Effects of alkaline and sizing treatments on wood in Cremonese violin making : chemical-physical characterization and new analytical approaches

In recent decades, musical instruments have been the subject of studies that have provided a better understanding of the construction procedures and materials used. Particular attention has been paid to stringed instruments thanks to the rediscovery of the traditional Cremonese lutherie, which attracts the attention of modern violinmakers and musicians. The violins produced in this context are still of excellent quality from both an aesthetic and acoustic point of view and the makers are trying to reproduce the same excellence today. The absence of written sources regarding materials and procedures, and at the same time technological development, have triggered the application of new investigation methods (non-invasive and micro-destructive) for the characterization of the wood finish, which is identifiable as a complex multilayer system in which organic and inorganic materials are variously mixed. Due to the ease of access, many results were collected regarding the outermost layer of a violin wood finish, i.e. the varnish. On the other hand, little is known about the inner layers in the literature because they are less accessible and require more sensitive analytical methods. In spite of this, it is generally agreed that alkaline treatments and proteinaceous sizings also play a role in determining the vibrational behaviour of the wood that is related to the acoustic one of the finished instruments. To fill this gap and clarify the role of such layers in the wood finish, we set up an experimental approach and prepared specimens of spruce to simulate the soundboard of violins. On the radial surface of the wooden plate, a combination of treatments was applied to simulate the traditional procedures. They included: two alkaline treatments, such as ammonia fuming and KOH solution, and sizings based on animal glue and caseinate. We built up an analytical protocol to investigate the chemical and vibrational properties. By combining FTIR, Py(HDMS)-GC/MS, XRD and GPC chromatography, we were able to identify the chemical transformations of the main lignocellulosic polymers (cellulose, hemicellulose and lignin). Furthermore, using a dynamic resonance method and modal analysis, we gathered information on the vibro-mechanical behaviour of wood. The experimental approach allowed us to highlight for the first time the transformations of the wood ultrastructure induced by alkaline pretreatment. In addition, we demonstrated the existence of a correlation between the application of pre-treatment and the vibrational behaviour of the wood. In a second section of the project, we present the implementation of a novel protocol for the chemical and morphological characterization of historical cross-sectional samples. It exploits the combination of three micro-mapping spectroscopy techniques, namely μFTIR-ATR mapping, SEM-EDX analysis and hyperspectral photoluminescence (PL) micro-imaging. The protocol was set on a reproduced laboratory mock-up and then used to study three cross-sectional samples from violins made by Lorenzo Storioni (second half of the 18th century, Cremona). The outcomes of the research established the advantages of combining these complementary spectroscopic mapping techniques in a high-resolution strategy to clearly recognize the morphology of extremely thin layers, assess the penetration depth of the sizing into the wood and detect areas that were subjected to conservation. To conclude, the research project allowed us to characterise the properties of wood and its modifications due to alkaline pre-treatments used by Cremonese violinmakers, and to improve the methodological approach to microdestructively investigate the historical cross-sectional samples: the results laid the foundations for a new line of research aimed at filling precisely the lack of knowledge about wood and its treatments within the wood finish system and its properties.

