Thermochromie ist die Eigenschaft von Substanzen, ihre Farbe aufgrund einer Temperaturänderung zu verändern. Ein Stimmungsring ist ein hervorragendes Beispiel für dieses Phänomen, aber Thermochromie hat auch mehr praktische Anwendungen, wie Babyflaschen, die zu einer anderen Farbe wechseln, wenn sie kühl genug sind, oder Kessel, die sich ändern, wenn Wasser nahe am Siedepunkt ist. Thermochromie ist eine von mehreren Arten von Chromismus.

Organisches Material

Thermochromatische Flüssigkristalle
Die beiden gängigen Ansätze basieren auf Flüssigkristallen und Leukofarbstoffen. Flüssigkristalle werden in Präzisionsanwendungen verwendet, da ihre Reaktionen auf genaue Temperaturen eingestellt werden können, aber ihre Farbpalette ist durch ihr Funktionsprinzip begrenzt. Leuco-Farbstoffe erlauben eine breitere Palette von Farben, aber ihre Ansprechtemperaturen sind schwieriger mit Genauigkeit einzustellen.

Einige Flüssigkristalle können unterschiedliche Farben bei verschiedenen Temperaturen anzeigen.Diese Änderung hängt von der selektiven Reflexion bestimmter Wellenlängen durch die Kristallstruktur des Materials ab, da es sich zwischen der kristallinen Niedertemperaturphase durch anisotrope chirale oder verdrillt nematische Phase zu der isotropen Hochtemperaturflüssigphase ändert. Nur die nematische Mesophase hat thermochrome Eigenschaften; Dies beschränkt den effektiven Temperaturbereich des Materials.

Die verdrillte nematische Phase weist die Moleküle in Schichten mit sich regelmäßig ändernder Orientierung auf, was ihnen einen periodischen Abstand verleiht. Das Licht, das durch den Kristall hindurchtritt, unterliegt auf diesen Schichten einer Bragg-Beugung, und die Wellenlänge mit der größten konstruktiven Interferenz wird zurückreflektiert, was als eine spektrale Farbe wahrgenommen wird. Eine Änderung der Kristalltemperatur kann zu einer Abstandsänderung zwischen den Schichten und damit zu der reflektierten Wellenlänge führen. Die Farbe des thermochromen Flüssigkristalls kann daher in Abhängigkeit von der Temperatur kontinuierlich von nicht reflektierend (schwarz) über die spektralen Farben bis hin zu schwarz reichen. Typischerweise wird der Hochtemperaturzustand blau-violett reflektiert, während der Niedrigtemperaturzustand rot-orange reflektiert. Da Blau eine kürzere Wellenlänge als Rot ist, zeigt dies an, dass der Abstand des Schichtabstands durch Erhitzen durch den Flüssigkristallzustand verringert ist.

Einige solcher Materialien sind Cholesterylnonanoat oder Cyanobiphenyle.

Mischungen mit einer Temperaturspanne von 3-5 ° C und im Bereich von etwa 17-23 ° C bis etwa 37-40 ° C können aus verschiedenen Anteilen von Cholesteryloleylcarbonat, Cholesterylnonanoat und Cholesterylbenzoat zusammengesetzt sein. Zum Beispiel ergibt das Massenverhältnis von 65:25:10 einen Bereich von 17-23 ° C und 30:60:10 ergibt einen Bereich von 37-40 ° C.

Flüssigkristalle, die in Farbstoffen und Tinten verwendet werden, kommen häufig in Mikrokapseln in Form von Suspensionen vor.

Flüssigkristalle werden in Anwendungen verwendet, in denen die Farbänderung genau definiert werden muss. Sie finden Anwendungen in Thermometern für die Raum-, Kühlschrank-, Aquarium- und medizinische Verwendung sowie in Indikatoren für den Propangasgehalt in Tanks. Eine beliebte Anwendung für Thermochromid-Flüssigkristalle sind die Stimmungsringe.

Flüssigkristalle sind schwierig zu verarbeiten und erfordern spezielle Druckgeräte. Das Material selbst ist typischerweise auch teurer als alternative Technologien. Hohe Temperaturen, ultraviolette Strahlung, einige Chemikalien und / oder Lösungsmittel wirken sich negativ auf deren Lebensdauer aus.

