งานวิจัยเผยความลับการนำผลองุ่นเข้าเตาอบไมโครเวฟทำให้เกิดพลาสมาได้อย่างไร

(ภาพจาก https://www.livescience.com/64841-grapes-plasma-microwave.html)

วิทยาศาสตร์คือกิจกรรมพิเศษอย่างหนึ่งของมนุษย์ มันช่วยให้เราเข้าใจธรรมชาติ และอาศัยความเข้าใจนั้นมาสร้างประโยชน์พัฒนาสิ่งต่างๆแก่มนุษย์ วิทยาศาสตร์ตั้งคำถามตั้งแต่สิ่งที่เล็กระดับอะตอมไปถึงสิ่งที่ใหญ่ระดับกาแล็กซี หลายสิ่งช่วยสร้างประโยชน์มาก แต่บางคำถามก็แค่เพื่อตอบคำถาม เพื่อให้เราเข้าใจปรากฎการณ์นั้นเองไม่ได้มุ่งหวังไปประยุกต์ใช้ประโยชน์กับเรื่องใด เช่นปริศนาว่าเมื่อเรานำผลองุ่นเข้าเตาอบไมโครเวฟมันทำให้เกิดประกายไฟได้อย่างไร นี่เป็นปริศนามาอย่างยาวนาน ในที่สุดนักวิทยาศาสตร์ก็เข้าใจปรากฎการณ์นี้ได้ในที่สุด

การเกิดพลาสมาบริเวณที่สัมผัสกันเมื่อนำผลองุ่นหั่นครึ่งลูกเข้าเตาอบไมโครเวฟ
(ที่มา https://www.pnas.org/content/116/10/4000)
การเกิดพลาสมาบริเวณที่สัมผัสกันเมื่อนำผลองุ่นเต็มลูก(ไม่ได้หั่นครึ่ง)เข้าเตาอบไมโครเวฟ
(ที่มา https://www.pnas.org/content/116/10/4000)

Hamza K. Khattak และคณะได้ตีพิมพ์งานวิจัยเรื่อง “Linking plasma formation in grapes to microwave resonances of aqueous dimers” ลงในวารสาร Proceedings of the Natural Institute of Science เมื่อวันที่ 19 กุมภาพันธ์ ค.ศ. 2019 เพื่ออธิบายปรากฎการณ์นี้ โดยถ้าเรานำเอาผลองุ่นมาแล้วตัดแบ่งครึ่ง ใส่ลงในภาชนะที่มีความโค้ง ให้ผลองุ่นที่ตัดแบ่งครึ่งนี้อยู่ติดกัน สัมผัสกันด้วยบริเวณส่วนเล็กๆ แล้วนำไปใส่เข้าเตาอบไมโครเวฟ สักพักจะเกิดประกายไฟลุกตรงบริเวณที่ผลองุ่นสัมผัสกัน ประกายไฟลุกนี้คืออิเล็กตรอนและประจุไฟฟ้าของอะตอมที่เรียกว่า ไอออน (ion) อิเล็กตรอนและไอออนที่อยู่รวมกันและมีอุณหภูมิสูงนี้นักวิทยาศาสตร์เรียกว่า พลาสมา (plasma)


สถานะของสสารที่เรารู้จักมักคุ้นมี 4 อย่างคือ ของแข็ง ของเหลว แก๊ส และพลาสมา โดยยังมีกรณีอื่นๆอีกเช่นในกรณีที่เราลดอุณหภูมิของธาตุลงไปมากๆ จะทำให้เกิดสถานะของสสารที่เรียกว่า Bose–Einstein condensate สถานะของสสารมีความสัมพันธ์กับการจัดเรียงโครงสร้างของอะตอมและโมเลกุลและคุณสมบัติทางฟิสิกส์ โดย พลาสมานั้นเป็นสถานะของสสารที่อะตอมหรือโมเลกุลมีพลังงานจลน์โดยเฉลี่ยสูงมาก พลาสมาส่วนใหญ่จะเป็นอะตอมของแก๊สมีตระกูลเช่น ฮีเลียม นีออน เป็นต้น เราสามารถพบพลสมาได้เช่น ฟ้าฝ่า รวมถึงประกายไฟลุกที่ผลองุ่นตามการทดลองก็จัดเป็นพลาสมา


