กลไกการให้ความร้อนสามารถแบ่งได้เป็นได้เป็น 3 ประเภท ดังนี้
1. Dipolar Polarisation
Dipolar Polarisation เป็นขั้นตอนการให้ความร้อนแก่โมเลกุลมีขั้ว โดยโมเลกุลจะพยายามสั่นตามการสั่นของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า แต่ด้วยแรงระหว่างโมเลกุลและแรงเฉื่อยทำให้โมเลกุลเกิดการเคลื่อนที่แบบสุ่มจนทำให้เกิดความร้อน
สิ่งสำคัญของกลไกนี้ คือ ช่วงความถี่ของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่ทำให้โมเลกุลเกิดการสั่นจะต้องมีค่าเพียงพอที่จะทำให้เกิดอันตรกิริยาระหว่างโมเลกุล ถ้าความถี่มีค่าสูงเกินไปจะทำให้แรงระหว่างโมเลกุลไปหยุดการเคลื่อนไหวของโมเลกุลก่อนที่มันจะเคลื่อนที่ไปตามสนาม หรือถ้าความถี่มีค่าต่ำเกินไปทำให้โมเลกุลมีเวลาเพียงพอที่จะเรียงตัวเองให้สามารถเคลื่อนตามสนามได้โดยไม่เกิดการเคลื่อนที่แบบสุ่ม
2. Conduction Mechanism
สนามแม่เหล็กไฟฟ้าจะทำให้อิเล็กตรอนหรือไอออนในตัวนำไฟฟ้าเกิดการสั่นจนกลายเป็นกระแสไฟฟ้าซึ่งส่งผลให้เกิดค่าความต้านทานไฟฟ้าภายในทำให้ตัวนำร้อน ข้อจำกัดของวิธีการนี้ คือ ไม่เหมาะสำหรับวัสดุที่มีสภาพการนำไฟฟ้าสูง
3. Interfacial Polarisation
วิธีการนี้เป็นการรวมเอาวิธี Conduction และวิธี Dipolar Polarisation เข้าด้วยกัน เพื่อใช้งานในระบบที่ตัวอย่างเป็นวัสดุนำไฟฟ้ากระจายตัวอยู่ในวัสดุที่ไม่นำไฟฟ้า เช่น การกระจายตัวของโลหะในกำมะถัน กำมะถันไม่ตอบสนองต่อไมโครเวฟ ส่วนโลหะจะสะท้อนพลังงานของไมโครเวฟ แต่เมื่อนำสารทั้งสองมารวมกันจะกลายเป็นวัสดุที่ดูดกลืนไมโครเวฟได้เป็นอย่างดี โดยโลหะจะต้องอยู่ในรูปผง ตัวอย่างจะดูดกลืนและทำให้เกิดความร้อนได้ด้วยวิธีการ Dipolar Polarisation กำมะถันที่อยู่รอบๆ ผงโลหะจะประพฤติตัวเสมือนเป็นตัวทำละลายสำหรับโมเลกุลมีขั้ว และต้านการเคลื่อนที่ของไอออนด้วยแรงที่มีค่าเท่ากับอันตรกิริยาระหว่างโมเลกุล ทำให้ไอออนเกิดการเคลื่อนที่แบบสุ่มจนเกิดความร้อนขึ้น
เครื่องมือ
เครื่องมือที่ใช้เทคนิคของไมโครเวฟนั้นสามารถแบ่งได้เป็น 2 ประเภท คือ แบบ Single-mode และแบบ Multi-mode
เครื่องมือแบบ Single-mode
เครื่องมือที่เป็นแบบ Single-mode จะสร้างรูปแบบของคลื่นนิ่งที่เกิดจากการแทรกสอดของสนามที่มีขนาดของ แอม พลิ จูด เท่ากัน แต่มีทิศทางการสั่นที่แตกต่างกัน
ปัจจัยสำคัญที่ควบคุมการออกแบบเครื่องมือแบบ Single-mode คือ ระยะห่างของตัวอย่างจากแมก นิตรอน โดยจะต้องมั่นใจว่าตัวอย่างถูกวางในตำแหน่ง ปฏิ บัพของคลื่น
