Термохромизм - Thermochromism

Кольцо настроения показано на лицевой стороне лица, показывая полосу изменения зеленого цвета на коричневом фоне.

Термохромизм является собственностью вещества изменить цвет в связи с изменением температура. А кольцо настроения является прекрасным примером этого явления, но термохромизм также имеет более практическое применение, например, детские бутылочки, которые меняют цвет, когда они достаточно остынуты для питья, или чайники, которые меняют цвет, когда вода достигает точки кипения или около нее. Термохромизм - это один из нескольких типов хромизм.

Органические материалы

Демонстрация явления непрерывного термохромизма.
Демонстрация явления прерывистого термохромизма.
Видео налива горячей воды в кружку с термохромным покрытием и последующего изменения цвета

Термохроматические жидкие кристаллы

Два общих подхода основаны на жидкие кристаллы и лейкокрасители. Жидкие кристаллы используются в прецизионных приложениях, поскольку их характеристики могут быть рассчитаны на точные температуры, но их цветовой диапазон ограничен принципом действия. Красители Leuco позволяют использовать более широкий диапазон цветов, но их температуру реакции сложнее установить с точностью.

Некоторые жидкие кристаллы способны отображать разные цвета при разных температурах. Это изменение зависит от избирательного отражения определенных длин волн кристаллической структурой материала, поскольку она изменяется между низкотемпературной кристаллической фазой через анизотропный хиральный или скрученный нематический фаза, к высокотемпературной изотропный жидкая фаза. Только нематическая мезофаза обладает термохромными свойствами; это ограничивает эффективный температурный диапазон материала.

Закрученная нематическая фаза имеет молекулы, ориентированные слоями с регулярно изменяющейся ориентацией, что дает им периодическое расстояние. Свет, проходящий через кристалл, претерпевает Брэгговская дифракция на этих слоях, и длина волны с наибольшим конструктивным вмешательство отражается обратно, что воспринимается как спектральный цвет. Изменение температуры кристалла может привести к изменению расстояния между слоями и, следовательно, длины отраженной волны. Поэтому цвет термохромного жидкого кристалла может постоянно варьироваться от неотражающего (черного) до спектральные цвета снова стать черным, в зависимости от температуры. Обычно в высокотемпературном состоянии отражается сине-фиолетовый цвет, а в низкотемпературном состоянии - красно-оранжевый. Поскольку синий цвет имеет более короткую длину волны, чем красный, это означает, что расстояние между слоями уменьшается из-за нагрева через жидкокристаллическое состояние.

Некоторые из таких материалов холестерил нонаноат или цианобифенилы.

Смеси с диапазоном температур 3–5 ° C и диапазоном примерно 17–23 От ° C до примерно 37–40 ° C может состоять из различных пропорций холестерил олеилкарбонат, холестерил нонаноат, и холестерилбензоат. Например, массовое соотношение 65:25:10 дает диапазон 17–23 ° C, а 30:60:10 дает диапазон 37–40 ° C.[1]

Жидкие кристаллы, используемые в красителях и чернилах, часто бывают микрокапсулированными в виде суспензии.

Жидкие кристаллы используются в приложениях, где необходимо точно определять изменение цвета. Они находят применение в комнатных термометрах, холодильниках, аквариумах и медицине, а также в индикаторах уровня пропана в резервуарах. Популярным применением термохромных жидких кристаллов являются кольца настроения.

С жидкими кристаллами сложно работать, и для них требуется специальное печатное оборудование. Сам материал также обычно дороже, чем альтернативные технологии. Высокие температуры, ультрафиолетовое излучение, некоторые химические вещества и / или растворители отрицательно влияют на срок их службы.

Лейкокрасители

Основная статья: Лейкокраситель
Пример термохромной футболки. С помощью фена изменили синий цвет на бирюзовый.
Еще один пример термохромной футболки.

Термохромные красители основаны на смесях лейкокрасителей с другими подходящими химическими веществами, демонстрируя изменение цвета (обычно между бесцветной лейкокрасочной формой и окрашенной формой) в зависимости от температуры. Красители редко наносятся непосредственно на материалы; они обычно имеют форму микрокапсулы со смесью, запечатанной внутри. Наглядным примером является Гиперцвет мода, где микрокапсулы с кристаллический фиолетовый лактон, слабая кислота, и диссоциируемая соль, растворенная в додеканол наносятся на ткань; когда растворитель твердый, краситель существует в своей лактоново-лейко-форме, тогда как когда растворитель плавится, соль диссоциирует, pH внутри микрокапсулы понижается, краситель становится протонированным, его лактоновое кольцо открывается, и его спектр поглощения резко смещается, поэтому он становится темно-фиолетовым. В этом случае кажущийся термохромизм на самом деле галохромизм.

