Dal Convegno INSTM/AIMAT: conservazione degli edifici storici, soluzioni innovative per una vecchia sfida

Al Convegno INSTM/AIMAT è stato dedicato spazio alle ricerche INSTM nel campo della conservazione dei beni culturali con la sessione “L’ambiente, il costruito e la conservazione del patrimonio”. Numerosi sono stati gli interventi di qualità. Tra questi, l’Invited Lecture della prof. Lucia Toniolo del Politecnico di Milano è stata , senz’ombra di dubbio, uno dei contributi più apprezzati e seguiti.

BUILT HERITAGE PRESERVATION: AN OLD CHALLENGE FOR INNOVATIVE SOLUTIONS

La conservazione delle pietre naturali e dei marmi utilizzati negli edifici storici di elevato valore culturale è una vecchia sfida, che, nel corso del XX secolo, si è inasprita a causa delle condizioni ambientali urbane, caratterizzate da alti livelli di inquinanti, e del cambiamento climatico, con l'innalzamento della temperatura e l'aumento del regime delle piogge. La cinetica del deterioramento dei substrati porosi, sia carbonatici che silicatici, è notevolmente aumentata. Erosione, disgregazione e corrosione chimica sono i principali fenomeni a carico delle strutture architettoniche e storiche outdoor, ma anche la cristallizzazione dei sali, l’escursione termica e il proliferare delle biomasse sulle superfici sono minacce consistenti e in aumento rispetto al passato, soprattutto alle latitudini corrispondenti al Nord Italia.

L’attenzione si è quindi focalizzata sulla protezione da erosione, inquinanti e proliferazione di microalghe, con l’intento di avviare una manutenzione e una gestione più sostenibili di edifici e monumenti: anziché costosi e lunghi progetti di conservazione straordinari, sarebbe, infatti, preferibile stabilire pratiche di monitoraggio e conservazione, sviluppate grazie a tecnologie innovative e nanomateriali. In che modo? Mediante la preparazione e lo studio di nanocompositi in grado di rendere le superfici meno interagenti con l’ambiente, donando loro proprietà idrofobiche o super-idrofobiche, antigraffiti, fotocatalitiche nei confronti degli inquinanti, autopulenti, inibenti la proliferazione delle biomasse o addirittura biocide.

Che caratteristiche devono avere questi trattamenti protettivi? Devono essere idrorepellenti, ma mantenere la permeabilità al vapor acqueo, aderire bene al substrato, senza alterarne il colore, essere inerti dal punto di vista chimico, durare nel tempo ma essere anche facilmente rimovibili senza rovinare le superfici all’occorrenza.

In letteratura, è stato visto che l'introduzione di nanoparticelle (SiO2, TiO2, Al2O3, SnO2) in matrici polimeriche consente di ottenere trattamenti in grado di modificare le proprietà della superficie, ridurre l’energia chimica libera e aumentare la rugosità micro/nano superficiale. Sperimentalmente si osserva una super-idrofobicità superficiale, con angoli di contatto statici molto elevati (>150) e valori molto piccoli di isteresi dell'angolo di contatto (<10). Bisogna però anche ottenere una soddisfacente compatibilità estetica, proprietà autopulenti, de-inquinanti e antivegetative. I risultati di analisi sulle proprietà dei nanocompositi a base di nanoparticelle di TiO2 sembrerebbero andare in questa direzione. Oltre al già visto comportamento idrofobico, i nanocompositi a base di titanio dimostrano una buona compatibilità estetica (non si registrano cambiamenti di colore), un’attività di self-cleaning più alta rispetto agli altri nanomateriali ibridi, una capacità di de-polluting confermata, anche se molto poco studiata e con metodi non ancora standardizzati e non strettamente correlata al self-cleaning.

Sulla base di queste evidenze scientifiche, particolare attenzione è stata data ai trattamenti protettivi basati su nano-TiO2 (NA_TiO2). Nanoparticelle diTiO2, di dimensioni intorno ai 30 nm, modificate con gruppi benzilici, hanno mostrato un comportamento fotocalitico elevato sia nell’UV che con irraggiamento di luce solare. Inoltre hanno dimostrato un’alta capacità di dispersione in sistemi acquosi nei quali non sformano aggregati o precipitati. In tali condizioni, possono essere usate in elevate concertazioni, con maggiore efficienza di fotocatalisi.

È stato poi proposto un pretrattamento superficiale con tetraetilortosilicato (TEOS) come “grafting agent” per migliorare l’adesione delle NA_TiO2 alla pietra e per evitare la loro penetrazione nelle porosità dei substrati lapidei trattati. Ancora migliori si sono dimostrati i trattamenti combinati SiO2-NA_TiO2, testati su una calcarenite porosa (pietra di Noto) e un marmo molto compatto (marmo di Carrara): l'attività fotocatalitica dei trattamenti SiO2-NA_TiO2, sia sulla pietra Noto che sul marmo di Carrara, è risultata essere il doppio rispetto al semplice trattamento con una dispersione di nanoparticelle di TiO2 e può essere attribuita alla favorevole distribuzione delle NA_TiO2 nel gel di silice finale, che risulta in un maggior numero di naoparticelle ancorate sulla superficie. Il trattamento SiO2-NA_TiO2 potrà quindi trovare applicazione in casi in cui è necessario un consolidamento superficiale ce garantisca anche un'attività duratura anti-inquinante ed autopulente.

Una linea di ricerca parallela, nell’ambito del progetto H2020 NanoCathedral, coordinato da INSTM, ha riguardato trattamenti protettivi con polimeri innovativi anfifilici o idrofobici ma anche fotocatalitici utilizzando nanoparticelle di TiO2 con l'obiettivo di studiare il complesso sistema di "trattamento/pietra-substrato".

I substrati trattati sono stati il marmo apuano (utilizzato sia nel duomo di Santa Maria Assunta di Pisa che nella Oslo Opera House) e la pietra calcarea Ajarte (tipica della Cattedrale di Santa Maria a Vitoria-Gasteiz): chimicamente sono identici ma la pietra Ajarte ha una porosità molto maggiore rispetto al marmo apuano. I trattamenti testati sono stati due:

  • WNC: dispersione acquosa di silani oligomeri (15% w/w) con particelle di nano-TiO2 (0.96% w/w) di circa 15 nm omogeneamente distribuite
  • ANC: soluzione a base di alcol di silani monomerici (40% w/w) con bassa concentrazione di
    nano-TiO2 (0.12% w/w) di circa 10 nm aggregate in cluster di circa 100 nm

In particolare, la formulazione WNC ha una buona penetrazione nella microstruttura del calcare Ajarte, abbattendone la porosità, mentre la ANC mostra risultati migliori per il marmo apuano, esaltandone la nano rugosità e conferendo idrofobicità di superficie. Il comportamento fotocatalitico, invece, di TiO2, invece, è strettamente collegato alla quantità di nanoparticelle disponibili e alla superficie attiva ed è maggiore nella formiulazione WNC. Entrambi i nanocompositi mostrano prestazioni migliori rispetto a un trattamento protettivo a base di silossano di riferimento commerciale, risultando in prestazioni diverse una volta applicate su diversi substrati carbonatici, confermando la necessità di correlare precisamente le caratteristiche del materiale lapideo a quelle delle formulazioni protettive.

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