gomez, l. aportación nanociencia en conserv. de p.c- 2010

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    Patrimonio

    Culturalde

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    Patrimonioeinnovacin

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    www.mcu.es

    www.060.es

    Edita: SECRETARA GENERAL TCNICA

    Subdireccin Generalde Publicaciones, Informacin y Documentacin

    De los textos y las fotografas: sus autores

    NIPO: 551-10-081-7ISSN: 1889-3104

    MINISTERIO DE CULTURA

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    ngeles Gonzlez-SindeMinistra de Cultura

    Mercedes E. del Palacio TascnSubsecretaria de Cultura

    ngeles AlbertDirectora General de Bellas Artes y Bienes Culturales

    MINISTERIODE CULTURA

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    Patrim

    onioCulturalde

    Espaa

    2010

    Sum

    ario

    REVISTA PATRIMONIO CULTURAL DE ESPAAREVISTA PATRIMONIO CULTURAL DE ESPAADIRECTOR

    Alfonso Muoz Cosme

    CONSEJO DE DIRECCIN

    Mara DomingoAntonio J. SnchezLorenzo Martn

    CONSEJO DE REDACCIN

    Isabel ArgerichIrene ArroyoRoco BruquetasSoledad DazGuillermo Enrquez de SalamancaAdolfo GarcaAlberto HumanesConcha MartnMara Jess SnchezAndrs SerranoMara Pa TimnPablo JimnezBlanca SantamarinaCelia Diego

    Paloma Ballesteros

    COMIT CIENTFICO

    Caterina Bon ValsassinaDirectora del Istituto Centrale per i l RestauroGiacomo ChiariDirector cientfico de The Getty Conservation InstituteRosa M EsbertCatedrtica de Petrologa de la Universidad de OviedoLuz de Lourdes HerbertCoordinadora Nacional de Conservacin del Patrimonio Cultural.INAH. MXICO DF.Alberto de TagleDirector del departamento de Investigacin del NetherlandsInstitute for Cultural Heritage

    PORTADA

    Detalle de un barrido con un equipo de fluorescenc ia de rayos Xen una escultura gnea policromadaFotografa: Toms Antelo

    CONTRAPORTADA

    Radiografa de una figura de la Arqueta de Banyoles, Girona. Espaa.Fotografa: Toms Antelo

    DISEO GRFICO ORIGINAL

    Leona

    MAQUETACIN

    Milk comunicacin

    DISTRIBUCIN Y VENTA

    Abdn Terradas, 7. 28015 MadridTel. 34 91 543 93 66. Fax 34 91 549 34 18

    INTERCAMBIO

    Biblioteca del IPCE.Calle Pintor El Greco, 4. Ciudad Universitaria. 28040 MadridTels. 91 550 44 36 y 91 550 44 39

    PVP

    28 euros, cada nmero, ms gastos de envo

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    La aportacin de la nanociencia a la conservacinde bienes del patrimonio culturalLuz Stella [email protected] de Geologa Econmica (CSIC-UCM).

    Doctor en Ciencia e Ingeniera de Materiales, especialista en sntesis de materiales nanoestructurados.Grupo de Petrologa Aplicada a la Conservacin de Patrimonio, Instituto de Geologa Econmica (CSIC-UCM).

    Paula [email protected] de Geologa Econmica (CSIC-UCM).

    Doctor en Geologa, especialista en deterioro por accin de sales en el Getty Conservation Institute (EEUU).Grupo de Petrologa Aplicada a la Conservacin de Patrimonio, Instituto de Geologa Econmica (CSIC-UCM).

    Rafael Fort [email protected] de Geologa Econmica (CSIC-UCM).

    Doctor en Geologa Econmica, coordinador del Grupo de Petrologa Aplicada a la conservacin del Patrimoniodel Instituto de Geologa Econmica CSIC-UCM.

    Mnica lvarez de [email protected] de Geologa Econmica (CSIC-UCM).

    Doctor en Ciencias Geolgicas, Grupo de Petrologa Aplicada a la Conservacin de Patrimonio. DirectoraTcnica del Laboratorio de Petrofsica, Instituto de Geologa Econmica CSIC-UCM.

    Resumen:Hoy en da la nanociencia se ha convertido en una herramienta fundamental en el progreso de muchos camposde la investigacin debido a que en los nanomateriales muchas de sus propiedades son modificadas o mejoradaspor efecto de la reduccin en el tamao. Uno de los principales aspectos en conservacin de bienes del patrimo-nio cultural es el de minimizar o reparar el deterioro de los mismos como resultado de su exposicin ante diferen-

    tes agentes agresivos y al paso del tiempo. En el presente trabajo se resumen los resultados de las principales apli-caciones de nanomateriales que hasta el momento son las ms conocidas. Se realiza una descripcin de los dife-rentes mtodos de sntesis de nanopartculas y de los tratamientos de conservacin aplicados en piedra, lienzos ypinturas murales, papel o madera. Adems, se hace un breve repaso sobre los productos aplicados en limpieza demateriales ptreos y de las oportunidades de las nanopartculas con aplicaciones biocidas.

    Palabras clave:Nanotecnologa, patrimonio cultural, conservacin, consolidacin, nanopartculas, piedra, papel, pintura mural .

