איך עובדים צבעים
תרמוכרומיים על ספלים?

בפעם הראשונה שבה אנו רואים חולצה שמשנה את צבעה בעקבות מגע כף יד, או כוס שנראית אחרת לגמרי אחרי שמוזגים לתוכה מים חמים או מים קרים, אנחנו מרגישים כאילו חזינו בקסם. כמו בכל קסם, אלמנט ההפתעה משחק תפקיד חשוב. במשך רוב חיינו חולצות וכוסות, וכמעט כל דבר אחר, אינם משנים את צבעם בתגובה לגירוי.

אז איך עובד הקסם הזה?

חומרים שמשנים את הגוון שלהם בעקבות שינוי טמפרטורה נקראים צבעים תרמוכרומיים ("תרמו" – חום, "כרום" – צבע). מדובר במשפחה גדולה של חומרים, שאפשר לחלק לשתי קבוצות: קבוצה אחת שבה שינוי הצבע הוא תוצאה של שינוי במבנה הגבישי של החומר, וקבוצה שנייה שבה שינוי הצבע נגרם משינוי במבנה הכימי-מולקולרי של החומר. החומרים התרמוכרומיים נפוצים בשלל מוצרים, החל ממדחומים וכלה ביצירות אמנות. אפשר אפילו לקנות חומרים כאלה באינטרנט וליצור בעצמנו פריטים שמחליפים צבעים.

גבישים נוזליים תרמוכרומיים

כאשר אנחנו ממיינים חומרים לפי מצב הצבירה שלהם, אנחנו חושבים בדרך כלל על שלושת מצבי הצבירה השכיחים ביותר: מוצק, נוזל וגז. כשהאטומים או המולקולות שהם אבני הבניין של החומר נעים בחופשיות במרחב, אנחנו קוראים לחומר גז; כשהם צפופים יותר ותנועתם מוגבלת יותר, מדובר בנוזל; ובמצב מוצק המולקולות או האטומים מסודרים בצפיפות ותנועתם מוגבלת מאוד.

גבישים נוזליים נקראים כך משום שתכונותיהם נעות בין התכונות של גביש מוצק לתכונות של נוזל. רוב הגבישים הנוזליים הם מולקולות או פולימרים הנמצאים בתוך ממס, שבתנאים מסוימים נמצאים במצב מסודר יותר (מוצק יותר) ובתנאים אחרים נמצאים במצב דינמי יותר (נוזלי יותר). גבישים נוזליים תרמוכרומיים מתייחדים בכך ששינוי בטמפרטורה גורם לשינוי ברמת הסידור שלהם – וכתוצאה מכך גם בצבעם.

לדוגמה, כאשר כמה מהחומרים התרמוכרומיים שמבוססים על גבישים נוזליים נמצאים בטמפרטורת החדר, המולקולות שלהם מסודרות בשכבות שיכולות לנוע בקלות זו על זו. במצב הזה הגביש הנוזלי שקוף כמעט לחלוטין.

כשהטמפרטורה עולה, מבנה החומר הופך למבנה פוטוני, שיש בו מרווחים קטנים וקבועים בין השכבות. המרווחים הקבועים מחזירים כמה מצבעי האור, אך מאפשרים לצבעים אחרים לעבור הלאה ללא החזרה. כך כנפי פרפרים מקבלות את צבעיהן העזים, וכך הגביש הנוזלי הופך משקוּף לבעל צבע (האריח המופיע בסרטון הוא שחור, ומצופה בגביש נוזלי שהופך משקוף לצבעוני).

