Thermochromie

Zauberbecher von LG

Stimmungsring

Als Thermochromie bezeichnet man die Eigenschaft bestimmter Substanzen, bei Temperaturänderung die Farbe zu ändern. Dieser Vorgang ist reversibel, d. h. nach dem Abkühlen nehmen sie wieder ihre ursprüngliche Farbe an. Grund für diese Farbveränderungen sind Änderungen der Molekül- oder Kristallstruktur. Bekannt ist dieses Verhalten unter anderem bei den anorganischen Verbindungen Rutil und Zinkoxid, die ihre Farbe bei starkem Erhitzen von Weiß nach Gelb ändern.

Thermochromie ist bei organischen Verbindungen häufiger anzutreffen. Derartige chromophore organische Verbindungen, die auch thermochromes Verhalten zeigen, wechseln bei Temperaturänderung ihren Molekülzustand. Erstmals wurde ein solches Verhalten 1909 von dem Prager Chemiker Hans Leopold Meyer beobachtet. Eine einleuchtende Erklärung dieses Phänomens am Beispiel von Bixanthyliden- und Bianthronyliden-Derivaten wurde aber erst durch die Arbeiten von Harnik & Schmidt (1954) und Mills & Nyburg (1963) gefunden.

Beispiele

Neben den bereits oben erwähnten anorganischen Verbindungen Rutil und Zinkoxid weisen auch einige Edelsteine thermochromes Verhalten auf, ebenso einige Quecksilberverbindungen, insbesondere Quecksilber(II)-iodid und Silbertetraiodomercurat.

9,9'-Bixanthyliden und 10,10'-Bianthronyliden sind typische Vertreter organischer Verbindungen, die unter dem Einfluss von Temperatur ihre Farbe ändern. Die Farbänderung ist hier verbunden mit der Änderung in der Molekülstruktur. Die Molekülhälften an der zentralen Doppelbindung in diesen Verbindungen ändern sich beim Übergang von einer Pyramidalisierung zu einer Torsion.

Der Indikatorfarbstoff Bromthymolblau, eingebettet in eine pH-abhängige Polymermatrix, kann unter Umständen thermochrome Eigenschaften aufweisen. Die Matrix ändert bei Temperaturänderung den pH-Wert und bewirkt dadurch einen Farbumschlag des Indikators. Ein derartiges System wurde am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung entwickelt. Die lithiumchloridhaltige Polyethermatrix ist im Temperaturbereich von −5 bis +33 °C grün und wird darüber gelb.^[1]

Bis(diethylammonium)-Tetrachlorido-Cuprat(II) zeigt bei ca. 53 °C eine Fest-fest-Phasenumwandlung verbunden mit einem Farbumschlag von Grün nach Gelb. Ursache hierfür ist die veränderte Tetrachloro-cuprat-Komplexgeometrie.

Alle solvatochromen Farbstoffe (die Lösungsfarbe ist vom Solvens abhängig) verändern ihre Farbe, wenn man das Lösungsmittel erwärmt oder abkühlt. Das Besondere an diesem Phänomen ist, dass die Farbveränderung kontinuierlich und reversibel erfolgt.

Anwendung

Fieber-Schnelltest

Technisch eingesetzt wird dieser Effekt bei Temperaturmessfarben und Thermolacken. So kann anhand einer Farbskala aufgrund der Verfärbung des Lackes die Oberflächentemperatur eines Gegenstandes abgeschätzt werden. Üblich sind solche Sicherheitsanstriche in der Chemischen Industrie.

Ein anderes Anwendungsgebiet ist die Verpackungstechnik. Lebensmittelverpackungen können so beispielsweise eine Unterbrechung der Kühlkette oder eine Lagerung bei falschen Temperaturen auf dem Etikett anzeigen und somit den Verbraucher über die Qualität des Produktes informieren.

Ein neues vielversprechendes Anwendungsgebiet für die Thermochromie sind adaptive thermochrome Sonnenschutzgläser^[2]. Das sind Verbundgläser, bei denen zwei Glasscheiben mit einer Folie zusammenlaminiert sind. Die Folie enthält thermochrome Substanzen. Erwärmt sich das thermochrome Verbundglas, färbt sich die Folie ein. Es kommt weniger Licht durch das Verbundglas nach innen. Die Räume heizen sich nicht so stark auf. Außerdem wird die Blendwirkung der Sonne verringert. Ein freier Durchblick durch das thermochrome Verbundglas bleibt immer möglich. Typischerweise ändert sich die Lichttransmission einer thermochromen Verbundscheibe in Abhängigkeit von der Scheibentemperatur stufenlos zwischen etwa 80 % und 15 %. Thermochrome Gläser gehören zu den sogenannten intelligenten Gläsern.

Es gibt auch bekannte Anwendungsbeispiele aus dem Haushalt. Dazu gehören:

• Zaubertassen, die je nach Füllstand des (heißen) Getränks ein aufgetragenes Motiv verändern
• Aquarienthermometer, die als Thermofolie außen auf die Glasscheibe des Beckens geklebt werden

Thermokreiden auf Wachsbasis gibt es mit spezifizierten Umschlagsintervallen, etwa um auf Metall- oder Elektronikteilen Erwärmungen qualitativ und räumlich anzuzeigen. Um das Heißlaufen eines Lagers zu orten, um die Erhitzung durch Schweißen oder Löten einzugrenzen, einen Bauteil vor Überhitzen zu schützen oder aber passende Temperaturen für Härten und Anlassen oder Abbinden von Klebstoff zu erreichen.

