Новым способом минимизации ущерба от неисправностей в различных конструкциях может стать разработка усовершенствованных методов для обнаружения повреждений до того момента как они становятся критическими. И в этом на помощь могут прийти материалы, которые меняют цвет при их повреждении.

Добавление специальных наночастиц в прозрачную полимерную смолу приводит к созданию "умного" материала , который меняет цвет при повреждении или же когда его состояние близко к разрушению. Такие материалы и назвали "материалами с изменчивым характером" (англ. " mood ring materials ", дословно – материалы для кольца настроения, которое меняет цвет в зависимости от температуры человека) объяснил Коул Брубэкер, докторант в лаборатории систем надежности (LASIR) университета Вандербильта (Vanderbilt University).

Материал меняет цвет в ответ на механическое воздействие.

Интеллектуальные технологии мониторинга являются в настоящее время одними из самых изучаемых вопросов в гражданской, механической и аэрокосмической технике. Эти вопросы в основном решаются разработкой сетей физических датчиков, которые прикрепляются к представляющим интерес конструкциям. Но данный подход имеет недостатки в виде высокой стоимости оборудования и сложной обработки полученных данных.
Исследователи LASIR пошли другим путем и включают люминесцентные наночастицы в сам материал, которые реагируют на механическое воздействие изменением своих оптических свойств. Такой подход позволяет создать новый тип системы мониторинга, которая является эффективной и экономически выгодной.

"В настоящее время существуют два способа, чтобы поддерживать все инфраструктурные объекты, от мостов до воздушных судов, в безопасности", - говорят исследователи. - "Один из них, когда люди постоянно проводят непосредственный осмотр конструкций. Проблема с этим состоит в том, что данный способ является трудоемким и люди не могут видеть очень маленькие трещины. Другой способ заключается во внедрении в контролируемый объект сложных сетей датчиков, которые непрерывно оценивают состояние конструкции и ищут небольшие трещины и обнаруживают их до того как они становятся слишком большими и начинают сказываться на безопасности конструкции. Проблема состоит в том, что такие сети являются очень дорогими и, в случае воздушных судов, добавляют много веса. Поэтому нам нужно каким-то образом изменить материалы, которые мы используем, чтобы выявить эти крошечные трещины."

Первоначальные исследования команды, показали, что добавление крошечных концентраций специальных наночастиц (от 1 до 5 процентов по массе) к оптически прозрачной полимерной матрице приводит к характерному изменению оптических свойств материала при воздействии на него широкого спектра сжимающих и растягивающих нагрузок.

Группа исследователей из университета Вандербильта не единственные кто использует наночастицы для создания "умных" материалов, но у них есть преимущество. Они используют особый тип наночастиц, называемый квантовая точка белого света. Эти квантовые точки являются уникальными, поскольку они излучают белый свет там, где другие квантовые точки только излучают свет на определенных длинах волн.

Эти специальные квантовые точки были случайно обнаружены в 2005 году в университете Вандербильта в ходе изучения квантовых точек на основе селенида кадмия.

Квантовые точки белого света обладают уникальными оптическими свойствами по сравнению с другими наночастицами, поскольку свечение белого света является поверхностным явлением. Когда такие наночастицы помещают в материал, то они реагируют на то, что происходит вокруг них.

В ходе предварительных испытаний стекловолокно и алюминиевые полосы покрывали полимерным покрытием, содержащим квантовые точки белого света, и подвергали их внешним нагрузкам различной интенсивности. Они установили, что интенсивность спектра излучения, испускаемого квантовыми точками, уменьшается по мере увеличения нагрузки.

График показывает, что спектр белого света квантовых точек в эпоксидной смоле на алюминиевых полосах уменьшается при увеличении растягивающей нагрузки на полосе.

(LASIR Lab / Vanderbilt)

"В механизме явления еще много неясного, но мы показали, что добавление этих квантовых точек в ультратонкие полимерные покрытия на металлических поверхностях может обеспечить заблаговременное предупреждение, когда основной металл получает какое-либо повреждение," – сказали исследователи.