ข้อจำกัดของเครื่องมือแบบนี้ คือ สามารถใส่ขวดตัวอย่างได้เพียงขวดเดียวต่อการฉายรังสีครั้งหนึ่งๆ อย่างไรก็ตาม หลังจากที่ปฏิกิริยาเกิดขึ้นจนเสร็จสมบูรณ์ สารผสมจะเย็นตัวอย่างรวดเร็วด้วย compressed air เครื่องมือเหล่านี้สามารถย่อยสลายสารได้ประมาณ 0.2-50 มิลลิลิตรในขวดแบบปิด (250 องศาเซลเซียส ที่ 20 บาร์) และที่ปริมาตรประมาณ 150 มิลลิลิตรในขวดแบบเปิด ข้อดีของเครื่องมือแบบนี้ คือ ให้อัตราความร้อนที่สูง (ทั้งนี้เป็นเพราะตัวอย่างถูกวางไว้ในตำแหน่ง ปฏิ บัพของไมโครเวฟ) แต่ในแบบ Multi-mode ความร้อนที่ได้จะเป็นความร้อนเฉลี่ย
เครื่องมือแบบ Multi-mode
เครื่องมือแบบ Multi-mode จะมีส่วนประกอบที่จะทำให้ไม่เกิดคลื่นนิ่งภายใน แต่จะทำให้เกิดลักษณะ chaos (ความไม่เป็นระเบียบ) ให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ยิ่งรังสีมีการกระจายออกมากเท่าไหร่ก็จะยิ่งทำให้เกิดความร้อนมากขึ้นเท่านั้น Multi-mode สามารถให้ความร้อนแก่ตัวอย่างหลายๆ ขวดได้พร้อมกัน
ข้อจำกัดของเครื่องมือแบบนี้ คือ เมื่อรังสีกระจายรอบๆ ตัวอย่าง การควบคุมความร้อนของตัวอย่างจะทำได้ไม่ดีนัก
ข้อดี
เปรียบเทียบกับวิธีการให้ความร้อนทั่วๆ ไป การให้ความร้อนด้วยไมโครเวฟทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาเพิ่มขึ้น 10-1,000 เท่า ความร้อนที่ได้มีประสิทธิภาพสูง ช่วยในเรื่องของการประหยัดพลังงาน เพราะไมโครเวฟจะทำให้ตัวอย่างร้อนเท่านั้น ไม่ทำให้ส่วนประกอบอื่นๆ ของตู้ร้อน จึงไม่มีการสูญเสียพลังงานไปในส่วนนี้
การแผ่รังสีของไมโครเวฟจะให้ค่า yields ที่สูงกว่าวิธีการให้ความร้อนแบบอื่นๆ และให้ความร้อนที่เป็นรูปแบบ การให้ความร้อนทั่วๆ ไปนั้น ผนังของอ่างน้ำมันจะถูกทำให้ร้อนก่อนตัวทำละลาย ทำให้ความร้อนกระจายตัวในอ่างน้ำมัน ส่งผลให้อุณหภูมิของอ่างและตัวทำละลายมีความแตกต่างกัน แต่การให้ความร้อนด้วยไมโครเวฟจะมีเพียงตัวทำละลายและอนุภาคที่ถูกละลายเท่านั้นที่ถูกกระตุ้น จากคุณสมบัติข้อนี้ทำให้สามารถวางขวดบรรจุสารที่ตำแหน่งใดก็ได้ภายในเตา
การให้ความร้อนที่เฉพาะเจาะจงแก่ตัวอย่างนั้นมีพื้นฐานมาจากหลักที่ว่า สารต่างชนิดกันจะมีการตอบสนองไมโครเวฟที่ต่างกัน สารบางประเภทจะยินยอมให้ไมโครเวฟทะลุผ่าน ในขณะที่บางประเภทจะดูดกลืน ตัวอย่างเช่น ในการผลิตโลหะซัลไฟด์ การให้ความร้อนทั่วๆ ไปจะใช้ระยะเวลานานหลายสัปดาห์ ถ้ามีการเร่งการให้ความร้อนอย่างทันทีอาจทำให้กำมะถันระเบิดได้ ในขณะที่การให้ความร้อนด้วยไมโครเวฟ ตัวกำมะถันจะไม่ดูดกลืนไมโครเวฟ แต่ตัวโลหะจะได้รับความร้อน ดังนั้น ปฏิกิริยาสามารถสิ้นสุดได้อย่างรวดเร็วโดยไม่ทำให้เกิดการระเบิด