    Abstract:Nowadays, nanotechnology has become a fundamental tool for the progress in several research fields since in thenanomaterials several properties are modified or improved by the reduction in size. One of the main topics in con-servation of Cultural Heritage is minimizing or reparing the deterioration as a result of the exposure time of mate-rials to different aggressive agents. In this work the results of the main applications of nanomaterials that are the

    most well known until now are summarized. A description of the different methods of synthesis and treatmentsapplied to stones, canvas, wall paintings, papers or woods is carried out. Furthermore, a brief review of the appliedproducts in material cleaning and the opportunities of using nanoparticles with biocide applications is described.

    Key words:Nanotechnology, Cultural Heritage, conservation, consolidation, nanoparticles, stone, paper, wall paintings.

    IntroduccinIntroduccinEl desarrollo en los ltimos aos de la nanociencia y la nanotecnologa ha abierto la posibilidad a diferentesreas cientfi cas dentro de la fsica, qumica, biologa, geologa, medicina o ingeniera a la aplicacin de lasnuevas propiedades de los materiales, tanto a nivel funcional como estructural. Esta nueva ciencia ha suscita-

    do un alto inters, debido a que posibilita nuevas aplicaciones de los materiales que anteriormente eran invia-

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    bles, ya que a escala nanomtrica el comportamiento de los materiales se ve modifi cado como resultado dela reduccin del tamao de partcula. La nanotecnologa aporta a la ciencia de la conservacin del patrimoniocultural nuevos productos que mejoran las propiedades de proteccin y consolidacin de los materiales, conventajas muy superiores a otros tratamientos tradicionales.

    Un nanomaterial se defi ne como aquel material que posee unas caractersticas estructurales donde al menosuna de sus dimensiones est en el intervalo de 1-100 nanmetros (un nanmetro es la millonsima parte delmilmetro). Una partcula de tamao nanomtrico provee un rea especfi ca superfi cial mayor para la colisin

    molecular y por tanto, incrementa su velocidad de reaccin. Esta distincin fsica permite obtener propieda-des y caractersticas nuevas, singulares, que nunca antes han sido vistas en los materiales comunes.(GMEZ,2008). Lo interesante a nivel nanomtrico es que gran parte de los fenmenos fsicos suceden en intervalosde longitudes de onda a esa escala, afectando a propiedades tan diversas como el magnetismo (HERNANDO,2003), el color o la conductividad de los materiales (MIRANDA, 2006). Por ejemplo, un cubo de oro de 1 cm. delado normalmente es amarillo; sin embargo, al disminuir su tamao hasta el orden nanomtrico se observa-ra rojo (HERNANDO, 2003). Existen muchos ejemplos de nuevos materiales nanofsicos, y entre ellos puedemencionarse el nano-TiO2 que al tener una mayor proporcin de tomos superfi ciales presenta mejores pro-piedades catalizadoras que el meso-TiO2. Otros ejemplos son el nano-ZrO2 y la nano-Al2O3 o los nanometa-les que son sensiblemente ms duros que los meso-metales (GMEZ, 2008).

    Se han reportado casos muy antiguos de la utilizacin de materiales nanoestructurados obtenidos empricamen-te con pruebas ensayo-error, aun en la poca de los romanos, quienes fabricaban vidrios de nanopartculas me-tlicas ya en el siglo IV antes de Cristo. La copa de Licurgo es un claro ejemplo de ello; dicha copa se encuentra

    Arriba.Deterioro de la piedra del Monasterio de Santa Mara de El Paular, Madrid. Espaa.

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    en el Museo Britnico de Londres y contiene partculas de oro y plata de unos 50-70 nanmetros de dimetro,distribuidas en el interior del vidrio. Estas nanopartculas hacen que la copa sea verde al ser iluminada con luzrefl ejada y roja al iluminarse con luz transmitida. Esta tcnica tambin fue utilizada posteriormente en vidrierasde catedrales y en fotografa, donde las nanopartculas de plata han sido fundamentales como elemento sensi-ble a la luz (MIRANDA, 2006).

    El vertiginoso avance de la nanotecnologa est directamente relacionado con el desarrollo de equipos de ca-racterizacin, gran parte de ellos con el perfeccionamiento de las diversas tcnicas de microscopa desde la

    llegada de la microscopa de tnel en los aos ochenta del siglo pasado, hasta el perfeccionamiento de la mi-croscopa electrnica de transmisin y barrido de alta resolucin donde hoy en da la visualizacin de partcu-las atmicas se ha convertido en una rutina de trabajo. La utilizacin de otras tcnicas como la microscopa Ra-man confocal y espectrometra micro-Raman, la microscopa de Fuerza atmica (AFM), la difraccin de rayos-X, la difraccin de neutrones o de electrones o la utilizacin de la resonancia magntica nuclear y la micro-to-mografa computerizada han conseguido que no solamente se determine el estado del deterioro de los mate-riales, sino que a su vez el progreso en cuanto a poder de resolucin haya permitido detectar el tamao de lasnanopartculas, los cambios de fase cristalina, el estado de las superfi cies porosas, de los defectos estructura-les y el comportamiento de los productos aplicados.

    Adicionalmente, se ha planteado que un sector importante para la economa, como es el de la construccin,tanto de edifi cios como de infraestructuras pblicas, dispondr de grandes oportunidades si toma en conside-racin los desarrollos que la nanotecnologa puede poner a su alcance: desde los materiales con capacidadesmecnicas mejoradas con notables reducciones de masa, hasta los materiales con funcionalidades de gran in-

    Arriba.Deterioro de areniscas de la Catedral de Sigenza. Guadalajara. Espaa. .

