Năm 1940, các nhà nghiên cứu John Randall và H.A Boot tại phòng thí nghiệm của Đại học Birmingham (Anh) đã phát minh ra thiết bị tạo vi song có tên là Magnettron. Magnettron là thành phần cốt lõi của thiết bị rada. Năm 1946, khi lắp đặt Magnettron cho thiết bị rada tại Công ty Raytheon, kỹ sư Mỹ Percy Spencer đã phát hiện ra khả năng làm chín thực phẩm của Magnettron. Từ đó, năm 1947 ông đã chế tạo chiếc lò vi song đầu tiên trên Thế giới.
Có thể nói, lò vi sóng là một phát minh công nghệ bất ngờ và đầy may mắn của thời hiện đại. Ngày nay nó đóng vai trò quan trọng thiết yếu trong các bếp gia đình, giúp hâm nóng hoặc nấu thức ăn một cách đơn giản và dễ dàng. Khi lò vi sóng gia đình được sử dụng rộng rãi, người ta còn tìm ra những ứng dụng độc đáo khác cho nó, ví dụ sấy khô tất và quần áo lót, làm mềm mỹ phẩm hoặc khử trùn tất cả mọi thứ đồ dùng mà người ta có thể nghĩ ra.
Nhưng các nhà hóa học còn sáng tạo ra một trong những ứng dụng phụ thông minh và quan trọng của thiết bị lò vi sóng, đó là tận dụng ưu thế của việc gia nhiệt dễ dàng trong lò để tăng tốc độ của các phản ứng hóa học.
Thông thường, các phản ứng hóa học diễn ra trong bình thí nghiệm ngâm bồn dầu truyền thống hoặc đặt trong vỏ gia nhiệt có thể kéo dài đến hàng giờ. Nhưng ở điều kiện quá nhiệt và áp suất cao có thể được thực hiện với các thiết bị vi sóng, những phản ứng hóa học như trên có thể được hoàn thành chỉ trong vài phút. Trong thời gian ngắn đó, các phản ứng phụ cũng thường ít xảy ra, nhờ đó hiệu suất phản ứng cao hơn và sản phẩm ít nhiễm tạp chất hơn. Ngoài ra, các phản ứng có thể được tiến hành như bình thường trong nước hoặc đôi khi không cần sử dụng dung môi. Hơn nữa, trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao của thiết bị vi sóng, đôi khi người ta chỉ cần sử dụng một lượng xúc tác rất nhỏ hoặc hoàn toàn không cần sử dụng xúc tác cho các phản ứng.
Khả năng thực hiện phản ứng nhanh ở nhiệt độ cao trong thiết bị vi sóng đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu làm việc trong lĩnh vực tìm kiếm các loại dược phẩm mới cũng như các phòng thí nghiệm vật liệu nano – họ đã nắm lấy những ưu điểm của phản ứng hóa học được hỗ trợ bằng vi sóng để thực hiện các phản ứng tổng hợp hữu cơ, tổng hợp peptit pha rắn, phát triển các polyme và vật liệu nano,…
Tuy nhiên, cần phải có thời gian để thiết bị vi sóng được chấp nhận rộng rãi trong nghiên cứu hóa học. Báo cáo đầu tiên về việc sử dụng thiết bị vi sóng nhằm tăng tốc các phản ứng hữu cơ đã được công bố vào năm 1986. Trong vài năm tiếp theo, các nhà hóa học đã sử dụng các lò vi sóng gia dụng thông thường, khi đó việc theo dõi và kiểm soát nhiệt độ cũng như áp suất của phản ứng là vấn đề khá phức tạp. Đôi khi, các bình phản ứng bị nổ và thổi tung cửa lò vi sóng. Những kết quả không nhất quán cũng đã dẫn đến những cuộc tranh luận giữa các nhà hóa học về việc gia tăng tốc độ phản ứng và tác động bức xạ không nhiệt của vi sóng.