Negli ultimi decenni, gli strumenti musicali sono stati oggetto di studi che hanno permesso una migliore comprensione delle procedure di costruzione e dei materiali utilizzati. Particolare attenzione è stata rivolta agli strumenti ad arco grazie alla riscoperta della liuteria tradizionale cremonese, che attira l'attenzione di liutai e musicisti moderni. I violini prodotti in questo contesto sono quelli che ancora oggi rappresentano l’eccellenza sia dal punto di vista estetico che acustico. Proprietà che i costruttori di oggi tentano di riprodurre nei loro strumenti con approccio sperimentale non potendo contare su fonti e ricette di riferimento. Proprio questo interesse unito all’assenza di fonti scritte riguardanti materiali e procedure, e allo stesso tempo lo sviluppo tecnologico, hanno spinto alla ricerca di nuovi metodi di indagine (non invasivi e micro-distruttivi) per la caratterizzazione della finitura del legno degli strumenti storici. Tale finitura, infatti, è di non-facile indagine ed assimilabile ad un complesso sistema multistrato in cui materiali organici e inorganici sono mescolati in modo vario e diverso. A causa della facilità di accesso, molti risultati sono stati raccolti per quanto riguarda lo strato più esterno della finitura del legno di un violino, cioè la vernice. D'altra parte, in letteratura molto poco è disponibile sugli strati più interni meno accessibili e che, per loro natura, richiedono metodi analitici più sensibili e sofisticati. Nonostante ciò, è opinione comune e recente nel campo di ricerca che i trattamenti alcalini e quelli di natura proteica che vengono applicati prima della vernice, giocano un ruolo fondamentale nel determinare il comportamento meccanico e vibrazionale del legno (ovviamente legato a quello acustico degli strumenti finiti). Per colmare questa lacuna e chiarire il ruolo di tali strati nella finitura del legno, in questo lavoro viene impostato un approccio sperimentale sistematico basato sulla preparazione di campioni di abete rosso diversamente trattati secondo la tradizione liutaria Cremonese. I trattamenti selezionati sono i seguenti: due trattamenti alcalini, quali, vapori di ammoniaca e soluzione di idrossido di potassio; e successivamente trattamenti di sizing a base di colla animale e caseinato di potassio. Per l’approccio analitico, è stato messo a punto un protocollo per indagare le proprietà chimiche e vibrazionali. Combinando FTIR, Py(HDMS)-GC/MS, XRD e cromatografia GPC, siamo stati in grado di identificare le trasformazioni chimiche dei principali polimeri lignocellulosici (cellulosa, emicellulosa e lignina) e, utilizzando un metodo dinamico di risonanza e l'analisi modale delle frequenze vibrazionali, abbiamo raccolto informazioni sul comportamento vibro-meccanico del legno. L'approccio sistematico sperimentale, mai tentato prima per lo studio della complessa finitura del legno negli strumenti ad arco storici, ci ha permesso di definire per la prima volta le trasformazioni dell'ultrastruttura del legno indotte dal pretrattamento alcalino, dimostrando, inoltre, l'esistenza di una correlazione tra l'applicazione del pretrattamento e il comportamento vibrazionale del legno. In una seconda sezione della dissertazione, presentiamo anche l'implementazione di un nuovo protocollo per la caratterizzazione chimica e morfologica di campioni storici allestiti in cross-sections inglobate. Tale protocollo si basa sulla combinazione di tre tecniche di spettroscopia di micro-mappatura: la mappatura μFTIR-ATR, l'analisi SEM-EDX e il micro-imaging iperspettrale di fotoluminescenza (PL). Il protocollo è stato impostato su un mock-up di laboratorio opportunamente riprodotto, e poi utilizzato per studiare tre campioni trasversali di violini di Lorenzo Storioni (seconda metà del XVIII secolo, Cremona). I risultati della ricerca hanno stabilito i vantaggi della combinazione di queste tecniche complementari di mappatura spettroscopica in una strategia ad alta risoluzione per riconoscere chiaramente la morfologia di strati estremamente sottili, valutare la profondità di penetrazione del trattamento di sizing nel legno e individuare le aree che sono state sottoposte a interventi restauro o che hanno subito alterazione. In conclusione, il progetto di ricerca ha permesso di caratterizzare le proprietà del legno e le sue modificazioni dovute ai pretrattamenti alcalini utilizzati dai liutai cremonesi, e di migliorare l'approccio metodologico per indagare micro-distruttivamente i campioni storici in cross-section. I risultati hanno messo un punto importante nel panorama del campo di ricerca e soprattutto hanno posto le basi per una nuova linea di indagine che va oltre lo studio della sola vernice e che è volta a colmare proprio la mancanza di conoscenze sul legno e sui suoi trattamenti nell'ambito del sistema di finitura del legno stesso e delle sue proprietà. L’importanza di ciò risiede nel fatto che alla luce delle nuove evidenze è sempre più certo che anche i trattamenti che precedono l’applicazione della vernice sono responsabili delle qualità dello strumento finito e che ora diventa necessario indagare in che modo.