Come funzionano i materiali termocromici che cambiano colore

Come funzionano i materiali termocromici che cambiano colore

La maggior parte degli animali ha una capacità incorporata di percepire i cambiamenti di temperatura, questo perché la loro vita dipende da esso, ma non sono solo gli esseri viventi capaci di rilevare il caldo e il freddo: tutti i tipi di materiali nel mondo intorno a noi cambiano dimensione, forma mentre le temperature aumentano o diminuiscono.

Questa caratteristica viene utilizzata per realizzare termometri specifici, che misurano le temperature con precisione, usando metalli che si espandono quando vengono riscaldati e si contraggono quando vengono raffreddati.

Alcuni materiali segnalano cambiamenti di temperatura ancora più drammatici cambiando colore alle variazioni di temperatura.

In questo caso si definiscono termocromici (dalle parole greche thermos = heat, chroma= colore).

Materiali come questi sono l’ingrediente segreto per inchiostri, termometri a striscia frontale, tester per batterie e  tazze da caffè che cambiano colore quando si versano bevande calde.

Come funzionano esattamente gli oggetti termocromici?

Cos’è il termocromismo?

Tutti abbiamo sentito la frase “rosso fuoco”, ma cosa significa in realtà? Se riscaldi una barra di ferro in un forno, lo vedrai cambiare lentamente colore dal suo originale grigio-nero (a circa 600°C) a rosso caldo (~950°C), giallo caldo (~1100°C) e poi bianco caldo (a temperature più elevate ancora), più caldo diventa, più energia contiene.

Mentre il fuoco pompa energia nel ferro, gli atomi di ferro si “eccitano” e diventano instabili, gli elettroni assorbono brevemente l’energia, quindi la scaricano nuovamente sotto forma di particelle di luce note come fotoni.

Questo è generalmente il motivo per cui le cose calde cambiano colore e perché il loro colore cambia (da rosso a bianco) quando diventano più calde e rilasciano diversi tipi di energia luminosa.

È un esempio di ciò che si chiama incandescenza, dove l’energia termica viene costantemente convertita in energia luminosa.

I materiali termocromici cambiano colore a temperature molto più basse e per ragioni molto diverse che non hanno nulla a che fare con l’incandescenza.

Esistono due tipi principali di materiali che sono ampiamente utilizzati per produrre effetti termocromici.

Alcuni usano cristalli liquidi (materiale utilizzato per il display del computer o del cellulare), altri usano coloranti organici (a base di carbonio) noti come leucodie.

Come funzionano i cristalli liquidi termocromici

Come suggerisce il loro nome, i cristalli liquidi sono solidi per certi aspetti e liquidi in altri. Quelli a cui siamo interessati sono conosciute in forme (fasi) come nematiche e smettiche, in cui le molecole sono disposte un po’ come fiammiferi in una scatola e approssimativamente nello stesso modo.

Semplicemente parlando, le onde luminose riflettono i cristalli vicini e si sommano in un processo, chiamato interferenza, che produce il riflesso.

Il colore della luce riflessa dipende (in modo molto preciso) da quanto i cristalli sono vicini, riscaldare o raffreddare i cristalli liquidi cambia la loro distanza e li spinge in una fase diversa, alterando la quantità di interferenze e cambiando il colore della luce riflessa, dal nero, passando per il rosso e viceversa.

In poche parole, i cristalli liquidi hanno un colore diverso a seconda della temperatura a cui sono, in quanto i cambiamenti li fanno avvicinare o allontanare (a seconda del materiale).

I cristalli liquidi termocromici forniscono una misurazione relativamente accurata della temperatura all’interno di determinate bande, sono ampiamente utilizzati come termometri a strisce per misurare la febbre, incollati all’interno di un frigorifero o un acquario.

Tipicamente sono fabbricati sotto forma di sfere microscopiche (capsule) incorporate in un polimero di plastica.

Come funzionano i leucodici

Probabilmente hai visto quelle tazze di caffè con messaggi nascosti o immagini che appaiono improvvisamente, come per magia, mentre le riempiono di acqua calda? O forse hai una maglietta o un poster che cambia colore quando lo tocchi?

Oggetti di questo genere sono stampate con speciali inchiostri termocromici sensibili alla temperatura, chiamate leucodali, che iniziano in trasparenza (o hanno un colore particolare) e diventano visibili (o cambiano in un altro colore) quando la temperatura aumenta o diminuisce.

Le Leucodiche sono sostanze chimiche organiche (a base di carbonio) che cambiano colore quando l’energia termica fa spostare le loro molecole avanti e indietro tra due strutture conosciute come leuco (incolore) e non leuco (colorate).

Le forme leuco e non leuco assorbono e riflettono la luce in modo diverso, quindi appaiono colori molto diversi se stampate su un materiale come carta o cotone.

A differenza dei cristalli liquidi, che spostano il colore verso l’alto e verso il basso dello spettro rosso-viola, man mano che diventano più caldi o più freddi, i leucodi possono essere miscelati in vari modi per produrre cambiamenti di colore in una vasta gamma di temperature.

I leucodici sono indicatori di temperatura molto più diretti dei cristalli liquidi, in genere indicano solo “freddo” o “caldo” con un semplice cambiamento di colore.

Questo perché tutto ciò che possono fare è passare avanti e indietro tra le loro due diverse forme (leuco e non-leuco).

Anche i leucodici possono essere stampati sulla superficie di altri materiali, sotto forma di capsule microscopiche, ma possono essere prodotti più facilmente con la stampa tradizionale usando metodi come la serigrafia.

Questo è il motivo per cui i leucodici sono più ampiamente usati in articoli di utilizzo quotidiano rispetto ai cristalli liquidi.

I leucodici vengono utilizzati anche per realizzare la carta termica per i registratori di cassa e nelle magliette che cambiano colore quando le tocchi.