מרכז ארצי למורי הכימיה - עמוד הבית

חומרים תרמוכרומיים - מה זה ואיך זה עובד?

21/01/2016
הגדל
חומרים תרמוכרומיים הם חומרים המשנים את צבעם עקב שינוי טמפרטורה.

מקור שמם מיוונית: טרמוס=חום וכרומו = צבע.

קיימים שני סוגים של חומרים תרמוכרומיים:

  1. חומרים העשויים מגבישים נוזליים המשנים את המבנה שלהם במרחב עקב שינוי טמפרטורה, שינוי שגורם להחזר אור שונה ממשטחי הגביש.
     

    איור 1 – העברת אצבע על גביש נוזלי מחממת אותו וגורמת לטמפרטורה שלו לעלות. מתוך הצבעים המתפזרים מהאור הפוגע בו, ניתן לקבוע את הטמפרטורה שלו: באזור הכחול במרכז הטמפרטורה גבוהה יותר מאשר באזור האדום שבקצוות.

  2. צבענים תרמוכרומיים שהם תרכובות אורגניות הנקראות צבעני לייקו - (leuco dye) (ביוונית לייקו=לבן) המשנים את המבנה המולקולרי שלהם כתוצאה משינוי טמפרטורות, ועל-ידי כך משתנה גם בליעת האור שלהם והם מחזירים אורכי גל שונים של האור. מצב הלייקו מתייחס בדרך כלל למצב חסר הצבע של החומר לעומת המצב הצבוע שלו.

    איור 2 – חולצה המכילה צבען תרמוכרומי המאבד את צבעו בחום. מתוך אתר ויקיפדיה By Piercetheorganist at en.wikipedia [Public domain], via Wikimedia Commons

חומרים תרמוכרומיים המבוססים על גבישים נוזליים

חומרים תרמוכרומיים המבוססים על גבישים נוזליים נמצאים במגוון גדול של יישומים שימושיים:

  1. טבעות מצב רוח – יכולות לקבל מגוון צבעים כתלות בטמפרטורה. צבען ירוק בטמפ´ החדר והן יכולות לקבל גוון סגול-כחול בטמפרטורות גבוהות וגוון שחור-חום בטמפרטורות נמוכות. ניתן לייחס זאת למצב הרוח של העונד את הטבעת מכיוון שאדם לחוץ ו/או כועס טמפרטורת גופו יורדת ואילו אדם להוט ומרוגש טמפרטורת גופו גבוהה.  
     

    איור 3 – טבעת מצב רוח משנה את צבעה בהתאם לטמפ´ של העונד אותה. מתוך אתר ויקיפדיה By Alkivar (Own work (own picture)) [Public domain], via Wikimedia Commons  

  2. מדי טמפרטורה למצח – רגישים מאוד לטווח הטמפרטורה הפיזיולוגי ומשנים את צבעם בתחום הטמפרטורה של 35-40°C הם מאוד נוחים לשימוש, הגייניים וזולים. ניתן להשיג מדי טמפרטורה כאלה גם למקרר או באקווריום ביתי 

    איור 4 – מד טמפרטורה למצח – קל ונוח לשימוש. מתוך האתר Woodford, Chris. (2011) Thermochromic materials. Retrieved from http://www.explainthatstuff.com/thermochromic-materials.html   

     
  3. מדד לזמן חיים של סוללה – כאשר לוחצים על נקודות משני צדי הסוללה, נסגר מעגל חשמלי העושה שימוש באנרגיה שבסוללה, ככל שהסוללה טעונה יותר, ייווצר זרם חזק יותר אשר יגרום לעליית טמפרטורה גבוהה יותר ויבוא לידי ביטוי בצבע של הגביש הנוזלי.

    איור 5 – מדידת אורך חיים של סוללה. מתוך האתר: http://www.explainthatstuff.com/thermochromic-materials.html    

  4. צגים של גבישים נוזליים   (LCD (Liquid Crystal Displays הנמצאים בשימוש ב: שעוני יד, מסכי מחשב, מחשבונים, צגים של מכשירים מדעיים וטכניים, מכוניות, תאי טייסים ועוד. יישומים אלה הופכים את מערכות ה- LCD לטכנולוגיה מועדפת בתחום רחב שבהם יש צורך בתצוגת מידע בצירוף כלשהו של מלל, גרפיקה, תצלומים ותמונות וידאו. למעשה, הפכו מערכות ה LCD למראה שכיח במכשירי טלוויזיה ובמחשבים ניידים. 

