Materiales que cambian de color con el calor

Una taza que cambia de color no cambia porque el colorante se calentó. Algo adentro se derritió. Esa sola frase es la razón por la que vale cuarenta minutos este experimento termocrómico para niños con una taza y un termómetro de cocina: puedes encontrar la temperatura exacta donde cambia, y después descubrir que al enfriarse vuelve a cambiar a una temperatura distinta, un efecto físico real llamado histéresis que casi nunca se le menciona a un niño. Solo necesitas un objeto que cambie de color y un termómetro.

Puntos clave

• Van a encontrar la temperatura exacta de cambio de un objeto termocrómico y después medirla otra vez mientras se enfría.
• Enseña termocromismo: dos mecanismos distintos, uno un interruptor químico disparado por una fusión y otro un cristal líquido que se desenrolla.
• Ideal de 7 a 13 años; la medición de histéresis va bien desde los 11.
• El error típico es meter el objeto en agua caliente y adivinar. Hacen falta pasos de 5 °C y un termómetro.
• Los anillos del humor y las tiras de frente funcionan por un mecanismo totalmente distinto al de las tazas, y se distinguen a simple vista.

Lo que vas a necesitar

Material	Cuánto	Dónde conseguirlo	Si no lo tienes
Un objeto de colorante leuco: taza, cuchara, popote o esmalte que cambia de color	1	Alacena, tienda de a peso	Pigmento o lámina termocrómica de tienda de manualidades; algunas latas traen etiqueta que cambia con el frío
Un objeto de cristal líquido: anillo del humor, tira de frente, termómetro de acuario	1	Farmacia, tienda de mascotas	Sáltalo, aunque la comparación del Paso 5 es lo mejor
Termómetro de cocina o digital, 0 a 60 °C	1	Cocina o farmacia	Termómetro de acuario más una jarra medidora
Tazones o tazas	5	Cocina	Reusa uno y cambia el agua
Hielo	Una charola	Congelador
Agua caliente de la llave y del hervidor	1 litro en total	Cocina
Cuaderno y pluma	1	Cajón
Cámara del celular	1	Bolsillo	Para fotografiar cada paso con la misma luz

Nada de esto es alérgeno y nada se come.

Tiempo: preparación 10 min, experimento 35 min, limpieza 5 min Costo: nada si ya tienes una taza que cambia de color; si no, lo que cuesta una tira termométrica Nivel de desorden: bajo, con una toalla debajo de los tazones

Haz el experimento termocrómico para niños

Paso 1 - Arma una escalera de temperaturas

Prepara cinco tazones a unos 5, 15, 25, 35 y 45 °C: el agua con hielo da el primero, la llave fría el segundo, y mezclando sale el resto. Mide cada uno y anota los números reales, no los que querías. Nada arriba de 50 °C.

Lo que deberías ver: cinco tazones cuyas temperaturas reales nunca son las que apuntabas. Anotar el número real es el hábito que separa medir de adivinar.

Paso 2 - Calienta el objeto por pasos y anota el color en cada uno

Empieza con el objeto a temperatura ambiente. Mételo 20 segundos al tazón más frío, sácalo, fotografíalo y anota el color; luego al siguiente, y así. Déjalo dentro lo suficiente para que su superficie llegue a la temperatura del baño: segundos para una cuchara delgada, cerca de un minuto para una taza de cerámica.

Lo que deberías ver: nada en los primeros dos o tres tazones, y después un cambio en una banda sorprendentemente angosta, muchas veces de dos o tres grados. En casi todos los objetos comerciales cae entre 28 y 35 °C, la temperatura del cuerpo, porque así lo quiso el fabricante.

Paso 3 - Acota bien la temperatura de cambio

Ahora cierra el cerco. Prepara baños con un grado de diferencia en el rango donde viste el cambio y encuentra la temperatura más baja a la que el color ya desapareció por completo. Anota ese número como temperatura de cambio al calentar.

Lo que deberías ver: un umbral bastante nítido. Si el cambio es gradual a lo largo de diez grados o más, probablemente tienes un objeto de cristal líquido y no de colorante leuco, que es la distinción del Paso 5 llegando temprano.

Paso 4 - Enfríalo por pasos y encuentra la temperatura otra vez

Este es el paso que hace el experimento. Calienta el objeto hasta que el color desaparezca por completo y después baja la escalera en pasos chicos, buscando la temperatura más alta a la que el color ya regresó por completo.

