Термохромизм — свойство веществ изменять цвет из-за изменения температуры. Кольцо настроения является прекрасным примером этого явления, но термохромизм также имеет более практическое применение, например, детские бутылочки, которые меняются на другой цвет, когда они достаточно прохладные для питья, или чайники, которые меняются, когда вода находится или находится вблизи точки кипения. Термохромизм — один из нескольких типов хромизма.

Органические материалы

Термохроматические жидкие кристаллы
Два общих подхода основаны на жидких кристаллах и лейкокрасителях. Жидкие кристаллы используются в прецизионных приложениях, так как их реакции могут быть спроектированы для точных температур, но их цветовой диапазон ограничен их принципом работы. Красители Leuco позволяют использовать более широкий диапазон цветов, но их температура срабатывания сложнее установить с точностью.

Некоторые жидкие кристаллы способны отображать разные цвета при разных температурах.Это изменение зависит от селективного отражения определенных длин волн кристаллической структурой материала, поскольку оно изменяется между низкотемпературной кристаллической фазой через анизотропную киральную или скрученную нематическую фазу в высокотемпературную изотропную жидкую фазу. Только нематическая мезофаза обладает термохромными свойствами; это ограничивает эффективный температурный диапазон материала.

Скрученная нематическая фаза имеет молекулы, ориентированные в слои с регулярно меняющейся ориентацией, что дает им периодическое расстояние. Свет, проходящий через кристалл, подвергается брэгговской дифракции на этих слоях, а длина волны с наибольшей конструктивной интерференцией отражается назад, что воспринимается как спектральный цвет. Изменение температуры кристалла может привести к изменению расстояния между слоями и, следовательно, к отраженной длине волны. Таким образом, цвет термохромного жидкого кристалла может непрерывно варьироваться от неотражающего (черного) до спектральных цветов до черного, в зависимости от температуры. Как правило, состояние высокой температуры будет отражать сине-фиолетовое, а низкотемпературное состояние будет отражать красно-оранжевое. Так как синий — более короткая длина волны, чем красная, это указывает на то, что расстояние между слоями уменьшается при нагревании через жидкокристаллическое состояние.

Некоторые из таких материалов представляют собой холестерил нонаноат или цианобифенилы.

Смеси с температурным диапазоном 3-5 ° C и в диапазоне от примерно 17-23 ° C до примерно 37-40 ° C могут состоять из различных пропорций холестерилового олеилкарбоната, холестерина нонаноата и холестерилбензоата. Например, отношение масс 65:25:10 дает диапазон 17-23 ° C и 30:60:10 дает диапазон 37-40 ° C.

Жидкие кристаллы, используемые в красках и чернилах, часто подвергаются микрокапсулированию в виде суспензии.

Жидкие кристаллы используются в приложениях, где необходимо точно определить изменение цвета. Они находят применение в термометрах для помещения, холодильника, аквариума и медицинского использования, а также в показателях уровня пропана в резервуарах.Популярным применением для термохромных жидких кристаллов являются кольца настроения.

Жидкие кристаллы трудно работать и требуют специализированного печатного оборудования.Сам материал также обычно дороже альтернативных технологий. Высокие температуры, ультрафиолетовое излучение, некоторые химические вещества и / или растворители оказывают негативное влияние на их продолжительность жизни.

Leuco красители
Термохромные красители основаны на смесях лейкокрасок с подходящими другими химическими веществами, отображая изменение цвета (обычно между бесцветной формой лейко и цветной формой) в зависимости от температуры. Красители редко применяются непосредственно к материалам; они обычно находятся в форме микрокапсул с загерметизированной внутри. Иллюстративным примером является способ Hypercolor, где к ткани наносят микрокапсулы с кристаллическим фиолетовым лактоном, слабой кислотой и диссоциируемой солью, растворенной в додеканоле; когда растворитель является твердым, краситель существует в его лактон-лейкообразной форме, а когда растворитель плавится, соль диссоциирует, рН внутри микрокапсулы снижается, краситель становится протонированным, его лактонное кольцо открывается и его спектр поглощения резко изменяется, поэтому он становится глубоко фиолетовым. В этом случае кажущийся термохромизм является фактически галохромизмом.

