纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺寸(1-100 nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10~1000个原子紧密排列在一起的尺度。
20世纪60年代人们开始对分立的纳米粒子进行研究。1963年，Uyeda用气体蒸发冷凝法制的了金属纳米微粒，并对其进行了电镜和电子衍射研究。1984年德国萨尔兰大学(Saarland University)的Gleiter以及美国阿贡实验室的Siegal相继成功地制得了纯物质的纳米细粉。Gleiter在高真空的条件下将粒子直径为6nm的铁粒子原位加压成形，烧结得到了纳米微晶体块，从而使得纳米材料的研究进入了一个新阶段。
纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类。其中纳米粉末开发时间最长、技术最为成熟，是生产其他三类产品的基础。纳米颗粒材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子(nano particle)组成。纳米粒子也叫超微颗粒，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒(纳米级)后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。纳米材料在陶瓷、磁性材料、传感器、催化、电极修饰、医疗、机械等方面都有非常广泛的应用。
【实验目的】
1.了解制备金纳米粒子的方法和原理，学会用柠檬酸钠还原法制备金纳米粒子的方法。
2.了解制备碳量子点的方法和原理，学会用水热法制备碳量子点的方法。
【实验原理】
一、制备金纳米粒子（AuNPs）的方法
现已发展成熟的 AuNPs 的制备方法，包括还原法、模板法、种子生长法和两相合成法等。使用上述方法，合成了不同形状及大小的 AuNPs，包括球状、棒状、菱形、锥形、块状和星形等。AuNPs 因其不同的形状和大小，表现出独特的尺寸效应、量子效应和表面效应等，使其在分析化学、环境检测、医学诊断等领域成为理想的功能化材料。
1 柠檬酸(钠)还原法制备 AuNPs
在水相中，利用柠檬酸作为 还原剂还原氯金酸制备AuNPs。Turkevitch利用该方法，合成的 AuNPs 直径约为 20nm，其中柠檬酸还充当稳定剂。由于柠檬酸(钠)还原氯金酸(钠)制备 AuNPs的方法简单，易于合成，而且更重要的是由柠檬酸根保护的 AuNPs 稳定。此外，柠檬酸根可以被与AuNPs 作用更强的配体取代，进而制备各种功能化的AuNPs。因此，到目前为止，该方法仍然作为一种基础的制备方法被广泛采用。
2 模板法制备 AuNPs
模板法以具有微孔结构的基质为模板，在其微孔中合成纳米粒子。该方法通过合成具有特定尺寸和结构的模板，获得特定粒径和形貌的纳米粒子。以SiO2微孔为模板，并通过超声诱导制备特定粒径和形貌的 AuNPs。以高分子材料4－吡啶酮为模板，采用液—液相转移方法制备一定粒径和形貌的AuNPs。以有机介孔为模板，利用电化学沉积法，可以制备出直径约为 90 nm的线状AuNPs。
3 种子生长法制备 AuNPs
种子生长法一般使用强还原剂(如NaBH4和KBH 4 )还原氯金酸(盐)，使其产生粒径约为 4 nm的金种子，然后将其添加到大量金原子(Au 0 )存在的生长液中，Au 0在表面活性剂的诱导下，以金种子为生长点逐渐聚合生长，形成不同形状的AuNPs，如球状、棒状、哑铃状和多面体等。
4 两相合成法制备 AuNPs
首先，分别将一定量的氯金酸溶于去离子水中，将四正辛基溴化铵(TOAB)溶于甲苯中，然后，将二者混合搅拌(发生的现象:水溶液相变澄清，而甲苯相变为橙色。此现象发生的原因:甲苯相中TOAB萃取水相中的AuCl－4)。接着，转移至分液漏斗中静止分层，取橙色甲苯相，将其置于冰水浴中，加一定量的巯醇(如正十二烷基巯基醇)，搅拌至溶液接近无色，加NaBH4，保存于冰水浴中 24 h，将制备出热力学稳定的、粒径为 1.5 ～5.2 nm 的 AuNPs，该方法利用强的金硫键(Au—S)作用，合成出巯基配体修饰的 AuNPs。改变合成反应条件，如适当增加巯醇/金盐的比例、调控反应温度和还原速率，便可制得尺寸更小和单分散性更好的 AuNPs。此方法制备出的 AuNPs 将有如下优点:（1）稳定，可反复溶解于简单的有机溶剂中而不会聚集;（2）奇特的光电特性;（3）较高的比表面积和良好的生物相容性。
二、制备碳量子点（CQD）的方法
碳点是一种尺寸小于10nm 的分散的类球形荧光碳纳米颗粒。2004年，Scrivens组的研究人员利用电泳纯化由电弧放电法制备单壁碳纳米管时，首次得到发光碳点。碳点作为一种新型发光材料，一经发现，就引起了人们极大的研究兴趣。目前，碳点因发光范围可调、双光子吸收截面大、光稳定性好、易于功能化、无毒和生物相容性好等优点，在生物成像和标记、分析检测、光电转换以及催化等领域表现出良好的应用前景。这也使碳点成为传统半导体量子点的理想替代者。近年来，随着人们对碳点优异性能的逐步认识，提出了一系列制备性能优良碳点的方法。这些方法可以概括为两大类：自上而下法和自下而上法。