Lo que deberías ver: un número más bajo que el del Paso 3, normalmente de 2 a 8 °C menos. El color se va a una temperatura y regresa a otra más fría. Esa brecha es la histéresis, es reproducible, y tu hijo la acaba de medir con un termómetro de cocina.

Paso 5 - Compara los dos tipos lado a lado

Calienta los dos objetos juntos, despacio, de 20 °C a 40 °C, y observa qué hace cada uno.

Lo que deberías ver: la taza o la cuchara hace un solo cambio, normalmente de oscuro a pálido o de un color a otro. El anillo del humor o la tira de frente recorre una secuencia de colores, muchas veces de rojizo a verde a azul mientras se calienta. Dos mecanismos completamente distintos, visibles a simple vista en una sola comparación.

Qué está pasando en realidad

El termocromismo es un cambio de color con la temperatura, y casi todo lo que puedes comprar usa uno de dos mecanismos que tienen muy poco en común.

El primero, el de las tazas, cucharas, esmaltes y camisetas, es un sistema de colorante leuco. Dentro de cada microcápsula, de unos pocos micrómetros, hay tres ingredientes: un colorante que puede ser coloreado o incoloro, un revelador que suele ser un ácido débil, y un solvente con un punto de fusión elegido con cuidado. Cuando el solvente está sólido, colorante y revelador están unidos como complejo, y ese complejo tiene color. Calienta por encima del punto de fusión y el solvente se vuelve líquido, disuelve al revelador y lo separa del colorante, que se relaja a su estado incoloro. Enfría y todo se vuelve a unir. Seeboth, Lötzsch, Ruhmann y Muehling describieron esta química en Chemical Reviews en 2014.

O sea que la temperatura que midieron en el Paso 3 no es una propiedad del colorante: es el punto de fusión de un solvente escogido por un químico. Por eso un fabricante puede hacer que una taza cambie a 45 °C y una calcomanía de frente a 37 °C con el mismo colorante.

Eso también explica la histéresis del Paso 4. Fundirse y congelarse no son imágenes espejo: un volumen chiquito de solvente sellado en una cápsula no tiene de dónde nuclear un cristal, así que se sobreenfría y se queda líquido por debajo de su propio punto de fusión hasta que algo dispara la cristalización. El color regresa entonces a una temperatura más baja de la que se fue, y el ancho de ese lazo es un parámetro de diseño.

El segundo mecanismo, el de los anillos del humor y los termómetros de frente, es un cristal líquido termocrómico. Un nemático quiral tiene un arreglo molecular helicoidal, y el paso de esa hélice cambia con la temperatura. La estructura refleja la longitud de onda que coincide con ese paso, así que al calentarse el color recorre el espectro de forma continua. El trabajo de Sage describe cómo se diseña esto en películas indicadoras. Nada se derrite y no hay reacción: una estructura se desenrolla.

Dos cosas que conviene corregir. Primero, un anillo del humor no lee tu humor: lee la temperatura de tu dedo, que se relaciona vagamente con el flujo de sangre periférico y por lo tanto con el estrés, pero es un termómetro mal calibrado con buen marketing. Segundo, estos materiales se desgastan. Los colorantes leuco se degradan con la luz ultravioleta y con los ciclos repetidos, y por eso una taza vieja cambia débilmente y la pintura termocrómica no se usa en exteriores sin protección.

Cómo explicárselo a tu hijo

De 5 a 8 años

Mantenlo concreto y olvídate de la química. Dentro de la taza hay millones de burbujitas selladas, demasiado chicas para verlas, y dentro de cada una hay algo que se derrite cuando se calienta, como la mantequilla. Cuando se derrite, el color se apaga; cuando se vuelve duro, el color regresa. Déjalos hacer el remojo y las fotos. La idea que quieres que quede es que el color tiene un interruptor y el interruptor es la temperatura.

De 9 a 12 años

Introduce termocrómico y haz los pasos 2 y 3 como medición de verdad. Armen una tabla de dos columnas con temperatura y color, y dibújenla como una tira de cuadritos de color sobre un eje de temperatura. Después hagan el Paso 4 y agreguen el renglón de enfriamiento abajo. La brecha visual entre los dos puntos de cambio es el hallazgo. Pídele que prediga si otro objeto termocrómico va a tener la misma temperatura de cambio, y después pruébenlo.

De 13 en adelante

Dale el sistema leuco de tres componentes como un equilibrio químico desplazado por un cambio de fase del solvente, y la histéresis como consecuencia del sobreenfriamiento en una gota confinada. Después contrástalo con el mecanismo del paso helicoidal nemático quiral, donde no hay ninguna reacción. La investigación que vale la pena: medir el ancho de la histéresis en tres objetos distintos y preguntarse si los más delgados tienen lazos más angostos, lo que lleva al problema real de distinguir retraso térmico de histéresis genuina.

