Nuovi nanomateriali per custodire le cattedrali europee

ANNO DEL PATRIMONIO CULTURALE – “Il nostro patrimonio: dove il passato incontra il futuro” : sarà questo il motto che accompagnerà l’Anno Europeo del Patrimonio Culturale 2018. L’evento inaugurato lo scorso dicembre mira a incoraggiare la riscoperta di tutte le ricchezze culturali che possono agire da collante per rafforzare il senso di appartenenza al comune spazio europeo.

I beni culturali materiali e deteriorabili nel tempo sono forse l’emblema ideale del motto stesso che accompagnerà i prossimi mesi. E gli edifici, i monumenti in pietra, più di altri per la loro imponenza, rappresentano nel nostro immaginario comune una sintesi particolarmente efficace del ponte che unisce passato e futuro. Nonostante le apparenze, questo ponte si rivela in realtà fragile nel tempo e richiede cure e protezioni continue.

“In genere siamo portati a pensare che le pietre e i manufatti lapidei siano materiali destinati a durare in eterno, ma così non è per gran parte dei nostri edifici tradizionali e per le sculture.” A ricordarlo è il professor Johannes Weber dell’Università di Vienna, leader di uno dei team del progetto europeo NanoCathedral (di cui abbiamo parlato qui) “Soprattutto durante il medioevo, la tendenza era quella di scegliere le materie prime in base alla disponibilità di cave vicine alle botteghe e alla maggiore morbidità e lavorabilità delle pietre. Per questa ragione, su tempi lunghi alla fine molte pietre sono risultate troppo delicate e sensibili agli agenti atmosferici.”

Il progetto NanoCathedral volge al termine, mentre arrivano già i primi risultati degli studi condotti per proteggere al meglio le cinque cattedrali gotiche sparse in tutta Europa più l’Opera House di Oslo. I nano-prodotti messi a punto dai ricercatori di NanoCathedral comprendono in particolare consolidanti e protettivi e per le pietre che rivestono le cattedrali.

Nano-particelle per proteggerli…

È stato di recente pubblicato sulla rivista Materials uno dei primi studi condotti dal team guidato da Lucia Toniolo, docente di Scienza e Tecnologia dei Materiali presso il Politecnico di Milano e tra i leader dell’unità italiana del progetto, in cui si descrivono i materiali nanoprotettivi studiati per le cinque cattedrali.

Il team di PoliMi ha selezionato quattro prodotti, partendo da un array iniziale di circa 15, messi a punto in collaborazione con tre aziende del network di Nanocathedral, specializzate nella fornitura delle nano-particelle e matrici di base da caratterizzare in laboratorio. Di questi, due in particolare sono stati scelti per l’analisi su due litotipi diversi, a livelli di porosità estremi (ovvero uno molto poroso, l’altro più compatto).
I due nanomateriali descritti nel paper sono a base di biossido di titanio, e sono stati sviluppati per proteggere il substrato in particolare dall’assorbimento dell’acqua e dell’umidità ambientale – i nemici numero uno dei monumenti lapidei esposti agli agenti esterni – rendendo in sostanza le pietre idrorepellenti.

L’aggiunta delle nano-particelle di titanio, garantisce oltre alla protezione dall’ingresso dell’acqua liquida, ulteriori, speciali proprietà chimico-fisiche. In questo ingrediente integrativo si nasconde una chiave importante della protezione “Le particelle di titanio poste in superficie sulla pietra, grazie alle proprietà fotocatalitiche (in particolare ossidative e foto-ossidative), sono in grado di ossidare e quindi rendere meno aggressivi gli inquinanti atmosferici, inorganici ed organici. In sostanza, in questo modo siamo in grado di annullare l’effetto degli inquinanti gassosi che possono formare le specie acide” spiega la professoressa Toniolo.

Dei due (gli altri due sono materiali idrorepellenti a base di Ag e Zn con proprietà antifouling per prevenire biodeterioramento) ha mostrato performance migliori il composto a base d’acqua, in particolare sulla pietra calcarea, meno sul marmo. Questo dipende dalla maggiore presenza di pori, che garantiscono anche una migliore penetrazione del composto che perciò rimane più a lungo a contatto con la pietra e non viene scalzato via dagli agenti atmosferici (cosa che invece succede sul marmo meno poroso dove il nanomateriale rimane in superficie).

