I Beni Culturali comprendono una straordinaria varietà di materiali eterogenei, ciascuno dei quali racconta una storia unica e richiede approcci specifici per il suo studio, la conservazione e la valorizzazione. Tra i materiali di natura inorganica si annoverano, ad esempio, i lapidei, i metalli, le ceramiche e i vetri mentre tra i materiali organici si classificano il legno, la carta, i tessuti, la pelle e le pergamene. La maggior parte dei materiali d’interesse sono soggetti a fenomeni di degrado di natura biologica e/o fisico-chimica reagendo alle varie fenomenologie di degrado in maniera differenziata. Spesso la compresenza di materiali differenti comporta lo sviluppo di altri composti, detti secondari, i quali si formano attraverso reazioni chimiche o processi fisici tra i materiali originari, alterandone le caratteristiche e dando origine a nuove proprietà o strutture. Inoltre, le condizioni microclimatiche di conservazione, la presenza di contaminanti, e l’applicazione di prodotti per il restauro, aggiungono un ulteriore elemento di complessità al sistema da indagare. I manoscritti, ad esempio, sono composti da parti differenti tra cui un supporto cartaceo a base di fibre vegetali, da inchiostri a base ferro-gallico, pigmenti e da rilegature realizzate generalmente con altri materiali organici. A causa dell’acidità degli inchiostri e della denaturazione del supporto cartaceo, come la depolimerizzazione, spesso sono soggetti a processi di deacidificazione periodica con prodotti di cui non si conosce la stabilità a lungo termine e che potrebbero compromettere la leggibilità delle opere. La conoscenza approfondita dei materiali costituenti e dei fenomeni di degrado richiede dunque un approccio interdisciplinare che integri fisica, chimica e scienze dei materiali. Le tecniche analitiche avanzate quali la spettroscopia infrarossa in trasformata di Fourier (FTIR), la fluorescenza a raggi X (XRF) e l’imaging iperspettrale giocano un ruolo fondamentale nello studio delle proprietà dei materiali permettendo l’identificazione di elementi, composti e loro distribuzione spaziale. 

Il più recente utilizzo di tecniche di machine learning, in questo contesto, sta trasformando il modo di affrontare tali problematiche fornendo nuove soluzioni di interpretazione dati. Questo nuovo approccio permette di trattare problematiche più complesse fornendo nuovi strumenti di indagine con la possibilità di gestire grandi quantità di dati e di considerare simultaneamente più parametri.

La linea di ricerca Fisica per i Beni Culturali è dedicata all’analisi di beni storico-artistici, tramite l’integrazione di metodologie analitiche avanzate e tecniche di intelligenza artificiale con l’obiettivo di approfondire la conoscenza, ottimizzazione della conservazione e promozione della valorizzazione del patrimonio culturale.

Le attività di ricerca sono strutturate in quattro fasi operative: a) individuazione delle problematiche emergenti e specifiche nell’ambito dei beni culturali, mediante un dialogo costante con professionisti nei settori correlati quali archeologi, museologi, conservatori, antropologi e storici; b) ricerca e sviluppo di nuove metodologie e protocolli di analisi oltre lo stato dell’arte; c) sviluppo e applicazione di metodi di classificazione ed estrazione di benchmark microscopici, tramite tecniche di machine learning per un potenziamento dell’efficacia delle indagini; d) interpretazione dei risultati ottenuti su scala microscopica nel contesto specifico tramite un approccio integrato e interdisciplinare.

In relazione alle tematiche di ricerca, sono state avviate collaborazioni di medio-lungo termine con istituzioni museali e accademiche i quali detengono i beni oggetto di studio, attraverso la stipula di accordi quadro di collaborazione. Le aree di interesse comprendono i seguenti ambiti:

• Beni librari: studio delle materie prime (inchiostri, pigmenti, adesivi, leganti, disegni, stampe ed emulsioni fotografiche) e la loro interazione con nuovi prodotti di restauro, valutazione della funzionalità e ecosostenibilità.
• Metalli: studio delle produzioni e delle materie prime che hanno caratterizzato la storia tecnologica dell’antichità.
• Reperti ossei e legni: analisi di materiali organici, quali ossa, legno e semi, rinvenuti in contesti preistorici e protostorici.
• Ceramiche: studio delle tecniche di produzione e reperimento dei materiali nell’antichità, nonché analisi dei residui organici e vegetali.