ดังนั้น ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นสามารถทำซ้ำใหม่ได้มากกว่าวิธีการให้ความร้อนแบบอื่น เพราะการให้ความร้อนมีความเป็นรูปแบบและมีการควบคุมตัวแปรต่างๆ ได้ดีกว่า และสามารถตรวจวัดอุณหภูมิของปฏิกิริยาเคมีได้ง่าย นอกจากนี้ ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นจะสะอาดและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม เพราะไมโครเวฟจะให้ความร้อนแก่ตัวอย่างโดยตรง ดังนั้นสารที่ใช้แล้วจึงสามารถลดปริมาณลงหรือกำจัดออกได้ และช่วยลดความไม่บริสุทธิ์ของผลิตภัณฑ์ที่ได้จากปฏิกิริยาที่มีการเติมสารที่มีความเป็นพิษลงไป
ข้อจำกัด
ข้อจำกัดของเครื่องมือ ได้แก่ จะสามารถให้ความร้อนได้เฉพาะตัวอย่างที่มีการดูดกลืนไมโครเวฟเท่านั้น ปริมาณของสารที่เครื่องมือสามารถรองรับได้ในตอนนี้ยังอยู่ในระดับกรัมเท่านั้น จึงเป็นโจทย์สำคัญให้ผู้ผลิตทำการพัฒนาเครื่องมือให้สามารถนำไปใช้งานในระดับอุตสาหกรรมใหญ่ๆ ได้
นอกจากนี้อาจเกิดอันตรายขึ้นจากการใช้งาน แม้ว่าผู้ผลิตจะมีการป้องกันอันตรายที่อาจเกิดขึ้นด้วยวิธีการต่างๆ แล้ว แต่ก็ยังไม่สามารถควบคุมปฏิกิริยาที่อาจเกิดการระเบิดของสารระเหยภายใต้เงื่อนไขความร้อนยิ่งยวดได้ หรืออย่างในปฏิกิริยาของกรดซัลฟิวริกอาจไปทำลายขวดบรรจุสารที่ทำจากโพลิ เมอร์ ด้วยอุณหภูมิของปฏิกิริยาที่เพิ่มขึ้นถึง 300 องศาเซลเซียสในระยะเวลาอันสั้น
การใช้งานไมโครเวฟอาจส่งผลต่อร่างกายได้ โดยในช่วงความถี่ต่ำไมโครเวฟจะสามารถทะลุผ่านชั้นผิวหนัง ส่วนในช่วงความถี่สูงจะทะลุผ่านอวัยวะต่างๆ ซึ่งการที่ร่างกายได้รับไมโครเวฟเป็นระยะเวลานานอาจทำให้เนื้อเยื่อและเซลล์ของร่างกายตายและไม่สามารถสร้างขึ้นใหม่ได้ หรืออาจจะไปทำลายสายดีเอ็นเอได้
เทคโนโลยีของไมโครเวฟได้กลายมาเป็นเทคโนโลยีทางเลือกในการเตรียมตัวอย่าง และการย่อยสลายสารอินทรีย์ และอนิ นท รีย์ ที่มีความแข็งมาก ในตอนหน้าติดตามกันต่อกับพัฒนาการของเครื่องย่อยสลายตัวอย่างด้วยไมโครเวฟในปัจจุบัน
เอกสารอ้างอิง
1. Mike Taylor , Shuwan Singh Atri , Sonal Minhas , Developments in Microwave Chemistry, 30 March 2005 , http://www.rsc.org/images/evaluserve_tem18-16758.pdf.
2. David Barcay , Microwave Digestion Moves into the 21st Century, Today's Chemist at work, 28-32, March 2004.
3. http://www.chemistry.sc.chula.ac.th/corse_info/2302548/Wk11.pdf.
4. H. M. Skip Kingston, Peter J. Water, W. Gray Engelhart , Patrick J. Parsons, Chapter 16 Chemical Laboratory Microwave Safety, http://www.sampleprep.duq.edu/dir/mwavechap16/mwave.htm.
