El termocromismo es propiedad de las sustancias para cambiar el color debido a un cambio en la temperatura. Un anillo de estado de ánimo es un excelente ejemplo de este fenómeno, pero el termocromismo también tiene usos más prácticos, como biberones que cambian a un color diferente cuando están lo suficientemente fríos para beber, o teteras que cambian cuando el agua está en el punto de ebullición. El termocromismo es uno de varios tipos de cromos.

Materiales orgánicos

Cristales líquidos termocromáticos
Los dos enfoques comunes se basan en cristales líquidos y colorantes leuco. Los cristales líquidos se usan en aplicaciones de precisión, ya que sus respuestas se pueden diseñar a temperaturas precisas, pero su rango de color está limitado por su principio de funcionamiento. Los tintes Leuco permiten una gama de colores más amplia, pero sus temperaturas de respuesta son más difíciles de establecer con precisión.

Algunos cristales líquidos son capaces de mostrar diferentes colores a diferentes temperaturas. Este cambio depende de la reflexión selectiva de ciertas longitudes de onda por la estructura cristalina del material, ya que cambia entre la fase cristalina de baja temperatura, a través de una fase nemática retorcida o quiral anisotrópica, a la fase líquida isotrópica a alta temperatura. Solo la mesofase nemática tiene propiedades termocrómicas; esto restringe el rango de temperatura efectiva del material.

La fase nemática retorcida tiene las moléculas orientadas en capas con una orientación que cambia regularmente, lo que les da un espaciado periódico. La luz que pasa a través del cristal se somete a la difracción de Bragg en estas capas, y la longitud de onda con la mayor interferencia constructiva se refleja hacia atrás, lo que se percibe como un color espectral. Un cambio en la temperatura del cristal puede provocar un cambio de espacio entre las capas y, por lo tanto, en la longitud de onda reflejada. Por lo tanto, el color del cristal líquido termocrómico puede variar continuamente desde no reflectivo (negro) a través de los colores espectrales hasta negro, dependiendo de la temperatura.Típicamente, el estado de alta temperatura reflejará azul-violeta, mientras que el estado de baja temperatura reflejará rojo-naranja. Como el azul es una longitud de onda más corta que el rojo, esto indica que la distancia entre las capas se reduce calentando a través del estado de cristal líquido.

Algunos de estos materiales son colesteril nonanoato o cianobifenilos.

Las mezclas con un intervalo de temperaturas de 3-5 ° C y rangos de aproximadamente 17-23 ° C a aproximadamente 37-40 ° C se pueden componer de proporciones variables de carbonato de oleilo de colesterilo, nonanoato de colesterilo y benzoato de colesterilo. Por ejemplo, la relación de masas de 65:25:10 tiene un rango de 17-23 ° C, y 30:60:10 tiene un rango de rendimientos de 37-40 ° C.

Los cristales líquidos utilizados en colorantes y tintas a menudo vienen microencapsulados, en forma de suspensión.

Los cristales líquidos se usan en aplicaciones donde el cambio de color debe definirse con precisión.Encuentran aplicaciones en los termómetros para la habitación, el refrigerador, el acuario y el uso médico, y en los indicadores del nivel de propano en los tanques. Una aplicación popular para cristales líquidos termocrómicos son los anillos de estado de ánimo.

Los cristales líquidos son difíciles de trabajar y requieren equipos de impresión especializados. El material en sí mismo también suele ser más costoso que las tecnologías alternativas. Las altas temperaturas, la radiación ultravioleta, algunos productos químicos y / o solventes tienen un impacto negativo en su vida útil.

Tintes Leuco
Los colorantes termocrómicos se basan en mezclas de colorantes leuco con otras sustancias químicas adecuadas, que muestran un cambio de color (generalmente entre la forma leuco incolora y la forma coloreada) en función de la temperatura. Los tintes rara vez se aplican sobre materiales directamente; generalmente están en forma de microcápsulas con la mezcla sellada en su interior.Un ejemplo ilustrativo es la moda Hypercolor, donde se aplican al tejido microcápsulas con lactona violeta cristal, ácido débil y una sal disociable disuelta en dodecanol; cuando el solvente es sólido, el tinte existe en su forma lactona leuco, mientras que cuando el solvente se derrite, la sal se disocia, el pH dentro de la microcápsula disminuye, el tinte se protona, su anillo lactona se abre, y su espectro de absorción cambia drásticamente, por lo tanto se vuelve profundamente violeta. En este caso, el termocromismo aparente es, de hecho, halocromismo.