… e per consolidarli

Tutti gli agenti atmosferici agiscono dalla superficie in profondità in proporzione alla porosità: più è porosa la pietra, più profondo sarà l’impatto degli inquinanti nella dissoluzione di minerali, nel rigonfiamento da umidità, nell’espansione da congelamento eccetera. Così, la tessitura di una pietra può essere indebolita anche di diversi millimetri o perfino centimetri.

“Le cattedrali sono monumenti il cui valore storico artistico dipende fortemente dalla componente superficiale, dalle facciate. Un danno anche di pochi millimetri può significare perdere l’intero valore artistico. Il danno, oltretutto, non si ferma con la superficie ma va anche più a fondo. “ precisa il prof. Weber “In questo contesto, le cattedrali gotiche hanno una sensibilità e una debolezza ulteriore, dovuta alla presenza di elementi di più piccole dimensioni, soggetti a forti variazioni di microclima. Prima di proteggerle, bisogna creare le giuste condizioni di omogeneità all’interno”.

Tra tutti i nano-materiali utilizzati, la nano-calce (un composto di idrossido di calce in etanolo) spicca in particolare per le sue performance. È infatti uno dei migliori filler nano-strutturati, ad alta stabilità e compatibilità con i substrati, ed è uno dei materiali di punta per esempio nella conservazione e restauro degli affreschi. Una sua variante, la nano-calcite, è tra i principali prodotti studiati per la messa a punto dei consolidanti.
La scelta del consolidante per risanare la pietra non è un’impresa semplice. In generale si tratta di liquidi, in grado di penetrare in modo adeguato la pietra. Ma è necessario tenere sotto controllo il passaggio da liquido a solido, momento in cui avvengono una serie di fenomeni critici che influenzano la qualità finale del legame. Ai più diffusi composti commerciali denominati TEOS (tetraetil-ortosilicato), che tendono a dilatarsi troppo all’interno della pietra, sono stati quindi affiancati nano-composti compatibili con i protettivi studiati da PoliMi, come il nano-silica, ottimizzato appositamente per NanoCathedral, il nano-zirconia, che ha eccellenti proprietà di penetrazione, e la nano-calcite, appunto (arrivata tuttavia in una fase più avanzata del progetto).

Un network ancora più forte

I risultati in situ hanno intanto confermato quanto previsto e già osservato in laboratorio, e in fatto di innovazione c’è un’ulteriore progresso compiuto da NanoCathedral: gli smart-polymer sintetizzati ad hoc per il progetto rappresentano una grande novità. Si tratta di nano-materiali polimerici funzionalizzati con diverse proprietà, che possono svolgere funzioni di integrazione analoghe a quelle dei nano-protettivi e che in futuro potrebbero anche essere integrati con i nano-materiali già conosciuti.

I due nano-protettivi studiati a PoliMi, insieme ai nano-consolidanti dell’Università di Vienna, potranno entrambi essere utilizzati per la conservazione delle cattedrali gotiche del progetto, che possono ora contare su una approfondita e completa serie di indicazioni e consigli. Sarà questo a fare, fin da subito, la differenza nelle procedure standard di tutela dei beni culturali “Un risultato davvero eccezionale e importantissimo per gli interventi futuri riguarda una metodica condivisa” spiega Toniolo “Finora un confronto tra esperti sui metodi di misura, sulle valutazioni dei prodotti efficaci e sulle metodiche usate ha sempre trovato l’ostacolo di tempi lunghi e punti di vista spesso discordanti. Con quest’esperienza si fa un grosso passo in avanti, con la definizione di un iter condiviso, di norme comuni per ben sei siti”.

La tutela del patrimonio culturale notoriamente soffre infatti per una mancata, o tardiva innovazione nella gestione degli stessi beni. Questo deficit comprende in qualche modo anche l’assenza di norme ben definite e condivise nelle fasi preliminari della conservazione, quando si fa scienza. NanoCathedral ha accelerato la copertura di questo gap, mentre le innovazioni più strettamente scientifico-tecnologiche richiedono tempi diversi. Ad avvantaggiarsene saranno inoltre le aziende e le industrie legate all’edilizia civile, che già oggi preparano le pietre destinate agli edifici con trattamenti protettivi.

L’appuntamento conclusivo per NanoCathedral è a Maggio a Pisa, mentre continuano per tutto il 2018 gli eventi per l’Anno Europeo del Patrimonio.
E ancora più duraturo sarà lo spettacolo offerto dalle antiche cattedrali d’Europa.

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