Termocromismo

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 los biberones que cambian de color cuando están lo suficientemente fríos como para beberlos, o las teteras que cambian de color cuando el agua está en el punto de ebullición o cerca de él. El termocromismo es uno de los varios tipos de cromismo .

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

Algunos cristales líquidos son capaces de mostrar diferentes colores a distintas temperaturas. Este cambio depende de la reflexión selectiva de ciertas longitudes de onda por parte de la estructura cristalina del material, a medida que cambia entre la fase cristalina de baja temperatura, pasando por la fase nemática anisotrópica quiral o retorcida , hasta la fase líquida isotrópica de alta temperatura . Solo 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 pasa a través del cristal sufre difracción de Bragg en estas capas, y la longitud de onda con la mayor interferencia constructiva se refleja de vuelta, lo que se percibe como un color espectral. Un cambio en la temperatura del cristal puede resultar en un cambio de espaciado entre las capas y, por lo tanto, en la longitud de onda reflejada. Por lo tanto, el color del cristal líquido termocrómico puede variar continuamente desde no reflectante (negro) a través de los colores espectrales hasta volver a ser negro, dependiendo de la temperatura. Por lo general, el estado de alta temperatura reflejará azul violeta, mientras que el estado de baja temperatura reflejará rojo anaranjado. Dado que el azul es una longitud de onda más corta que el rojo, esto indica que la distancia de espaciado de las capas se reduce al calentar a través del estado de cristal líquido.

Algunos de estos materiales son el nonanoato de colesterilo o los 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 oleilcarbonato de colesterilo , nonanoato de colesterilo y benzoato de colesterilo . Por ejemplo, la relación de masas 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 a menudo vienen microencapsulados, en forma de suspensión.

Los cristales líquidos se utilizan en aplicaciones en las que el cambio de color debe definirse con precisión. Se utilizan en termómetros para ambientes, refrigeradores, acuarios y uso médico, y en indicadores del nivel de propano en tanques. Una aplicación popular de los cristales líquidos termocrómicos son los anillos de estado de ánimo .

Los cristales líquidos son difíciles de trabajar 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, 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; generalmente se encuentran en forma de microcápsulas con la mezcla sellada en su interior. Un ejemplo ilustrativo es la modalidad Hypercolor , donde se aplican al tejido microcápsulas con lactona violeta cristal , ácido débil y una sal disociable disuelta en dodecanol . Cuando el disolvente es sólido, el tinte existe en su forma leuco de lactona, mientras que cuando el disolvente se derrite, 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 que se vuelve violeta intenso. En este caso, el termocromismo aparente es de hecho halocromismo .

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

Los colorantes leuco tienen una respuesta de temperatura menos precisa que los cristales líquidos. Son adecuados para indicadores generales de temperatura aproximada ("demasiado frío", "demasiado caliente", "más o menos bien") o para diversos artículos novedosos. Por lo general, se utilizan en combinación con algún otro pigmento, lo que produce 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 colorante leuco. Los colorantes 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 generalmente ocurre en un intervalo de 3 °C (5,4 °F).

Los colorantes leuco se utilizan en aplicaciones en las que la precisión de la respuesta de temperatura no es crítica: por ejemplo, novedades, juguetes de baño, discos voladores e indicadores de temperatura aproximados 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 grandes que las partículas de pigmento normales), lo que requiere algunos ajustes en los procesos de impresión y fabricación.

Una aplicación de los colorantes leuco se encuentra en los indicadores de estado de las baterías Duracell . Se aplica una capa de colorante 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 y cambia su resistencia a lo largo de su longitud, calentando así un segmento proporcionalmente largo con la cantidad de corriente que fluye a través de ella. La longitud del segmento que se encuentra por encima de la temperatura límite del colorante leuco se colorea.

La exposición a la radiación ultravioleta, a los disolventes y a las altas temperaturas reduce la vida útil de los colorantes leuco. Las temperaturas superiores a los 200-230 °C (392-446 °F) suelen causar daños irreversibles a los colorantes leuco; se permite una exposición limitada en el tiempo de algunos tipos a unos 250 °C (482 °F) durante la fabricación.

Las pinturas termocrómicas utilizan cristales líquidos o tecnología de colorante 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 las tazas de café, por lo que una vez que se vierte café caliente en las tazas, la pintura termocrómica absorbe el calor y se vuelve coloreada o transparente , cambiando así la apariencia de la taza. Estas 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 yogur helado. Una vez sumergidas 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 el ácido octadecilfosfónico se funde, el colorante experimenta una reacción química en la fase líquida y asume la forma coloreada protonada. Este estado se conserva luego cuando la matriz se solidifica de nuevo, 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 en los papeles termocrómicos se desvanecen lentamente con el paso de los años.

El termocromismo puede aparecer en termoplásticos, duroplásticos, geles o cualquier tipo de recubrimientos. El polímero en sí, un aditivo termocrómico incorporado o una estructura de alto orden construida por 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 múltiple. Por lo tanto, puede provenir de 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 de polímeros con nanopartículas termocrómicas ajustables, reflectantes o transparentes a la luz solar según la temperatura, para crear ventanas que se optimizan para el clima. ^[4] Una estrategia de función por diseño, ^[5] por ejemplo aplicada para el desarrollo de polímeros termocrómicos no tóxicos, ha cobrado protagonismo en la última década. ^[6]

Las tintas o colorantes 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 colorantes leuco son más fáciles de trabajar y permiten una mayor variedad de aplicaciones. Estas aplicaciones incluyen: termómetros planos , comprobadores de baterías , ropa y el indicador de las 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 obtener la temperatura corporal a través de la frente. Coors Light utiliza 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 en cierta medida. Sin embargo, la mayoría de los ejemplos implican solo cambios sutiles de color. Por ejemplo, el dióxido de titanio , el sulfuro de cinc y el óxido de cinc 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) exhibe un cambio de color similar al calentarse. El cambio de color está relacionado con cambios en las propiedades electrónicas (niveles de energía, poblaciones) de estos materiales.

