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Termocromismo

Termocromismo é a propriedade de substâncias para mudar de cor devido a uma mudança na temperatura. Um anel de humor é um excelente exemplo desse fenômeno, mas o termocromismo também tem usos mais práticos, como mamadeiras que mudam para uma cor diferente quando esfriam o suficiente para beber ou caldeirões que mudam quando a água está próxima ou perto do ponto de ebulição. O termocromismo é um dos vários tipos de cromismo.

Materiais orgânicos

Cristais líquidos termocromáticos
As duas abordagens comuns são baseadas em cristais líquidos e leuco-corantes. Os cristais líquidos são usados ​​em aplicações de precisão, pois suas respostas podem ser projetadas para temperaturas precisas, mas sua gama de cores é limitada pelo seu princípio de operação. Os corantes Leuco permitem que uma gama mais ampla de cores seja usada, mas suas temperaturas de resposta são mais difíceis de definir com precisão.

Alguns cristais líquidos são capazes de exibir cores diferentes a diferentes temperaturas. Esta mudança é dependente da reflexão seletiva de certos comprimentos de onda pela estrutura do material, uma vez que ela muda entre a fase cristalina de baixa temperatura, através da fase anisotrópica ou nemátese torcida, para a fase líquida isotrópica de alta temperatura. Apenas a mesofase nemática tem propriedades termocrômicas; isso restringe a faixa de temperatura efetiva do material.

A fase nemática torcida tem as moléculas orientadas em camadas com orientação de mudança regular, o que lhes confere espaçamento periódico. A luz que atravessa o cristal é submetida à difração de Bragg nessas camadas, e o comprimento de onda com a maior interferência construtiva é refletido de volta, o que é percebido como uma cor espectral. Uma mudança na temperatura do cristal pode resultar em uma mudança de espaçamento entre as camadas e, portanto, no comprimento de onda refletido. A cor do cristal líquido termocrômico pode, portanto, continuamente variar de não-reflexivo (preto) através das cores espectrais para preto novamente, dependendo da temperatura. Normalmente, o estado de alta temperatura refletirá azul-violeta, enquanto o estado de baixa temperatura refletirá vermelho-alaranjado. Como o azul é um comprimento de onda menor que o vermelho, isso indica que a distância do espaçamento entre camadas é reduzida pelo aquecimento através do estado de cristal líquido.

Alguns desses materiais são nonanoato de colesterilo ou cianobifenilos.

Misturas com 3–5 ° C de intervalo de temperaturas e entre cerca de 17–23 ° C e cerca de 37–40 ° C podem ser compostas de proporções variáveis ​​de carbonato de colesteril oleil, nonanoato de colesteril e benzoato de colesteril. Por exemplo, a razão de massa de 65:25:10 produz uma variação de 17 a 23 ° C e 30:60:10 produz uma faixa de 37 a 40 ° C.

Cristais líquidos usados ​​em corantes e tintas geralmente vêm microencapsulados, na forma de suspensão.

Cristais líquidos são usados ​​em aplicações onde a mudança de cor precisa ser definida com precisão. Eles encontram aplicações em termômetros para sala, geladeira, aquário e uso médico, e em indicadores de nível de propano em tanques. Uma aplicação popular para cristais líquidos termocromídeos são os anéis de humor.

Os cristais líquidos são difíceis de trabalhar e exigem equipamentos de impressão especializados. O material em si também é tipicamente mais caro que as tecnologias alternativas. Altas temperaturas, radiação ultravioleta, alguns produtos químicos e / ou solventes têm um impacto negativo em sua vida útil.

Leuco corantes
Os corantes termocrômicos são baseados em misturas de leuco-corantes com outros produtos químicos adequados, exibindo uma mudança de cor (geralmente entre a forma de leuco incolor e a forma colorida) na dependência da temperatura. Os corantes raramente são aplicados diretamente nos materiais; eles geralmente estão na forma de microcápsulas com a mistura selada dentro. Um exemplo ilustrativo é o modo Hypercolor, em que microcápsulas com lactona violeta de cristal, ácido fraco e um sal dissociável dissolvido em dodecanol são aplicadas ao tecido; quando o solvente é sólido, o corante existe na sua forma lactona leuco, enquanto quando o solvente derrete, o sal dissocia, o pH dentro da microcápsula diminui, o corante torna-se protonado, o anel lactona se abre e seu espectro de absorção muda drasticamente, portanto torna-se profundamente violeta. Neste caso, o termocromismo aparente é, na verdade, halocromismo.