Leukofarbstoffe
Thermochrome Farbstoffe basieren auf Mischungen von Leukofarbstoffen mit geeigneten anderen Chemikalien, die eine Farbänderung (üblicherweise zwischen der farblosen Leukoform und der gefärbten Form) in Abhängigkeit von der Temperatur zeigen. Die Farbstoffe werden selten direkt auf Materialien aufgetragen; Sie liegen gewöhnlich in Form von Mikrokapseln vor, in denen die Mischung eingeschlossen ist. Ein illustratives Beispiel ist die Hypercolor-Mode, bei der Mikrokapseln mit Kristallviolettlacton, schwacher Säure und einem in Dodecanol gelösten dissoziierbaren Salz auf den Stoff aufgebracht werden; wenn das Lösungsmittel fest ist, existiert der Farbstoff in seiner Lacton-Leukoform, während, wenn das Lösungsmittel schmilzt, das Salz dissoziiert, der pH-Wert in der Mikrokapsel sinkt, der Farbstoff protoniert, sein Lactonring öffnet und sein Absorptionsspektrum sich daher drastisch verschiebt es wird tief violett. In diesem Fall ist die scheinbare Thermochromie tatsächlich Halochromie.

Die am häufigsten verwendeten Farbstoffe sind Spirolactone, Fluorane, Spiropyrane und Fulgide.Die Säuren umfassen Bisphenol A, Parabene, 1,2,3-Triazolderivate und 4-Hydroxycumarin und wirken als Protonendonatoren, wobei sie das Farbstoffmolekül zwischen seiner Leukoform und seiner protonierten gefärbten Form verändern; stärkere Säuren würden die Veränderung irreversibel machen.

Leukofarbstoffe haben eine geringere Temperaturempfindlichkeit als Flüssigkristalle. Sie eignen sich für allgemeine Indikatoren der ungefähren Temperatur („zu kühl“, „zu heiß“, „etwa OK“) oder für verschiedene Neuheiten. Sie werden üblicherweise in Kombination mit einem anderen Pigment verwendet, wobei eine Farbänderung zwischen der Farbe des Grundpigments und der Farbe des Pigments in Kombination mit der Farbe der Nicht-Leukoform des Leukofarbstoffs erzeugt wird.Organische Leukofarbstoffe sind für Temperaturbereiche zwischen etwa -5 ° C (23 ° F) und 60 ° C (140 ° F) in einem breiten Farbspektrum erhältlich. Die Farbänderung erfolgt normalerweise in einem Intervall von 3 ° C (5,4 ° F).

Leuco-Farbstoffe werden in Anwendungen eingesetzt, bei denen die Genauigkeit der Temperaturabhängigkeit nicht kritisch ist: z. B. Neuheiten, Badespielzeug, Wurfscheiben und ungefähre Temperaturanzeigen für mikrowellenbeheizte Lebensmittel. Mikroverkapselung ermöglicht ihre Verwendung in einer Vielzahl von Materialien und Produkten. Die Größe der Mikrokapseln liegt typischerweise zwischen 3-5 & mgr; m (mehr als 10 mal größer als bei normalen Pigmentpartikeln), was einige Anpassungen an Druck- und Herstellungsverfahren erfordert.

Eine Anwendung von Leukofarbstoffen findet sich in den Duracell-Batteriezustandsanzeigen. Eine Schicht eines Leukofarbstoffs wird auf einen Widerstandsstreifen aufgebracht, um seine Erwärmung anzuzeigen, wodurch die Strommenge gemessen wird, die die Batterie liefern kann. Der Streifen hat eine dreieckige Form, ändert seinen Widerstand entlang seiner Länge und heizt daher ein proportional langes Segment auf, wobei die Menge an Strom durch ihn fließt. Die Länge des Segments über der Schwellentemperatur für den Leukofarbstoff wird dann gefärbt.

Die Einwirkung von UV-Strahlung, Lösungsmitteln und hohen Temperaturen verringert die Lebensdauer von Leukofarbstoffen. Temperaturen über etwa 200-230ºC (392-446ºF) verursachen typischerweise irreversible Schäden an Leukofarbstoffen; eine zeitbegrenzte Belichtung einiger Typen auf etwa 250ºC (482ºF) ist während der Herstellung möglich.

