Arqueometría: aplicación de la física al estudio in situ

Arqueometría: aplicación de la física al estudio in situ de pinturas de forma no destructiva. Últimos avances en el uso de la reflectografía infrarroja (IRR) K. Laclavetine *1,2, E. Hernández 3, J. Arquillo 4, E. Arroyo 3 y M.A. Respaldiza 1,2 1 Centro Nacional de Aceleradores (CNA), Universidad de Sevilla, Sevilla, España 2 Departamento de Física Atómica, Molecular y Nuclear, Universidad de Sevilla, Sevilla, España 3 Laboratorio de Diagnóstico de Obras de Arte (LDOA), Instituto de Investigaciones Estéticas, Universidad Nacional Autónoma de México, México DF, México 4 Taller de Restauración de la Facultad de Bellas Artes, Universidad de Sevilla, Sevilla, España Resumen La reflectografía infrarroja (IRR) se ha vuelto un método de registro de imagen clásico para el estudio de obras pictóricas. Esa técnica revela la presencia de dibujos preparatorios. Aunque poco explorado, este registro contiene también información que ayuda a la identificación de los pigmentos presentes en la superficie de la obra. Ese trabajo propone analizar estándares de referencia realizados con pigmentos típicos del siglo XVI. Los objetivos son establecer la opacidad y transparencia características de cada material, considerar la influencia de la superposición de capas de distintos materiales y evaluar el comportamiento de distintos equipos. Para el estudio de las pruebas se emplearon cuatros dispositivos registrando una parte especifica del espectro infrarrojo. A la luz de esos primeros resultados, se propone una metodología para la evaluación preliminar de los pigmentos empleados en obras pictóricas antiguas. Con ello, se pretende mejorar la estrategia de análisis mediante otras técnicas puntuales. 1 INTRODUCCIÓN Desde la tesis de J.R.J. Van Asperen de Boer (1968), la reflectografía infrarroja (IRR) se ha vuelto una técnica usada en el estudio de obras pictóricas (Van Asperen de Boer, 1968). Esta técnica revela la presencia de dibujos preparatorios, testigos de la técnica del pintor y de la organización de un taller. Aunque poco explorado (Casini et. al, 1999), las imágenes de reflectografía infrarroja contienen información relevante que ayuda a la identificación preliminar de los pigmentos presentes en la capa pictórica de la obra. 1.1 La reflectografía infrarroja (IRR). Las imágenes bajo espectro infrarrojo se han empleado durante muchos años durante el proceso del estudio material de una obra de arte, principalmente en el ámbito de la restauración pero también como parte fundamental del conocimiento desde la perspectiva de la historia del arte. La técnica IRR es un método que permite visualizar una pintura registrando su respuesta en una parte del espectro infrarrojo (IR) invisible para el ojo humano. Tiene la ventaja de ser una técnica no destructiva y no invasiva. La porción infrarroja del espectro electromagnético se divide en tres regiones; el infrarrojo cercano (14000-4000 cm -1 ), medio (aproximadamente 4000-400 cm -1 ) y lejano (aproximadamente 400-10 cm -1 ). Hoy en día, existen diferentes tipos de cámaras IRR con detectores capaces de registrar una parte especifica del espectro IR. El grado de penetración de la iluminación IR en una obra depende no únicamente de la longitud de onda de la radiación IR registrada por la cámara IRR sino también del espesor de la pintura y del tipo de pigmento empleado. Aunque poco estudiado por una cuestión inherente a la complejidad de una obra, este registro contiene información que podría permitir una primera evaluación de los pigmentos presentes en la superficie de una obra. 2 MATERIALES Y MÉTODOS Ese trabajo de colaboración internacional propone analizar estándares de