Se encuentran ejemplos más espectaculares de termocromismo en materiales que experimentan una transición de fase o presentan bandas de transferencia de carga cerca de la región visible. Algunos ejemplos incluyen

• El yoduro de mercurio cuproso (Cu ₂ [HgI ₄ ]) experimenta una transición de fase a 67 °C, pasando reversiblemente de un material sólido rojo brillante a baja temperatura a un sólido marrón oscuro a alta temperatura, con estados intermedios rojo-púrpura. Los colores son intensos y parecen estar causados ​​por complejos de transferencia de carga Cu(I)–Hg(II) . ^[7]
• El yoduro de plata y mercurio (Ag ₂ [HgI _{4 ]) es amarillo a bajas temperaturas y naranja por encima de los 47–51 °C, con estados intermedios de amarillo anaranjado. Los colores son intensos y parecen estar causados ​​por} complejos de transferencia de carga Ag(I)–Hg(II) . ^[7]
• El yoduro de mercurio (II) es un material cristalino que a 126 °C experimenta una transición de fase reversible de la fase alfa roja a la fase beta amarilla pálida.
• El tetracloronquelato de bis(dimetilamonio) (II) ([(CH ₃ ) ₂ NH ₂ ] ₂ NiCl ₄ ) es un compuesto de color rojo frambuesa, que se vuelve azul a unos 110 °C. Al enfriarse, el compuesto se convierte en una fase metaestable de color amarillo claro, que en 2-3 semanas vuelve a su color rojo original. ^[8] Muchos otros tetracloronquelatos también son termocrómicos.
• El tetraclorocuprato de bis(dietilamonio)(II) ([(CH ₃ CH ₂ ) ₂ NH ₂ ] ₂ CuCl ₄ ) es un material sólido de color verde brillante, que a 52–53 °C cambia reversiblemente de color a amarillo. El cambio de color es causado por la relajación de los enlaces de hidrógeno y el cambio posterior de la geometría del complejo cobre-cloro de plano a tetraédrico deformado, con el cambio apropiado de la disposición de los orbitales d del átomo de cobre. No hay un intermediario estable, los cristales son verdes o amarillos. ^[7]
• El óxido de cromo (III) y el óxido de aluminio (III) en una proporción de 1:9 son rojos a temperatura ambiente y grises a 400 °C, debido a cambios en su campo cristalino . ^[9]
• Se ha investigado el uso del dióxido de vanadio como revestimiento de ventanas "espectralmente selectivo" para bloquear la transmisión infrarroja y reducir la pérdida de calor del interior del edificio a través de las ventanas. ^[10] Este material se comporta como un semiconductor a temperaturas más bajas, lo que permite una mayor transmisión, y como un conductor a temperaturas más altas, lo que proporciona una reflectividad mucho mayor . ^{[11] [12]} El cambio de fase entre la fase semiconductora transparente y la fase conductora reflectante ocurre a 68 °C; dopar el material con un 1,9 % de tungsteno reduce la temperatura de transición a 29 °C.

Otros materiales semiconductores sólidos termocrómicos incluyen

• Cd _x Zn _{1− x} S _y Se _{1− y} ( x  = 0,5–1, y  = 0,5–1),
• Zn _x Cd _y Hg _{1− x − y} O _a S _b Se _c Te _{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 _x Cd _y Zn _{1− x − y} S _b Se _{1− b} ( x  = 0–1, y  = 0–1, b  = 0,5–1). ^[13]

Muchos compuestos de tetraorganodiarsina, -distibina y -dibismuta son fuertemente termocrómicos. Los cambios de color se producen porque forman cadenas de van der Waals cuando están fríos y el espaciamiento intermolecular es lo suficientemente corto como para que se produzca una 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. Estos pueden utilizarse, por ejemplo, para el marcado láser de materiales. ^[16]

• El yoduro de cobre (I) es un material sólido de color marrón pálido que se transforma a color naranja a 60–62 °C. ^[17]
• El metavanadato de amonio es un material blanco que se torna marrón a los 150 °C y luego negro a los 170 °C. ^[17]
• El violeta de manganeso (Mn(NH ₄ ) ₂ P ₂ O ₇ ) es un material violeta, un pigmento popular, que se torna blanco a 400 °C. ^[17]

Los materiales termocrómicos, en forma de recubrimientos, pueden aplicarse en los edificios como una técnica de rehabilitación energética pasiva. ^[18] Los recubrimientos termocrómicos se caracterizan por ser materiales activos, dinámicos y adaptativos que pueden ajustar sus propiedades ópticas en función de estímulos externos, generalmente la temperatura. Los recubrimientos termocrómicos modulan su reflectancia en función de su temperatura, lo que los convierte en una solución adecuada para combatir las cargas de refrigeración, sin disminuir el rendimiento térmico del edificio durante el período invernal. ^[18]

Los materiales termocrómicos se clasifican en dos subgrupos: materiales termocrómicos basados ​​en colorantes y materiales termocrómicos no basados ​​en colorantes. ^[19] Sin embargo, la única clase de materiales termocrómicos basados ​​en colorantes que están ampliamente disponibles comercialmente ^[20] y que se han aplicado y probado en edificios son los colorantes leuco. ^{[21] [22]}