Termokromismo

Termokromismo estas la karakterizaĵo de substancoj ŝanĝi sian koloron pro ŝanĝo en temperaturo. Emocia ringo estas bonega ekzemplo de ĉi tiu fenomeno, sed termokromismo ankaŭ havas pli praktikajn uzojn, ekz. en bebaj trinkboteloj (kiuj ŝanĝas al malsama koloro kiam ĝi estas sufiĉa malvarma por trinki) aŭ boligiloj (kiuj ŝanĝas kiam akvo estas bolanta aŭ proksime al bolanta punkto). Termokromismo estas unu el pluraj tipoj de kromismo.

• Ekzemploj de termokromaj objektoj
• 
  Emocia ringo. Notu la strion kun kolora ŝanĝo.
• 
  Ekzemplo de termokroma T-ĉemizo. Hararo-sekigilo estis uzita por ŝanĝi la bluan koloron al turkisan.
• 
  Alia ekzemplo de termokroma T-ĉemizo.

Organikaj materialoj

Elmontro de la fenomeno daŭra termokromismo.

Elmontro de la fenomeno nedaŭra termokromismo.

Video de varmega akvo verŝata en kruĉon kun termokroma tegaĵo kaj la posta kolorŝanĝiĝo

Thermokromaj likvaj kristaloj

La du oftaj metodoj baziĝis sur likvaj kristaloj kaj leŭkotinkturoj. Ĉar iuj likvaj kristaloj estas tre sensivaj al temperaturaj ŝanĝoj, ili povas utili en precizaj aplikaĵoj, sed ilia principo de agado limigas ilian koloran amplekson. Leŭkotinkturoj ebligas uzi pli vastan gamon da koloroj, sed estas pli malfacile ekzakte regi ilian temperaturon.

Iuj likvaj kristaloj kapablas vidigi diversajn kolorojn je diversaj temperaturoj. Tiu ŝanĝo dependas de selekta reflekado de specifaj ondolongoj pro la kristala strukturo de la materialo, dum ĝi ŝanĝiĝas inter la malalttemperatura kristala fazo, tra neizotropa kirala aŭ tordita fadena fazo, al la alttemperatura izotropa likva fazo. Nur la fadena mezofazo havas termokemiajn proprecojn; tio limigas la efektivan temperaturan gamon de la materialo.

En la tordita fadena fazo la molekuloj estas orientitaj en tavoloj kun regule variajn orientiĝojn, kiuj donas al ili periodajn interspacojn. La lumo trapasanta la kristalon submetiĝas al Bragg-difrakto en tiuj tavoloj, kaj la ondolongo kun la plej granda adicia interfero reflektiĝas, kiun oni perceptas kiel spektra koloro. Ŝanĝiĝo en la kristala temperaturo povas ŝanĝi la interspacon inter la tavoloj kaj tial la reflektitan koloron. Tial la koloro de la termokroma likva kristalo povas varii de nereflektanta (nigra) tra la spektraj koloroj ĝis nigra ree, depende de la temperaturo. Tipe, la alttemperatura stato reflektas bluan-violan lumon, dum la malalttemperatura stato reflektas ruĝan-oranĝan. Ĉar la blua havas malpli longan ondolongon ol la ruĝa, tio indikas, ke la distanco de la interspaco reduktiĝas per varmigo tra la likva-kristala stato. Tiaj materialoj estas kolesterila nonanoato kaj cianobifeniloj.

Miksaĵoj kun 3–5 °C etendo de temperaturoj kaj gamoj de ĉirkaŭ 17–23 °C al ĉirkaŭ 37–40 °C rezultas el diversaj proporcioj de kolesterila cis-9-oktadeken-1-ola karbonato, kolesterila nonanoato, kaj kolesterila benzoato. Ekzemple, la masa rilatumo 65:25:10 liveras la gamon 17–23 °C, kaj 30:60:10 liveras je 37–40 °C.

Likvaj kristaloj uzeblaj en tinkturoj kaj inkoj ofte disponeblas mikroenkapsuligitaj, en la formo de suspensiaĵo.

Oni utiligas likvajn kristalojn en aplikaĵoj kie necesas ekzakte regi la koloran ŝanĝon, ekzemple termometroj por uzi en ĉambro, fridujo, akvario, kaj en medicina uzo, kaj en indikiloj de niveloj de propano en cisternoj. Populara aplikaĵo por termokromaj likvaj kristaloj estas humoraj ringoj.