referencia realizados con pigmentos y recetas típicos del siglo XVI. Los objetivos son: a) Establecer la opacidad y transparencia características de cada material b) Identificar la influencia de la superposición de capas de distintos materiales c) Evaluar el comportamiento de distintos equipos de reflectografía infrarroja 2.1 Los equipos Para el estudio de las pruebas se emplearon cuatro dispositivos de reflectrografía IR, cada uno registra una parte especifica del espectro IR: cámara digital de alta resolución Phase One (IR cercano); cámara Vidicón de marca Hamamatsu (IR medio) y dos cámaras InGaAs de marca XenICs (IR lejano), el modelo Xeva-XS-512 y el más reciente Xeva-1.7-640 (figura 1). 1

2.3 Clasificación e interpretación de la imagen de IRR Figura 1. Estudio de un estándar de referencia con la cámara InGaAs Xeva-1.7-640 de XenICs en el LDOA. 2.2 Estándares de pinturas Desde el 2008, este equipo interdisciplinario se planteó la necesidad de establecer estándares de referencia para la pintura del siglo XVI (Arroyo et. al, 2008). Para este estudio se prepararon 12 tablillas de 10 cm por lado divididos en dos series, una con imprimación blanca con blanco de plomo (arriba, figura 2) y otra con imprimación roja a base de hematitas (abajo). La base de preparación se hizo con cola de conejo y sulfato de calcio, el dibujo preparatorio se realizó con grafito. Para las capas pictóricas se emplearon los siguientes pigmentos: blanco de plomo, malaquita, amarillo de Marte, bermellón, hematitas, azurita y amarillo de plomo estaño. Sobre la imprimatura, se aplicó cada pigmento en una única capa, posteriormente se hicieron superposiciones de hasta 3 capas pictóricas para observar los efectos en la señal IR registrada. No se aplicó barniz. Durante el proceso del estudio, resultó importante definir una escala simplificada para la descripción de las imágenes obtenidas bajo reflectografía IR y proponer un sistema de caracterización de los pigmentos que se incluyeron en las tablas de referencia. Así, se observaron y definieron tres categorías respecto a la absorción característica de los pigmentos: - los materiales transparentes: no absorben la luz IR ni la reflejan, - los materiales opacos, absorben la luz IR, - los materiales brillantes, no absorben la luz IR pero la reflejan tanto que se satura el detector. En el caso de los materiales opacos, puede ser factible observar un dibujo preparatorio aumentando la intensidad de la iluminación IR mientras que en el caso de los materiales brillantes, se tiene que bajar la intensidad de la misma. Para la evaluación y distinción de tipos de pigmentos, utilizaremos esa variación de opacidad, las imágenes se obtuvieron bajo condiciones controladas de iluminación, distancia y diafragma de los equipos, con ello se intentó discriminar diferentes pigmentos del mismo color. 3 RESULTADOS Y DISCUSIÓN 3.1 Phase One (IR cercano) Para este estudio resultó interesante la comparación de la información que una imagen obtenida en el IR cercano ofrece. El equipo usado no tiene filtro Cut of IR por lo que es capaz de capturar el espectro desde el ultravioleta al infrarrojo. En general se observa el dibujo con más dificultad ya que esa longitud de onda sólo penetra superficialmente en las capas subyacentes de la obra, no obstante, las líneas incisas que sirvieron como trazo preparatorio se pueden observar con claridad en todos los casos (figura 3). Por tanto, la transparencia se matiza y la brillantez se pierde. 5 cm Figura 2. Estándares de referencia analizados. Figura 3. Diferencias entre la imagen obtenida con el equipo Phase One (IR cercano) (a) y la obtenida con el equipo Xeva- 1.7-640 (IR lejano) (b). 2

