Archaeometrical techniques applied to cultural heritage and to other disciplines

Il termine archeometria significa letteralmente "misura dell'antico". È ormai consolidato che questo è un campo multidisciplinare in cui le scienze esatte danno il loro contributo agli studi relativi al patrimonio culturale. Verosimilmente, le tecniche archeometriche possono essere estese ad altri settori specializzati, offrendo un'alternativa ad analisi più tradizionali. Questo continuo scambio tra le scienze dure e l'archeometria, e la correlata natura multidisciplinare, collegano i diversi temi di ricerca affrontati in questa tesi. La prima parte è dedicata allo studio degli effetti di materiali innovativi, sviluppati nell'ambito di recenti progetti europei, nel patrimonio culturale. Nel primo progetto MESSIB, la ricerca si è concentrata sui materiali a cambiamento di fase (PCMs), utilizzati per stabilizzare la temperatura a breve termine sfruttando la loro energia termica latente. È stata valutata una potenziale nuova applicazione dei PCMs agli oggetti del patrimonio, consistente nel posizionare pannelli contenenti PCMs in contatto con un'opera d'arte. Cere di paraffina micro-incapsulate in pannelli di gesso e silicone sono state testate sia in laboratorio che in casi studio reali - al Museo dell'Opera di Santa Croce a Firenze e al Museo Archeologico di Novelda-Alicante (Spagna). Nel secondo progetto EFFESUS, sono stati analizzati gli effetti sul microclima all'interno degli edifici storici dopo l'installazione di materiali isolanti: fibra di aerogel per l'uso in cavità della parete, malta isolante interna, rivestimento riflettente esterno. La valutazione del loro impatto, attraverso tecniche tradizionali, è importante nell’attuale contesto di rinnovamento del patrimonio culturale. I materiali innovativi sono stati installati in 3 edifici storici (a Glasgow, Regno Unito - Benediktbeuern, Germania - Istanbul, Turchia) e le loro prestazioni sono state valutate in termini di miglioramento dell'efficienza energetica e del comfort termico interno. La seconda parte riguarda l'inusuale applicazione di due tecniche di immagine archeometriche, a settori di impatto sociale, quali fluidodinamica e agroalimentare. In primo luogo, è stato costruito un sistema ottico Schlieren per visualizzare i flussi d’aria attraverso le piccole variazioni dell'indice di rifrazione, derivanti dalle fluttuazioni di pressione e/o temperatura. I vantaggi dell'uso della tecnica Schlieren, anziché i tradizionali studi fluidodinamici, consistono nella sensibilità ai cambiamenti, nessuna interferenza con il flusso e restituzione di un'immagine che visualizza immediatamente la direzione del flusso. L'obiettivo finale sarebbe monitorare i movimenti d'aria prodotti dal funzionamento degli impianti di riscaldamento/condizionamento, al fine di migliorarne le condizioni operative in base al luogo di installazione. In particolare risulterebbe utile negli ambienti sanitari per ridurre il rischio di infezioni. Il lavoro sperimentale si è concentrato sulla stima del volume sensibile dell'area di lavoro e sulla quantificazione della sensibilità ai cambiamenti dell'indice di rifrazione del sistema costruito in laboratorio. In secondo luogo, si è studiata la possibilità di utilizzare la spettroscopia per immagini per l'analisi degli oli commestibili. La spettroscopia consente la determinazione qualitativa dei composti organici studiando le bande di assorbimento nello spettro elettromagnetico, che variano in funzione della natura e della composizione del campione. Tuttavia, i campioni di olio vengono solitamente analizzati in laboratorio con dispositivi multispettrali piuttosto costosi. Pertanto, i vantaggi dell'uso della spettroscopia per immagini consistono nella portabilità ed economicità del sistema. L’obiettivo del lavoro sperimentale è stato la validazione della tecnica per questa particolare applicazione, ottenendo spettri di riflettanza di oli extravergini di oliva e di oli raffinati, simili a quelli ottenuti con lo spettrofotometro.

The term archaeometry literally means "measure of the ancient". It is well-established that this is a multidisciplinary field in which the exact sciences give their contribution to the studies related to cultural heritage. Likely, consolidated archaeometrical techniques could be extended to other specialized subjects to offer an alternative to more traditional analysis, e.g. in terms of affordability or easiness of interpretation. This continuous exchange between hard sciences and archaeometry, and the correlated multidisciplinary nature, link the different research themes addressed in this thesis. The first part is dedicated to study the effects of innovative materials – developed within recent European projects - in cultural heritage. Within the first project MESSIB, the research was focused on the phase change materials (PCMs), used to stabilize the temperature over short-term time cycles by exploiting their latent thermal energy. A potentially new application of the PCMs’ technology to heritage objects was evaluated, consisting in placing boards incorporating PCMs in contact with a work of art. Micro-encapsulated paraffin waxes embedded in gypsum and silicone panels were tested both in laboratory and in real case studies - at the S. Croce Opera Museum in Florence and at the Archaeological Museum in Novelda-Alicante (Spain). Within the second project EFFESUS, the effects on microclimate inside historic buildings were analysed after the installation of insulating materials: aerogel fibre in the cavities of walls, inner insulating mortar, outer reflective coating. Their evaluation through traditional techniques has revealed worthy to study their impact especially in the frame of the actual needs of renovation of the large cultural heritage patrimony. The innovative materials were installed in 3 historical buildings (in Glasgow, UK – Benediktbeuern, Germany – Istanbul, Turkey) and their performances were evaluated in terms of improvement of energy efficiency and internal thermal comfort. The second part deals with the unusual application of two archaeometric image techniques - for their character of interdisciplinarity - into sectors of social impact, such as fluid dynamic in health environment and agrifood. Firstly, a Schlieren optical system was built to visualize the streak-like appearance of fluid flow due to small changes in the refractive index, arising from variations in pressure and/or temperature of air. The advantages of the use of the Schlieren technique, instead of traditional fluid dynamic studies, consist in the sensitivity to changes, no interference with flow and in the return of an image, which immediately visualize the direction of the airflow. The final objective would be to monitor the air movements produced by the functioning of the heating/air conditioning systems, in order to improve their operating conditions according to the place of installation. In particular, it would be worthwhile in sanitary environments in order to reduce the risk of infections. The experimental work focused on the estimation of the sensitive volume of the working area and the quantification of the sensitivity to changes in the refractive index of the system built in the laboratory. Secondly, image spectroscopy was investigated as a reliable technique for the analysis of edible oils. Spectroscopy allows the qualitative determination of organic compounds by studying the absorption bands in the electromagnetic spectrum, which vary in function of the nature and the composition of the sample. However, oil samples are usually analysed in laboratory with quite expensive multispectral devices. Therefore, the advantages of the use of image spectroscopy would be portability of the system and affordability in terms of costs. The challenge of the experimental work was to validate this application, by obtaining reflectance spectra of olive and refined oils similar to those obtained with the spectrophotometer.