תכונותיו נעות בין התכונות של גביש מוצק לתכונות של נוזל. טיפות של גביש נוזלי תחת מיקרוסקופ  | Karl Gaff, Science Photo Library

צבעי לאוקו

צבעי לאוקו שייכים לסוג השני של צבעים תרמוכרומיים, שבהם שינוי הצבע נגרם משינוי במבנה הכימי-מולקולרי. הם  מכילים בדרך כלל מֵמֵס ומולקולה שמספקת את הצבע ונקראת צבען (פיגמנט). מולקולות הצבען יכולות להימצא בשני מצבים: מצב בליעה, שבו הן בולעות צבעים מסוימים ומעבירות אחרים, ומצב שקוף, שבו הן אינן בולעות צבע כלל, ומעבירות הלאה את כל האור הפוגע בהן. צבעים מסוג זה המשמשים ליישומים תרמוכרומיים נמצאים בדרך כלל במצבם הבולע, כלומר הצבעוני, בטמפרטורת החדר. כאשר המוצר נחשף לחום, צבע הלאוקו הופך שקוף וחושף צבעים, כיתובים או צורות שנמצאים מתחתיו.

אחת הדרכים הכימיות להפיק את שינוי הצבעים הזה היא בעזרת מולקולות המשמשות כאינדיקטורים של רמת חומציות. בוחרים צבען (פיגמנט) שמקבל צבע אחד ברמת חומציות ניטרלית וצבע אחר כשהסביבה חומצית או בסיסית. לקטון סגול, למשל, הוא צבען כמעט חסר צבע בסביבה ניטרלית, אך בתנאים חומציים מעט הוא מגיב עם יוני מימן (אטומי מימן בתמיסה שטעונים במטען חיובי), משנה את מבנהו והופך לסגול חזק.

כדי לנצל את הכימיה הזאת ליצירת דיו תרמוכרומי, מפתחי הצבעים מכניסים את הצבען לקפסולות קטנטנות שקוטרן כמה מיקרו-מטרים (מיליוניות המטר) יחד עם ממס וחומצה אורגנית. הם בוחרים ממס שנמצא במצב מוצק בטמפרטורת החדר, ובתנאים אלו הצבען והחומצה מעורבבים היטב, כך שהצבען נמצא במצבו הסגול. כאשר הטמפרטורה עולה מעט (למשל, כאשר מוזגים מים חמים לספל), הממס ניתך והופך לנוזל. במצבו הנוזלי הממס מונע מהצבען והחומצה להגיב זה עם זה, והדיו הופך לשקוף.

כאשר הטמפרטורה עולה מעט הממס ניתך והופך לנוזל, מונע מהצבען והחומצה להגיב זה עם זה, והדיו הופך לשקוף. כוס תרמית משנה צבע כאשר מוזגים לתוכה מים רותחים | Shutterstock, AlexandrBognat

יישומים תרמוכרומיים

צבעים תרמוכרומיים משמשים למגוון רחב של יישומים. מקצתם, כמו מדחומים, דורשים רמת רגישות גבוהה לשינויי טמפרטורה קטנים; אחרים, כמו עיצובים של פחיות בירה, צריכים רק להראות אם משהו חם או קר. מקצתם צריכים להשתלב בבדים, בכלי פלסטיק או בזכוכיות של חלונות חכמים, ומקצתם משמשים כציפוי על פני חומר אחר.

אז מה עדיף, צבעי לאוקו או גבישים נוזליים תרמוכרומיים? לכל אחת מהשיטות יש יתרונות וחסרונות משלה. גבישים נוזליים מציעים רגישות גבוהה לטמפרטורה ומגוון רחב של צבעים, ואילו צבעי לאוקו הם זולים יחסית, וקל לשלב אותם במוצרים שונים.

השימוש בצבעים תרמוכרומיים הוא במקרים רבים גימיק שנועד להצחיק או להפתיע; אך יש לו גם מטרות מעשיות. שימוש נכון בחלונות תרמוכרומיים, למשל, יכול לחסוך אנרגיה ולשפר את תנאי העבודה ואת מצב רוחם של העובדים. שינוי צבע יכול לספק התראה יעילה ולמנוע כווייה אצל בני אדם או תקלה במכשור רגיש. ולפעמים, צבעים שמשתנים בתגובה לשינוי טמפרטורה מאפשרים לנו ללמוד דבר או שניים על הכימיה והפיזיקה של חומר ואור.