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CREF nasce con la duplice anima di Centro di Ricerca e di Museo Storico, con l’intento di conservare e diffondere la memoria di Enrico Fermi, oltre che favorire un’ampia diffusione e comunicazione della cultura scientifica.

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la ricerca

Fisica per i Beni Culturali

Responsabile della linea di ricerca
Giulia Festa
Introduzione

Qual è la ricetta di preparati e medicamenti utilizzati in epoche passate? In che modo antichi popoli forgiavano il metallo? È possibile identificare l’autore di uno scritto tramite l’analisi dell’inchiostro utilizzato? Queste sono solo alcune delle domande alle quali è possibile rispondere tramite studi di carattere interdisciplinare investigando i materiali e manufatti del passato tramite strumenti e metodi propri delle discipline scientifiche. Reperti quali metalli, ceramiche, manoscritti, lapidei sono analizzati tramite tecniche chimico-fisiche non distruttive e non invasive e le informazioni quantitative ottenute risultano fondamentali per la definizione dell’attribuzione, la provenienza dei materiali, la loro datazione, lo stato di conservazione e le tecniche di lavorazione. 

Finalità e obiettivi

La linea di ricerca “Fisica per i Beni Culturali” è caratterizzata da attività sperimentali di analisi dei materiali d’interesse storico-artistico e dall’utilizzo di metodi innovativi per l’interpretazione dei dati quali il Machine Learning. Tra i materiali presi in esame ci sono ceramiche, metalli, carte, tessuti, papiri, inchiostri, ossa e reperti organici. Scopo della ricerca sono problematiche di carattere archeologico-conservativo che emergono dalla collaborazione con archeologi, conservatori, chimici, museologi, antropologi e archivisti.

Le attività sperimentali sono svolte tramite la strumentazione portatile di cui dispone il laboratorio di “Fisica per i Beni Culturali” del CREF, utilizzabile anche in-situ presso i Musei, eventualmente integrata da misure presso Large Scale Facilities attraverso programmi di accesso a strumentazione avanzata di neutroni e radiazione di sincrotrone. Il personale è inoltre impegnato in attività di divulgazione scientifica inerenti alla linea di ricerca, in stretta connessione con le attività del museo e di outreach dell’Ente.

Contenuti e metodi

Tutti gli studi sono condotti tramite l’utilizzo di tecniche non-distruttive e non-invasive quali la fluorescenza a raggi X (ED-XRF), spettroscopia Raman e spettroscopia infrarossa in trasformata di Fourier (FTIR) disponibili nel laboratorio CREF, ed altre tecniche complementari quali diffrazione X e neutroni, spettroscopia gamma, imaging a raggi X e neutroni disponibili tramite accesso ad infrastrutture di ricerca esterne. 

Di seguito sono presentate in dettaglio le principali attività di ricerca effettuate o in corso di svolgimento nel periodo di riferimento: 

