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摘要：使用直链淀粉、硝酸银、葡萄糖、柠檬酸钠等试剂，采用家用微波炉加热反应体系，成功制备纳米级银颗粒。通过现代分析技术对其进行表征，制备的银纳米颗粒平均粒径为Snm左右，且实验重复性较好。开展对照实验，明确每种试剂在制备过程中的作用。通过本实验，使得高中生对纳米材料的一般制备过程有所了解，从而培养学生的科学素养和对化学学科的兴趣。
关键词：淀粉；纳米材料；银纳米颗粒；实验设计
文章编号：1005-6629（2016）2-0060-03
中图分类号：G633.8
文献标识码：B
1 研究背景
纳米材料的合成是现代化学持续关注和研究的领域，纳米材料由于其颗粒极其微小（O.1～100nm）表面积较大，使其具有显著的表面效应、量子尺寸效应和量子隧道效应而表现出独特的性质。银纳米颗粒作为一种具有特殊性能的材料，因为其在医学上具有独特的抗菌性而受到人们的关注。银纳米颗粒能直接进入菌体与氧代谢酶结合，使菌体窒息而死的独特作用机制，可杀死与其接触的大多数细菌、真菌、霉菌、孢子等微生物。经国内八大权威机构研究发现：纳米银对耐药病原菌如耐药大肠杆菌等数十种细菌有全面的抗菌活性；对烧、烫伤及刨伤表面常见的细菌如金黄色葡萄球菌、大肠杆菌等都有杀菌作用；对沙眼衣原体、引起性传播性疾病的淋球菌也有强大的杀菌作用。尤其特别的是纳米银属于非抗菌素杀菌剂能杀灭各种致病微生物，比抗菌素更强。研究发现，粒径越小，杀菌性能越强。10nm大小的纳米银颗粒可迅速直接杀死细菌，使其丧失繁殖能力，因此无法生产耐药性下一代，能有效避免因耐药性而导致反复发作久治不愈。这对于解决目前因抗生素滥用而产生的细菌耐药性难题，提供了有效途径。
然而，这一切看上去又似乎与中学生相距甚远。关于纳米材料的化学制备一般方法是选择合适的还原剂，将金属阳离子还原出来（单质）。但是在还原出金属原子的过程中，要保证不能让金属原子“聚合”变大。最常用的还原剂实验现象。塑料盒还减弱了燃烧强光对眼睛的伤害，相当于戴上了护目镜的效果，整个过程无任何安全隐患。
（2）微型、绿色、低碳、环保：使用实验室最小尺寸直径7cm的圆滤纸，方便易得，药品用量几乎减小到苏教版教材的的十分之一，甘油用量仅需5滴即可；而引燃甘油产生的CO2气体，一部分与镁条反应，多余的部分被塑料盒壁的NaOH溶液吸收，除此之外，塑料盒壁的溶液还有利于烟尘的沉降；塑料盒罩住整个反应装置，减少了大量烟尘外逸污染环境。
（3）仪器可多次重复使用：笔者为验证该实验的可操作性，重复操作超过十五次，蒸发皿及塑料盒均无任何损伤。
（4）装置简约，材料易得，适宜推广.塑料盒、小喷雾器均为生活中常见的废弃物，易获得、易制作，其余均为实验室常见仪器，无需很多成本。整个装置小巧、轻便、易携带，易推广。结合上述优点，可以将该演示实验改为学生分组实验。是硼氢化钠（NaBH4），然而硼氢化钠固体是一种易燃、具有腐蚀性，其在水溶液中不稳定慢慢分解，不适合中学生使用。硼氢化钠在酸性条件下会快速分解释放氢气，所以它不能在酸性条件下反应，只能在碱性条件下使用。笔者通过查阅相关资料，用葡萄糖可代替NaBH4作为还原剂制备银纳米颗粒。在校本课程中开设相关实验，取得了较好的效果。通过实验，让中学生对纳米材料的一般制备方法和原理有所了解，培养学习兴趣，为后续的大学学习做好准备。
