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サーモクロミック材料とは何ですか?

サーモクロミック材料は、外部の温度変化に応じて色が変わる物質の一種です。マクロ的な観点から見ると、色の変化が現れます。化学構造や物理的構造が変化すると、色が変わります。物質構造の変化は、分光特性の変化につながります。これがマクロ的な現象が起こる仕組みです。

1.1 サーモクロミック材料のカテゴリー

非可逆性サーモクロミック材料とは、一般的に、非可逆的な色の変化を経験できる材料を指します。これは、経験した最高温度のみを記録できるためです。サーモクロミック材料を一定温度まで加熱すると、色が変わります。このプロセス中、色は回復も変化もしません。この種の材料は、サーモクロミック材料と呼ばれています。非可逆性サーモクロミック材料には多くのカテゴリがあります。一般的に使用されるのは、アリールメタン顔料、アゾ染料、酸性白色顔料、フェノール誘導体、メチルバイオレットなどの合成化合物、および硫化物、酸化物、硝酸塩、硫酸塩、金属リン酸塩（モリブデン、バリウム、マグネシウム、ストロンチウム、カドミウム、ニッケル、コバルト、鉄、亜鉛、クロム、マンガン、鉛を含む）です。

1.2 可逆コレステリック熱変色性材料

コレステリック液晶は、可逆性コレステリック熱変色性材料の主材料です。らせん構造になっているため、色が変わります。この構造では、分子層の層間間隔をらせんピッチと呼びます。温度が変化すると、らせんピッチが変化します。らせんピッチの異なるコレステリック液晶は、異なる波長の光を反射します。これがコレステリック液晶が色を変える仕組みです。コレステリック液晶は、液晶インクの色を変えるための主材料です。具体的な内容は次のとおりです。変化温度が比較的低く（23～42℃）、色の変化に敏感です。マイクロカプセル化処理後に結合剤を加えることで製造できます。化学干渉に反応することで、効力と感度が低下します。また、多層で連続的な可逆的な色変化を実現できます。デメリットとしては、製造コストがかなり高いため高価であること、使用条件がかなり厳しく、暗い背景でしか使用できないことが挙げられます。安定性が低いため、保存期間が短いなど、液晶サーモクロミック材料のこうした特徴により、その広範な普及と応用が制限されています。

1.3 可逆無機熱変色性材料

可逆性無機サーモクロミック材料には、長所と短所があります。まず、長所。通常、遷移金属錯体、ハロゲン化物、酸化物、金属元素などの金属成分を使用します。固体無機サーモクロミック材料は、200°C を超える温度での使用に適しています。製造コストはかなり低くなります。その他の長所には、製造性能が良好で、熱および光に対する安定性が強いことが挙げられます。次に、短所について説明します。色と変色温度を制御することはほとんど不可能であり、さらに、変色能力は固有の特性によって制限されます。さらに、腐食性と毒性が非常に強いため、用途は広くありません。

1.4 可逆性有機熱変色性材料

可逆性有機熱変色性材料に属する材料は数多くあります。有機化合物の名称によると、α-ナフトキノン誘導体、ビスアントロン、スピロオキシンドール、フルギド、スピロピラン、インドレニンフタレイン、トリアリールメタンフタレインなどに分類できます。要素によって、20つのカテゴリに分類できます。最初のカテゴリは、多成分複合熱変色性材料です。その利点は次のとおりです。熱変色範囲は200〜XNUMX℃です。この種の材料は、新素材として登場しています。製造コストが低く、色が変わると明らかで、鮮やかな色の特徴と色の変化に対する高い感度を備えています。XNUMX番目のカテゴリは、単一の物質を特徴とする単成分熱変色性材料です。

サーモクロミック材料のサーモクロミックメカニズム

2.1 非可逆性熱変色性材料

非可逆性熱変色性材料の動作温度は約30～1200℃です。温度が上昇すると、非可逆性熱変色性材料は化学変化と非可逆的な物理的変化を示します。この種の材料の熱変色性のメカニズムは次のとおりです。

固体反応。この反応中、反応器の色は結果として生じる生成物の色とはまったく異なります。この反応は、同じ温度で 2 つ以上の混合化合物が固体反応に入るときに発生します。

熱分解物質を加熱すると、熱分解反応が起こります。分解前後の化学構造の違いにより、物質の色が変化します。

酸化変換。酸素環境下では、加熱すると、一部の物質は酸化反応を起こし、新しい酸化物を生成します。このプロセス中に色が変わります。

溶融誘起色変化。特定の状況下では、有機結晶材料は溶融誘起状態に入り、有機結晶材料の構造が損傷します。結晶粒子は活性で、不規則なレベルで動きます。有機結晶材料は、不透明な固体状態から透明な溶融状態に変換されます。溶融前後で明らかな色の変化があります。たとえば、二酸化チタンとジメチルアミノアゾベンゼンがあります。