Nel corso del triennio, le finalità della linea di ricerca saranno perseguite attraverso il raggiungimento dei seguenti obiettivi scientifico-strategici:

1. Sviluppo di metodologie e protocolli innovativi per la caratterizzazione di materiali compositi nei settori indicati.
2. Implementazione di protocolli per la classificazione e estrazione di benchmark microscopici, tramite tecniche di machine learning e intelligenza artificiale.
3. Studio e caratterizzazione degli effetti a breve e lungo termine e sostenibilità di nuovi prodotti di restauro applicati ai materiali di interesse.
4. Potenziamento delle collaborazioni mediante nuovi accordi di ricerca, partecipazione a networks nazionali ed internazionali e progetti congiunti.

Gli obiettivi della linea di ricerca sono concepiti per generare innovazione contribuendo in modo decisivo al progresso delle conoscenze e delle tecnologie nel campo della conservazione del patrimonio culturale. Lo sviluppo di protocolli avanzati per la caratterizzazione di materiali e l’implementazione di tecniche basate su machine learning e intelligenza artificiale permetterà una ottimizzazione dei processi diagnostici rafforzando significativamente la capacità di analisi rispondendo alle esigenze di un settore in continua evoluzione. Il potenziamento delle collaborazioni nazionali e internazionali favorirà lo scambio di conoscenze e l’avvio di progetti congiunti che arricchiranno la ricerca scientifica, aumenteranno la visibilità internazionale.

I risultati attesi si articolano in diversi ambiti di applicazione, con particolare attenzione all’innovazione metodologica, all’approfondimento delle pratiche di restauro/conservazione e allo sviluppo di nuovi protocolli di indagine. Nel prossimo triennio, si prevede di apportare un contributo significativo allo studio dei beni librari, attraverso l’ottimizzazione della metodologia innovativa per l’attribuzione dei testi manoscritti di cui si è realizzato il primo studio. Questa metodologia si baserà sull’analisi della composizione degli inchiostri generalizzata al caso dei pigmenti, mirando a correlare informazioni microscopiche a quelle macroscopiche. Parallelamente, sarà introdotto un nuovo approccio metodologico per l’analisi dei dipinti a olio e delle stampe artistiche, finalizzato all’identificazione delle tecniche esecutive impiegate. L’approccio integrerà i dati ottenuti tramite tecniche di caratterizzazione avanzata e machine learning, correlando le informazioni relative alla struttura microscopica, alle ricette originali, alle modalità di esecuzione e allo stato di conservazione delle opere.

Nel prossimo triennio, sarà affrontato inoltre lo studio approfondito degli effetti dell’applicazione di nuovi prodotti di restauro a classi di materiali differenti di interesse storico-artistici. L’obiettivo principale sarà quello di comprendere i meccanismi di interazione e metodi di applicazione nel caso reale dei prodotti, contribuendo alla definizione di pratiche di restauro basate su dati quantitativi. In questo contesto, è previsto un primo studio sugli effetti a medio e lungo termine di prodotti basati sull’utilizzo di nanoparticelle applicate a supporti cartacei, per una maggior efficacia degli interventi e identificazione di soluzioni operative e innovative per la salvaguardia del patrimonio librario e delle opere artistiche.

Giulia Festa (Responsabile)
Claudia Scatigno
Silvia Giampaolo (assegnista)
Ivan Oliverio (PhD)
Lorenzo Teodonio (associato) 

Di seguito sono riportate le collaborazioni nazionali ed internazionali in corso. 

