Chemie na papíře - inkoust, který se dá vygumovat ohněm

Co mají společného kuličkové pero Frixion a čarovná sklenice, na které se objeví obrázek, když do ní nalijeme teplou tekutinu? Za všechno může zase jednou - chemie. (délka blogu 5 min.)

Je parné léto. Celé dopoledne jste do úmoru řešili nějaký zapeklitý problém a dělali si poznámky do bloku. Nebo se právě chystáte na nákup a na papírku máte poznámky o tom, co nesmíte zapomenout. V obou případech sedáte do auta a vyrážíte za svým cílem. Auto stálo na sluníčku - a vy nemáte (nebo máte poškozenou) klimatizaci. Když konečně dorazíte k cíli - jste jenom zničení vedrem. Vaše poznámky zmizely! Papír je prázdný. Zní to jako zlý sen - ale něco podobného se vám skutečně může stát, pokud používáte moderní kuličkové pero s inkoustem jménem Frixion.

Nepropadejte panice, vaše práce se dá ještě zachránit. Písmo na papíře se dá regenerovat … chladem. Vložte svůj blog do mrazáku. Po nějaké době bude papír zase popsaný. Co se tady vlastně stalo?

Termochromní inkoust

Záhadu vysvětluje složení těchto speciálních inkoustů. Obsahují totiž molekuly, kterým se říká termochromní.

Termochromie

je schopnost chemických látek měnit při různých teplotách barvu. Jedná se o vratný děj, při zahřátí se tedy takové inkousty změní, při ochlazení se ale znovu objeví jejich původní barva. Jev je způsoben změnami ve struktuře molekuly barviva. 

Typickým představitelem kuličkových per, jejichž inkoust mizí teplem - je Frixion od japonské firmy Pilot. Poznáte je jednoduše. Jejich zadní část je vybavená gumou na gumování. Použitý inkoust je skutečně tak citlivý, že pouhá změna teploty při intenzivnějším tření touto gumou vyvolá jeho zprůhlednění. Ve skutečnosti se tedy nekoná opravdové “gumování” - inkoust je i nadále přítomen. Jen už není vidět, protože se díky teplu (zhruba při 60 °C) stal průhledným. Když papír ochladíte na přibližně -10 °C, písmo se znovu objeví.

Termochromie není zrovna novinkou. Poprvé si tohoto jevu všiml pražský chemik Hans Leopold Meyer už v roce 1909.

Vysvětlení nalezli vědci Harnik a Schmidt (E. Harnik and G. M. J. Schmidt, The structure of overcrowded aromatic compounds. Part II. The crystal structure of dianthronylidene, J. Chem. Soc., 1954, 3295-3302, London) und Mills a Nyburg (J. F. D. Mills, S. C. Nyburg, 49. Thermochromism and related effects in bixanthenylidenes and bianthronylidenes. Part I. Crystal structure analyses, J. Chem. Soc., 1963, 308-321).

Používá se například v průmyslové výrobě tam, kde je potřeba varovat před vysokou teplotou nebo vysokou tepelnou zátěží různých součástek, ale také k výrobě zábavných předmětů, viz následující video.

Využívá se přitom určitého efektu - tzv. konformace.

Konformace

je v chemii termín označující různá uspořádání molekul jedné sloučeniny. Nejčastěji se vyskytuje u uhlovodíkových (organických) sloučenin. Konformační variabilita je možná díky vnitřní rotaci částí molekul kolem jednoduchých vazeb. Sloučeniny s dvojnou vazbou naopak tuto vlastnost ztrácejí.

Příkladem konformace může být zákrytová a nezákrytová konformace ethanu, nebo židličková a vaničková konfigurace cyklohexanu

Tepelně vystresovaný inkoust

V případě inkoustu typu Frixion se jedná o směs hned několika sloučenin. Jejich přesná jména můžete najít v patentu, který je volně přístupný na internetu (http://www.freepatentsonline.com/4028118.pdf).

Jedna z jeho komponent slouží jako vlastní barevná složka - a je schopna (podle aktuální situace) buď přijímat nebo odevzdávat protony. Chová se tedy jako chameleon - jednou je kyselinou a jindy je zásadou.

Takovéto sloučeniny mívají nezaměstnané elektronové páry (viz prosincové blogy o elektronovém hotelu) a mohou sloužit jako dárci elektronů.

Když taková látka pohltila proton a začlenila ho do své struktury, má určitou barvu. Když naopak proton odevzdá svému okolí, které po něm touží ještě víc než ona - zprůhlední.

Další komponenta (označovaná jako “B”) je naopak zásadou, která je ochotna si s barvící komponentou vyměňovat proton.

Třetí složkou (komponenta C) je rozpouštědlo obou předchozích látek. Používají se takové organické sloučeniny, které mají bod tání v požadovaném tepelném rozmezí. U inkoustu typu Frixion je to mezi 50 a 70 °C - to je totiž teplota, kterou je schopen člověk vytvořit pomocí “gumování” pryží, připevněnou na opačném konci kuličkového pera.

Při gumování se tedy rozpustí do té chvíle pevná sloučenina C, díky ní proběhne reakce mezi komponentami A a B - a inkoust se promění v průhlednou látku.

Tím se také vysvětluje, proč zmizí poznámky z bloku nebo nákupního seznamu, když ho necháme ležet na slunci.

Zpětná proměna začne probíhat při teplotách těsně pod bodem mrazu - tedy mezi 0 °C a -3 °C. Chemikálie se během ní vrátí do původního stavu, v jakém byly před zahřátím. K tomu, aby se tato chemická reakce dala do pohybu, je ovšem třeba dosáhnout určité tzv. aktivační energie. To je energie, která je potřeba k “předkousání” reagujících chemických komponent tak, aby byly schopné při chemické reakci vytvořit novou látku.