Thermochromisme

Le thermochromisme est la propriété des substances de changer de couleur en raison d’un changement de température. Un anneau d’humeur est un excellent exemple de ce phénomène, mais le thermochromisme a aussi des applications plus pratiques, comme les biberons qui changent de couleur lorsqu’ils sont assez frais pour boire ou les bouilloires qui changent lorsque l’eau est à la température d’ébullition. Le thermochromisme est l’un de plusieurs types de chromisme.

Matières organiques

Cristaux liquides thermochromatiques
Les deux approches communes sont basées sur des cristaux liquides et des leuco-colorants. Les cristaux liquides sont utilisés dans des applications de précision, car leurs réponses peuvent être conçues à des températures précises, mais leur gamme de couleurs est limitée par leur principe de fonctionnement. Les colorants Leuco permettent une plus large gamme de couleurs à utiliser, mais leurs températures de réponse sont plus difficiles à régler avec précision.

Certains cristaux liquides sont capables d’afficher différentes couleurs à différentes températures. Ce changement dépend de la réflexion sélective de certaines longueurs d’onde par la structure cristalline du matériau, car il change entre la phase cristalline à basse température, à travers la phase anisotrope chirale ou la phase nématique torsadée, vers la phase liquide isotrope à haute température. Seule la mésophase nématique a des propriétés thermochromiques; cela limite la plage de température effective du matériau.

La phase nématique torsadée a les molécules orientées en couches avec une orientation régulièrement changeante, ce qui leur donne un espacement périodique. La lumière traversant le cristal subit une diffraction de Bragg sur ces couches, et la longueur d’onde avec la plus grande interférence constructive est réfléchie en arrière, qui est perçue comme une couleur spectrale. Un changement de la température du cristal peut entraîner un changement d’espacement entre les couches et donc dans la longueur d’onde réfléchie. La couleur du cristal liquide thermochrome peut donc continuellement aller du non réfléchissant (noir) à travers les couleurs spectrales au noir, en fonction de la température. Typiquement, l’état de haute température reflétera bleu-violet, alors que l’état de basse température reflétera rouge-orange. Puisque le bleu est une longueur d’onde plus courte que le rouge, cela indique que la distance de l’espacement entre les couches est réduite en chauffant à travers l’état de cristal liquide.

Certains de ces matériaux sont des nonanoates de cholestéryle ou des cyanobiphényles.

Des mélanges avec des températures de 3-5 ° C et des températures allant d’environ 17-23 ° C à environ 37-40 ° C peuvent être composés de proportions variables de cholestéryl-oléyl-carbonate, de cholestéryl-nonanoate et de cholestéryl-benzoate. Par exemple, le rapport massique de 65:25:10 donne une plage de 17-23 ° C, et 30:60:10 donne une plage de 37-40 ° C.

Les cristaux liquides utilisés dans les colorants et les encres sont souvent microencapsulés, sous forme de suspension.

Les cristaux liquides sont utilisés dans des applications où le changement de couleur doit être défini avec précision. Ils trouvent des applications dans les thermomètres pour la chambre, le réfrigérateur, l’aquarium et l’usage médical, ainsi que dans les indicateurs de niveau de propane dans les réservoirs. Une application populaire pour les cristaux liquides thermochromidés sont les anneaux d’humeur.

Les cristaux liquides sont difficiles à travailler et nécessitent un équipement d’impression spécialisé.Le matériau lui-même est également généralement plus cher que les technologies alternatives. Les températures élevées, les rayons ultraviolets, certains produits chimiques et / ou solvants ont un impact négatif sur leur durée de vie.

Leuco colorants
Les colorants thermochromiques sont basés sur des mélanges de leuco-colorants avec d’autres produits chimiques appropriés, présentant un changement de couleur (généralement entre la forme leuco incolore et la forme colorée) en fonction de la température. Les colorants sont rarement appliqués directement sur les matériaux; ils sont généralement sous la forme de microcapsules avec le mélange scellé à l’intérieur. Un exemple illustratif est le mode Hypercolor, dans lequel des microcapsules avec du lactone violet cristallisé, un acide faible et un sel dissociable dissous dans du dodécanol sont appliqués sur le tissu; lorsque le solvant est solide, le colorant existe sous sa forme lactone leuco, tandis que lorsque le solvant fond, le sel se dissocie, le pH à l’intérieur de la microcapsule diminue, le colorant devient protoné, son cycle lactone s’ouvre et son spectre d’absorption change radicalement, donc il devient profondément violet. Dans ce cas, le thermochromisme apparent est en fait l’halochromisme.