Исследователи полагают, что квантовые точки излучают свет в широком спектре, потому что более чем 80 процентов атомов лежат на поверхности. Они также знают, что связь между поверхностными атомами и окружающими их молекулами играет решающую роль.

Таким образом, исследователи подтвердили, что материал может выступать в качестве нового вида тензодатчика, который постоянно регистрирует механическое воздействие на него.

Исследователи столкнулись и с рядом сложностей. Например, в ряде тестов эпоксидные цилиндры при сжатии деформировались в бочкообразную форму, а спектр излучения фактически увеличивался, а не уменьшался. Исследователи предполагают, что это произошло потому, что деформация сдавливала наночастицы ближе друг к другу и их концентрация в области деформации возрастала.

Кроме этого есть еще одна проблема, которую они должны будут решить, чтобы сделать работоспособную систему обнаружения повреждений. Квантовые точки страдают от засветки. То есть, когда они подвергаются воздействию света, они постепенно уменьшают свечение с течением времени. В результате, такой материал должен быть защищен от внешнего света.

"Существует много проблем, которые необходимо решить, прежде чем мы сможем создать "умный" материал, который готов к реальным приложениям, но тенденция положительна," – говорят исследователи.

Реальная съемка изменения цвета краски для волос под действием горячего воздуха

The Unseen / Vimeo

Термохромные пигменты - вещества или смеси веществ, изменяющие свой цвет в зависимости от температуры. Такой способностью обладают многие вещества, но как правило смена окраски требует очень больших температур и связана с фазовыми изменениями или химическими реакциями. Есть несколько классов веществ, для которых термохромные свойства хорошо выражены и проявляются при небольших температурах. Именно благодаря им в магазинах можно найти кружки, рисунок которых меняется под действием горячей воды, термометры и даже ткани.

Часто в роли термохромов используют жидкие кристаллы - вещества, молекулы которых упорядочиваются в колонны или листы, даже несмотря на жидкое агрегатное состояние. Температурные изменения влияют на размеры структур, например, ширину листов. Это отражается на оптических свойствах материалов. Второй класс термохромов - органические красители, способные обратимо изменять свою окраску из-за химических превращений. Примером таких соединений являются спиропираны - в структуре их молекул есть два кольца из атомов, соединяющихся в одном месте. При изменении температуры или кислотности среды кольца могут размыкаться, сильно меняя свойства и окраску вещества. Однако, как правило, такие красители оказываются токсичными для кожи, что ограничивает их применение.

Авторы разработки вдохновились сценой из фильма «Колдовство», в которой героини фильма с помощью заклинания изменяют цвет волос одной из них. Чтобы уменьшить токсичность краски разработчики использовали полимерные связующие. «Мы можем предотвратить вредные воздействия этих химических соединений с помощью процесса, называющегося “полимерная стабилизация”, в котором похожие на цепи молекулы (полимеры) обвивают раздражитель» - рассказывает Лорен Бокер, основательница компании.

Бокер разработала несколько красителей, меняющих свою окраску в разных температурных диапазонах. Точки перехода соответствуют переходу между комнатной и уличной температурой, или же соответствуют температуре тела человека. Среди разработанных составов есть черная краска, меняющая свой цвет на красный под действием горячего воздуха, есть краски, меняющиеся от черного к белому, от серебристого к бледно-голубому, от синего к белому и от черного к желтому.

Существуют и другие типы пигментов, меняющих окраску под действием внешних воздействий. Например, фотохромы меняют цвет под действием света, механохромы - при деформации, электрохромы - под действием электрического тока. Помимо использования этих веществ для оформления, ученые также пользуются превращениями соединений в фундаментальных целях. Так, год назад химики из Германии и Японии наноразмерные «ножницы», способные обратимо открываться и закрываться под действием света. В их основе лежала молекула ДНК, модифицированная фотохромным азобензолом.

