Thermochromie - Thermochromism

Ein Stimmungsring mit der Vorderseite des Gesichtes, der ein grünes Farbband auf einem braunen Hintergrund zeigt

Thermochromie ist die Eigenschaft von Stoffen , aufgrund einer Temperaturänderung ihre Farbe zu ändern . Ein Stimmungsring ist ein ausgezeichnetes Beispiel für dieses Phänomen, aber Thermochromie hat auch praktischere Anwendungen, wie zum Beispiel Babyflaschen, die eine andere Farbe annehmen, wenn sie kühl genug zum Trinken sind, oder Wasserkocher, die sich ändern, wenn Wasser am oder nahe dem Siedepunkt ist. Thermochromie ist eine von mehreren Arten von Chromismus .

Organisches Material

Demonstration des Phänomens der kontinuierlichen Thermochromie.
Demonstration des Phänomens der diskontinuierlichen Thermochromie.
Video vom Eingießen von heißem Wasser in einen Becher mit thermochromer Beschichtung und dem anschließenden Farbwechsel

Thermochromatische Flüssigkristalle

Die beiden gängigen Ansätze basieren auf Flüssigkristallen und Leukofarbstoffen . Flüssigkristalle werden in Präzisionsanwendungen verwendet, da ihre Reaktionen auf genaue Temperaturen eingestellt werden können, ihr Farbbereich jedoch durch ihr Funktionsprinzip begrenzt ist. Leukofarbstoffe ermöglichen die Verwendung einer breiteren Palette von Farben, aber ihre Ansprechtemperaturen sind schwieriger genau einzustellen.

Einige Flüssigkristalle sind in der Lage, bei unterschiedlichen Temperaturen unterschiedliche Farben anzuzeigen. Diese Änderung ist abhängig von der selektiven Reflexion bestimmter Wellenlängen durch die kristalline Struktur des Materials, da diese zwischen der kristallinen Phase bei niedriger Temperatur über die anisotrope chirale oder verdrillt nematische Phase zur isotropen flüssigen Phase bei hoher Temperatur wechselt . Nur die nematische Mesophase hat thermochrome Eigenschaften; dies schränkt den effektiven Temperaturbereich des Materials ein.

In der verdrillten nematischen Phase sind die Moleküle in Schichten mit regelmäßig wechselnder Orientierung ausgerichtet, was ihnen einen periodischen Abstand verleiht. An diesen Schichten erfährt das durch den Kristall tretende Licht eine Bragg-Beugung und die Wellenlänge mit der größten konstruktiven Interferenz wird zurückreflektiert, was als Spektralfarbe wahrgenommen wird. Eine Änderung der Kristalltemperatur kann zu einer Änderung des Abstands zwischen den Schichten und damit der reflektierten Wellenlänge führen. Die Farbe des thermochromen Flüssigkristalls kann daher je nach Temperatur stufenlos von entspiegelt (schwarz) über die Spektralfarben bis wieder schwarz reichen . Typischerweise reflektiert der Hochtemperaturzustand blau-violett, während der niedrige Temperaturzustand rot-orange reflektiert. Da Blau eine kürzere Wellenlänge als Rot hat, deutet dies darauf hin, dass der Schichtabstand durch Erhitzen durch den Flüssigkristallzustand verringert wird.

Einige dieser Materialien sind Cholesterylnonanoat oder Cyanobiphenyle.

Mischungen mit einer Temperaturspanne von 3–5 °C und Bereichen von ungefähr 17–23  °C bis ungefähr 37–40 °C können aus unterschiedlichen Anteilen von Cholesteryloleylcarbonat , Cholesterylnonanoat und Cholesterylbenzoat zusammengesetzt werden . Zum Beispiel ergibt das Massenverhältnis von 65:25:10 einen Bereich von 17–23 °C und 30:60:10 einen Bereich von 37–40 °C.

Flüssigkristalle, die in Farbstoffen und Tinten verwendet werden, werden oft in Form einer Suspension mikroverkapselt.

Flüssigkristalle werden in Anwendungen verwendet, bei denen der Farbwechsel genau definiert werden muss. Sie finden Anwendung in Thermometern für Zimmer, Kühlschränke, Aquarien und medizinische Zwecke sowie in Anzeigern des Propanpegels in Tanks. Eine beliebte Anwendung für thermochrome Flüssigkristalle sind die Stimmungsringe .

