Matériau thermochromique
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Quels sont les matériaux thermochromiques ?
Les matériaux thermochromiques sont une sorte de substance qui peut changer de couleur en fonction du changement de température extérieure. Il présente un changement de couleur dans un aspect macroscopique. Lorsque la structure chimique ou physique change, la couleur change. Le changement de structure de la substance peut entraîner un changement des caractéristiques spectrales. C'est ainsi que se produit l'aspect macroscopique.
1.1 Catégories de matériaux thermochromiques
Lorsque nous parlons de matériaux thermochromiques non réversibles, nous entendons généralement un matériau qui peut subir un changement de couleur irréversible, car il ne peut enregistrer que la température la plus élevée qu'il a subie. Lorsqu'un matériau thermochromique est chauffé à un certain degré, sa couleur change. Au cours de ce processus, la couleur ne se récupère ni ne change. Ce type de matériau est ce que nous appelons des matériaux thermochromiques. Il existe de nombreuses catégories de matériaux thermochromiques non réversibles. Nous utilisons généralement des composés synthétiques tels que les pigments arylméthanes, les colorants azoïques, les pigments blancs à base d'acide, les dérivés du phénol, le violet de méthyle, ainsi que les sulfures, oxydes, nitrates, sulfates, phosphates métalliques (couvrant le molybdène, le baryum, le magnésium, le strontium, le cadmium, le nickel, le cobalt, le fer, le zinc, le chrome, le manganèse, le plomb).
1.2 Matériaux thermochromiques cholestériques réversibles
Les cristaux liquides cholestériques sont les principaux matériaux des matériaux thermochromiques cholestériques réversibles. Sa couleur peut changer car il a une structure en spirale. Dans cette structure, l'espacement entre les couches moléculaires est appelé pas de spirale. Le pas de spirale changera une fois que la température changera. Les cristaux liquides cholestériques avec un pas de spirale différent réfléchiront la lumière de longueur d'onde différente. C'est ainsi que les cristaux liquides cholestériques changent de couleur. Les cristaux liquides cholestériques sont les principaux matériaux pour les encres à cristaux liquides pour changer de couleur. Voici les détails spécifiques. Sa température de changement de couleur est relativement basse (23～42℃) et il est sensible au changement de couleur. Il peut être produit en ajoutant des agents de liaison après avoir été traité par microencapsulation. En générant une réaction aux interférences chimiques, son efficacité et sa sensibilité sont diminuées. En outre, il peut réaliser un changement de couleur réversible multicouche et continu. En ce qui concerne ses inconvénients, son coût de production est plutôt élevé, donc il est cher ; les conditions d'utilisation sont plutôt strictes, nous ne pouvons l'utiliser que sur un fond sombre ; La durée de stockage est courte en raison de sa faible stabilité. Ces caractéristiques des matériaux thermochromiques à cristaux liquides limitent leur promotion et leur application à grande échelle.
1.3 Matériaux thermochromiques inorganiques réversibles
Le matériau thermochromique inorganique réversible présente des avantages et des inconvénients. Tout d'abord, les avantages. Il utilise généralement des composants métalliques tels que des complexes de métaux de transition, des halogénures, des oxydes, des éléments métalliques, etc. Les matériaux thermochromiques inorganiques solides sont adaptés à une utilisation à une température supérieure à 200 °C. Son coût de fabrication est plutôt faible. D'autres avantages incluent des performances de fabrication solides, une stabilité thermique et une photostabilité robustes. Ensuite, nous arrivons à ses inconvénients. Sa couleur et sa température de changement de couleur sont difficiles à contrôler et, de plus, sa capacité de changement de couleur est limitée par ses propriétés intrinsèques. De plus, il est hautement corrosif et toxique. Par conséquent, son application n'est pas étendue.
1.4 Matériaux thermochromiques organiques réversibles
Il existe de nombreux matériaux appartenant aux matériaux thermochromiques organiques réversibles. Selon le nom des composés organiques, ils peuvent être classés en dérivés d'α-naphtoquinone, bisanthrones, spirooxindoles, fulgides, spiropyranes, phtaléines d'indolénine, phtaléines de triarylméthane, etc. Selon leurs éléments, ils peuvent être classés en deux catégories. La première catégorie est celle des matériaux thermochromiques composés à plusieurs composants. Ses avantages sont les suivants. Sa plage thermochromique est de 20 à 200 ℃. Ce type de matériau émerge comme un nouveau matériau. Son coût de fabrication est faible. Il est évident lorsque la couleur change, avec des caractéristiques de couleur vives et une grande sensibilité au changement de couleur. La deuxième catégorie est celle des matériaux thermochromiques monocomposants, qui se caractérisent par une seule substance.