淀粉广泛地存在于自然界中，是一种重要的多糖类有机物，也是重要的能源物质，对人类和动物都具有重要意义。在中学阶段，淀粉也是重要的物质，常用来检验单质碘的存在。一般来说淀粉分为直链淀粉和支链淀粉。直链淀粉由a-葡糖糖分子缩合而成，溶于水的直链淀粉借助分子内的氢键卷曲成螺旋状。利用其特殊螺旋结构（见图1），作为保护剂制备纳米级银颗粒。Sintubin等研究了多种乳酸杆菌制备纳米银的能力，推测细胞外聚合物（EPSs）为Ag 提供吸附位点，还原性糖如葡萄糖等作为电子供体将Ag 还原为Ag。本文没有使用NaBH4，避免了其存在的各项潜在缺陷。选择使用葡萄糖作还原剂，获得了更小纳米粒子，纳米粒子稳定性增强，实验重复性好，适合学生动手完成。
2 实验原理
在淀粉和柠檬酸钠的溶液中，在加热的条件下（沸腾），使用葡萄糖还原硝酸银。制备黄色胶态微粒纳米银粒子。
3 实验用品及过程
可溶性直链淀粉、硝酸银、柠檬酸三钠的二水合物、D-葡萄糖、葡萄糖、硝酸银（≥99%），蒸馏水；移液管（10mL和25mL）、10mL透明试剂瓶、锥形瓶。 取25mL蒸馏水于锥形瓶中，依次加入0.1g可溶性淀粉，滴入2～3滴0.05 mol/L硝酸银溶液、0.02g柠檬酸三钠的二水合物、0.03g葡萄糖，混合均匀。取反应液于2个10mL透明试剂瓶中，进行试验。一个试剂瓶放在带有磁子的加热搅拌器中（10min至沸腾），另一个放在家用微波炉中加热（3min至沸腾），都成功制备了浅黄色的纳米银溶液。相对而言，微波加热方式制得的粒径更加均匀（见图2）。这可能是由于微波加热的方式更加均匀的缘故。
4 银纳米颗粒的表征
表征结果如图3、图4所示。
通过现代仪器分析技术表明，本实验已经制得纳米级的银。与文献报道基本一致。从成功制备的纳米银的溶液来看，发现溶液呈现浅黄色。当延长加热时间和增大银离子浓度时，溶液呈较深的棕色，仪器分析的结果表明此时银粒子的半径较之前变大。因此当溶液出现浅黄色时，即说明实验成功。
5 实验条件和反应原理的探究
为鼓励学生思考，开展对照实验。（反应物 表示存在，一表示不存在）在实验中，鼓励学生自己动手完成分组实验。探究实验过程中每种试剂的作用，以便更加全面和客观地理解制备的反应过程，取得较好的教学效果。
通过查阅文献可知，硼氢化钠（NaBH4）的成功主要是银原子间存在的过量BH4-的静电排斥作用，使得生成的银原子间聚合变得困难。当向反应体系中加入电解质如NaCl后，能破坏BH4-间的排斥作用，使得银原子间能聚合变大，导致纳米银的制备失败。为验证本实验中纳米银的形成机理，在对照实验中我们也加入了少量的NaCl，但对实验的结果几乎没有影响。那么究竟是什么原因促进纳米银粒子的生成呢？
对照实验2、3、4，可知直链淀粉的存在，对银纳米颗粒制备起到关键作用。在直链淀粉螺旋结构中，葡糖糖单元的最大孔径为0.4nm左右，显然不能成为纳米银的生成点。可能的情况应该是，在螺旋状的淀粉分子链中，仍然有多个羟基暴露在螺旋结构外，生成的银原子与这些羟基作用，使得银原子生成后嵌入到螺旋结构轴中，相当于银原子被“包合”，使得银原子彼此之间的“聚合”受到阻碍。因此，淀粉成为纳米银生成过程的保护剂，也使得纳米粒子的稳定性得到提高。
由实验5和6可知，柠檬酸三钠的存在对实验的结果也有较大的影响。那么柠檬酸三钠到底在反应中起到什么作用呢？由反应（I）可知，随着反应的进行，产生银原子的同时，产生等物质的量H ，而体系的酸性增加显然是不利于纳米粒子的生成的。从这点来考虑，柠檬酸三钠是一种多元弱酸强碱盐，它主要起到调节反应体系的酸度，起到类似缓冲溶液的作用。
6 结论
