La fluorescencia de rayos X (FRX)

Hace poco os hablaba de la DRX. Os recuerdo que es una técnica que sirve para identificar fases cristalinas y que cada fase tiene su difractograma único que es como una huella dactilar.

Hoy os voy a hablar de una técnica complementaria a la anterior: la fluorescencia de rayos X (FRX). Del mismo modo que la DRX sirve para identificar fases cristalinas, ésta sirve para hallar la composición química elemental, es decir, qué elementos y en qué cantidad hay en la muestra. Hay que tener en cuenta que no detecta elementos del segundo periodo (C, N, O...). El funcionamiento es el siguiente:

- Se hace incidir sobre la muestra un haz de rayos X.

- Este haz golpeará a un electrón interno del átomo que saldrá despedido (imaginad el choque de dos bolas de billar).

- Al haber un espacio vacante en un orbital interno del átomo se crea una situación inestable y uno de los electrones de un orbital más externo cae hacia el hueco que ha dejado el anterior.

- Este salto produce una energía característica de cada elemento y es leída por el detector.

Esta imagen resume el proceso:

Esta técnica por sí sola no vale (recordad que os dije que las técnicas de análisis se complementan entre sí) pues la composición química elemental es una información limitada. Así, si mediante FRX detectamos hierro podría ser, por ejemplo, hematites (Fe2O3) o goetita (FeO(OH)), pero sólo con esta técnica no sería posible distinguir una u otra porque tan solo detectaría el hierro.

Este análisis se lleva a cabo con un espectrómetro y se obtiene un espectro de fluorescencia de rayos X. Posteriormente los resultados son tabulados para que se pueda trabajar mejor con ellos. El ejemplo que os pongo a continuación es del estudio de la obra Virgen con el Niño, San Sebastián y San Roque, del pintor lombardo Bernardino Luini, que se llevó a cabo en el IAPH.

Virgen con el Niño, San Sebastián y San Roque (Bernardino Luini)

El análisis se llevó a cabo en diversos puntos de color azul y el espectro revela que hay mucho calcio (correspondiente a la preparación de yeso, CaSO4·2H2O), plomo (del blanco de plomo, Pb3(CO3)2(OH)2) y cobre (azurita, Cu3(CO3)2(OH)2). También se detectó en menor cantidad hierro con impurezas de níquel y manganeso (correspondientes al uso de tierras).

Esta técnica también tiene desde hace años su versión portátil (algo que con la DRX es mucho más complicado) consistente en una "pistola" con un generador de rayos X, un detector y una pantalla en la que te va indicando los resultados que lee:

En este caso estábamos analizando una pintura mural ubicada en la parte alta de la iglesia de la Annunciata, en el municipio de Serle (provincia de Brescia, Italia).

Fuente de las imágenes:
http://culturadesevilla.blogspot.com.es/2011/06/gonzalo-bilbao-en-el-bellas-artes-el.html
https://ecogirlcosmoboy.wordpress.com/category/cosmology/page/2/

Nota: Como dije en la presentación, este blog lo hago con la intención de facilitar la comprensión de las técnicas científicas de análisis a restauradores. Si eres un estudiante de ciencias te recomiendo mirar en otros sitios más especializados porque esto se te quedará corto. Las explicaciones estarán destinadas para facilitar la comprensión a gente con una formación que no sea de ciencias.

La difracción de rayos X (DRX)

Como dije hace poco, una técnica analítica fundamental para el análisis de  materiales cristalinos es la difracción de rayos X (DRX). En esta entrada intentaré explicar de forma más o menos sencilla el porqué.

Para la entender por qué funciona la DRX hay que tener en cuenta tres ideas básicas.