Mécanismes thermochromiques des matériaux thermochromiques
2.1 Matériaux thermochromiques non réversibles
La température de fonctionnement des matériaux thermochromiques non réversibles est d'environ 30 à 1200 XNUMX °C. Lorsque la température augmente, les matériaux thermochromiques non réversibles présentent des changements chimiques et des changements physiques non réversibles. Les mécanismes de thermochromisme de ce type de matériaux sont les suivants.
- Réactions à l'état solide. Au cours de cette réaction, la couleur des réacteurs est totalement différente de celle des produits qui en résultent. Cette réaction se produit lorsque, à la même température, deux ou plusieurs composés mélangés entrent en réaction à l'état solide.
- Décomposition thermiqueLorsqu'elle est chauffée, la substance entre en réaction de décomposition thermique. La couleur de la substance change en raison de la différence de sa structure chimique avant et après la décomposition.
- Transformations oxydatives. Sous l'action de l'oxygène, certaines substances, lorsqu'elles sont chauffées, entrent dans des réactions d'oxydation et génèrent de nouveaux oxydes. Il y a un changement de couleur au cours de ce processus.
- Changement de couleur induit par la fusion. Dans certaines circonstances, les matériaux cristallins organiques entrent dans un état induit par la fusion. La structure des matériaux cristallins organiques est endommagée. Les particules cristallines sont actives et se déplacent à un niveau irrégulier. Les matériaux cristallins organiques passent d'un état solide non transparent à un état de fusion transparent. Il y a des changements de couleur apparents avant et après la fusion. Par exemple, il y a du dioxyde de titane et du diméthylaminoazobenzène.
2.2 Mécanisme de changement de couleur dans les matériaux à cristaux liquides thermochromiques réversibles
Les matériaux à cristaux liquides thermochromiques peuvent réfléchir de manière sélective la lumière polarisée de certaines bandes d'ondes et absorber la lumière de certaines bandes d'ondes. La couleur et la longueur d'onde de la lumière réfléchie et de la lumière transmise sur la surface du cristal liquide changent lorsque la structure en spirale se soustrait ou s'étend. La structure en spirale est sensible à la température et sa soustraction ou son extension sont grandement influencées par la température extérieure. Par conséquent, les matériaux à cristaux liquides thermochromiques peuvent, dans une certaine plage de températures, présenter de manière réversible une couleur dans toute une plage de lumière visible en même temps que le changement de température.
2.3 Mécanisme de changement de couleur dans les matériaux à cristaux liquides thermochromiques réversibles
2.3.1 Transformation de la structure cristalline
Les matériaux thermochromiques inorganiques réversibles subiront, sous certaines températures, des changements de couleur. Ils entreront également dans la transformation de la structure cristalline. Lorsque la température baisse, la couleur reviendra à son état d'origine et la structure cristalline reviendra également à son état initial. Pour la plupart des composés d'ions métalliques, leurs changements de couleur sont induits par la transformation de la structure cristalline. Par exemple :
2.3.2 Perte et réabsorption d'eau cristalline
Lorsqu'ils sont chauffés à une certaine température, les matériaux thermochromiques inorganiques réversibles contenant de l'eau cristalline perdent de l'eau cristalline et la couleur change. Lorsque la température baisse, les matériaux thermochromiques inorganiques réversibles recommencent à absorber l'eau de l'environnement extérieur, la couleur revient à son état d'origine. Par exemple :
2.3.3 Transfert d'électrons
Certains matériaux thermochromiques inorganiques réversibles subiront une réaction d'oxydoréduction sous une certaine température. Ce type de réaction permettra aux électrons de se transférer entre différents éléments, générant ainsi une nouvelle substance. Au cours de ce processus, la couleur changera. Par la suite, lorsque l'impact de l'environnement extérieur disparaîtra, la nouvelle substance disparaîtra également. La couleur reviendra à son état d'origine. Par exemple, la température à laquelle le revêtement chromotrope PbCrO4 change de couleur est d'environ 1000 °C. Au cours du processus de changement de couleur, il y a un changement de couleur distinct ; la couleur est réversible avec une précision assez élevée.