使用淀粉、硝酸银、柠檬酸三钠、葡萄糖成功制备了银纳米颗粒。直链淀粉因为其螺旋结构而成为形成纳米银的保护剂，柠檬酸三钠是反应体系的缓冲剂，调节体系的酸度。通过实验的探究，能让学生明白纳米材料的生长原理和过程，能使学生对纳米材料的制备原理及过程有初步认识，能提升学生的科学素养，培养学习兴趣。
关键词：淀粉；纳米材料；银纳米颗粒；实验设计
文章编号：1005-6629（2016）2-0060-03
中图分类号：G633.8
文献标识码：B
1 研究背景
纳米材料的合成是现代化学持续关注和研究的领域，纳米材料由于其颗粒极其微小（O.1～100nm）表面积较大，使其具有显著的表面效应、量子尺寸效应和量子隧道效应而表现出独特的性质。银纳米颗粒作为一种具有特殊性能的材料，因为其在医学上具有独特的抗菌性而受到人们的关注。银纳米颗粒能直接进入菌体与氧代谢酶结合，使菌体窒息而死的独特作用机制，可杀死与其接触的大多数细菌、真菌、霉菌、孢子等微生物。经国内八大权威机构研究发现：纳米银对耐药病原菌如耐药大肠杆菌等数十种细菌有全面的抗菌活性；对烧、烫伤及刨伤表面常见的细菌如金黄色葡萄球菌、大肠杆菌等都有杀菌作用；对沙眼衣原体、引起性传播性疾病的淋球菌也有强大的杀菌作用。尤其特别的是纳米银属于非抗菌素杀菌剂能杀灭各种致病微生物，比抗菌素更强。研究发现，粒径越小，杀菌性能越强。10nm大小的纳米银颗粒可迅速直接杀死细菌，使其丧失繁殖能力，因此无法生产耐药性下一代，能有效避免因耐药性而导致反复发作久治不愈。这对于解决目前因抗生素滥用而产生的细菌耐药性难题，提供了有效途径。
然而，这一切看上去又似乎与中学生相距甚远。关于纳米材料的化学制备一般方法是选择合适的还原剂，将金属阳离子还原出来（单质）。但是在还原出金属原子的过程中，要保证不能让金属原子“聚合”变大。最常用的还原剂实验现象。塑料盒还减弱了燃烧强光对眼睛的伤害，相当于戴上了护目镜的效果，整个过程无任何安全隐患。
（2）微型、绿色、低碳、环保：使用实验室最小尺寸直径7cm的圆滤纸，方便易得，药品用量几乎减小到苏教版教材的的十分之一，甘油用量仅需5滴即可；而引燃甘油产生的CO2气体，一部分与镁条反应，多余的部分被塑料盒壁的NaOH溶液吸收，除此之外，塑料盒壁的溶液还有利于烟尘的沉降；塑料盒罩住整个反应装置，减少了大量烟尘外逸污染环境。
（3）仪器可多次重复使用：笔者为验证该实验的可操作性，重复操作超过十五次，蒸发皿及塑料盒均无任何损伤。
（4）装置简约，材料易得，适宜推广.塑料盒、小喷雾器均为生活中常见的废弃物，易获得、易制作，其余均为实验室常见仪器，无需很多成本。整个装置小巧、轻便、易携带，易推广。结合上述优点，可以将该演示实验改为学生分组实验。是硼氢化钠（NaBH4），然而硼氢化钠固体是一种易燃、具有腐蚀性，其在水溶液中不稳定慢慢分解，不适合中学生使用。硼氢化钠在酸性条件下会快速分解释放氢气，所以它不能在酸性条件下反应，只能在碱性条件下使用。笔者通过查阅相关资料，用葡萄糖可代替NaBH4作为还原剂制备银纳米颗粒。在校本课程中开设相关实验，取得了较好的效果。通过实验，让中学生对纳米材料的一般制备方法和原理有所了解，培养学习兴趣，为后续的大学学习做好准备。
淀粉广泛地存在于自然界中，是一种重要的多糖类有机物，也是重要的能源物质，对人类和动物都具有重要意义。在中学阶段，淀粉也是重要的物质，常用来检验单质碘的存在。一般来说淀粉分为直链淀粉和支链淀粉。直链淀粉由a-葡糖糖分子缩合而成，溶于水的直链淀粉借助分子内的氢键卷曲成螺旋状。利用其特殊螺旋结构（见图1），作为保护剂制备纳米级银颗粒。Sintubin等研究了多种乳酸杆菌制备纳米银的能力，推测细胞外聚合物（EPSs）为Ag 提供吸附位点，还原性糖如葡萄糖等作为电子供体将Ag 还原为Ag。本文没有使用NaBH4，避免了其存在的各项潜在缺陷。选择使用葡萄糖作还原剂，获得了更小纳米粒子，纳米粒子稳定性增强，实验重复性好，适合学生动手完成。