Les colorants les plus couramment utilisés sont les spirolactones, les fluoranes, les spiropyranes et les fulgides. Les acides comprennent le bisphénol A, les parabènes, les dérivés de 1,2,3-triazole et la 4-hydroxycoumarine et agissent comme donneurs de protons en changeant la molécule de colorant entre sa forme leuco et sa forme colorée protonée; des acides plus forts rendraient le changement irréversible.

Les colorants leuco ont une réponse en température moins précise que les cristaux liquides. Ils conviennent à des indicateurs généraux de température approximative («trop froid», «trop chaud», «sur OK»), ou pour divers articles de fantaisie. Ils sont habituellement utilisés en combinaison avec un autre pigment, produisant un changement de couleur entre la couleur du pigment de base et la couleur du pigment combinée à la couleur de la forme non leuco du leuco-colorant. Les leuco-colorants organiques sont disponibles pour des températures comprises entre environ -5 ° C (23 ° F) et 60 ° C (140 ° F), dans une large gamme de couleurs. Le changement de couleur se produit généralement dans un intervalle de 3 ° C (5,4 ° F).

Les colorants Leuco sont utilisés dans des applications où la précision de la réponse à la température n’est pas critique: par exemple les nouveautés, les jouets pour le bain, les disques volants et les indicateurs de température approximatifs pour les aliments chauffés aux micro-ondes.La microencapsulation permet leur utilisation dans une large gamme de matériaux et de produits. La taille des microcapsules varie généralement entre 3 et 5 um (plus de 10 fois plus grande que les particules de pigment régulières), ce qui nécessite quelques ajustements aux processus d’impression et de fabrication.

Une application de leuco colorants est dans les indicateurs d’état de la batterie Duracell. Une couche de leuco-colorant est appliquée sur une bande résistive pour indiquer son échauffement, ce qui permet de mesurer la quantité de courant que la batterie est capable de fournir. La bande est de forme triangulaire, changeant sa résistance sur sa longueur, chauffant ainsi un segment proportionnellement long avec la quantité de courant qui le traverse. La longueur du segment au-dessus du seuil de température du leuco-colorant devient alors colorée.

L’exposition aux rayons ultraviolets, aux solvants et aux températures élevées réduit la durée de vie des leuco-colorants. Des températures supérieures à environ 200-230 ° C (392-446 ° F) provoquent typiquement des dommages irréversibles aux leuco-colorants; une exposition limitée dans le temps de certains types à environ 250 ° C (482 ° F) est autorisée pendant la fabrication.

Les peintures thermochromes utilisent des cristaux liquides ou la technologie des leuco-colorants.Après avoir absorbé une certaine quantité de lumière ou de chaleur, la structure cristalline ou moléculaire du pigment change de manière réversible de telle sorte qu’elle absorbe et émet de la lumière à une longueur d’onde différente de celle des températures plus basses. Les peintures thermochromiques sont souvent vues comme un revêtement sur des tasses de café, où une fois que le café chaud est versé dans les tasses, la peinture thermochromique absorbe la chaleur et devient colorée ou transparente, changeant ainsi l’aspect de la tasse.

Papiers
Les papiers thermochromiques sont utilisés pour les imprimantes thermiques. Un exemple est le papier imprégné du mélange solide d’un colorant fluoré avec de l’acide octadécylphosphonique. Ce mélange est stable en phase solide; cependant, lorsque l’acide octadécylphosphonique est fondu, le colorant subit une réaction chimique dans la phase liquide et prend la forme colorée protonée. Cet état est ensuite conservé lorsque la matrice se solidifie à nouveau, si le processus de refroidissement est suffisamment rapide. Comme la forme leuco est plus stable à des températures plus basses et en phase solide, les enregistrements sur les papiers thermochromiques s’estompent lentement au fil des ans; cela peut entraîner des effets intéressants en combinaison avec les registres comptables, les reçus d’une imprimante thermique et un audit fiscal.

Polymères
Le thermochromisme peut apparaître dans les thermoplastiques, les thermodurcissables, les gels ou tout type de revêtement. Le polymère lui-même, un additif thermochrome incorporé ou une structure haute ordonnée construite par l’interaction du polymère avec un additif incorporé non thermochrome peut être à l’origine de l’effet thermochrome. En outre, du point de vue physique, l’origine de l’effet thermochrome peut être multiple. Il peut donc provenir des changements de la réflexion de la lumière, des propriétés d’absorption et / ou de diffusion avec la température. L’application de polymères thermochromiques pour la protection solaire adaptative est d’un grand intérêt. Une stratégie de la fonction par conception, appliquée par exemple au développement de polymères thermochromes non toxiques, a fait l’objet d’une attention particulière au cours de la dernière décennie.

