Termocromismo

Termocromismo es la propiedad que tienen las sustancias de cambiar de color debido a un cambio de temperatura. Un anillo de humor es un excelente ejemplo de este fenómeno, pero el termocromismo también tiene usos más prácticos, como biberones que cambian a un color diferente cuando están lo suficientemente fríos para beber, o teteras que cambian de color cuando el agua está en el punto de ebullición o cerca de él. El termocromismo es uno de varios tipos de cromismo.

Materiales orgánicos

Cristales líquidos termocromáticos

Los dos enfoques comunes se basan en cristales líquidos y colorantes leuco. Los cristales líquidos se utilizan en aplicaciones de precisión, ya que sus respuestas pueden diseñarse para temperaturas precisas, pero su gama de colores está limitada por su principio de funcionamiento. Los tintes Leuco permiten utilizar una gama más amplia de colores, pero sus temperaturas de respuesta son más difíciles de ajustar con precisión.

Algunos cristales líquidos son capaces de mostrar diferentes colores a diferentes temperaturas. Este cambio depende de la reflexión selectiva de ciertas longitudes de onda por parte de la estructura cristalina del material, ya que cambia entre la fase cristalina de baja temperatura, pasando por la fase quiral anisotrópica o nemática retorcida, hasta la fase líquida isotrópica de alta temperatura. Sólo la mesofase nemática tiene propiedades termocrómicas; esto restringe el rango de temperatura efectivo del material.

La fase nemática retorcida tiene las moléculas orientadas en capas con una orientación que cambia regularmente, lo que les da un espaciado periódico. La luz que atraviesa el cristal sufre difracción de Bragg en estas capas y la longitud de onda con mayor interferencia constructiva se refleja de regreso, lo que se percibe como un color espectral. Un cambio en la temperatura del cristal puede provocar un cambio en el espaciado entre las capas y, por tanto, en la longitud de onda reflejada. Por lo tanto, el color del cristal líquido termocrómico puede variar continuamente, dependiendo de la temperatura, desde el color no reflectante (negro), pasando por los colores espectrales, hasta volver a ser negro. Normalmente, el estado de alta temperatura reflejará azul violeta, mientras que el estado de baja temperatura reflejará rojo anaranjado. Dado que el azul tiene una longitud de onda más corta que el rojo, esto indica que la distancia de separación de las capas se reduce al calentar a través del estado de cristal líquido.

Algunos de estos materiales son nonanoato de colesterilo o cianobifenilos.

Las mezclas con un rango de temperaturas de 3 a 5 °C y rangos de aproximadamente 17 a 23 °C a aproximadamente 37 a 40 °C pueden estar compuestas de proporciones variables de carbonato de colesterilo oleilo, nonanoato de colesterilo y benzoato de colesterilo. Por ejemplo, la relación de masa de 65:25:10 produce un rango de 17 a 23 °C, y 30:60:10 produce un rango de 37 a 40 °C.

Los cristales líquidos utilizados en tintes y tintas suelen venir microencapsulados, en forma de suspensión.

Los cristales líquidos se utilizan en aplicaciones donde el cambio de color debe definirse con precisión. Encuentran aplicaciones en termómetros para habitación, refrigerador, acuario y uso médico, y en indicadores de nivel de propano en tanques. Una aplicación popular de los cristales líquidos termocrómicos son los anillos de humor.

Es difícil trabajar con cristales líquidos y requieren equipos de impresión especializados. El material en sí también suele ser más caro que las tecnologías alternativas. Las altas temperaturas, la radiación ultravioleta, algunos productos químicos y/o disolventes tienen un impacto negativo en su vida útil.

Tintes Leuco

Los tintes termocrómicos se basan en mezclas de tintes leuco con otros químicos adecuados, mostrando un cambio de color (generalmente entre la forma leuco incolora y la forma coloreada) que depende de la temperatura. Los tintes rara vez se aplican directamente sobre los materiales; Suelen tener forma de microcápsulas con la mezcla sellada en su interior. Un ejemplo ilustrativo es el modelo Hypercolor, donde se aplican sobre la tela microcápsulas con lactona cristal violeta, ácido débil y una sal disociable disuelta en dodecanol. Cuando el solvente es sólido, el tinte existe en su forma lactona leuco, mientras que cuando el solvente se funde, la sal se disocia, el pH dentro de la microcápsula disminuye, el tinte se protona, su anillo de lactona se abre y su espectro de absorción cambia drásticamente, por lo tanto. se vuelve profundamente violeta. En este caso el aparente termocromismo es en realidad halocromismo.

Los colorantes más utilizados son las espirolactonas, los fluoranos, los espiropiranos y los fulgidos. Los ácidos incluyen bisfenol A, parabenos, derivados de 1,2,3-triazol y 4-hidroxicumarina y actúan como donantes de protones, cambiando la molécula de tinte entre su forma leuco y su forma coloreada protonada; Los ácidos más fuertes harían que el cambio fuera irreversible.