Владимир Королёв

В интернете набирают популярность видео, демонстрирующее эффект необычной краски для волос, которая меняет цвет от нагревания феном. Причем кардинально! Совсем недавно компания по производству краски для волос Pravana выпустила линию «Vivids Mood Color», что можно перевести, как «краска яркого настроения». Согласно Allure.com, продукт не является именно что краской для волос. «Это временное средство, которое меняет цвет в зависимости от уровня тепла вокруг вас». Лиссетте Круз, менеджер по разработке продуктов Pravana, рассказала: «Уникальность заключается в том, что это первый в мире цвет, реагирующий на тепло. Это происходит очень быстро. Если вы выйдете на солнце, произойдёт изменение цвета. Любой порыв ветра может снова вернуть волосы обратно к первоначальному оттенку. В зависимости от изначального цвета, тепло может сделать жёлтый цвет зелёным, розовый — фиолетовым, платиновый оттенок — синим и так далее. Взгляните!

Компанией Provana разработана первая краска для волос, меняющая цвет при нагревании

«Когда ваши волосы магические».

Лиссетте Круз, менеджер по разработке продуктов Pravana: «Если вы выйдете на солнце, произойдёт изменение цвета. Любой порыв ветра может снова вернуть волосы обратно к первоначальному оттенку»

Важно также понимать ограничения этого продукта. Во-первых, он будет доступен только в специализированных салонах. И во-вторых, как и большинство красок для волос, он лучше всего работает на более светлых волосах.

Трудно переоценить роль различных красящих веществ. Все они облегчают нашу жизнь и делают ее более креативной. Но отдельно хочется упомянуть интересный и уникальный материал. Им является термохромная краска. Это довольно-таки редкий пигмент, но постепенно он становится более популярным. Его уникальные свойства позволяют применять его во многих областях, выполняя практичные и декоративные функции. Рассмотрим более подробно, что представляет собой этот красящий продукт.

Что это за краска?

Одной из основных характеристик термохромной краски является изменение цвета под воздействием нагрева или охлаждения. Смысл заключается в том, что пигмент реагирует на температуру окружающей среды. Порог чувствительности вещества в основном зависит от той сферы, в которой применяется. Чаще всего такая краска используется для печати этикеток и производства упаковок. Причем в зависимости от действующей температуры изображение будет либо исчезать, либо проявляться.

Характеристики и состав термохромной краски

Краска изготавливается из порошка специальных термохромных микрокапсул. Они имеют круглую форму, а в размере достигают от трех до десяти микрометров. Содержащиеся в краске цветовые пигменты могут быть представлены или в виде жидких кристаллов, или в виде лейкокрасителей. Сам же реактивный элемент позволяется смешивать с различными растворами. Например, с красками на акриловой, резиновой или масляной основе. Доля действующего вещества, как правило, составляет от пяти до тридцати процентов от общей массы готового продукта. Данная цифра зависит от требующегося результата.

Разновидности краски

Существует два основных вида термочувствительного пигмента:

1. Реверсивные краски. Они приобретают другой цвет при определенном температурном режиме. Когда он изменяется в обратную сторону, то пигмент возвращается к исходному оттенку. То есть это - обратимое преобразование цвета.

2. Нереверсивные краски. Они подобной особенностью не обладают. При повторном изменении температуры изначальный оттенок не восстанавливается. То есть пигмент может преобразовывать цвет только один раз.

Наибольшей популярностью пользуются, конечно, реверсивные термохромные краски. Их чаще всего применяют в медицине для контроля стерилизации хирургических приборов. Дополнительно в краску может быть добавлен фосфоресцирующий пигмент.