Thermochrome Farben verwenden Flüssigkristalle oder Leukofarbstofftechnologie. Nach dem Absorbieren einer bestimmten Menge an Licht oder Wärme verändert sich die kristalline oder molekulare Struktur des Pigments reversibel in der Weise, dass es Licht mit einer anderen Wellenlänge als bei niedrigeren Temperaturen absorbiert und emittiert. Thermochrome Farben werden häufig als Beschichtung auf Kaffeebechern gesehen, wobei, sobald heißer Kaffee in die Becher gegossen wird, die thermochrome Farbe die Wärme absorbiert und farbig oder transparent wird, wodurch sich das Aussehen des Bechers verändert.

Papiere
Thermochrome Papiere werden für Thermodrucker verwendet. Ein Beispiel ist das Papier, das mit der festen Mischung eines Fluoranfarbstoffs mit Octadecylphosphonsäure imprägniert ist. Diese Mischung ist in fester Phase stabil; wenn jedoch die Octadecylphosphonsäure geschmolzen wird, unterliegt der Farbstoff einer chemischen Reaktion in der flüssigen Phase und nimmt die protonierte gefärbte Form an. Dieser Zustand bleibt dann erhalten, wenn die Matrix wieder erstarrt, wenn der Abkühlprozess schnell genug ist. Da die Leukoform bei niedrigeren Temperaturen und fester Phase stabiler ist, klingen die Aufzeichnungen auf thermochromen Papieren langsam über Jahre aus; Dies kann zu interessanten Effekten in Kombination mit Buchhaltungsaufzeichnungen, Einnahmen aus einem Thermodrucker und einer Steuerprüfung führen.

Polymere
Thermochromie kann in Thermoplasten, Duroplasten, Gelen oder beliebigen Beschichtungen auftreten. Das Polymer selbst, ein eingebettetes thermochromes Additiv oder eine Struktur hoher Ordnung, die durch die Wechselwirkung des Polymers mit einem eingebauten nicht-thermochromen Additiv gebildet wird, kann der Ursprung des thermochromen Effekts sein. Darüber hinaus kann der Ursprung des thermochromen Effekts vom physikalischen Standpunkt aus gesehen mannigfaltig sein. So kann es von Änderungen der Lichtreflexion, Absorption und / oder Streueigenschaften mit der Temperatur kommen. Die Anwendung von thermochromen Polymeren für den adaptiven Sonnenschutz ist von großem Interesse. Eine funktionsbasierte Strategie, zB für die Entwicklung ungiftiger thermochromer Polymere, ist im letzten Jahrzehnt in den Fokus gerückt.

Tinten
Thermochrome Tinten oder Farbstoffe sind temperaturempfindliche Verbindungen, die in den 1970er Jahren entwickelt wurden und bei Wärmeeinwirkung vorübergehend ihre Farbe ändern. Sie kommen in zwei Formen, Flüssigkristallen und Leukofarbstoffen. Leuco Farbstoffe sind einfacher zu verarbeiten und ermöglichen eine größere Anwendungsvielfalt. Diese Anwendungen umfassen: flache Thermometer, Batterietester, Kleidung und die Anzeige auf Flaschen Ahornsirup, die ihre Farbe ändern, wenn der Sirup warm ist. Die Thermometer werden häufig an der Außenseite von Aquarien verwendet oder um eine Körpertemperatur über die Stirn zu erhalten. Coors Light verwendet jetzt thermochrome Tinte auf seinen Dosen und wechselt von weiß zu blau, um anzuzeigen, dass die Dose kalt ist.

Anorganische Materialien
Praktisch alle anorganischen Verbindungen sind bis zu einem gewissen Grad thermochrom. Die meisten Beispiele beinhalten jedoch nur subtile Farbänderungen. Zum Beispiel sind Titandioxid und Zinkoxid bei Raumtemperatur weiß, aber wenn sie erhitzt werden, wechseln sie zu gelb.Gleichermaßen ist Indium (III) oxid gelb und verdunkelt sich beim Erhitzen zu gelbbraun. Blei (II) oxid zeigt beim Erhitzen eine ähnliche Farbänderung. Die Farbänderung ist mit Veränderungen der elektronischen Eigenschaften (Energieniveaus, Populationen) dieser Materialien verbunden.

