唐本忠院士团队Angew：聚集诱导发光，照亮聚集态科学的夜空

科学理论始于对宏观现象的观察和归纳总结，精于从微观（分子和原子）层次探求其根源与机制，终于形成科学的认识或知识并指导科学的发展和技术的进步。这种宏观→微观→宏观的研究逻辑和研究哲学支配了包括物理、化学、生物以及材料科学在内的不同领域的发展，为近代自然科学的进步起到了巨大的推动作用。

图1. （a,b）墨西哥植物L. nephriticum的浸取液的颜色和荧光的图片。（c,d）杜伦萤石的颜色和荧光的照片。

对发光现象的研究遵循同样的研究逻辑。据文献记载，人类对发光现象以及发光物质的研究最早可以追溯到16世纪，西班牙的医生和植物学家Nicolás Monardes记载了从墨西哥树木中浸取出的一种蓝色发光溶液可以用来治疗肾脏和泌尿系统疾病，而其他颜色的发光溶液则不能。这可能是已知文献记载对荧光现象的最早利用(图1a 和1b)。实际上，在早期文献中关于发光物质最为知名的记载是由意大利的鞋匠Vincenzo Cascariolo 在1602年发现的重晶石（Bolognian stone），这种神奇的发光石头引起了包括伽利略在内的大科学家的关注，正如他所评论“我们必须要搞清楚光是如何进入这些石头，然后又如何从石头产生新的光，就像一个新生的婴儿”。其他有名的例子还包括1819年剑桥的Edward D. Clarke等人报道的“杜伦萤石”。杜伦萤石是完全透明的，但在阳光照射下表现出二色性：深蓝色的反射光和翠绿色的透射光（图1c 和 1d）。总的来说，早在19世纪之前，神奇的发光现象已经引起了诸多科学家的注意，包括伽利略、牛顿、波义耳、斯托克斯等人都曾试图去理解并解释发光现象。然而，受当时实验条件以及光物理知识的局限，对发光现象的研究仍停留在现象报道的层面，在机理和本质上面并没有得到很好的理解。

图2. 雅布朗斯基能级图

经过3个世纪对发光现象和发光物质持续不断的研究、探索和积累，尤其是从宏观的归纳总结进一步深入到在分子层次上思考，人们最终对发光现象有了相对科学和深层次的理解。发光现象本质上是由吸收了能量的发光分子的高能激发态在去活化的过程中所释放的光子产生的。基于这样一种科学的认知并伴随量子理论的发展，整个发光领域迎来了飞速的发展并取得了巨大的成就，这其中，最为代表性的突破之一便是1933年雅布朗斯基能级图的绘制（图2）。通过雅布朗斯基能级图，人们可以方便直观的看到分子在光照之后所经历的一系列光物理过程包括光子的吸收、振动弛豫、内转换、荧光、系间穿越、磷光以及延迟荧光等。这种在分子层次上对发光现象的阐释对整个发光领域的发展起到了极大的推动作用，直到现在对发光科学领域的研究仍具有非常重要的指导意义。

分子荧光学的研究无疑向我们传递了这样一种信息：分子是产生荧光现象的基本单元，分子的性质是决定分子材料光物理性质的主要因素。对这种认知进行进一步的逻辑拓展，人们很容易形成一种直觉既分子的微观性质也应该呈现在其宏观材料的性质中。在很多情况下，这种直觉是合理且真实的。例如，糖水稀溶液中的糖分子可以表现出甜味，其结晶之后的糖块具有更甜的味道。聚乙烯高分子链是由不导电的烷基链组成，其宏观的高分子因此也是典型的绝缘材料。这种以分子为核心的分子科学的研究哲学支配并引领着发光材料以及其他功能材料的设计和发展。也正是在分子科学指导思想的引领下，如何科学合理的去设计分子的结构并进行系统的结构性质关系成为功能材料领域研究的核心部分，对功能材料研究的发展产生了至关重要的贡献。

分子设计是功能材料研究关键部分，但是分子设计是否一定能实现材料的功能？有没有可能材料或者分子聚集体会表现出和分子本身不同的性质甚至表现出分子完全不具备的性质和性能呢？许多结构性质关系的结果告诉我们材料功能的实现远非分子设计就能完成。事实上，分子的性质与材料性能不一致的情况在发光材料的研究中已经被发现，但是并没有得到足够的重视和解读。例如，传统平面型的发光分子在稀溶液单分子状态下往往表现出很强的荧光，但是聚集之后其发光却减弱甚至消失。这种现象被成为浓度淬灭效应或者聚集导致淬灭。更有意思的是还有一类发光分子，它的溶液单分子状态完全不发光，但是一旦聚集之后却可以发出强烈的荧光，这种特殊的发光现象被成为聚集诱导发光（aggregation-induced emission, AIE）。这些现象无疑在告诉我们，分子聚集体的的确确可以表现出和分子完全不同的性质。因此，对于材料科学研究而言，分子性质的研究是固然重要，但是分子在聚集之后发生了什么，对材料的性质产生了怎样的影响是更加值得我们探索的科学问题。对分子聚集体的研究不但涉及到许多尚未探索和挖掘的科学问题，而且关乎材料在固态下真正的使用。然而，在分子层次以上的介观层次或者更大的聚集态层次对于分子聚集体进行系统的研究，到目前为止依然是一块尚待开发的处女地。

