Langmuir-Blodgett膜的研究现状及其应用
摘要：Langmuir-Blodgett膜（简称LB膜）是由美国科学家IrvingLangmuir和他的学生KatharineBlodgett建立的一种单分子膜沉积技术，即在水-气界面上将不溶解的分子加以高度有序排列，形成单分子膜，然后再转移到固体上的制膜技术[1]。该技术一直受到各国科研人员的青睐，是当前膜与细胞生物物理的前沿热点问题。LB膜在物理、化学、生物学、非线性光学和微电子学等高技术领域中被广泛应用。
本文将从目前研究LB膜的部分研究成果入手，评述LB膜的研究现状以及基本原理，并阐述LB膜在化学反应中的应用情况以及对未来应用前景的展望。
关键词：LB膜；LB膜技术；LB膜应用；
前言
Langmuir-Blodgett膜(简称LB膜)是由美国科学家Irving Langmuir和他的学生Katharine Blodgett建立的一种单分子膜沉积技术，即在水-气界面上将不溶解的分子加以高度有序排列，形成单分子膜，然后再转移到固体上的制膜技术。该技术自20世纪30年代掀起第一个研
究单分子膜的高潮以来，它一直受到各国科研人员的青睐，是当前膜与细胞生物物理的前沿热点问题。LB膜在物理、化学、生物学、非线性光学和微电子学等高技术领域中被广泛应用。可以用于材料表面的改质、电子学方面，例如超大规模集成电器的防腐涂层。另外，LB膜在催化有机化学反应方面也有独到之处，致使LB的研究已经从实验室探索逐步走向应用方面的研究。
1 LB膜及LB膜技术
1.1 LB膜
Langmuir-Blodgett(LB)膜成膜材料通常是两亲分子，两亲分子含有一个极性的亲水基团和一个非极性的疏水基团，所以当将成膜材料溶于适当有机溶剂中时，分子的亲水基团就扎向水里，疏水基团却朝向空气，并且在水面上铺展开来，形成漂浮在水面上的单分子层膜，人们通常将这种膜叫做Langmuir膜[2]。而Langmuir-Blodgett膜则是用适当的机械装置将气/液界面悬浮的单分子膜逐层转移、组装到基片上而形成的规整有序的膜。也就是说，LB膜是单分子膜在基片上沉积得到的多层膜。LB膜有如下的特点[3]：(a文情)LB膜超薄且膜厚度可以通过膜的层数准确控制；(b)制膜系统条件温和，操作简单，重复性好；(c)LB膜中
分子紧密排列，膜层缺陷少，优质均匀。
1.2 LB膜的制备技术
Langmuir-Blodgett(LB)膜技术是Langmuir和Blodgett在约80年前的纯科学发明,它是将空气-水界面上的单分子膜转递到固体上的技术。最早Langmuir和Blodgett创建的LB膜的沉积方法是垂直沉积法（如图1所示），这种方法的特点是在分子沉积时固体基片始终与水面上的单分子膜保持垂直状态[4]。可以将其按照沉积形式的不同分为X型沉积法、Y型沉积法、Z型沉积法。垂直沉积法在实验研究中是最常用的一种方法。
风吹过的夏天
图1 (a) Y型沉积法；(b) X型沉积法；青菜苔(c) Z型沉积法；
LB膜的沉积方法还有水平接触法，它是由日本学者福田清成（Fukuda）于1976年创立的[5]。随着成膜高分子的组成不同，成膜后的性能也具有显著差异,按制备的特征,可初步分为6种方法,这些制备方法也各有特点，如表1所示。方法1-3是比较经典的方法,研究较早；而近期来方法4-6的研究工作较多，因为这三种方法所得LB膜的结构稳定性好、性能优越，且成膜方法对成膜材料的适应性广[6人员管理]。
表1 高分子LB膜的制备方法及其特点
周记450 | 制备方法 | 方法特点 |
1 | 单体成膜,转移再聚合 | 分子有序性好,膜缺陷较多 |
2 | 单体成膜,聚合再转移 投影仪怎么使用 | 膜的有序性好,但可成膜材料较少,操作复杂 |
3 | 单体先聚合,如嵌段共聚物等直接成膜,再转移 | 适宜于造大面积膜的制备,膜质量不稳定,功能化不足 |
4 | 混合辅助成膜法,也称“表面离子”法 | 最适合无两亲性,不溶于水的高分子,应用范围广 |
5 | 预聚体法 | 成膜质量高,有序性好,结构稳定,适合于特定的高分子 |
6 | 亚相离子吸附 | 适合于组装聚电解质类膜,善于制备含纳米粒子 |
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2表征LB膜的方法