La primera idea que hay que tener en mente es la siguiente: los átomos de un cristal forman planos (agrupados en familias) que pueden ser más o menos densos. Ya sabemos en líneas generales las particularidades de la estructura cristalina: es una estructura simétrica y periódica. Los átomos forman unidades (celdas unidad) que se repiten periódicamente en todas las direcciones del espacio. Ahora bien, estos átomos también forman planos. En función del plano que se coja éste estará más o menos "lleno", más o menos ocupado:

La segunda idea que hay que tener en cuenta para comprender el funcionamiento de esta técnica reside en el concepto de difracción en sí. Hay quien lo explica (y en mi opinión, acertadamente) como una reflexión. La radiación "rebota" en el plano como si fuese un espejo y el ángulo de incidencia es el ángulo de reflexión:

La tercera idea que hay que tener en mente es el fenómeno de "ondas en fase". Las ondas en fase son aquéllas en las que los máximos y los mínimos coinciden al superponerlas. No tienen por qué tener necesariamente la misma amplitud, pero no deben coincidir unos con sus opuestos:

Si los máximos coinciden las ondas se suman, equivaliendo a una onda de más amplitud (a), mientras que si los máximos coinciden con los mínimos las ondas se anulan (b). En un cristal, como he dicho anteriormente, los planos se agrupan en familias de planos paralelos. Si la interferencia entre ondas es constructiva, al haber muchos planos, la intensidad de la onda resultante será lo suficientemente grande como para que el detector la lea.

Teniendo en cuenta estas tres ideas vayamos ahora a la técnica analítica en sí. Cuando se hace incidir la radiación sobre una muestra habrá planos con los que choque y planos con los que no. Si se hace girar la muestra respecto al ángulo de incidencia de la radiación se podrán abarcar todos los ángulos posibles. La DRX consiste precisamente en eso. Cada vez que la radiación choca con una familia de planos en el ángulo apropiado se produce una interferencia constructiva (ondas en fase), el detector la lee y aparece un pico en el difractograma. Los difractogramas son únicos para cada tipo de sustancia cristalina, como una huella dactilar, así que te permiten identificar la fase que tienes presente en la muestra. 

Este fenómeno se resume en la Ley de Bragg:

Como he dicho, el resultado de esta técnica se lee en un difractograma: reprsentación de la intensidad (eje Y) frente al ángulo de giro (eje X). Evidentemente, en las muestras no te encuentras un solo tipo de fase y hay que resolver los difractogramas para identificarlas todas. Os pongo uno real como ejemplo de muestras sacadas de la Fuente Nueva de Martos (provincia de Jaén):

Donde C es calcita, D es dolomita, Q es cuarzo, W es weddellita y Wh es whewellita.

Fuente de las imágenes:
http://www.theochem.unito.it/crystal_tuto/mssc2008_cd/tutorials/surfaces/surfaces_tut.html
http://www.hablandodeciencia.com/articulos/2011/10/02/adn-la-molecula-mas-bonita-del-mundo/
http://primerodebachilleratofis.blogspot.com/feeds/posts/default
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/quantum/bragg.html

Nota: Como dije en la presentación, este blog lo hago con la intención de facilitar la comprensión de las técnicas científicas de análisis a restauradores. Si eres un estudiante de ciencias te recomiendo mirar en otros sitios más especializados porque esto se te quedará corto. Las explicaciones estarán destinadas para facilitar la comprensión a gente con una formación que no sea de ciencias.

X congreso ibérico de Arqueometría

"La arqueometría es la aplicación de técnicas analíticas al estudio del Patri- monio Cultural para permitir su caracterización, medición, datación, etc., y por tanto, profundizar en su análisis histórico, conservación y restauración"

Inicialmente estos congresos se concibieron con el objetivo de promover un foro de discusión y encuentro (hasta entonces inexistente) para los grupos de investigación nacionales dedicados a la caracterización de materiales del Patrimonio Cultural mediante diferentes técnicas analíticas propias de áreas como la física y la química. Y es que durante estos días, y coincidiendo con el Foro internacional del ICCROM, se celebra el X congreso ibérico de arqueometría en el Museo de BB.AA. de Castellón. 

