Microondas: Investigación y ciencia.

La existencia de las ondas electromagnéticas, de las cuales las microondas forman parte del espectro de alta frecuencia, fueron previstas por Maxwell en 1864, su teoría sugirió la posibilidad de generar ondas electromagnéticas en el laboratorio, hecho que corroboró Heinrich Hertz en 1887 mediante la construcción de un dispositivo electrónico con el cual fue posible producir ondas de radio.
El dispositivo generador de radiación por microondas, llamado magnetrón, se fabricó de manera profusa durante la Segunda Guerra Mundial, ya que era la parte central de los primeros radares utilizados con fines bélicos y de defensa.
Con esta aplicación del microondas se estudiaron diferentes fuentes de energía para promover reacciones químicas. Como se sabía que la radiación infrarroja y la luz visible servían para este fin, no sorprendió que la radiación del microondas fuera capaz de promover las reacciones químicas y de calentar sustancias polares. Hoy en día, los equipos de microondas son aprovechados en diferentes áreas de la química, como la orgánica, la analítica, la bioquímica…, entre otras.
Lo que hace especial este proceso es que, a pesar de que se han desarrollado muchas técnicas para activar las reacciones químicas, el calentamiento por microondas permanece como el primer método de inducción a reacciones químicas.

Los secretos del magnetrón
El magnetrón se considera el corazón del microondas; se trata de un tubo electrónico tipo diodo que se emplea para producir los 2,450 MHz de energía de microondas. Se clasifica como diodo porque no tiene rejilla, como un bulbo ordinario. Crea un campo magnético en el espacio entre el ánodo (la placa), y el cátodo sirve como rejilla (Fig. 1).
Las configuraciones exteriores de los magnetrones varían según la marca y el modelo; pero las estructuras básicas internas son las mismas; es decir, el ánodo, el filamento, la antena y los imanes. La descripción más antigua del magnetrón fue publicada por A. W. Hull, en 1921, en Inglaterra.
Los británicos desarrollaron el radar de defensa aérea en 1937; originalmente operaban a 22 MHz, lo cual, con la búsqueda de altas frecuencias lograron incrementar la frecuencia hasta unos 55MHz, pero, aun así, la falta de detectores adecuados y de fuentes de alta potencia obstaculizaron el desarrollo y aplicación de las microondas (los magnetrones operan hoy en día a una potencia aproximada de 100kW a 2.5GHz sobre una base de un pulso, en transmisiones de radar).
En el espectro electromagnético, la radiación de las microondas está situada en un área de transición entre la radiación infrarroja y las ondas de radiofrecuencia.
Como cualquier otra radiación electromagnética, la radiación de microondas está constituida por un campo eléctrico y un campo magnético, aunque solo el campo eléctrico transfiere la energía que conduce al calentamiento de las sustancias. La radiación de microondas es una radiación electromagnética con una amplitud de frecuencia de 0.3 a 300GHz. Los aparatos domésticos (hornos) y los reactores químicos trabajan a una frecuencia de 2.45 GHz.
La absorción directa de la energía de microondas por la materia no es suficiente para inducir un cambio químico, además, no toda la materia es capaz de absorber la radiación de microondas. Para que exista una absorción de energía, es necesario que la materia presente dipolos permanentes o inducidos, a este tipo de materiales que presentan esta propiedad se nombran materiales dieléctricos: es decir que la materia absorbe la energía de microondas.
La polarización de dipolos, se considera una propiedad importante y sucede cuando los dipolos del material se orientan o alinean de acuerdo a la dirección del campo eléctrico, este movimiento provoca fricción (energía cinética) y se transfiere al medio como energía térmica.
Otra propiedad importante es la conducción iónica; cuando es inducido un campo eléctrico de microondas, los iones oscilan provocando colisiones con átomos y moléculas, de esta forma se genera la energía térmica en el medio.