Estas malfacile utiligi likvajn kristalojn kaj speciala presa ekipaĵo bezoniĝas. La materialo tipe estas pli multekosta ol alternativaj teknologioj. Altaj temperaturoj, ultraviola lumo, iuj kemiaĵoj kaj solvantoj malfavore influas ilian uzdaŭron.

Leŭko-tinkturoj

Pli detalaj informoj troveblas en artikolo Leŭkotinkturo.

Ekzemplo de termokroma T-ĉemizo. Oni uzis harsekigilon por ŝanĝi la bluan koloron al turkisa

Alia ekzemplo de termokroma T-ĉemizo.

Termokromaj tinkturoj baziĝas sur miksaĵoj de leŭkotinkturoj kun aliaj taŭgaj kemiaĵoj, vidigante koloran ŝanĝon (kutime inter la senkolora leŭkoformo kaj la kolora formo) kiu dependas de temperaturo. La tinkturoj rare aplikiĝas rekte sur materialoj; ili ofte estas en la formo de mikrokapsulo kun la miksaĵo interne. Ilustra ekzemplo estas la Hypercolor-modo, ĉe kiu mikrokapsuloj kun kristala viola laktono, malforta acido, kaj disociebla salo solvitaj en dodekanolo aplikiĝas al la ŝtofo; kiam la solvanto estas solida, la tinkturo ekzistas en sia laktona leŭkoformo, dum kiam la solvanto fandas, la salo disocias, la pH en la mikrokapsulo reduktiĝas, la tinkturo protoniziĝas, ĝia laktona ringo malfermiĝas, kaj ĝia sorba spektro signife moviĝas, do ĝi iĝas profunde viola. En ĉi tiu okazo la evidenta termokromismo fakte estas halokromismo.

La tinkturoj plej ofte uzataj estas spirolaktonoj, fluoranoj, spiropiranoj, kaj fulgidoj. La acidoj inkludas bisfenolo A, parabenoj, 1,2,3-triazolo-derivaĵoj, kaj 4-hidroksikumarino kaj agas kiel proton-donantoj, ŝanĝante la tinkturan molekulon inter ĝia leŭkoformo kaj ĝia protonizita formo; pli fortaj acidoj igas la ŝanĝon neinversigebla.

Leŭkotinkturoj respondas malpli ekzakte al temperaturo ol likvaj kristaloj. Ili taŭgas por ĝeneralaj indikiloj de proksimuma temperaturo (“tro malvarma”, “tro varma”, “ĉirkaŭ ĝusta”), aŭ por diversaj novecaj aĵoj. Ili ofte uziĝas kombine kun alia tinkturo, produkti koloran ŝanĝon inter la koloro de la baza pigmento kaj la koloro de la pigmento kombinita kun la koloro de la nelaŭko-formo de la leŭkotinkturo. Organikaj leŭkotinkturoj disponeblas por temperaturaj gamoj inter ĉirkaŭ −5 °C kaj 60 °C, en vasta gamo da koloroj. La kolora ŝanĝo kutime okazas en 3 °C intervalo.

Leŭkotinkturoj uziĝas en aplikaĵoj kie temperatursensiva ekzakteco ne estas krita: ekzemple novecaĵoj, banaj ludiloj, flugdiskoj, kaj proksimumaj temperaturindikiloj por manĝaĵoj varmigataj en mikroonda forno. Mikroenkapsuligi ebligas ilian uzadon en vasta gamo da materialoj kaj produktoj. La grando de la mikrokapsuloj tipe estas inter 3–5 µm (pli ol 10 fojojn pli granda ol la eroj de ordinaraj pigmentoj), kiu necesigas iujn adaptojn al presaj kaj fabrikaj procedoj.

Tipa aplikaĵo de leŭkotinkturoj estas en la statindikiloj de Duracell-piloj. Tavolo de leŭkotinkturo alfiksita al rezistiva strio por indiki ĝian varmiĝon, tiel mezurante la kurenton liverata de la pilo. La strio havas triangulan formon, rezistivo varias laŭ la longo, tial varmiganta proporcie pli longan segmenton per la kurento trafluanta. Koloriĝas la longo de la segmento super la sojla temperaturo por la leŭkotinkturo.

