Wie funktionieren thermochrome Farben auf Tassen?

Wenn wir zum ersten Mal sehen, wie ein Hemd nach einer Handberührung seine Farbe ändert oder eine Tasse, die nach dem Eingießen von heißem oder kaltem Wasser völlig anders aussieht, fühlen wir uns verzaubert. Wie bei jedem Zauber spielt der Überraschungseffekt eine wichtige Rolle. Meistens ändern Hemden und Tassen sowie fast alles andere in unserem Leben nicht die Farbe als Reaktion auf einen Reiz.

Wie funktioniert dieser Zauber?

Materialien, die aufgrund einer Temperaturänderung ihren Farbton ändern, werden als thermochrome Farben bezeichnet („thermo“ - Wärme, „chrom“ - Farbe). Dies ist eine große Familie von Materialien, die in zwei Gruppen unterteilt werden kann: Eine Gruppe ändert die Farbe als Resultat einer Änderung der Kristallstruktur des Materials. Die zweite Gruppe ändert die Farbe als Resultat einer Änderung der chemisch-molekularen Struktur des Materials. Thermochrome Materialien werden in vielen Produkten verwendet, von Thermometern bis hin zu Kunstwerken. Ihr könnt solche Materialien sogar online kaufen und damit eure eigenen Artikel erstellen, die ihre Farben ändern.

Thermochrome Flüssigkristalle

Wenn wir Materialien nach ihrem Aggregatzustand ordnen, denken wir normalerweise an die drei häufigsten Aggregatzustände: fest, flüssig und gasförmig. Wenn sich die Atome oder Moleküle, die die Bausteine ​​des Materials sind, frei im Raum bewegen, nennen wir dies Gas; wenn sie dichter sind und ihre Bewegung eingeschränkter ist, ist es eine Flüssigkeit; im festen Zustand sind die Moleküle oder Atome dicht angeordnet und ihre Bewegung ist sehr begrenzt.

Flüssigkristalle werden so genannt, weil ihre Eigenschaften von den Eigenschaften eines festen Kristalls bis zu denen einer Flüssigkeit reichen. Die meisten Flüssigkristalle sind Moleküle oder Polymere, die sich in einem Lösungsmittel befinden, das sich unter bestimmten Bedingungen in einem geordneteren (festeren) Zustand und unter anderen Bedingungen in einem dynamischeren (flüssigeren) Zustand befindet. Thermochrome Flüssigkristalle sind insofern einzigartig, als eine Änderung der Temperatur eine Änderung ihres Anordnungsgrades bewirkt - und folglich auch ihrer Farbe.

Wenn beispielsweise einige der auf Flüssigkristallen basierenden thermochromen Materialien Raumtemperatur haben, sind ihre Moleküle in Schichten angeordnet, die sich leicht übereinander bewegen können. In diesem Zustand ist der Flüssigkristall fast völlig transparent.

Mit steigender Temperatur wird die Struktur des Materials zu einer photonischen Struktur, die kleine und konstante Zwischenräume zwischen den Schichten aufweist. Die konstanten Zwischenräume reflektieren einige der Farben des Lichts, ermöglichen jedoch, dass andere Farben ohne Reflexion durchgehen. Auf diese Weise erhalten Schmetterlingsflügel ihre leuchtenden Farben, und ebenso verwandelt der Flüssigkristall etwas Transparentes in eine Farbe (die im Video gezeigte Kachel ist schwarz und mit einem Flüssigkristall beschichtet, der es von transparent zu farbig verwandelt).

