Il termocromismo è la proprietà delle sostanze a cambiare colore a causa di un cambiamento di temperatura. Un anello d’animo è un eccellente esempio di questo fenomeno, ma il termocromismo ha anche usi più pratici, come i biberon che cambiano in un altro colore quando è abbastanza freddo da bere, o bollitori che cambiano quando l’acqua è al punto di ebollizione o vicino. Il termocromismo è uno dei vari tipi di cromismo.

Materiali organici

Cristalli liquidi termocromatici
I due approcci comuni sono basati su cristalli liquidi e coloranti leuco. I cristalli liquidi vengono utilizzati in applicazioni di precisione, poiché le loro risposte possono essere progettate per temperature precise, ma la loro gamma di colori è limitata dal loro principio di funzionamento. I coloranti Leuco consentono di utilizzare una gamma più ampia di colori, ma le loro temperature di risposta sono più difficili da impostare con precisione.

Alcuni cristalli liquidi sono in grado di visualizzare diversi colori a diverse temperature. Questo cambiamento dipende dalla riflessione selettiva di determinate lunghezze d’onda dalla struttura cristallina del materiale, poiché cambia tra la fase cristallina a bassa temperatura, attraverso la fase nematica chirale o torsione anisotropa, alla fase liquida isotropica ad alta temperatura. Solo la mesofase nematica ha proprietà termocromiche; ciò limita l’intervallo di temperatura effettivo del materiale.

La fase nematica contorta ha le molecole orientate in strati con un orientamento che cambia regolarmente, il che dà loro spaziatura periodica. La luce che attraversa il cristallo subisce la diffrazione di Bragg su questi strati e la lunghezza d’onda con la più grande interferenza costruttiva viene riflessa indietro, che viene percepita come un colore spettrale. Un cambiamento nella temperatura del cristallo può comportare un cambiamento di spaziatura tra gli strati e quindi nella lunghezza d’onda riflessa. Il colore del cristallo liquido termocromico può quindi variare continuamente da non riflettente (nero) attraverso i colori spettrali al nero di nuovo, a seconda della temperatura. In genere, lo stato di alta temperatura rifletterà blu-viola, mentre lo stato di bassa temperatura rifletterà rosso-arancio. Poiché il blu è una lunghezza d’onda più corta rispetto al rosso, ciò indica che la distanza della spaziatura tra i livelli viene ridotta riscaldando attraverso lo stato del cristallo liquido.

Alcuni di questi materiali sono colesteri di nonanoato o cianobifenile.

Le miscele con una gamma di temperature di 3-5 ° C e che vanno da circa 17-23 ° C a circa 37-40 ° C possono essere composte da proporzioni variabili di colesterolo di oleil carbonato, colestere di nonanoato e colesteryl benzoato. Ad esempio, il rapporto di massa di 65:25:10 produce un intervallo di 17-23 ° C e un intervallo di 30:60:10 valori di 37-40 ° C.

I cristalli liquidi utilizzati nei coloranti e negli inchiostri vengono spesso microincapsulati, sotto forma di sospensione.

I cristalli liquidi sono utilizzati in applicazioni in cui il cambiamento di colore deve essere definito con precisione. Trovano applicazioni nei termometri per la stanza, il frigorifero, l’acquario e l’uso medico e in indicatori di livello di propano nei serbatoi. Un’applicazione popolare per i cristalli liquidi termocromatici sono gli anelli dell’umore.

I cristalli liquidi sono difficili da lavorare e richiedono attrezzature di stampa specializzate. Il materiale stesso è anche in genere più costoso rispetto alle tecnologie alternative. Le alte temperature, le radiazioni ultraviolette, alcuni prodotti chimici e / o solventi hanno un impatto negativo sulla loro durata.

Coloranti Leuco
I coloranti termocromici si basano su miscele di coloranti di leuco con idonei altri prodotti chimici, mostrando un cambiamento di colore (di solito tra la forma di leuco incolore e la forma colorata) in dipendenza dalla temperatura. I coloranti vengono applicati raramente direttamente sui materiali; di solito sono sotto forma di microcapsule con la miscela sigillata all’interno. Un esempio illustrativo è la moda Hypercolor, in cui al tessuto vengono applicate microcapsule con lattone di cristallo violetto, acido debole e un sale dissociato dissolto in dodecanolo; quando il solvente è solido, il colorante esiste nella sua forma di leuco lattone, mentre quando il solvente si scioglie, il sale si dissocia, il pH all’interno della microcapsula si abbassa, il colorante diventa protonato, l’anello del lattone si apre e il suo spettro di assorbimento si sposta drasticamente, quindi diventa profondamente viola. In questo caso l’apparente termocromismo è in effetti alocromismo.