2 实验原理
在淀粉和柠檬酸钠的溶液中，在加热的条件下（沸腾），使用葡萄糖还原硝酸银。制备黄色胶态微粒纳米银粒子。
3 实验用品及过程
可溶性直链淀粉、硝酸银、柠檬酸三钠的二水合物、D-葡萄糖、葡萄糖、硝酸银（≥99%），蒸馏水；移液管（10mL和25mL）、10mL透明试剂瓶、锥形瓶。 取25mL蒸馏水于锥形瓶中，依次加入0.1g可溶性淀粉，滴入2～3滴0.05 mol/L硝酸银溶液、0.02g柠檬酸三钠的二水合物、0.03g葡萄糖，混合均匀。取反应液于2个10mL透明试剂瓶中，进行试验。一个试剂瓶放在带有磁子的加热搅拌器中（10min至沸腾），另一个放在家用微波炉中加热（3min至沸腾），都成功制备了浅黄色的纳米银溶液。相对而言，微波加热方式制得的粒径更加均匀（见图2）。这可能是由于微波加热的方式更加均匀的缘故。
4 银纳米颗粒的表征
表征结果如图3、图4所示。
通过现代仪器分析技术表明，本实验已经制得纳米级的银。与文献报道基本一致。从成功制备的纳米银的溶液来看，发现溶液呈现浅黄色。当延长加热时间和增大银离子浓度时，溶液呈较深的棕色，仪器分析的结果表明此时银粒子的半径较之前变大。因此当溶液出现浅黄色时，即说明实验成功。
5 实验条件和反应原理的探究
为鼓励学生思考，开展对照实验。（反应物 表示存在，一表示不存在）在实验中，鼓励学生自己动手完成分组实验。探究实验过程中每种试剂的作用，以便更加全面和客观地理解制备的反应过程，取得较好的教学效果。
通过查阅文献可知，硼氢化钠（NaBH4）的成功主要是银原子间存在的过量BH4-的静电排斥作用，使得生成的银原子间聚合变得困难。当向反应体系中加入电解质如NaCl后，能破坏BH4-间的排斥作用，使得银原子间能聚合变大，导致纳米银的制备失败。为验证本实验中纳米银的形成机理，在对照实验中我们也加入了少量的NaCl，但对实验的结果几乎没有影响。那么究竟是什么原因促进纳米银粒子的生成呢？
对照实验2、3、4，可知直链淀粉的存在，对银纳米颗粒制备起到关键作用。在直链淀粉螺旋结构中，葡糖糖单元的最大孔径为0.4nm左右，显然不能成为纳米银的生成点。可能的情况应该是，在螺旋状的淀粉分子链中，仍然有多个羟基暴露在螺旋结构外，生成的银原子与这些羟基作用，使得银原子生成后嵌入到螺旋结构轴中，相当于银原子被“包合”，使得银原子彼此之间的“聚合”受到阻碍。因此，淀粉成为纳米银生成过程的保护剂，也使得纳米粒子的稳定性得到提高。
由实验5和6可知，柠檬酸三钠的存在对实验的结果也有较大的影响。那么柠檬酸三钠到底在反应中起到什么作用呢？由反应（I）可知，随着反应的进行，产生银原子的同时，产生等物质的量H ，而体系的酸性增加显然是不利于纳米粒子的生成的。从这点来考虑，柠檬酸三钠是一种多元弱酸强碱盐，它主要起到调节反应体系的酸度，起到类似缓冲溶液的作用。
6 结论
使用淀粉、硝酸银、柠檬酸三钠、葡萄糖成功制备了银纳米颗粒。直链淀粉因为其螺旋结构而成为形成纳米银的保护剂，柠檬酸三钠是反应体系的缓冲剂，调节体系的酸度。通过实验的探究，能让学生明白纳米材料的生长原理和过程，能使学生对纳米材料的制备原理及过程有初步认识，能提升学生的科学素养，培养学习兴趣。