I materiali termocromici (TCMs) sono specie che variano in modo reversibile le loro proprietà ottiche in funzione della temperatura. Pertanto i materiali termocromici a una certa temperatura detta critica danno luogo a una variazione della struttura cristallina.
Esistono due tipi principali di materiali ampiamente utilizzati per produrre effetti termocromici. Essi sono i cristalli liquidi e i coloranti organici noti come coloranti leuco.
Cristalli liquidi
Alcuni cristalli liquidi scoperti per caso nel 1888 dal botanico austriaco Friedrich Reinitzer sono materiali termocromici esibiscono colori diversi a temperature diverse. Questa variazione di colore dipende dalla riflessione selettiva di determinate lunghezze d’onda da parte della struttura cristallina del materiale.
In alcuni dispositivi termocromici, i cristalli si presentano, a basse temperatura, in quella che viene chiamata fase smettica, e pertanto le molecole sono organizzate in strati che scivolano facilmente l’uno sull’altro.
In questa forma, sono completamente trasparenti infatti riflettono poca o nessuna luce, permettendo praticamente a tutta la luce di attraversarli. A temperature più elevate, passano a una fase diversa nota fase colesterica e iniziano a mostrare colori mutevoli spesso detti “giochi di colore” man mano che aumenta la temperatura.
A una certa temperatura più alta, noto come punto di schiarimento, o temperatura di isotropizzazione le molecole smettono del tutto di comportarsi come cristalli liquidi e passano a una forma completamente diversa, nota come stato isotropico, il che significa che hanno le stesse proprietà ottiche in ogni direzione. In questa forma, sono di nuovo trasparenti.
Quindi, guardando dall’esterno, si può vedere un materiale che da trasparente diventa colorato, cambiando colore all’aumentare della temperatura e poi torna trasparente
Essi assumono colorazioni che vanno dal rosso al verde e blu. La colorazione è dovuta al cambiamento di fase ciascuna delle quali interagisce con la luce incidente in modo diverso. Ciò consente di vedere un colore diverso in ogni fase. I colori sono iridescenti ovvero possono essere visualizzati da diverse angolazioni
Coloranti leuco
Un colorante leuco dal greco λευκός (bianco) è un colorante che può avere due forme una delle quali è incolore. A differenza dei cristalli liquidi i coloranti leuco sono materiali termocromici che possono essere miscelati in vari modi. Si ottengono così variazioni di colore colore in un’ampia gamma di temperature.
Sono costituiti da:
- responsabile del colore spesso un estere ciclico
- sviluppatore del colore spesso un acido debole che è responsabile della variazione di colore
- solvente generalmente etanolo o etere etilico il cui punto di fusione influenza la temperatura a cui avviene la transizione
Per applicazioni specifiche si può così progettare un colorante leuco al fine di ottenere una determinata temperatura di transizione
Biossido di vanadio
Molte sostanze inorganiche sono materiali termocromici.
Quella maggiormente studiata è il biossido di vanadio VO2 che esiste in sei strutture cristallografiche. Una di queste forme allotropiche è caratterizzata da una transizione termocromica, associata a un cambiamento strutturale reversibile del primo ordine da monoclino a tetragonale alla temperatura di 68 °C
Al di sopra di questa temperatura la struttura riflette i raggi I.R.
Pertanto è utilizzato come rivestimento per finestre per bloccare la trasmissione di raggi infrarossi e ridurre la perdita di calore all’interno dell’edificio attraverso le finestre
Usi dei materiali termocromici
I materiali termocromici sono utilizzati come indicatori di temperatura in molti settori industriali. Essi consentono di:
- determinare la variazione di temperatura e il calore di reazione
- misurare la distribuzione della temperatura di apparecchi di riscaldamento chimici come scambiatori di calore e reattori
- indicare la variazione di temperatura in contenitori per prodotti chimici
Ad esempio, l’aggiunta di questi materiali a un estrusore di plastica nel processo di alimentazione sono utili per giudicare se la temperatura di alimentazione soddisfa i requisiti di lavorazione. Allo stesso tempo un’ampia varietà di vernici termosensibili può essere utilizzata per l’indicazione e il monitoraggio e della temperatura nella produzione industriale.