2.3.4 Modifications de la géométrie du ligand
Les matériaux thermochromiques organiques réversibles inorganiques présentent des différences de couleur prononcées. Mais leur propriété de résistance à la chaleur est solide. Ce type de matériau est stable dans ses attributs. Lorsque la température extérieure change, la géométrie du ligand de ce matériau subira des changements réversibles, entraînant ainsi un changement réversible de couleur. Par exemple :
2.4 Le mécanisme de variation de couleur des matériaux thermochromiques organiques réversibles
2.4.1 Mécanisme de transfert d'électrons
Lorsque la température extérieure change, il y a un transfert d'électrons à l'intérieur de la substance. La substance absorbe ou émet une certaine longueur d'onde de lumière, entraînant ainsi un changement réversible de la couleur de la substance. Ce type de matériaux thermochromiques qui possèdent un tel mécanisme de changement de couleur sont composés d'entités imitant les solvants, d'accepteurs d'électrons et de donneurs d'électrons. Prenons comme exemple le changement de couleur du bisphénol A et du lactone violet cristallisé.
Lorsque la température extérieure change, la réorganisation structurelle de ce type de matériaux thermochromiques subira un changement réversible, entraînant ainsi le changement réversible de la substance. Par exemple, lorsqu'il est chauffé, la réorganisation structurelle du complexe solide Ni(N, N'-diméthylvinyldiamine) 2(NO2)] (H2O) va changer. La couleur va passer du rouge au bleu comme illustré dans la figure ci-dessous.
［Ni( N,N'- diméthylvinyldiamine) 2 (NO2) ］
2.4.3 Interconversion tautomère
Le changement de couleur de ce type de matériaux thermochromiques réversibles peut être attribué à l'interconversion tautomérique de la forme cétone et de la forme énol. Ce type de matériau est principalement synthétisé par l'aldéhyde phénanthrène, le naphtalaldéhyde, les dérivés ortho-hydroxy du benzaldéhyde et leurs analogues respectifs. L'interconversion tautomérique de la salicylidène aniline est respectivement des formes cétoniques et des formes énoliques. Il existe un équilibre de sensibilité à la température entre les deux formes, comme le montre la figure ci-dessous. La salicylidène aniline est une sorte de composé avec une nature de base de Schiff et un squelette catécholique. Lorsque la température augmente, la structure énolique s'enrichit ; inversement, lorsque la température baisse, la structure cétonique diminue. Le changement de température entraîne le changement de couleur.
Le mécanisme du thermochromisme réversible dans la salicylidène aniline
2.4.4 Mouvement thermique des chaînes moléculaires
Ces dernières années, les matériaux thermochromiques réversibles issus de dérivés de polydiacétylène assemblés par des liaisons covalentes ou des interactions aromatiques et par des liaisons hydrogène renforcées ont été étudiés. De nombreux thermochromismes dérivés de polydiacétylène sont irréversibles. Les dérivés de polydiacétylène thermochromiques réversibles stratifiés assemblés par auto-organisation de liaisons hydrogène modifient leur teinte en réponse aux variations des conditions thermiques ambiantes. Lorsque la température extérieure change, le mouvement thermique de la chaîne moléculaire déclenche le changement de couleur. Pour les dérivés de polydiacétylène fabriqués en utilisant la méthode de photopolymérisation, lorsque la température augmente, la longueur du système conjugué se contracte. Ce processus entraîne le transfert du spectre d'absorption du bleu à l'orange. Lorsque la température baisse, la couleur redevient bleue.
Les chercheurs scientifiques ont déjà acquis des connaissances approfondies sur les matériaux thermochromiques après des centaines d'années d'exploration et de développement. Nous avons développé de nombreux matériaux thermochromiques, notamment des variétés polymères, cristallines liquides, organiques et inorganiques. Les produits de cette série ont été largement utilisés dans la vie quotidienne des gens et dans les secteurs industriels.
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Table des matières
- Quels sont les matériaux thermochromiques ?
- 1.1 Catégories de matériaux thermochromiques
- 1.2 Matériaux thermochromiques cholestériques réversibles
- 1.3 Matériaux thermochromiques inorganiques réversibles
- 1.4 Matériaux thermochromiques organiques réversibles
- Mécanismes thermochromiques des matériaux thermochromiques
- 2.1 Matériaux thermochromiques non réversibles
- 2.2 Mécanisme de changement de couleur dans les matériaux à cristaux liquides thermochromiques réversibles
- 2.3 Mécanisme de changement de couleur dans les matériaux à cristaux liquides thermochromiques réversibles
- 2.4 Le mécanisme de variation de couleur des matériaux thermochromiques organiques réversibles
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