionale ISIS@MACH che prevede l’acquisto e messa in opera di nuova strumentazione compatta e portatile per Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), diffrazione a raggi X ed un tomografo a raggi X e la messa a sistema del laboratorio nell’infrastruttura di ricerca ISIS@MACH. Si intende inoltre portare avanti il lavoro riguardo alla costituzione di un database per pigmenti organici e inorganici tramite strumentazione portatile e lo studio dei limiti di rivelazione delle macchine nonché lo sviluppo di nuove procedure di analisi.

Si prevede di integrare allo studio di oggetti di interesse storico artistico presso il laboratorio del CREF la pianificazione di campagne di misura da svolgersi presso strutture di ricerca Europee che utilizzano fasci di neutroni e luce di sincrotrone tramite per lo svolgimento di esperimenti in collaborazione con i Musei e soggetti interessati.

Dati gli attuali sviluppi del Machine Learning applicati ai beni culturali, il CREF ha inoltre avviato collaborazioni con organizzazioni internazionali che operano nel settore, per affrontare le sfide del patrimonio culturale in modo innovativo. L’intelligenza artificiale (AI) ha un impatto crescente in diverse aree tecnologiche come il riconoscimento vocale, l’automazione, l’economia, ecc. Machine Learning (ML) è un’applicazione corrente di AI basata sul concetto per il quale il sistema è in grado di apprendere da esempi ed esperienze, senza essere esplicitamente programmato. L’approccio consiste nel fornire dati ad un algoritmo generico e l’algoritmo/macchina crea la logica in base ai dati forniti. Gli algoritmi di Machine Learning sono generalmente tramite l’utilizzo di grandi set di dati (noti anche come Big Data), e concepiti per apprendere tramite le associazioni sul set di dati e possono essere applicati anche per la soluzione di problematiche inerenti al patrimonio culturale. Il CREF, in linea con le attuali tendenze della ricerca multidisciplinare per i beni culturali, ha iniziato a collaborare con organizzazioni internazionali che lavorano nei settori del Machine Learning, dell’intelligenza artificiale, della complessità, del Data Science.

Sono inoltre in corso attività di outreach per lo studio delle policromie (Progetto “Invisible Colours”) per la realizzazione di un evento divulgativo da svolgersi online entro l’anno 2020.

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 saranno svolte congiuntamente.

Collaborazioni e sinergie

  • Anthropological Service – Soprintendenza Archeologia del Lazio e dell’Etruria Meridionale
  • Bauart – Basel (Switzerland)
  • British Museum (London, UK)
  • Ca’ Foscari University of Venice (Venezia)
  • Centro Restauro Venaria Reale (Torino)
  • CNR (IPCF)
  • 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)
  • PICAMPUS (Roma)
  • Paul Scherrer Institut, Villigen – Switzerland
  • Sapienza Università di Roma (Roma)
  • Sony Computer Science Lab (Parigi, Francia)
  • Università degli Studi di Roma “Tor Vergata” (Roma)
  • Università di Coimbra (Portogallo)
  • Università di Siena
  • Università di Palermo

Progetti finanziati

  • ISIS@MACH – Progetto Regione Lazio (MAteriali Compositi, Hub di ISIS Pulsed Neutron and Muon Source, Oxfordshire (UK)): Il progetto 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”, coordinatore del progetto, e la sorgente di neutroni ISIS Pulsed Neutron and Muon Source con sede nell’Oxfordshire (UK).
  • Progetto INVISIBLE COLOURS: finanziato dalla European Physical Society. Il Progetto “Invisible Colours” prevede l’organizzazione di un evento per il grande pubblico da realizzare in videoconferenza e riguardante “il colore” dal punto di vista fisico, la luce ed i colori e le tecniche utilizzate per lo studio di pigmenti antichi.
  • VEROSH – Progetto Regione Lazio (Virtual EploRation Of Science History). “Virtual Imaging to better understand the history of the via Panisperna Historical building, interacting with avatars of the most important people who worked at the Institute of Physics.” Il progetto riguarda lo sviluppo ed allestimento di una nuova sezione del Museo del CREF tramite approcci innovativi quali realtà virtuale, allestimento museale interattivo, etc. Il know-how acquisito sarà inoltre impiegato nella visualizzazione dei risultati scientifici del laboratorio beni culturali del CREF.

