唐本忠院士团队玩转聚集诱导发光材料

科普小知识2022-05-30 22:42:48

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唐本忠院士团队玩转聚集诱导发光材料

AIE材料发出不同颜色的亮光。唐本忠团队组装了一个IE材料系统，覆盖了从蓝色到红色的整个可见光范围。

唐本忠院士团队玩转聚集诱导发光材料

红色发光的大晶体。

唐本忠院士团队玩转聚集诱导发光材料

唐本忠院士。

助教是谁

唐本忠院士团队

●AIE小分子与机制:唐本忠院士、赵祖金教授、王志明博士、高蒙博士

●AIE聚合物的制备及应用:院士、秦教授、副教授

唐本忠院士把学生手中的“宝贝”——装满少量彩色粉末的透明玻璃瓶，一个一个地放在灯前。打开灯，粉末会迸发出不同颜色的亮光，就像彩虹一样。“我们已经组装了一个聚集诱导发光材料系统，覆盖了从蓝光到红光的整个可见光范围”。唐本忠是世界上第一个提出聚集诱导发光概念的人，他正带领团队将实验室中合成的能发出独特荧光和磷光的材料转变成彩色“侦探”:他们可以在风洞试验中捕捉大型飞机的薄弱环节，让细菌无处藏身，并在未来进入人体追踪癌细胞。

创造一种将分子转化为“气质变化”的新途径

5月15日，身着西装、打着领带、很少打红领带的唐本忠站在第二届聚合诱导发光及其应用国际研讨会开幕式上，以温柔的微笑迎接来自国内外不同研究领域的300多位“武林专家”。

这些人的聚集源于14年前唐本忠对权威的挑战。

发光分子在稀溶液中能有效发光，但在浓溶液或聚集状态下，发光能力减弱甚至完全消失。60年前德国科学家发现的聚集猝灭现象极大地困扰了发光领域的研究人员。因为发光材料大多以固态使用，例如制造有机发光二极管(OLED)的手机屏幕，所以发光材料以最高浓度的固态薄膜状态使用。

分子越多，发光能力越弱。我该怎么办？然后避免把它们放在一起，这正是大多数科学家的方向:如何防止分子聚集。然而，唐本忠已经找到了自己的方法，让像平板一样容易聚集的分子变成类似螺旋桨的结构。

经过转化后，分子的“气质发生了很大的变化”，它们聚集得越多，就越能发光，特别是固态时，发光效果更强，能耗更低。唐本忠将这种发光现象命名为聚集诱导发光，英文缩写为“A IE”。

发光材料领域的一扇崭新的大门已经被推开。一系列先进的功能材料接踵而至，将人们幻想中的神奇材料更加贴近现实。曾经在好莱坞科幻电影中，可以随意弯曲和折叠的薄而透明的显示屏令人羡慕技术控制。今天，可折叠发光屏幕已经成为现实。

由唐本忠主办的第二届工业工程国际研讨会就像是科学技术领域的跨境聚会，涉及化学、物理、生物、医学和工程。各个领域的扩展研究都是基于工业工程的概念。团队成员之一胡蓉蓉博士在研讨会上会见了顶尖化学杂志《美国化学学会杂志》的副编辑。这位研究葡萄酒中微量小分子含量检测的美国科学家，希望使用发光的人工智能材料，在不同糖分的葡萄酒中，灵敏、准确地选择口感更好的瓶子。

变色涂层使飞机风洞试验变得简单

2013年，武汉大学的李震教授发起了第一次工业工程国际会议，与会者超过160人。两年后，刚刚结束的工业工程会议的与会者人数增加了一倍，包括40到50名国际同行。

"老唐，你知道为什么有这么多人在学工业工程吗？"会间，上海的一位教授问唐本忠，“因为太简单了”。这使得唐本忠哈哈大笑。简单和有用是他追求的最高境界。在胡蓉蓉的印象中，唐本忠最常对学生说的“三字公式”是“简单”、“容易”和“有用”。