职场商务英语科学研究人员为了解单分子膜和LB膜的成分和结构，开拓更为广泛的单分子膜和LB膜应用范围，首先要了解单分子膜的表面性质和LB膜的固态物理性质。因此，他们尝试用各种分析手段对单分子膜的成分、结构、有序排列、相互作用、形貌和LB膜的成膜质量以及膜的性质进行测试分析。常用的手段有扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)、小角X射线衍射、中红外椭圆偏光法、紫外分光光度计(UV)、反射X光谱(XA)、表面衰减全反射谱(ATR)和电子自旋共振(ESR)[7]。
其中，运用紫外-可见光谱法可以得到LB膜的生色团、分子的聚集和分子内相互作用等信息。研究工作表明，可以应用紫外-可见光谱法跟踪像长链双炔酸那样聚合后会产生共轭双键的物质，也可以观察那些对紫外光特别敏感的LB膜的聚合等[8]。
用红外光谱（IR）法研究LB膜，可以得到LB膜的官能团、烷基链的构形以及单分子膜的有序性信息，这为研究LB膜体系的稳定性和精确表征分子的取向特征奠定了基础，也为探讨膜的功能与结构关系提供了分子水平的准确依据。此法还能对LB膜的分子排列方式、分子有序性、分子倾角与重排规律及热稳定性能等进行分析,乃至分子的聚集方式、不同光热或
电刺激下的构象变化、电位以及表面形态等特性进行表征[9]。
3 LB膜在化学反应中的应用
LB膜在化学中的应用主要是研究化学反应，包括研究聚合反应和制备新的聚合物。LB膜上的化学反应可研究有序状态下的聚合反应的机理，它们具有一般聚合反应所不具备的规律和动力学，特别是LB膜上的光化学反应对光合成，甚至视觉过程都有关系。利用LB技术可以制备液晶聚合物，因为液晶聚合物形成的条件在LB膜技术上可以得到满足，LB膜上的分子有序也有利于液晶聚合物的形成[10男生头像成熟稳重]。
3.1光化学反应
光化学反应的第一阶段是将水分解成氢和氧。双吡啶络合物的光激发状态Ru(bpy)32+的寿命比较长，容易和其他的物质发生电子转移，生成Ru(bpy)33+或Ru(bpy)3+。用光照射双吡啶络合物的均匀水溶液，不能发生水分解现象。Whitten,D.G.将上述双吡啶络合体制备成带二支长链脂肪酸酯的络合体（图2）。将其水面上的单分子膜转移到玻璃板上，将此膜浸入水中，并用光照射，膜表面便放出氢气和氧气的混合气[11]。
图2双吡啶络合体的长链衍生物
3.2聚合反应
将甘氨酸、丙氨酸等氨基酸与C16-18长链脂肪醇的酯化产物，在中性乃至碱性的水面上形成稳定的单分子膜。将此膜值域水面上，表面粘性会逐渐增大，立即显示出高分子显著的粘弹性。由此证明在无催化剂条件下，单分子膜于室温下便可进行聚合反应。若在水面上放置一定时间后，测定回收膜的红外光谱，发现酯基吸收峰减弱而酰胺键的吸收峰增强，由此可以确定存在以下聚合反应：
nNH2CRHCOOC18H37→-(-NHCRHCO-)n-+nC18H37OH
将这种氨基酸长链脂肪酸醇酯单分子膜转移到固体表面，研究累积膜中的聚合反应。将在氟化钙板上重叠成300层单体累积膜保存在恒温槽中，用IR光谱跟踪测定，结果发现酯基吸收峰减弱而酰胺键的吸收峰增强，由此可以确定也发生了聚合反应，可以根据吸收强度的定量解析出聚合率[12]。
3.3亲核反应
生物细胞膜是由磷脂双分子层，磷酸基排列在膜外两侧，膜内两侧是疏水性脂肪链。与此相反，有文献报道将双长链烷基季铵盐作成双层膜，即膜外为二硫水烷基，膜内为亲水性季胺基团。将这种膜用于水解反应和脱氢反应一类亲核反应，可以提高反应速度2-50倍[13]。
4结束语
至今LB膜的研究，多功能化的LB膜在能源、环境、生物医药及功能膜方面相继出现,与各个科学学科之间的联系更加紧密，逐渐形成了多学科的交叉点和生长点。但综合性能并不理想,因此进一步提升LB膜的物理化学性能,是当前应致力的艰巨任务。我们还要加强Lang
muir-Blodgett(LB)膜材料合成及其性能方面的研究，探索其分子尺度的特性，并利用这些特性制造出功能更为强大的新材料、新器件，使其在更多学科中的应用更加广泛，发挥出LB膜的实用性能。
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