I coloranti più comunemente utilizzati sono spirolattoni, fluoranidi, spiropirotici e fulgidi. Gli acidi comprendono bisfenolo A, parabeni, derivati ​​1,2,3-triazolo e 4-idrossicumarina e agiscono come donatori di protoni, cambiando la molecola del colorante tra la sua forma leuco e la sua forma colorata protonata; acidi più forti renderebbero irreversibile il cambiamento.

I coloranti Leuco hanno una risposta di temperatura meno accurata rispetto ai cristalli liquidi. Sono adatti per gli indicatori generali di temperatura approssimativa (“troppo freddo”, “troppo caldo”, “circa OK”) o per vari elementi di novità. Di solito vengono utilizzati in combinazione con altri pigmenti, producendo un cambiamento di colore tra il colore del pigmento di base e il colore del pigmento combinato con il colore della forma non leuco della tintura di leuco. Coloranti leuco organici sono disponibili per temperature comprese tra circa -5 ° C (23 ° F) e 60 ° C (140 ° F), in un’ampia gamma di colori. Il cambiamento di colore di solito avviene in un intervallo di 3 ° C (5,4 ° F).

I coloranti Leuco sono utilizzati in applicazioni in cui l’accuratezza della risposta alla temperatura non è critica: ad es. Novità, giocattoli da bagno, dischi volanti e indicatori di temperatura approssimativi per alimenti riscaldati a microonde. La microincapsulazione ne consente l’uso in un’ampia gamma di materiali e prodotti. La dimensione delle microcapsule varia tipicamente tra 3-5 μm (oltre 10 volte più grande delle normali particelle di pigmento), il che richiede alcune modifiche ai processi di stampa e produzione.

Un’applicazione di coloranti leuco si trova negli indicatori di stato della batteria Duracell. Uno strato di un colorante leuco viene applicato su una striscia resistiva per indicare il suo riscaldamento, misurando così la quantità di corrente che la batteria è in grado di fornire. La striscia è di forma triangolare, cambiando la sua resistenza lungo la sua lunghezza, quindi riscaldando un segmento proporzionalmente lungo con la quantità di corrente che lo attraversa. La lunghezza del segmento al di sopra della temperatura di soglia per il colorante leuco diventa quindi colorata.

L’esposizione a radiazioni ultraviolette, solventi e alte temperature riduce la durata della vita dei coloranti leuco. Temperature superiori a circa 200-230 ° C (392-446 ° F) causano tipicamente danni irreversibili ai coloranti leuco; un’esposizione limitata nel tempo di alcuni tipi a circa 250 ° C (482 ° F) è consentita durante la produzione.

Le vernici termocromiche usano cristalli liquidi o la tecnologia della tintura di leuco. Dopo aver assorbito una certa quantità di luce o calore, la struttura cristallina o molecolare del pigmento cambia in modo reversibile in modo tale da assorbire ed emettere luce a una lunghezza d’onda diversa rispetto a temperature più basse. Le vernici termocromatiche sono viste spesso come rivestimento delle tazze da caffè, per cui una volta versato il caffè caldo nelle tazze, la vernice termocromatica assorbe il calore e diventa colorata o trasparente, modificando quindi l’aspetto della tazza.

documenti
Le carte termocromiche sono usate per stampanti termiche. Un esempio è la carta impregnata con la miscela solida di un colorante fluoran con acido ottadecilfosfonico. Questa miscela è stabile in fase solida; tuttavia, quando l’acido ottadecilfosfonico viene fuso, il colorante subisce una reazione chimica nella fase liquida e assume la forma colorata protonata. Questo stato viene quindi conservato quando la matrice si solidifica nuovamente, se il processo di raffreddamento è sufficientemente veloce. Poiché la forma di leuco è più stabile nelle temperature più basse e nella fase solida, le registrazioni su carte termocromatiche si attenuano lentamente negli anni; questo può portare a effetti interessanti in combinazione con i registri contabili, le ricevute di una stampante termica e una verifica fiscale.

polimeri
Il termocromismo può apparire in termoplastici, duroplastici, gel o qualsiasi tipo di rivestimento. Il polimero stesso, un additivo termocromico incorporato o una struttura alta ordinata costruita dall’interazione del polimero con un additivo non termocromico incorporato può essere l’origine dell’effetto termocromico. Inoltre, dal punto di vista fisico, l’origine dell’effetto termocromatico può essere multiforme. Quindi può venire da cambiamenti di riflessione della luce, assorbimento e / o proprietà di dispersione con la temperatura. L’applicazione di polimeri termocromici per la protezione solare adattiva è di grande interesse. Una funzione della strategia di progettazione, ad esempio applicata per lo sviluppo di polimeri termocromici non tossici, è entrata a fuoco nell’ultimo decennio.

