与“光”共舞，中国品牌领跑世界

科普中国-科普融合创作与传播 2018-01-13

　　实现对光的控制，是近三十年人类科技文明快速发展的强大动力。宽带网络、手机、电视……所有这些生活中离不开的科技产品，都源于激光、液晶显示、LED、OLED等光技术的不断突破与发展。2017年，国家自然科学奖一等奖就颁发给了一名“与光共舞”的科学家——中科院院士、香港科技大学教授唐本忠。

　　图1. 唐本忠院士

　　唐院士研究团队进行的聚集诱导发光（AIE）研究，使中国在光学研究领域异军突起，成为多国科学家竞相跟进的研究热点。

　　那么，聚集诱导发光（AIE）究竟是什么？又能为我们的生活带来什么改变呢？带你解读神奇的聚集诱导发光（AIE）。

　　聚集诱导发光的发现——差点溜走的偶然

　　发光材料主要包含无机发光材料和有机发光材料。

　　对于传统的有机发光材料，其荧光分子在稀溶液中，通常具有很好的发光性能，但在浓溶液中，分子往往会聚集在一起，形成“抱团”，发光能力减弱甚至完全消失，被称作“聚集导致猝灭”（Aggregation-Caused Quenching, ACQ）（如图2a）。

　　图2. ACQ和AIE的对比

　　这种现象让发光领域的研究者大为挠头。因为发光材料多在固态下使用，比如制作一块有机发光二极管（OLED）的手机屏幕，发光材料就是在浓度极高的固体薄膜下使用的。

　　分子越多，发光能力反而越弱，怎么办？

　　大多数科学家研究的方向，是怎样避免让发光分子聚集在一起。但唐本忠团队独辟蹊径，2001年，他们偶然发现了一个奇特的现象：一些噻咯分子在稀溶液中几乎不发光，而在浓溶液或固体薄膜下，分子聚集在一起，发光却大大增强（如图2b）。

　　因为这样的发光增强是由分子聚集在一起所导致的，所以他们形象地将此现象定义为“聚集诱导发光（Aggregation-Induced Emission, AIE）”。

　　聚集诱导发光的机理——团结就是力量

　　聚集诱导发光（AIE）类材料具有典型的“人多力量大”（越聚集发光越强）的特性。

　　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，无法实现1+1=2的力量累加，而AIE材料则像多组列兵之阵，越是靠近就越是声势浩大，势不可挡。

　　既然AIE带来如此神奇的现象，那么AIE的原理是什么呢？

　　在稀溶液中，AIE分子内部存在着活跃的振动和转动，当这些分子吸收能量后，各种振动和转动把能量“坐地分赃”了，因此发光就比较少。而当这些分子聚集在一起时，彼此的牵制作用限制了分子内部的运动，各种振动和转动对能量的“分赃不均”使得它们谁都没得到好处，反而发光捡了漏，获得了更多的能量，从而表现出发光增强的现象。

　　综合分子内转动和振动，唐本忠团队提出了分子内运动受限（Restriction of Intramolecular Motion, RIM）模型，并已得到广泛认可（如图3）。

　　图3. RIM导致荧光增强的机理示意图

　　AIE——改变生活，改变世界

　　新的概念必将带来新的应用。

　　自发现聚集诱导发光（AIE）现象之后，唐本忠院士团队开始寻找与发光猝灭截然相反的AIE材料，并开发了众多AIE体系，实现了AIE材料在光电器件、智能材料、化学传感、生物传感和成像等领域的应用（如图4，只有想不到，没有做不到！）。

　　图4. AIE型分子应用领域与实例

　　我们可以列举几个AIE材料比较典型的应用。

　　化学传感器

　　AIE现象可用于空气中二氧化碳、一氧化碳或甲醛等有毒气体的检测，例如唐本忠团队利用AIE分子检测并定量分析二氧化碳气体，将AIE分子溶解到有机溶剂中，当二氧化碳接触该溶液时，会与其中的溶剂反应生成新的物质，这种物质会导致AIE荧光分子的发光增强，以此进行可视化定量分析。

　　这在环境监测方面具有巨大应用前景。

　　图5. 废气环境污染

　　生物传感器

　　水溶性的AIE材料，本身在水中不发光，但只要在水溶液中碰上生物分子，如蛋白质、DNA、脂肪、糖分、胰岛素、乳酸、病毒等，AIE材料就会立刻发光，因此它被认为是一种很敏感的“点亮性”传感器。

　　在实际临床医学中，医生只需将探测到的生物分子浓度与正常的进行比较，就可以判断患病的概率。

　　图6. 生物传感联姻智能手机智能医疗指日可待

　　生物成像

　　基于AIE材料构建的生物传感器——“生物探针”，使之进入动物或人体内可进行生物体的成像，直接窥视我们身体的内部情况。

　　目前，AIE探针已可进行细胞成像、细菌成像、组织成像等。且与传统探针相比，AIE材料构成的探针具有高的荧光效率、良好的生物相容性和低毒性，因此其检测成像范围更大，精度更高，对人体更友好。

　　图7. 生物成像

　　有机发光二极管（OLED）

　　由于在显示领域和照明领域的巨大应用前景，OLED引起了广泛的关注。传统发光材料制备的OLED有荧光猝灭（ACQ）这一难题，因此发光效率低，发光颜色有限。

　　而聚集诱导发光这一理念则有效地解决了这一问题，因此AIE材料制作的OLED发光效率高，最高亮度相当于1平方米内同时点燃6万根蜡烛，足可以“亮瞎”你的双眼；另一方面，其发光颜色已经覆盖了整个可见光区域，使实现全彩色显示成为可能。若AIE材料制作的OLED做成手机屏幕，将会相当节能，且颜色真实自然。

　　图8 OLED在显示领域的应用

　　未来，AIE的研究将会继续深入下去，包括完善AIE机理，扩展AIE材料的应用范围，相信AIE领域必将像其本质一样越聚集，越发光。

　　值得骄傲的是，AIE是由我国科学家开创并引领的热点研究领域，AIE材料也成为了“中国品牌”，如何维持我们在原始创新领域的领跑地位，如何把握住创新创业的契机，使AIE切实地为全人类造福，这些问题都需要科研工作者认真思考、开拓进取、砥砺前行。

　　参考文献：

　　[1] Hong Y, Lam J W Y, Tang B Z. Aggregation-induced emission: phenomenon, mechanism and applications. Chemical communications, 2009 (29): 4332-4353.

　　[2] Hong Y, Lam J W Y, Tang B Z. Aggregation-induced emission. Chemical Society Reviews, 2011, 40(11): 5361-5388.

　　[3] 唐本忠，赵祖金，秦安军. 聚集诱导发光(AIE)：我国原创并引领的研究前沿. Acta Chim. Sinica 2016, 74, 857—858.

　　[4] 唐本忠. 聚集诱导发光——从基础研究到光电和生物传感应用. 光学与光电技术, 第14卷, 第３期, 2016年6月.

　　[5] 唐本忠, 王鑫王, 志明秦, 安军. 聚集诱导发光. 科学, 2017年04期.

　　[6] 张双, 秦安军, 孙景志, 唐本忠. 聚集诱导发光机理研究. 化学进展, 第23卷, 第4期, 2011年4月.