Наиболее широко применяемыми красителями являются спиролактоны, фтораны, спиропираны и фульгиды. Кислоты включают бисфенол А, парабены, производные 1,2,3-триазола и 4-гидроксикумарин и действуют как доноры протонов, изменяя молекулу красителя между его лейкообразной формой и протонированной цветной формой; более сильные кислоты сделают изменение необратимым.

Краски Leuco имеют менее точный температурный отклик, чем жидкие кристаллы. Они подходят для общих индикаторов приблизительной температуры («слишком прохладно», «слишком жарко», «об ОК») или для разных новинок. Они обычно используются в сочетании с другим пигментом, производя изменение цвета между цветом основного пигмента и цветом пигмента в сочетании с цветом не лейкообразной формы лейкокраски. Органические лейкокрасители доступны для температурных диапазонов между -5 ° C (23 ° F) и 60 ° C (140 ° F) в широком диапазоне цветов. Изменение цвета обычно происходит в интервале 3 ° C (5,4 ° F).

Лейкокрасители используются в приложениях, где точность температурного ответа не является критичной: например, новинки, игрушки для ванны, летные диски и приблизительные температурные индикаторы для продуктов с микроволновым нагревом. Микрокапсуляция позволяет использовать их в широком спектре материалов и изделий. Размер микрокапсул обычно составляет 3-5 мкм (в 10 раз больше, чем обычные частицы пигмента), что требует некоторых корректировок в процессах печати и изготовления.

Применение лейкокрасных красителей находится в индикаторах состояния батареи Duracell.Слой лейко-красителя наносят на резистивную полосу, чтобы указать ее нагрев, тем самым измеряя количество тока, которое может подавать батарея. Полоса имеет треугольную форму, изменяя ее сопротивление вдоль своей длины, поэтому нагревает пропорционально длинный сегмент с протекающим через него током. Затем длина сегмента выше пороговой температуры для leuco-красителя становится окрашенной.

Воздействие ультрафиолетового излучения, растворителей и высоких температур снижает срок службы лейкокрасных красителей. Температуры выше примерно 200-230 ° C (392-446 ° F) обычно наносят необратимый ущерб лейкокраскам; во время изготовления допускается ограниченное по времени воздействие некоторых типов до примерно 250 ° C (482 ° F).

Термохромные краски используют жидкие кристаллы или технологию лейкокраски. После поглощения определенного количества света или тепла кристаллическая или молекулярная структура пигмента обратимо изменяется таким образом, что он поглощает и излучает свет на другой длине волны, чем при более низких температурах. Термохромные краски видны довольно часто как покрытие на кофейных кружках, в результате чего, когда горячий кофе выливается в кружки, термохромная краска поглощает тепло и становится цветной или прозрачной, поэтому меняется внешний вид кружки.

документы
Термохромные бумаги используются для термопечати. Одним из примеров является бумага, пропитанная твердой смесью флуорантного красителя с октадецилфосфоновой кислотой. Эта смесь стабильна в твердой фазе; однако, когда октадецилфосфоновая кислота расплавляется, краситель подвергается химической реакции в жидкой фазе и принимает протонированную окрашенную форму. Это состояние затем сохраняется, когда матрица снова затвердевает, если процесс охлаждения достаточно быстро. Поскольку leuco-форма более стабильна при более низких температурах и твердой фазе, записи на термохромных бумагах медленно исчезают в течение многих лет; это может привести к интересным эффектам в сочетании с учетными записями, поступлениями от термопринтера и налоговой проверкой.

Полимеры
Термохромизм может проявляться в термопластиках, дуропластиках, гелях или любых покрытиях. Самым источником термохромного эффекта может быть сам полимер, встроенная термохромная добавка или высокоупорядоченная структура, созданная взаимодействием полимера со встроенной нетеррохромной добавкой. Кроме того, с физической точки зрения происхождение термохромного эффекта может быть многообразным. Таким образом, это может быть связано с изменением свойств отражения света, поглощения и / или рассеяния с температурой. Большой интерес представляет применение термохромных полимеров для адаптивной солнечной защиты. В течение последнего десятилетия основное внимание уделялось разработке стратегии дизайна, например, примененной для разработки нетоксичных термохромных полимеров.