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    ters para ciertos elementos constituyentes de la construccin: aislamientos, materiales resistentes para con-diciones ambientales extremas (BAEZ, 2006). De todos estos campos, resulta oportuna la utilizacin de la na-nociencia y la nanotecnologa en el proceso de conservacin de bienes del patrimonio cultural en sus diferen-tes frentes y que constituyen el principal objetivo de este artculo.

    El deterioro de bienes del patrimonio culturalEl deterioro de bienes del patrimonio culturalExisten muchos factores negativos que infl uyen en diferente grado en el deterioro del patrimonio histrico cul-

    tural. Entre ellos cabe mencionar la humedad, las sales y el deterioro causado por la utilizacin inadecuada detratamientos de conservacin como pueden ser la aplicacin de algunos tipos de polmeros sintticos (FORT,2007a; GIORGI et al, 2010). Tanto las pinturas como la piedra utilizada en los monumentos frecuentementesufren procesos de deterioro debido a condiciones medioambientales agresivas. (BAGLIONI y GIORGI, 2006).

    En el campo de los pigmentos, las reacciones qumicas e interaccin entre pigmentos de distinta naturale-za son heterogneas, y transcurren a travs del transporte inico en la propia superfi cie donde stos se depo-sitan sobre el soporte pictrico. Adems de diversos factores de infl uencia, como pueden ser la presencia deagua, productos de hidrlisis, condiciones de acidez y/o basicidad, temperatura, tiempo de exposicin, con-diciones de envejecimiento y en general agentes fsicos y qumicos, la caracterizacin del producto o produc-tos de reaccin requiere distintas tcnicas de investigacin y anlisis. En este sentido, las tcnicas de caracte-rizacin de materiales son muy tiles y han experimentado en la ltima dcada un desarrollo considerable ensu aplicacin al estudio de las obras del patrimonio cultural y en conservacin y restauracin (ARJONILLA etal, 2007). La sntesis de nuevos pigmentos constituidos con nanopartculas posibilita unas propiedades de al-to valor en el campo de la restauracin.

    Una pieza clave del patrimonio cultural se encuentra en todos los archivos en papel que reposan tanto en bi-bliotecas como en museos. Su utilizacin data de 5300 aos y se han visto alterados por diferentes factores,no solo de la mano del hombre, sino tambin factores ambientales, que han contribuido ampliamente a dete-riorar este bien patrimonial. En bibliotecas y museos hay una serie de agentes contaminantes bastante agre-sivos entre los cuales se encuentra el dixido de azufre, emitido por las centrales energticas, industria y veh-culos. Los xidos de nitrgeno, subproducto de la quema de biomasa y combustibles fsiles o el holln y polvosuspendido que se deposita y reacciona con las superfi cies frgiles del papel (NARANJO, 2006).

    La contaminacin tanto en superfi cies de papel como en metales y en piedra es altamente agresiva. La degra-

    dacin del papel por SO2 disminuye la reserva alcalina dependiendo de la humedad relativa del entorno debi-do a la captacin del cido sulfrico formado. Existe una fuerte correlacin entre difusin, absorcin y reac-cin de los contaminantes con el tipo de papel, los aditivos de los iones metlicos presentes en l, en la tinta yel espesor del documento (WILLIAMS y GROSJEAN, 1992). La prdida de la reserva alcalina debe ser compen-sada con la incorporacin de partculas de hidrxidos de calcio o magnesio que sean altamente reactivas, po-

    Arriba a la izquierda. Nanopartculas de hidrxido de calcio de un producto comercial sintetizado (tcnica de Bottom up).Arriba la derecha. Nanopartculas obtenidas por spray pirlisis (tcnica de Bottom up). Fotografa: GMEZ, 2008.

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    sean un tamao uniforme y puedan ser depositadas sin incrementar an ms ese deterioro. En el material fo-togrfi co, el SO2 provoca hidrlisis de la gelatina y la albmina, favoreciendo la oxidacin de la plata y la apari-cin del sntoma de deterioro espejo de plata, decolorando y abrasionando la superfi cie (WILLIAMS y GROS-JEAN, 1982; ALBRIGHT, 1998).

    El efecto de este tipo de contaminantes sobre la piedra ornamental utilizada en monumentos arquitectnicosgenera tensiones al reaccionar con los minerales constituyentes de la roca generando dislocaciones, fracturas,prdida de la cohesin y por tanto cambios en su porosidad (FORT, 2007b). El cido sulfrico generado por la

    oxidacin cataltica y la hidrlisis del SO2 ataca a carbonatos y otros compuestos ricos en calcio, dando lugara la formacin de cristales de yeso. La sulfatacin puede ocurrir mediante dos vas: a) el SO2 puede ser adsor-bido sobre la superfi cie de la piedra donde reacciona con el carbonato clcico y agua para formar sulfi to clci-co, el cual es posteriormente oxidado a yeso, o b) puede ser transformado a H2SO4 directamente sobre la pie-dra o en la atmsfera con el consecuente ataque del carbonato que da lugar a la formacin de costras de ye-so (SABBIONI, 2000).