  • Pigmenti, leganti e loro interazione. Lo studio prevede attività sperimentali seguite da statistica multivariata e Machine Learning per l’analisi di dipinti. Sviluppo di un nuovo metodo di analisi dati per la caratterizzazione dei dipinti tramite tecniche spettroscopiche e Machine Learning. Lo studio fornisce la base per eventuali analisi di dipinti con particolare attenzione al ben noto pittore Michelangelo Merisi detto il Caravaggio. 
  • Diffrazione di neutroni in-situ per l’analisi della struttura cristallina di ossa soggette a combustione anaerobica. Lo studio ha permesso di identificare e quantificare le variazioni strutturali e di cristallinità durante il riscaldamento in condizioni anaerobiche per l’identificazione di biomarcatori di temperatura. Il lavoro svolto, oltre che in archeologia, può avere un impatto anche nelle scienze forensi, aprendo la strada verso un nuovo campo di ricerca. 
  • Metallurgia nell’antico Egitto. Studio delle tecniche di lavorazione di vasi metallici appartenenti al Corredo Funerario di Kha e Merit (Museo Egizio di Torino) tramite diffrazione a raggi X e Machine Learning. 
  • Benchmarks minerali in ceramiche Sumere. Lo studio riguarda lo sviluppo di un nuovo approccio attraverso la spettroscopia FTIR e il Machine Learning per l’identificazione delle fasi primarie e secondarie e le alterazioni termiche dovute ai processi di cottura delle materie prime. La procedura è stata applicata allo studio di ceramiche sumere provenienti dal sito archeologico di Abu Tbeirah (4000-2000 a.C.) in Iraq. 
  • Elemental and molecular benchmarks in EVOO. Sviluppo di una procedura analitica per il monitoraggio della qualità, della tracciabilità e per la valutazione della sicurezza nell’industria alimentare dell’olio extravergine di oliva italiano (EVOO) mediante spettroscopia infrarossa, fluorescenza a Raggi X e Machine Learning. In particolare, è possibile identificare l’origine geografica, il tipo di cultivar utilizzato e l’eventuale adulterazione. Il lavoro ha un notevole impatto nel campo della Food Science. 
  • Hydrogen Detection Limits and Instrument Sensitivity. Sviluppo di nuovi metodi per la determinazione rigorosa della sensibilità strumentale di spettrometri di scattering neutronico inelastico (INS). Il lavoro svolto fornisce un punto di riferimento rispetto al quale valutare le performances degli strumenti attuali e futuri. 
  • Riti di sepoltura della Roma Imperiale. Lo studio riguarda l’analisi tramite spettroscopie vibrazionali di resti ossei ritrovati nell’Ipogeo delle Ghirlande, a Grottaferrata (Roma). L’Ipogeo delle Ghirlande è uno straordinario sito sepolcrale di epoca romana risalente al I-II secolo d.C. e scoperto nel 2000. I risultati ottenuti forniscono elementi significativi per comprendere la storia del sito ed i riti di sepoltura.
  • Preparati e medicamenti del XVII e XVIII secolo. Studio in collaborazione con il Museo di Medicina di Sapienza Università di Roma, con la partecipazione della Dott.ssa Miriam Focaccia. Le attività mirano a comprendere la farmacologia e le farmacopee nonché le formulazioni di antichi preparati e medicamenti. È stato adottato un approccio multidisciplinare che combina la caratterizzazione chimico-fisica con l’informazione storico-scientifica e la contestualizzazione culturale. 
  • Manoscritti e testi librari del XVII e XVIII secolo. Studio in collaborazione con la Pontificia Università Gregoriana di Roma riguardo a manoscritti quali la copia originale dell’opera magna del gesuita Jesuit Antonio Vieira (1608-1697 BC). Lo studio riguarda l’analisi di adesivi, inchiostri, carte e prodotti di restauro all’avanguardia per testare la loro durabilità ed efficacia. 
  • Studio delle filigrane del Corpus Chartarum Italicarum del XVI secolo. Studio combinato delle tecniche spettroscopiche come XRF e t-FTIR in combinata con tecniche di Machine Learning per lo studio delle ricette e le tecnologie delle cartiere attorno a Fabriano, centro di diffusione di un nuovo metodo di fabbricazione della carta che si è stato poi esportato in tutta l’Europa.
  • Numismatica. Lo studio riguarda l’analisi di monete appartenenti a diverse collezioni di differente periodo storico e provenienza per l’individuazione di benchmarks specifici per l’attribuzione ed autenticazione. 
  • Nanoparticelle di SiO2. Nuovi trattamenti di conservazione della Pietraforte Arenaria testati su campioni provenienti da Palazzi Rinascimentali di Firenze.
  • Imaging di neutroni e tecniche di Machine Learning. Sviluppo di nuove tecniche di analisi dati di imaging per l’ottimizzazione di nuove metodologie per l’estrazione di features significative.

Attività di outreach della linea di ricerca. 

  • [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.

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.

Giulia Festa (90%), Claudia Scatigno (90%), Miriam Focaccia (3%), Lorenzo Teodonio associato CREF (100%). 