Seine Eigenschaften reichen von denen eines festen Kristalls bis zu denen einer Flüssigkeit. Flüssigkristalltropfen unter dem Mikroskop  | Karl Gaff, Science Photo Library

Thermofarben

Thermofarben gehören zur zweiten Art der thermochromen Farben, bei denen die Farbänderung durch eine Änderung der chemisch-molekularen Struktur verursacht wird. Sie enthalten normalerweise ein Lösungsmittel und Molekül, das die Farbe liefert und als Pigment bezeichnet wird. Die Pigmentmoleküle können sich in zwei Zuständen befinden: einem Absorptionszustand, in dem sie bestimmte Farben absorbieren und andere weiterleiten, und einem transparenten Zustand, in dem sie überhaupt keine Farbe absorbieren und das gesamte Licht, das auf sie trifft, weiterleiten. Farben dieses Typs, die für thermochrome Anwendungen verwendet werden, befinden sich normalerweise bei Raumtemperatur in ihrem Absorptionszustand, d. h. dem farbigen. Wenn das Produkt Hitze ausgesetzt wird, wird die Thermofarbe transparent und zeigt Farben, Beschriftungen oder Formen, die sich darunter befinden.

Eine der chemischen Möglichkeiten, diese Farbänderung hervorzurufen, ist die Verwendung von Molekülen, die als Indikatoren für den Säuregehalt dienen. Man wählt ein Pigment, das bei neutralem Säuregehalt eine Farbe und bei säurehaltiger oder basischer Umgebung eine andere Farbe erhält. Kristallviolettlacton ist beispielsweise in einer neutralen Umgebung ein fast farbloses Pigment, reagiert jedoch unter leicht säurehaltigen Bedingungen mit Wasserstoffionen (positiv geladene Wasserstoffatome in Lösung), verändert seine Struktur und wird zu einem starken Lila.

Um diese Chemie für die Herstellung thermochromer Tinten zu nutzen, geben Farbentwickler das Pigment zusammen mit Lösungsmittel und organischer Säure in winzige Kapseln mit einem Durchmesser von einigen Mikrometern (millionstel Metern). Sie wählen ein Lösungsmittel, das sich bei Raumtemperatur in einem festen Zustand befindet. Unter diesen Bedingungen sind das Pigment und die Säure so gut gemischt, dass das Pigment in seinem lila Zustand ist. Wenn die Temperatur leicht ansteigt (z. B. wenn heißes Wasser in die Tasse gegossen wird), schmilzt das Lösungsmittel und wird flüssig. In flüssigem Zustand verhindert das Lösungsmittel, dass Pigment und Säure miteinander reagieren, und die Tinte wird transparent.

Wenn die Temperatur leicht ansteigt, schmilzt das Lösungsmittel und wird flüssig, wodurch verhindert wird, dass Pigment und Säure miteinander reagieren, und die Tinte wird transparent. Ein Thermobecher ändert seine Farbe, wenn kochendes Wasser hineingegossen wird | Shutterstock, AlexandrBognat

Thermochrome Verwendungen

Thermochrome Farben werden in vielen Bereichen verwendet. Einige von ihnen, wie z. B. Thermometer, erfordern ein hohes Maß an Empfindlichkeit gegenüber kleinen Temperaturänderungen. Andere, wie das Design von Bierdosen, müssen nur zeigen, ob etwas heiß oder kalt ist. Einige müssen in Stoffe, Plastikgegenstände oder intelligentes Fensterglas eingearbeitet werden, andere werden als Beschichtung für ein anderes Material verwendet.

Was ist besser, Thermofarben oder thermochrome Flüssigkristalle? Jede Methode hat ihre Vor- und Nachteile. Flüssigkristalle bieten eine hohe Temperaturempfindlichkeit und eine breite Farbpalette, während Thermofarben relativ kostengünstig sind und sich leicht in verschiedene Produkte verarbeiten lassen.

Die Verwendung von thermochromen Farben ist in vielen Fällen eine Spielerei, die lustig oder überraschend sein soll. Sie hat aber auch praktische Ziele. Die richtige Verwendung von thermochromen Fenstern kann beispielsweise Energie sparen und die Arbeitsbedingungen und Stimmung der Arbeiter verbessern. Farbänderungen können als wirksamer Alarm fungieren und Verbrennungen beim Menschen oder Fehlfunktionen empfindlicher Geräte verhindern. Und manchmal können wir durch Farben, die sich als Reaktion auf eine Temperaturänderung ändern, ein oder zwei Dinge über die Chemie und Physik von Materie und Licht lernen.