El termocromismo es la propiedad de 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 .
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. [1]
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.
Los tintes termocrómicos se basan en mezclas de tintes leuco con otros productos químicos adecuados, que muestran 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 la moda 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 las fulgidas. 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", "aproximadamente 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 colorantes Leuco se utilizan en aplicaciones donde la precisión de la respuesta de temperatura no es crítica: por ejemplo, novedades, juguetes de baño, discos voladores e indicadores de temperatura aproximada 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 los colorantes leuco es en los indicadores de estado de las baterías Duracell . Se aplica una capa de tinte leuco sobre una tira resistiva para indicar su calentamiento, midiendo así la cantidad de corriente que la batería es capaz de suministrar. La tira tiene forma triangular, cambiando su resistencia a lo largo de su longitud, calentando así un segmento proporcionalmente largo con la cantidad de corriente que fluye a través de él. La longitud del segmento por encima de la temperatura umbral para el colorante leuco se colorea entonces.
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 en una longitud de onda diferente que a temperaturas más bajas. Las pinturas termocrómicas se ven con bastante frecuencia como un revestimiento 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.
Los papeles termocrómicos se utilizan para impresoras térmicas . Un ejemplo es el papel impregnado con la mezcla sólida de un colorante fluorano con ácido octadecilfosfónico . Esta mezcla es estable en fase sólida; sin embargo, cuando se funde el ácido octadecilfosfónico, el tinte sufre una reacción química en la fase líquida y asume la forma coloreada protonada. Este estado se conserva cuando la matriz vuelve a solidificarse, si el proceso de enfriamiento es lo suficientemente rápido. Como la forma leuco es más estable a temperaturas más bajas y en fase sólida, los registros de los papeles termocrómicos se desvanecen lentamente con el paso de los años.
El termocromismo puede aparecer en termoplásticos, duroplásticos, geles o cualquier tipo de recubrimiento. El propio polímero, un aditivo termocrómico incorporado o una estructura de alto orden construida mediante la interacción del polímero con un aditivo no termocrómico incorporado pueden ser el origen del efecto termocrómico. Además, desde el punto de vista físico, el origen del efecto termocrómico puede ser diverso. Por lo tanto, puede deberse a cambios en las propiedades de reflexión , absorción y/o dispersión de la luz con la temperatura. [2] La aplicación de polímeros termocrómicos para la protección solar adaptativa es de gran interés. [3] Por ejemplo, se han utilizado películas poliméricas con nanopartículas termocrómicas sintonizables, reflectantes o transparentes a la luz solar dependiendo de la temperatura, para crear ventanas que se optimizan según el clima. [4] Una estrategia de función por diseño, [5] aplicada, por ejemplo, para el desarrollo de polímeros termocrómicos no tóxicos, se ha convertido en el centro de atención en la última década. [6]
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.
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
Otros materiales semiconductores sólidos termocrómicos incluyen
Muchos compuestos de tetraorganodiarsina, -distibina y -dibismutina son fuertemente termocrómicos. Los cambios de color surgen porque forman cadenas de van der Waals cuando están frías y el espacio intermolecular es suficientemente corto para la superposición orbital. Los niveles de energía de las bandas resultantes dependen entonces de la distancia intermolecular, que varía con la temperatura. [14]
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. [15]
Algunos materiales cambian de color de forma irreversible. Se pueden utilizar, por ejemplo, para marcar materiales con láser. [dieciséis]