• Anthropological Service – Soprintendenza Archeologia del Lazio e dell’Etruria Meridionale 
• British Museum (London, UK) 
• Centro Restauro Venaria Reale (Torino) 
• CNR-IPCF 
• CNR-IBAM 
• CNR-ISC 
• CSIC- Consejo Superior de Investigaciones Científicas (Spagna) 
• ISIS Spallation Neutron Source (Oxford, UK) 
• Museo Egizio (Torino) 
• Opificio delle Pietre Dure (Firenze) 
• Paul Scherrer Institut, Villigen (Switzerland) 
• Sapienza Università di Roma (Roma) 
• University College London (Inghilterra) 
• Archivio Università Pontificia Gregoriana (Roma) 
• Istituto Centrale per la Patologia degli Archivi e del Libro
• Università Politecnica di Valencia, Dip. Fisica Applicata (Spagna) 
• Oak Ridge National Laboratory (USA) 
• Polo Culturale Mentana (MuCaM – museo civico archeologico di Mentana e dell’agro nomentano, MuGa – museo garibaldino, MASCO- Mentana Archivio Storico Comunale) 

Amendment to MoU tra Science and Technology Facilities Council (parte dell’United Kingdom Research and Innovation) ed il CREF riguardo ricerca scientifica di mutuo interesse per le parti presso la sorgente di neutroni a spallazione ISIS (Oxfordshire, UK). Referente tecnico-scientifico- Dott.ssa G. Festa. Periodo di validità: 1 novembre 2020 – 31 ottobre 2025.

Convenzioni di ricerca in corso afferenti alla linea di ricerca: 

1. Dipartimento di Scienze del Patrimonio Culturale dell’Università degli Studi di Salerno (Numismatica), referente CREF: Giulia Festa. 
2. Archivio Storico Pontificia Università Gregoriana (Beni Cartacei e supporti per la scrittura), referente CREF: Giulia. Festa. 
3. Science and Engineering in Arts, Heritage and Archaeology (SEAHA) Doctoral Centre, University College London (Neutronica per lo studio di metalli), referente CREF – G. Festa. 
4. MIC – Istituto Centrale per la Patologia degli Archivi e del Libro (Beni Cartacei e supporti di scrittura di origine naturale), referente CREF: Giulia Festa. 
5. Sono inoltre in corso attività di ricerca congiunte nell’ambito del dottorato in archeologia dell’University College London (UCL) in collaborazione con il CSIC-Consejo Superior de Investigaciones Científicas in Galizia per lo studio di manufatti in metallo dell’età del bronzo conservati presso il British Museum di Londra, referente CREF: Giulia Festa.

Nel prossimo triennio si prevede il rafforzamento e l’ampliamento dei contatti con i Musei, in ambito regionale, nazionale ed internazionale, tramite la stipula di ulteriori nuove convenzioni finalizzate ad attività di ricerca congiunte a medio e lungo termine.

Attività di outreach della linea di ricerca. Outreach activities

• [2023] Visita al laboratorio di Fisica per i Beni Culturali nell’ambito delle visite museali. 
• [2022] G. Festa. Festival della Scienza di Roma. Nell’ambito delle attività del Festival delle Scienze di Roma, partecipazione al Podcast di Adriana Migliucci “Stesi dalle Tesi.”. 
• [2022] G. Festa. Ossa, spettrometri e antichi rimedi. Quando la fisica incontra l’archeologia, Digitour, Festival della Scienza di Genova, 24 ottobre 2022. 
• [2022] Notte europea dei ricercatori, Fisica per i Beni Culturali. Attività di divulgazione scientifica presso il CREF.
• [2022] “Tutela e conservazione: i restauratori raccontano”. Presentazione degli ultimi interventi di restauro sui cimeli del museo, 7 maggio 2022 – MuGa, Polo Culturale Mentana. 
• [2022] Invisible Colours. 2 a edizione Evento online per le scuole superiori, Giulia Festa, La ricerca attraverso i colori, 27 aprile 2022. 
• [2022] Quantum Weeks a via Panisperna, 14 aprile 2022, visita ai laboratori di Fisica per i Beni Culturali. 
• [2022] Webinar 11 febbraio – CREF in occasione della Giornata internazionale delle donne e delle ragazze nella scienza, Scienziate di oggi incontrano scienziat* di domani, venerdì 11 febbraio 2022. 
• [2021] Ideazione e realizzazione della prima edizione del concorso per le scuole superiori Invisible Colours. 1 a edizione, Evento online, 27 aprile 2021

Nel prossimo triennio si prevede di dedicare una percentuale del tempo del personale per attività di outreach e divulgazione scientifica tramite la partecipazione ad eventi di divulgazione, seminari, attività specifiche e progetti di disseminazione della cultura scientifica e dei risultati della ricerca.