Flüssigkristalle sind schwierig zu verarbeiten und erfordern eine spezielle Druckausrüstung. Auch das Material selbst ist in der Regel teurer als alternative Technologien. Hohe Temperaturen, ultraviolette Strahlung, einige Chemikalien und/oder Lösungsmittel wirken sich negativ auf ihre Lebensdauer aus.

Leukofarbstoffe

Hauptartikel: Leukofarbstoff
Beispiel für ein thermochromes T-Shirt. Ein Fön wurde verwendet, um das Blau in Türkis zu ändern.
Ein weiteres Beispiel für ein thermochromes T-Shirt.

Thermochrome Farbstoffe basieren auf Mischungen von Leukofarbstoffen mit anderen geeigneten Chemikalien, die einen temperaturabhängigen Farbumschlag (meist zwischen der farblosen Leukoform und der farbigen Form) zeigen. Die Farbstoffe werden selten direkt auf Materialien aufgetragen; sie liegen normalerweise in Form von Mikrokapseln vor, in denen die Mischung versiegelt ist. Ein anschauliches Beispiel ist die Hypercolor- Mode, bei der Mikrokapseln mit Kristallviolett-Lacton , schwacher Säure und einem in Dodecanol gelösten dissoziierbaren Salz auf den Stoff aufgebracht werden; Wenn das Lösungsmittel fest ist, liegt der Farbstoff in seiner Lacton-Leuko-Form vor, während das Salz beim Schmelzen des Lösungsmittels dissoziiert, der pH-Wert in der Mikrokapsel sinkt, der Farbstoff protoniert wird, sich sein Lactonring öffnet und sich sein Absorptionsspektrum drastisch verschiebt es wird tief violett. In diesem Fall ist die scheinbare Thermochromie tatsächlich Halochromie .

Die am häufigsten verwendeten Farbstoffe sind Spirolactone , Fluorane , Spiropyrane und Fulgide. Die Säuren umfassen Bisphenol A , Parabene , 1,2,3-Triazol- Derivate und 4-Hydroxycumarin und wirken als Protonendonatoren, indem sie das Farbstoffmolekül zwischen seiner Leukoform und seiner protonierten farbigen Form verändern; stärkere Säuren würden die Veränderung irreversibel machen.

Leukofarbstoffe haben ein weniger genaues Temperaturverhalten als Flüssigkristalle. Sie eignen sich für allgemeine Indikatoren der ungefähren Temperatur ("zu kühl", "zu heiß", "ungefähr in Ordnung") oder für verschiedene Neuheiten. Sie werden gewöhnlich in Kombination mit einem anderen Pigment verwendet, wodurch eine Farbänderung zwischen der Farbe des Grundpigments und der Farbe des Pigments in Kombination mit der Farbe der Nichtleukoform des Leukofarbstoffs erzeugt wird. Organische Leukofarbstoffe sind für Temperaturbereiche zwischen etwa -5 °C (23 °F) und 60 °C (140 °F) in einem breiten Farbspektrum erhältlich. Der Farbwechsel erfolgt normalerweise in einem Intervall von 3 °C (5,4 °F).

Leukofarbstoffe werden in Anwendungen verwendet, bei denen die Genauigkeit des Temperaturverhaltens nicht kritisch ist: zB Neuheiten, Badespielzeug, Flugscheiben und ungefähre Temperaturindikatoren für mikrowellenerhitzte Lebensmittel. Die Mikroverkapselung ermöglicht ihren Einsatz in einer Vielzahl von Materialien und Produkten. Die Größe der Mikrokapseln liegt normalerweise zwischen 3 und 5 µm (über 10 Mal größer als normale Pigmentpartikel), was einige Anpassungen an Druck- und Herstellungsprozessen erfordert.

Eine Anwendung von Leukofarbstoffen findet sich in den Duracell- Batteriezustandsanzeigen. Auf einem Widerstandsstreifen wird eine Leukofarbstoffschicht aufgetragen, um die Erwärmung anzuzeigen und so die Stromstärke zu messen, die die Batterie liefern kann. Der Streifen ist dreieckig, ändert seinen Widerstand entlang seiner Länge und erwärmt somit ein proportional langes Segment mit der durch ihn fließenden Strommenge. Die Länge des Segments oberhalb der Schwellentemperatur für den Leukofarbstoff wird dann gefärbt.