La pregunta que debes hacer: “Si metemos la taza al congelador y luego directo a agua de 40 °C, ¿el color cambiaría a la misma temperatura que medimos? Dime qué esperas y por qué”.

Por qué enseñar esto temprano vale la pena

Los niños aprenden muy temprano que el color es una propiedad estable de los objetos, y ese modelo es lo bastante útil para que lo parchen en lugar de reemplazarlo cuando algo lo contradice. El trabajo de Vosniadou y Brewer sobre modelos mentales describe exactamente ese patrón. Una taza que cambia de color es una contradicción limpia, y ver a un niño intentar acomodarla te dice mucho sobre cómo piensa.

También hay beneficio concreto más adelante. El cambio de fase, el punto de fusión y la idea de que la temperatura desplaza un equilibrio químico son contenido de química de secundaria. Los cristales líquidos están en todas las pantallas que tu hijo mira, y entender que su comportamiento óptico depende del arreglo molecular es la puerta de entrada a cómo funciona un LCD.

El Framework for K-12 Science Education nombra “planear y llevar a cabo investigaciones” entre sus prácticas, y la escalera de temperaturas con sus dos puntos de cambio es eso. Un límite honesto: esto enseña un mecanismo, no una habilidad. Lo que hace es que una clase futura sobre equilibrio se sienta como la descripción de algo real.

Antes de empezar: lo que los papás deben saber

Edad ideal	De 7 a 13. La medición de histéresis del Paso 4 pide la paciencia de unos 11 años, aunque los más chicos disfrutan el remojo y las fotos
Supervisión	El adulto maneja el hervidor y mezcla los baños tibios. Lo demás no necesita supervisión
Riesgos reales	El agua caliente es el único. Mantén todos los baños por debajo de 50 °C, que sobra porque los termocrómicos comerciales cambian cerca de la temperatura del cuerpo, y mezcla con frío antes de que entre cualquier mano. Los objetos termocrómicos no son comida: que nadie mastique un popote o una cuchara que cambia de color como parte del experimento, y manos lavadas al final
No hagas esto	No metas una taza termocrómica al microondas ni un anillo del humor a agua hirviendo para apurar las cosas. Los pigmentos termocrómicos se degradan con calor muy por debajo de la ebullición y vas a arruinar el objeto de forma permanente. Tampoco raspes el recubrimiento para ver el pigmento: las cápsulas son todo el mecanismo

Cuando no funciona

• No cambia de color a ninguna temperatura. O el objeto no es termocrómico, o ya se desgastó. Los pigmentos se degradan con luz ultravioleta y con los ciclos, y una taza que vivió tres años al sol puede estar muerta.
• El cambio ocurre pero no logras fijar una temperatura. El objeto no alcanzó la temperatura del baño: la cerámica gruesa tarda cerca de un minuto. El retraso térmico se ve igual que una transición difusa.
• No medí histéresis. Casi siempre es el mismo problema al revés: leíste el punto de enfriamiento antes de que el objeto se equilibrara. Ve más despacio, con pasos de 1 °C y 30 segundos de espera.
• El color regresó en parches. Es normal en una taza, porque el grosor del recubrimiento varía y la temperatura local también. Fotografía siempre el mismo parche y juzga de ahí.
• El anillo del humor se puso negro y ahí se quedó. Los dispositivos de cristal líquido se dañan con la entrada de agua y con el calor. Muchos anillos baratos no son herméticos, así que pruébalos en el aire sobre un baño tibio y no dentro.

Para llevarlo más lejos

Mide el desgaste. Toma dos objetos termocrómicos idénticos, deja uno en una ventana con sol dos semanas y el otro en un cajón, y mide la temperatura de cambio y el contraste de los dos. La degradación por luz ultravioleta se documenta en quince días.

Grafica el lazo de histéresis. Anota el estado de color como número de 0 a 5 en cada grado desde 20 hasta 45 °C al subir, y después en cada grado al bajar. Grafica las dos curvas juntas: te sale un lazo, que es como se ve una curva de histéresis en cualquier campo que la use. Combina bien con nuestro experimento de aislamiento térmico, donde la temperatura es la variable medida y no la controlada.

¿Y en América Latina?

