JEMEA Bulletin Vol.8 No.1 (2023.2)

特別企画
マイクロ波「加熱」研究の今後に関する話題
The Future of Microwave Heating Research
東北大学大学院工学研究科応用化学専攻 福島 潤
Department of Applied Chemistry, Graduation School ofEngineering, Tohoku University Jun Fukushima〒980-8579 宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉 6-6-07,
e-mail: jun.fukushima.d5@tohoku.co.jp
1. はじめに
マイクロ波と「熱」は切っても切れない関係にある。

か？一方で化学反応は原子・分子スケールで生じる現電子レンジの例を持ち出すまでもなく、マイクロ波を象であり、このスケールでの選択加熱（温度を定義でき吸収する物質にマイクロ波を照射すれば材料の温度はるかという点も議論はある）が生じるかどうかはマイ上がるため、マイクロ波が「熱」に変わることは当たり

クロ波の化学を理解する上で重要な意味を持つ。

前の現象である。あまりにも当たり前の現象であるた

本稿では、選択加熱とマイクロ波加熱そのものを取め、マイクロ波を用いて温度を上げることをマイクロり上げ、今後の研究に関する話題を提供したい。

波「加熱」と呼んでいるし、それで問題が無いようにも2. 選択加熱のサイズ感思える。
辞書を開いてみると、加熱とはその文字の通り「熱を電子レンジで水を温めると 100 ℃を超えるが、カッ加える」ことであると書いてある。果たしてマイクロ波プは持てる温度のままである。このとき、水とカップのは「熱」だろうか？マイクロ波は電磁波であるから、こ間に選択加熱が生じており、その温度勾配は熱伝導則れは明らかに違うだろう。では、マイクロ波「加熱」とに則った形で温度差が生じている。バルクの水がいう言葉は、そのまま直訳するとマイクロ波によって100 ℃、カップが 40 ℃とすると、選択加熱による温度熱を加えるということになってしまうが、マイクロ波差は 60 ℃となるが、お湯とカップの界面では連続的にそのものは電磁波であるため、電磁波エネルギーを加温度が変化していると考えられ、その勾配全体のスケえた結果、熱が生じたという解釈をすることになる。たールは cm から mm のオーダーであると推測できる。

だ、後でも論じるが、マイクロ波という出発点と温度が単純に温度勾配は線形的であるとし、仮に 1 cm のスケ上がった物質という、最初と最後はわかるが、途中の物ールで 60 ℃の温度差が生じていたとすると、60 ℃/cm

理現象はそれほどはっきりした描像がない。ここにマ＝ 6 ℃/mm ＝ 0.006 ℃/µm である。つまり、µm スケイクロ波「加熱」の難しさがあるように思う。

ールではほぼ温度差がないと言ってよく、この温度差さらに、自己発熱、急速加熱、体積発熱、選択加熱とに起因した新しいµm スケールの現象は無いと考えら言ったマイクロ波加熱の特徴に関しても、明確なケーれる。果たしてこれはすべてのケースに当てはまるだ

スと、不明確なケースが存在する。例えば、選択加熱はろうか？

cm スケールでは明らかに生じているが、mm スケール、µm スケール、nm スケール、原子・分子スケールと考2-1. ミリスケールの選択加熱

えていくと、どれだけ小さなスケールまで生じているミリスケールの選択加熱はサーモグラフィで観測でか明確に答えられるケースは少ないのではないだろう

きる。ここでは一例として、SnO2 膜へのマイクロ波照7

JEMEA Bulletin Vol.8 No.1 (2023.2)µm スケールにおける選択加熱に関して、SiC ロッド射時に生じるミリスケールの温度差を紹介する。
図 1 に、石英基板上の SnO2 膜がマイクロ波照射によを ZrO2 粉末に埋め込み加熱した系でも論文が報告さり選択加熱された際の写真を示す。厚さ 1 mm の石英れている 2)。サーモグラフィの結果から、加熱領域が繊基板を使用しているが加熱されておらず、写真では判維状の形となっており、SiC ロッドが選択的に加熱さ別しづらい状態となっている。図 1 から分かる通り、れていることを示している。

SnO2 膜のみ赤熱しており、高温となっている。また、他にも、酸化鉄の炭素熱還元におけるµm スケール選SnO2 膜中でも加熱温度にムラがある様子がわかる。こ択加熱や Y2O3-γFe2O3 系におけるµm スケール選択加の写真からは 1 mm 以下のスケールで温度勾配がつい熱の例を学会で報告しており、このスケールでの選択ているようにも思えるが、数µm のスケールで温度勾配加熱も存在するという証拠が積み上がっている。

が生じていると強く主張することは難しい。このスケ

ただ、このスケールの温度差を実際に測定するにはールの空間分解能を持つサーモグラフィは市販されて条件がある。まず、µm スケールの材料を混合している

おり、比較的簡便に温度勾配を知ることができる 1)。読系ではその放射率を粉末毎に指定することは困難であ者の方々もこのスケールでの選択加熱は実感として存るため、二色温度計（もしくは全色温度計）が必要であ在するだろうという感触はあると思う。