Die Exposition gegenüber ultravioletter Strahlung, Lösungsmitteln und hohen Temperaturen verkürzt die Lebensdauer von Leukofarbstoffen. Temperaturen über etwa 200–230 °C (392–446 °F) verursachen typischerweise irreversible Schäden an Leukofarbstoffen; eine zeitbegrenzte Aussetzung einiger Typen bei etwa 250 °C (482 °F) ist während der Herstellung zulässig.

Thermochrome Farben verwenden Flüssigkristalle oder Leukofarbstofftechnologie . Nach Aufnahme einer bestimmten Licht- oder Wärmemenge ändert sich die Kristall- oder Molekülstruktur des Pigments reversibel, so dass es Licht einer anderen Wellenlänge als bei niedrigeren Temperaturen absorbiert und emittiert. Thermochrome Farben werden häufig als Beschichtung auf Kaffeebechern gesehen, wobei, sobald heißer Kaffee in die Tassen gegossen wird, die thermochrome Farbe die Wärme aufnimmt und farbig oder transparent wird, wodurch das Aussehen des Bechers verändert wird. Diese sind als Zauberbecher oder Thermobecher bekannt. Ein weiteres häufiges Beispiel ist die Verwendung von Leuko-Farbstoff in Löffeln, die in Eisdielen und Frozen-Joghurt-Läden verwendet werden. Einmal in die kalten Desserts getaucht, scheint ein Teil des Löffels seine Farbe zu ändern.

Papiere

Thermochrome Papiere werden für Thermodrucker verwendet . Ein Beispiel ist das mit der Feststoffmischung eines Fluoranfarbstoffs mit Octadecylphosphonsäure imprägnierte Papier . Diese Mischung ist in fester Phase stabil; beim Schmelzen der Octadecylphosphonsäure geht der Farbstoff jedoch in der flüssigen Phase eine chemische Reaktion ein und nimmt die protonierte farbige Form an. Dieser Zustand bleibt dann erhalten, wenn die Matrix wieder erstarrt, wenn der Abkühlprozess schnell genug ist. Da die Leukoform bei niedrigeren Temperaturen und fester Phase stabiler ist, verblassen die Aufzeichnungen auf thermochromen Papieren über Jahre langsam.

Polymere

Thermochromie kann in Thermoplasten, Duroplasten, Gelen oder anderen Beschichtungen auftreten. Das Polymer selbst, ein eingebettetes thermochromes Additiv oder eine hochgeordnete Struktur, die durch die Wechselwirkung des Polymers mit einem eingebauten nicht thermochromen Additiv aufgebaut wird, kann der Ursprung des thermochromen Effekts sein. Darüber hinaus kann der thermochrome Effekt aus physikalischer Sicht vielfältig sein. Es kann also von Änderungen der Lichtreflexion , Absorption und/oder Streueigenschaften mit der Temperatur kommen. Die Anwendung thermochromer Polymere für den adaptiven Sonnenschutz ist von großem Interesse. Eine Function-by-Design-Strategie, die zB für die Entwicklung ungiftiger thermochromer Polymere angewendet wird, ist im letzten Jahrzehnt in den Fokus gerückt.

Tinten

Hauptartikel: Thermochrome Tinte

Thermochromischen Tinten oder Farbstoffe sind temperaturempfindliche Verbindungen , in den 1970er Jahren entwickelt, die vorübergehend ändern Farbe unter Einwirkung von Wärme . Es gibt zwei Formen, Flüssigkristalle und Leukofarbstoffe . Leukofarbstoffe sind einfacher zu verarbeiten und ermöglichen ein breiteres Anwendungsspektrum. Zu diesen Anwendungen gehören: Flachthermometer , Batterietester , Kleidung und die Anzeige von Ahornsirupflaschen , die ihre Farbe ändern, wenn der Sirup warm ist. Die Thermometer werden häufig im Außenbereich von Aquarien oder zur Messung der Körpertemperatur über die Stirn verwendet . Coors Light verwendet jetzt thermochrome Tinte auf seinen Dosen, die von Weiß zu Blau wechselt, um anzuzeigen, dass die Dose kalt ist.

Anorganische Materialien

Praktisch alle anorganischen Verbindungen sind bis zu einem gewissen Grad thermochrom. Die meisten Beispiele beinhalten jedoch nur subtile Farbänderungen. Beispielsweise sind Titandioxid , Zinksulfid und Zinkoxid bei Raumtemperatur weiß, verfärben sich jedoch beim Erhitzen gelb. Ähnlich ist Indium(III)-oxid gelb und verdunkelt sich beim Erhitzen zu gelbbraun. Blei(II)-oxid zeigt beim Erhitzen eine ähnliche Farbänderung. Die Farbänderung ist mit Änderungen der elektronischen Eigenschaften (Energieniveaus, Populationen) dieser Materialien verbunden.