Elmeti al ultraviola radiado, solvantoj, kaj altaj temperaturoj, reduktas la uzdaŭron de leŭkotinkturoj. Temperaturoj super ĉirkaŭ 200 °C tipe kaŭzas neinversigeblan damaĝon al leukotinkturoj; oni permesas dum fabrikado limigitan elmontron de iuj tipoj al ĉirkaŭ 250 °C.

Termokromaj farboj uzas likvajn kristalojn aŭ leŭkotinkturojn. Ensorbinte specifan kvanton da lumo aŭ varmo, la kristala aŭ molekula strukturo de la pigmento neinversigeble ŝanĝiĝas tiel, ke ĝi ensorbas kaj eligas lumon je malsama ondolongo ol je malpli altaj temperaturoj. Oni sufiĉe ofte rimarkas termokromajn farbojn kiel tegolaĵo sur kafotasoj, tiel kiam varmega kafo verŝiĝas en la tason, la termokroma farbo ensorbas la varmon kaj koloriĝas aŭ travidebliĝas, ŝanĝante la aspekton de la taso. Oni nomis ilin magiajn tasojn aŭ varmŝanĝaj tasoj. Alia ekzemplo estas uzi leŭkotinkturojn sur kuleroj uzotaj en glaciaĵvendejoj. Trempite en malvarma glaciaĵo, parto de la kulero alikoloriĝas.

Paperoj

Termokromaj paperoj uziĝas por termopresado. Ĉe unu ekzemplo, la papero estas impregnita per solida miksaĵo de fluorana (triarilmetana) tinkturo kun oktadekilfosfonata acido. La miksaĵo estas stabila en solida fazo; tamen, kiam la oktadekilfosfonata acido estas fandita, la tinkturo reakcias en la likva fazo, kaj prenas la koloron de la protonizita formo. Tiu stato konserviĝas kiam la materialo resolidiĝas, se la malvarmiĝo estas sufiĉe rapida. Ĉar la leŭkoformo estas pli stabila je malpli altaj temperaturoj kaj la solida fazo, la presitaj markoj sur la termokromaj paperoj malrapide paliĝas dum la jaroj.

Polimeroj

Termokromismo povas okazi ĉe termoplastoj, duroplastoj, ĝeloj, aŭ ia ajn tegaĵo. La polimero mem, enkorpigita termokroma aldonaĵo, aŭ altorda strukturo farita per la interago de la polimero kun enkorpigita netermokroma aldonaĵo, povas esti la origino de la termokromismo. Plue, el la fizika vidpunkto, la origino de la termokroma efiko povas esti multobla. Do ĝi povas veni el ŝanĝoj de lumreflekto, sorbo de elektromagneta radiado, kaj/aŭ dispersaj proprecoj kun temperaturo. Apliki termokromajn polimerojn por adapta sunproteko estas tre interesa. Funkcio per fasona strategio, ekzemple, aplikita por evoluigi netoksajn termokromajn polimerojn enfokusiĝis en la lasta jardeko.

Inkoj

Termokromaj inkoj kaj tinkturoj estas kemiaĵoj, unue evoluigitaj en la 1970-aj jaroj, kies koloro ŝanĝiĝas pro elmeto al varmo. Ekzistas du formoj, likva kristalo kaj leŭkotinkturo. Estas pli facile apliki leŭkotinkturojn. Iuj aplikaĵoj estas: plataj termometroj, bateritestiloj, vestoj, kaj la indikilo sur boteloj de acerosiropo (kaj aliaj varoj), kiuj ŝanĝas sian koloron kiam la varo estas varma (aŭ tre malvarma). La termometroj ofte uziĝas sur la ekstero de akvario, aŭ por mezuri la korpotemperaturon ĉe la frunto.

Neorganikaj materialoj

Plejmultaj neorganikaj kombinaĵoj estas iugrade termokromaj. Tamen plejmultaj ekzemploj temas pri nur subtilaj koloroŝanĝoj. Ekzemple, titana dioksido, zinka sulfido kaj zinka oksido estas blankaj je media temperaturo sed varmigite ili flaviĝas. Simile india(III) oksido estas flava kaj iĝas flave bruna kiam varmigita. Plumba(II) oksido ŝanĝas simile. La kolorŝanĝo rilatas al ŝanĝoj pri la elektronaj ecoj (energiniveloj, populacioj) de tiuj materialoj.