El calor y sus matices
Recientemente, el uso del calentamiento dieléctrico de microondas en síntesis orgánica ha atraído la atención de los investigadores. En principio la reducción de escalas de tiempo de las reacciones químicas realizadas en cavidades de microondas fueron atribuidas a un “efecto microondas”.
Sin embargo, algunas mediciones más detalladas de las velocidades de reacción han demostrado que en las reacciones químicas que se producen en condiciones de microondas, se rigen por los mismos principios fundamentales de la termodinámica y la cinética de reacción que se producen en condiciones convencionales.
En comparación con el calentamiento convencional para las conversiones químicas, el calentamiento dieléctrico de microondas posee las siguientes ventajas:

[1] La introducción de la energía de microondas en una reacción química que tiene por lo menos un componente que es capaz de un acoplamiento fuerte con microondas puede llevar a velocidades de calentamiento muy superiores a las que se alcanzan de manera convencional.
[2] La energía de microondas se introduce en el reactor químico de forma automatizada y, por lo tanto, no hay contacto directo entre la fuente de energía y las sustancias químicas que reaccionan. Esto, en conjunto con el punto [1], puede dar lugar a un perfil de temperatura muy diferente para la reacción y a una alternativa de distribución de productos químicos de reacción.
[3] Los químicos y materiales de los contenedores donde ocurren las reacciones químicas no interactúan con la misma frecuencia de la radiación de microondas de uso común para el calentamiento dieléctrico y así la selectividad de calentamiento es alcanzada.
Específicamente, en la Figura 2 se puede observar en la parte:
a) Calentamiento dieléctrico de microondas: los materiales de contención para una reacción química puede ser elegido de tal manera que la energía de microondas pasa a través de las paredes del recipiente y se calientan sólo los reactivos, en cambio el punto b) Calentamiento convencional: se observa que es por transferencia de calor. La parte donde se encuentran los reactivos en el centro se encuentra menos caliente. Las altas temperaturas que se producen cuando partículas metálicas están expuestas a campos de microondas se han utilizado para crear "puntos calientes" que aceleran las reacciones.
[4] Esto significa que, ante las interacciones selectivas, el calentamiento dieléctrico por microondas es un método ideal para acelerar las reacciones químicas en condiciones de presiones altas.
Al emplear un recipiente de plástico transparente, por ejemplo, teflón o vidrio, es posible aumentar la temperatura de una reacción en solventes orgánicos comunes hasta 100°C por encima del punto de ebullición convencional del disolvente.
Por ejemplo, el etanol tiene un punto convencional de ebullición de 79 °C, y el calentamiento dieléctrico de microondas en un recipiente cerrado puede alcanzar rápidamente temperaturas de 164°C y una presión de 12 atmósferas. Este incremento de temperatura conduce a una aceleración de mil veces de la velocidad de reacción, para las reacciones que se estudian en este solvente.

Con la finalidad de aprovechar las ventajas del calentamiento dieléctrico del microondas, así como la reducción de los tiempos de reacción por esta radiación; los equipos de microondas han evolucionado, por lo que empresas como CEM®, MILESTONE® y Anton Paar® han desarrollado equipos para el estudio científico y la aplicación del microondas a la síntesis orgánica e inorgánica, así como en la fabricación y funcionalización de nano partículas.

Evolución en las microondas
Estos equipos se pueden clasificar en sistemas Batchs o de flujo continuo. Los sistemas Batchs pueden ser equipos con sistemas modulares y monomodales. En los sistemas modulares se tiene una cámara de reacción en donde se irradia con microondas a los viales de reacción y es posible colocar de ocho hasta 48 viales de 50 ml.
La empresa MILESTONE® ha diseñado sistemas de reacción con un solo vial, con una capacidad de .3 a 2 L. Los sistemas monomodales consisten en un solo vial de reacción de 10 ml de capacidad, este equipo concentra la radiación del microondas sobre el sistema de reacción, con lo que hace más eficiente la absorción del microondas por la mezcla de reacción.
Algunos aditamentos que tiene estos equipos son: a) sistemas de agitación, que pueden ser mecánicos o magnéticos; b) sistema de enfriamiento mediante el flujo de líquidos en el sistema de reacción; c) control de la atmósfera de reacción mediante la inyección de gases inertes y d) controles de temperatura mediante termopares o sistemas de infrarrojo.
La síntesis química por microondas en flujo continuo fue desarrollada por MILESTONE® con el equipo FlowSYNTH. Este sistema de reacción, hablando operacionalmente, es muy flexible ya que permite su aplicación, tanto a escala de laboratorio como a escala industrial, debido a que puede procesar un flujo de 12 a 100 ml/minuto; además, el sistema de reacción se puede modular a un sistema de reacción por lotes o Batchs.
En un futuro no muy lejano, estos avances en la investigación y el desarrollo de nuevos equipos de microondas pueden acelerar su aplicación a procesos químicos a nivel industrial, lo que permitirá considerar al microondas como una alternativa viable para optimizar o rediseñar procesos químicos que sean menos agresivos con el medio ambiente y generen una menor cantidad de desechos industriales.