Application of FTIR microscopy to cultural heritage materials

Research in art conservation has been developed from the early 1950s, giving a significant contribution to the conservation-restoration of cultural heritage artefacts. In fact, only through a profound knowledge about the nature and conditions of constituent materials, suitable decisions on the conservation and restoration measures can thus be adopted and preservation practices enhanced. The study of ancient artworks is particularly challenging as they can be considered as heterogeneous and multilayered systems where numerous interactions between the different components as well as degradation and ageing phenomena take place. However, difficulties to physically separate the different layers due to their thickness (1-200 µm) can result in the inaccurate attribution of the identified compounds to a specific layer. Therefore, details can only be analysed when the sample preparation method leaves the layer structure intact, as for example the preparation of embedding cross sections in synthetic resins. Hence, spatially resolved analytical techniques are required not only to exactly characterize the nature of the compounds but also to obtain precise chemical and physical information about ongoing changes. This thesis focuses on the application of FTIR microspectroscopic techniques for cultural heritage materials. The first section is aimed at introducing the use of FTIR microscopy in conservation science with a particular attention to the sampling criteria and sample preparation methods. The second section is aimed at evaluating and validating the use of different FTIR microscopic analytical methods applied to the study of different art conservation issues which may be encountered dealing with cultural heritage artefacts: the characterisation of the artistic execution technique (chapter II-1), the studies on degradation phenomena (chapter II-2) and finally the evaluation of protective treatments (chapter II-3). The third and last section is divided into three chapters which underline recent developments in FTIR spectroscopy for the characterisation of paint cross sections and in particular thin organic layers: a newly developed preparation method with embedding systems in infrared transparent salts (chapter III-1), the new opportunities offered by macro-ATR imaging spectroscopy (chapter III-2) and the possibilities achieved with the different FTIR microspectroscopic techniques nowadays available (chapter III-3). In chapter II-1, FTIR microspectroscopy as molecular analysis, is presented in an integrated approach with other analytical techniques. The proposed sequence is optimized in function of the limited quantity of sample available and this methodology permits to identify the painting materials and characterise the adopted execution technique and state of conservation. Chapter II-2 describes the characterisation of the degradation products with FTIR microscopy since the investigation on the ageing processes encountered in old artefacts represents one of the most important issues in conservation research. Metal carboxylates resulting from the interaction between pigments and binding media are characterized using synthesised metal palmitates and their production is detected on copper-, zinc-, manganese- and lead- (associated with lead carbonate) based pigments dispersed either in oil or egg tempera. Moreover, significant effects seem to be obtained with iron and cobalt (acceleration of the triglycerides hydrolysis). For the first time on sienna and umber paints, manganese carboxylates are also observed. Finally in chapter II-3, FTIR microscopy is combined with further elemental analyses to characterise and estimate the performances and stability of newly developed treatments, which should better fit conservation-restoration problems. In the second part, in chapter III-1, an innovative embedding system in potassium bromide is reported focusing on the characterisation and localisation of organic substances in cross sections. Not only the identification but also the distribution of proteinaceous, lipidic or resinaceous materials, are evidenced directly on different paint cross sections, especially in thin layers of the order of 10 µm. Chapter III-2 describes the use of a conventional diamond ATR accessory coupled with a focal plane array to obtain chemical images of multi-layered paint cross sections. A rapid and simple identification of the different compounds is achieved without the use of any infrared microscope objectives. Finally, the latest FTIR techniques available are highlighted in chapter III-3 in a comparative study for the characterisation of paint cross sections. Results in terms of spatial resolution, data quality and chemical information obtained are presented and in particular, a new FTIR microscope equipped with a linear array detector, which permits reducing the spatial resolution limit to approximately 5 µm, provides very promising results and may represent a good alternative to either mapping or imaging systems.

Funzionalizzazione della mandibola dopo ricostruzione con lembo libero rivascolarizzato di fibula "single strut". Al di là del deficit di verticalità.

