「ブドウを電子レンジでチンするとプラズマが発生する」という現象の原因がついに明らかに

少し皮をつなげた状態で半分にカットしたブドウを電子レンジでチンすると、プラズマ発光が起こります。この現象は観察されていたものの、これまでその原因が解明されてこなかったとして、研究者が12台の電子レンジを破壊しながら調査を行いました。

Linking plasma formation in grapes to microwave resonances of aqueous dimers
https://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1818350116

The wrath of grapes: A tale of 12 dead microwaves and plasma-spewing grapes | Ars Technica
https://arstechnica.com/science/2019/02/these-scientists-broke-12-microwaves-to-learn-how-grapes-create-plasmas/

ブドウを電子レンジにかけた時にプラズマが発生する様子は以下のムービーから確認可能です。1分40秒あたりからプラズマが発生する様子を見ることができます。

Grape + Microwave = Plasma - YouTube


皮を少しつなげた状態で半分にカットしたブドウに、透明なグラスをかぶせた状態で電子レンジに入れます。

するとブドウが発光。

グラスの中でプラズマの光がゆらぎます。

「二等分して皮を少しだけくっつけたままにしたブドウを電子レンジにかけるとプラズマが発生する」という現象は科学コミュニティでよく知られているものの、なぜプラズマが発生するのかという理由ははっきりしていませんでした。そこでカナダ、トレント大学のAaron Slepkov氏とHamza Khattak氏ら研究チームはこの原因について調査しました。

この現象を確認するため、まず研究者は電子レンジを改造する必要に迫られたとのこと。中の様子がしっかり確認できるように扉を外し、電子レンジ本体にはいくつかの穴があけられ、穴から電磁波が漏れないようにメッシュでカバーされたとのこと。ただし、ブドウだけを入れた、ほとんど「空」の状態で電子レンジを稼働させると、吸収されなかった放射が電子レンジ自体にダメージを与えるため、この実験の過程で12台の電子レンジが壊れ、「ラボに『電子レンジの墓場』ができた」とKhattak氏は語りました。

一般的に「ブドウをチンするとプラズマが発生する理由」は、非常に小さいブドウの組織に電磁波が集中し、いくつかの分子が引き裂かれる際に荷電イオンが発生するというものでした。電子レンジの中に発生した電磁場で、少なくとも最初はイオンが接続した皮をつたってブドウの半分から残り半分へと流れますが、しばらくすると空気中に放出されてプラズマの光を発生させるというわけです。

この仮説において、ブドウのうち半分がアンテナのような役割を持ち、電流は接続した「皮の橋」を流れるものとして説明されます。しかし、新たに実験が行われた結果、「皮の橋」はプラズマ発生に必ずしも必要なものではなく、そもそもブドウである必要もないことが示されたとのこと。

新たな研究では赤外線画像とコンピューターシミュレーションが用いられましたが、コンピューターシミュレーションを担当したコンコルディア大学のPablo Bianucci氏は、プラズマが電磁気の「ホットスポット」から純粋なバルク効果として発生していると説明。

ブドウは電磁波を捕らえるのに適切な屈折率とサイズを持っており、半分にしたブドウを近づけて置いておくと、2つの間にエネルギーが集中するホットスポットが生まれるそうです。ブドウはアンテナというよりは、振動を増幅させるトロンボーンのようなものとのこと。トロンボーンは音を出す際に特定の波長の振動をだけを増幅させ、他の波長を抑えますが、これと同様のことが電子レンジに入れたブドウでも起こります。半分にカットされた2つのブドウの中で増幅した電磁波は1つのホットスポットに集中し、このホットスポットにおいて原子や分子が熱されて電子を保持できなくなると、プラズマの光が放出されるとのこと。

実験と観察が繰り返された結果、研究者はブドウのほかにもスグリの実や大きめのブラックベリー、うずらの卵、ヒドロゲルのビーズなどでも発生することを発見しています。ブドウ程度のサイズが電磁波を増幅し極端に集中したホットスポットを作るのに最適とのことです。