Nanomateriali dal Medioevo

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La pala d’altare analizzata è stata probabilmente realizzata nel 1420 nell
La pala d’altare analizzata è stata probabilmente realizzata nel 1420 nella Germania meridionale ed è stata conservata a lungo in una cappella di montagna sull’alpeggio di Leiggern, nel Vallese. Oggi è esposto al Museo Nazionale Svizzero di Zurigo.

Per dorare le sculture, gli artisti del tardo Medioevo usavano spesso una sottilissima pellicola d’oro su uno strato d’argento. Per la prima volta, i ricercatori del Paul Scherrer Institute PSI hanno ottenuto immagini tridimensionali di questa doratura, nota come Zwischgold. Le immagini mostrano quanto fosse sofisticata questa tecnica di lavorazione medievale e spiegano perché il restauro di queste opere d’arte sia così difficile.

I campioni, analizzati presso la Swiss Light Source SLS con tecniche di microscopia all’avanguardia, erano insoliti anche per l’esperto team del PSI. Si tratta di piccoli pezzi di materiale proveniente da una pala d’altare e di sculture lignee risalenti all’VIII secolo. La pala d’altare fu probabilmente realizzata intorno al 1420 nella Germania meridionale e fu conservata a lungo in una cappella di montagna sull’Alpe di Leiggern, nel Vallese. Oggi è esposto al Museo Nazionale Svizzero di Zurigo. Al centro è raffigurata Maria che tiene in braccio il Bambino Gesù e il campione è stato prelevato da una piega della veste della Vergine. I piccoli campioni delle altre due sculture medievali sono stati messi a disposizione dal Museo di Storia di Basilea.

Il materiale esaminato è stato utilizzato per la doratura. Tuttavia, non si tratta di una semplice foglia d’oro, ma di una foglia bifacciale, in cui l’oro è stabilizzato su una foglia d’argento sotto forma di una pellicola estremamente sottile. Chiamato Zwischgold o oro parziale in italiano, era molto più economico della foglia d’oro pura. Sebbene l’oro parziale fosse spesso utilizzato nel Medioevo, finora si sapeva poco di questo materiale", spiega il fisico del PSI Benjamin Watts. Per questo abbiamo voluto analizzare i campioni con una tecnica 3D che rivelasse anche i più piccoli dettagli. Sebbene l’oro parziale fosse già stato esaminato con altre tecniche di microscopia, queste mostravano solo una sezione trasversale bidimensionale del materiale. In questo modo è stato possibile osservare solo la superficie di taglio e non l’interno del materiale. I ricercatori erano anche preoccupati di modificare la struttura del campione tagliandolo. Il metodo ora utilizzato, noto come tomografia ptychographic, ha fornito per la prima volta un’immagine tridimensionale dell’interno dell’oro parziale.

I raggi X forniscono modelli di diffrazione

Per farlo, i ricercatori hanno utilizzato i raggi X prodotti all’SLS. I tomogrammi possono essere generati in questo modo e consentono di visualizzare dettagli nell’ordine dei nanometri (milionesimi di millimetro). "La pittografia è un metodo piuttosto insolito, perché non si dispone di una lente di messa a fuoco che forma un’immagine direttamente sul rivelatore", spiega Benjamin Watts. Con la pittografia, si ottiene un modello di diffrazione dell’area illuminata, ovvero un’immagine con punti di intensità diversa. Muovendo il campione in un modo specifico, si possono generare centinaia di schemi di diffrazione sovrapposti. "Possiamo quindi combinare questi schemi di diffrazione come in un grande Sudoku e ricostruire l’immagine originale", spiega il fisico. Combinando una serie di immagini pittografiche scattate a vari angoli di orientamento, si ottiene un tomogramma tridimensionale.

Il vantaggio di questo metodo è l’altissima risoluzione. Sapevamo che lo spessore del campione parziale di oro prelevato dalla veste della Vergine era di circa cento nanometri", osserva Benjamin Watts. Dovevamo quindi essere in grado di catturare anche i dettagli più piccoli. I ricercatori sono riusciti a farlo utilizzando la tomografia ptychographic, come riportano nella rivista Nanoscale. "Le immagini 3D mostrano chiaramente quanto sia sottile il film d’oro e quanto sia uniformemente distribuito sullo strato d’argento", spiega Qing Wu, primo autore della pubblicazione. La storica dell’arte e scienziata della conservazione ha svolto la sua tesi all’Università di Zurigo, in collaborazione con il PSI e il Museo Nazionale Svizzero di Zurigo. "Alcuni pensano che il livello tecnologico non fosse particolarmente avanzato nel Medioevo. Al contrario", dice. Il Medioevo non fu un periodo buio, ma un’epoca in cui la metallurgia e l’arte della doratura raggiunsero il massimo splendore".