Наиболее часто используемые красители: спиролактоны, флуоресцентные лампы, спиропираны, и фульгиды. Кислоты включают бисфенол А, парабены, 1,2,3-триазол производные, и 4-гидроксикумарин и действуют как доноры протонов, изменяя молекулу красителя между лейкоформой и протонированной окрашенной формой; более сильные кислоты сделают изменение необратимым.

Лейкокрасители имеют менее точный температурный отклик, чем жидкие кристаллы. Они подходят для общих индикаторов примерной температуры («слишком круто», «слишком жарко», «примерно нормально») или для различных новинок. Обычно они используются в сочетании с каким-либо другим пигментом, что приводит к изменению цвета между цветом основного пигмента и цветом пигмента в сочетании с цветом нелейко-формы лейкокрасителя. Органические лейкокрасители доступны для диапазона температур от -5 ° C (23 ° F) до 60 ° C (140 ° F) в широком диапазоне цветов. Изменение цвета обычно происходит с интервалом 3 ° C (5,4 ° F).

Красители Leuco используются там, где точность температурного отклика не критична: например, новинки, игрушки для ванны, летающие диски, а также приблизительные показатели температуры продуктов, приготовленных в микроволновой печи. Микрокапсулирование позволяет использовать их в широком спектре материалов и продуктов. Размер микрокапсул обычно составляет от 3 до 5 мкм (более чем в 10 раз больше, чем у обычных частиц пигмента), что требует некоторых корректировок в процессах печати и производства.

Применение лейкокрасителей в Duracell индикаторы состояния батареи. Слой лейкокрасителя наносится на резистивную полоску, чтобы указать на ее нагрев, таким образом измеряя величину тока, которую может подавать батарея. Полоса имеет треугольную форму, меняя свое сопротивление по длине, поэтому пропорционально протяженный сегмент нагревается силой тока, протекающего через него. Затем длина сегмента выше пороговой температуры для лейкокрасителя становится окрашенной.

Воздействие ультрафиолетового излучения, растворителей и высоких температур сокращает срок службы лейкокрасителей. Температуры выше примерно 200–230 ° C (392–446 ° F) обычно вызывают необратимое повреждение лейкокрасителей; во время производства допускается ограниченное по времени воздействие температуры около 250 ° C (482 ° F) на некоторые типы.

Использование термохромных красок жидкие кристаллы или лейкокраситель технологии. После поглощения определенного количества света или тепла кристаллическая или молекулярная структура пигмента обратимо изменяется таким образом, что он поглощает и излучает свет с другой длиной волны, чем при более низких температурах. Термохромные краски довольно часто используются в качестве покрытия на кофейных кружках, когда горячий кофе наливается в кружки, термохромная краска поглощает тепло и становится окрашенной или окрашенной. прозрачный, поэтому меняет внешний вид кружки. Они известны как волшебные кружки или кружки, меняющие тепло.

Статьи

Термохромная бумага используется для термопринтеры. Одним из примеров является бумага, пропитанная твердой смесью флуоран красить с октадецилфосфоновая кислота. Эта смесь устойчива в твердой фазе; однако при плавлении октадецилфосфоновой кислоты краситель вступает в химическую реакцию в жидкой фазе и принимает протонированную окрашенную форму. Это состояние затем сохраняется, когда матрица снова затвердевает, если процесс охлаждения проходит достаточно быстро. Поскольку лейкоформа более устойчива при более низких температурах и в твердой фазе, записи на термохромной бумаге с годами постепенно тускнеют.