る。また、石英を透過させつつ温度を測定する場合、センサーの関係で対象温度が高くなりがち（500 ℃以上）

2-2. µm スケールの選択加熱である。さらに、空間分解能をより高めるために顕微レ

それでは、µm スケールで選択加熱は生じるであろう

ンズを導入すると、更に高温からしか測温できない。以か。図 2 に、球状のアルミナ（Al2O3）をカーボンロッ

上から、混合粉末の高温プロセッシングが興味の第一ドと混合し、2.45 GHz マイクロ波照射をした際のミク候補となるため、固相合成および固体の混合粉末加熱

ロスケール温度分布を図 2 に示す。アルミナは 2.45

研究に限られているのが現状である。

GHz マイクロ波の吸収能が小さいが、カーボンは大き一方で、熱伝導が支配的となりがちな高温系においい。よって、典型的な選択加熱系となる。図 2 に示すてもこれだけの温度差が生じているとすれば、低温のとおり、数十µm のスケールで温度差がついている。カ系でも同様の現象が生じることが強く示唆される。マラーバーから、その温度差は 100 ℃以上にもなりそう

イクロ波を利用した触媒反応や有機合成、バイオの研である。実際に、サーモグラフィの結果からは 20 mm

究においても、µm スケールでの温度勾配を考察の一つ離れた場所での温度差が100 ℃程度という結果が得らに入れると新たな発見があるかもしれない。また、非常れている。この温度差は、先に示したカップの推察値に大きな温度勾配下における物質拡散現象はそれその（0.006 ℃/µm）と比較して非常に大きい値である。

石英基板
1 mm
SnO2

図 2 カーボンロッド中に球状 Al2O3 を埋込みマ

図 1 石英基板上の SnO2 膜がマイクロ波照射によイクロ波照射した場合のミクロスケール温度分布

り選択加熱される様子

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もの自体が新しい科学となりうる 3)。
巨大温度勾配をも先の二つの報告は、マイクロ波照射で nm スケールたらすモデルケースとしてマイクロ波選択加熱を活用の選択加熱を明確に示していた。それでは、より小さなする研究がなされることも期待する。

原子スケール（0.1 nm スケール）でも選択加熱は生じるであろうか？現状、否定する結果も肯定する結果も2-3. ナノスケールの選択加熱ない状態だが、例えばジルコニアのマイクロ波加熱でそれでは、ナノスケールでの選択加熱は生じるだろは、ドーピング（異種原子置換など、原子スケールの欠うか。µm スケールまでの研究と異なるのは、サーモグ陥）を行うことでマイクロ波吸収能が劇的に改善する

ラフィという直接的な手段で温度差を測定することが結果が報告されている。この理由はドーピングによるほぼ不可能であるということである。よって、ナノスケ

電気伝導性の向上によると考察されているが、もしかールでの温度測定では高度な工夫が必要となる。そんしたら「異種原子置換の選択加熱」によって温度が上昇な研究をおこなっている例を 2 つ紹介したい。

しているのかもしれない。

まずは、ナノ粒子の加熱状態を検証する手法として、また、このスケールまで到達すると統計的な集団で蛍光性有機分子（ローダミン B）の蛍光（PL）寿命がはなくなってくる。原子スケールでの「温度」はそもそ

この研
温度に敏感なことを利用した研究を紹介する 4)。

も定義できるのか？など、興味は尽きない。現代の計測究では、チタン酸バリウムナノ粒子に纏わせたローダ技術で解明ができるのか冷静な判断が必要だが、今後

ミン B の PL 寿命測定からナノ粒子の温度推定を試みの研究の視点としては興味深いテーマであると思う。ている。予め温度とローダミン B の PL 寿命との関係を調べておいた上でマイクロ波照射を行い、比較とし2-5. 「局所」選択加熱のサイエンスて溶液の温度を光ファイバー温度計で測定した。溶液

選択加熱の状態は熱力学的平衡状態とかけ離れておの温度は 130 分で 23.0 から 40.0 ℃へと徐々に上昇しり、全く新しい機能性材料の創出や、これまでに不可能たが、PL 寿命から算出した温度は、わずか 1 分のマであった化学反応系の構築が可能になると強く推定さイクロ波照射で 47.5 ℃に達した。PL 寿命から求めたれる。その際、選択加熱の「定量」ができないと、科学温度はばらついたもののある一定温度に落ち着き、そとして弱い展開しかできない。温度差がどれだけ生じの温度(50.4 ℃)は溶液温度より 10.4 ℃高かった。このたときに新しい現象が生じるのか、その効果は線形的