图3. 代表性的AIE化合物以及AIE的机制示意图

聚集诱导发光（AIE）研究领域某种程度上为聚集态科学的研究提供了一块极好的研究平台。除了研究单分子状态下分子的相关性质，AIE更加关注微观层次以上的分子聚集体所赋予材料的新的性质和特点。历经近20年的发展，AIE研究在新材料的创制、机理的探索以及应用的拓展等方面都取得了巨大的成就。为分子科学向聚集态科学的迈进，开启了一扇重要的大门。在越来越强调科学原创的今天，聚集诱导发光概念的提出已经成为中国原创科学中一块闪亮的招牌。

图4. AIE及其分支研究方向的示意图

时至今日，AIE已经从原来的一个科学概念发展成为包含10多个子方向的研究领域。其研究涉及化学、物理、生物、材料等交叉学刻领域，应用范围涉及环境、能源、生命科学等关系国计民生的领域。AIE研究的大旗也逐渐由中国飘向世界范围，全球80多个国家约4500多家研究单位跟进了AIE的相关研究。在刚刚过去的2019年，AIE领域的研究论文数量已超过1500篇/年，引用次数超过50000余次/年。

在AIE 20周年即将来临之际，香港科技大学唐本忠院士团队系统总结了AIE及其分支研究领域的最新进展，所列举的AIE的分支方向包括：结晶诱导发光（crystallization-induced emission, CIE）；有机室温磷光（room temperature phosphorescence, RTP)；聚集诱导的延迟荧光（aggregation-induced delayed fluorescence, AIDF)；反卡莎发光（anti-Kasha transition, AKT）；簇发光（clusterization-triggered emission, CTE)；空间共轭发光（through space interaction, TSI)；机械发光（mechanoluminescence, ML)；圆偏振发光（circularly polarized luminescence, CPL)；聚集诱导产生活性氧物种（aggregation-induced generation of reactive oxygen species, AIG-ROS)；光热和光声效应（photothermal/photoacoustic, PT/PA)；固态分子运动（solid-state molecular motion, SSMM)。此外,在支持信息里边他们还介绍了一些AIE研究领域新发展起来的研究方向包括：生物基AIE发光体、X-射线激发的AIE发光体以及生物偶联型AIE材料。在所有这些研究方向中，重点介绍了聚集前后分子相关性质的变化以及分子聚集体所赋予分子材料新的功能和特点。其中一些研究方向，例如力致发光（图5）和聚集诱导的非手性向手性的转变，由于其只能在固态下实现，所以传统的分子光物理学或溶液光物理的研究方法根本无法对其进行研究。

图5. 力致发光举例

结尾部分作者从分子科学和聚集态科学的角度对整个AIE领域的发展进行了回顾和展望。总的来说，在分子层次，AIE的研究促使人们去探索激发态分子运动和构象刚硬化分别对分子激发态相关光物理过程带来的影响，揭示了激发态分子运动同分子溶液态光物理性质的密切关系；而在聚集态层次，AIE的研究实际上提供了一个极好的平台来研究分子堆积、分子间相互作用、固态形貌、共混等等因素所赋予宏观材料的新的性质和性能。从分子到聚集体，分子本身的性质可能在宏观材料中保留也可能丢失，但是新的性质也将通过分子的聚集而产生。

AIE近20年的发展历程见证了这个领域的飞速发展。尽管取得了巨大的成就，但是更多有待解决的问题也随之而来，更带来了新的机遇和挑战。作为一个研究分子科学与聚集态科学的开放性平台，AIE领域一直保持和其他领域的交叉与融合，为AIE研究领域不断注入了新的活力。作者相信，随着更多不同背景的研究者加入这个领域，新的研究方向将持续的产生，也将为基础研究和应用研究领域带来新的挑战和突破。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Aggregation-Induced Emission: New Vistas at Aggregate Level

Zheng Zhao,† Haoke Zhang,† Jacky W. Y. Lam, Ben Zhong Tang*

Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.201916729

导师介绍

唐本忠

https://www.x-mol.com/groups/tang_benzhong