Полимеры

Термохромизм может проявляться в термопластах, дуропластах, гелях или любых покрытиях. Сам полимер, встроенная термохромная добавка или высокоупорядоченная структура, образованная взаимодействием полимера с введенной нетермохромной добавкой, могут быть источником термохромного эффекта. Кроме того, с физической точки зрения происхождение термохромного эффекта может быть разнообразным. Таким образом, это может происходить из-за изменения свойств отражения, поглощения и / или рассеяния света с температурой.[2] Большой интерес представляет применение термохромных полимеров для адаптивной защиты от солнца.[3] Функция по стратегии дизайна,[4] например применение для разработки нетоксичных термохромных полимеров стало предметом пристального внимания в последнее десятилетие.[5]

Чернила

Основная статья: Термохромные чернила

Термохромные чернила или красители чувствительны к температуре соединения, разработанные в 1970-х годах, которые временно меняют цвет с воздействием высокая температура. Они бывают двух видов: жидкие кристаллы и лейкокрасители. С красителями Leuco проще работать, и они позволяют использовать их в более широком диапазоне. Эти приложения включают: плоские термометры, тестеры аккумуляторов, одежда и индикатор на бутылках кленовый сироп которые меняют цвет, когда сироп Теплый. Термометры часто используются на внешней стороне аквариумы, или получить температура тела через лоб. Coors Light теперь использует термохромные чернила на своих банках, которые меняют цвет с белого на синий, что означает, что банка остыла.

Неорганические материалы

Практически все неорганические соединения в той или иной степени термохромны. Однако в большинстве примеров изменения цвета незначительны. Например, оксид титана, сульфид цинка и оксид цинка при комнатной температуре белые, но при нагревании становятся желтыми. так же оксид индия (III) желтый, при нагревании темнеет до желто-коричневого. Оксид свинца (II) показывает аналогичное изменение цвета при нагревании. Изменение цвета связано с изменениями электронных свойств (уровней энергии, населения) этих материалов.

Более яркие примеры термохромизма можно найти в материалах, которые фаза перехода или демонстрируют полосы переноса заряда в видимой области. Примеры включают

  • Йодид медной ртути (Cu2[HgI4]) подвергается фаза перехода при 67 ° C, обратимо превращаясь из ярко-красного твердого вещества при низкой температуре в темно-коричневое твердое вещество при высокой температуре с промежуточными красно-пурпурными состояниями. Цвета интенсивные и, кажется, вызваны Cu (I) -Hg (II) комплексы с переносом заряда.[6]
  • Иодид серебра ртути (Ag2[HgI4]) желтый при низких температурах и оранжевый выше 47–51 ° C с промежуточными желто-оранжевыми состояниями. Цвета интенсивные и, кажется, вызваны Ag (I) -Hg (II) комплексы с переносом заряда.[6]
  • Иодид ртути (II) представляет собой кристаллический материал, который при 126 ° C подвергается обратимой фаза перехода от красной альфа-фазы до бледно-желтой бета-фазы.
  • Бис (диметиламмоний) тетрахлороникелат (II) ([(CH3)2NH2]2NiCl4) представляет собой соединение малиново-красного цвета, которое становится синим при температуре около 110 ° C. При охлаждении соединение превращается в метастабильную фазу светло-желтого цвета, которая в течение 2–3 недель снова становится красной.[7] Многие другие тетрахлороникелаты также являются термохромными.
  • Бис (диэтиламмоний) тетрахлоркупрат (II) ([(CH3CH2)2NH2]2CuCl4) представляет собой твердое вещество ярко-зеленого цвета, которое при 52–53 ° C обратимо меняет цвет на желтый. Изменение цвета вызвано релаксацией водородных связей и последующим изменением геометрии комплекса медь-хлор с плоского на деформированный тетраэдрический с соответствующим изменением расположения d-орбиталей атома меди. Стабильного интермедиата нет, кристаллы либо зеленые, либо желтые.[6]
  • Оксид хрома (III):оксид алюминия (III) в соотношении 1: 9 красный при комнатной температуре и серый при 400 ° C из-за изменения его кристаллическое поле.[8]
  • Диоксид ванадия был исследован для использования в качестве "спектрально-селективного" оконного покрытия для блокировки инфракрасный передача и снижение потерь тепла внутри здания через окна. Этот материал ведет себя как полупроводник при более низких температурах, обеспечивая большую передачу, и, как проводник при более высоких температурах, обеспечивая гораздо большую отражательная способность.[9][10] Фазовый переход между прозрачной полупроводящей и отражающей проводящей фазой происходит при 68 ° C; легирование материала 1,9% вольфрам снижает температуру перехода до 29 ° C.