3.2 Opacidad y transparencia características Sin importar el tipo de imprimación (blanca o roja), o el tipo de equipo, los pigmentos estudiados presentan las mismas características bajo IR (tabla 1), excepto en el caso del amarillo de plomo estaño, con el equipo Hamamatsu se observa brillante mientras que con los equipos Xeva es transparente (figuras 4 a 9). Figura 5. Amarillo de plomo estaño (a) y amarillo de marte (b) con imprimación roja con Hamamatsu. Tabla 1. Tabla de opacidades características. Xeva-XS- Xeva-1.7- Pigmento Hamamatsu 512 640 Blanco de plomo Transpar. Transpar. Transpar. Bermellón Brillante Brillante Brillante. Hematitas Transpar. Transpar. Transpar. Amarillo de plomo estaño Brillante Transpar. Transpar. Amarillo de Marte Transpar. Transpar. Transpar. Malaquita Opaco Opaco Opaco Azurita Transpar. Transpar. Transpar. * Transpar. significa transparente 3.3 Discriminación de pigmentos del mismo color En el caso de los pigmentos empleados en nuestros estándares de pinturas, podemos comparar los resultados obtenidos con los pigmentos amarillos (amarillo de plomo estaño y amarillo de Marte) y los pigmentos rojos (bermellón y hematitas). 3.3.1 Los pigmentos amarillos. Ya sea con la cámara Hamamatsu o con las cámaras Xeva, el amarillo de plomo estaño es más brillante que el amarillo de Marte y por lo tanto dificulta la observación del dibujo preparatorio (figuras 4 a 7). En el caso de una imprimación blanca, el contraste entre ambos pigmentos es mínima (figuras 4 y 6), por lo tanto, distinguir los dos pigmentos resulta difícil, en el caso de la imprimación roja, el contraste es más evidente, sobretodo con las cámaras Xeva (figuras 5 y 7). Figura 6. Amarillo de plomo estaño (a) y amarillo de marte (b) con imprimación blanca con Xeva-1.7-640. Figura 7. Amarillo de plomo estaño (a) y amarillo de marte (b) con imprimación roja con Xeva-1.7-640. 3.3.2 Los pigmentos rojos. El bermellón es más brillante que las hematitas, por lo tanto, dificulta la observación del dibujo preparatorio, esto sucede tanto con el equipo Vidicón o con las cámaras Xeva (figuras 8 a 11). Sin importar el tipo de imprimación, la diferencia de contraste es evidente entre ambos pigmentos (figuras 8 a 11), por lo tanto es posible distinguir esos dos pigmentos a partir de las imágenes de IRR. Figura 8. Bermellón (a) y hematitas (b) con imprimación blanca con Hamamatsu. Figura 4. Amarillo de plomo estaño (a) y amarillo de marte (b) con imprimación blanca con Hamamatsu. Figura 9. Bermellón (a) y hematitas (b) con imprimación roja con Hamamatsu. 3

Figura 10. Bermellón (a) y hematitas (b) con imprimación blanca con Xeva-1.7-640. Con el equipo Hamamatsu pero particularmente con las cámaras Xeva (IR lejano), la yuxtaposición de capas pictóricas con pigmentos transparentes encima de una capa pictórica con amarillo de plomo estaño (pigmento brillante ) atenúa el brillo y facilita la observación del dibujo preparatorio (figura 14). Figura 11. Bermellón (a) y hematitas (b) con imprimación roja con Xeva-1.7-640. 3.4 Efecto de yuxtaposición de capaz pictóricas Podemos hacer varias observaciones respecto al estudio de la superposición de capas pictóricas. No se encontró diferencia entre el uso de la cámara Hamamatsu y las cámaras Xeva. La yuxtaposición de hasta 3 capas pictóricas con pigmentos transparentes no impide la observación del dibujo preparatorio (figura 12). Figura 12. Sistema tricapa con blanco de plomo, azurita y hematitas con imprimación roja con Xeva-1.7-640. La yuxtaposición de capas pictóricas con pigmentos transparentes encima de una capa pictórica con un pigmento opaco no influye sobre la opacidad de esa capa y por lo tanto no se puede observar dibujos preparatorios (figura 13). A la hora de buscar dibujos preparatorios, se puede esperar que las áreas de la obra conteniendo malaquita no permitirán observar trazos subyacentes. Figura 14. Amarillo de plomo estaño (a) y amarillo de plomo estaño debajo de una capa de hematitas (b) con imprimación roja con Xeva-1.7-640. 