inchiostri
Gli inchiostri o i coloranti termocromici sono composti termosensibili, sviluppati negli anni ’70, che cambiano temporaneamente colore con l’esposizione al calore. Vengono in due forme, cristalli liquidi e coloranti leuco. I coloranti Leuco sono più facili da utilizzare e consentono una vasta gamma di applicazioni. Queste applicazioni includono: termometri piatti, tester per batterie, abbigliamento e l’indicatore sulle bottiglie di sciroppo d’acero che cambiano colore quando lo sciroppo è caldo. I termometri sono spesso usati all’esterno degli acquari o per ottenere una temperatura corporea attraverso la fronte. Coors Light ora usa l’inchiostro termocromico sulle sue lattine, passando dal bianco al blu per indicare che la lattina è fredda.

Materiali inorganici
Praticamente tutti i composti inorganici sono termocromici in una certa misura. La maggior parte degli esempi tuttavia comporta solo sottili cambiamenti di colore. Ad esempio, il biossido di titanio e l’ossido di zinco sono bianchi a temperatura ambiente ma, una volta riscaldati, cambiano in giallo.Allo stesso modo l’ossido di indio (III) è giallo e si scurisce a giallo-marrone quando riscaldato.L’ossido di piombo (II) mostra un cambiamento di colore simile al riscaldamento. Il cambiamento di colore è legato ai cambiamenti nelle proprietà elettroniche (livelli di energia, popolazioni) di questi materiali.

Esempi più drammatici di termocromismo si trovano in materiali che subiscono una transizione di fase o mostrano bande di trasferimento di carica vicino alla regione visibile. Esempi inclusi

Lo ioduro di mercurio rameoso (Cu ₂ HgI ₄ ) subisce una transizione di fase a 67 ° C, passando reversibilmente da un materiale solido rosso brillante a bassa temperatura a un solido marrone scuro ad alta temperatura, con stati intermedi rosso-porpora. I colori sono intensi e sembrano essere causati da complessi di trasferimento di carica Cu (I) -Hg (II).

Lo ioduro di mercurio d’argento (Ag ₂ HgI ₄ ) è giallo a basse temperature e arancione sopra 47-51 ° C, con stati intermedi giallo-arancio. I colori sono intensi e sembrano essere causati da complessi di trasferimento di carica Ag (I) -Hg (II).

Lo ioduro di mercurio (II) è un materiale cristallino che a 126 ° C subisce la transizione di fase reversibile dalla fase alfa rossa alla fase beta giallo pallido.

Il tetracloronichelato di bis (dimetilammonio) è un composto rosso lampone che diventa blu a circa 110 ° C. Al raffreddamento, il composto diventa una fase metastabile giallo chiaro, che in 2-3 settimane torna al rosso originale. Molti altri tetracloronickelate sono anche termocromici.

Il tetraclorocuprato di bis (dietilammonio) è un materiale solido verde brillante, che a 52-53 ° C cambia in modo reversibile il colore in giallo. Il cambiamento di colore è causato dal rilassamento dei legami a idrogeno e dal successivo cambio di geometria del complesso rame-cloro da tetraedrico planare a deformato, con un appropriato cambio di disposizione degli orbitali d dell’atomo di rame.Non esiste un intermedio stabile, i cristalli sono verdi o gialli.

Ossido di cromo (III): ossido di alluminio (III) in rapporto 1: 9 è rosso a temperatura ambiente e grigio a 400 ° C, a causa di cambiamenti nel suo campo cristallino.

Il diossido di vanadio è stato studiato per essere utilizzato come rivestimento per vetri “spettralmente selettivi” per bloccare la trasmissione a infrarossi e ridurre la perdita di calore interno dell’edificio attraverso le finestre. Questo materiale si comporta come un semiconduttore a temperature più basse, consentendo una maggiore trasmissione e, come un conduttore a temperature più elevate, fornisce una riflettività molto maggiore. Il cambio di fase tra fase semiconduttiva trasparente e fase riflettente avviene a 68 ° C; drogando il materiale con l’1,9% di tungsteno si abbassa la temperatura di transizione a 29 ° C.

Altri materiali semiconduttori solidi termocromici includono

• 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).

Alcuni minerali sono anche termocromici; per esempio alcuni pirofori ricchi di cromo, normalmente di colore rosso-violaceo, diventano verdi quando riscaldati a circa 80 ° C.