2.2 可逆熱変色性液晶材料の色変化メカニズム

サーモクロミック液晶材料は、特定の波長帯の偏光を選択的に反射し、特定の波長帯の光を吸収することができます。液晶表面の反射光と透過光の色と波長は、らせん構造が縮んだり伸びたりすると変化します。らせん構造は温度に敏感で、縮んだり伸びたりは外部温度に大きく影響されます。そのため、サーモクロミック液晶材料は、特定の温度範囲で、温度変化に合わせて可視光の全範囲で色を可逆的に表示することができます。

2.3 可逆熱変色性液晶材料の色変化メカニズム

2.3.1 結晶構造の変化

可逆性無機熱変色性材料は、一定の温度下では色が変化し、結晶構造も変化します。温度が下がると、色は元の状態に戻り、結晶構造も初期状態に戻ります。ほとんどの金属イオン化合物の場合、色の変化は結晶構造の変化によって引き起こされます。例えば；

2.3.2 結晶水の損失と再吸収

特定の温度に加熱すると、結晶水を含む可逆性無機サーモクロミック材料は結晶水を失い、色が変わります。温度が下がると、可逆性無機サーモクロミック材料は外部環境から水分を吸収し始め、色は元の状態に戻ります。例:

2.3.3 電子移動

一部の可逆性無機サーモクロミック材料は、特定の温度下で酸化還元反応を起こします。この反応により、電子が異なる元素間で移動し、新しい物質が生成されます。このプロセス中に、色が変わります。その後、外部環境の影響がなくなると、新しい物質も消えます。色は元の状態に戻ります。たとえば、PbCrO4クロモトロピックコーティングが色を変える温度は約1000°Cです。色の変化プロセス中に、色がはっきりと変化します。色はかなり高い精度で可逆的です。

2.3.4 リガンド構造の変化

無機可逆有機サーモクロミック材料は、色に顕著な違いがあります。しかし、耐熱性は良好です。この種の材料は、その特性が安定しています。外部温度が変化すると、この材料の配位子形状が可逆的に変化し、色が可逆的に変化します。例:

2.4 有機可逆熱変色性材料の色変化メカニズム

2.4.1 電子移動機構

外部温度が変化すると、物質内部で電子移動が起こります。物質は特定の波長の光を吸収または放射し、物質の色が可逆的に変化します。このような色変化メカニズムを持つこの種のサーモクロミック材料は、溶媒模倣体、電子受容体、電子供与体で構成されています。ビスフェノール A とクリスタルバイオレットラクトンの色変化を例に挙げてみましょう。

外部温度が変化すると、この種の熱変色性材料の構造再編成は可逆的な変化を起こし、物質の可逆的な変化につながります。たとえば、加熱すると、固体錯体Ni（N、N'-ジメチルビニルジアミン）2（NO2）の構造再編成が起こります。^](H2O)が変化します。下の図に示すように、色が赤から青に変わります。

［Ni(N,N'-ジメチルビニルジアミン)2(NO2)］

2.4.3 互変異性体相互変換

この種の可逆性熱変色性材料の色の変化は、ケトン形態とエノール形態の互変異性相互変換に起因する可能性があります。この種の材料は、主にフェナントレンアルデヒド、ナフトアルデヒド、ベンズアルデヒドのオルトヒドロキシ誘導体、およびそれぞれの類似体によって合成されます。サリチリデンアニリンの互変異性相互変換は、それぞれケトン形態とエノール形態です。下の図に示すように、2つの形態の間には温度感受性のバランスがあります。サリチリデンアニリンは、シッフ塩基の性質とカテコール骨格を持つ化合物の一種です。温度が上昇すると、エノール構造が豊富になり、逆に温度が下がると、ケトン構造が減少します。温度の変化は色の変化につながります。

サリチリデンアニリンの可逆的サーモクロミズムのメカニズム

2.4.4 分子鎖の熱運動

近年、共有結合や芳香族相互作用、強化された水素結合によって組み立てられたポリジアセチレン誘導体による可逆的なサーモクロミック材料が研究されています。ポリジアセチレン誘導体のサーモクロミックの多くは不可逆です。水素結合の自己組織化によって組み立てられた層状の可逆的なサーモクロミックポリジイン誘導体は、周囲の熱条件の変化に応じて色調を変えます。外部温度が変化すると、分子鎖の熱運動によって色の変化が引き起こされます。光重合法を使用して作られたポリジアセチレン誘導体の場合、温度が上昇すると共役系の長さが収縮します。このプロセスにより、吸収スペクトルが青からオレンジ色に変わります。温度が下がると、色は青に戻ります。

科学研究者は、100 年にわたる探究と開発を経て、すでにサーモクロミック材料に関する深い知識を身に付けています。当社は、ポリマー、液晶、有機、無機のさまざまなサーモクロミック材料を開発してきました。このシリーズの製品は、人々の日常生活や産業分野で幅広く応用されています。