Другие термохромные твердые полупроводниковые материалы включают:

  • Компакт дискИксZn1-хSуSe1-й (Икс = 0,5–1, г = 0.5–1),
  • ZnИксКомпакт дискуHg1-х-уОаSбSecTe1-а-б-с (Икс = 0–0,5, г = 0,5–1, а = 0–0,5, б = 0,5–1, в = 0–0.5),
  • HgИксКомпакт дискуZn1-х-уSбSe1 − b (x = 0–1, y = 0–1, b = 0,5–1).[11]

Некоторые минералы также являются термохромными; например некоторые хром -богатые пиропы обычно красновато-пурпурные, становятся зелеными при нагревании примерно до 80 ° C.[12]

Необратимые неорганические термохромы

Некоторые материалы необратимо меняют цвет. Их можно использовать, например, для лазерная маркировка материалов.[13]

  • Иодид меди (I) представляет собой твердое вещество бледно-коричневого цвета, переходящее при 60-62 ° C в оранжевый цвет.[14]
  • Метаванадат аммония представляет собой белый материал, переходящий в коричневый цвет при 150 ° C и затем в черный при 170 ° C.[14]
  • Марганцево-фиолетовый (Mn (NH4)2п2О7) представляет собой фиолетовый материал, популярный фиолетовый пигмент, переходящий в белый цвет при 400 ° C.[14]

использованная литература

  1. ^ http://education.mrsec.wisc.edu/274.htm
  2. ^ Зеебот, Арно и Лёцш, Детлеф (2014) Термохромные и термотропные материалы, Pan Stanford Publishing Pte.Ltd., Сингапур, ISBN  9789814411035
  3. ^ Seeboth, A .; Ruhmann, R .; Мюлинг, О. (2010). «Термотропные и термохромные полимерные материалы для адаптивного солнечного контроля». Материалы. 3 (12): 5143. Bibcode:2010 Mate .... 3.5143S. Дои:10.3390 / ma3125143. ЧВК  5445809. PMID  28883374.
  4. ^ Seeboth, A .; Lötzsch, D .; Ruhmann, R .; Мюлинг, О. (2014). «Термохромные полимеры - функция по замыслу». Химические обзоры. 114 (5): 3037. Дои:10.1021 / cr400462e. PMID  24479772.
  5. ^ Seeboth, A .; Lötzsch, D .; Рухманн, Р. (2013). «Первый пример нетоксичного термохромного полимерного материала - на основе нового механизма». Журнал химии материалов C. 1 (16): 2811. Дои:10.1039 / C3TC30094C.
  6. ^ а б c Амбергер, Брент и Савджи, Назир (2008). «Термохромизм соединений переходных металлов». Амхерст Колледж. Архивировано из оригинал 31 мая 2009 г.
  7. ^ Буклески, Миха; Петрушевский, Владимир М. (2009). «Получение и свойства впечатляющего термохромного твердого вещества». Журнал химического образования. 86: 30. Bibcode:2009JChEd..86 ... 30B. Дои:10.1021 / ed086p30.
  8. ^ Бэмфилд, Питер и Хатчингс, Майкл Г. (2010). Хромные явления: технологические применения химии цвета. Королевское химическое общество. С. 48–. ISBN  978-1-84755-868-8.
  9. ^ «Золь-гель оксид ванадия». Solgel.com. Получено 2010-07-12.
  10. ^ «Интеллектуальные оконные покрытия, пропускающие свет, но не пропускающие тепло - новость». Azom.com. Получено 2010-07-12.
  11. ^ Кронберг; Джеймс У. (1996) "Оптический индикатор температуры с использованием термохромных полупроводников" Патент США 5,499,597
  12. ^ «Термохромные гранаты». Minerals.gps.caltech.edu. Получено 2010-07-12.
  13. ^ https://patents.google.com/patent/US4861620
  14. ^ а б c https://books.google.com/books?id=ct7MBQAAQBAJ&pg=PA41&lpg=PA41&dq=inorganic+thermochromic&source=bl&ots=YqTel6OlgK&sig=7OYnJEKjVC-CLaptvQTyfdy_gNk&hl=en&sa=X&ved=0ahUKEwiRrfrGyrXcAhWGECwKHa_SDrA4ChDoAQhSMAc#v=onepage&q=inorganic%20thermochromic&f=false