Prof. Marina Brustolon

1. Fondo Sociale Europeo Corso per Collaboratore Restauratore dei Beni Culturali Prof. Marina Brustolon Spettroscopia vibrazionale

2. h Spettroscopia infrarossa E’ una spettroscopia di assorbimento, nella regione dell’infrarosso. E’ una spettroscopia che coinvolge molecole E’ una spettroscopia basata sul moto vibrazionale dei nuclei nelle molecole

4. Spettroscopia vibrazionale Cominciamo dal caso più semplice: consideriamo il moto di vibrazione di una molecola biatomica A-A o A-B. • Come impostare il problema? • Dobbiamo considerare il moto dei nuclei, ma escludendo il moto di traslazione e di rotazione. • Per escludere il moto di traslazione, consideriamo il baricentro fisso. • Per escludere il moto di rotazione, assumiamo che i nuclei si muovano solo lungo l’asse internucleare.

5. P

6. Rmax=Re+xmax Rmin=Re-xmax Re Re Re ...la forza applicata allontana le palline, che giunte al massimo dell’elongazione ... Il moto è simile a quello di due masse collegate da una molla ideale... ...per avvicinarsi ad una distanza Rmin... ...ripassano per la posizione di equilibrio ... Oscillatore armonico: moto classico ...e ripassare per la posizione di equilibrio, e così via ...

7. L’energia per le palline legate dalla molla dipende da quanto le allontaniamo dalla distanza di equilibrio: Energia E5 E4 E3 E2 E1 = 0 equilibrio …quindi possiamo variare a piacere l’energia della vibrazione

8. Ma per le molecole non è così! …l’energia di vibrazione può assumere solo alcuni valori = energia quantizzata Energie permesse E4 E3 La frequenza di vibrazione cresce al crescere della costante di forza, e decresce al crescere della massa: E2 E=h E1

9. In conclusione: In una molecola biatomica la distanza tra gli atomi varia con un moto periodico che ha una frequenza che cresce al crescere della costante di forza del legame chimico, e decresce al crescere della massa degli atomi coinvolti. A seconda del livello di energia, il moto diventa più ampio. Il moto della molecola si trova con la massima probabilità al minimo livello di energia. E4 E3 E2 E1

10. h0 Se arriva un fotone… Il moto della molecola si trova con la massima probabilità al minimo livello di energia. Se arriva un fotone che corrisponda alla differenza di energia tra due livelli, la molecola lo può assorbire, e il suo moto vibrazionale diventerà così più ampio. La frequenza alla quale la radiazione infrarossa viene assorbita ci dirà qual è la frequenza del moto della molecola, e questo ci dirà qual è la molecola. E2 E=h0 E1

11. Lo spettro infrarosso • Solo il fotone con la frequenza “giusta” viene assorbito e provova un aumento del moto vibrazionale. • Per scoprire qual è il fotone con la frequenza giusta, dobbiamo variare gradualmente la frequenza della radiazione infrarossa, e registrare per quale frequenza c’è un assorbimento di energia.

12. Spettro di assorbimento La radiazione IR di intensità I0 attraversa il campione. La sua FREQUENZA viene variata, e la radiazione non viene assorbita finché la frequenza  = 0 I I0 I fotoni alla frequenza 0 vengono assorbiti, e si vede quindi una riga spettrale centrata alla frequenza  = 0 0 

13. Modi di presentare lo spettro • Lo spettro può essere presentato come nella slide precedente (riga “negativa”), o come è presentato qui. In ogni caso, quello che conta è • la frequenza (o il numero d’onda in cm-1) che corrisponde al centro della riga; • l’intensità della riga; • la larghezza della riga. 0 

14. Vibrazioni delle molecole poliatomiche 3N coordinate Le 9 coordinate cartesiane x1,y1,z1,...,z3 possono rappresentare qualsiasi moto. Ma vogliamo distinguere tra i moti che ci interessano (vibrazionali) e quelli che non ci interessano (rotazionali e traslazionali). I tipi di moti vibrazionali sono 3N-6, quindi per una molecola come questa che contiene tre atomi (N=3) i moti possibili sono 3

15. Modi normali di vibrazione Nelle molecole poliatomiche sono presenti moti armonici di vibrazione detti modi normali in ciascuno dei quali gli atomi si spostano dalle loro posizioni di equilibrio con una frequenza caratteristica di quel particolare moto vibrazionale, con rapporti fissi di fase tra di loro. I modi normali di vibrazione si possono descrivere come insiemi di allungamenti e accorciamenti di legame (stiramenti, o stretching), o di piegamenti di legami (bending). Il moto relativo dei nuclei si indica con frecce.

