Sapere Scienza

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Che colori! Ma quali saranno? Lo scopriamo con la diffrattometria a raggi X

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Che colori! Ma quali saranno? Lo scopriamo con la diffrattometria a raggi X www.lascaux.culture.fr

 

Immagine tratta dal sito www.lascaux.culture.fr. Chissà qual è il pigmento adoperato per il rosso delle bellissime pitture rupestri conservate nella Grotta di Lascaux, in Dordogna (Francia)?

 

Come vi accennavo nel post precedente possiamo identificare con precisione i "colori" di un’opera d’arte adoperando alcune tecniche diagnostiche. In questa puntata parlerò della diffrazione di raggi X (XRD): non solo utile per i pigmenti ma anche applicabile per la caratterizzazione di pietre preziose, materiali utilizzati a fini conservativi e prodotti di corrosione o di inclusione di metalli, rocce, ceramiche, vetri e smalti. Le tecniche basate sulla diffrazione di raggi X, adoperabili su cristalli singoli o su piccoli quantitativi di polveri, sono fondamentali per il progresso delle conoscenze in campo archeometrico e per la conservazione e restauro dei beni culturali.

 

Il nome di questo tipo di analisi un po’ intimorisce ma cerchiamo di andare avanti un passo per volta. Quali sono i pigmenti rilevabili da questa specifica tecnica? Sono quelli costituiti dalle polveri di minerali e rocce, il perché lo scoprirete presto.

 

Una roccia è un aggregato naturale di minerali e un minerale è un solido cristallino, inorganico, avente una composizione chimica ben definita. E quel “cristallino” cosa sta a significare? Proprio in quell’aggettivo c’è la chiave che ci permetterà di capire come funziona l’XRD. Un cristallo è un solido costituito da atomi, molecole o ioni aventi una disposizione geometricamente regolare, che si ripete indefinitamente nelle tre dimensioni spaziali, detta reticolo cristallino.

 

 

Fig2 ematite

 

Fonte: www.johnbetts-fineminerals.com, www.mineraldata.org. Campione macroscopico e reticolo cristallino dell’ematite, Fe2O3, un ossido di ferro di colore rosso, utilizzato nella grotta di Lascaux.

 

La diffrazione, a sua volta, è quel fenomeno fisico per cui un’onda elettromagnetica devia quando incontra una fenditura (o un’apertura) avente dimensioni paragonabili o minori rispetto alla lunghezza d’onda della radiazione incidente. Guardiamo la figura in basso.
La fenditura diviene sorgente puntiforme di un’onda sferica. Con più fenditure le onde formatesi possono dare vita a fenomeni di interferenza costruttiva. Per semplificare potremo dire che si ottiene un’onda la cui ampiezza è la somma delle onde che si sono sovrapposte.

 

fig1 diffrazione

(a) La lunghezza d’onda dell’onda è maggiore della dimensione della fenditura; (b) La lunghezza d’onda dell’onda è paragonabile alla dimensione della fenditura; (c) Le due fenditure diventano sorgenti puntiformi di onde sferica che potranno generare fenomeni di interferenza costruttiva.

 

Nel nostro caso l’onda elettromagnetica sarà un fascio di raggi X, avente lunghezza d’onda dell’ordine di 0,1 nanometri (il nanometro è 1/1000000 del più conosciuto millimetro) e le fenditure saranno gli spazi interatomici presenti dal reticolo di un cristallo.

 

L’interferenza costruttiva si avrà quando sarà soddisfatta la Legge di Bragg:

 

legge Bragg def

 

nλ=2d  sin⁡θ

 

Dove n è un numero intero, λ (lambda) è la lunghezza d’onda del fascio di raggi X incidente, d è lo spazio interatomico e θ (theta) è l’angolo tra il fascio di RX e il piano del reticolo. L’operatore conosce lambda e theta e quindi sarà possibile calcolare la d. Questo ci aiuterà a capire quali minerali abbiamo davanti.

 

La diffrazione di raggi X per polveri, nell’ambito dei beni culturali e non solo, è una tecnica che utilizza un fascio di raggi X estremamente collimato per caratterizzare la struttura cristallografica di materiali naturali o artificiali. Un vantaggio del metodo è la quantità estremamente ridotta di campione necessario e la possibilità, con strumentazione apposita, di condurre l’analisi direttamente sulla superficie di oggetti piatti e di ridotte dimensioni. Tutti i minerali hanno strutture cristallografiche uniche quindi la diffrattometria a raggi X può essere adoperata per identificare con precisione il minerale in questione confrontando i dati ottenuti con quelli raccolti nel database di minerali e composti noti. L’XRD riesce a identificare il minerale o l’insieme dei minerali presenti nel campione confrontando i suoi valori di d con il database del centro internazionale per i dati sulla diffrazione (ICDD -International Centre for Diffraction Data).

 

Dopo questo breve excursus sulla tecnica, vi andrebbe di conoscere un caso di studio? Se sì, l’appuntamento è per la prossima settimana. À bientôt!

 

 

 

 

Alessia Colaianni

Giornalista pubblicista, si è laureata in Scienza e Tecnologia per la Diagnostica e Conservazione dei Beni Culturali e ha un dottorato in Geomorfologia e Dinamica Ambientale. Divulga in tutte le forme possibili e, quando può, insegna.

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