    Las estructuras metlicas de edifi cios sufren envejecimientos al estar expuestos a los agentes de deterioro, aligual que las piezas en museos y almacenes, por una gran variedad de agentes de deterioro (TETREAULT etal, 2003).

    Procesos de sntesis de nanopartculasProcesos de sntesis de nanopartculasUno de los principales retos de la nanotecnologa est en la obtencin de nanopartculas o materiales nanoes-tructurados que sean adecuados para su utilizacin segn el tipo de aplicacin. Los mtodos de sntesis se ba-san en dos conceptos: tcnicas Break down (de arriba hacia abajo) y tcnicas Bottom up (de abajo hacia arriba).En el mtodo Break down las nanopartculas son obtenidas mediante procesos de miniaturizacin aplicandodiferentes tcnicas como la molienda mecnica o la descomposicin trmica. En los procesos Bottom up setrata de sintetizar nanopartculas mediante el depsito y crecimiento de cristales a partir de soluciones en fa-se lquida o vapor, como son los mtodos de sol-gel, el mtodo de spray pirlisis (MILOSEVIC et al ,2010; G-MEZ, 2008) o mediante mtodos de precipitacin qumica. Actualmente tanto el sol gel como la precipitacinqumica han sido probados con xito en la obtencin de xidos de magnesio (DERCZ et al, 2007) y calcio y na-noslice (MOSQUERA et al, 2008) para ser aplicados en restauracin y conservacin de bienes del patrimoniocultural. Dependiendo de las condiciones de sntesis, las partculas pueden llegar a estar agregadas o no agre-gadas siendo comn la formacin de defectos producidos por la liberacin de tensiones dentro de los mate-

    riales y por tanto la presencia de material amorfo. Este material amorfo se transforma posteriormente en fa-ses ms estables cristalinas mediante la aplicacin de tratamientos adicionales. Otras tcnicas de sntesis co-mo el mtodo lser para obtencin de nanopartculas (SCHAAF, 2007) o los mtodos de spray pirlisis puedenigualmente ser utilizadas en tratamientos de conservacin.

    En la pgina anterior se pueden ver dos tipos de nanopartculas obtenidas por diferentes mtodos Bottom up.La fi gura de la izquierda muestra partculas cristalinas de un producto comercial y la de la derecha nanopart-culas esfricas obtenidas mediante el mtodo de spray pirlisis.

    Aplicacin de nanopartculas en diferentes tratamientos de conservacinAplicacin de nanopartculas en diferentes tratamientos de conservacinCon el fi n de solucionar o prevenir los problemas relacionados con el deterioro de las superfi cies en bienes del

    patrimonio, se ha optado por la utilizacin de soluciones y emulsiones basadas en nanopartculas. Las nano-partculas presentan caractersticas qumicas y estructurales especfi cas que al estar en contacto con las super-fi cies de diferentes materiales bien sea en piedra, como en lienzos, pinturas murales, madera, papel o metales,pueden producir reacciones con los constituyentes propios del material modifi cando la superfi cie de los mis-mos. Tpicamente un material basado en nanopartculas presenta una alta capacidad de reaccin y una eleva-da superfi cie especfi ca, lo que constituye la principal ventaja sobre otro tipo de materiales. Dentro de los fac-tores fundamentales en el proceso de tratamiento deben tenerse en cuenta tanto el control del efecto del ta-mao, como de la estructura atmica y de la composicin qumica. La modifi cacin de alguno o de todos estosfactores infl uye determinantemente en la modifi cacin de las caractersticas del material a tratar.

    Por este motivo ha sido fundamental y estratgica la implementacin de la aplicacin de nanopartculas en su-perfi cies para mejorar la cohesin, la consolidacin y en procesos de consolidacin o limpieza de los mismos.

    La tabla 1 resume los principales tratamientos aplicados en diferentes bienes del patrimonio.

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    La utilizacin de nanopartculas de hidrxidos de diferentes elementos qumicos se ha convertido en la princi-pal herramienta para tratar los materiales en restauracin y conservacin, debido a la estructura cristalina deredes tpicas de estos materiales. Dentro de ellos son bastante comunes los hidrxidos de calcio (Ca(OH)2), loshidrxidos de magnesio (Mg(OH)2) y los hidrxidos de estroncio (Sr(OH)2).

    Tabla 1: nanopartculas aplicadas en diferentes materiales del patrimonio

    Producto Aplicacin

    Ca(OH)2

    , Mg(OH)2

    Consolidacin de calizas, dolomas, mrmoles, morteros, etc.Lienzos de pinturas, madera, papel

    Sr(OH)2

    Eliminacin de sales en piedra, pinturas murales, enlucidos

    Ferritas Tratamientos de limpieza en lienzosSiO

    2Consolidacin de rocas silceas y morteros

    TiO2, MgO, PdO, ZnO, Ag Biocidas

    Arriba a la izquierda.Micrografa de microscopio electrnico de barrido de muestra de doloma sin ningn tratamiento de consolidacin.A la derecha. Micrografa de microscopio electrnico de barrido de la misma muestra de piedra tratada con nanopartculas de hidrxidode calcio despus de 7 das. Fotografas: GMEZ et al, 2009 b).