16. I moti di vibrazione della molecola H2O La somma dei due allungamenti è lo “stiramento simmetrico” La differenza dei due allungamenti è lo “stiramento asimmetrico” “piegamento” : cambia l’angolo di legame In tutti questi moti il baricentro rimane fisso.

17. Queste vibrazioni (“stiramento simmetrico” e “stiramento asimmetrico”) richiedono l’allungamento di legami: le “molle” che corrispondono all’allungamento di legami sono “dure”, e richiedono molta energia. Questo significa che la loro costante di forza k sarà grande. Questa vibrazione (“piegamento)” richiede di cambiare solo l’angolo tra i legami, e richiede meno energia dell’allungamento di legami: la “molla” è meno dura, la costante di forza k sarà più piccola.

18. h h E2 E2 E1 E1 stiramenti piegamenti 3562 cm-1 3756 cm-1 1595 cm-1

19. http://fy.chalmers.se/OLDUSERS/brodin/MolecularMotions/CCl4molecule.htmlhttp://fy.chalmers.se/OLDUSERS/brodin/MolecularMotions/CCl4molecule.html http://www2.ess.ucla.edu/~schauble/MoleculeHTML/PF5_html/PF5_page.html http://www2.ess.ucla.edu/~schauble/MoleculeHTML/CHClF2_html/CHClF2_page.html

20. 200-4000 cm-1 L’unità di misura e la grandezza nella spettroscopia IR numero d’onda in cm-1

21. Zona dell’impronta digitale Stiramento dell’ O-H Stiramento del CH3

22. Stretching O-H Stretching CH3 I gruppi funzionali hanno assorbimenti caratteristici. Le zone dell’impronta digitale dipendono dallo scheletro di tutta la molecola.

23. Esempio: come può variare il numero d’onda di un gruppo funzionale (carbonile C=O) in diverse molecole cm-1

25. Le tecniche per la Spettroscopia Infrarossa (IR)

26. Spettrometro IR con monocromatore Campione Sorgente Riferimento Monocromatore Confronto dei raggi Al computer

27. Spettrometri IR trasmittanza assorbanza La radiazione è prodotta da un filamento incandescente che emette nell’IR. La radiazione passa attraverso il campione, viene assorbita a certe frequenze, e arriva poi al detector che la analizza frequenza per frequenza. Gli spettri possono essere in assorbanza o in trasmittanza :

28. Spettrometri IR Gli spettrometri IR con monocromatore sono oggi poco usati. Vengono preferiti (perché danno prestazioni migliori) gli spettrometri a trasformata di Fourier. Uno spettro IR fatto con uno strumento di questo tipo si indica con FT-IR. Le informazioni che si ottengono in FT-IR sono identiche a quelle che si potrebbero ottenere con uno strumento IR con monocromatore, ma il principio di funzionamento è diverso.

29. La spettroscopia IR per i Beni Culturali Cosa si richiede ai metodi diagnostici per i BC? • di non essere distruttivi, o microdistruttivi; • di permettere l’esame in loco; • di mappare l’opera nelle sue varie parti.

30. Micro FT-IR Metodo di indagine che combina la spettroscopia infrarossa e la microscopia ottica. Permette quindi di ottenere informazioni su porzioni molto piccole di campione. La zona sulla quale ottenere lo spettro viene identificata mediante il microscopio ottico. Lo stesso cammino ottico viene poi percorso dal raggio IR.

31. MICROSCOPIO INFRAROSSO Oculari Obiettivo Stage portacampioni Regolazione condensatore Selezionatore sorgente luminosa Videocamera Spettrometro FT-IR

32. Analisi di superficie e bulk • Risoluzione spaziale limitata 100x100 mm in riflessione, 50x50 mm in ATR • Facilità nel preparare il campione • Pigmenti ossidici non si identificano • Le sostanze organiche si identificano molto bene Micro-FTIR • Gli spettri infrarossi possono essere raccolti in: • Trasmissione • Riflessione • Riflessione interna (Attenuated Total Reflection, ATR)

33. Campione Componente speculare Componente Trasmessa Finestra di NaCl Vetrino dorato 2 - RIFLESSIONE RAS 1 - TRASMISSIONE Campione spesso o opaco all’infrarosso Vetrino di supporto 3 - RIFLESSIONE Componente speculare Trasmissione Campione Componente trasmessa Superficie riflettente (vetro dorato, o lamina metallica) Il porta campioni può essere un dischetto di KBr o di NaCl Riflessione Attenuated Total Reflection Campione opaco all’IR ATR

34. STESURE PITTORICHE: Pigmenti Leganti Strato pittorico Supporto

35. Cu3(OH)2(CO3)2 Cu2(OH)2CO3 Frammento di Stesura Pittorica: Azzurrite degradata a Malachite

36. Riconoscere il legante con la spettroscopia IR Olio o tuorlo d’uovo?

38. L’articolo riporta il confronto tra gli spettri FT-IR di • Olio di lino • a. fresco • b. invecchiato • 2. Rosso d’uovo • a. fresco • b. invecchiato • 3. Una miscela dei due (idem) Cosa aspettarsi dagli spettro IR di olio di lino e rosso d’uovo?

