MATERIAŁY TERMOCHROMOWE
(TERMOCHROMIC MATERIALS)

Materiały termochromowe należą do grupy materiałów inteligentnych zmieniających kolor.

Substancje te wykazują własność termochromizmu, czyli zdolność do odwracalnej zmiany kolorów, pod wpływem zmiany temperatury. Najczęściej zakres temperatur waha się  od -15 do 250 stopni Celsjusza, choć jest możliwe obustronne poszerzenie tej granicy.

Materiały termochromowe

Rozmiary mikrokapsuł materiałów termochromicznych wynoszą 1-6 mikrona, a najwyższa osiągnięta temperatura, w której materiał ten jeszcze nie ulega zniszczeniu, wynosi około 280 stopni Celsjusza.

Materiały termochromowe zmieniają kolor pod wpływem zmiany temperatury

Każda substancja termochromowa powinna być przechowywana w suchym i ciemnym miejscu. Czas połowicznego rozpadu proszku termochromicznego wynosi 2 lata.

Po raz pierwszy zaobserwowano zjawisko termochromizmu w 1971 roku.

Istnieją cztery grupy na jakie można podzielić materiały termochromowe:

Substancje organiczne

Mechanizm reakcji danej substancji chemicznej na temperaturę i jej dalsze reakcje zależą od struktury  cząsteczek tej substancji. Duży wpływ na to ma: równowaga między dwoma rodzajami cząsteczek, równowaga kwasowo - zasadowa, różnice pomiędzy stereoizomerami lub strukturą krystaliczną, i inne.
Zaletą termochromizmu substancji organicznych jest ich szybkość reakcji oraz wiele czynników pozwalających w prosty sposób kontrolować temperaturę.
Wyróżniamy trzy podstawowe grupy czynników mogących determinować termochromizm:

a) różnice w strukturze krystalicznej (ciekłe kryształy)

Termochromowe ciekłe kryształy przybierają różne barwy przy różnych temperaturach z powodu selektywnego odbijania promieni światła o określonej długości fali od ich struktury.

Ciekłe kryształy są to substancje znajdujące się w tzw. stanie ciekłokrystalicznym. Stan ten wyróżnia unikalne połączenie typowej cechy cieczy, jaką jest płynność, ze swego rodzaju uporządkowaniem dalekiego zasięgu - typowym dla struktur krystalicznych, pociągającym za sobą anizotropię niektórych własciwości fizycznych (dielektrycznych, optycznych i innych). Stan ciekłokrystaliczny występuje w charakterystycznym dla danej substancji zakresie temperatur (typowy jest przedział  5 do 55 stopni Celsjusza), gdy temperatura jest niższa, substancja zestala się, przechodząc w stan krystaliczny, gdy temperatura zaś jest wyższa, przechodzi w stan ciekły (normalny), czyli staje się cieczą (substancją bezpostaciową, izotropową). Cząsteczki substancji ciekłokrystalicznych mają wydłużony kształt, ich rozmieszczenie przestrzenne, decydujące o właściwościach fizycznych, jest kryterium podziału ciekłych kryształów na trzy zasadnicze typy: nematyczny, smektyczny, cholesteryczny.
Struktura przestrzenna cząsteczek ciekłego kryształu związanych niewielkimi siłami jest bardzo podatna na wpływ oddziaływań zewnętrznych w postaci temperatury, oświetlenia, naprężeń oraz pól elektrycznych i magnetycznych.

Działanie pola elektrycznego, wywołując zmianę konfiguracji przestrzennej cząsteczek ciekłego kryształu powoduje zmianę właściwości przepuszczania światła. Po ustaniu działania pola oddziaływania powierzchniowe przywracają pierwotny układ przestrzenny cząsteczkom ciekłego kryształu (warstwy ciekłokrystalicznej).
Zmiany temperaturowe powodują rozszerzenie cieplne, które prowadzą do zmiany odstępów i ułożenia między cząsteczkami termochromowej substancji ciekłokrystalicznej, co wywołuje zmianę obserwowanego koloru w zależności od wysokości temperatury.

Materiały te są używane w przemyśle do produkcji atramentu. Stosowanie ciekłych kryształów, pomimo zalet (otrzymywanie "czystych" kolorów) nie jest rozpowszechnione, ze względu na wysoką cenę.

Ciekłe kryształy występują w postaci sferycznych, mikroskopijnych kapsułek. W celu otrzymania np. atramentu czy farby, biliony takich kapsułek jest rozprowadzane w innej substancji.

b) stereoizometria
Termochromizm powstający dzięki różnicom w stereoizomerach jest typowy dla grupy etylenów, takich jak biantron, diksantylen i ksantylidenantron
Związki te charakteryzują się występowaniem co najmniej jednej grupy etylenowej, grupy aromatycznej i heteroatomu (zazwyczaj jest to azot lub tlen).
Gdy temperatura rośnie, cząsteczki "zamieniają się" w swoje stereoizomery, jednocześnie zmieniajšc barwę.

c) przesunięcia cząsteczkowe
Przesunięcia cząsteczkowe związków organicznych, które powstają z tautomeryzacji, takiej jaka zdarza się jako wynik np. zachowania równowagi kwasowo - zasadowej, mogš prowadzić do sprzężenia cząsteczek i sformowania nowego chromoforu. Takie przesunięcie cząsteczkowe może być spowodowane przez zmianę temperatury lub zamianę biegunowości rozpuszczalnika i/lub zmianę pH układu.

Istnieje duża grupa substancji, które wykazują cechy termochromizmu tylko powyżej (lub poniżej) określonej granicy pH roztworu. Na przykład dla substancji która takie cechy wykazuje powyżej pH=4, nie będzie zmieniać barwy przy pH wynoszącym mniej niż 4.

Substancje nieorganiczne

• przesunięcie fazy
• utrzymanie równowagi pomiędzy różnymi strukturami cząsteczkowymi
• zmiana liczby rozpuszczonych cząsteczek.

Przykładami związków termochromowych nieorganicznych są: Ag2HgI4 i dwutlenek wanadu VO2.

Polimery

Żele

W przemyśle stosowane są mieszaniny zawierające 0.1-1.0% substancji termochromowej.
Materiały termochromowe największe zastosowanie znalazły jako:

- czujniki temperatury

- wskaźniki zużycia baterii i elementy przyrządów do sprawdzania bezpieczników

Termochromowe ciekłe kryształy znalazły zastosowanie do mierzenia temperatury mikroprocesora - zmiana koloru informuje o stopniu nagrzania i ewentualnym przekroczeniu bezpiecznej granicy temperaturowej.

- powłoki na kubki do kawy

- termostaty do żelazek
- farby i atramenty (np. produkt DynaColor firmy Chromatic Technologies, produkt Chemicolor firmy Matsui)
- powłoki na czajniki

Poniżej przedstawione są przykładowe zmiany kolorów materiałów termochromowych:

Przykładowe zmiany kolorów materiałów termochromowych