Los colorantes más comúnmente utilizados son las espirolactonas, fluoranos, espiropiranos y fulgides. Los ácidos incluyen bisfenol A, parabenos, derivados de 1,2,3-triazol y 4-hidroxicumarina y actúan como donantes de protones, cambiando la molécula de colorante entre su forma leuco y su forma coloreada protonada; ácidos más fuertes harían el cambio irreversible.

Los tintes Leuco tienen una respuesta de temperatura menos precisa que los cristales líquidos. Son adecuados para indicadores generales de temperatura aproximada («demasiado frío», «demasiado caliente», «sobre OK») o para varios artículos novedosos. Suelen usarse en combinación con algún otro pigmento, produciendo un cambio de color entre el color del pigmento base y el color del pigmento combinado con el color de la forma no leuco del tinte leuco. Los colorantes orgánicos leuco están disponibles para rangos de temperatura entre aproximadamente -5 ° C (23 ° F) y 60 ° C (140 ° F), en una amplia gama de colores. El cambio de color generalmente ocurre en un intervalo de 3 ° C (5.4 ° F).

Los colorantes Leuco se utilizan en aplicaciones donde la precisión de la respuesta a la temperatura no es crítica: por ejemplo, novedades, juguetes de baño, discos voladores e indicadores de temperatura aproximados para alimentos calentados con microondas. La microencapsulación permite su uso en una amplia gama de materiales y productos. El tamaño de las microcápsulas típicamente oscila entre 3-5 μm (más de 10 veces más grande que las partículas de pigmento normales), lo que requiere algunos ajustes en los procesos de impresión y fabricación.

Una aplicación de tintes leuco está en los indicadores de estado de la batería Duracell. Se aplica una capa de tinte leuco en una tira resistiva para indicar su calentamiento, midiendo así la cantidad de corriente que la batería puede suministrar. La tira tiene forma triangular, cambiando su resistencia a lo largo de su longitud, por lo tanto calentando un segmento proporcionalmente largo con la cantidad de corriente que fluye a través de él. La longitud del segmento por encima de la temperatura umbral para el tinte leuco se vuelve de color.

La exposición a la radiación ultravioleta, los solventes y las altas temperaturas reducen la vida útil de los colorantes leuco. Las temperaturas superiores a aproximadamente 200-230 ° C (392-446 ° F) típicamente causan daños irreversibles a los colorantes leuco; se permite una exposición limitada en el tiempo de algunos tipos a aproximadamente 250 ° C (482 ° F) durante la fabricación.

Las pinturas termocrómicas usan cristales líquidos o tecnología de teñido leuco. Después de absorber una cierta cantidad de luz o calor, la estructura cristalina o molecular del pigmento cambia reversiblemente de tal forma que absorbe y emite luz a una longitud de onda diferente que a temperaturas más bajas. Las pinturas termocrómicas se ven con bastante frecuencia como un recubrimiento en tazas de café, por lo que una vez que se vierte café caliente en las tazas, la pintura termocrómica absorbe el calor y se vuelve de color o transparente, por lo tanto, cambia la apariencia de la taza.

Papeles
Los papeles termocrómicos se usan para impresoras térmicas. Un ejemplo es el papel impregnado con la mezcla sólida de un colorante fluorano con ácido octadecilfosfónico. Esta mezcla es estable en fase sólida; sin embargo, cuando el ácido octadecilfosfónico se derrite, el tinte experimenta una reacción química en la fase líquida, y asume la forma coloreada protonada. Este estado se conserva cuando la matriz se solidifica nuevamente, si el proceso de enfriamiento es lo suficientemente rápido. Como la forma del leuco es más estable en temperaturas más bajas y en la fase sólida, los registros de los papeles termocrómicos se desvanecen lentamente a lo largo de los años; esto puede conducir a efectos interesantes en combinación con registros contables, recibos de una impresora térmica y una auditoría tributaria.

Polímeros
El termocromismo puede aparecer en termoplásticos, duroplásticos, geles o cualquier tipo de revestimiento. El polímero en sí, un aditivo termocrómico incrustado o una estructura altamente ordenada construida por la interacción del polímero con un aditivo incorporado no termocrómico puede ser el origen del efecto termocrómico. Además, desde el punto de vista físico, el origen del efecto termocrómico puede ser múltiple. Por lo tanto, puede provenir de cambios en las propiedades de reflexión, absorción y / o dispersión de la luz con la temperatura. La aplicación de polímeros termocrómicos para la protección solar adaptativa es de gran interés. Una función por estrategia de diseño, por ejemplo, aplicada para el desarrollo de polímeros termocrómicos no tóxicos, ha entrado en el foco en la última década.