Svelata la ricetta segreta

Tuttavia, non esistono schizzi che mostrino come sia stato realizzato l’oro parziale. "Presumiamo che gli artigiani abbiano tenuto segreta la loro ricetta", dice Qing Wu. Tuttavia, grazie alle immagini in nanoscala e ai documenti di epoche successive, lo storico dell’arte sa ora come si faceva nell’VIII secolo. Innanzitutto, l’oro e l’argento venivano martellati separatamente in fogli sottili, molto più sottili di quelli d’argento. Le due lastre di metallo sono state poi battute insieme. Venivano utilizzati strumenti speciali per la battitura e casse con diversi scomparti in vari materiali in cui venivano inserite le foglie", spiega Qing Wu. Il processo era piuttosto complicato e richiedeva specialisti qualificati".

Secondo le nostre analisi dei campioni parziali di oro, lo spessore medio dello strato d’oro era di 30 nanometri, mentre i fogli d’oro prodotti nelle stesse regioni e negli stessi tempi avevano uno spessore di circa 140 nanometri", spiega Qing Wu. Questo ha permesso di risparmiare molto oro. La gerarchia dei materiali era molto rigida. Ad esempio, per l’aureola della figura si usava la foglia d’oro, mentre per i vestiti si usava un oro parziale. Poiché l’oro parziale aveva una lucentezza più fredda, gli artisti lo usavano spesso per i capelli o le barbe delle loro statue. "Il fatto che qualcuno, con soli strumenti manuali, sia stato in grado di produrre un nanomateriale di questo tipo è sorprendente", afferma Benjamin Watts. Gli artigiani medievali sfruttarono un particolare comportamento dei cristalli d’oro e d’argento quando vengono compressi. Il loro allineamento è conservato in tutta la pellicola metallica. "Una felice coincidenza della natura che permette a questa tecnica di funzionare", sostiene il fisico.

La superficie dorata diventa nera

Tuttavia, le immagini 3D dell’oro parziale mostrano anche gli svantaggi di questo materiale. L’argento può passare attraverso lo strato d’oro e ricoprire la superficie dell’oro. L’argento si muove in modo sorprendentemente rapido, anche a temperatura ambiente. Nel giro di pochi giorni, sull’oro si forma un sottile strato di argento. Una volta in superficie, l’argento entra in contatto con l’acqua e lo zolfo dell’aria e si corrode. Con il tempo, la superficie dell’oro diventa nera", spiega Benjamin Watts. L’unica cosa che si può fare contro questo fenomeno è rivestire la superficie con una vernice in modo che lo zolfo non possa attaccare l’argento formando solfuro d’argento. Questo problema era già noto agli artigiani dell’epoca, che applicavano resina, colla o altre sostanze organiche come vernice. "Ma dopo centinaia di anni, questo strato protettivo si è consumato, permettendo alla corrosione di fare il suo corso", aggiunge Qing Wu.

La corrosione fa sì che sempre più argento venga attirato in superficie, lasciando una cavità sotto l’oro parziale. "Siamo rimasti sorpresi nel vedere quanto fosse visibile questo vuoto sotto lo strato metallico", afferma Benjamin Watts. In particolare, l’oro parziale era chiaramente staccato dallo strato di base sul campione proveniente dall’indumento di Maria. "Questa cavità può causare instabilità meccanica e riteniamo che in alcuni casi solo la vernice protettiva sull’oro parziale tenga in posizione la lastra metallica", continua Qing Wu. Questo è un problema molto grave per il restauro, perché i solfuri d’argento possono essere incorporati nello strato di vernice o nel substrato sotto l’oro parziale. "Se rimuoviamo questi antiestetici prodotti di corrosione, scompare anche lo strato protettivo e perdiamo tutto", afferma l’autrice. Il conservatore spera che in futuro si possa sviluppare un materiale speciale per riempire questa cavità e preservare l’oro parziale. "Con l’aiuto della tomografia ptipografica, abbiamo potuto verificare come un prodotto di consolidamento di questo tipo possa essere in grado di svolgere il suo lavoro", conclude l’autrice.

Testo: Barbara Vonarburg