แต่อะไรคือเหตุผลเบื้องหลังปรากฎการณ์นี้ Hamza K. Khattak และคณะได้ใช้การถ่ายภาพความร้อน (heat imaging) พบว่าเมื่อนำผลองุ่นเข้าเตาอบไมโครเวฟ พลังงานจากคลื่นไมโครเวฟจะถูกกักขังเกิดเป็นจุดร้อนที่จุดศูนย์กลางของผลองุ่น จากการวิจัยยังพบว่าผลองุ่นนั้นประพฤติตัวเป็นเหมือนดัง เครื่องสะท้อนเสียงหรือคลื่น (resonator) จากรังสีไมโครเวฟ ฉะนั้นเมื่อผลองุ่นอยู่ติดกัน จุดร้อนจะเกิดขึ้นบริเวณที่ผลองุ่นสัมผัสกัน โดยเกลือในผิวของผลองุ่นจะเกิดการไอออนไนซ์ ปลดปล่อยไอออนของเกลือสร้างเป็นพลาสมา ที่เราเห็นเป็นประกายไฟนั่นเอง โดยในการทดลองได้ใช้ผลองุ่นและลูกไฮโดรเจล (hydrogel beads) ต่างก็ให้ผลที่คล้ายๆกันโดยจากการใช้ วิธี Emission spectrum วิเคราะห์พบว่าธาตุโพแทสเซียม (K) และโซเดียม (Na) ทำให้เกิดพลาสมาในผลองุ่น และพบโซเดียม (Na) ทำให้เกิดพลาสมาในลูกไฮโดรเจล

การทดลองผลองุ่น (ซ้ายบน) และลูกไฮโดรเจล (ขวาบน) และการวิเคราะห์ Emission spectrum
(ภาพจาก https://www.pnas.org/content/116/10/4000)
 
การเกิดพลาสมาบริเวณที่สัมผัสกันเมื่อนำลูกไฮโดรเจลเข้าเตาอบไมโครเวฟ
(ที่มา https://www.pnas.org/content/116/10/4000)

สิ่งที่เกิดขึ้นเป็นเพราะขนาดและองค์ประกอบในผลองุ่นที่ส่วนมากเป็นน้ำ มีความบังเอิญพอดีกับ 1 ความยาวคลื่นของรังสีไมโครเวฟมีขนาดพอดีที่ทำให้พลังงานถูกเก็บในผลองุ่นได้ โดยในการทดลองใช้เตาอบไมโครเวฟที่มีความถี่ 2.4 กิกะเฮิร์ตซ์

ภาพถ่ายผลองุ่นในเตาอบไมโครเวฟ เป็นภาพถ่ายปรกติ (optical image) ภาพถ่ายอุณหภูมิ (thermal image) และภาพถ่าย electromagnetic energy density ตามลำดับจากซ้ายไปขวา
(ภาพจาก https://www.pnas.org/content/116/10/4000)

ปรากฎการณ์นี้มีอยู่ในอินเตอร์เน็ตมากกว่าสิบปี แต่ยังไม่มีใครอธิบายว่าเกิดอะไรขึ้น จนในที่สุดนักวิทยาศาสตร์ก็สามารถเข้าใจปรากฎการณ์นี้ แม้อาจจะไม่สามารถนำไปสร้างประโยชน์อะไรได้ แต่การที่เราเข้าใจว่าธรรมชาติทำงานอย่างไร หายข้อสงสัยนั่นก็นับว่าเพียงพอแล้ว

 

เรียบเรียงโดย

ณัฐพล โชติศรีศุภรัตน์
ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ

• [1] https://www.pnas.org/content/116/10/4000
• [2] https://www.livescience.com/64841-grapes-plasma-microwave.html
• [3] https://www.sciencenewsforstudents.org/article/why-microwaving-grapes-makes-plasma-fireballs
• [4] https://www.thaiphysicsteacher.com/whats-plasma-state/