Os corantes mais usados ​​são spirolactones, fluorans, spiropyrans e fulgides. Os ácidos incluem bisfenol A, parabenos, derivados 1,2,3-triazóis e 4-hidroxicumarina e atuam como doadores de prótons, alterando a molécula de corante entre sua forma leuco e sua forma colorida protonada;Ácidos mais fortes tornariam a mudança irreversível.

Os corantes Leuco têm resposta à temperatura menos precisa do que os cristais líquidos. Eles são adequados para indicadores gerais de temperatura aproximada (“muito legal”, “muito quente”, “sobre OK”), ou para vários itens de novidade. Eles são geralmente usados ​​em combinação com algum outro pigmento, produzindo uma mudança de cor entre a cor do pigmento base e a cor do pigmento combinada com a cor da forma não-leuco do corante leuco. Corantes leuco orgânicos estão disponíveis para faixas de temperatura entre cerca de -5 ° C (23 ° F) e 60 ° C (140 ° F), em ampla gama de cores. A mudança de cor geralmente acontece em um intervalo de 3 ° C (5,4 ° F).

Os corantes Leuco são usados ​​em aplicações em que a precisão da resposta à temperatura não é crítica: por exemplo, novidades, brinquedos de banho, discos voadores e indicadores aproximados de temperatura para alimentos aquecidos por micro-ondas. Microencapsulação permite seu uso em ampla gama de materiais e produtos. O tamanho das microcápsulas varia tipicamente entre 3 e 5 µm (mais de 10 vezes maior que as partículas de pigmento normais), o que requer alguns ajustes nos processos de impressão e fabricação.

Uma aplicação de corantes leuco está nos indicadores de estado da bateria Duracell. Uma camada de um corante leuco é aplicada em uma tira resistiva para indicar seu aquecimento, medindo, assim, a quantidade de corrente que a bateria é capaz de fornecer. A faixa é triangular, alterando sua resistência ao longo de seu comprimento, aquecendo, portanto, um segmento proporcionalmente longo com a quantidade de corrente que passa por ela. O comprimento do segmento acima da temperatura limite para o corante leuco torna-se então colorido.

A exposição à radiação ultravioleta, solventes e altas temperaturas reduzem a vida útil dos corantes leuco. Temperaturas acima de 200-230 ° C (392-446 ° F) geralmente causam danos irreversíveis aos corantes leuco; uma exposição limitada no tempo de alguns tipos a cerca de 250 ° C (482 ° F) é permitida durante a fabricação.

Tintas termocromáticas usam cristais líquidos ou tecnologia de corante leuco. Depois de absorver uma certa quantidade de luz ou calor, a estrutura molecular ou cristalina do pigmento muda de forma reversível, de forma que absorve e emite luz em um comprimento de onda diferente do que em temperaturas mais baixas. Tintas termocromáticas são vistas com bastante frequência como um revestimento em canecas de café, pelo que uma vez que o café quente é despejado nas canecas, a tinta termocrômica absorve o calor e torna-se colorida ou transparente, alterando assim a aparência da caneca.

Papéis
Papéis termocrômicos são usados ​​para impressoras térmicas. Um exemplo é o papel impregnado com a mistura sólida de um corante fluorado com ácido octadecilfosfónico. Esta mistura é estável em fase sólida; no entanto, quando o ácido octadecilfosfônico é fundido, o corante sofre uma reação química na fase líquida, e assume a forma colorida protonada. Esse estado é então conservado quando a matriz se solidifica novamente, se o processo de resfriamento for rápido o suficiente.Como a forma leuco é mais estável em temperaturas mais baixas e fase sólida, os registros em papéis termocrômicos se desvanecem lentamente ao longo dos anos; isso pode levar a efeitos interessantes em combinação com registros contábeis, recibos de uma impressora térmica e uma auditoria fiscal.

Polímeros
O termocromismo pode aparecer em termoplásticos, duroplásticos, géis ou qualquer tipo de revestimento. O próprio polímero, um aditivo termocrômico incorporado ou uma estrutura de alta ordem construída pela interação do polímero com um aditivo não-termocrômico incorporado pode ser a origem do efeito termocrômico. Além disso, do ponto de vista físico, a origem do efeito termocrômico pode ser múltipla. Por isso, pode vir de alterações de reflexão da luz, absorção e / ou propriedades de espalhamento com a temperatura. A aplicação de polímeros termocrômicos para proteção solar adaptativa é de grande interesse. Uma função por estratégia de projeto, por exemplo, aplicada para o desenvolvimento de polímeros termocrômicos não tóxicos, entrou em foco na última década.