    איור 6 – צגי Liquid Cristal Display - LCD.

מדוע גבישים נוזליים רגישים לשינויי טמפרטורה?

כפי שמעיד שמם, לגבישים נוזליים יש מעט אופי גבישי למרות היותם נוזלים. רוב הגבישים הנוזליים המשמשים בתעשייה הם מסוג הגביש הנוזלי הנמטי, המורכב ממולקולות ארוכות "דמויות סיגר" ולכן נוטה ליצור סדר מרחבי. הדבר בא לידי ביטוי במבנה מסודר של שכבות של מולקולות היוצרות משטח מחזיר אור כמו בגביש.

מה שמאפיין גביש נוזלי, זה שהמרחק בין המשטחים שלו הוא כמה מאות ננומטר מה שמתאים לאורך הגל של אור נראה (בין 300 ל-700 ננומטר). כאשר אור נראה פוגע בגביש נוזלי, גלי האור מוחזרים ממשטחי הגביש בהתאם למבנה הגביש (ראו איור 7). הצבע של האור המוחזר תלוי במרחק הקיים בין משטחי הגביש. חימום או קירור של הגביש הנוזלי גורם לשינוי המרווח שבין המשטחים. וכך, הצבע המוחזר שגביש נוזלי יכול לנוע מחום-שחור, דרך אדום וכל צבעי הקשת לכחול. חומרים שונים, בעלי רגישות שונה לטמפרטורה ולכן ניתן לקבל שימושים שונים לחומרים שונים. להסבר מפורט יותר על מבנה ה- LCD ואיך הוא מושפע מהטמפרטורה ראו בנספח .

  
איור 7 – קרני אור הפוגעות במשטחי הגביש הנוזלי (קווים כתומים) מוחזרות ועוברות התאבכות כך שמוחזר אורך גל מסוים (צבע מוגדר) כתלות במרחק שבין משטחי הגביש הנוזלי (נקרא פיזור בראג ). ככל שהחומר קר יותר המרחקים בין משטחי הגביש גדולים יותר ואורך הגל המוחזר ארוך יותר. להסבר מפורט יותר - ראו בנספח .

חומרים תרמוכרומיים המבוססים על צבעני-לייקו

צבעני לייקו רגישים פחות לטמפרטורה מאשר גבישים נוזליים. קשה לכייל אותם להראות טווח טמפרטורות, כפי שנעשה במודד הטמפרטורה המצחי למשל, והם רק נעים בין שני מצבים קבועים: בעלי צבע או חסרי צבע עם שינוי הטמפרטורה. ניתן אמנם לקבל בעזרתם מגוון רחב של צבעים אם מערבבים צבענים שונים.

דוגמאות למוצרים המכילים חומרים תרמוכרומיים המבוססים על צבעני-לייקו:

  1. תדפיסים של מרכולים – אולי שמתם לב שהקבלות שאתם שומרים מקניותיכם בסופר דוהות עם הזמן, במיוחד אם נחשפו לשמש. הסיבה לכך: גליל הנייר שבמדפסת עשוי מכיל חומר צבעני המשנה את צבעו מלבן לשחור כאשר הטמפרטורה עולה. בזמן ההדפסה של הקבלה המדפסת יוצרת חום על הנייר במקומות המתאימים והם מושחרים. עם הזמן ועם ירידת הטמפרטורה התהליך הכימי הפיך והנייר חוזר להיות לבן. אם רוצים לשחזר קבלה שדהתה אפשר לנסות לגהץ אותה. 
      
     

    איור 8 – קבלות של מרכולים עשויות מנייר רגיש לחום ומודפסות בעזרת ראשי הדפסה הפולטים חום לנייר בהדפסתו. מתוך האתר Woodford, Chris. (2011) Thermochromic materials. Retrieved from http://www.explainthatstuff.com/thermochromic-materials.html  

  2. חולצות משנות צבע – מכילות צבענים הרגישים לטווח הטמפרטורה של הגוף ומשנות צבע ללבן כאשר נוגעים בהן (איור 2).

