Hạt nano vàng là một khái niệm để chỉ các hạt có kích thƣớc nano đƣợc tạo thành từ kim loại vàng. Phải đến năm 1857, khi Michael Faraday nghiên cứu một cách hệ thống các hạt nano vàng thì các nghiên cứu về phƣơng pháp chế tạo, tính chất và ứng dụng của các hạt nano kim loại mới thực sự đƣợc bắt đầu.
Có hai phƣơng pháp để tạo vật liệu nano, phƣơng pháp từ dƣới lên và phƣơng pháp từ trên xuống. Phƣơng pháp từ trên xuống là phƣơng pháp tạo vật liệu
nano từ vật liệu khối ban đầu. Phƣơng pháp từ dƣới lên là tạo hạt nano từ các ion hoặc các nguyên tử kết hợp lại với nhau. Đối với hạt nano kim loại nhƣ hạt nano vàng thì phƣơng pháp thƣờng đƣợc áp dụng là phƣơng pháp từ dƣới lên. Nguyên tắc là khử các ion kim loại nhƣ Au+
để tạo thành các nguyên tử Au0. Các nguyên tử sẽ liên kết với nhau tạo ra hạt nano vàng.
Để tổng hợp các hạt nano vàng, các nhà vật lý sử dụngphƣơng pháp khử hóa học. Đây là phƣơng pháp dùng các tác nhân hóa học để khử ion kim loại thành kim loại. Thông thƣờng các tác nhân hóa học ở dạng dung dịch lỏng. Dung dịch ban đầu có chứa muối kim loại nhƣ HAuCl4. Tác nhân khử ion kimloại Au+
thành Au0 ở đây là các chất hóa học nhƣ Citric acid, vitamin C, Sodium Borohydride NaBH4, Ethanol (cồn), Ethylene Glycol (phƣơng pháp sử dụng các nhóm rƣợu đa chức còn gọi là phƣơng pháp polyol). Để các hạt phân tán tốt trong dung môi mà không bị kết tụ thành đám, ngƣời ta sử dụng phƣơng pháp tĩnh điện để làm cho bề mặt các hạt nano có cùng điện tích và đẩy nhau hoặc dùng phƣơng pháp bao bọc chất hoạt hóa bề mặt. Phƣơng pháp tĩnh điện đơn giản nhƣng bị giới hạn bởi một số chất khử. Phƣơng pháp bao phủ phức tạp nhƣng vạn năng hơn, hơn nữa phƣơng pháp này có thể làm cho bề mặt hạt nano có các tính chất cần thiết cho các ứng dụng. Các hạt nano vàng kích thƣớc từ 10 – 100nm có thể đƣợc chế tạo từ phƣơng pháp này.
Hạt nano kim loại có hai tính chất khác biệt so với vật liệu khối đó là hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng kích thƣớc. Tuy nhiên, do đặc điểm các hạt nano có tính kim loại, tức là có mật độ điện tử tự do lớn thì các tính chất thể hiện có những đặc trƣng riêng khác với các hạt không có mật độ điện tử tự do cao.
Một trong những tính chất vật lý của các hạt nano vàng đƣợc quan tâm nhất là tính chất quang học: Hiện tƣợng cộng hƣởng Plasmon bề mặt (surface plasmon resonance) do điện tử tự do trong hạt nano hấp thụ ánh sáng chiếu vào. Kim loại có nhiều điện tử tự do, các điện tử tự do này sẽ dao động dƣới tác dụng của điện từ trƣờng bên ngoài nhƣ ánh sáng. Thông thƣờng các dao động bị dập tắt nhanh chóng bởi các sai hỏng mạng hay bởi chính các nút mạng tinh thể trong kim loại khi quãng đƣờng tự do trung bình của điện tử nhỏ hơn kích thƣớc. Nhƣng khi kích thƣớc của
kim loại nhỏ hơn quãng đƣờng tự do trung bình thì hiện tƣợng dập tắt không còn nữa mà điện tử sẽ dao động cộng hƣởng với ánh sáng kích thích. Do vậy, tính chất quang của hạt nano đƣợc có đƣợc do sự dao động tập thể của các điện tử dẫn đến từ quá trình tƣơng tác với bức xạ sóng điện từ. Khi dao động nhƣ vậy, các điện tử sẽ phân bố lại trong hạt nano làm cho hạt nano bị phân cực điện tạo thành một lƣỡng cực điện. Do vậy xuất hiện một tần số cộng hƣởng phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣng các yếu tố về hình dáng, độ lớn của hạt nano và môi trƣờng xung quanh là các yếu tố ảnh hƣởng nhiều nhất. Ngoài ra, mật độ hạt nano cũng ảnh hƣởng đến tính chất quang. Nếu mật độ loãng thì có thể coi nhƣ gần đúng hạt tự do, nếu nồng độ cao thì phải tính đến ảnh hƣởng của quá trình tƣơng tác giữa các hạt.