El objeto termocrómico es lo único que hace falta conseguir, y la región está llena de ellos y baratos. En las tiendas de a peso y los puestos de mercado de México, Colombia, Perú y Chile encuentras cucharas, popotes y vasos que cambian de color por muy poco, y los esmaltes termocrómicos están en cualquier tienda de cosméticos. Para el lado de cristal líquido, la tira de frente se vende en cualquier farmacia.

Lo que hay que vigilar es la temperatura ambiente, porque cambia cuál extremo de la escalera cuesta más. En Barranquilla, Guayaquil, Mérida o Lima en verano el aire ya está a 30 °C o más, así que el objeto puede estar permanentemente del lado “caliente” y tendrás que empezar con agua helada para ver el color original. En Bogotá, Quito o La Paz, con ambiente de 10 a 18 °C, el problema es el opuesto y vas a necesitar el hervidor. Anota la temperatura del cuarto al principio: es parte del experimento.

La altura casi no afecta, porque los baños nunca hierven; la única diferencia es que a 2.600 o 3.600 metros el agua del hervidor sale más fría, lo que aquí ayuda. Para una feria de ciencias, el lazo de histéresis graficado destaca, porque casi nadie presenta un resultado en forma de curva cerrada. Si quieres más experimentos medibles, nuestra guía de química de cocina para niños tiene varios.

Qué observar en los próximos 3 meses

• Semana 4: empieza a detectar termocrómicos en la vida real: un biberón con indicador de calor, una etiqueta de bebida que cambia con el frío, el papel térmico de los tickets.
• Mes 2: usa bien la frase “punto de fusión” sobre algo que no es hielo, un paso más grande de lo que suena.
• Mes 3: vale la pena alentar la pregunta de si un material podría cambiar de color con la luz o con la presión. Las respuestas son fotocrómico y piezocrómico, y los dos existen.

Preguntas frecuentes

¿Los anillos del humor de verdad leen el humor?

No. Leen la temperatura de la piel. El flujo de sangre periférico cambia con el estrés, así que hay un vínculo indirecto y flojo, pero como instrumento es un termómetro mal calibrado. Probarlo contra un termómetro real, como en el Paso 5, es la forma más rápida de cerrar la discusión.

¿Por qué dejó de funcionar nuestra taza que cambia de color?

Los colorantes leuco se degradan, sobre todo por luz ultravioleta y en parte por calentarse y enfriarse muchas veces. Una taza que vive al sol pierde contraste en uno o dos años. No hay forma de recargarla: las moléculas del colorante cambiaron químicamente.

¿Se puede hacer material termocrómico en casa?

No de forma real. Microencapsular un colorante, un revelador y un solvente escogido con precisión es química industrial. Lo que sí puedes es comprar pigmento termocrómico en polvo y mezclarlo con pintura acrílica, que es un proyecto muy bueno.

¿Es seguro si un niño mastica un popote que cambia de color?

Trátalos como objetos que no se mastican durante el experimento y laven manos al final. Los artículos termocrómicos de contacto con alimentos cumplen su norma para su uso previsto, pero un objeto que pasó por cinco tazones de agua ya no está en su uso previsto. Nada de este experimento necesita entrar a una boca.

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Sobre el autor

Ricky Flores es el fundador de HiWave Makers e ingeniero eléctrico con más de 15 años de experiencia desarrollando tecnología de consumo en Apple, Samsung y Texas Instruments. Escribe sobre cómo los niños aprenden a construir, pensar y crear en un mundo saturado de tecnología. Lee más en hiwavemakers.com.

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Fuentes

1. Seeboth, A., Lötzsch, D., Ruhmann, R., & Muehling, O. (2014). “Thermochromic Polymers: Function by Design.” Chemical Reviews, 114(5), 3037–3068. https://doi.org/10.1021/cr400462e
2. Seeboth, A., Ruhmann, R., & Mühling, O. (2010). “Thermotropic and Thermochromic Polymer Based Materials for Adaptive Solar Control.” Materials, 3(12), 5143–5168. https://doi.org/10.3390/ma3125143
3. Sage, I. (1992). “Thermochromic Liquid Crystals in Devices.” En Liquid Crystals: Applications and Uses, 301–343. World Scientific. https://doi.org/10.1142/9789814360432_0005
4. Vosniadou, S., & Brewer, W. F. (1992). “Mental models of the earth: A study of conceptual change in childhood.” Cognitive Psychology, 24(4), 535–585. https://doi.org/10.1016/0010-0285(92)90018-W
5. National Research Council. (2012). A Framework for K-12 Science Education. National Academies Press. https://doi.org/10.17226/13165
6. National Institute of Standards and Technology. “NIST Chemistry WebBook.” https://webbook.nist.gov/chemistry/