Preparant una xerrada sobre espectroscòpia al batxillerat que vaig fer recentment al curs Reptes actuals de les Ciències del departament d’Educació pensava en introduir en el discurs alguna anècdota per trencar-lo i revifar l’atenció ja que havia de ser una hora seguida de rotllo. Vaig pensar en l’escalfament al microones dels aliments que contenen aigua i com moltes vegades es diu que s’escalfen en absorbir l’energia de les microones “fent vibrar ” les seves molècules, el que hauria de ser al infraroig. Per exemple aquí.

Així, al mig de la presentació a l’apartat de l’espectroscòpia infraroja (IR) vaig ficar la diapositiva de sota en la que es veu l’espectre infraroig de l’aigua líquida amb dues bandes d’absorció intensa a causa de les vibracions d’estirament O-H fonamentals. Les bandes d’absorció són una mica més amples que d’altres que apareixen en espectres IR d’altres compostos a causa dels enllaços per ponts d’hidrogen i els seus màxims estan a 3350 cm⁻¹, i 1645 cm⁻¹. Per a fer els espectres infrarojos en les que intervé aigua es requereix que les cubetes estiguin fetes de substàncies com ara fluorur de calci que són insolubles en aigua o utilitzant altres tecnologies com la reflectància total (ATR) en lloc de la transmissió.

La pregunta a continuació és: per què els forns d’ones per a escalfar els aliments son de microones i no d’infrarojos?

Com escalfen els microones els aliments

El cas és que moltes vegades s’ha difós la idea que els forns microones funcionen gràcies a una suposada “freqüència de ressonància de l’aigua”, el que estaria en consonància amb l’absorció vibracional de les molècules d’aigua a l’infraroig, però no és així i aquests dispositius mostren un mecanisme de funcionament diferent i més general. De manera que els microones no exciten ressonàncies específiques, sinó que generen un camp elèctric altern capaç de posar en moviment les molècules polars, el que és el cas de les molècules d’aigua, produint un augment de la temperatura que s’escampa a continuació mitjançant col·lisions amb les altres molècules.

En el cas que la freqüència de la radiació del forns fora per exemple la del màxim d’absorció de 3350 cm⁻¹ de l’aigua a l’IR, aquesta radiació seria fortament absorbida en la superficie exterior de l’aliment que es cremaria, deixant cru l’interior. I això sense comptar que el forn sortiria molt més car.

Dins el forn microones un dispositiu anomenat magnetró produeix radiació electromagnètica al voltant dels 2,45 GHz a la banda de les microones (com sinó, per això el seu nom!). Aquesta radiació s’introdueix a la cavitat metàl·lica del forn, on es reflecteix repetidament formant ones estacionàries electromagnètiques. El component rellevant per a l’escalfament és el camp elèctric, que canvia de direcció milers de milions de vegades per segon. Les molècules d’aigua, que tenen un dipol elèctric permanent, intenten alinear-se amb aquest camp. No obstant això, com que la direcció del camp canvia tan ràpidament, les molècules no arriben a alinear-se completament i es veuen obligades a rotar i reorientar-se de manera contínua.

En estat líquid les molècules es mouen i xoquen constantment entre si de manera que l’energia del camp elèctric generat pel magnetró que es transfereix a les molècules en forma de rotació es dissipa a continuació per la resta de l’aliment en forma de calor gràcies a les col·lisions. Aquest fenomen es coneix com a escalfament dielèctric i no depèn d’una freqüència de ressonància concreta, sinó de la capacitat del material per absorbir energia del camp elèctric altern. L’aigua líquida, per la seva estructura molecular i la seva elevada constant dielèctrica, és especialment eficaç en aquest procés, fet que explica per què els aliments amb alt contingut en aigua s’escalfen ràpidament en un microones.

L’elecció de 2,45 GHz per als forns domèstics respon principalment a raons legals i d’enginyeria. Aquesta freqüència pertany a una banda internacional anomenada ISM (Industrial, Scientific and Medical) sense necessitat de llicència, reservada per a aplicacions que poden generar interferències .

A més, a aquesta freqüència la radiació penetra diversos centímetres als aliments (uns 2 cm) abans de ser absorbida, cosa que permet un escalfament relativament uniforme (els forns microones no escalfen de dins a fora!). Si s’utilitzessin freqüències molt més altes, l’absorció seria tan intensa que l’energia es dipositaria gairebé exclusivament a la superfície, que es cremaria i impediria l’escalfament de l’interior. Per contra, si es fessin servir freqüències més baixes serien més penetrants però l’absorció seria massa feble i l’escalfament seria ineficient, a no ser que s’augmentés la potencia del forn.

En aplicacions industrials hi ha forns de microones (per exemple) que operen a altres freqüències, com 915 MHz als Estats Units o 896 MHz a Europa, també dins de bandes ISM. A aquestes freqüències més baixes, la penetració de la radiació en els aliments és més gran (uns 4 cm), cosa que resulta avantatjosa per escalfar grans volums de material, com ara pans, blocs de carn o productes en processos continus, encara que la potència dels fons ha de ser molt més gran que la dels domèstics.

L’escalfament per microones en els forns te una altra característica que determina com han de dissenyar-se. A causa de la formació d’ones estacionàries dins de la cavitat del forn, hi ha regions on el camp elèctric és més intens (ventres) i d’altres on és més feble (nodes). Això explica per què els aliments es poden escalfar de manera desigual si romanen immòbils. Per mitigar aquest efecte, els forns domèstics incorporen un plat giratori o una antena giratòria (en els microones en els que el plat no gira) que redistribueix l’energia a l’interior de la cavitat.

Aquesta característica s’ha utilitzat tradicionalment a l’escola per a mesurat la velocitat de la llum. Aquest experiment i d’altres amb un forn de microones es troba en el meu article Microones en un forn, en el número 4 (2006) de la revista Ciències.

Per tan, atents a la jugada!: Els microones no escalfen per ressonància de l’aigua, escalfen perquè el camp elèctric altern fa girar molècules polars, que xoquen i generen calor. A més, la freqüència de funcionament de 2,45 GHz no és la única freqüència posible per a moure les molècules de l’aigua, és un compromís tècnic dins una banda de freqüències posibles lliures.

---