Obiettivi: Valutare la modalità  più efficace per la riabilitazione funzionale del limbo libero di fibula "single strut", dopo ampie resezioni per patologia neoplastica maligna del cavo orale. Metodi: Da una casistica di 62 ricostruzioni microvascolari con limbo libero di fibula, 11 casi sono stati selezionati per essere riabilitati mediante protesi dentale a supporto implantare. 6 casi sono stati trattati senza ulteriori procedure chirurgiche ad eccezione dell'implantologia (gruppo 1), affrontando il deficit di verticalità  della fibula attraverso la protesi dentaria, mentre i restanti casi sono stati trattati con la distrazione osteogenetica (DO) della fibula prima della riabilitazione protesica (gruppo 2). Il deficit di verticalità  fibula/mandibola è stato misurato. I criteri di valutazione utilizzati includono la misurazione clinica e radiografica del livello osseo e dei tessuti molli peri-implantari, ed il livello di soddisfazione del paziente attraverso un questionario appositamente redatto. Risultati: Tutte le riabilitazioni protesiche sono costituite da protesi dentali avvitate su impianti. L'età  media è di 52 anni, il rapporto uomini/donne è di 6/5. Il numero medio di impianti inseriti nelle fibule è di 5. Il periodo massimo di follow-up dopo il carico masticatorio è stato di 30 mesi per il gruppo 1 e di 38.5 mesi (17-81) di media per il gruppo 2. Non abbiamo riportato complicazioni chirurgiche. Nessun impianto è stato rimosso dai pazienti del gruppo 1, la perdita media di osso peri-implantare registrata è stata di 1,5 mm. Nel gruppo 2 sono stati riportati un caso di tipping linguale del vettore di distrazione durante la fase di consolidazione e un caso di frattura della corticale basale in assenza di formazione di nuovo osso. L'incremento medio di osso in verticalità è stato di 13,6 mm (12-15). 4 impianti su 32 (12.5%) sono andati persi dopo il periodo di follow-up. Il riassorbimento medio peri-implantare, è stato di 2,5 mm. Conclusioni: Le soluzioni più utilizzate per superare il deficit di verticalità  del limbo libero di fibula consistono nell'allestimento del lembo libero di cresta iliaca, nel posizionare la fibula in posizione ideale da un punto di vista protesico a discapito del profilo osseo basale, l'utilizzo del lembo di fibula nella versione descritta come "double barrel", nella distrazione osteogenetica della fibula. La nostra esperienza concerne il lembo libero di fibula che nella patologia neoplastica maligna utilizziamo nella versione "single strut", per mantenere disponibili tutte le potenzialità  di lunghezza del peduncolo vascolare, senza necessità  di innesti di vena. Entrambe le soluzioni, la protesi dentale ortopedica e la distrazione osteogenetica seguita da protesi, entrambe avvitate su impianti, costituiscono soluzioni soddisfacenti per la riabilitazione funzionale della fibula al di là  del suo deficit di verticalità . La prima soluzione ha preso spunto dall'osservazione dei buoni risultati della protesi dentale su impianti corti, avendo un paragonabile rapporto corona/radice, la DO applicata alla fibula, sebbene sia risultata una metodica con un numero di complicazioni più elevato ed un maggior livello di riassorbimento di osso peri-implantare, costituisce in ogni caso una valida opzione riabilitativa, specialmente in caso di notevole discrepanza mandibulo/fibulare. Decisiva è la scelta del percorso terapeutico dopo una accurata valutazione di ogni singolo caso. Vengono illustrati i criteri di selezione provenienti dalla nostra esperienza.

Tecnologie appropriate per la gestione delle georisorse nei paesi in via di sviluppo e nei paesi dell'America Latina. Creazione di una metodologia multi criteria per la valutazione dei progetti di sviluppo umano