Типы термочувствительных пигментов

По способу изменения окраски пигменты, реагирующие на температуру, можно разделить на три типа:

1. Первоначально невидимые. Обычно при нагревании до 50-60 градусов они окрашиваются в определенный цвет. Например, в черный, красный, синий или зеленый. После охлаждения пигмент опять становится бесцветным.
2. Первоначально видимые. При достижении определенной температуры (от 7 до 60 градусов) цвет становится прозрачным. То есть, его не видно, но после пигмент возвращается обратно. Как правило, такие термочувствительные краски используются для офсетной и трафаретной печати.
3. Разноцветный пигмент. Один оттенок меняется на другой и обратно. Такие красящие средства применяются, когда на упаковку необходимо нанести зашифрованное сообщение или изображение. Проявляется оно только при нагревании или охлаждении.

Воздействие температуры

Краски, которые относятся к возвратным, после окончания действия тепла или холода возвращают свой пигмент в исходное состояние. При этом каждый вид эмали имеет характерную для него температурную активацию. Допустимый разброс составляет от - 15 до + 70 градусов Цельсия.

Рассмотрим, какой температурный режим подходит для тех или иных случаев:

• До +20 градусов. Используется для нанесения краски на посуду, предназначенную для прохладительных напитков.
• От +29 до +31 градуса. В этом температурном диапазоне находятся поверхности, которые меняют окрас под воздействием температуры тела (при соприкосновении с кожей). Такой эффект широко используется в рекламных целях, в журналах, на буклетах или футболках.
• Более +43 градусов. Такая температура используется для изделий, которые будут взаимодействовать с высокой температурой. Чаще всего делают печать на кружках и другой посуде для горячих напитков. В этом случае эффект смены цвета выполняет как декоративную, так и предупреждающую функцию.

Самой высокой температурой воздействия может быть 280 градусов Цельсия. Но специалисты рекомендуют обрабатывать поверхности при более низких показателях (около 230 градусов). Особенно это необходимо, если используются такие термочувствительные материалы, как текстиль или пластик.

Цветовая палитра

Оттеночная гамма, которая используется для термочувствительных пигментов, достаточно широка. Самыми ходовыми являются следующие цвета: красный, синий, розовый, голубой, желтый, зеленый, оранжевый, фиолетовый, черный и коричневый. Если применяются различные виды вещества, то пигмент меняется не на один, а на несколько цветов в зависимости от интенсивности воздействия температуры.

Сфера применения

Существует несколько основных практических задач краски, меняющей цвет от температуры:

• Появляющиеся надписи и рисунки при охлаждении или нагревании могут указывать на нарушение условий хранения при длительном воздействии температуры.
• Термочувствительный пигмент является способом защиты от подделок. Например, на документе, прошедшем через ксерокс, появляется скрытое слово.
• Определенный цвет, нанесенный на этикетку, может стать индикатором оптимальной температуры для потребления напитков и прочих продуктов питания.

Пигменты, реагирующие на холод или тепло, наибольшую популярность получили в пищевой промышленности. На этикетки помещают изображение, которое покрыто такой краской. Оно информирует о том, достиг ли продукт необходимого температурного режима при нахождении в печи или холодильнике. В том числе термохромную эмаль используют производители ликероводочной и пивной продукции. Этикетки, бутылки, наклейки и прочие атрибуты сигнализируют о том, достаточно ли охлажден напиток. Также получила применение термохромная краска в других сферах промышленности. Ее используют для изготовления керамической посуды (стаканов, чашек, тарелок). Пигмент применяют в различных видах пластика, силиконовой резине и других материалах для экструзии, литья под давлением, флексографии, шелкографии, трафаретной и офсетной печати.

Нанесение термочувствительной эмали

На различные поверхности красящий пигмент можно наносить различными способами: с помощью кисточки, губки, валика или краскопульта. То есть принципы нанесения ничем не отличаются от покрытия обычной эмалью. Самого качественного результата с минимальным расходом средства и равномерным покрытием можно добиться только при работе распылителем. Однако данный метод требует некоторых навыков и чаще всего используется профессионалами.