人工智能材料简单如一步反应，已被世界各地数百名研究人员“玩”过，涉及光电、生物和医疗等许多领域。

唐本忠团队发现无定形态和晶态的人工智能材料在颜色和发光强度上是不同的。富有远见的唐本忠意识到这一发现可能成为飞机风洞试验的有力工具。

风洞试验是大型飞机起飞前必不可少的试验门。在风洞实验中，如果飞机被强风持续吹，无法承受的部分将暴露出来。但是要找出这些缺陷并不容易。风洞试验经常破坏应力集中的地方，肉眼看不到任何瑕疵。研究人员只能通过重复的数据模拟在复杂的计算中找到“漏洞”。

然而，对于从非晶态到晶态的航空电子材料，所施加的力会发生变化，光致变色力会使风洞试验变得极其简单，无需复杂的计算。如果一种工业工程材料被涂在飞机上，这些聚合物将清楚地显示所有的变化。压力集中的地方会发出不同于其他地方的光。即使整个平面的应力是如何分布的，通过颜色的变化也能清楚地看到荧光。

生产的有机发光二极管装置有60，000支蜡烛，亮度高达1平方米。

唐本忠最近打破了他手机的显示屏。经过咨询，他发现更换屏幕的费用超过1000元。他不禁觉得自己没有使用由AIE材料制成的柔性显示屏，否则手机就不怕掉下来，而是可能会弯曲甚至卷起。

目前，常用的手机是液晶显示器，即液晶显示器。液晶本身不发光，依赖于背景光。然而，背景光消耗大量电能。另一种常用的显示器——街上常见的大型广告牌——是一种由无机稀土材料制成的发光二极管，可以长时间发光。然而，稀土是一种稀缺产品，需要在高温下加工。它非常消耗能量，易碎并且容易破碎。

高效率、低能耗、易加工、高韧性的显示屏一直是人们的追求。唐本忠团队正在努力开发集成电路材料在光电领域的应用，这一领域最受欢迎的新型有机发光二极管是他们研究的重点。

在华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室，AIE器件的发光效率可以达到理论最大值。他们用AIE材料制作的有机发光二极管装置的亮度相当于一平方米内同时点燃60，000支蜡烛，像探照灯一样闪亮。如果手机屏幕上使用了AIE的材料，手机控制器就不必在玩了一半游戏后到处找插件板充电了。

唐本忠每周都会去香港和广州的实验室。7月12日星期天，出差回来的唐本忠来到了位于华南理工大学科技园的实验室。学生们在五楼的几个房间里忙碌着。

他们拿出一大包准备好的人工智能材料，打开紫外线灯，唐本忠逐一检查，“这是谁做的？”他欣喜地问，一瓶淡黄色的粉末，在淡蓝色的光线下，静静地发出白光，“这很有用。”很快，他发现了另一个拇指大小的水晶，发出红光。“红色水晶也成功了？”

周围的老师和学生看着唐本忠用装满夜光粉的玻璃瓶摆出“彩虹”的姿势。现在，具有AIE特征的荧光分子已经覆盖了整个可见光区域。他们的研究使0发光二极管实现全彩色显示成为可能。

生物探针可以发现“隐形”细菌来检测糖尿病

唐本忠团队是广东省2012年引进的第三批创新科研团队之一。在一个装满玻璃和试管的化学实验室里，他们沉浸在一个又一个不受约束的科学想象中，发展成一个有益于社会的技术现实。

在第一步，他们选择了生物检测和医疗领域。

实验室中的水溶性无机发光材料在水中不发光，但只要它遇到生物分子，如蛋白质、脱氧核糖核酸、脂肪、糖等。与痕量成分结合的人工智能材料会立即发光，因此被认为是一种非常灵敏的“照明”传感器。在实验中，这种与健康密切相关的“生物探针”会穿透老鼠的身体，让实验者窥视老鼠的内部情况。