  • G. Festa (corresponding author), M.S. Maggio, L. Teodonio, C. Scatigno, “Ancient handwriting attribution via spectroscopic benchmarks and machine learning: ‘Clavis Prophetarum’ by Antonio Viera”, Expert Systems With Applications, 227, 120328, 2023
  • G. Festa (corresponding author), A.P. Mamede, D. Gonçalves, E. Cuna, W. Kockelmann, S.F. Parker, L.A.E. Batista de Carvalho and M.P.M. Marques, “In-situ anaerobic heating of human bones probed by neutron diffraction”, Anal. Chem. 95, 4, 2469–2477, 2023
  • C. Scatigno, G. Festa (corresponding author), “Neutron Imaging and Learning Algorithms: New Perspectives in cultural heritage applications”, Journal of Imaging, 8(10), 284284, 2022 
  • F. Valentini, P. Pallecchi, M. Relucenti, O. Donfrancesco, G. Sottili, I. Pettiti, V. Mussi, S. De Angelis, C. Scatigno, G. Festa. “SiO2 nanoparticles as new repairing treatments toward the Pietraforte Limestone in Florence Renaissance buildings”, Crystals, 12, 9, 1182, 2022 
  • L. Teodonio, C. Scatigno, M. Missori, G. Festa, “Late Middle Age Watermarked Italian paper: a Machine Learning spatial-temporal approach”, Journal of Cultural Heritage, 57, 53-59, 2022 
  • C. Scatigno and G. Festa, “FTIR coupled with machine learning to unveil spectroscopic benchmarks in the Italian EVOO”, International Journal of Food Science and Technology, 57, 7, 4156 – 4162, 2022 
  • G. Festa (corresponding author), M. Rubini, P. Zaio, A. Gozzi, N. Libianchi, S.F. Parker, G. Romanelli, L.A.E. Batista de Carvalho, M.P.M. Marques, “Vibrational spectroscopy to study ancient Roman funerary practices at the Hypogeum of Garlands”, Scientific Reports, 12, 3707, 2022 
  • G. Festa, C. Scatigno, M.L. Saladino, F. Armetta, V. Ciaramitaro, V. Mollica Nardo, R.C. Ponterio, “Chemometric tools to point out benchmarks and chromophores in pigments through spectroscopic data analyses”, Molecules: Physical Chemistry in Cultural Heritage, 27, 163, 2022 
  • M. Leona, K. Fukunaga, H. Liang, P. Baglioni, G. Festa (corresponding authors for the section “How can we see the internal structure and composition of 3D objects”), V. Levchenko. From “Physics to art and back”, Nature Reviews Physics. https://doi.org/10.1038/s42254-021-00362- x, 2021 
  • C. Scatigno, G. Festa, “A first elemental pattern and geo-discrimination of Italian EVOO by energy dispersive X-ray fluorescence and chemometrics”, Microchemical Journal, 171, 106863, 2021 
  • C. Scatigno, N. Prieto-Taboada, G. Festa, J. M. Madariaga, “Soluble salts quantitative characterization and thermodynamic modeling on Roman Bricks to assess the origin of their formation”, Molecules, 26, 10, 2866, 2021 
  • G. Festa, M.L. Saladino, V. Mollica Nardo, V. Renda, G. Nasillo, R. Pitonzo, A. Spinella, M. Borla, E. Ferraris, V. Turina, R.C. Ponterio, “Identifying the Unknown Content of an Ancient Egyptian Sealed Alabaster Vase from Kha and Merit’s Tomb Using Multiple Techniques and Multicomponent Sample Analysis in an Interdisciplinary Applied Chemistry Course”, Journal of Chemical Education, 98, 2, 461–468, 2021

PRIN 2022) – SLOW SUMER. Repair, Reuse, Recycling and Southern Mesopotamian Society in the Changing World of 2500-2000 BC. Coordinatore CREF Dott.ssa G. Festa, contributo