マイクロ波による物質の加熱と制御

　　マイクロ波は、日常生活でのマイクロ波オーブンとして毎日の生活に欠かせないものである。これは、マイクロ波の電場による、誘電性物質である「水」の加熱を利用したものである。

　　ところで、マイクロ波により水は加熱され、食塩を含む水はさらによく加熱される。ところが、固体である純粋な（食塩を含まない）氷は、マイクロ波では加熱できない。しかし、食塩を含む氷は加熱できる、つまり冷凍食品の解凍である。これらの加熱/非加熱過程は、マイクロ波の電場により生じ、かつすべて異なる機構で生じていることが、計算機シミュレーション法による研究で解明された。

　　一般に、電磁波は表皮効果のため金属表面で反射されて内部へ浸透しない。また光子としてのマイクロ波エネルギーは、レーザー光に比べて、極めて微弱である。このため金属加熱は原理的に不可能と思われてきた。ところが、２１世紀への変わり目に、粉体とした金属（サイズがミクロン程度）が、マイクロ波により、従来の熱伝導による熱炉に比べて1/100程度の時間と使用エネルギーで加熱、焼結できることが実験で示された（Roy et al., Nature 1999）。これを契機に、マイクロ波による加熱と新規応用の研究が、基礎学術と応用の両面で集中的に行われるようになった。


　　また、マイクロ波加熱は、電場だけでなく、マイクロ波の磁場成分でも、磁性をもつ物質が効率的に加熱・焼結でき、その結果得られる物質は新規素材として有用な性質をもつことが実験によりわかってきた。この現象が、磁鉄鉱の場合、3d軌道にある不対電子スピンの磁場に対する応答で生じることが、我々の理論研究で明らかとなった。

　　上記の磁鉄鉱（鉄鉱石の主成分）のマイクロ波による加熱は、高純度鉄の省エネルギーでの生産という重要な応用がある。これは応用のごく一部である。マイクロ波と物質の相互作用は、基礎学術において、電磁波と物質との相互作用という奥深い分野をなしている。


「マイクロ波励起・電磁非平衡反応場の科学」の特定領域研究（文部科学省）では、平成１８年度から２２年度で、以下の研究を集中的に行った。
(1) マイクロ波加熱のその場測定による実験的解明、
(2) 加熱と物質制御の物理機構の理論による解明、
(3) 小型省エネルギーのマイクロ波製鉄、
(4) 産業廃棄物の処理と貴金属の回収、
(5) 新規バルク素材の開発の研究。


　　このページでは、誘電体、金属、磁性体のマイクロ波による高い効率での選択的加熱（加熱物質が限定される）について、最近の理論による研究成果を紹介する。

和文記事：
マイクロ波による物質加熱の機構

誘電体：　
Microwave heating of water, ice and salt solution (J.Chem.Phys, 2007)

磁性体：
Microwave heating of magnetic metal oxides (Phys.Rev.B, 2009)

金属（非磁性）：
Absorption of microwave energy by compacted copper powder
irradiated at 2.45GHz (J.J.Appl.Phys., 2009)


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