Los tintes Leuco tienen una respuesta de temperatura menos precisa que los cristales líquidos. Son adecuados para indicadores generales de temperatura aproximada ("demasiado frío", "demasiado caliente", "bastante bien"), o para diversos artículos novedosos. Generalmente se usan en combinación con algún otro pigmento, produciendo un cambio de color entre el color del pigmento base y el color del pigmento combinado con el color de la forma no leuco del tinte leuco. Los tintes leuco orgánicos están disponibles para rangos de temperatura entre aproximadamente -5 °C (23 °F) y 60 °C (140 °F), en una amplia gama de colores. El cambio de color suele ocurrir en un intervalo de 3 °C (5,4 °F).

Los tintes Leuco se utilizan en aplicaciones donde la precisión de la respuesta de temperatura no es crítica: p.e. novedades, juguetes para el baño, discos voladores e indicadores aproximados de temperatura para alimentos calentados en microondas. La microencapsulación permite su uso en una amplia gama de materiales y productos. El tamaño de las microcápsulas suele oscilar entre 3 y 5 µm (más de 10 veces más grande que las partículas de pigmento normales), lo que requiere algunos ajustes en los procesos de impresión y fabricación.

Una aplicación de tintes de leuco está en los indicadores del estado de la batería de Duracell. Una capa de tinte de leuco se aplica en una tira resistiva para indicar su calefacción, lo que aumenta la cantidad de corriente que la batería puede suministrar. La tira es triangular, cambiando su resistencia a lo largo de su longitud, calentando un segmento proporcionalmente largo con la cantidad de corriente que fluye a través de ella. La longitud del segmento por encima de la temperatura del umbral para el tinte de leuco se vuelve coloreado.

La exposición a la radiación ultravioleta, disolventes y altas temperaturas reducen la vida útil de los tintes leuco. Las temperaturas superiores a aproximadamente 200 a 230 °C (392 a 446 °F) suelen causar daños irreversibles a los tintes leuco; Se permite una exposición de algunos tipos por tiempo limitado a aproximadamente 250 °C (482 °F) durante la fabricación.

Las pinturas termocrómicas utilizan cristales líquidos o tecnología de tinte leuco. Después de absorber una cierta cantidad de luz o calor, la estructura cristalina o molecular del pigmento cambia reversiblemente de tal manera que absorbe y emite luz a una longitud de onda diferente que a temperaturas más bajas. Las pinturas termocrómicas se ven con bastante frecuencia como un recubrimiento en tazas de café, donde una vez que se vierte el café caliente en las tazas, la pintura termocrómica absorbe el calor y se vuelve coloreada o transparente, cambiando así la apariencia de la taza. Se conocen como tazas mágicas o tazas que cambian de calor. Otro ejemplo común es el uso de colorante leuco en cucharas utilizadas en heladerías y tiendas de yogurt helado. Una vez sumergida en los postres fríos, parte de la cuchara parece cambiar de color.

Documentos

Los papeles termocromáticos se utilizan para impresoras térmicas. Un ejemplo es el papel impregnado con la mezcla sólida de un tinte fluorano con ácido octadecilfosfónico. Esta mezcla es estable en fase sólida; sin embargo, cuando el ácido octadecilfosfónico se funde, el tinte sufre una reacción química en la fase líquida, y asume la forma colorida protonada. Este estado se conserva cuando la matriz se solidifica de nuevo, si el proceso de refrigeración es lo suficientemente rápido. Como la forma de leuco es más estable en bajas temperaturas y fases sólidas, los registros de los papeles termocromáticos se desvanecen lentamente durante años.

Polímeros

El termocromismo puede aparecer en termoplásticos, duroplásticos, geles o cualquier tipo de revestimientos. El polímero en sí, un aditivo termocromático incrustado o una estructura ordenada alta construida por la interacción del polímero con un aditivo no termocromo incorporado puede ser el origen del efecto termocromo. Además, desde el punto de vista físico, el origen del efecto termocromático puede ser multifacético. Así puede provenir de cambios de reflejo de luz, absorción y/o propiedades dispersantes con temperatura. La aplicación de polímeros termocromáticos para la protección solar adaptativa es de gran interés. Por ejemplo, las películas polímeros con nanopartículas termocromáticas afinables, reflectantes o transparentes a la luz solar dependiendo de la temperatura, se han utilizado para crear ventanas que optimicen al clima. Una función por estrategia de diseño, por ejemplo, aplicada para el desarrollo de polímeros termocromáticos no tóxicos se ha centrado en la última década.

Tintas

Las tintas o tintes termocrómicos son compuestos sensibles a la temperatura, desarrollados en la década de 1970, que cambian temporalmente de color con la exposición al calor. Vienen en dos formas, cristales líquidos y colorantes leuco. Los tintes Leuco son más fáciles de trabajar y permiten una mayor variedad de aplicaciones. Estas aplicaciones incluyen: termómetros planos, probadores de baterías, ropa y el indicador de botellas de jarabe de arce que cambian de color cuando el jarabe está caliente. Los termómetros se utilizan a menudo en el exterior de los acuarios o para medir la temperatura corporal a través de la frente. Coors Light ahora usa tinta termocrómica en sus latas, que cambia de blanco a azul para indicar que la lata está fría.