Tintas
Las tintas o colorantes termocrómicos son compuestos sensibles a la temperatura, desarrollados en la década de 1970, que cambian temporalmente de color con la exposición al calor. Vienen en dos formas, cristales líquidos y colorantes leuco. Los tintes Leuco son más fáciles de trabajar y permiten una mayor variedad de aplicaciones. Estas aplicaciones incluyen: termómetros planos, probadores de batería, ropa y el indicador en botellas de jarabe de arce que cambian de color cuando el almíbar está tibio. Los termómetros se usan a menudo en el exterior de los acuarios, o para obtener una temperatura corporal a través de la frente. Coors Light ahora usa tinta termocrómica en sus latas, cambiando de blanco a azul para indicar que la lata está fría.

Materiales inorgánicos
Prácticamente todos los compuestos inorgánicos son termocrómicos en cierta medida. Sin embargo, la mayoría de los ejemplos implican solo cambios sutiles en el color. Por ejemplo, el dióxido de titanio y el óxido de zinc son blancos a temperatura ambiente, pero cuando se calientan cambian a amarillo. De manera similar, el óxido de indio (III) es amarillo y se oscurece a marrón amarillento cuando se calienta. El óxido de plomo (II) exhibe un cambio de color similar en el calentamiento. El cambio de color está relacionado con los cambios en las propiedades electrónicas (niveles de energía, poblaciones) de estos materiales.

Se encuentran ejemplos más dramáticos de termocromismo en materiales que experimentan una transición de fase o exhiben bandas de transferencia de carga cerca de la región visible. Ejemplos incluyen

El yoduro de mercurio cuproso (Cu ₂ HgI ₄ ) experimenta una transición de fase a 67 ° C, cambiando reversiblemente de un material sólido rojo brillante a baja temperatura a un sólido marrón oscuro a alta temperatura, con estados intermedios de rojo púrpura. Los colores son intensos y parecen ser causados ​​por complejos de transferencia de carga Cu (I) -Hg (II).

El yoduro de mercurio de plata (Ag ₂ HgI ₄ ) es amarillo a bajas temperaturas y anaranjado por encima de 47-51 ° C, con estados intermedios de amarillo anaranjado. Los colores son intensos y parecen ser causados ​​por complejos de transferencia de carga Ag (I) -Hg (II).

El yoduro de mercurio (II) es un material cristalino que a 126 ° C experimenta una transición de fase reversible de la fase alfa roja a la fase beta amarilla pálida.

El bis (dimetilamonio) tetracloronicolato es un compuesto de color rojo frambuesa, que se vuelve azul a aproximadamente 110 ° C. Al enfriarse, el compuesto se convierte en una fase metaestable de color amarillo claro, que durante 2 a 3 semanas vuelve a ser rojo original. Muchos otros tetrachloronickelates son también termocrómicos.
El tetraclorocuprato de bis (dietilamonio) es un material sólido de color verde brillante, que a 52-53 ° C cambia de color de forma reversible a amarillo. El cambio de color es causado por la relajación de los enlaces de hidrógeno y el cambio posterior de la geometría del complejo cobre-cloro de tetraédrico plano a deformado, con el cambio apropiado de disposición de los d-orbitales del átomo de cobre. No hay intermedio estable, los cristales son verdes o amarillos.

Óxido de cromo (III): el óxido de aluminio (III) en proporción 1: 9 es rojo a temperatura ambiente y gris a 400 ° C, debido a cambios en su campo de cristal.

El dióxido de vanadio ha sido investigado para su uso como un recubrimiento de ventana «espectralmente selectivo» para bloquear la transmisión de infrarrojos y reducir la pérdida de calor en el interior del edificio a través de las ventanas. Este material se comporta como un semiconductor a temperaturas más bajas, lo que permite una mayor transmisión y, como un conductor a temperaturas más altas, proporciona una reflectividad mucho mayor. El cambio de fase entre la fase conductora semiconductora transparente y reflexiva ocurre a 68 ° C; dopando el material con 1,9% de tungsteno disminuye la temperatura de transición a 29 ° C.
Otros materiales semiconductores sólidos termocrómicos incluyen

• Cd _x Zn _1-x S _y Se _1-y (x   =   0.5-1, y   =   0.5-1),
• Zn _x Cd _y Hg _1-x-y O _a S _b Se _c Te _1-a-b-c (x   =   0-0.5, y   =   0.5-1, a   =   0-0.5, b   =  0.5-1, c   =   0-0.5),
• Hg _x Cd _y Zn _1-x-y S _b Se _1-b (x = 0-1, y = 0-1, b = 0.5-1).

Algunos minerales son termocrómicos también; por ejemplo, algunos piropos ricos en cromo, normalmente de color rojizo-violáceo, se vuelven verdes cuando se calientan a aproximadamente 80 ° C.