Trước đây, luôn có những nhầm lẫn về những gì xảy ra với vi sóng. Một số người cho rằng các nhà hóa học vi sóng đang cố gắng thuyết phục về những tác dụng kỳ lạ của vi sóng. Nhưng trên thực tế, vi sóng chỉ là phương pháp hiệu quả để gia nhiệt các phản ứng.
Trong bình phản ứng nhỏ, sự gia nhiệt của vi sóng xảy ra do thiết bị vi sóng tạo ra trường điện tử tương tác với các phân tử phân cực hoặc các ion của nguyên liệu phản ứng. Khi các phân tử hoặc ion này tìm cách sắp xếp các lưỡng cực của chúng cho phù hợp với trường điện từ đang dao động, chúng sẽ quay, di chuyển và cọ xát vào nhau, do đó bị nóng lên. Tác động này của vi sóng khác với sự gia nhiệt gián tiếp khi sử dụng nhiệt của bếp đun.
Ngày nay, các thiết bị phản ứng vi sóng nhỏ gọn được bán trên thị trường là những thiết bị khá tinh xảo, có nhiều tính năng an toàn và tự động mà nhà hóa học mong muốn.
Theo các nhà nghiên cứu tại Đại học Tổng hợp Graz, Áo, trong 25 năm qua hóa học vi sóng đã thực sự trải qua quá trình tiến hóa từ những thiết bị có vẻ kỳ cục trong phòng thí nghiệm đến những thiết bị thực hành tiêu chuẩn. Ngày nay, hầu như tất cả các công ty dược phẩm, nông hóa và công nghệ sinh học đều sử dụng công nghệ vi sóng để tiền hành tổng hợp hữu cơ trong các giai đoạn tìm kiếm và tối ưu hóa sản phẩm. Tuy công nghệ này mới chỉ ở giai đoạn phát triển ban đầu, nhưng trong lĩnh vực hóa học quá trình các công ty lớn đang đánh giá hoặc đã áp dụng các phản ứng hóa học được hỗ trợ bằng vi sóng cho các mẻ phản ứng quy mô kg trong phòng thí nghiệm. Các nhà khoa học vật liệu cũng ngày càng ưa chuộng các thiết bị phản ứng vi sóng và sử dụng chúng để tăng tốc quá trình điều chế các hạt nano.
Nhóm các nhà khoa học tại Đại học Tổng hợp Graz đã chứng minh rằng các phương pháp hóa học được hỗ trợ bằng vi sóng có thể được áp dụng tốt cho nhiều kiểu phản ứng hữu cơ, kể cả các phản ứng Diels – Alder, phản ứng tạo liên kết ngang với xúc tác paladi, phản ứng thế các chất thơm,… Năm 2010 họ đã thực hiện một loạt các thí nghiệm để so sánh các phản ứng được hỗ trợ bằng vi sóng với các phản ứng trong các bình khuấy thông thường. Trong một thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã tổng hợp 1-metylbenzimidazol từ o-phenylendiamin và axit axetic – một phản ứng tổng hợp thông thường trong ngành sản xuất dược phẩm. Kết quả cho thấy, trong bình đáy tròn 2ml ở nhiệt độ và áp suất phòng thì phản ứng này phải mất 9 tuần mới hoàn thành. Nếu gia nhiệt đến 1000C ở áp suất khí quyển bằng cách sử dụng bề dầu, phản ứng sẽ tăng tốc đáng kể – chỉ mất 5 giờ để hoàn thành. Nhưng nếu thực hiện trong bình đóng kín đặt trong lò vi sóng, gia nhiệt đến 2000C và đưa áp suất lên khoảng 9 atm, phản ứng sẽ hoàn thành chỉ trong 3 phút.
Tăng cường quá trình phản ứng ở nhiệt độ và áp suất cao là đặc điểm cơ bản của tổng hợp hóa chất sử dụng vi sóng. Đó là lý do vì sao thiết bị phản ứng vi sóng có thể trở thành công cụ mạnh mẽ của tổng hợp hữu cơ trong tương lai.