     

  3. ספלים וקשים צבעוניים – עשויים מחומרים המשנים את צבעם עם הטמפרטורה.  
      איור 9 – ציור על ספל המופיע כאשר הטמפרטורה עולה. הקש משנה את צבעו כאשר משקה קר או חם עובר בו. מתוך האתר Woodford, Chris. (2011) Thermochromic materials Retrieved from http://www.explainthatstuff.com/thermochromic-materials.html

מדוע צבעני לייקו רגישים לשינויי טמפרטורה?

היכולת של צבעני-לייקו לשנות את צבעם קשורה לכך שהם מסוגלים לשנות את המבנה הכימי שלהם באופן הפיך כתלות בטמפרטורה. הדבר יכול להתרחש במספר אופנים.

נביא כאן 3 דוגמאות אופייניות:

  1. איזומריזציה - אחד הצבענים הידועים: ספיקו פיראן, עובר איזומריזציה כתלות בטמפרטורה (איור 10). הצבע נוצר כתוצאה מהיווצרות מערכת מצומדת גדולה יותר בעלת רמות אנרגיה המתאימות לעירור אלקטרוני המתאים להפרש אנרגיה הפולט קרינה בעלת אורך גל בתחום הנראה. מולקולות הספירו פיראן יכולות לעבור איזומריזציה כתוצאה מהקרנה בתחום ה-UV וגם כתוצאה משינוי ממס בנוסף לחימום. 
      

    איור 10 – חימום גורם לספיקו פיראן בעל הצבע הסגול (colored form) לאבד את צבעו (leuco form) ולהפוך חסר צבע. כאשר החומר חסר צבע מוקרן באור UV הצבע חוזר.

  2. שינוי מצב צבירה – ישנם צבענים המאופסנים בתוך מיקרוקפסולות העשויות פולימר ומכילות חומר אשר במצב המוצק שלו מתקיימים בו קשרים בין מולקולות צבע לבין מפתח צבע – חומר אשר בצימוד עם מולקולות הצבע גורם למעברי אנרגיה בתחום הנראה. במצב הצבירה הנוזלי מתנתקות מולקולות הצבע מהחומר המפתח, מרווחי האנרגיה בחומר משתנים והצבע נעלם.
      איור 11 - חימום גורם למולקולות הצבע הנמצאות במצב מוצק קשורות לחומר מפתח, לעבור התכה ולהתנתק מהחומר המפתח. בתהליך זה נעלם הצבע. בקירור שבות המולקולות ונקשרות והצבע חוזר.
  3.   שינוי מבנה של יחידת הגביש – ישנם חומרים אשר בעקבות שינוי במצב הגבישי שלהם עקב שינוי טמפרטורה, משתנה גם צבעם. דוגמא לחומר כזה: 

    איור 12 - גביש של תערובת Diethylammoniumchlorid, (C 2 H 5 ) 2 NH 2 Cl, Cuper(II)-Chlorid, CuCl 2 , שינוי הטמפרטורה מוביל להעלאת התנועה בתוך מולקולות אתיל 2 אמין 2, הן נמתחות ונוצר לחץ מכאני המוביל לשינוי במבנה הגבישי של החומר נחושת כלורי. המיתוג הזה נקרא מיתוג רמזור בגלל המעבר בין הצבעים אדום ירוק כתום.

מקורות:

  1. חברה שמייצרת צבעני לייקו גם מסבירה קצת על התהליך : www.chromazone.co.uk
  2. https://en.wikipedia.org/wiki/Thermochromism  
  3. http://onlinelibrary.wiley.com/enhanced/doi/10.1002/ckon.201310198 /
  4.   http://www.explainthatstuff.com/thermochromic-materials.html  
  5. טבעות מצב רוח: https://he.wikipedia.org/wiki/%D7%98%D7%91%D7%A2%D7%AA_%D7%9E%D7%A6%D7%91_%D7%A8%D7%95%D7%97  
דרג את הכתבהדירוג כתבה חומרים תרמוכרומיים - מה זה ואיך זה עובד?: 5 כוכבים
כוכב 12 כוכבים3 כוכבים4 כוכבים5 כוכבים
1 מדרגים
עבור לתוכן העמוד