工作中的唐本忠。資料圖片
不怕摔、顯示屏可隨意彎曲；敏銳跟蹤，讓癌細(xì)胞無(wú)處遁形……“聚集誘導(dǎo)發(fā)光”（AIE）材料，可大大加速這些神奇功能變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的過(guò)程。
17年前，中科院院士、香港科技大學(xué)講座教授唐本忠團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上率先提出“聚集誘導(dǎo)發(fā)光”（AIE）——這項(xiàng)中國(guó)人改寫光物理課本的發(fā)現(xiàn)，開辟了具有原創(chuàng)性和國(guó)際引領(lǐng)性的基礎(chǔ)科學(xué)研究全新領(lǐng)域。這一成果獲得2017年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。
發(fā)光材料聚集后性能降低曾是制約研究的魔咒
日常生活中，發(fā)光材料應(yīng)用非常廣泛。比如，以熒光粉為代表的發(fā)光材料，是目前照明和顯示技術(shù)的核心材料。紙幣及證件等采用的印刷防偽技術(shù)，采用的則是特殊油墨在紫外光照射下發(fā)出熒光的特性。
近年來(lái)，隨著人們對(duì)發(fā)光標(biāo)記材料探索的深入，它的應(yīng)用已進(jìn)入高靈敏生物檢測(cè)、成像和診療等領(lǐng)域。唐本忠說(shuō)，熒光成像技術(shù)因其高靈敏、無(wú)損、生物相容性好、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越多地被用于癌癥早期診斷中。
制備發(fā)光性能優(yōu)異的先進(jìn)材料，一直是科學(xué)家的追求目標(biāo)。然而，很多發(fā)光材料只有在溶液中才有較高的發(fā)光效率。早在20世紀(jì)中葉，德國(guó)科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)，發(fā)光分子在稀溶液中可高效發(fā)光，但在濃溶液中或聚集態(tài)下，發(fā)光能力大大減弱甚至消失，這就是傳統(tǒng)的“聚集猝滅發(fā)光”（ACQ）現(xiàn)象。
就像一個(gè)魔咒，ACQ現(xiàn)象讓發(fā)光領(lǐng)域的研究者大為撓頭。“發(fā)光材料通常在聚集態(tài)或者固態(tài)下使用。例如，在有機(jī)發(fā)光二極管中，發(fā)光材料往往被制成固態(tài)薄膜；在作為生物探針使用時(shí)，發(fā)光材料往往會(huì)自聚集成納米粒子。在檢測(cè)水中的有害物質(zhì)時(shí)，由于所用的有機(jī)發(fā)光材料多是憎水物質(zhì)，所以在水中難免會(huì)發(fā)生聚集。ACQ現(xiàn)象很大程度上限制了發(fā)光材料的應(yīng)用范圍。”唐本忠說(shuō)。
ACQ現(xiàn)象就像有機(jī)發(fā)光材料的“阿喀琉斯之踵”，科學(xué)家一直試圖尋找克服它的方法。
唐本忠介紹，簡(jiǎn)單的方法是將發(fā)光材料摻雜到基質(zhì)中，從而降低它的濃度，減弱其聚集程度。但隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，摻雜分子會(huì)從混合物中分離，導(dǎo)致器件的發(fā)光性能下降。另外一些方法，雖然能在一定程度上阻止有機(jī)發(fā)光材料聚集，但成本高、制備過(guò)程繁瑣。“聚集是分子的一個(gè)自發(fā)的自然過(guò)程，通過(guò)各種物理或者化學(xué)手段抑制這種自然過(guò)程，不可避免地會(huì)帶來(lái)種種負(fù)面效果。”
分子越多，發(fā)光能力反而越弱，怎么辦？那就避免讓它們聚集在一起，這正是大多數(shù)科學(xué)家研究的方向。為提升應(yīng)用效果，人們只能盡量讓有機(jī)分子聚集后發(fā)光效率降低得少一點(diǎn)。
原創(chuàng)概念開辟有機(jī)發(fā)光材料新領(lǐng)域
能不能反其道而行之，利用分子自發(fā)的聚集過(guò)程來(lái)提高發(fā)光效率？
2001年，唐本忠和他的學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中，意外發(fā)現(xiàn)了一種與ACQ截然相反的現(xiàn)象，即分子在聚集狀態(tài)下發(fā)光反而更強(qiáng)。唐本忠把這一現(xiàn)象定義為AIE，從而推開了發(fā)光材料領(lǐng)域一扇全新的大門。
為什么這些有機(jī)分子在聚集態(tài)下能高效發(fā)光？經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和理論模擬研究，唐本忠團(tuán)隊(duì)闡述并證明了AIE的工作機(jī)制，即分子內(nèi)運(yùn)動(dòng)受限。