Чернила
Термохромные краски или красители являются чувствительными к температуре соединениями, разработанными в 1970-х годах, которые временно меняют цвет с воздействием тепла. Они бывают двух видов: жидкие кристаллы и лейкокраски. Leuco-красители легче работать с более широким спектром применений. Эти приложения включают в себя: плоские термометры, тестеры батареи, одежду и индикатор на бутылках кленового сиропа, которые меняют цвет, когда сироп теплый. Термометры часто используются снаружи аквариумов или для получения температуры тела через лоб. Coors Light теперь использует термохромные чернила на своих банках, меняя их с белого на синий, чтобы указать, что банда холодная.

Неорганические материалы
Практически все неорганические соединения в некоторой степени являются термохромными.Однако большинство примеров включают лишь незначительные изменения в цвете.Например, диоксид титана и оксид цинка являются белыми при комнатной температуре, но при нагревании меняются на желтый. Аналогично, оксид индия (III) желтый и затем темнеет до желто-коричневого цвета при нагревании. Оксид свинца (II) имеет аналогичное изменение цвета при нагревании. Изменение цвета связано с изменениями электронных свойств (уровней энергии, популяций) этих материалов.

Более драматические примеры термохромизма встречаются в материалах, которые подвергаются фазовому переходу или проявляют полосы переноса заряда вблизи видимой области. Примеры включают

Куриевый йодид ртути (Cu ₂ HgI ₄ ) подвергается фазовому переходу при 67 ° C, обратимо изменяясь от ярко-красного твердого материала при низкой температуре до темно-коричневого твердого тела при высокой температуре с промежуточными красно-фиолетовыми состояниями. Цвета интенсивные и, по-видимому, вызваны комплексами переноса заряда Cu (I) -Hg (II).

Серебряный ртутный йодид (Ag ₂ HgI ₄ ) является желтым при низких температурах и оранжевым, превышающим 47-51 ° C, с промежуточными желто-оранжевыми состояниями.Цвета интенсивные и, по-видимому, вызваны комплексами переноса заряда Ag (I) -Hg (II).

Йодид ртути (II) представляет собой кристаллический материал, который при 126 ° C подвергается обратимому фазовому переходу от красной фазы альфа-фазы к бледно-желтой бета-фазе.

Бис (диметиламмоний) тетрахлороникелат представляет собой соединение малино-красное, которое становится синим при температуре около 110 ° С. При охлаждении соединение становится светло-желтой метастабильной фазой, которая в течение 2-3 недель возвращается к первоначальному красному. Многие другие тетрахлорниколаты также являются термохромными.
Бис (диэтиламмоний) тетрахлорокупрат представляет собой ярко-зеленый твердый материал, который при 52-53 ° С обратимо меняет цвет на желтый. Изменение цвета обусловлено релаксацией водородных связей и последующим изменением геометрии комплекса медь-хлор от плоского до деформированного тетраэдра с соответствующим изменением расположения d-орбиталей атома меди. Не существует стабильного промежуточного продукта, кристаллы либо зеленого, либо желтого цвета.

Оксид хрома (III): оксид алюминия (III) в соотношении 1: 9 является красным при комнатной температуре и серым при 400 ° C из-за изменений в его кристаллическом поле.

Диоксид ванадия был исследован для использования в качестве «спектрально-селективного» оконного покрытия для блокировки инфракрасной передачи и уменьшения потери внутреннего тепла здания через окна. Этот материал ведет себя как полупроводник при более низких температурах, что обеспечивает большую передачу и, как проводник при более высоких температурах, обеспечивает гораздо большую отражательную способность. Изменение фазы между прозрачной полупроводниковой и отражающей проводящей фазой происходит при 68 ° C; легирование материала 1,9% вольфрама снижает температуру перехода до 29 ° C.
Другие термохромные полупроводниковые материалы включают

• Cd _x Zn _1-x S _y Se _1-y (x   знак равно   0,5-1, y   знак равно   0,5-1),
• Zn _x Cd _y Hg _1-x-y O _a S _b Se _c Te _1-a-b-c (x   знак равно   0-0,5, y   знак равно   0,5-1, a  знак равно   0-0,5, b   знак равно   0,5-1, c   знак равно   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).

Некоторые минералы также являются термохромными; например, некоторые богатые хромом пиропы, обычно красновато-пурпурные, становятся зелеными при нагревании до примерно 80 ° С.