39. L’olio di lino è un olio essicante, il che significa che indurisce per esposizione all'aria. E’ una miscela di vari trigliceridi che differiscono in termini di componenti degli acidi grassi. Per l'olio di semi di lino, i trigliceridi derivano principalmente dai seguenti acidi grassi: Gli acidi saturi acido palmitico (circa 7%) e acido stearico (3,4-4,6%), l’acido monoinsaturo acido oleico (18,5-22,6%), l’acido doppiamente insaturo acido linoleico (14,2-17%), l’acido triplamente insaturo α-linolenico (51,9-55,2%). Avendo un alto contenuto di esteri insaturi, l’olio di lino è particolarmente sensibile alle reazioni di polimerizzazione in seguito all'esposizione ad ossigeno in aria. Il risultato è l'irrigidimento del materiale, che dà l'apparenza di "asciugare". Un tipico trigliceride nell’olio di lino.

40. Rosso d’uovo C=O stretch occurs at approximately 1680-1630 cm-1 N-H stretch in unsubstituted amides (-NH2) gives two bands near 3350 and 3180 cm-1.N-substituted amides have one band (-NH) at about 3300 cm-1. N-H bending occurs around 1640-1550 cm-1 for primary and secondary amides. Il rosso d’uovo contiene trigliceridi come l’olio di lino. Ma inoltre contiene proteine, che a loro volta contengono aminoacidi. I gruppi funzionali degli aminoacidi si riconoscono da alcune righe caratteristiche nei loro spettri IR, dovuti al gruppo ammidico.

41. In alto: fresco e invecchiato. In basso: vecchio di 80 anni Banda del C=O con forma caratteristica degli olii invecchiati (effetto della polimerizzazione) C=O C=O stretching O-H presente negli olii invecchiati OLIO di LINO C=O Effetto della polimerizzazione C=O

42. Bande tipiche delle ammidi N-H stretching Bande dei trigliceridi Rosso d’uovo fresco Rosso d’uovo invecchiato Olio di lino per confronto

43. A 0.25 carta+chiara uovo 0.20 carta + gomma arabica 0.15 0.10 0.05 0.00 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 cm-1 Come distinguere la gomma arabica dalla chiara d’uovo : nella chiara d’uovo ci sono proteine, quindi le vibrazioni del gruppo amminico già viste per il tuorlo. Stretching del C-O Gruppo ammidico: indica la presenza di proteine

44. Tuorlo: Proteine + lipidi Bande dei trigliceridi NH, OH stretch. Stretching CH2 Chiara: Proteine e acqua. No lipidi

45. Cera d’api Cera paraffinica Idrocarburi CH3-(CH2)xx-CH3 Esteri di acidi grassi: CH3-(CH2)14-COO- Stretching CH alcani Idrocarburi Stretching C=O Bending CH         CH3-(CH2)29-CH3 Stretching C-O

46. Blu di prussia ferrocianuro ferrico, Fe4[Fe(CN)6]3. stretching Blu oltremare Lapislazzuli, (minerale lazurite) (Na,Ca)8(AlSiO4)6(SO4, S, Cl)2 SO4

47. Analisi spettroscopiche del colore in un manoscritto del XV sec. Università degli Studi di Padova Dott. Alfonso Zoleo Lezione per i Beni Culturali: 9/12/2009

48. Il manoscritto Il manoscritto è generalmente ben conservato, tranne alcune pagine miniate in verde presenti nella Sfera, che appaiono invece severamente deteriorate Il manoscritto (Codice 29) è un’opera del XV sec. che comprende tre lavori: • La volgarizzazione delle Eroidi di Ovidio • La volgarizzazione della Pulce, poema pseudoovidiano • La Sfera, opera di cosmografia, astronomia e geografia di Gregorio Dati

49. Le questioni Perché le aree colorate in verde appaiono severamente deteriorate? Quale pigmento verde e quale legante sono presenti? Il Codice 29 ha subito di recente un completo restauro*: si sono rese necessarie della analisi delle aree degradate. In particolare sorgono due questioni: La risposta a queste domande è fondamentale per indirizzare correttamente il restauro !

50. I campioni esaminati frammento A frammento B • I campioni sono due frammenti spontaneamente distaccatesi dalle aree degradate • Un frammento di pagina uniformemente colorato in verde su entrambe le facce • Un frammento di pagina bianco