前一段时间，爱惟一公司原创密室逃脱用到了一只变色杯作为道具，加入热水显示出解谜的线索。当时，有师弟师妹问我这个材料专业的博士生，变色杯表面究竟是使用了什么材料才能实现这样的功能。我这个人，是很能讲故事的，所以我当场就说，我不知道……之后我查了一些资料，对变色杯的认识算是加深了一些，今天就和大家分享一下。
可以变色的骨瓷杯
首先要澄清一点，变色杯之所以能变色，绝不是杯子自身的发光。虽然材料在高温下确实可以向外辐射可见光，但这需要上千度的高温，绝非热水所能实现。事实上，大多数的变色杯，都是在陶瓷杯子基体上印刷了一层热致变色的染料，通过反射外界光源来显示颜色。因此，变色杯的原理，显然就是热致变色现象（Thermochromism），染料在常温和高温下（相对的，其实就是热水的温度，不超过100°），分子结构和电子结构都发生变化，对可见光的吸收带发生变化，从而表现出不同的颜色。
人们对热致变色现象的认识已经有相当长的历史，1871年，科学家就在CuI中发现了热致变色现象，此后，人们陆续在金属、金属氧化物、复盐、络合物、有机物、液晶以及聚合物等很多种类的物质中都观察到了热致现象。其中，有机物热致变色材料的变色温度范围宽，变色区窄，颜色组合多，色彩鲜艳，综合性能最优，应用范围也最广。而目前应用较多的有机热致变色材料主要包括：螺吡喃类、荧烷类、三芳甲烷类，吩噻嗪类、席夫碱类、双蒽酮类等等。下面的图片简单的表现了有机热致变色材料在不同温度下结构的变化。
刚才提到了，热致变色材料在温度变化时会发生结构变化，我们现在来具体看一下可能出现的结构变化：
（1）晶体结构变化，大部分无极热致变色材料都是通过晶体结构的变化实现变色，例如碘化物等，但晶体结构的变化在温度较低时通常比较缓慢，因此这类材料变色的可逆性往往不甚理想；
（2）配位场的变化，络合物热致变色材料通常是这样的，例如(CH3)2CHNH3CuCl等，小分子配体或者结晶水的变化产生颜色的变化；
（3）分子结构的变化，有机物通常在温度变化时会出现分子结构的变化，从而实现颜色的变化，例如席夫碱类物质等，上图就是对氨基苯基汞双硫腙盐分子结构的变化示意图；
（4）电子转移平衡，自身不具有热致变色性质的物质，与其他物质混合后，可以通过相互之间的电子得失实现颜色变化，例如结晶紫内酯和双酚A的混合物；
（5）分子间质子得失，主要包括酸碱指示剂类物质，温度导致酸式结构和碱式结构之间的相互转化，从而实现颜色变化，例如酚红和月桂酸的混合物；
与其他很多技术一样，热致变色现象最早也是在军工和重工技术中应用的。例如，根据环境温度变化而改变表面颜色的“变色龙”坦克，热致变色迷彩服，热交换机的温度检测，电气回路过热预警系统，防伪标识、温控调光玻璃等等，热致变色材料在这些领域已经取得了广泛应用。
随着技术的发展和成本的降低，热致变色材料也逐渐的应用到了日用品当中，例如家用电器的温度指示，变色奶瓶汤匙等等，而变色杯正是其中一个典型。虽然我现在仍然不能确定变色杯所使用的材料，但根据资料，我判断电子得失类的酚类物质可能性比较高。选择适当的热致变色染料绘制出适当的图案，再通过印刷、水转印或热转印等方式将图案印刷在陶瓷杯子上，经过热处理和抛光，就可以得到一只漂亮的变色杯。
现在，我们花20块钱就能在淘宝爱惟一礼品商城上买到图案可以自主设计图案的变色杯，不过端起杯子喝水的时候，不要忘了背后这些有趣的科学道理。
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