Lämpöherkkyys

Väriä vaihtava sormus edestä päin tarkasteltaessa. Kuvassa on nähtävissä vihertävä väriä vaihtanut alue.

Lämpöherkkyys eli termokromia on aineen ominaisuus vaihtaa väriä lämpötilan muutoksen seurauksena. Muutos voi olla käyttötarkoituksesta riippuen lukuisia kertoja toistettavissa tai pysyvä. Esimerkki tästä on väriä vaihtava sormus, joskin lämpöherkkyydellä on muitakin käytännön sovelluksia kuten tuttipullo, joka vaihtaa väriä kun neste on jäähtynyt juomakelpoiseksi, lämpöherkkien tuotteiden kuten lääketieteellisten valmisteiden tai pakastetun ruoan kuljetusolosuhteiden varmistamiseen käytetyt indikaattorit ja turvapainosovellukset. Lämpöherkkä painoväri lisää myös suosiotaan tarkastelijan huomion kiinnittävänä suunnitteluelementtinä.

Lämpöherkkyys on yksi monista värinmuutoksen lajeista. Lämpöherkkä painatus on yksi Suomen passin turvatekijöistä.

Havainnollistus toistettavasta lämpöherkkyydestä.

Havainnollistus pysyvästä lämpöherkkyydestä.

Orgaaniset materiaalit

Kaksi yleisintä lämpöherkkyyden toimintaperiaatetta perustuvat nestekiteisiin ja leukoväriaineisiin. Nestekiteitä käytetään tarkkuutta vaativissa sovelluksissa, sillä niiden reaktio voidaan suunnitella tarkoille lämpötilaeroille, mutta niiden värivalikoima on toimintaperiaatteen vuoksi rajallinen. Leukoväriaineet mahdollistavat laajemman värivalikoiman, mutta tarkan reaktiolämpötilan asettaminen niille on vaativampaa.

Lämpötilaan reagoivat nestekiteet

Jotkin nestekiteet kykenevät muuttumaan eri värisiksi eri lämpötiloissa. Tämä muutos johtuu materiaalin kristallirakenteen kyvystä heijastaa tiettyjä aallonpituuksia valikoivasti, koska se kykenee muuttumaan matalan lämpötila-alueen kristallimuodon, anisotrooppisen kiraalin tai nemaattisen muodon ja korkean lämpötila-alueen isotrooppisen nestemäisen muodon välillä. Ainoastaan nemaattisella mesofaasilla on lämpöherkkiä ominaisuuksia, mikä rajoittaa materiaalin toiminnallista lämpötila-aluetta.

Kiertyneessä nemaattisessa muodossa molekyylit ovat suuntautuneet kerroksittain suunnan muuttuessa säännöllisesti, mistä seuraa niiden tasainen jakaantuminen. Kiteiden läpi kulkeva valo aiheuttaa kerroksissa Braggin diffraktion, ja suurimman konstruktiivisen interferenssin aallonpituus heijastuu takaisin, mikä koetaan väriaistimuksena. Lämpötilan muutos kristalleissa voi vaikuttaa kerrosten väliseen välimatkaan ja siten heijastuvaan aallonpituuteen. Lämpöherkkien nestekidenäyttöjen väri voi siis vaihdella heijastamattoman (mustan) ja spektrivärien välillä, lämpötilasta riippuen: tyypillisesti korkeassa lämpötilassa sini-violettina ja matalassa lämpötilassa puna-oranssina. Se, että sininen on lyhyempi aallonpituus kuin punainen, osoittaa, että etäisyys kerrosten välillä pienenee lämmitettäessä.

Leukoväriaineet

Lämpöherkkään väriaineeseen perustuvan painovärin toimintaperiaate.

Lämpöherkät väriaineet perustuvat leukoväriaineiden kemiallisiin seoksiin. Värinmuutos tapahtuu yleensä värittömän leukomuodon ja värillisen muodon välillä. Väriaine siirretään materiaalille yleensä mikrokapseloituna pigmenttinä sideaineeseen sekoitettuna.

Lämpöherkkien painovärien toiminnallinen osa koostuu yleensä ainakin kolmesta komponentista: väriaine, kehitin ja liuotin, jotka on eristetty ympäristöltä suojaaviin useimmiten epoksista tai melamiiniresiinistä valmistettuihin polymeerikapseleihin. Lämpöherkän painovärin sisältämien mikrokapseleiden koko on tyypillisesti noin kymmenkertainen perinteisesti painoväreissä käytettäviin pigmentteihin verrattuna.

Altistuminen UV-säteilylle, liuottimille ja korkeille lämpötiloille lyhentää leukoväriaineiden ja niihin perustuvien painovärien elinikää. Yli 200–230 °C lämpötila aiheuttaa tyypillisesti peruuttamatonta vahinkoa leukoväriaineille. Jo yli 140 °C:n lämpötila voi aiheuttaa vaurioita. Jotkin yhdisteet kestävät valmistusprosessin aikana tapahtuvaa lyhytaikaista altistusta noin 250 °C:n lämpötilalle. Mikäli väriainetta sisältävät polymeerikapselit vaurioituvat, väri menettää kykynsä muuttua lämmön vaikutuksesta. Leukoväriaineisiin perustuvilla painoväreillä on yleensä verrattain heikko valonkesto.

Esimerkki lämpöherkästä t-paidasta. Värin muuttamiseen sinisestä turkoosiin käytettiin hiustenkuivainta.

Esimerkkinä käytännön sovelluksesta on Hypercolor-muoti, jossa kideviolettilaktonia, heikkoa happoa, ja erotettavissa olevaa suolaa dodekanoliin liuotettuna sisältävät mikrokapselit kiinnitetään kankaaseen. Kun liuotin on kiinteä, väriaine on sen laktoni leukomuodossa. Liuottimen sulaessa suola hajoaa, pH mikrokapselin sisällä laskee, väriaine protonoituu, sen laktonirengas aukeaa, ja sen absorboimien aallonpituuksien spektri siirtyy huomattavasti, jonka seurauksena se näkyy syvän violettina. Tässä tapauksessa näkyvä lämpöherkkyys on itse asiassa halokromaattisuutta.

Paperit

Lämpöherkkää paperia käytetään lämpötulostimissa. Esimerkkinä tästä on fluoraaniväriaineen ja oktadesyylifosfonaattihapon kiinteällä seoksella kyllästetty paperi. Tämä seos on vakaa kiinteässä olomuodossa. Kun happo sulaa, väriaine altistuu nestemäisessä muodossa kemialliselle reaktiolle ja saa protonoidun värillisen muodon. Tämä tila jää pysyväksi kun materiaali muuttuu jälleen kiinteäksi.

Epäorgaaniset materiaalit

Lähes kaikki epäorgaaniset yhdisteet ovat jossain määrin lämpöherkkiä. Useissa tapauksissa puhutaan kuitenkin vain vähäisestä värinmuutoksesta. Esimerkiksi, titaanidioksidi ja sinkkioksidi ovat valkoisia huoneenlämmössä, mutta kuumennettaessa muuttuvat keltaiseksi. Vastaavasti indium(III)oksidi on keltainen ja tummuu kelta-ruskeaksi, kun sitä kuumennetaan. Lyijymonoksidia kuumennettaessa tapahtuva värinmuutos on samanlainen. Värin muutos liittyy muutoksiin näiden materiaalien sähkökemiallisissa ominaisuuksissa, kuten viritystilassa.