    Abajo a la izquierda.Micrografa de microscopio electrnico de barrido de nanopartculas de Ca(OH)2

    expuestas a 54% de humedad relativa (RH).A la derecha. Micrografa de microscopio electrnico de barrido de nanopartculas de Ca(OH)

    2expuestas a 90% de humedad relativa (RH).

    Fotografas: LPEZ-ARCE et al, 2010.

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    Nanopartculas para restauracin en piedra ornamentalNanopartculas para restauracin en piedra ornamentalLa petrologa se ha convertido en una disciplina bsica para el avance en la investigacin y conservacin delpatrimonio arquitectnico y monumental, en las causas que generan su deterioro, as como en las tcnicas de

    conservacin y proteccin ms adecuadas en funcin de las caractersticas petrofsicas y del entorno en quese encuentran los materiales ptreos. (FORT et al, 2008).

    Gran parte del deterioro de los materiales ptreos est directamente relacionado con aspectos intrnsecos delos mismos, tales como sus caractersticas texturales y composicionales, la porosidad, y el grado de alteracinde los minerales presentes. Adems, existen una serie de factores extrnsecos, naturales o antrpicos, relacio-nados con el ambiente en el cual se encuentran (precipitaciones, heladas, contaminantes atmosfricos, orga-nismos biolgicos, etc.), los cuales contribuyen en diferente grado a la degradacin qumica y fsica de los ma-teriales. Para frenar o ralentizar su deterioro, la restauracin y consolidacin de estos materiales se hace enestos casos necesaria.

    Durante la dcada de 1960 se aplicaron diversos consolidantes orgnicos sintticos como resinas polimricas,

    basndose en la idea de que los tratamientos de consolidacin ms apropiados deben ser reversibles, los pro-

    Arriba. Imagen obtenida con microscopa Raman- Confocal en muestra de piedra (doloma) tratada con nanopartculas de Ca(OH)2.

    El tono verde corresponde al promedio de espectros Raman de CaCO3 (calcita) producido por carbonatacin de las nanopartculas.El tono prpura corresponde al promedio de espectros Raman de MgCa(CO3)2 (dolomita) del sustrato de la piedra.Fotografa: LPEZ-ARCE et al, 2010.

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    ductos deben proporcionar mxima durabilidad e inercia qumica y a su vez deben ser lo ms compatibles po-sible con los materiales a tratar. Numerosas experiencias a lo largo de estos aos han mostrado que una granmayora de los polmeros pueden producir daos adicionales a medio y largo plazo acelerando su deterioro.(ASHURST y DIMES, 1990; FELLER, 1994; CARRETI y DEI, 2004).

    Uno de los consolidantes inorgnicos ms conocidos desde tiempos histricos, utilizado para restablecer lacohesin perdida de los materiales ptreos del patrimonio arquitectnico es el hidrxido de calcio. Cuandoste se expone al CO2 atmosfrico en condiciones de humedad, se produce la carbonatacin, reaccionando ytransformndose en carbonato clcico. El desarrollo en los ltimos aos de la nanotecnologa y la nanociencia,ha sido una oportunidad para su aplicacin en la conservacin de materiales ptreos. (GOMEZ et al, 2009a).

    Existen diversos productos comerciales basados en soluciones coloidales de estas nanopartculas de Ca(OH)2dispersas en diferentes tipos de alcoholes y distintas concentraciones. Nanorestore ha sido desarrollado en

    la Universidad de Florencia (CSGI Consortium) (DEI y SALVADORI, 2006) y aplicado con xito para consolidarrocas carbonticas. Su efectividad como producto consolidante tambin ha sido evaluada mediante tcnicasno destructivas, demostrando las mejoras en las propiedades fsicas e hdricas de los materiales tratados. (LO-PEZ-ARCE et al, 2010). Se ha comprobado que atmsferas ms hmedas dan lugar a una mayor y ms rpidacarbonatacin con cristales de mayor tamao que atmsferas ms secas. CaLosil es otro producto que ofre-ce similares resultados y que ha sido desarrollado por el Instituto Alemn IBZ-Freiberg (ZIEGENBALD, 2008).

    En el caso de rocas silceas, granitos y algunos tipos de areniscas, se han empleado nanopartculas de slicemezcladas con compuestos orgnicos tipo silanos los cuales mediante procesos de sol-gel polimerizan in si-tu dentro de la piedra incrementando su cohesin (KIM et al, 2008). Igualmente se han aplicado recubrimien-tos basados en nanopartculas de slice y polmeros sobre superfi cies de mrmoles que a la vez que protegende la accin hdrica modifi can la rugosidad del material deteriorado (MANOUDIS et al, 2007). Sin embargo, no

    todos los tratamientos con compuestos orgnicos utilizados como hidrfobos han resultado exitosos. La mez-cla de productos comerciales orgnicos tipo siloxanos tales como el Rhodosil o el Porosil con nanopartculasde SiO2, Al2O3, SnO2 y TiO2 producen modifi caciones en el color y por tanto daos estticos en la superfi cie demrmoles (MANOUDIS et al, 2009). Recientemente, se han realizado ensayos en morteros de cal y puzolanasagregando nanopartculas de slice con el fi n de evaluar cambios en la capilaridad (STEFANIDOU, 2010). La ac-cin de las nanopartculas proporciona una proteccin superfi cial, con lo que se consigue mejorar las propie-dades hidrofugantes de los materiales (MALAGA et al, 2006).