Benessere delle popolazioni, gestione sostenibile delle risorse, povertà e degrado ambientale sono dei concetti fortemente connessi in un mondo in cui il 20% della popolazione mondiale consuma più del 75% delle risorse naturali. Sin dal 1992 al Summit della Terra a Rio de Janeiro si è affermato il forte legame tra tutela dell’ambiente e riduzione della povertà, ed è anche stata riconosciuta l’importanza di un ecosistema sano per condurre una vita dignitosa, specialmente nelle zone rurali povere dell’Africa, dell’Asia e dell’America Latina. La natura infatti, soprattutto per le popolazioni rurali, rappresenta un bene quotidiano e prezioso, una forma essenziale per la sussistenza ed una fonte primaria di reddito. Accanto a questa constatazione vi è anche la consapevolezza che negli ultimi decenni gli ecosistemi naturali si stanno degradando ad un ritmo impressionate, senza precedenti nella storia della specie umana: consumiamo le risorse più velocemente di quanto la Terra sia capace di rigenerarle e di “metabolizzare” i nostri scarti. Allo stesso modo aumenta la povertà: attualmente ci sono 1,2 miliardi di persone che vivono con meno di un dollaro al giorno, mentre circa metà della popolazione mondiale sopravvive con meno di due dollari al giorno (UN). La connessione tra povertà ed ambiente non dipende solamente dalla scarsità di risorse che rende più difficili le condizioni di vita, ma anche dalla gestione delle stesse risorse naturali. Infatti in molti paesi o luoghi dove le risorse non sono carenti la popolazione più povera non vi ha accesso per motivi politici, economici e sociali. Inoltre se si paragona l’impronta ecologica con una misura riconosciuta dello “sviluppo umano”, l’Indice dello Sviluppo Umano (HDI) delle Nazioni Unite (Cfr. Cap 2), il rapporto dimostra chiaramente che ciò che noi accettiamo generalmente come “alto sviluppo” è molto lontano dal concetto di sviluppo sostenibile accettato universalmente, in quanto i paesi cosiddetti “sviluppati” sono quelli con una maggior impronta ecologica. Se allora lo “sviluppo” mette sotto pressione gli ecosistemi, dal cui benessere dipende direttamente il benessere dell’uomo, allora vuol dire che il concetto di “sviluppo” deve essere rivisitato, perché ha come conseguenza non il benessere del pianeta e delle popolazioni, ma il degrado ambientale e l’accrescimento delle disuguaglianze sociali. Quindi da una parte vi è la “società occidentale”, che promuove l’avanzamento della tecnologia e dell’industrializzazione per la crescita economica, spremendo un ecosistema sempre più stanco ed esausto al fine di ottenere dei benefici solo per una ristretta fetta della popolazione mondiale che segue un modello di vita consumistico degradando l’ambiente e sommergendolo di rifiuti; dall’altra parte ci sono le famiglie di contadini rurali, i “moradores” delle favelas o delle periferie delle grandi metropoli del Sud del Mondo, i senza terra, gli immigrati delle baraccopoli, i “waste pickers” delle periferie di Bombay che sopravvivono raccattando rifiuti, i profughi di guerre fatte per il controllo delle risorse, gli sfollati ambientali, gli eco-rifugiati, che vivono sotto la soglia di povertà, senza accesso alle risorse primarie per la sopravvivenza. La gestione sostenibile dell’ambiente, il produrre reddito dalla valorizzazione diretta dell’ecosistema e l’accesso alle risorse naturali sono tra gli strumenti più efficaci per migliorare le condizioni di vita degli individui, strumenti che possono anche garantire la distribuzione della ricchezza costruendo una società più equa, in quanto le merci ed i servizi dell’ecosistema fungono da beni per le comunità. La corretta gestione dell’ambiente e delle risorse quindi è di estrema importanza per la lotta alla povertà ed in questo caso il ruolo e la responsabilità dei tecnici ambientali è cruciale. Il lavoro di ricerca qui presentato, partendo dall’analisi del problema della gestione delle risorse naturali e dal suo stretto legame con la povertà, rivisitando il concetto tradizionale di “sviluppo” secondo i nuovi filoni di pensiero, vuole suggerire soluzioni e tecnologie per la gestione sostenibile delle risorse naturali che abbiano come obiettivo il benessere delle popolazioni più povere e degli ecosistemi, proponendo inoltre un metodo valutativo per la scelta delle alternative, soluzioni o tecnologie più adeguate al contesto di intervento. Dopo l’analisi dello “stato del Pianeta” (Capitolo 1) e delle risorse, sia a livello globale che a livello regionale, il secondo Capitolo prende in esame il concetto di povertà, di Paese in Via di Sviluppo (PVS), il concetto di “sviluppo sostenibile” e i nuovi filoni di pensiero: dalla teoria della Decrescita, al concetto di Sviluppo Umano. Dalla presa di coscienza dei reali fabbisogni umani, dall’analisi dello stato dell’ambiente, della povertà e delle sue diverse facce nei vari paesi, e dalla presa di coscienza del fallimento