唐本忠团队改写光物理课本的发现

2018-01-09 来源：  人民日报原题：创新，在科学的源头

　　不怕摔、显示屏可随意弯曲；敏锐跟踪，让癌细胞无处遁形……“聚集诱导发光”（AIE）材料，可大大加速这些神奇功能变为现实的过程。

　　17年前，中科院院士、香港科技大学讲座教授唐本忠团队在国际上率先提出“聚集诱导发光”（AIE）——这项中国人改写光物理课本的发现，开辟了具有原创性和国际引领性的基础科学研究全新领域。这一成果获得2017年度国家自然科学奖一等奖。

　　发光材料聚集后性能降低曾是制约研究的魔咒

　　日常生活中，发光材料应用非常广泛。比如，以荧光粉为代表的发光材料，是目前照明和显示技术的核心材料。纸币及证件等采用的印刷防伪技术，采用的则是特殊油墨在紫外光照射下发出荧光的特性。

　　近年来，随着人们对发光标记材料探索的深入，它的应用已进入高灵敏生物检测、成像和诊疗等领域。唐本忠说，荧光成像技术因其高灵敏、无损、生物相容性好、成本低廉等优点，越来越多地被用于癌症早期诊断中。

　　制备发光性能优异的先进材料，一直是科学家的追求目标。然而，很多发光材料只有在溶液中才有较高的发光效率。早在20世纪中叶，德国科学家就发现，发光分子在稀溶液中可高效发光，但在浓溶液中或聚集态下，发光能力大大减弱甚至消失，这就是传统的“聚集猝灭发光”（ACQ）现象。

　　就像一个魔咒，ACQ现象让发光领域的研究者大为挠头。“发光材料通常在聚集态或者固态下使用。例如，在有机发光二极管中，发光材料往往被制成固态薄膜；在作为生物探针使用时，发光材料往往会自聚集成纳米粒子。在检测水中的有害物质时，由于所用的有机发光材料多是憎水物质，所以在水中难免会发生聚集。ACQ现象很大程度上限制了发光材料的应用范围。”唐本忠说。

　　ACQ现象就像有机发光材料的“阿喀琉斯之踵”，科学家一直试图寻找克服它的方法。

　　唐本忠介绍，简单的方法是将发光材料掺杂到基质中，从而降低它的浓度，减弱其聚集程度。但随着使用时间的延长，掺杂分子会从混合物中分离，导致器件的发光性能下降。另外一些方法，虽然能在一定程度上阻止有机发光材料聚集，但成本高、制备过程繁琐。“聚集是分子的一个自发的自然过程，通过各种物理或者化学手段抑制这种自然过程，不可避免地会带来种种负面效果。”

　　分子越多，发光能力反而越弱，怎么办？那就避免让它们聚集在一起，这正是大多数科学家研究的方向。为提升应用效果，人们只能尽量让有机分子聚集后发光效率降低得少一点。

　　原创概念开辟有机发光材料新领域

　　能不能反其道而行之，利用分子自发的聚集过程来提高发光效率？

　　2001年，唐本忠和他的学生在实验中，意外发现了一种与ACQ截然相反的现象，即分子在聚集状态下发光反而更强。唐本忠把这一现象定义为AIE，从而推开了发光材料领域一扇全新的大门。

　　为什么这些有机分子在聚集态下能高效发光？经过大量实验验证和理论模拟研究，唐本忠团队阐述并证明了AIE的工作机制，即分子内运动受限。

　　“简要地说，ACQ和AIE分子的结构有本质的不同。ACQ分子大多具有大的平面稠环结构，这类分子在分散态能高效发光。而AIE分子基本都拥有很多与中心结构单键连接的芳香环，呈现螺旋桨状结构。当这些分子在聚集态或者固态时，分子之间不能很好堆积，但芳香环的旋转或振动受到限制。分子不能够进行机械运动时，非辐射衰变的通道就被封住了。能量需要找到另一个途径散发出去，于是就产生了明亮的荧光甚至磷光。”唐本忠说。

　　越是聚集、越能发光，变身后的分子“性情大变”。举一个形象的例子，传统的ACQ分子像一群骁勇战将，可集合在一起反而会互相掣肘，无法展现1+1=2的力量；而AIE材料则像多组列兵方阵，越是靠近就越是声势浩大。

　　AIE开辟了有机发光材料的新领域，是我国科学家原创和引领的研究前沿。据了解，全世界已经有80多个国家和地区超过1500家科研机构的科学家进入该领域，所发表的论文总引用次数已经超过10万次，近两年每年新增的SCI级相关论文数均超过1000篇。

　　2016年，AIE材料及相关研究先后被英国《自然》杂志、美国权威媒体进行亮点介绍，AIE纳米材料被认为是“支撑即将来临的纳米光革命的四大纳米材料体系之一”。

　　“概念创新是科学追求的圣杯。”唐本忠说，历史证明，原创概念可以引领前沿、开辟新领域。业内专家表示，AIE研究改变了人们对世界的认知方式，未来甚至可能改变人们的生活方式。

　　将在光电、传感和医疗等领域服务生活

　　AIE提供了一条解决发光材料聚集后性能降低的途径，这一新概念并没有停留在实验室。

　　过去10多年来，一系列在实验室合成的AIE材料接踵而至，拉近了人们幻想中的奇妙材料与现实的距离，展示了它在光电器件、化学传感、生物监测和成像等领域的巨大应用前景。

　　效率高、耗能小、易加工、韧度高的显示屏一直是产业界的探索方向。唐本忠团队正在将AIE材料应用到有机发光二极管方向，以期制造出屏幕薄、不怕摔的柔性显示屏。

　　在医学、工业和环境领域，需要监测各种物质的含量。如，工业生产中某种离子和废气的浓度控制，空气质量监测等。AIE材料对某些化学物质有很强的特异性识别，例如，在稀溶液中无荧光的某种AIE化合物只会与某种特定离子作用，从而聚集并“点亮”，成为一种有效的检测方法。

　　此外，由于AIE分子对外界环境条件变化敏感，如压力、温度、pH值等的变化都会通过影响聚集程度而对发光带来影响。如此，可以利用AIE化合物检测环境，比如，河水pH值、污染物成分和浓度等的变化。

　　目前，用于追踪细胞的商业化荧光探针不仅成本居高不下，而大量使用时，还会出现ACQ现象。微量使用虽然可以防止荧光猝灭，但在多次光学扫描后容易出现光漂白现象，从而导致荧光信号消失，难以满足细胞器或活体体内的监测和成像需要。

　　唐本忠介绍，AIE材料拥有制备成本低、用量灵活度大、光稳定性高等优势，日后有望成为人们观测微观世界的有力工具。据介绍，团队已经在活体动物上进行了实验验证，今后将联合医学专家、生物学家、产业界进行更多探索，改善AIE材料性能，推进产业化应用。

　　“AIE是一个全新的领域，我相信人们将开发出更多、更新颖的AIE材料，让科学成果服务人们生活。”唐本忠对未来的应用前景充满信心。（喻思南 毛慧灵）