Dramatischere Beispiele für Thermochromie finden sich in Materialien, die einen Phasenübergang durchlaufen oder Charge-Transfer-Banden in der Nähe des sichtbaren Bereichs aufweisen. Beispiele beinhalten

  • Kupfer(I)-Quecksilberiodid (Cu 2 [HgI 4 ]) durchläuft bei 67 °C einen Phasenübergang , der sich reversibel von einem hellroten Feststoff bei niedriger Temperatur zu einem dunkelbraunen Feststoff bei hoher Temperatur mit dazwischenliegenden rotvioletten Zuständen ändert. Die Farben sind intensiv und scheinen durch Cu(I)-Hg(II) -Charge-Transfer-Komplexe verursacht zu werden .
  • Silberquecksilberjodid (Ag 2 [HgI 4 ]) ist bei niedrigen Temperaturen gelb und über 47–51 °C orange, mit gelb-orangefarbenen Zwischenzuständen. Die Farben sind intensiv und scheinen durch Ag(I)-Hg(II) -Charge-Transfer-Komplexe verursacht zu werden .
  • Quecksilber(II)-iodid ist ein kristallines Material, das bei 126 °C einen reversiblen Phasenübergang von der roten Alpha-Phase zur blassgelben Beta-Phase durchläuft .
  • Bis(dimethylammonium)tetrachloronickelat (II) ([(CH 3 ) 2 NH 2 ] 2 NiCl 4 ) ist eine himbeerrote Verbindung, die bei ca. 110 °C blau wird. Beim Abkühlen wird die Verbindung zu einer hellgelben metastabilen Phase, die über 2–3 Wochen wieder in das ursprüngliche Rot übergeht. Viele andere Tetrachlornickelate sind ebenfalls thermochrom.
  • Bis(diethylammonium)tetrachlorocuprat (II) ([(CH 3 CH 2 ) 2 NH 2 ] 2 CuCl 4 ) ist ein hellgrüner Feststoff, der sich bei 52–53 °C reversibel in gelb verfärbt. Die Farbänderung wird durch Relaxation der Wasserstoffbrücken und anschließende Änderung der Geometrie des Kupfer-Chlor-Komplexes von planar zu deformiert tetraedrisch mit entsprechender Änderung der Anordnung der d-Orbitale des Kupferatoms verursacht. Es gibt kein stabiles Zwischenprodukt, die Kristalle sind entweder grün oder gelb.
  • Chrom(III)-oxid : Aluminium(III)-oxid im Verhältnis 1:9 ist bei Raumtemperatur rot und bei 400 °C grau, aufgrund von Veränderungen im Kristallfeld .
  • Vanadiumdioxid wurde zur Verwendung als "spektralselektive" Fensterbeschichtung untersucht, um die Infrarotübertragung zu blockieren und den Verlust von Gebäudeinnenwärme durch Fenster zu reduzieren. Dieses Material verhält sich bei niedrigeren Temperaturen wie ein Halbleiter , was eine höhere Transmission ermöglicht, und wie ein Leiter bei höheren Temperaturen, wodurch ein viel höheres Reflexionsvermögen bereitgestellt wird . Der Phasenwechsel zwischen transparenter halbleitender und reflektierender leitender Phase erfolgt bei 68 °C; eine Dotierung des Materials mit 1,9% Wolfram senkt die Übergangstemperatur auf 29 °C.

Andere thermochrome feste Halbleitermaterialien umfassen

  • 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, ein  =  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).

Einige Mineralien sind auch thermochrom; einige beispielsweise Chrom -reichen pyropes , normalerweise rötlich-purpurn, grün werden, wenn etwa 80 ° C erhitzt , um.

Irreversible anorganische Thermochrome

Manche Materialien verändern ihre Farbe irreversibel. Diese können zB zur Laserbeschriftung von Materialien verwendet werden.

  • Kupfer(I)jodid ist ein festes blassbraunes Material, das sich bei 60-62 °C in eine orange Farbe umwandelt.
  • Ammoniummetavanadat ist ein weißes Material, das bei 150 °C braun und bei 170 °C schwarz wird.
  • Manganviolett (Mn(NH 4 ) 2 P 2 O 7 ) ist ein violettes Material, ein beliebtes Violettpigment, das bei 400 °C weiß wird.

Verweise