    Existen diferentes tcnicas analticas para caracterizar las transformaciones que sufren estas nanopartculasdurante el proceso de consolidacin de los materiales ptreos, as como diferentes mtodos de ensayos paraevaluar la efi cacia de los productos consolidantes. La difraccin de rayos-X (DRX), la microscopa electrnicade barrido (SEM) y de transmisin (TEM) y la difraccin de electrones, son de gran utilidad a la hora de deter-

    minar las diferentes estructuras cristalinas presentes en el producto fi nal. El desarrollo de diferentes sensores

    Arriba a la izquierda.Aplicacin de solucin de nanopartculas sobre un sustrato ptreo.A la derecha. Valoracin de la rugosidad ptica enla superficie de la piedra antes y despus del tratamiento con nanopartculas.

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    vibracionales adecuados a equipos de microscopa ptica como la espectroscopia microraman-confocal queaprovecha la ventaja de la utilizacin de un rayo lser se ha convertido en una herramienta rpida y bastan-te sensible para ser utilizada en el anlisis de nanopartculas. Los ensayos petrofsicos y las tcnicas de anli-sis no destructivos (TND), tales como la determinacin de la velocidad de propagacin de ultrasonidos, ensa-yos hdricos de capilaridad y absorcin de agua, espectrofotocolorimetra, anlisis de rugosidad ptica y la re-sonancia magntica nuclear (imagen y relaxometra) permiten evaluar la efi cacia de estos tratamientos en lapiedra. (DANIELE, TAGLIERI y QUARESIMA, 2008; LOPEZ-ARCE et al, 2010).

    El estudio del efecto de los productos consolidantes basados en nanopartculas obtenidos por diferentes m-todos de sntesis aplicados con el fi n de minimizar el deterioro de los geomateriales permite evaluar su com-portamiento a nanoescala y su compatibilidad con el material original, su evolucin morfolgica, la variacincristalina y analizar su reaccin con diversas superfi cies a las que han sido expuestas. Igualmente, dicho estu-dio hace posible la valoracin del comportamiento de estos consolidantes en diferentes condiciones ambien-tales, en donde la humedad relativa, la temperatura y el tiempo de exposicin al producto controlarn su efi -cacia y durabilidad (GOMEZ et al, 2009a).

    Adems, la aplicacin de nanopartculas posibilita el uso de tratamientos de proteccin, mediante la mejoradel grado de recubrimiento, penetracin, mtodos de aplicacin y la efi cacia de los tratamientos de hidrofuga-cin, permitiendo desarrollar nuevos productos hidrorrepelentes con propiedades autolimpiantes que dismi-nuyan el mantenimiento de los materiales y aumenten su durabilidad.

    Nanopartculas en pinturas muralesNanopartculas en pinturas muralesEl efecto de diversos factores ambientales asociados al paso del tiempo ha causado el deterioro en pinturasmurales muy antiguas. Recientemente se ha iniciado un estudio en pinturas murales prehispnicas entre lasque se encuentran los murales de Tlatelolco, Cholula, Mayapn y Palenque (Mxico)(EL UNIVERSAL, 2008).Hoy en da se estn aplicando nanopartculas de hidrxidos de calcio para proteger los murales prehispnicoscuya estructura penetra con facilidad en la superfi cie pictrica. Por reaccin qumica comienzan a interactuarentre ellas hasta formar una red, en la que capturan los pigmentos que corren riesgo de desprenderse, la cualcon el paso del tiempo cristaliza y estabiliza la pintura mural. Los resultados son satisfactorios en las reas delmural donde se ha aplicado este tratamiento, porque los pigmentos han quedado fi jos en el muro y sin riesgode desprendimiento, a diferencia de otras an no tratadas.

    Uno de los mayores problemas que se producen tanto en pinturas como en materiales de construccin a base

    de yeso (sulfato de calcio dihidratado) es el causado por la reaccin del yeso ante factores externos como loscambios en la temperatura o la humedad relativa ambiental. Dichos cambios en la humedad o en la temperatu-ra generan la eliminacin o la incorporacin de molculas de agua de determinados compuestos pudiendo pro-vocar la disolucin-cristalizacin o la hidratacin-deshidratacin de sales que generan tensiones en la estructu-ra de materiales porosos deteriorando progresivamente su superfi cie, mediante ruptura y prdida de material.

    Recientemente se han conseguido nanopartculas bien cristalizadas del orden de los 30 nm (CILIBERTO et al,2008) de hidrxido de estroncio sintetizado mediante precipitacin homognea a partir de procesos de diso-lucin de sales. Se ha propuesto este material como consolidante y agente de-sulfatante en pinturas murales,y restauracin de enlucidos (frescos o en roca) para reparar los daos producidos por procesos de sulfatacin.Las nanopartculas solubles de hidrxido de estroncio reaccionan con el yeso produciendo un sulfato de es-troncio insoluble que reemplazar el yeso ms soluble reduciendo las tensiones producidas durante el proce-

    so de deshidratacin. Este tipo de nanopartculas evita el uso de disolventes orgnicos que causan un mayordeterioro en las superfi cies a tratar. La mejora del producto con una morfologa nanoestructurada puede evitarlos efectos secundarios de tratamientos con un tamao de partcula mayor.

