更新时间：2023-11-28 11:20
Langmuir-Blodgett膜，简称LB膜，生物科学领域术语。当分子具有疏水（憎水）和亲水（喜水）的官能团时，它们以可预测的方式在气液界面聚集，并形成单分子膜。被转移到固体基材上的这层膜被称为LB膜。有很多单分子材料非常适合在气液界面形成LB膜，包括脂质体，纳米颗粒，高分子聚合物，蛋白质和生物分子。现代化学工程使得可以合成几乎任何类型的功能分子，使其可用于制备LB膜。
在适当的条件下，不溶物单分子层可以通过特定的方法转移到固体基底上，并且基本保持其在气液界面定向排列的分子层结构。这种技术是由20世纪三十年代美国科学家欧文·朗缪尔及其学生Katharine Blodgett建立的。它是将兼具亲水和疏水的两亲性分子分散在气液界面，经逐渐压缩其水面上的占有面积，使其排列成单分子层，再将其转移沉积到固体基底上所得到的一种膜。根据发明人的姓名，将此技术称为LB膜技术。人们习惯上将漂浮在水面上的单分子层膜叫做Langmuir膜，而将转移沉积到基底上的膜叫做Langmuir-Blodgett膜，简称为LB膜。
单分子膜的研究开始于18世纪，著名的美国政治家本杰明·富兰克林访问英国时，在伦敦做了一个试验，他把一匙油(约2mL)滴在半英亩的池塘水面上，油在风的吹动下迅速地铺展开，而池塘水的波浪却平静下来了。这可以说是有关LB膜研究最早的科学实验记录。对这一现象科学性的解释直到1890年瑞利第一次提出单分子膜概念才得以完成，他利用在水表面上扩展的油膜来研究水的表面张力的规律，成功地估算出这层膜的厚度在1-2nm，知道这就是脂肪酸单分子膜的厚度。
1891年九月，Agnes Pockels设计了一个水槽，用一个金属障片来压缩控制膜面积，并指出在膜面积达到一定值时，油膜表面张力变化很小。1917年欧文·朗缪尔在Agnes Pockels槽的基础上改进了实验装置，发展了一种新的膜天平，利用这套装置可以精确测定分子的尺寸和取向，了解分子之间的相互排列和作用。他的研究奠定了单分子层膜的理论基础。1932年欧文·朗缪尔由于他出色的工作而被授予诺贝尔奖。
1919年在法拉第学会的一次会议上，欧文·朗缪尔报告了他的实验结果：第一次实现了脂肪酸单分子层从水面向固体基底上的转移，而且这样的单分子层对固体基底的表面性质产生很大的影响。在发言的最后，朗缪尔提到大多数的实验工作是由Katharine Blodgett完成的。1933年，欧文·朗缪尔和Blodgett重新开始了他们放置了十余年的水面上单分子层的研究工作，1934年Blodgett第一次详细叙述了如何通过单分子层的连续转移来建造多层的组合膜。在随后的实验中，欧文·朗缪尔和Blodgett验证了很多物质都可以形成多层膜，并使用光学技术来研究膜的性质。Langmuir和Blodgett所建立的单分子膜转移技术和他们有关组合多层膜的研究，在当时吸引了许多科学家投入到这个领域，形成了LB膜研究的第一个高潮。
第二次世界大战爆发后，这项研究中断了。20世纪60年代，德国科学家Hans Kuhn首先意识到运用LB膜技术实现分子功能的组装并构造分子的有序体系，他率先在LB膜中引入染料分子进行光谱研究，并开展了单分子膜组装功能LB膜和能量转移体系的研究。他首次发表的在LB膜中引入具有光活性的染料分子的研究论文，对LB膜研究的发展产生了重大影响，被誉为是划时代的贡献。
在摩擦学领域，欧文·朗缪尔首次报道脂肪酸单分子层向固体基底的转移，并对固体基体的表面性质产生很大影响的研究结果时，就曾指出这种单分子膜可以减小滑块间的摩擦和磨损。十多年后，Hardy和Beek等又相继发现，长链极性分子的单分子膜可以减小两金属表面相对滑动时的摩擦系数。但这些仅属于有关边界润滑的基础研究。
到了20世纪80年代，LB膜又引起物理学、生物学、电子学、光学、化学、材料科学和摩擦学等领域国内外学者的普遍关注，并在许多方面得到了应用，其在摩擦学领域中的应用研究也有一定的发展。功能材料的发展带动器件的构造向着小型化、集成化、多功能化和高可靠性的方向发展。LB膜作为高技术领域中的一项新技术，是实现分子组装和纳米尺度润滑的有效方法之一，越来越受到重视。
（1）膜厚为分子级水平（纳米数量级），具有特殊的物理化学性质；
（2）可以制备单分子膜，也可以逐层累积形成多层LB膜，组装方式任意选择；
（3）可以人为选择不同的高分子材料，累积不同的分子层，使之具有多种功能；
（4）成膜可在常温常压下进行，所需能量小，基本不破坏成膜材料的高分子结构；
（5）LB膜技术在控制膜层厚度及均匀性方面远比常规制膜技术优越；