“簡(jiǎn)要地說(shuō)，ACQ和AIE分子的結(jié)構(gòu)有本質(zhì)的不同。ACQ分子大多具有大的平面稠環(huán)結(jié)構(gòu)，這類分子在分散態(tài)能高效發(fā)光。而AIE分子基本都擁有很多與中心結(jié)構(gòu)單鍵連接的芳香環(huán)，呈現(xiàn)螺旋槳狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)這些分子在聚集態(tài)或者固態(tài)時(shí)，分子之間不能很好堆積，但芳香環(huán)的旋轉(zhuǎn)或振動(dòng)受到限制。分子不能夠進(jìn)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)時(shí)，非輻射衰變的通道就被封住了。能量需要找到另一個(gè)途徑散發(fā)出去，于是就產(chǎn)生了明亮的熒光甚至磷光。”唐本忠說(shuō)。
越是聚集、越能發(fā)光，變身后的分子“性情大變”。舉一個(gè)形象的例子，傳統(tǒng)的ACQ分子像一群驍勇戰(zhàn)將，可集合在一起反而會(huì)互相掣肘，無(wú)法展現(xiàn)1+1=2的力量；而AIE材料則像多組列兵方陣，越是靠近就越是聲勢(shì)浩大。
AIE開辟了有機(jī)發(fā)光材料的新領(lǐng)域，是我國(guó)科學(xué)家原創(chuàng)和引領(lǐng)的研究前沿。據(jù)了解，全世界已經(jīng)有80多個(gè)國(guó)家和地區(qū)超過(guò)1500家科研機(jī)構(gòu)的科學(xué)家進(jìn)入該領(lǐng)域，所發(fā)表的論文總引用次數(shù)已經(jīng)超過(guò)10萬(wàn)次，近兩年每年新增的SCI級(jí)相關(guān)論文數(shù)均超過(guò)1000篇。
2016年，AIE材料及相關(guān)研究先后被英國(guó)《自然》雜志、美國(guó)權(quán)威媒體進(jìn)行亮點(diǎn)介紹，AIE納米材料被認(rèn)為是“支撐即將來(lái)臨的納米光革命的四大納米材料體系之一”。
“概念創(chuàng)新是科學(xué)追求的圣杯。”唐本忠說(shuō)，歷史證明，原創(chuàng)概念可以引領(lǐng)前沿、開辟新領(lǐng)域。業(yè)內(nèi)專家表示，AIE研究改變了人們對(duì)世界的認(rèn)知方式，未來(lái)甚至可能改變?nèi)藗兊纳罘绞健?/div>
將在光電、傳感和醫(yī)療等領(lǐng)域服務(wù)生活
AIE提供了一條解決發(fā)光材料聚集后性能降低的途徑，這一新概念并沒有停留在實(shí)驗(yàn)室。
過(guò)去10多年來(lái)，一系列在實(shí)驗(yàn)室合成的AIE材料接踵而至，拉近了人們幻想中的奇妙材料與現(xiàn)實(shí)的距離，展示了它在光電器件、化學(xué)傳感、生物監(jiān)測(cè)和成像等領(lǐng)域的巨大應(yīng)用前景。
效率高、耗能小、易加工、韌度高的顯示屏一直是產(chǎn)業(yè)界的探索方向。唐本忠團(tuán)隊(duì)正在將AIE材料應(yīng)用到有機(jī)發(fā)光二極管方向，以期制造出屏幕薄、不怕摔的柔性顯示屏。
在醫(yī)學(xué)、工業(yè)和環(huán)境領(lǐng)域，需要監(jiān)測(cè)各種物質(zhì)的含量。如，工業(yè)生產(chǎn)中某種離子和廢氣的濃度控制，空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)等。AIE材料對(duì)某些化學(xué)物質(zhì)有很強(qiáng)的特異性識(shí)別，例如，在稀溶液中無(wú)熒光的某種AIE化合物只會(huì)與某種特定離子作用，從而聚集并“點(diǎn)亮”，成為一種有效的檢測(cè)方法。
此外，由于AIE分子對(duì)外界環(huán)境條件變化敏感，如壓力、溫度、pH值等的變化都會(huì)通過(guò)影響聚集程度而對(duì)發(fā)光帶來(lái)影響。如此，可以利用AIE化合物檢測(cè)環(huán)境，比如，河水pH值、污染物成分和濃度等的變化。
目前，用于追蹤細(xì)胞的商業(yè)化熒光探針不僅成本居高不下，而大量使用時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)ACQ現(xiàn)象。微量使用雖然可以防止熒光猝滅，但在多次光學(xué)掃描后容易出現(xiàn)光漂白現(xiàn)象，從而導(dǎo)致熒光信號(hào)消失，難以滿足細(xì)胞器或活體體內(nèi)的監(jiān)測(cè)和成像需要。
唐本忠介紹，AIE材料擁有制備成本低、用量靈活度大、光穩(wěn)定性高等優(yōu)勢(shì)，日后有望成為人們觀測(cè)微觀世界的有力工具。據(jù)介紹，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在活體動(dòng)物上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，今后將聯(lián)合醫(yī)學(xué)專家、生物學(xué)家、產(chǎn)業(yè)界進(jìn)行更多探索，改善AIE材料性能，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
“AIE是一個(gè)全新的領(lǐng)域，我相信人們將開發(fā)出更多、更新穎的AIE材料，讓科學(xué)成果服務(wù)人們生活。”唐本忠對(duì)未來(lái)的應(yīng)用前景充滿信心。
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