dell’economia della crescita (oggi visibile più che mai) si può comprendere che la soluzione per sconfiggere la povertà, il degrado dell’ambiente, e raggiungere lo sviluppo umano, non è il consumismo, la produzione, e nemmeno il trasferimento della tecnologia e l’industrializzazione; ma il “piccolo e bello” (F. Schumacher, 1982), ovvero gli stili di vita semplici, la tutela degli ecosistemi, e a livello tecnologico le “tecnologie appropriate”. Ed è proprio alle Tecnologie Appropriate a cui sono dedicati i Capitoli successivi (Capitolo 4 e Capitolo 5). Queste sono tecnologie semplici, a basso impatto ambientale, a basso costo, facilmente gestibili dalle comunità, tecnologie che permettono alle popolazioni più povere di avere accesso alle risorse naturali. Sono le tecnologie che meglio permettono, grazie alle loro caratteristiche, la tutela dei beni comuni naturali, quindi delle risorse e dell’ambiente, favorendo ed incentivando la partecipazione delle comunità locali e valorizzando i saperi tradizionali, grazie al coinvolgimento di tutti gli attori, al basso costo, alla sostenibilità ambientale, contribuendo all’affermazione dei diritti umani e alla salvaguardia dell’ambiente. Le Tecnologie Appropriate prese in esame sono quelle relative all’approvvigionamento idrico e alla depurazione dell’acqua tra cui: - la raccolta della nebbia, - metodi semplici per la perforazione di pozzi, - pompe a pedali e pompe manuali per l’approvvigionamento idrico, - la raccolta dell’acqua piovana, - il recupero delle sorgenti, - semplici metodi per la depurazione dell’acqua al punto d’uso (filtro in ceramica, filtro a sabbia, filtro in tessuto, disinfezione e distillazione solare). Il quinto Capitolo espone invece le Tecnolocie Appropriate per la gestione dei rifiuti nei PVS, in cui sono descritte: - soluzioni per la raccolta dei rifiuti nei PVS, - soluzioni per lo smaltimento dei rifiuti nei PVS, - semplici tecnologie per il riciclaggio dei rifiuti solidi. Il sesto Capitolo tratta tematiche riguardanti la Cooperazione Internazionale, la Cooperazione Decentrata e i progetti di Sviluppo Umano. Per progetti di sviluppo si intende, nell’ambito della Cooperazione, quei progetti che hanno come obiettivi la lotta alla povertà e il miglioramento delle condizioni di vita delle comunità beneficiarie dei PVS coinvolte nel progetto. All’interno dei progetti di cooperazione e di sviluppo umano gli interventi di tipo ambientale giocano un ruolo importante, visto che, come già detto, la povertà e il benessere delle popolazioni dipende dal benessere degli ecosistemi in cui vivono: favorire la tutela dell’ambiente, garantire l’accesso all’acqua potabile, la corretta gestione dei rifiuti e dei reflui nonché l’approvvigionamento energetico pulito sono aspetti necessari per permettere ad ogni individuo, soprattutto se vive in condizioni di “sviluppo”, di condurre una vita sana e produttiva. È importante quindi, negli interventi di sviluppo umano di carattere tecnico ed ambientale, scegliere soluzioni decentrate che prevedano l’adozione di Tecnologie Appropriate per contribuire a valorizzare l’ambiente e a tutelare la salute della comunità. I Capitoli 7 ed 8 prendono in esame i metodi per la valutazione degli interventi di sviluppo umano. Un altro aspetto fondamentale che rientra nel ruolo dei tecnici infatti è l’utilizzo di un corretto metodo valutativo per la scelta dei progetti possibili che tenga presente tutti gli aspetti, ovvero gli impatti sociali, ambientali, economici e che si cali bene alle realtà svantaggiate come quelle prese in considerazione in questo lavoro; un metodo cioè che consenta una valutazione specifica per i progetti di sviluppo umano e che possa permettere l’individuazione del progetto/intervento tecnologico e ambientale più appropriato ad ogni contesto specifico. Dall’analisi dei vari strumenti valutativi si è scelto di sviluppare un modello per la valutazione degli interventi di carattere ambientale nei progetti di Cooperazione Decentrata basato sull’Analisi Multi Criteria e sulla Analisi Gerarchica. L’oggetto di questa ricerca è stato quindi lo sviluppo di una metodologia, che tramite il supporto matematico e metodologico dell’Analisi Multi Criteria, permetta di valutare l’appropriatezza, la sostenibilità degli interventi di Sviluppo Umano di carattere ambientale, sviluppati all’interno di progetti di Cooperazione Internazionale e di Cooperazione Decentrata attraverso l’utilizzo di Tecnologie Appropriate. Nel Capitolo 9 viene proposta la metodologia, il modello di calcolo e i criteri su cui si basa la valutazione. I successivi capitoli (Capitolo 10 e Capitolo 11) sono invece dedicati alla sperimentazione della metodologia ai diversi casi studio: - “Progetto ambientale sulla gestione dei rifiuti presso i campi Profughi Saharawi”, Algeria, - “Programa 1 milhão de Cisternas, P1MC” e - “Programa Uma Terra e Duas Águas, P1+2”, Semi Arido brasiliano.