結果は、マイクロ波照射によりナノ粒子が局所的に加なのかしきい値が存在するのかなどについては、温度熱されていることを示している。

差の定量がきちんと数値で議論できることが前提とな

次に、X 線吸収微細構造(XAFS)分光法を用いたナノる。上記で示したような計測技術を通じて選択加熱下粒子の温度測定例を示す 5)。この研究では、マイクロ波における様々な実験事実を積み上げることで、原子ス照射中その場 XAFS 測定により、担体に担持した金属ケールから mm スケールをつなぐ選択加熱のサイエンナノ粒子における局所的な温度を直接観測している。

スが確立できると信じる。

着眼点は、広域 X 線吸収微細構造(EXAFS)振動のデバ3.「加熱」がわかれば「非熱」がわかる？

イワラー因子がナノ粒子の温度と相関していることである。予め通常加熱により温度変化とデバイワラー因

さて、上記の選択加熱においては、電磁波のエネルギ子変化の関係を調べておくことで、マイクロ波照射時ーはすべて熱に変化し、温度が上昇するという前提ののナノ粒子温度を算出することが可能となる。実験結もとで議論をしてきた。また、µm スケールの温度測定

果は、バルクペレットの温度とナノ粒子の温度が大きでは、放射温度計（サーモグラフィや二色温度計など）く異なり、条件によっては 200 K 以上もの差が生じてを用いている。ここでは、その事実を出発点に、マイクいた。この結果も、マイクロ波照射によりナノ粒子が局ロ波「加熱」を考えてみたい。
熱力学的温度の定義は、内部エネルギーを定積にて所的に加熱されていることを強く示すものである。

エントロピーで偏微分したものであり、統計的な物理

2-4. 「局所」選択加熱はどのスケールまで？

9

JEMEA Bulletin Vol.8 No.1 (2023.2)量である。原子・分子の運動状態をすべて測ることはで反応も生じる。さらに、化学反応では A に加えて B もきないため、間接的にそれを測定している。その手法の関与してくるので、それぞれの自己発熱（選択加熱はナ一つが物質から放出される電磁波を測定することであノスケール！）と自己化学反応を分けて計測できないる。物質からは総じてプランク放射に従った電磁波がと説明できないだろう。これは非常に複雑である。ただ放出されているため、ある波長の輝度と物質の放射率もし、「加熱」のメカニズムがわかれば、上記を厳密にがわかれば、プランク放射式から温度を計算できる。二区別することができるのではないか。つまり、「加熱」

つの波長輝度、つまり二色を測定する場合、放射率を計を知ることで「非熱」も自ずとわかってくるのである。

算に入れなくて済むため、物質の表面状態や温度に依4. おわりに存する放射率の誤差が無くなる。
ここで、マイクロ波加熱の最初と最後を電磁波とい選択加熱計測は近年非常に進んだ分野であり、話題う観点で図示してみたい（図 3）。図から分かる通り、として面白いかと思う。最後に示した研究は現在の計

私たちが自信を持って言えるのは、入力したマイクロ測技術で解決できるか不明だが、「加熱」研究は「非熱」波の波長（2.45 GHz であれば 122.4 mm）やパワーと、的効果の研究も一挙に進めてしまうのではないかとい放射温度計で測定している波長の輝度（例えば 1.5 µｍ

う期待を込めて今後に関する話題とした。皆様の今後を測定）である。厳密に熱なのかどうかを知るためには、の「加熱」研究の何かのきっかけとなれば幸いである。

振動や回転の状態分布を広範囲に測定する必要があるが、実際にはできないのでよくわからない。図より、マ

参考文献

イクロ波は単一周波数であり、物質と相互作用してラ1)

佐藤夏来;, 福島潤;, 林大和;, and 滝澤博胤. JEMEA

J. 6, 13–18, (2022).

ンダムな運動になるまで様々な過程があると思うが、
2)

そこがよくわかっていない、つまり「加熱」がわかって

K. Kashimura, J. Fukushima, T. Namioka, T.

いないのである。マイクロ波加熱研究を突き詰めると、

Fujii, H. Takizawa, and H. Fukushima. Processes.

マイクロ波エネルギーが物質の熱エネルギーに変わる

8(1), (2020).
3)

過程を理解する必要があるとも言え、これを正確に理

小泉雄一郎. 超温度場材料創成学.
http://www.mat.eng.osaka-u.ac.jp/super3dp/.

解できていないことこそが、加熱を研究しなければな
4)らない理由の一つでもある。

T. Ano, F. Kishimoto, R. Sasaki, et al. Phys Chem

Chem Phys. 18(19), 13173–13179, (2016).

さてここで、自己発熱があるのであれば、自己「化学5)反応」もあるのであろうか？エクセルギー的には生じ

T. Ano, S. Tsubaki, A. Liu, et al. Commun Chem.
3(1), 2–12, (2020).

うるので、定性的には理解できる。しかし、実際には、自己発熱も起こるので、その熱エネルギーによる化学強度

122.4 mm

波長：対数目盛輝度

1.5 µmの強度

物質
ランダム(?)な並進(?)
運動

推定される
プランク放射プランク放射の前提
波長：対数目盛図 3 マイクロ波加熱におけるマイクロ波波長と温度計測時の電磁波波長10