Dentro de sus objetivos está el fomentar el intercambio de conocimiento dentro de este campo desde los distintos ámbitos de estudio, presentar los principales resultados de las investigaciones arqueométricas que se desa- rrollan en el marco de la Península Ibérica, favorecer la cooperación entre investigadores de distintas disciplinas en la investigación arqueométrica y promover, difundir e intercambiar experiencias, conocimientos y resultados de la investigación científica entre las personas interesadas en la aplicación de técnicas arqueométricas al Patirmionio Cultural.

El comité científico está compuesto por miembros de distintos centros de investigación y universidades de España y Portugal.

Nuevamente se resalta la importancia del diálogo entre todas las disciplinas que participan en el estudio del Patrimonio Cultural.

Foro Internacional de Ciencias de la Conservación del ICCROM

Hoy comienza el Foro Internacional de Ciencias de la Conservación del ICCROM. Lo organizan 15 organizaciones de Patrimonio Cultural (agencias nacionales de Patrimonio Cultural, centros de investigación y universidades) de 14 países distintos.

Durante hoy y los próximos dos días 80 participantes de más de 25 países y de diferentes disciplinas se reunen en Roma para reflexionar sobre el papel y el impacto de la ciencia dentro del Patrimonio Cultural alrededor del mundo y sobre los caminos que se deberán tomar en este campo en el futuro. Por parte de España irán Marián del Egido (IPCE) y Salvador Muñoz (UPV).

La Ciencia para la Conservación es un campo multidisciplinar que ayuda a la comprensión, cuidado y conservación de los Bienes Culturales y es un sector que ha experimentado un crecimiento significativo en los últimos 20 años. En algunas regiones este crecimiento ha tenido apoyo por parte de fundaciones dedicadas a la investigación y la conservación del Patrimonio. De todos modos, inevitablemente, hay desigualdades enormes entre distintas regiones.

Este foro es un paso importante, pues es un primer intento para juntar a representantes de diferentes partes del mundo para explorar modos en los que desarrollar estrategias efectivas para las necesidades de hoy día, planificación de la investigación y poner en común conocimientos a nivel internacional.

El Foro también tiene bloggers oficiales (unos 40 de 22 países), que han sido seleccionados para dar difusión al congreso, abrir debates, etc. y se puede seguir en directo.

Espero que podáis aprovechar y disfrutar estos recursos puestos a nuestra disposición.

La estructura cristalina

En las obras de arte que analicemos nos vamos a encontrar muchos tipos de materiales y, en función del tipo de material que sea, será más conveniente utilizar una técnica analítica u otra. Muchos de estos materiales van a tener una estructura cristalina. La ciencia encargada de su estudio es la cristalografía.

La naturaleza cristalina viene definida por unas propiedades concretas en lo que a ordenación atómica se refiere: simetría y periodicidad. La estructura cristalina está compuesta por átomos ordenados según unos elementos de simetría (ejes, planos, etc.) que forman una estructura base (celda unidad), indistinguible de todas las demás, y que está repetida periódicamente en todas las direcciones posibles hasta los bordes del cristal. Uno de los ejemplos más sencillos es la halita o sal de mesa (NaCl), aunque los hay mucho más complicados. Sus átomos forman una celda unidad cúbica centrada en las caras:

Esto quiere decir que, por ejemplo tomando como referencia los átomos de cloro, los encontramos en las esquinas y en el centro de las caras, mientras que los átomos de sodio quedan en el centro de las aristas. Si desplazásemos el eje de referencia hasta colocar un átomo de sodio en el origen la situación sería exactamente la misma para éstos. Esta estructura se repite en los tres ejes, en sentido positivo y negativo, hasta llegar al borde del cristal (por ejemplo, dentro de un grano de sal):

En total hay 14 estructuras posibles que puede adoptar una celda cristalina dependiendo de sus elementos de simetría:

Las estructuras cristalinas las encontramos en los materiales de origen inorgánico: 

- Pigmentos: blanco de plomo o albayde (Pb3(CO3)2(OH)2), azurita (Cu3(CO3)2(OH)2), bermellón (HgS)...

- Rocas: calcita (CaCO3)...

- Sales presentes en eflorescencias: thenardita (Na2SO4), nitro (KNO3), yeso (CaSO4·2H2O)...