Tintas
Tintas termocromáticas ou corantes são compostos sensíveis à temperatura, desenvolvidos na década de 1970, que temporariamente mudam de cor com a exposição ao calor. Eles vêm em duas formas, cristais líquidos e corantes leuco. Leuco corantes são mais fáceis de trabalhar e permitem uma maior gama de aplicações. Essas aplicações incluem: termômetros planos, testadores de bateria, roupas e o indicador em garrafas de xarope de bordo que mudam de cor quando a calda está quente. Os termómetros são frequentemente utilizados no exterior dos aquários, ou para obter uma temperatura corporal através da testa. Coors Light usa tinta termocrômica em suas latas agora, mudando de branco para azul para indicar que a lata está fria.

Materiais inorgânicos
Praticamente todos os compostos inorgânicos são, em certa medida, termocrômicos. A maioria dos exemplos, no entanto, envolve apenas mudanças sutis na cor. Por exemplo, o dióxido de titânio e o óxido de zinco são brancos à temperatura ambiente, mas quando aquecidos mudam para amarelo.Da mesma forma, o óxido de índio (III) é amarelo e escurece para amarelo-marrom quando aquecido. O óxido de chumbo (II) exibe uma mudança de cor semelhante no aquecimento. A mudança de cor está ligada a mudanças nas propriedades eletrônicas (níveis de energia, populações) desses materiais.

Exemplos mais dramáticos de termocromismo são encontrados em materiais que sofrem transição de fase ou exibem bandas de transferência de carga perto da região visível. Exemplos incluem

O iodeto de mercúrio cuproso (Cu2HgI4) sofre uma transição de fase a 67 ° C, mudando reversivelmente de um material sólido vermelho vivo a baixa temperatura para um sólido castanho escuro a alta temperatura, com estados vermelho-púrpura intermédios. As cores são intensas e parecem ser causadas por complexos de transferência de carga Cu (I) -Hg (II).

O iodeto de mercúrio de prata (Ag 2 HgI 4 ) é amarelo a baixas temperaturas e laranja acima de 47 a 51 ° C, com estados amarelo-laranja intermediários. As cores são intensas e parecem ser causadas por complexos de transferência de carga Ag (I) -Hg (II).

O iodeto de mercúrio (II) é um material cristalino que a 126 ° C sofre transição de fase reversível da fase alfa vermelha para a fase beta amarela pálida.

O tetracloroniquelato de bis (dimetilamónio) é um composto vermelho-framboesa, que se torna azul a cerca de 110 ° C. No resfriamento, o composto se torna uma fase metaestável amarelo claro, que ao longo de 2 a 3 semanas retorna ao vermelho original. Muitos outros tetracloroniquelatos também são termocrômicos.
O bis (dietilamônio) tetraclorocuprato é um material sólido verde brilhante, que, de 52 a 53 ° C, muda de cor de forma reversível para amarelo. A mudança de cor é causada pela relaxação das ligações de hidrogênio e subsequente mudança de geometria do complexo de cobre-cloro de planar para deformado tetraédrico, com mudança apropriada de arranjo dos orbitais d do átomo de cobre.Não há intermediário estável, os cristais são verdes ou amarelos.

Óxido de cromo (III): óxido de alumínio (III) na proporção de 1: 9 é vermelho à temperatura ambiente e cinza a 400 ° C, devido a alterações em seu campo de cristal.

O dióxido de vanádio foi investigado para uso como um revestimento de janela “espectralmente seletivo” para bloquear a transmissão infravermelha e reduzir a perda de calor interno do prédio através das janelas. Este material se comporta como um semicondutor em temperaturas mais baixas, permitindo mais transmissão e como um condutor em temperaturas mais altas, proporcionando uma refletividade muito maior. A mudança de fase entre a fase condutora reflexiva e semicondutora transparente ocorre a 68 ° C; dopagem do material com 1,9% de tungstênio reduz a temperatura de transição para 29 ° C.
Outros materiais semicondutores sólidos termocrômicos incluem

  • Cd x Zn 1 − x S y Se 1 − y (x = 0,5–1, y = 0,5–1),
  • Zn x Cd e Hg 1 − x − y O a S b Se c Te 1 − a − b − c (x = 0 a 0,5, y = 0,5–1, um = 0 a 0,5, b = 0,5-1, c = 0 a 0,5)
  • Hg x Cd e Zn 1 − x − y S b Se 1 − b (x = 0–1, y = 0–1, b = 0,5–1).

Alguns minerais são também termocrômicos; por exemplo, alguns piropos ricos em crómio, normalmente arroxeados-avermelhados, tornam-se verdes quando aquecidos a cerca de 80 ° C.

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