Markierungen von der ASFINAG in Österreich - versuchsweise erstmals Herbst 2013 auf zwei Stellen in der Steiermark - auf Autobahnfahrbahnen aufgebracht sollen durch färbig werden Glatteisgefahr anzeigen. Von jeweils farblos grau soll das Schneekristall-Logo blau werden und der dreieckige Rahmen rot, wobei erste Veränderungen bereits bei 4 °C erkennbar werden sollen.^[3]

Anderes

Digitales Thermometer mit Farbskala

Um 1975 kamen streifenförmige Thermometer auf, zumindest etwa 2 cm breit und 15 cm hoch, mit übereinanderliegenden Feldern, z.B. von 15 bis 25 °C reichend, alle Felder zeigten schwarz doch eines zeigte transparent und einfärbig die Maßzahl der herrschenden Temperatur. Eventuell waren auch 1 bis 2 Nachbarfelder der steifen Kunststofffolie teilweise erhellt. Die Farben der Felder reichten von Blau für die niedrigste und regenbogenähnlich bis zu Rot und Lila für die höchste Temperatur. Nicht Thermochromie, sondern eine Reihe spezieller Flüssigkristalle, die jeweils bei einem bestimmten Celsius-Grad in einem schmalen Temperaturintervall transparent wurden, steckten hinter der meist im Auflicht funktionierenden Anzeige.

Wärmespuren

Verbrennen von Haut, Einbrennen in Holz und Papier hinterlassen je nach Temperatur und Dauer spezifische Spuren, die die Ursachen sichtbar und lesbar dokumentieren. Thermoplaste und Metalle beginnen sich unter Spannung - ausgelöst auch schon durch die Wärmeausdehnung allein - oder dem Eigengewicht zu verformen, zu fließen, Duroplaste verfärben sich, werfen Blasen auf, springen, weil Zersetzungsprodukte ausgasen. Reifengummi und Asphalt schmelzen unter Reibungswärme und zeigen dunkle Stellen. Nicht temperaturwechselbeständiges (Flaschen- oder Fenster-)Glas springt. Rohes Eiweiß denaturiert: Eiklar und Fleisch trüben und verfestigen sich. Schneeflocken packen zu einer Eisschicht zusammen. Glatte Werkstoffoberflächen können matt werden, Zierglas- oder Email-Pulver schmilzt zu einer glänzenden Schicht zusammen. Schrumpfschlauch schrumpft, ein heiß tiefgezogener Joghurtbecher aus Polystyrol wird flach, weil er sich die Ausgangsform "gemerkt" hat. Dosimeterkristalle entladen sich blitzend.

Literatur

• Meyer, Hans: In: Berichte der dtsch. Chemischen Gesellschaft Band 42, 1909, S. 143–145.
• Meyer, Hans: Über neue Derivate des Anthrachinons (erste Mitteilung über Zweikernchinone). In: Monatshefte für Chemie Band 30, 1909, S. 165–177.
• Schönberg, A.; Mustafa, A.; El-Din Sobhy, M.E.: Thermochromism of Dixanthylenes. In: Journal of the American Chemical Society Band 75, 1953, S. 3377–3378.
• Harnik, E.; Schmidt, G.M.J.: The structure of overcrowded aromatic compounds. Part I. A preliminary survey. Journal of the Chemical Society (London), 1954, S. 3288–3294.
• Harnik, E.; Schmidt, G.M.J.: The structure of overcrowded aromatic compounds. Part II. The crystal structure of Dianthronylidene. In: Journal of the Chemical Society (London), 1954, S. 3295–3302.
• Herbstein, F.H.; Schmidt, G.M.J.: The structure of overcrowded aromatic compounds. Part III. The crystal structure of 3,4-Benzophenanthrene. In: Journal of the Chemical Society (London), 1954, S. 3302–3313.
• Mills, J.F.D.; Nyburg, S.C.: Thermochromism and related effects in Bixanthenylidenes and Bianthronylidenes. I. Crystal structure analyses. In: Journal of the Chemical Society (London), 1963, S. 308–321.
• Mills, J.F.D.; Nyburg, S.C.: Thermochromism and related effects in Bixanthylidenes and Bianthronylidenes. II. General observations. In: Journal of the Chemical Society (London), 1963, S. 927–935.
• Muszkat, K.A.; Korenstein, R.; Sharafy-Ozeri, S.: Photochromism and thermochromism through partial torsion about an essential double bond. Structure of the B colored isomers of bianthrones. In: Journal of the American Chemical Society Band 95, 1973, S. 6177–6181.
• Seeboth, A.; Kriwanek, J.; Vetter, R.: Novel chromogenic polymer gel networks for hybrid transparency and color control with temperature. In: Advanced Materials Band 12 (Nr. 19), 2000, S. 1424–1426.
• Lemke, R.; Thermochromie bei Arylidenisophoron Abkömmlingen. In: Chemische Berichte Band 103, 1970, S. 3003–3005

Weblinks

Commons: Thermochromism – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Fraunhofer IAP - Abteilung Chromogene Polymere

Einzelnachweise