Как правило, 65 миллилитров термохромной эмали хватает примерно на квадратный метр поверхности. Но конечный расход будет зависеть от требуемой насыщенности цвета. Если пигментированное средство наносится на невпитывающие материалы (например, для печати на кружках), то его рекомендуется развести водно-дисперсионным лаком или любой акриловой эмульсией. В данном случае после этого краске необходимо дать несколько минут, чтобы она высохла. Также можно уменьшить время ожидания при помощи струи горячего воздуха.

Следует отметить, что термокраска обладает слабым уровнем УФ-защиты. Поэтому рекомендуется дополнительно использовать лак, который защитит покрытие и увеличит срок службы окрашенных слоев.

Также стоит упомянуть листовую печать. Поскольку такие пигменты имеют невысокую интенсивность, их следует наносить на добротный слой краски. Чтобы увеличить толщину подложки, печать изображения производят в несколько прогонов. Чаще всего используют нейтральные белые носители. Именно они позволяют достичь максимального цветового контраста. По этой причине не рекомендуется брать бумагу с сероватым или желтоватым подтоном для офсетной термохромной печати.

Растворители эмали

Удалить термохромную краску вполне возможно в домашних условиях своими руками. Ее можно соединять с такими веществами, как вода, ксилол, этанол, уайт-спирит и бутаноноксим. А с аммонием, ацетоном и пропил ацетатом данный пигмент несовместим. Эти материалы являются для краски растворителями.

Светостойкость термокраски

Следует отметить, что термохромные эмали крайне чувствительны к воздействию ультрафиолетового излучения. Практика показывает, что из-за солнечного света продукт буквально за неделю теряет все свои свойства. Более того, на краску негативно влияют внешние факторы. По этим причинам специалисты рекомендуют наносить поверх термохромного пигмента слой защитного УФ-лака (особенно при условии наружного использования). Это значительно продлит срок службы продукции.

Хранение краски, меняющей цвет

По описанным выше причинам термокраску рекомендуется хранить подальше от прямых солнечных лучей. В противном случае она потеряет свойство изменять цвет. Идеальным местом для хранения станет темное и сухое помещение. Также стоит учитывать, что срок годности качественной термочувствительной эмали составляет всего два месяца. После этого краска начинает преобразовываться в гелеобразное вещество, которое уже не подходит для использования по назначению.

Несмотря на свои интересные и необычные свойства, термохромная краска не получила массового распространения. Одной из главных причин тому является довольно-таки высокая цена и специфичность использования. В некоторых случаях это усложненная технология нанесения. Остается надеяться, что в будущем ситуация изменится, и уникальные красители станут более доступными для населения.

Многие владельцы автомобилей мечтают изменить свою технику, придать ей оригинальный вид, потому обращаются в мастерские для проведения тюнинга. Наряду с обычным окрашиванием машины в иной оттенок сейчас есть возможность сделать аэрографию, хромированное покрытие, наклейки. Существует даже краска, меняющая цвет – новый способ поменять облик авто до неузнаваемости.

Краска со сменой цвета – миф или реальность

Разработчики самых высококачественных лакокрасочных материалов (например, Candy) и представители мирового автопрома утверждают, что создано настоящее чудо – средство со способностью смены цвета. Разработки ученых в этой области вызывают множество противоречивых мнений. Самой обсуждаемой считается так называемая парамагнитная краска – полимерный состав, который меняет цвет под воздействием электрического тока за счет перемены расстояния между частицами металла.

Парамагнитная краска может обретать иной цвет лишь при включенном двигателе машины. Утверждается, что владелец сможет поменять оттенок на кардинально новый за секунду с пульта. К сожалению, попытки приобрести такой материал в магазинах или интернете оканчиваются неудачей. Подобными материалами окрашивают кузова самых дорогих машин, а также используют для маркировки самолетов, вертолетов. При этом свойства красок сильно преувеличены – они действительно могут менять оттенок, но на схожий, более светлый или темный, либо обретают металлический отсвет. Есть также теплочувствительные краски, стоящие дорого и применяемые только в промышленных условиях.