１ 自上而下合成法
自上而下法是通过各种途径将大的碳材料剥离成小的碳颗粒，然后对颗粒表面进一步修饰来提高其发光效率的方法，主要包括电弧放电、激光消融、电化学氧化法等。所得碳点主要是石墨类型，荧光量子产率通常低于10%。
（1）电弧放电法
电弧放电法是最初发现荧光碳点的方法。首先对电弧放电烟灰进行浓硝酸氧化和氢氧化钠水溶液萃取，得到单壁碳纳米管悬浮液。对悬浮液通过凝胶电泳法分离后，获得的产物除了单壁碳纳米管和短的碳纳米管，还意外得到具有荧光的混合物。对该混合物进一步分离，得到在366nm激发光下分别发蓝绿色、黄色和橘红色三种荧光的碳纳米颗粒。
（2）激光消融法
2006年，将氩气和水蒸气作为载气，用Nd:YAG固体激光器轰击石墨靶，得到无荧光的碳纳米颗粒；浓硝酸氧化后，仍无荧光；再用氨基化的聚乙二醇（Poly－(ethyleneglycol)，PEG1500N）进一步钝化颗粒表面，得到粒径为5nm、发光效率为4%～10%的具有强荧光的碳纳米颗粒。
（3）电化学合成法
电化学合成法是通过电解碳材料，如碳纳米管、石墨等来获得水溶性碳点的一种方法。在该方法中，无需进行表面修饰，就能获得荧光碳点。例如，利用多壁碳纳米管作工作电极，银／高氯酸银作参比电极，以含有四丁基高氯酸铵的乙腈溶液作为支持电解质，通过循环伏安法处理工作电极，得到粒径约为 3nm左右 、量子产率为7％的碳点。
2 自下而上合成法
与自上而下法通常将大颗粒减小不同，自下而上制备碳点的方法倾向于由小变大，大多为化学合成法，主要包括燃烧法、模板法、水热法、有机物热分解及其他一些方法。这些方法相对简单，所得碳点一般为无定形结构，大部分量子效率较低，但有些碳点的发光效率可与传统的半导体量子点相当。
（1）燃烧法
燃烧法是制备碳点较常用的一种方法。该法原料简单，主要包括蜡烛灰、天然气灰、石蜡油灰等。如利用燃烧蜡烛灰法制备碳点，用铝箔收集不完全燃烧产生的蜡烛灰，将其放入硝酸溶液中回流，经过离心、调至中性、透析等最终获得分散性较好的发光碳点。
（2）模板法
通过高温处理有机物制备碳点时，经常遇到的问题是碳纳米颗粒的团聚。模板法能有效阻止颗粒团聚并控制碳点的尺寸。模板法合成碳点的基本步骤如下：首先在模板上合成碳点，然后用酸（或碱）刻蚀等手段除去模板。其优势在于，模板在合成中起固定作用，可控制碳点大小、减少碳点团聚；所得碳点粒径均匀，纯度较高，便于后期的表面修饰；碳点的荧光量子产率也较高。其缺点为：模板与碳点分离较难，模板除去时可能影响碳点的纯度、粒径和发光性能；碳点产率较低，不适合碳点的大规模制备。
（3）水热法
水热法是本实验室首先提出的一种便捷的将碳源与水在高压釜中混合加热来制备水溶性碳点的方法。该法制备碳点的优势在于通过选择不同碳源，制备过程中无需对碳点进一步氧化和钝化就能在反应釜中一步获得具有高荧光量子产率的碳点，制备方法相对简单且易于控制，适合工业生产；另外，密闭的反应釜可用于对空气敏感的前驱体，并可防止实验中有毒物质的挥发。
（4）热解法
热解法主要以有机物为碳源，利用有机物在高温下热解炭化形成碳点。热解法制备碳点碳源广泛，可通过控制分解程度得到具有不同性质的碳点，制备方法简单、实用且可重复性强；所得碳点荧光量子产率高。目前对该方法的研究重点是对不同碳源的尝试和选择，寻找廉价且能合成性质优良碳点的碳前驱体。
【实验器材】
1 主要原料（含溶质、溶剂、稳定剂）
2 实验器皿（烧杯、量筒、玻璃棒、试管、移液枪、圆底烧瓶、球形冷凝管）
3 操作仪器（电子天平、磁力搅拌器、热源、离心机、高压反应釜）
【实验步骤】
一、用柠檬酸钠还原法制备金纳米粒子
取 20 mL 0.01%氯金酸溶液于 50 mL 圆底烧瓶中，放入磁子，装上球形冷凝管，加热至沸腾。在高速搅拌的同时，迅速加入 2 mL 1%柠檬酸钠溶液，溶液的颜色逐渐由浅黄色变成橙红色，在激烈搅拌下回流 10 min，撤去热源，继续搅拌 15 min，冷却溶液至室温，即得到金纳米粒子溶液。
二、用水热法制备碳量子点
本实验采用生活中常见的绿色无毒原料，将新鲜橙汁／柠檬汁与白酒以４：３的体积比例混合，制成混合溶液作为水热反应的前体，再将混合溶液放入通过油浴锅加热的并具有聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，在约120℃下恒温水热反应３小时。加热反应结束后，待溶液冷却至40℃后从釜内取出，利用二氯甲烷清洗数次后吸取其上层清液，将上层清液以３：1的比例分散在白酒或去离子水中。将分散后的溶液在10000 prm的离心机中离心15min，将离心后的溶液吸取上层清液得到碳量子点溶液.
【注意事项】
1 很多有机物有毒，使用时小心。
2 使用热源仪器时，避免烫伤。
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