La tecnologia del laser (acronimo di Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, cioè "amplificazione di luce per emissione stimolata della radiazione"), dal momento in cui è stata per la prima volta introdotta (Maiman,1960) a oggi, si è notevolmente evoluta. I campi applicativi sono numerosi, dall'industria alla chirurgia, e dal 1973 ne è stato sperimentato l'uso per la rimozione di croste nere da sculture di marmo (Asmus, Murphy e Munk,1973). Da quelle prime applicazioni se ne intuirono le potenzialità nell'ambito del restauro dei beni culturali. In principio il laser è stato essenzialmente utilizzato per la pulitura di materiale lapideo, ma negli ultimi anni, con la disponibilità di strumenti sempre più sofisticati, si sono costituiti numerosi gruppi di ricerca in tutto il mondo che ne hanno sperimentato l'uso e gli effetti su molti altri materiali¹.

La tecnologia laser è basata sul principio fisico dell'emissione stimolata. Tutte le sostanze sono costituite da ioni, atomi e molecole, che occupano stati stazionari con caratteristici livelli energetici. Tali atomi, ioni e molecole possono interagire con una radiazione elettromagnetica. L'interazione consiste sia nell'assorbimento da parte della sostanza della radiazione (gli atomi costituenti la materia passano da un livello energetico inferiore a uno superiore), sia nell'emissione di radiazione (gli atomi passano da un livello energetico superiore a un livello inferiore). L'emissione può essere spontanea o stimolata. Un'apparecchiatura laser è basata su quest'ultimo fenomeno: l'emissione stimolata di radiazioni luminose da parte di una sostanza attiva. Le sostanze attive (solidi, gas o liquidi) utilizzate sono diverse e ognuna di esse emette radiazioni luminose con differenti lunghezze d'onda (fig. 1). Il raggio laser viene convogliato (in genere mediante un sistema di specchi) a un manipolo e attraverso questo è indirizzato sulla superficie dell'oggetto (fig. 2).

Per comprendere in che modo avviene l'azione pulente, è necessario descrivere l'interazione del raggio laser con la superficie dell'oggetto e con il materiale sovrapposto a essa. L'ablazione (l'espulsione del materiale sovrapposto alla superficie dell'oggetto) avviene essenzialmente attraverso due meccanismi: ablazione fototermica e ablazione fotochimica. Nel primo caso si ha un repentino riscaldamento del materiale colpito dal raggio laser. Il materiale surriscaldato si espande e come conseguenza si ottiene la generazione di stress e tensioni. In alcuni casi gli stress termoelastici generati sono sufficienti a espellere il materiale dalla superficie dell'oggetto (fig. 3). Gli effetti dovuti al repentino innalzamento della temperatura originato dal raggio laser sono diversi a seconda dell'energia e dalla durata dell'impulso, e variano inoltre a causa delle differenti caratteristiche fisiche e termiche dei materiali irraggiati. In conservazione vengono normalmente impiegati laser che hanno una durata dell'impulso nell'ordine dei nanosecondi. In questo modo anche raggiungendo temperature notevoli in uno spazio di tempo estremamente breve, gli effetti del calore indotto al substrato sono pressoché irrilevanti.

L'ablazione fotochimica è dovuta alla presenza di fotoni emessi dai laser che producono raggi nel campo del lontano ultravioletto. Tali particelle sono sufficientemente potenti da rompere molti legami chimici covalenti. Le radiazioni ultraviolette innescano una reazione chimica che provoca l'aumento di volume dei materiali irraggiati. Il materiale estraneo viene espulso dalla superficie a causa di quest'aumento di volume².

L'efficienza dell'azione pulente può essere aumentata applicando immediatamente prima dell'irradiazione un leggerissimo film d'acqua (Zapka, Ziemlich e Tam, 1991). Il rapido riscaldamento dell'acqua, provocato dal raggio laser, origina una vaporizzazione esplosiva della stessa che amplifica in modo significativo la rimozione dello sporco dalla superficie (fig. 4).