The effect of linseed oil on the properties of lime-based restoration mortars

The traditional lime mortar is composed of hydrated lime, sand and water. Besides these constituents it may also contain additives aiming to modify fresh mortar´s properties and/or to improve hardened mortar´s strength and durability. Already in the first civilizations various additives were used to enhance mortar´s quality, among the organic additives, linseed oil was one of the most common. From literature we know that it was used already in Roman period to reduce water permeability of a mortar, but the mechanism and the technology, e.g. effects of different dosages, are not clearly explained. There are only few works studying the effect of oil experimentally. Knowing the function of oil in historical mortars is important for designing a new compatible repair mortar. Moreover, linseed oil addition could increase the sometimes insufficient durability of lime-based mortars used for reparation and it could be a natural alternative to synthetic additives. In the present study, the effect of linseed oil on the properties of six various lime-based mortars has been studied. Mortars´ compositions have been selected with respect to composition of historical mortars, but also mortars used in a modern restoration practise have been tested. Oil was added in two different concentrations – 1% and 3% by the weight of binder. The addition of 1% of linseed oil has proved to have positive effect on mortars´ properties. It improves mechanical characteristics and limits water absorption into mortar without affecting significantly the total open porosity or decreasing the degree of carbonation. On the other hand, the 3% addition of linseed oil is making mortar to be almost hydrophobic, but it markedly decreases mortars´ strength. However, all types of tested lime-based mortars with the oil addition showed significantly decreased water and salt solution absorption by capillary rise. Addition of oil into mortars is also decreasing the proportion of pores which are easily accessible to water. Furthermore, mortars with linseed oil showed significantly improved resistance to salt crystallization and freeze-thaw cycles. On the base of the obtained results, the addition of 1% of linseed oil can be taken into consideration in the design of mortars meant to repair or replace historic mortars.

Statistical methods for analysis and processing of medical ultrasound: applications to segmentation and restoration

In this thesis two major topics inherent with medical ultrasound images are addressed: deconvolution and segmentation. In the first case a deconvolution algorithm is described allowing statistically consistent maximum a posteriori estimates of the tissue reflectivity to be restored. These estimates are proven to provide a reliable source of information for achieving an accurate characterization of biological tissues through the ultrasound echo. The second topic involves the definition of a semi automatic algorithm for myocardium segmentation in 2D echocardiographic images. The results show that the proposed method can reduce inter- and intra observer variability in myocardial contours delineation and is feasible and accurate even on clinical data.

Environmental weathering of natural and artificial stones used in historical architecture: influence of microstructure and new restoration methods