Conferenze

  • ‘Dalla Conoscenza alla Valorizzazione: il Ruolo dell’archeometria nei Musei’, Associazione Italiana di Archeometria, Reggio Calabria, 27 – 29 Marzo 2019, Museo Archeologico Nazionale.
  • FameLab 2019 – Selezioni Locali Roma, 26 febbraio 2019.
  • Special Session “Neutron Methods for Cultural Heritage” at IMEKO TC-4 International Conference on Metrology for Archaeology and Cultural Heritage”, Florence, 4-6 dicembre 2019
  • 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
  • Festa “Neutrons for Cultural Heritage”, European Conference on Neutron Scattering (ECNS) 2019. San Pietroburgo, 30 giugno – 5 luglio 2019 (invited talk)

Attività di formazione

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 del Master (SEAHA – Centre for Doctoral Training in Science and Engineering in Arts, Heritage and Archaeology, http://www.seaha-cdt.ac.uk/) e Tesi dottorato presso l’University Collage London (Convenzione per attività di ricerca e formazione tra Univ. Tor Vergata, CREF University College London (Londra, UK))
  • Studio dello stato di conservazione monete romane in bronzo provenienti da uno scavo nella zona del Palatino (Curiae Veteres – “Frequentazione del santuario in età Tardo-Repubblicana”, studio condotto dal Dip. delle Antichità, Sapienza Università di Roma), tesi di laurea presso Univ. di Bologna)
  • Corso di alta formazione “Analytical Probing with Neutrons” nell’ambito della “School of Neutron Science and Instrumentation”, Ettore Majorana Foundation and Centre for Scientific Culture, Erice previsto per il 12-17 luglio 2020 e rimandato a data da destinarsi causa emergenza COVID-19

Pubblicazioni

  • [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
  • [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
  • [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
  • May 2020 Neutron Image of the Month, https://www.radsci.co.uk/. Figure published in the paper: “Neutrons for Cultural Heritage—Techniques, Sensors, and Detection”, Giulia Festa, Giovanni Romanelli , Roberto Senesi, Laura Arcidiacono, Claudia Scatigno, Stewart F. Parker, M. P. M. Marques, Carla Andreani, Sensors 2020, 20(2), 502; https://doi.org/10.3390/s20020502
  • [2019] L. Arcidiacono, M. Martinón-Torres, R. Senesi, A. Scherillo, C. Andreani and G. Festa, “Cu-based alloys as a benchmark for T-PGAA quantitative analysis at ISIS pulsed neutron and muon source”, J. Anal. At. Spectrom., 2020,35, 331-340
  • [2019] G. Festa, C. Andreani, M. Baldoni, V. Cipollari, C. Martínez-Labarga, F. Martini, O. Rickards, M.F. Rolfo, L. Sarti, N. Volante, R. Senesi, F.R. Stasolla, S.F. Parker, A.R. Vassalo, P. Mamede, L.A.E. Batista de Carvalho and M.P.M. Marques, Old burned bones tell us about past cultures, Spectroscopy Europe, Vol. 31, 4
  • [2019] G. Festa, C. Andreani, M. Baldoni, V. Cipollari, C. Martínez-Labarga, F. Martini, O. Rickards, M.F. Rolfo, R. Senesi, F.R. Stasolla, S.F. Parker, A.R. Vassalo, L.A.E. Batista de Carvalho and M.P.M. Marques. First analysis of ancient burned human skeletal remains probed by neutron and optical vibrational spectroscopy, Science Advances 5, eaaw1292 (2019)
  • [2019] L. Arcidiacono, A. Parmentier, G. Festa, M. Martinon-Torres, C. Andreani, R. Senesi, “Validation of a new data-analysis software for multiple-peak analysis of gamma spectra at ISIS pulsed Neutron and Muon Source.”, Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A., Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A 938 (2019) 51–55
  • [2019] G. Festa, T. Christiansen, V. Turina, M. Borla, J. Kelleher, L. Arcidiacono, L. Cartechini, R.C. Ponterio, C. Scatigno, R. Senesi and C. Andreani, Egyptian metallic inks on textiles from the 15th century BCE unravelled by light and neutron probes. Scientific Reports, 9, Article number: 7310 (2019)
  • [2019] G. Festa, C. Andreani, F. D’Agostino, V. Forte, M. Nardini, A. Scherillo, C. Scatigno, R. Senesi and L. Romano, Neutrons for Pottery and Firing Technology at the Sumerian Site of Abu Tbeirah (Southern Iraq). Geosciences 9, 74, 2019. doi:10.3390/geosciences9020074