DOTTORATO NAZIONALE IN HERITAGE SCIENCE

Titolo della tesi: Development of advanced SORS protocols and data analysis routines for cultural heritage applications

Questa ricerca di dottorato nasce dall'esigenza, nei campi della diagnostica e delle scienze analitiche, di possedere tecniche non invasive in grado di indagare la profondità dei materiali, soprattutto nel contesto delle applicazioni del patrimonio culturale. Tali metodi sono essenziali, poiché gran parte delle informazioni riguardanti i materiali selezionati dall'artista, la tecnica utilizzata e la storia della conservazione delle opere d'arte si trovano sotto la loro superficie. Integrando l'analisi dei materiali con le dimensioni storiche e artistiche dei manufatti, è possibile ottenere una comprensione più completa dei contesti culturali e tecnologici in cui sono stati creati. Inoltre, una conoscenza approfondita dei processi di degrado dei materiali supporta lo sviluppo di strategie di conservazione più efficaci, garantendo la protezione a lungo termine degli oggetti del patrimonio contro gli effetti del tempo e dei fattori ambientali. In questo scenario, lo studio soddisfa questa esigenza attraverso lo sviluppo di protocolli metodologicamente e tecnologicamente avanzati relativi alla Spatially Offset Raman Spectroscopy (SORS) e alla sua variante microscopica (micro-SORS), che hanno già dimostrato di fornire un'analisi molecolare specifica e non invasiva degli strati interni dei materiali. Nell'organizzazione della tesi ho selezionato una struttura basata sulla progressione concettuale dei temi scientifici esplorati durante i miei studi piuttosto che seguire la sequenza cronologica in cui le attività sono state svolte nel corso dei tre anni. Pertanto, la struttura rispecchia l'evoluzione della ricerca, dagli studi teorici iniziali alla validazione sperimentale e alla successiva elaborazione e interpretazione dei risultati. Di seguito viene brevemente presentata la sequenza cronologica. Nel primo anno, il corso della mia ricerca di dottorato è iniziato seguendo due diversi studi di ricerca: il primo riguardava l'ottimizzazione di un prototipo micro-SORS portatile interno sviluppato per applicazioni in situ nel patrimonio culturale; il secondo si è concentrato sullo studio non invasivo dell'evoluzione della degradazione dei pigmenti sotto la superficie attraverso la mappatura micro-SORS, abbinata ad una routine di ricostruzione delle mappe attraverso uno script sviluppato internamente. Queste due linee di ricerca sono state concepite per essere determinanti per l'unico obiettivo di consentire un'analisi in situ non invasiva per mappare la superficie e il sottosuolo dei materiali. Insieme hanno gettato le basi metodologiche per i lavori presentati nei capitoli 4 e 5.1. Il secondo anno è stato dedicato alla definizione dei confini teorici e pratici tra SORS e micro-SORS, al fine di stabilire criteri e protocolli che potessero aiutare a selezionare il metodo da impiegare in vari scenari del patrimonio culturale. Inoltre, poiché le misurazioni sul campo sono molto comuni in molte scienze analitiche, nel corso del secondo anno è stata condotta una ricerca relativa al rifiuto dei contributi di luce ambientale sia statica che dinamica durante le misurazioni Raman e SORS in situ. Un periodo di ricerca all'estero presso la Central Laser Facility del Rutherford Appleton Laboratory (RAL, Harwell Campus, Didcot, Regno Unito) è stato organizzato appositamente per far luce su queste questioni. Questi lavori, illustrati nei capitoli 2 e 3, ampliano congiuntamente la nostra comprensione del background teorico e delle tecniche da impiegare per le campagne diagnostiche sul campo. Durante il terzo anno, ho svolto un altro periodo di ricerca all'estero presso l'Università di Cincinnati (Ohio, USA) relativo all'implementazione del machine learning (ML) nelle routine di analisi dei dati per applicazioni di scienze del patrimonio. Attraverso la routine di ricostruzione delle mappe progettata nel primo anno per lo studio non invasivo della degradazione dei pigmenti nel sottosuolo, è stato studiato approfonditamente un confronto tra i risultati sperimentali e i risultati ML per fornire un metodo automatizzato e privo di riferimenti per stimare l'entità della degradazione nelle opere d'arte. Questo lavoro è presentato nel capitolo 5.2. Inoltre, durante il mio dottorato ho partecipato a numerose campagne analitiche all'interno dell'infrastruttura E-RHIS (European Research Infrastructure for Heritage Science) per migliorare la mia esperienza sul campo e mantenere una mentalità orientata all'applicazione nei confronti della ricerca. Una selezione di questi casi di studio è illustrata nel Capitolo 6, dove viene evidenziato il potenziale del prototipo micro-SORS portatile descritto nel Capitolo 4. Ho avuto anche la possibilità di presentare i nostri lavori in numerose conferenze, sia con poster che con interventi su invito, come SciX 2023-2025, Gordon Conference 2024, SIF 2025 e la riunione interna IRDG 2023. Nel corso dei tre anni ho ricevuto tre premi: l'IRDG Chalmers & Dent Award 2024, lo Student Travel Award 2024 della Royal Society of Chemistry e il FACSS Student Award 2025. Ho avuto anche l'opportunità di presentare due seminari online per la Royal Society of Chemistry (23 gennaio 2025), la Coblentz Society e la Society of Applied Spectroscopy (23 luglio 2025). Le conferenze e i webinar mi hanno permesso di presentare il mio lavoro, raccogliere suggerimenti e promuovere nuove idee attraverso il networking e le collaborazioni, e hanno sicuramente svolto un ruolo importante nell'affinare l'approccio metodologico su cui si basa la tesi.