Dalle ormai numerose esperienze e dagli studi e ricerche in corso si evince che il sistema laser può essere impiegato con efficacia per la pulitura di materiali particolarmente decoesi e deteriorati, con precisione e selettività. Dei vari tipi quello più comunemente impiegato nel campo della conservazione è il laser Nd:YAG impulsato³. Questo laser, che emette radiazioni a una lunghezza d'onda di 1064 nm (vicino infrarosso) con impulsi corti dell'ordine di 5-10 ns, è l'apparecchio più utilizzato poiché in questa banda di frequenza una gran quantità di tipi di sporco risulta estremamente assorbente alle radiazioni e all'opposto le superfici di molte opere d'arte sono poco assorbenti. Il modo di emissione Q-Switch⁴, con impulsi di pochi nanosecondi, permette di rimuovere efficacemente lo sporco evitando una nociva induzione di calore al substrato.

Alcune ceramiche, di provenienza archeologica, conservate nel Museo Nazionale d'Arte Orientale sono state sottoposte a pulitura mediante sistema laser⁵ (figg 5-7). Sono state scelte per quest'esperimento di pulitura tre vasi. Questi tre oggetti erano in condizioni tali da risultare particolarmente significativi per valutare l'efficienza di questo sistema di pulitura. Si presentavano tutti in frammenti e le superfici erano ricoperte da uno strato particolarmente consistente di carbonati e sopra a questi, era visibile un sottile e disomogeneo strato di terra di scavo. Di contro il substrato ceramico risultava piuttosto delicato perché decoeso, fragile e in un caso con un'evidente tendenza all'esfoliazione (figg. 5-7). Inoltre gli oggetti presentavano una delicata brunitura della superficie che, una seppur accorta pulitura meccanica, poteva rovinare in modo irrimediabile. L'intervento è iniziato effettuando dei saggi di pulitura su due frammenti (figg. 8-11). L'ablazione laser si presta, in modo particolarmente efficace, alla rimozione dello sporco strato dopo strato (fig. 10). I parametri su cui si basa la pulitura con questo sistema sono: energia dell'impulso⁶, durata dell'impulso⁷, distanza di lavoro (fig. 12). Questi tre parametri sono stati attentamente calibrati, nel caso in questione, per ottenere il massimo dell'efficienza nel pieno rispetto del materiale⁸. Per aumentare la capacità pulente del raggio laser ci si è avvalsi dell'applicazione di un sottile film di acqua applicato alla superficie da pulire, immediatamente prima dell'irraggiamento⁹. Nel caso specifico, anche se la pulitura delle superfici è stata condotta a buon fine¹⁰ (figg. 13-18), bisogna sottolineare come i tempi per completare quest'operazione si siano allungati in modo significativo: per concludere la pulitura di questi tre oggetti sono occorse due settimane. E' in ogni modo vero che le ceramiche in parola sono da considerare oggetti in condizioni conservative particolarmente difficili, in particolare per lo strato di incrostazioni, molto consistenti e tenaci, ancorato alla superficie.

Bibliografia

Asmus, J.F., Murphy, C.G. e Munk, W.H. (1973) Studies on the interaction of laser radiation with art artifacts, atti del SPIE, 41, 19-27

Cooper, M. (1998) Laser cleaning in conservation, an introduction

atti del convegno LACONA I -Creta, ottobre 1995 International Institute for Conservation of Historic and Artistic Works, Verlag Mayer, Vienna (1997)

Maiman, T.H. (1960) Stimulated optical radiation in ruby masers, Nature, 187, 493

Zafiropulos, V. e Fotakis, C. (1998) Lasers in the conservation of painted artworks in Cooper, M. (1998) Laser cleaning in conservation, an introduction

