ACS Nano|亚开尔文分辨率的 X 射线衍射热度测量挑战了感应加热磁性纳米颗粒中纳米级热点的存在

近期多项实验表明，磁性纳米颗粒在感应加热过程中局部温度可能高于非磁性环境。虽然这种纳米级热点效应在生物医学和催化领域的应用中尤为有吸引力，但其存在仍存在科学争议。为此，我们在此同时测量磁性纳米颗粒及其固体支撑材料在感应加热过程中的内部温度。支撑体为干燥、非磁性和非导电的多孔粉末，用于分离磁性纳米颗粒。温度通过原位同步辐射 X 射线衍射测量，利用材料的热膨胀导致其 X 射线衍射峰位置的偏移。在亚开尔文温度分辨率和 0.1 秒的时间分辨率下，我们发现磁性纳米颗粒与支撑之间没有可测量的温差，即没有显著的热点，这与现有理论一致。我们对三种不同组合的磁性纳米颗粒和支撑体得到了相同的结果。我们鼓励进一步结合 X 射线衍射热测量与其他局部温度测量技术，以澄清先前实验研究中局部温度升高是否可能错误地归因于局部温度升高的非热效应。

该研究以题为“Sub-Kelvin Resolution X‑ray Diffraction Thermometry Defies the Existence of Nanoscale Hotspots in Induction Heated Magnetic Nanoparticles”发表在ACS Nano上。

文献中关于感应加热磁性纳米颗粒与支撑体之间温差实验结果概述。参考文献的位置体现了磁性纳米颗粒与支撑体之间的温差。图2

(a) 透射电子显微镜图像，显示γ-三氧化二铁纳米颗粒在六方氮化硼支撑体上的分布情况。(b) 用于测定热膨胀系数α的X射线衍射装置。此处，热风枪控制样品温度。(c) 用于在感应加热过程中同时测量磁性纳米颗粒与支撑体温度的原位X射线衍射装置。

（a）在300 K、35 keV条件下采集的方位角积分X射线衍射图谱，采集时间为2秒。图中直线标示了h-BN（灰色）和γ-Fe2O3（棕色）在300 K时预期峰位，分别对应各相最强峰强度大于0.2%和大于6%的衍射峰。星号标记用于测定热膨胀的衍射峰。（b−f）展示了在300 K（黑色曲线）和340 K（浅色曲线）下对球状数据点（300 K为实心点，340 K为半透明点）的峰拟合结果。由于h-BN的（002）和（004）峰位随温度变化更显著，340 K的数据与拟合曲线仅在这两个图谱中呈现明显差异。300 K时的预期峰位通过VESTA软件计算，所用晶体学信息文件获取自ICSD数据库，采集编号分别为：h-BN的168892和γ-Fe2O3的250541。

总结

针对感应加热过程中磁性纳米颗粒能否产生局部热点这一争议，该研究利用同步辐射X射线衍射测温技术，首次实现了对磁性纳米颗粒及其固体支撑体内部温度的同步、动态测量。研究选取了γ-Fe₂O₃纳米花与Co纳米颗粒两种磁性材料，分别负载于六方氮化硼（h-BN）和MgAl₂O₄支撑体上，在571 kHz的交变磁场下进行加热。该方法通过精确追踪材料因热膨胀引起的衍射峰位移动来反推温度，时间分辨率达0.1秒，温度分辨率优于1开尔文。结果显示，在所有样品和磁场强度下，纳米颗粒与支撑体的温度始终高度重合，未观测到任何显著的纳米尺度温差。

这一结果与经典及弹道热传导模型的理论预测完全一致，从实验上否定了显著局部热点的存在。研究还首次通过X射线衍射测温法获得了纳米颗粒的比吸收率（SAR），并与交流磁强法、交流量热法的结果相互印证，进一步验证了该测温方法的可靠性。作者指出，此前部分研究中观测到的“热点效应”，可能源于交变磁场对温度探针材料或化学反应过程的非热影响，而非真实的温度差异。该研究为澄清这一长期争议提供了关键实验依据，并展示了X射线衍射测温技术在纳米尺度热测量领域的独特优势。

参考文献：