- Pátinas de oxalatos: weddellita (Ca2C2O4·2H2O) y whewellita (Ca2C2O4·H2O)

- etc.

La técnica analítica fundamental para analizar materiales de naturaleza cristalina (normalmente) es la difracción de rayos X. Esto no quiere decir que sea la única a utilizar, ni mucho menos; las distintas técnicas analíticas se complementan entre sí y lo que no ve una puede verlo otra. De ésta concretamente os hablaré en la próxima entrada.

 

Fuentes de las imágenes: 
http://www.chemistry.wustl.edu/~coursedev/Online%20tutorials/Solutions.htm
http://en.wikipedia.org/wiki/Sodium_chloride
http://personales.upv.es/~avicente/curso/unidad3/naturaleza2.html

Visita al Museo Thyssen

Buenas a tod@s.

El próximo día 15 de octubre Priceless Madrid organiza un viaje a la parte del Museo Thyssen que no se ve: el sitio de trabajo del equipo multidisciplinar que participa en los procesos de restauración (talleres de restauración, laboratorios, etc.). Si no me equivoco las entradas están agotadas, pero aquí os dejo un vídeo en el que se muestra algo de lo que tendrán la suerte de ver los afortunados que hagan la visita :)

http://madridnotieneprecio.elmundo.es/news/post/precision-medica-para-curar-obras-de-arte/

Presentación

Hola a tod@s.

Me llamo Manuel Delgado y soy químico especializado en Patrimonio Cultural. A modo de brevísima presentación os diré que acabé la carrera de Química en febrero de 2009 y entonces ya tenía la idea de dedicarme a este campo. Después comencé a hacer cursos de especialización en la materia (sobre todo técnicas de análisis); en 2011 me fui a trabajar al laboratorio de Química de la escuela de restauración EnAIP-Lombardía, en Botticino (provincia de Brescia, Italia) con una beca Leonardo da Vinci. Durante mi estancia me dediqué, fundamentalmente, a la realización e interpretación de estratigrafías pictóricas, aunque también participé en los estudios climáticos de la iglesia de la Santissima Annunciata (municipio de Serle) y en el análisis de pinturas mediante fluorescencia de rayos X. Cuando regresé, y tras alguna colaboración con el Instituto Andaluz del Patrimonio Histórico (IAPH), hice el máster en Ciencia y Tecnología del Patrimonio Arquitectónico en la UGR. Las prácticas de este máster las hice en el laboratorio de Geología del IAPH, en donde llevé a cabo los estudios analíticos previos a la restauración de la Fuente Nueva de Martos (provincia de Jaén, España) y que fueron mi Tesis de Fin de Máster. Actualmente soy miembro del equipo de investigación Arbotante (Universidad de Zaragoza) y estoy haciendo la tesis doctoral en el IAPH, en Sevilla. Además, soy Asesor Científico en proyectos de Restauración de Edificios Históricos (y patrimonio arquitectónico en general) y colaborador en Andalucía de la empresa Geoartec. Si estáis interesados, os invito a contactar conmigo mediante el formulario que está en la columna de la derecha.

La idea de embarcarme en este blog surgió por varios motivos: porque me gusta la materia, porque me gusta compartir lo que sé, porque aprendo, porque es un reto… Coged el que más os guste ;)

El objetivo es compartir noticias y novedades sobre procedimientos y técnicas de análisis aplicadas a la conservación y restauración del Patrimonio Histórico y hacer más comprensible la ciencia que se esconde tras estos procesos; servir de punto de apoyo a tod@s l@s estudiantes y restaurador@s interesad@s en la materia. Soy novato en esto y por ello, os agradeceré enormemente que me enviéis preguntas, comentarios, sugerencias y cualquier tipo de crítica constructiva que se os ocurra ;) Estaré encantado de recibir vuestro feedback y puntualizaciones en lo que creáis conveniente.

Espero que os sirva para aprender y que sea de vuestro interés.

Un saludo a tod@s.