For some study cases (the Cathedral of Modena, Italy, XII-XIV century; the Ducal Palace in Mantua, Italy, XVI century; the church of San Francesco in Fano, Italy, XIV-XIX century), considered as representative of the use of natural and artificial stones in historical architecture, the complex interaction between environ-mental aggressiveness, materials’ microstructural characteristics and degradation was investigated. From the results of such analyses, it was found that materials microstructure plays a fundamental role in the actual extent to which weathering mechanisms affect natural and artificial stones. Consequently, the need of taking into account the important role of material microstructure, when evaluating the environmental aggressiveness to natural and artificial stones, was highlighted. Therefore, a possible quantification of the role of microstructure on the resistance to environmental attack was investigated. By exposing stone samples, with significantly different microstructural features, to slightly acidic aqueous solutions, simulating clean and acid rain, a good correlation between weight losses and the product of carbonate content and specific surface area (defined as the “vulnerable specific surface area”) was found. Alongside the evaluation of stone vulnerability, the development of a new consolidant for weathered carbonate stones was undertaken. The use of hydroxya-patite, formed by reacting the calcite of the stone with an aqueous solution of di-ammonium hydrogen phosphate, was found to be a promising consolidating tech-nique for carbonates stones. Indeed, significant increases in the mechanical prop-erties can be achieved after the treatment, which has the advantage of simply con-sisting in a non-hazardous aqueous solution, able to penetrate deeply into the stone (> 2 cm) and bring significant strengthening after just 2 days of reaction. Furthermore, the stone sorptivity is not eliminated after treatment, so that water and water vapor exchanges between the stone and the environment are not com-pletely blocked.

Matters of taste: the neoclassical furniture in the Italian portraits from the late eighteenth century to the Restoration

Analysis and description of the furniture shown on Italian portraits from the late eighteenth century to the period of the Restoration. We have studied real examples of environments still exist with their furniture, chairs, mirrors, lamps, etc. in different areas of Italy. All this to explain the refined taste and cosmopolitan of the characters painted in the portraits, that for this reason they were considered fashionable

History of Restoration in Iran: Origins and Developments from 1900 to 1978

This thesis tends to study the origins and developments of the restoration in Iran from its very first moments till the Islamic revolution of 1978. The thesis is its first study of its kind. While almost all recent occidental ideologies regarding the thematic of restoration and conservation of historic monuments are translated and published in Iran, very little efforts have been done regarding the study of the origins of the formation of restoration in the country. The diversity of Iranian contexts, multiplicity of the intervening factors and other factors characterized a different background for the raise and developments of restoration in the country; in the thesis the influencing and characterizing factors in the formation and development of restoration in Iran will be defined and studied in detail with relative examples; due to the complexity of the Iranian context and in order to consider all influencing and characterizing factors the thesis, parallel to have formation and development of restoration, as the main scope of the research, the developments influencing factors will be confronted with necessary flashbacks to the main theme, when and where necessary. A great care will be given to the period of the activity of the restoration experts of IsMEO which is thesis will be called as the period of the introduction of the modern principles of restoration into Iranian context; the fundamental ideologies, practical and theoretical principles of IsMEO will be identified and studied in details; important case of studies of the restoration of IsMEO will be analyzed in details and the innovative aspect of the presence of Italian experts of IsMEO will be revealed.

Definition of Food Safety Criteria for Bacteria Food-Borne Pathogens in Ready to Eat products

The aims of this research study is to explore the opportunity to set up Performance Objectives (POs) parameters for specific risks in RTE products to propose for food industries and food authorities. In fact, even if microbiological criteria for Salmonella and Listeria monocytogenes Ready-to-Eat (RTE) products are included in the European Regulation, these parameters are not risk based and no microbiological criteria for Bacillus cereus in RTE products is present. For these reasons the behaviour of Salmonella enterica in RTE mixed salad, the microbiological characteristics in RTE spelt salad, and the definition of POs for Bacillus cereus and Listeria monocytogenes in RTE spelt salad has been assessed. Based on the data produced can be drawn the following conclusions: 1. A rapid growth of Salmonella enterica may occurr in mixed ingredient salads, and strict temperature control during the production chain of the product is critical. 2. Spelt salad is characterized by the presence of high number of Lactic Acid Bacteria. Listeria spp. and Enterobacteriaceae, on the contrary, did not grow during the shlef life, probably due to the relevant metabolic activity of LAB. 3. The use of spelt and cheese compliant with the suggested POs might significantly reduce the incidence of foodborne intoxications due to Bacillus cereus and Listeria monocytogenes and the proportions of recalls, causing huge economic losses for food companies commercializing RTE products. 4. The approach to calculate the POs values and reported in my work can be easily adapted to different food/risk combination as well as to any changes in the formulation of the same food products. 5. The optimized sampling plans in term of number of samples to collect can be derive in order to verify the compliance to POs values selected.