    La utilizacin de carbonato de amonio con hidrxido de Bario para la eliminacin de sales ha sido utilizadacon xito ampliamente desde los aos sesenta del siglo pasado y ha dado nombre al mtodo Ferroni-Dini. Lacombinacin del mtodo Ferroni-Dini para la eliminacin de las sales y la posterior aplicacin de nanopartcu-las para su consolidacin permiten la conservacin de los materiales a preservar. (BAGLIONI y GIORGI, 2006).

    Nanopartculas en productos de celulosa (lienzo, papel y madera)Con el fi n de controlar el proceso de deterioro producido por la acidifi cacin de la celulosa, como principalconstituyente tanto en lienzos como en madera o en papel, ltimamente se estn utilizando nanopartculas al-

    calinas en suspensiones no acuosas las cuales modifi can la acidez de la superfi cie. En el proceso de deterioro

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    de la celulosa, la hidrlisis conduce a su despolimerizacin, destruyendo la consistencia del material. La uti-lizacin de un tratamiento de desacidifi cacin puede llegar a controlar tal deterioro. Aunque durante muchotiempo se han utilizado soluciones acuosas de hidrxido de bario y de calcio, el carcter hidroflico del papelha causado efectos indeseables, aumentando el proceso de despolimerizacin y deterioro. La atomizacin di-recta de suspensiones alcohlicas de nanopartculas y la posterior monitorizacin del proceso de degradacincon base en los cambios en el pH permiten neutralizar o inhibir la acidez. La utilizacin de soluciones alcoh-licas de nanopartculas de hidrxido de calcio y de hidrxido de magnesio se ha convertido en una solucin alproblema debido a su carcter voltil, a su baja tensin superfi cial y al respeto al medio ambiente, aseguran-

    do la homogeneidad y profundidad de penetracin dentro de las fi bras del papel, neutralizando la acidez y re-duciendo la cintica del proceso de degradacin (GIORGI et al, 2005).

    Dentro de los mtodos de conservacin del papel, tradicionalmente se ha utilizado el mtodo de Wei tO (SMITH,1987), el cual consiste en la aplicacin de una solucin de methoxi-methil carbonato de magnesio (MMC) que alreaccionar con el agua genera hidrxidos de magnesio, modifi cando el pH de la solucin e incrementando la re-serva alcalina, sin embargo la distribucin del MMC no ha sido homognea incrementando en algunos casos sudeterioro. GIORGI et al, (2005) han propuesto un mtodo ms rpido aplicando soluciones alcohlicas de nano-partculas de hidrxido de magnesio. Las nanopartculas sufi cientemente pequeas penetran en las fi bras de ce-lulosa produciendo la desacidifi cacin y reaccionando con el dixido de carbono para formar carbonato de calcio.

    Giorgi et al, (2009) han ensayado la aplicacin de nanopartculas de hidrxido de calcio e hidrxido de mag-nesio, con un tamao entre 30 y 150 nm mediante pulverizacin sobre fragmentos de madera provenientesdel navo de Vasa que naufrag en 1628. Las nanopartculas se distribuyeron aleatoriamente sin alterar la apa-riencia de la madera y dichas nanopartculas al reaccionar con el CO2 se carbonataron espontneamente neu-tralizando la emisin de los cidos gaseosos. Los resultados muestran que la emisin de vapor de cido ac-tico de las muestras tratadas con nanopartculas monitorizadas durante 13 meses fue ms baja en compara-cin con las muestras no tratadas.

    Geles y nanopartculas magnticas como productos de limpieza de obras de arteUno de los mayores problemas con los que se encuentra la ciencia de la conservacin es el de la eliminacinde antiguos tratamientos, que en lugar de favorecer su conservacin han contribuido an ms a su deterio-ro. La aplicacin de disolventes orgnicos sobre los lienzos como producto de limpieza fue utilizada principal-mente en el siglo XIX para eliminar los recubrimientos que se producen por degradacin. Sin embargo la na-turaleza de los disolventes es diferente y en muchos casos causa hinchamiento reaccionando con los produc-

    tos qumicos de las pinturas provocando su disolucin. Con el fi n de reparar el dao causado, ltimamente seestn aplicando geles basados en cidos poliacrlicos. El estudio de las propiedades reolgicas de dichos geles,es decir el estudio de los cambios y formas de los elementos fl uidos y su efi cacia en tratamientos de superfi -cies de pinturas, ha sido realizado utilizando geles reo-reversibles basados en polialilaminas y polietileminas(BAGLIONI et al, 2009). Recientemente se han incorporado nanopartculas magneticas (ferrita) a geles de po-lmeros (poliacrilamida) que actan como esponjas al empaparse con microemulsiones agua-aceite forman-do un sistema tipo gel que responde magnticamente actuando como un hidrogel permanente. Este sistematipo gel magntico se puede utilizar para aplicaciones especfi cas en la eliminacin de material contaminan-te. Al acercar imanes a la superfi cie, el gel sobresale por efecto del magnetismo y puede ser fcilmente elimi-nado despus de la limpieza (BONINI et al, 2007; BAGLIONI et al, 2009).

