Vi sóng có bƣớc sóng nằm trong khoảng từ 1 mm đến 1 m, tƣơng ứng với dải tần số trong khoảng từ 0,3 đến 300 GHz. Vi sóng đƣợc phát hiện đã lâu (1946), tuy nhiên, mãi đến năm 1986, bức xạ vi sóng mới đƣợc áp dụng trong hóa học để tổng hợp các loại vật liệu. Tƣơng tác giữa vi sóng và vật chất dẫn đến sự đốt nóng vật và th c đẩy các phản ứng hóa học. Sự đốt nóng vật bằng vi sóng thƣờng đƣợc giải thích nhờ hai cơ chế chủ yếu, phân cực lƣỡng cực điện (dipolar polarization mechanism) và cơ chế dẫn (conduction mechanism) [9, 25, 30].
Cơ chế phân cực lưỡng cực điện
Trong các phân tử chất lỏng có cực (polar liquid) nhƣ nƣớc, methanol, ethanol, v.v… thƣờng có các momen lƣỡng cực điện. Các momen lƣỡng cực điện
⃗
Hình 1.6. Các phân tử lưỡng cực quay để định hướng theo điện
trƣờng ngoài dao động tuần hồn, các phân tử lƣỡng cực có xu hƣớng quay để định hƣớng theo điện trƣờng nhƣ chỉ ra trên hình 1.6. Điện trƣờng ngoài sẽ cung cấp năng lƣợng cho chuyển động quay đó.
Trong chất khí, các phân tử nằm cách nhau rất xa, vì thế sự định hƣớng theo điện trƣờng của các phân tử lƣỡng cực xảy ra rất nhanh, gần nhƣ tức thời. Trong chất lỏng, sự định hƣớng tức thời theo điện trƣờng bị cản trở bởi tƣơng tác giữa các phân tử lƣỡng cực nằm gần nhau. Khả năng định hƣớng theo điện trƣờng của các phân tử trong chất lỏng phụ thuộc mạnh vào tần số dao động của điện trƣờng và độ nhớt của chất lỏng.
Cơ chế dẫn
Dƣới tác dụng của điện trƣờng tần số rất cao, do tƣơng tác giữa các phân tử, các lƣỡng cực không bắt kịp sự dao động của điện trƣờng, do đó ch ng đứng yên, khi đó khơng xảy ra q trình truyền năng lƣợng và khơng có nhiệt tỏa ra. Nếu tần số dao động của điện trƣờng rất thấp, các phân tử có thể quay cùng pha với điện trƣờng, nghĩa là các phân tử sẽ phân cực một cách đồng đều và khơng có một chuyển động hỗn loạn nào đƣợc sinh ra, do đó cũng khơng có nhiệt tỏa ra. Nếu tần số dao động của điện trƣờng có giá trị trung gian, nhƣ tần số trong dải vi sóng, thì hiện tƣợng xảy ra sẽ khác hai trƣờng hợp nêu trên. Thực vậy, đối với dải vi sóng tần
⃗
số dao động của điện trƣờng đủ thấp để các lƣỡng cực có đủ thời gian phản ứng và quay theo điện trƣờng. Tuy nhiên, tần số của điện trƣờng cũng không thấp đến mức để sự quay của các lƣỡng cực bắt kịp, nghĩa là cùng pha với điện trƣờng. Nói cách khác, dao động của các lƣỡng cực luôn trễ pha so với điện trƣờng. Trong trƣờng hợp này, chuyển động hỗn loạn đƣợc sinh ra do ma sát và va chạm giữa các phân tử lƣỡng cực sẽ làm cho năng lƣợng bị mất mát và gây ra nhiệt, làm nóng các chất lỏng có cực.
Nếu mẫu đƣợc chiếu bức xạ vi sóng là vật dẫn điện, thì các hạt tải điện (electron, ion, v.v…) sẽ dao động trong mẫu dƣới tác dụng của điện trƣờng và gây ra độ phân cực. Dòng điện cảm ứng sinh ra khi đó sẽ làm nóng mẫu vì điện trở.
Nếu mẫu dẫn điện rất tốt, nhƣ kim loại chẳng hạn, thì hầu hết năng lƣợng của vi sóng khơng thể xun qua, mà phản xạ trên bề mặt của mẫu.
Ƣu và nhƣợc điểm của phƣơng pháp vi sóng
Ưu điểm:
- Tốc độ phản ứng nhanh, thời gian chế tạo mẫu ngắn.
- Bình chứa khơng hấp thụ vi sóng vật liệu bên trong đƣợc làm nóng trực tiếp làm nóng vật liệu ở bên trong. Gradient nhiệt đồng đều ở bên trong khối chất lỏng nên mẫu tạo thành có độ đồng đều cao.
Nhược điểm: khó kiểm sốt đƣợc nhiệt độ của chất lỏng trong quá trình chế
tạo mẫu.