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淺談溫變材料

生活科學趣談

一、感溫變色史萊姆

材料:白膠、飽和硼砂水溶液、可逆感溫變色油墨或溫變粉(崇裕科技淘寶網

製法:方法一方法二

本實驗中的感溫材料具有可逆的熱變色行為,但由於無法從廠商處得知其成分與分子結構,所以其詳細的變色原理就無從確定。至於物質能顯現顏色的機制,是低能階的電子在吸收某個波段的光而向高能階躍遷時,如果吸收的光恰好落在可見光區,則物質即能顯出吸收光顏色的互補色。因此若要改變物質顏色,就必須要改變某原子或離子的電子排列形態,亦即材料如果是屬於利用配位鍵結的化合物,當其中心原子或離子四周的配位幾何形狀與配位數若會因溫度而改變時,那麼這種化合物就能當作感溫材料來使用,這時的顏色改變是屬於化學變化,因為有發生電子的轉移。回憶以前唸國中時,國立編譯館的理化課本有提及「強熱氧化鋅會使其顏色由白轉黃,冷卻後恢復成白色」,書上提到這種變化是屬於物理變化,因為這時沒有電子的轉移而只是分子振動頻率的改變。然而也提及「會產生氣體、沈澱或變色者為化學變化」,這似乎有點矛盾?因為鐵在高溫時所呈現的紅色熔融狀態與固態時的顏色不同,這種改變就不是化學變化;而膽固醇型液晶片的顏色變化也僅是經由扭轉液晶軸所呈現的物理效應,這種改變應該也不是化學變化,因此產生顏色變化不一定都是化學變化(雖然大部分的例子都是)

二、膽固醇型液晶片

影音中的液晶片是使用苯甲酸膽固醇酯為材料,由於此種液晶具旋光性,其長軸會隨溫度產生不同程度的扭轉,因而呈現出不同的顏色。下圖為此種液晶的模型,其層狀結構的螺距會隨溫度而改變,左方是高溫狀態,右方則是低溫狀態

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其螺距的一半即為布拉格繞射公式中的晶格距離d,當2dsin90°=1λ時,符合最強反射光的波長λ即等於液晶的螺距,因此該色光就被反射而顯示出來

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當溫度上升時,由於上下層液晶分子間的扭轉角度變大,螺距因而縮短,使得膽固醇液晶的反射波段往短波長移動,因而呈現出紅→橙→黃→綠→藍→紫的顏色變化。由於其隨溫度變化所呈現的顏色不同,因此可應用於測溫用途。譬如市售一款紅酒所附的 Carl Mertens Wine Thermometer 即可顯示瓶身的溫度,藉以瞭解其是否處於這種酒類的適飲溫度

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溫變顏料的應用範圍非常廣泛:溫度計、高溫變色電線、溫變貼紙、溫變杯、溫變餐具、溫變玩具、溫變服裝…