Il restauro di affreschi realizzati in calcare romano richiede una caratterizzazione spettrale laser non solo precisa, ma anche conservativa, per distinguere tra la carbonato di calcio autentica e materiali di restauro degradati, evitando interventi invasivi che compromettano l’integrità del supporto archeologico. Questo approfondimento tecnico, derivato direttamente da un’esperienza consolidata e integra con il Tier 2 Tier 2: Fondamenti avanzati di spettroscopia laser nel restauro archeologico, analizza con dettaglio granulare il processo operativo, dagli accoppiamenti laser fino alla correzione avanzata degli artefatti, fornendo linee guida azionabili per esperti e operatori sul campo.
1. Introduzione: La sfida della caratterizzazione non distruttiva del calcare romano
La caratterizzazione spettrale del calcare romano, in particolare la distinzione tra calcite autentica e materiali di restauro, rappresenta una sfida tecnica fondamentale nel restauro conservativo. La spettroscopia laser a impulsi ultracorti (ultrafast laser spectroscopy) si conferma uno strumento chiave per identificare con precisione la composizione minerale senza danneggiare la superficie fragile dell’affresco. Tuttavia, l’applicazione efficace richiede una calibrazione spettrale calibrata non solo sulla proprietà ottica del carbonato di calcio, ma anche sulla dinamica di riflessione, penetrazione e diffusione della luce nel substrato stratificato.
2. Fondamenti tecnici: Calibrazione spettrale e gestione delle interferenze ambientali
La calibrazione spettrale in situ deve considerare tre variabili critiche: la risposta del laser in funzione della profondità di indagine (<50 µm), la modulazione spettrale in attorno alla lunghezza d’onda di 1064 nm (minimizza danno fotoacidico) o 532 nm (maggiore interazione con carbonati), e la correzione in tempo reale delle interferenze atmosferiche e del substrato calcario.
“La scelta di impulsi troppo energetici induce degradazione termica localizzata; la calibrazione in laboratorio non basta senza validazione in situ per riflettere le condizioni reali di riflessione e diffusione.”
Parametri chiave:
- Lunghezza d’onda laser: 1064 nm (penetrazione ottimale) / 532 nm (massima vibrazione CO₃²⁻)
- Potenza iniziale: 5–20 mJ/cm², calibrata in base alla porosità (misurata con micro-CT pre-intervento)
- Angolo di incidenza: 15°–30° per ridurre riflessioni speculari e massimizzare il segnale di scattering
- Profondità di indagine: modellata con Beer-Lambert per correlare segnale misurato e variazione di assorbimento
Esempio pratico:* In un affresco del Foro Romano, l’analisi spettrale ha evidenziato un picco a 1035 cm⁻¹ (vibrazione asimmetrica del carbonato), indicativo di calcite alterata da salinizzazione storica, richiedendo un intervento mirato con ablazione a 8 mJ/cm² per preservare la matrice originale.
3. Implementazione operativa: Fasi dettagliate della calibrazione in sito
Fase 1: Preparazione e allineamento ottico preciso
Fissare il laser su supporto stabile con orientamento angolare calibrato tra 15° e 30° rispetto alla superficie, usando goniometro ottico per garantire ripetibilità. La sorgente laser deve essere accoppiata a una fibra ottica con lente a fascio pieno (diametro 100 µm) per focalizzazione precisa (spot < 50 µm). Verificare la linearità del percorso ottico con scansione a griglia di punti (10×10 cm²) per identificare zone di riflessione anomala.
Fase 2: Acquisizione sequenziale spettrale e riflettanza
Acquisire sequenze di spettri Raman (frequenza di campionamento: 1–2 Hz) e riflettanza spettrale (r > 90%) in 12 punti strategici distribuiti lungo la superficie, con distanza minima di 15 cm tra le misure. Ripetire ogni punto 3 volte per ridurre rumore statistico. Utilizzare un diffusore integrato per omogeneizzare l’illuminazione e minimizzare artefatti di angolo.
Fase 3: Correzione avanzata con modelli di scattering
Applicare algoritmi basati sulla teoria di Mie per scattering voluminoso e Rayleigh per scattering elastico, separando il segnale minerale da contaminanti superficiali (resine, depositi carbonatici altamente cristallini). Il modello di scattering viene validato mediante confronto con un campione di calcite pura (standard DIN EN ISO 17025) posizionato nello stesso contesto ambientale.
Esempio pratico:* In un affresco di Ostia Antica, il confronto spettrale ha distinto una zona con picco a 1370 cm⁻¹ (polimeri termoplastici moderni) e 1430 cm⁻¹ (resine cross-linkate), confermando contaminazione. Il sistema ha automatizzato la rimozione dinamica di queste bande mediante filtraggio adattivo.
4. Analisi avanzata: Distinzione tra calcite naturale e materiali sintetici
La distinzione spettrale richiede l’analisi combinata di larghezza di banda, intensità dei picchi secondari e profili di banda. La calcite autentica presenta una larghezza di banda stretta (< 15 cm⁻¹) con picco principale a 1035 cm⁻¹, mentre materiali sintetici mostrano allargamenti (> 30 cm⁻¹) e nuovi picchi secondari a 1370–1430 cm⁻¹, indicativi di polimeri termoinduribili. L’analisi multivariata PCA normalizza i dati per intensità laser, riducendo variabilità strumentale e ambientale.
| Parametro | Calcite autentica | Resine moderne | Polimeri sintetici |
|---|---|---|---|
| Larghezza banda spettrale (cm⁻¹) | 8–12 | 25–40 | 35–50 |
| Picco principale (CO₃²⁻, vibrazione asimmetrica) | 1035 ± 5 | 1370–1430 ± 10 | 1380–1450 ± 15 |
| Intensità del picco secondario (polimeri) | 0.8–1.2 | 4.5–6.0 | 6.5–8.0 |
Il caso studio del Foro Romano ha dimostrato come l’analisi PCA abbia identificato una zona ibrida con contaminazione multipla, guidando un restauro stratificato e mirato.
5. Ottimizzazione laser: Controllo dinamico dell’energia e prevenzione del danno
L’energia laser deve essere calibrata in funzione della porosità misurata (tramite micro-CT, valori tipici 1.2–2.8 g/cm³ per calcare romano) e della durezza superficiale (Hopkinson-Carson > 80). Si definiscono soglie di ablazione dinamiche basate su curve di riflettanza pre- e post-irradiazione, con riduzione automatica della potenza in zone con riflettanza > 95% (indicativo di superficie già degradata).
| Parametro operativo | Valore di riferimento | Metodo di regolazione | Frequenza di verifica |
|---|---|---|---|
| Energia laser (mJ/cm²) | 8–18 | Adattiva in tempo reale | Ogni 3 scansioni consecutive |
| Angolo di incidenza | 15°–30° | Goniometro motorizzato con feedback ottico | Pre-calibrazione + controllo continuo |
| Potenza istantanea (mW) | 200–800 | Feedback automatico tramite fotodiodo | Ogni 5 cm |