    Nanopartculas como agentes biocidas

    Uno de los problemas ms comunes en el deterioro de las superfi cies de todos los bienes culturales realizadostanto en piedra como en morteros, enlucidos, madera, etc. es el de la accin biolgica y bacteriolgica. Este te-ma ha sido abordado mediante la utilizacin de fotocatalizadores, es decir sustancias qumicas capaces de re-accionar con la luz solar o ultravioleta y que a su vez actan como germicidas. Dentro de ellos, el xido de tita-nio (TiO2) es uno de los ms conocidos. La fase anatasa, uno de los polimorfos del TiO2 es uno de los materia-les catalticos ms potentes. La utilizacin de nanopartculas de TiO2 en fase anatasa en un rango entre 1 y 10nm ha demostrado actividad de nanofotocatlisis. Sin embargo, su efecto puede ser favorable o desfavorabledependiendo del tamao de las nanopartculas. Similares resultados se han obtenido con el xido de zinc aun-que an estn en proceso de experimentacin (BEYDOWN, 2000). Existe un gran potencial en la aplicacin deotro tipo de biocidas como el basado en la utilizacin de nanopartculas de plata. Este tipo de nanopartculasen unin con otros metales como el titanio (AKHAVAN, 2009) presentan propiedades fotocatalticas bajo irra-diacin solar. Este tipo de tratamiento puede dar excelentes resultados, pero falta contrastar los resultados pa-

    ra valorar su idoneidad y durabilidad.

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    Hoy en da tambin se utilizan nanopartculas de paladio en combinacin con microesferas de co-polmerosde fcil disolucin en agua (LU et al 2001) que al ser excitadas con luz solar o ultravioleta liberan lentamenteelectrones capturados, los cuales pueden reaccionar con el agua para producir agentes oxidantes adicionales.El efecto memoria causado por la excitacin sobre las nanopartculas incrementa su utilizacin como autolim-piante en presencia o ausencia de luz. Aunque el rendimiento en condiciones de oscuridad no es el mismo, elefecto memoria de la excitacin puede llegar a durar hasta 24 horas.

    La utilizacin de nanopartculas de xidos de magnesio en combinacin con iones halgenos (Br y Cl) ha si-

    do probada con xito en la eliminacin de bacterias y esporas (STOIMENOV, 2002). Sin embargo, an est porevaluar el efecto sobre la superfi cie a tratar debido a que este tipo de soluciones presentan un alto poder oxi-dante por contener iones halgenos que puede llegar a reaccionar con los minerales presentes en el materialo con otros agentes externos que den lugar a la formacin de sales.

    ConclusinConclusinLa nanotecnologa abre nuevas posibilidades de poder aplicar tratamientos que sean especfi cos a las actua-ciones a realizar y en base a las propiedades de los materiales que constituyen el bien cultural a preservar. Lastcnicas de consolidacin y de proteccin de la superfi cie de los materiales, al ser realizados con productos na-turales favorecen una mayor compatibilidad entre los nuevos materiales y los originales. Pero hay que tenerpresente que las intervenciones que se realizan sobre el patrimonio tienen que estar muy contrastadas y va-lidadas para disminuir el riesgo de llevar a cabo intervenciones que aceleren los procesos de deterioro de losmateriales a proteger. El diseo de nanopartculas puede mejorar la penetracin de los tratamientos, puedenfavorecer la hidrorrepelencia de los materiales, pueden aumentar la cohesin de sus componentes, evitar lacolonizacin de microorganismos, y en defi nitiva, proporcionar a los bienes culturales una mayor durabilidado capacidad de resistencia ante los agentes de deterioro. A pesar de estas ventajas, es necesario investigar so-bre los diferentes mtodos y ambientes de aplicacin y sobre los tratamientos ms adecuados considerandolas propiedades fsicas y qumicas de los materiales a conservar. La irreversibilidad de los tratamientos, la ido-neidad y compatibilidad entre materiales y su durabilidad son aspectos a tener presentes. Se debe contemplarque ante cualquier nueva tecnologa que se va a utilizar para la conservacin de nuestro patrimonio cultural, s-ta tiene que haber sido investigada y contrastada previamente desde diferentes visiones; no solo por los inves-tigadores del mbito de las Ciencias del Patrimonio desde sus laboratorios, sino tambin por los que desarro-llan su actividad a pie de obra, siendo necesaria esa colaboracin conjunta de trabajo de laboratorio y trabajode campo para poder analizar las necesidades especfi cas y buscar el mtodo adecuado para su problemtica.

    Pero ante estas problemticas se aade la investigacin en la sntesis y aplicacin de estos nanomateriales deconservacin en la obra, facilitando la ejecucin del trabajo del restaurador-conservador y a unos costes ade-cuados.

    Aunque la base qumica de muchos tratamientos de nanopartculas es la misma que tratamientos tradiciona-les que no siempre han funcionado adecuadamente, la posibilidad de modifi car el tamao de las partculas quese generan durante su proceso de consolidacin en el interior o en la superfi cie de los materiales puede evitarlos efectos secundarios de muchos de esos tratamientos.

    Agradecimientos

    A los programas Geomateriales (S2009/MAT-1629) y CONSOLIDER-TCP (CSD2007-0058) y a la fi nanciacin de grupo de investiga-cin de la UCM: Alteracin y Conservacin de los materiales ptreos del Patrimonio (ref. 921349).

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    Arriba. Imagen de microscopa ptica de Gloeocapsa aeruginosa procedente del len nmero 5 de la fuente de la Alhambra,Granada. Espaa. Fotografa: Irene Arroyo.