Nhà hóa học Bimal K.Banik tại Đại học Tổng hợp Texas, Mỹ, cho rằng lò vi sóng chính là đèn Bunsen của thế kỷ 21. Tương tự như đèn Bunsen, lò vi sóng rất quan trọng trong công tác đào tạo sinh viên và nghiên cứu sinh, giúp họ cắt giảm nhiều thời gian làm thí nghiệm để có thể thực hiện các công việc hoặc nghiên cứu khác.
Một ích lựi khác của hóa học được hỗ trợ bằng vi sóng là tính đa năng của nó – nó có thể được áp dụng trong hầu hết tất cả các lĩnh vực hóa học.
Nhiều khi, việc sử dụng vi sóng trong tổng hợp hóa chất có thể giúp mở ra những hướng điều chế sản phẩm mới. Ví dụ, trong các phản ứng bổ sung mạch vòng để điều chế thuốc chống ung thư β-lactam, tốc độ gia nhiệt nhanh của thiết bị vi sóng cho phép các nhà hóa học kiểm soát hóa học lập thể để thu được chỉ những dòng isomer trans mới, có tiềm năng được sử dụng làm thuốc điều trị ung thư.
Theo một số nhà khoa học khác, công nghệ hóa học sử dụng vi sóng là phương án thay thế thân môi trường cho các phản ứng hóa học thông thường. Những ích lợi của vi sóng cho thấy công nghệ vi sóng là công nghệ hóa học bền vững hơn so với công nghệ truyền thống.
Trong sản xuất vật liệu nano, sự gia nhiệt bằng vi sóng phù hợp hơn trong việc tạo ra các cấu trúc nano với kích thước nhỏ hơn, phân bố kích thước hẹp hơn và bậc kết tinh cao hơn.
Nhìn chung, vi sóng là công nghệ đơn giản, không quá phức tạp nhưng rất hiệu quả.
Nhưng bất chấp những thành công đã đạt được, công nghệ hóa học sử dụng vi sóng không phải là phương tiện vạn năng cho các nhà hóa học. Không phải tất cả các quá trình chuyển biến hóa học đều có thể được thực hiện trong những điều kiện phản ứng cực trị của thiết bị phản ứng sử dụng vi sóng. Khi chuyển sang các phản ứng mẻ lớn, những ích lợi của việc gia nhiệt bằng vi sóng không thể được dễ dàng nhân lên do độ sâu thâm nhập của bức xạ vào thiết bị phản ứng giảm đi. Ngoài ra, cũng có những rủi ro về an toàn ở một số loại phản ứng hóa học nếu có trục trặc xảy ra. Thiết bị phản ứng càng lớn thì thiệt hại trong trường hợp sự cố càng lớn. Tuy nhiên, các nhà hóa học cũng nhìn thấy một cơ hội khác trong việc áp dụng vi sóng ở quy mô lớn, đó là sử dụng các thiết bị phản ứng dòng chảy liên tục.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Tổng hợp Graz đã hợp tác với Công ty hóa chất chuyên dụng Clariant để thực hiện phản ứng hóa học được hỗ trợ bằng vi sóng với dòng chảy liên tục ở quy mô sản xuất. Họ sử dụng thiết bị phản ứng dòng chảy có khả năng vận hành ở nhiệt độ tối đa đến 3100C và áp suất đến 60 atm, lưu lượng 20 lít/giờ, tương đương 1000 tấn/năm. Để hoàn thành phản ứng, các chất phản ứng chỉ cần lưu lại khoảng 30 giây trong vùng chịu tác động bức xạ nhiệt của vi sóng.
Đối với nhiều nhà nghiên cứu trong các phòng thí nghiệm hóa học, ngày nay vi sóng đã trở thành lựa chọn đầu tiên. Với sự dịch chuyển sang các thiết bị vi sóng dòng chảy liên tục, chúng ta có thể chứng kiến một xu hướng mới có tính đột phá trong công nghệ hóa học, đồng thời là sự dịch chuyển sang các quá trình hóa học thân môi trường và bền vững hơn.
Hoahocngaynay.com/Hoahoc.info
Nguồn: Csv.net.vn/TC Công nghiệp Hóa chất