Dramatischere Beispiele für Thermochromie finden sich in Materialien, die einen Phasenübergang durchlaufen oder Ladungstransferbanden in der Nähe des sichtbaren Bereichs aufweisen. Beispiele beinhalten

Kupfer (I) -Jodid (Cu ₂ Hgl ₄ ) unterliegt einem Phasenübergang bei 67 ° C und wandelt sich reversibel von einem hellroten Feststoff bei niedriger Temperatur zu einem dunkelbraunen Feststoff bei hoher Temperatur mit rot-violetten Zwischenzuständen um. Die Farben sind intensiv und scheinen durch Cu (I) -Hg (II) -Ladungstransfer-Komplexe verursacht zu werden.

Silberquecksilberiodid (Ag ₂ HgI ₄ ) ist bei niedrigen Temperaturen gelb und orange oberhalb von 47-51 ° C, mit gelb-orange-Zwischenzuständen. Die Farben sind intensiv und scheinen durch Ag (I) -Hg (II) -Ladungstransfer-Komplexe verursacht zu werden.

Quecksilber (II) -Iodid ist ein kristallines Material, das bei 126 ° C einen reversiblen Phasenübergang von der roten Alpha-Phase zur blassgelben Beta-Phase durchläuft.

Bis (dimethylammonium) tetrachloronickelat ist eine himbeerrote Verbindung, die bei etwa 110 ° C blau wird. Beim Abkühlen wird die Verbindung zu einer hellgelben metastabilen Phase, die sich über 2-3 Wochen wieder in das ursprüngliche Rot zurückbildet. Viele andere Tetrachlornickelate sind ebenfalls thermochrom.
Bis (diethylammonium) tetrachlorcuprat ist ein hellgrüner Feststoff, der bei 52-53 ° C reversibel seine Farbe in gelb umwandelt. Die Farbänderung wird durch Relaxation der Wasserstoffbindungen und anschließende Änderung der Geometrie des Kupfer-Chlor-Komplexes von planar zu deformiertem Tetraeder mit entsprechender Änderung der Anordnung der d-Orbitale des Kupferatoms verursacht.Es gibt kein stabiles Zwischenprodukt, die Kristalle sind entweder grün oder gelb.

Chrom (III) oxid: Aluminium (III) oxid im Verhältnis 1: 9 ist bei Raumtemperatur rot und bei 400 ° C aufgrund von Änderungen seines Kristallfeldes grau.

Vanadiumdioxid wurde zur Verwendung als „spektralselektive“ Fensterbeschichtung untersucht, um die Infrarotübertragung zu blockieren und den Verlust der Gebäudeinnenwärme durch Fenster zu reduzieren. Dieses Material verhält sich bei niedrigeren Temperaturen wie ein Halbleiter, was mehr Transmission ermöglicht und wie ein Leiter bei höheren Temperaturen ein viel größeres Reflexionsvermögen bereitstellt. Der Phasenwechsel zwischen der transparenten halbleitenden und der reflektierenden leitfähigen Phase erfolgt bei 68 ° C; Dotieren des Materials mit 1,9% Wolfram senkt die Übergangstemperatur auf 29 ° C.
Andere thermochrome feste Halbleitermaterialien umfassen

• CdxZn1 _– xSySe1 _-y (x   =   0,5-1, y   =   0.5-1),
• ZnxCdyHg1- _x- yOaSbSecTe1 _-a-b-c (x   =   0-0,5, y   =   0,5-1, a   =   0-0,5, b   =   0,5-1, c  =   0-0.5),
• HgxCdyZn1 _-x- ySbSe1 _-b (x = 0-1, y = 0-1, b = 0,5-1).

Einige Mineralien sind auch thermochrom; zum Beispiel werden einige chromreiche Pyropen, normalerweise rötlich-violett, grün, wenn sie auf ungefähr 80 ° C erhitzt werden.