Materiales inorgánicos

Prácticamente todos los compuestos inorgánicos son termocrómicos hasta cierto punto. Sin embargo, la mayoría de los ejemplos implican sólo cambios sutiles de color. Por ejemplo, el dióxido de titanio, el sulfuro de zinc y el óxido de zinc son blancos a temperatura ambiente, pero cuando se calientan cambian a amarillo. De manera similar, el óxido de indio (III) es amarillo y se oscurece a marrón amarillento cuando se calienta. El óxido de plomo (II) muestra un cambio de color similar al calentarlo. El cambio de color está vinculado a cambios en las propiedades electrónicas (niveles de energía, poblaciones) de estos materiales.

Se encuentran ejemplos más dramáticos de termocromismo en materiales que experimentan una transición de fase o exhiben bandas de transferencia de carga cerca de la región visible. Ejemplos incluyen

• iodida de mercurio Cuproso (Culo)₂[HgI]₄]) sufre una transición de fase a 67 °C, cambiando de forma reversible de un material sólido rojo brillante a baja temperatura a un sólido marrón oscuro a alta temperatura, con estados intermedios de púrpura roja. Los colores son intensos y parecen ser causados por complejos de carga Cu(I)–Hg(II).
• iodida de mercurio de plata (Ag₂[HgI]₄]) es amarillo a bajas temperaturas y naranja por encima de 47–51 °C, con estados intermedios amarillo-orange. Los colores son intensos y parecen ser causados por complejos de carga-transfer Ag(I)–Hg(II).
• Mercurio(II) iodida es un material cristalino que a 126 °C sufre transición de fase reversible de fase alfa roja a fase beta amarilla pálida.
• Bis(dimethylammonium) tetrachloronickelate(II) ([(CH)₃)₂NH₂]₂NiCl₄) es un compuesto rojo frambuesa, que se vuelve azul a unos 110 °C. Enfriamiento, el compuesto se convierte en una fase metaestable amarilla ligera, que más de 2 a 3 semanas se convierte en rojo original. Muchos otros tetraclorónicos también son termocromáticos.
• Bis(diethylammonium) tetraclorocuprate(II) ([(CH)₃CH₂)₂NH₂]₂CuCl₄) es un material sólido verde brillante, que a 52–53 °C cambia de color a amarillo. El cambio de color es causado por la relajación de los bonos de hidrógeno y el posterior cambio de geometría del complejo de cobre-cloro de planar a tetraedral deformado, con el cambio adecuado de disposición de los d-orbitales del átomo de cobre. No hay intermedio estable, los cristales son verdes o amarillos.
• El óxido de cromo (III) y el óxido de aluminio(III) en una relación 1:9 es rojo a temperatura ambiente y gris a 400 °C, debido a los cambios en su campo de cristal.
• El dióxido de vanadio ha sido investigado para su uso como una ventana "espectralmente selectiva" para bloquear la transmisión infrarroja y reducir la pérdida de calor interior de la construcción a través de ventanas. Este material se comporta como un semiconductor a temperaturas más bajas, permitiendo más transmisión, y como un conductor a temperaturas más altas, proporcionando una reflectividad mucho mayor. El cambio de fase entre fase conductiva semiconductiva transparente y reflectante se produce a 68 °C; dopar el material con 1,9% de tungsteno disminuye la temperatura de transición a 29 °C.

Otros materiales semiconductores sólidos termocrómicos incluyen

• Cd_xZn_{1 - 1x}S_Sí.Se_{1 - 1Sí.} ()x = 0,5 a 1, Sí. = 0,5–1),
• Zn_xCd_Sí.Hg_{1 - 1x−Sí.}O_aS_bSe_cTe_{1 - 1a−b−c} ()x = 0-0.5, Sí. = 0,5 a 1, a = 0-0.5, b = 0,5 a 1, c = 0-0.5),
• Hg_xCd_Sí.Zn_{1 - 1x−Sí.}S_bSe_{1 - 1b} ()x = 0–1, Sí. = 0–1, b = 0,5–1).

Muchos compuestos de tetraorgano­diarsina, distibina y -dibismuthine son fuertemente termocromáticos. Los cambios de color surgen porque forman cadenas de van der Waals cuando el frío, y el espaciado intermolecular es suficientemente corto para la superposición orbital. Los niveles de energía de las bandas resultantes dependen de la distancia intermolecular, que varía con la temperatura.

Algunos minerales también son termocrómicos; por ejemplo, algunos piropos ricos en cromo, normalmente de color rojizo-violáceo, se vuelven verdes cuando se calientan a unos 80 °C.

Termocromos inorgánicos irreversibles

Algunos materiales cambian de color de forma irreversible. Estos se pueden utilizar, por ej. Marcado láser de materiales.

• El iodide Copper(I) es un sólido material pálido que se transforma a 60–62 °C a color naranja.
• La metavanada de amonio es un material blanco, girando a marrón a 150 °C y luego a negro a 170 °C.
• violeta manganesa (Mn(NH)₄)₂P₂O₇) es un material violeta, un pigmento popular, girando al blanco a 400 °C.