Encres
Les encres ou colorants thermochromiques sont des composés sensibles à la température, développés dans les années 1970, qui changent temporairement de couleur avec l’exposition à la chaleur. Ils se présentent sous deux formes, cristaux liquides et leuco-colorants. Les colorants Leuco sont plus faciles à travailler et permettent une plus grande gamme d’applications. Ces applications comprennent: les thermomètres plats, les testeurs de piles, les vêtements et l’indicateur sur les bouteilles de sirop d’érable qui changent de couleur lorsque le sirop est chaud. Les thermomètres sont souvent utilisés à l’extérieur des aquariums, ou pour obtenir une température corporelle via le front. Coors Light utilise maintenant de l’encre thermochromique sur ses canettes, passant du blanc au bleu pour indiquer que la canette est froide.

Matériaux inorganiques
Pratiquement tous les composés inorganiques sont thermochromiques dans une certaine mesure.La plupart des exemples impliquent cependant seulement des changements subtils de couleur. Par exemple, le dioxyde de titane et l’oxyde de zinc sont blancs à température ambiante, mais lorsqu’ils sont chauffés, ils deviennent jaunes. De même, l’oxyde d’indium (III) est jaune et devient brun-jaune lorsqu’il est chauffé. L’oxyde de plomb (II) présente un changement de couleur similaire lors du chauffage. Le changement de couleur est lié aux changements dans les propriétés électroniques (niveaux d’énergie, populations) de ces matériaux.

Des exemples plus spectaculaires de thermochromisme sont trouvés dans des matériaux qui subissent une transition de phase ou présentent des bandes de transfert de charge près de la région visible. Les exemples comprennent

L’iodure de mercure cuivreux (Cu 2 HgI 4 ) subit une transition de phase à 67 ° C, passant d’un matériau solide rouge vif à basse température à un solide brun foncé à haute température avec des états intermédiaires rouge-violet. Les couleurs sont intenses et semblent être causées par des complexes de transfert de charge Cu (I) -Hg (II).

L’iodure de mercure argentique (Ag 2 HgI 4 ) est jaune à basse température et orange au-dessus de 47-51 ° C, avec des états intermédiaires jaune-orange. Les couleurs sont intenses et semblent être causées par des complexes de transfert de charge Ag (I) -Hg (II).

L’iodure de mercure (II) est un matériau cristallin qui, à 126 ° C, subit une transition de phase réversible de la phase alpha rouge à la phase bêta jaune pâle.

Le tétrachloronickelate de bis (diméthylammonium) est un composé de couleur rouge framboise qui devient bleu à environ 110 ° C. Au refroidissement, le composé devient une phase métastable jaune clair, qui sur 2-3 semaines retourne en rouge d’origine. Beaucoup d’autres tétrachloronickelates sont également thermochromiques.
Le bis (diéthylammonium) tétrachlorocuprate est un matériau solide vert brillant qui, à 52-53 ° C, change de couleur de façon réversible en jaune. Le changement de couleur est provoqué par le relâchement des liaisons hydrogène et le changement ultérieur de la géométrie du complexe cuivre-chlore de tétraèdre planaire à déformé, avec un changement d’arrangement approprié des d-orbitales de l’atome de cuivre. Il n’y a pas d’intermédiaire stable, les cristaux sont verts ou jaunes.

Oxyde de chrome (III): oxyde d’aluminium (III) dans un rapport de 1: 9 est rouge à température ambiante et gris à 400 ° C, en raison de changements dans son champ cristallin.

Le dioxyde de vanadium a été étudié pour être utilisé comme revêtement de fenêtre «spectralement sélectif» pour bloquer la transmission infrarouge et réduire la perte de chaleur intérieure du bâtiment à travers les fenêtres. Ce matériau se comporte comme un semi-conducteur à des températures plus basses, permettant plus de transmission, et comme un conducteur à des températures plus élevées, offrant une réflectivité beaucoup plus grande. Le changement de phase entre la phase semi-conductrice transparente et la phase conductrice réfléchissante se produit à 68 ° C; le dopage du matériau avec 1,9% de tungstène abaisse la température de transition à 29 ° C.
D’autres matériaux semi-conducteurs solides thermochromiques comprennent

  • 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, un   =   0-0,5, b   =  0,5-1, c   =   0-0,5),
  • Hg x Cd y Zn 1-x-y Se b -1-b (x = 0-1, y = 0-1, b = 0,5-1).

Certains minéraux sont également thermochromiques; par exemple, certains pyropes riches en chrome, normalement rougeâtre-violacé, deviennent verts lorsqu’ils sont chauffés à environ 80 ° C.