Pli dramecaj ekzemploj de termokromismo troviĝas ĉe materialaj havas faztransiron aŭ vidigas ŝargtransirajn bendojn proksime al la videbla rango. Ekzemploj estas:

• Kupra hidrarga jodido (Cu₂[HgI₄]) pasas faztransiron je 67 °C, reverseble ŝanĝante de hele blua solido je malalta temperaturo al malhele bruna bruna solido je alta temperaturo, kun interaj ruĝaj-purpuraj statoj. La koloroj estas intensaj kaj ŝajne estas kaŭzitaj de Cu(I)–Hg(II) ŝargo-transiraj kompleksoj.
• Arĝenta hidrarga jodido (Ag₂[HgI₄]) estas flava je malaltaj temperaturoj kaj oranĝa super 47–51 °C, kun interaj flavaj-oranĝaj statoj. La koloroj estas intensaj kaj ŝajne estas kaŭzitaj de Ag(I)–Hg(II) ŝargo-transiraj kompleksoj.
• Hidrarga(II) jodido estas kristala materialo kiu je 126 °C inversigeble transiras el ruĝa fazo al pale flava beta-fazo.
• Bis(dimetilamonia) tetrakloronikelato(II) ([(CH₃)₂NH₂]₂NiCl₄) estas frambe ruĝa kombinaĵo, kiu bluiĝas je ĉirkaŭ 110 °C. Malvarmiĝante, la kombinaĵo iĝas pale flava metastabila fazo, kiu tra 2–3 semajnoj reruĝiĝas. Multaj aliaj tetrakloronikelatoj ankaŭ estas termokromaj.
• Bis(dietilamonia) tetraklorokuprato(II) ([(CH₃CH₂)₂NH₂]₂CuCl₄) estas hele verda solido, kiu je 52–53 °C inversigeble iĝas flava. La koloroŝanĝon kaŭzas la rilakso de la hidrogenaj ligoj kaj posta geometria ŝanĝiĝo de la kupra-klora komplekso el planara al tordita tetraedra, kun taŭga ŝanĝo de la d-orbitaloj de la kupra atomo. Mankas stabila interprodukto. La kristaloj estas aŭ verdaj aŭ flavaj.
• Kromia(III) oksido kaj aluminia(III) oksido en la rilatumo 1:9 estas ruĝa je ordinaraj temperaturoj kaj griza je 400 °C, pro ŝanĝoj pri ĝia kristala kampo.
• Vanadan dioksidon oni provis por "spectro-selekta" fenestra tegaĵo por bari infraruĝon kaj redukti perdiĝon de endoma varmo tra fenestroj. Tiu materialo kondutas kiel duonkonduktanto je malaltaj temperaturoj, tralasante varmon, kaj kiel konduktilo je pli altaj temperaturoj, donante multan reflekton. La fazŝanĝo inter travidebla duonkondukta fazo al reflektiva, konduktiva fazo okazas je 68 °C; dopi la materialon per 1.9% da volframo malaltigas la transiran temperaturon al 29 °C.

Aliaj termokromaj solidaj duonkonduktantaj materialoj inkludas:

• Cd_xZn_1−xS_ySe_1−y (x = 0.5–1, y = 0.5–1),
• Zn_xCd_yHg_1−x−yO_aS_bSe_cTe_{1−a−b−c} (x = 0–0.5, y = 0.5–1, a = 0–0.5, b = 0.5–1, c = 0–0.5),
• Hg_xCd_yZn_1−x−yS_bSe_1−b (x = 0–1, y = 0–1, b = 0.5–1).

Iuj mineraloj estas termokromaj; ekzemple iuj kromioriĉaj piropoj, normale ruĝe purpuraj, verdiĝas kiam varmigitaj al ĉirkaŭ 80 °C.

Neinversigeble termokromaj materialoj

Iuj materialoj kolorŝanĝiĝas neinversigeble. Oni povas uzi tiujn por ekzemple per lasero marki materialojn.

• Kupra(I) jodido estas pale bruna, solida materialo, kiu transformiĝas je 60–62 °C al oranĝkolora.
• Amonia metavanadato estas blanka materialo, bruniĝas je 150 °C kaj nigriĝas je 170 °C.
• Mangana violo, amonia mangana(III) pirofosfato (Mn(NH₄)₂P₂O₇) estas viola materialo, populara pigmento, blankiĝas je 400 °C.