荧光探针不同于电子显微镜，因为它们不需要真空，在不同的条件下可以发出不同的光。如果应用于人体，我们可以观察到以前看不见的细节，这成为医生判断疾病的宝贵线索。由唐本忠博士后高蒙博士领导的研发团队已经将这种生物探针投入临床试验，它可以清晰地成像细胞器。

他们正在开发的人工免疫探针在进入溶酶体并与酶接触后，可以通过聚集和发光清楚地显示酶的浓度。医生只需要将这种浓度成像与正常图像进行比较，就可以判断患病的可能性。

传统的荧光探针只能检测到10个左右的溶酶体，而大肠杆菌探针的检测范围至少是传统探针的4倍。该技术将主要应用于临床检测新生儿溶酶体缺乏引起的遗传性疾病。"事实上，细胞器的分布、形态和位置变化与许多疾病密切相关."高蒙博士的团队还尝试使用荧光材料观察接受抗癌药物治疗的细胞器的形态学变化，以判断抗癌药物是否有效。

此外，细菌检测平台也在建设中。发现“看不见”的细菌，一种IE材料也很有用。

在实验室里，唐本忠团队在显微镜下发现，一种特殊的人工智能材料在看到细菌时会发光:一些人看到死细菌发光，一些人看到活细菌发光。更令人惊奇的是，他们已经开发出一种荧光材料，这种材料不仅能暴露细菌，还能杀死细菌。

这一发现让整个团队兴奋不已。如果用离子交换材料照射死细菌，实验者可以根据发光面积计算数值，然后判断药物杀死细菌的程度。此外，更具体地说，IE材料只能让细菌发光，并且容易将细菌与人类细胞区分开来，从而容易定位细菌。

胡蓉蓉副教授在实验中表明，无机发光材料具有很强的光稳定性。传统材料的亮度在细胞染色后拍两三张照片后可能会降低或消失，但人工智能材料可能需要几十甚至几百张仍才能保持相当大的亮度。

AIE材料公司在医疗领域取得了长足的进步。成为现实的第一个可能性是用于检测糖尿病的试剂盒。

糖尿病是一种以前难以察觉的疾病。当发现尿液中的糖含量过高时，往往为时已晚，胰岛素只能终身注射。唐本忠团队设计了这种分子与葡萄糖结合，葡萄糖增加了它的分子量，然后聚集并在聚集时发光。这样，只需要紫外线照射尿液。如果尿液发光，它将被证明含有葡萄糖。你应该去医院检查。

医生期望人工智能材料表现更好。例如，当对肝癌患者进行手术时，锯齿状的边缘非常考验医生的技术。如果切除不干净，就等于埋下了复发的隐患。这也是我国肿瘤患者恢复率相对较低的原因之一。然而，如果使用荧光物质，即使只有一毫米大小的肿瘤也能通过荧光显示出来，帮助医生准确地切除肿瘤。唐本忠团队正在努力将这个想法变成现实。

大多数癌症死亡是由癌细胞转移引起的。癌细胞从最初的焦点逃逸，并通过血液“从一个地方逃到另一个地方”。为了检测血液中是否有逃逸的癌细胞，必须检测循环肿瘤细胞。然而，由于捕获的循环肿瘤细胞纯度低，医学界一直渴望有一种新的检测四氯化碳的方法。

唐本忠团队开发的AIE材料有望解决这个问题。他们开发了一种特殊的人工免疫材料，它只对癌细胞染色，而不对正常细胞染色。抽取血液后加入这种物质，如果血液发光，就意味着逃离的癌细胞已经被追踪到。目前，一些荧光探针已经投入跟踪，例如，一些浅表肿瘤组织在被解剖后被喷洒荧光材料。

“原始的科学研究就像挖井一样。你挖得越深，你会发现越多的泉水洞。你将永远追随他人，最终会枯竭。”唐本忠团队构思并努力让AIE材料“玩”更多新把戏。