唐本忠团队原创概念获国家自然科学奖一等奖

唐本忠在工作。信息图片

不怕摔，显示屏可以随意弯曲；敏锐的追踪让癌细胞无处不在……“聚集诱导发光”(AIE)材料可以大大加速实现这些神奇功能的过程。

17年前，中国科学院院士、香港科技大学教授唐本忠的团队率先提出“聚集诱导发光”(field发现中国对光物理教材的改写，开创了一个具有独创性和国际领先地位的基础科学研究新领域。该成果获得了2017年国家自然科学奖一等奖。

聚集后发光材料的降解是限制研究的一个祸根。

发光材料广泛应用于日常生活中。例如，以磷光体为代表的发光材料是当前照明和显示技术的核心材料。用于钞票和证件的印刷防伪技术利用特殊油墨在紫外光下发荧光的特性。

近年来，随着发光标记材料的进一步探索，其应用已经进入高灵敏度生物检测、成像、诊断和治疗等领域。唐本忠说，荧光成像技术因其灵敏度高、无损伤、生物相容性好和成本低等优点，越来越多地用于癌症的早期诊断。

制备具有优异发光性能的先进材料一直是科学家的目标。然而，许多发光材料仅在溶液中具有更高的发光效率。早在20世纪中叶，德国科学家就发现发光分子在稀溶液中能高效发光，但在浓溶液或聚集状态下，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。

像魔法一样，ACQ现象极大地困扰了发光领域的研究人员。发光材料通常以聚集态或固态使用。例如，在有机发光二极管中，发光材料通常制成固体薄膜；当用作生物探针时，发光材料倾向于自聚集成纳米颗粒。当检测水中的有害物质时，所用的有机发光材料大多是疏水性物质，因此在水中聚集是不可避免的。ACQ现象极大地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”，科学家们一直试图找到克服它的方法。

唐本忠介绍说，简单的方法是将发光材料掺杂到基质中，以降低其浓度和聚集度。然而，随着使用时间的延长，掺杂的分子将从混合物中分离出来，导致器件发光性能的降低。其他方法虽然能在一定程度上防止有机发光材料聚集，但成本高，制备过程复杂。“聚集是分子自发的自然过程。通过各种物理或化学手段抑制这一自然过程将不可避免地带来各种负面影响。”

分子越多，发光能力越弱。我该怎么办？那就避免把它们放在一起，这是大多数科学家的研究方向。为了提高应用效果，人们只能在有机分子聚集后稍微降低发光效率。

原创概念开启有机发光材料新领域

我们可以反其道而行之，利用分子的自发聚集过程来提高发光效率吗？

2001年，唐本忠和他的学生在他们的实验中意外地发现了一个与ACQ完全相反的现象，即分子聚集时会发出更多的光。唐本忠将这一现象定义为AIE，从而在发光材料领域打开了一扇全新的大门。

为什么这些有机分子在聚集状态下能有效发光？经过大量的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，即分子内运动限制。

“简而言之，ACQ和AIE分子的结构本质上是不同的。ACQ分子大多具有大的平面稠环结构，可以在分散状态下高效发光。然而，AIE分子基本上有许多通过单键连接到中心结构的芳香环，显示出类似螺旋桨的结构。当这些分子处于聚集态或固态时，分子不能很好地堆积，但是芳环的旋转或振动是有限的。当分子不能机械运动时，非放射性衰变通道就会被堵塞。能量需要找到另一种发射方式，所以它会产生明亮的荧光甚至磷光。”唐本忠说。

它们聚集得越多，就越能发光，并且转化后的分子“极大地改变了它们的气质”举一个形象的例子，传统的ACQ分子就像一群勇敢的战士，他们可以聚集在一起，但会互相阻碍，无法显示1+1=2的力量。虽然AIE的材料就像一群私人方阵，但它们越接近，就越强大。

AIE开辟了有机发光材料的新领域，是中国科学家首创和领导的研究前沿。据了解，来自80多个国家和地区的1500多个科研机构的科学家已经进入这一领域。已发表论文的总被引数已超过10万篇，过去两年每年增加的SCI级相关论文数已超过1000篇。

2016年，AIE资料及相关研究相继被英国杂志《自然》和美国权威媒体重点报道。AIE纳米材料被认为是“支持即将到来的纳米光革命的四个纳米材料系统之一”。

"概念创新是科学追求的圣杯."唐本忠说，历史已经证明，原创概念可以引领前沿，开拓新领域。行业专家表示，AIE的研究已经改变了人们对世界的理解方式，甚至可能在未来改变人们的生活方式。

它将服务于光电、传感和医疗等领域。

AIE为聚集后发光材料的降解提供了解决方案。这个新概念不会留在实验室里。

10年来，实验室合成的一系列AIE材料相继问世，拉近了人们想象中的奇异材料与现实之间的距离，展示了其在光电器件、化学传感器、生物监测和成像等领域的巨大应用前景。

高效率、低能耗、易加工、高韧性的显示屏一直是行业的探索方向。唐本忠团队正在将AIE材料应用到有机发光二极管的方向上，以生产具有薄屏幕且不怕掉落的柔性显示器。

在医药、工业和环境领域，有必要监测各种物质的含量。例如，工业生产中某些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能力。例如，一些在稀溶液中没有荧光的AIE化合物只会与某些特定的离子相互作用，从而聚集并“发光”，从而成为一种有效的检测方法。

此外，因为AIE分子对外部环境条件的变化很敏感，如压力、温度、酸碱度等。变化会通过影响聚集度来影响发光。通过这种方式，AIE化合物可用于检测环境的变化，如河水的酸碱度、污染物成分和浓度。

目前，用于跟踪细胞的商用荧光探针不仅价格昂贵，而且在大量使用时会出现ACQ现象。虽然痕量使用可以防止荧光猝灭，但多次光学扫描后容易发生光漂白，导致荧光信号消失，难以满足细胞器或活生物体的监测和成像需要。

唐本忠说，AIE材料具有制备成本低、剂量灵活、光稳定性高等优点，有望成为未来人们观察微观世界的有力工具。据报道，该小组已经在活体动物上进行了实验，并将在未来与医学专家、生物学家和工业界共同探索更多的方法，以改善AIE材料的性能并促进工业应用。

“AIE是一个全新的领域。我相信，人们将开发越来越多的创新AIE材料，以便科学成就能够服务于人民的生活。”唐本忠对未来的应用前景充满信心。

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