4 CONCLUSIONES A la luz de esos primeros resultados, se propone una metodología para la evaluación preliminar de los pigmentos empleados en obras pictóricas antiguas. La observación de la imagen general obtenida mediante un equipo de IRR permite la dirección de los esfuerzos al momento de centrar la atención en la detección de dibujo preparatorio y el diagnóstico anticipado de los posibles pigmentos utilizados por el artista. Consideramos que, con el desarrollo de esta parte de la metodología de observación bajo infrarrojo se mejora la estrategia de análisis mediante otras técnicas puntuales como la fluorescencia de rayos X (XRF), la espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), la espectroscopía Raman, la microfluorescencia de rayos X confocal (CXRF), etc. Así, por ejemplo, se puede determinar precisamente los puntos de análisis por XRF o ubicar las zonas preferentes para análisis CXRF (cf. comunicación siguiente). 5 AGRADECIMIENTOS Trabajo parcialmente financiado por el proyecto CONACyT CB2012/171046, el proyecto de la Junta de Andalucía P09- HUM4544 y el proyecto del Ministerio Español de la Ciencia y de la Innovación HAR2009-07449. 6 REFERENCIAS Figura 13. Sistema bicapa con malaquita y blanco de plomo (a) y sistema tricapa con amarillo de marte encima de malaquita y blanco de plomo (b) ambos con imprimación roja con Xeva-1.7-640. La yuxtaposición de capas pictóricas con pigmentos brillantes potencia el brillo observado en la imagen de IRR e impide la observación de dibujos preparatorios. ARROYO, E., ZETINA, S., HERNÁNDEZ, E., FALCÓN, T., RUVALCABA, J., MANCILLA, L., NIETO, A., XVI Century Colonial Panel Paintings from New Spain: Material Reference Standards and Non-Destructive Analysis for Mexican Retablos. 9th International Conference on NDT of Art, Jerusalem, Israel, pp. 1-10, 09 2008. CASINI, A., LOTTI, F., PICOLLO, M., STEFANI, L. & BUZZEGOLI, E. Image Spectroscopy Mapping Technique for Non-Invasive Analysis of Paintings, Studies in Conservation. Vol. 44, Número 1, pp. 39-48, 1999. VAN ASPEREN DE BOER, J. R. J. Infrared Reflectography: a Method for the Examination of Paintings, Applied Optics. Vol. 7, Numero 9, pp. 1711-1714, 1968. 4

Perfil bioprofesional Kilian Laclavetine Nacido el 27/03/1984 en Talence, Francia. E-Mail: kilian@us.es Estudiante del 3er año de doctorado de Física en la Universidad de Sevilla bajo la dirección del Doctor Miguel Ángel Respaldiza. Obtención del Máster Oficial de FISICA AVANZADA en la Universidad de Sevilla en 2011 y del Máster en ARQUEOMATERIALES, Mención: Historia, Historia del arte, Arqueología, Especialidad: Materiales del Patrimonio Cultural en la Universidad Michel de Montaigne en Burdeos (Francia) en 2008. Formación universitaria en química-física (2002-2006) y en arqueología en la Escuela de Altos Estudios en Ciencias Sociales (EHESS) en París bajo la dirección del Doctor- Arqueólogo Christian Duverger (2008-2012). Ha realizado diferentes estudios arqueometricos principalmente sobre artefactos arqueológicos (turquesa y obsidiana) y obras pictóricas con diferentes técnicas, principalmente no destructivas (fluorescencia de rayos X (XRF), micro-fluorescencia de rayos X confocal (CXRF), reflectografía infrarroja (IRR), emisión de rayos X inducida por particulares (PIXE), difracción de rayos X (DRX), espectroscopia infrarroja con la transformada de Fourier (FTIR), espectroscopia Raman, colorimetría, etc.). 5