Виды меняющихся автоэмалей

Среди материалов для окраски автомобилей, которые могут внешне меняться, выделяют несколько групп. Одни из них обретают иной облик от температуры, другие – от работы магнита, в третьих пигменты изменяются от действия воды.

Термохромная краска

Термочувствительная эмаль – лакокрасочный материал, в основе которого присутствуют особо прочные полимеры, а также микроскопические частицы в виде гранул (лейкокрасители), способные менять окраску при температурном воздействии. Обычно при похолодании окружающей среды термокраска темнеет, а при потеплении – светлеет. Материал позволяет создавать красивый декор на кузове или полностью окрашивать его в эффектный цвет.

Термохромная краска выпускается в разных базовых цветах:

• черном;
• красном;
• желтом;
• синем;
• зеленом;
• фиолетовом.

Также материал бывает белым, его применяют для создания новых оттенков. Термоиндикаторная краска обладает отличными кроющими способностями, она не токсична, при этом после нанесения позволяет получить невероятные переливы цвета на кузове. Также к плюсам средства можно отнести улучшение терморегуляции салона за счет отражения и поглощения тепла при смене температуры.

У подобных материалов есть несколько недостатков:

• высокая стоимость;
• сложности с перекрашиванием машины в будущем;
• необходимость в ремонте всей детали при наличии даже минимальной царапинки, невозможность частичного окрашивания;
• трудности при регистрации автомобиля в контролирующих органах;
• высокая чувствительность к ультрафиолету, необходимость в применении особых лаков.

Гидрохромная краска

Гидроавтоэмаль, или гидрохромная краска – средство, способное поменять оттенок при попадании влаги на его поверхность. Основной эффект заключается в получении прозрачного покрытия после намокания, при этом в сухом виде автомобиль обычный, белый.

Чаще гидрохромная краска наносится только на отдельные детали или в форме рисунков, а часть кузова окрашивается в иной материал. В дождь машина обретет необычный облик, ведь декор станет проступать на основании. В основе гидроавтоэмали находятся особые красители в форме кристаллов, чувствительные к влаге.

Среди минусов применения краски следует указать такие:

• значительная цена;
• сложность работы при выполнении рисунков;
• небольшое количество цветов.

Парамагнитная краска

Электроэмаль, или парамагнитная краска – самая «продвинутая версия материалов, меняющих цвет. Краска в течение многих лет разрабатывалась брендом «Ниссан», который широко внедряет инновационные технологии в производство. Перед окраской на кузов наносят специальный полимер с добавлением окиси железа, за счет чего определенные участки машины могут немного изменять оттенок.

Особенности окрашивания

Подготовка автомобиля к окрашиванию должна быть тщательной, ведь после нанесения уникальных автоэмалей все дефекты, ямки и выпуклости будут отлично заметны. Поэтому с деталей полностью снимают предыдущий слой лакокрасочного материала, хорошо шлифуют поверхность. Используют растворители, обезжириватели, при необходимости – преобразователи коррозии. Последние потребуются для полного удаления ржавчины и зон коррозии, которые затем повторно шлифуют. Для этого используют шлифмашинку с регулировкой скорости вращения и с небольшим весом (для удобства работы).

Окрашивание проводят валиком, кистью, но профессионалы пользуются только распылителем-краскопультом. Аппарат позволит распределить слой краски равномернее. Материал можно наносить с применением разных оттенков, создавая рисунки, граффити, игру света и тени – по желанию владельца автомобиля.

В завершение работы выполняют прочное лаковое покрытие, обеспечивающее защиту от механического повреждения и снижающего риск быстрого выгорания цвета. После полируют поверхность кузова особыми насадками шлифмашинки. Через сутки автомобиль будет готов к эксплуатации, позволяя хозяину в полной мере насладиться его уникальностью!