I materiali termocromici sono specie che possono modificare le loro proprietà ottiche in funzione della variazione di temperatura. Questi materiali, chiamati TCM, possono subire una trasformazione della struttura cristallina a una temperatura critica specifica.
Esistono due tipologie principali di materiali largamente impiegati per creare effetti termocromici: i cristalli liquidi e i coloranti organici noti come coloranti leuco.
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Cristalli liquidi
I cristalli liquidi, scoperti casualmente nel 1888 dal botanico Friedrich Reinitzer, sono materiali termocromici che manifestano colorazioni diverse a differenti temperature. Tale variazione di colore dipende dalla selezione della riflessione delle specifiche lunghezze d’onda da parte della struttura cristallina del materiale. In alcuni dispositivi termocromici, i cristalli liquidi iniziano come fase smettica a basse temperature, dove le molecole sono organizzate in strati che scivolano facilmente l’uno sull’altro. A temperature più elevate, passano alla fase colesterica, mostrando colori mutevoli noti come “giochi di colore” all’aumentare della temperatura.
Coloranti leuco
I coloranti leuco sono materiali termocromici che possono miscelarsi in diversi modi, a differenza dei cristalli liquidi. Questi coloranti possono generare variazioni di colore in una vasta gamma di temperature. Sono composti da un responsabile del colore, spesso un estere ciclico, un sviluppatore del colore, solitamente un acido debole che provoca la variazione di colore, e un solvente come etanolo o etere etilico, la cui temperatura di fusione influenza la transizione di colore.
Questi materiali termocromici offrono una notevole varietà di applicazioni in diversi settori, dall’industria tessile alla produzione di schermi LCD e dispositivi sensoriali. La capacità di cambiare colore in risposta ai cambiamenti di temperatura li rende dei materiali versatili e affascinanti per molteplici scopi.
Progettazione di un colorante leuco per ottenere una temperatura di transizione desiderata
Per progettare un colorante leuco al fine di raggiungere una specifica temperatura di transizione, è essenziale considerare attentamente le proprietà dei materiali termocromici. Uno dei materiali più ampiamente studiati in questo ambito è il biossido di vanadio (VO2), che presenta sei diverse strutture cristallografiche. Tra queste, una forma allotropica si distingue per la sua transizione termocromica, che comporta un cambio strutturale reversibile da monoclinico a tetragonale a una temperatura di 68°C.
Biossido di vanadio
Il biossido di vanadio è in grado di riflettere raggi infrarossi al di sopra della sua temperatura di transizione, motivo per cui viene impiegato come rivestimento per finestre al fine di limitare la trasmissione di calore e di raggi infrarossi.
Usi dei materiali termocromici
I materiali termocromici trovano svariate applicazioni come indicatori di temperatura in diversi settori industriali. Essi sono utili per:
– Determinare variazioni di temperatura e calore di reazione
– Misurare la distribuzione della temperatura in apparecchi di riscaldamento chimici, come scambiatori di calore e reattori
– Indicare variazioni di temperatura in contenitori per prodotti chimici
In aggiunta, l’integrazione di questi materiali in processi industriali, come l’alimentazione in un estrusore di plastica, consente di valutare se la temperatura soddisfa i requisiti di lavorazione. Le vernici termosensibili, inoltre, possono essere utilizzate per monitorare la temperatura nella produzione industriale.
In conclusione, la progettazione di coloranti leuco per controllare temperature di transizione specifiche è fondamentale per sfruttare al meglio le potenzialità dei materiali termocromici in diversi contesti applicativi.