（6）可有效地利用LB膜分子自身的组织能力，形成新的化合物；
LB膜结构容易测定，易于获得分子水平上的结构与性能之间的关系。
（1）由于LB膜淀积在基片上时的附着力是依靠分子间作用力，属于物理键力，因此膜的机械性能较差；
（2）要获得排列整齐而且有序的LB膜，必须使材料含有两性基团，这在一定程度上给LB成膜材料的设计带来困难；
（3）制膜过程中需要使用氯仿等有毒的有机溶剂，这对人体健康和环境具有很大的危害性；
制备Langmuir膜
首先将样品溶解在铺展溶剂中，取一定量溶液缓慢均匀地滴加在亚相上。滴加在亚相上的溶液立即向外扩展，在扩展过程中，有机溶剂挥发掉(约30min)，留下无序分子分布在亚相表面。溶剂挥发完后，亚相上的分子彼此之间平均间隔比较大，分子之间相互作用力很弱，分子完全处于无序状态。如果通过减少漂浮层有效面积来增加表面分子密度，亚相上单分子膜的状态将发生明显变化。
制备LB膜
1983年，K.Fukuda等打破传统的垂直挂膜方式，首次采用水平附着法制备了LB膜。首先将经过处理的疏水基片靠近滑障由上向下缓慢下降，并使其与单分子膜接触；然后将一个玻璃挡板放在紧靠挂膜基片的左边，用玻璃挡板刮去残留在基片餍围的单分子膜，使基片上升时无第二层膜沉积；再将挂膜基片从亚相上缓缓提起，重复操作即可得到多层LB膜。
与垂直提拉法相比，水平附着法得到的LB膜中，每层单分子层排列整齐，可以制得较为理想的LB膜，而且还可以避免垂直提拉法所造成的流动变形。传统的水平附着法相当于垂直提拉法的下浸过程。如果先把基片浸入到亚相表面以下，等形成单分子层之后，把基片上提并使之与亚相上的单分子层相接触，重复操作也可以得到LB膜，这种操作相当于垂直提拉法的上提过程，两种方法也可以交替使用。
交替镀膜法是垂直镀膜和水平镀膜的扩展。通过调整仪器设置，可以在一个基片上镀不同样品，达到交替镀膜的效果。
布鲁斯特角显微镜
有很多种科学手段用来表征LB膜的成膜效果。布鲁斯特角显微镜(Micro BAM)则是被人们广为接受的一种技术。布鲁斯特角显微镜通常用于观测Langmuir槽位于气液界面上的单分子膜。它通过检测水表面由于表面活性剂分子的存在而导致的折射率的变化来生成表面分子的图像，可提供薄膜的均匀性、相行为和薄膜形态等信息。
布鲁斯特角显微镜是利用当P偏振光入射到空气-水界面时，在某一特定的入射角下不会发生反射的全反射原理来设计的。发生全反射的这个角度，即布鲁斯特角，由斯涅尔（Snell）定律确定，并依赖于系统中材料的折射率。气液界面的布鲁斯特角约为53°。在此角度下，由于没有光被反射，所以纯水表面的图像是黑色的。物质加入到气液界面上会改变本体的折射率，从而使少量的光被反射并显示在图像中。图像中不同亮度的区域由特定的分子和整个采样区域的堆积密度来决定。
表面电位计可以从Langmuir或Langmuir-Blodgett膜分析仪的表面压-面积等温线中得到一些补充数据。从而可以判断单层膜组分，分子取向，分子解离水平和界面分子相互作用。表面电位计测量膜上层和下层的电势差，对分子极化运动敏感。测试时，一块振动会放置在单层膜上方，对电极会放置在亚相溶液中，单分子层下方。
界面剪切流变仪提供了一种极端灵敏的测试流体界面（气/液和液/液）薄膜剪切性能的方法。可同步测量LB膜界面粘弹性和表面压，测试的同时也能够控制薄膜组装密度。
通过磁场驱动放置于气-液或者液-液界面上LB膜的磁化探针运动，其运动过程通过顶端的相机记录。通过测量探针的运动，能够计算出界面薄膜的弹性模量和粘性模量等信息。
LB膜根据膜层结构可分为X、Y、Z型膜(图3.5)。通常基片经过化学处理，使它的表面呈现疏水性或亲水性，以保证在第一层转移时基片与单分子层之间有较强的结合力。例如一个经亲水处理的基片，向上通过漂浮层时，亲水基团端被固定沉积到基片上，分子取向垂直于基片平面，接着基片向下穿过单分予膜层，第二层被沉积上，此时分子处于尾一尾排列状态；接着再向上沉积第三层，依此类推，可以转移许多层，这种结构的LB膜称为Y型膜。如果疏水基片仅仅向下运动，通过单分子层时才进行转移，而向上时不转移，这种结构称为x型。而亲水基团仅仅在每次上升时才有膜的转移，这种结构称为z型。很明显，在X型和Z型膜中分子都具有头一尾排列，不同的是在x型膜中，分子的疏水尾对着基片，而在z型膜中，分子的亲水头对着基片。因此，制各x型膜时，基片应为疏水基片，制备Z型膜时，基片为亲水基片，而对于Y型膜，亲水和疏水基片均可。实验证明Y型膜的结构最稳定，因此Y型膜是最常见的LB膜层结构。
作为半导体器件