Zapka, W., Ziemlich, W. e Tam, A.C. (1991) Efficient pulsed laser removal of 0.2 mm sized particles from a solid surface. Applied Physics Letters, 58 (20), 2217-19

Figura 1 Alcuni dei tipi più comuni di laser

Figura 2 Un laser appositamente proggettato e costruito per l'uso nel restauro delle opere d'arte

Figura 3 Rimozione di particelle di sporco per rapida espansione termica

Figura 4 L'efficienza dell'azione pulente può essere aumentata applicando immediatamente prima dell'irradiazione un leggerissimo film d'acqua

Figura 5 Insieme dei frammenti del bacile con ansa, prima dell'intervento

Figura 6 Insieme dei frammenti della giara con ansa, prima dell'intervento

Figura 7 Insieme dei frammenti della bottiglia a collo cilindrico svasato, prima dell'intervento

Figura 8 Frammento della giara con ansa, prima dell'intervento

Figura 9 Frammento del bacile con ansa, prima dell'intervento

Figura 10 Frammento della giara con ansa, dopo il saggio di pulitura

Figura 11 Frammento del bacile con ansa, dopo il saggio di pulitura

Figura 12 Rappresentazione schematica di pulitura con raggio laser divergente

Figura 13 Insieme dei frammenti del bacile con ansa, dopo la pulitura

Figura 14 Insieme dei frammenti della giara con ansa, dopo la pulitura

Figura 15 Insieme dei frammenti della bottiglia a collo cilindrico svasato, dopo la pulitura

Figura 16 Insieme del bacile con ansa, dopo l'intervento conservativo

Figura 17 Insieme della giara con ansa, dopo l'intervento conservativo

Figura 18 Insieme della bottiglia a collo cilindrico svasato, dopo l'intervento conservativo

¹ Per un orientamento sulle ricerche in corso e sui materiali su cui è stata utilizzata la pulitura con sistema laser si rimanda a: (atti del convegno LACONA I), (Cooper, 1998)

² I laser che emettono radiazioni nella banda dell'ultravioletto sono stati utilizzati nella pulitura di superfici policrome, in particolare di dipinti. Per un orientamento si veda: (Zafiropulos e Fotakis, 1998)

³ ND sta per neodimio che è presente come impurezza in una barretta di YAG che sta per yttrium aluminum garnet (granato di ittrio alluminio)

⁴ All'interno dell'apparecchiatura laser è presente un otturatore. Questo otturatore, che è posto davanti alla sostanza attiva, viene aperto e chiuso molto velocemente, cosicché tutta l'energia viene rilasciata in un impulso cortissimo

⁵ L'intervento di pulitura è stato effettuato dalla restauratrice Anna Brunetto, il laser impiegato ha queste caratteristiche:

Tipo di laser: ND:YAG impulsato

Modo di emissione: Q-Switch

Frequenza di ripetizione: 2-15 pps

Energia di impulso: 550 mJ

Durata dell'impulso: 5-6 hs

Diametro del fascio: 7 mm

Trasporto fascio: braccio articolato a 7 specchi

Alimentazione: 220 V, 1.5 Kw, monofase

⁶ Densità                                              Energia per impulso

Dell'Energia = __________________________________________________

(J/cm²)                              Area del raggio laser sulla superficie (cm²)

⁷Misurata in hs cioè miliardesimi di secondo

⁸ L'energia d'impulso massima non è stata mai utilizzata; la durata dell'impulso impiegata non ha mai superato il valore medio; la distanza tra il raggio e la superficie dell'oggetto è stata mantenuta nella cosiddetta "finestra di sicurezza" (fig. 12)

⁹ L'acqua è stata applicata alla superficie utilizzando una spugna morbida

¹⁰ Una volta ultimata la pulitura è stata applicata a pennello una soluzione di resina acrilica (Paraloid B72 sciolto al 3% in acetone). Successivamente gli oggetti sono stati ricomposti utilizzando una resina polivinil-butirralica (Mowital B60H) disciolta in alcol.