对话唐本忠院士：畅谈科学哲学，纵论教育理念

香港科技大学和华南理工大学唐本忠院士（以下简称“唐”）是享誉世界的材料科学家。2001年，他开创性地提出了“聚集诱导发光（aggregation-induced emission, AIE）”的科学概念，在发光领域开拓了一条新路。2019年12月，《美国化学会材料快报》（ACS Materials Letters ）执行主编、新加坡国立大学刘斌教授（以下简称“刘”）在第18届亚洲化学大会期间专访了唐本忠院士，与他讨论了AIE研究的过去、现在和将来，并与他交流了从事科学研究的哲学感悟和教人育才的心得体会。

刘：20年前您提出了AIE概念。请问是什么契机促使您开始AIE研究的？

唐：在发光研究领域一直存在着一个令人困惑的难题，那就是分子聚集抑制分子的发光。这种被称为聚集导致发光猝灭（aggregation-caused quenching, ACQ）的光物理现象非常普遍。经过一个多世纪的研究，ACQ效应已发展成为发光研究领域的主流认识。2001年，我们观察到一种与ACQ截然相反的现象：在稀溶液中，分散的单个自由噻咯分子在光激发下不发光，然而它们在薄层色谱板上的聚集体却高效发光。这种奇特现象引起了我们的注意、激发了我们的研究兴趣。由于这种发光是由聚集体形成而引起的，因此我们将这一过程命名为“聚集诱导发光”或AIE，并将具有AIE特性的发光物质称为AIE基元。我们踏上AIE探索之旅纯属偶然，起因于本世纪初我们与一个反ACQ现象的美丽邂逅。

传统的ACQ现象与“反常”的AIE现象：（左）苝（perylene）分子聚集后发光完全猝灭（ACQ）；（右）六苯基噻咯（HPS）分子聚集后发光大幅增强（AIE）。图片来源：Chem. Rev., 2015, 115, 11718–11940.

刘：能否为我们简单介绍一下您的AIE研究历程？

唐：在提出AIE概念之后，我们努力将AIE从一个看似偶然的自然现象发展成一门丰富严谨的科学体系。我们的策略包括：（一）开发更多的AIE材料系列，（二）理解AIE过程的工作机理，（三）探索AIE材料的技术应用。这三部曲有效地推动了我们AIE研究的迅速发展。通过第一个策略，我们在实验室开发了数百种新型AIE基元，证明了AIE效应的普遍性。通过第二个策略，我们从机理上理解了AIE过程，即分子内运动受限（restriction of intramolecular motion, RIM），为新AIE基元的结构设计提供了指导原则。第三个策略也卓有成效：根据RIM机理，我们科学合理地设计和发展了一系列新型AIE基元并开发了它们作为功能材料在光电器件、化学传感和生物成像等领域的技术应用。AIE效应的基础科学价值和技术应用前景吸引了很多科学家对其进行广泛深入的研究，AIE研究现已发展成为一个新兴热门领域。我们的AIE探索之旅充满了欢乐与惊喜，尽管我们也碰到过困难，遭遇过挑战。

美丽的AIE乐园：庞大的AIE家族、巧妙的RIM机理、广阔的应用前景。图片来源：Chem. Rev., 2015, 115, 11718–11940.

刘：您是怎样应对挑战、克服困难的？

唐：起初，我们觉得非常幸运，能够发现一个不同寻常的反ACQ现象；但很快我们就感到困惑和沮丧，因为我们对AIE过程的工作原理一头雾水。在我们提出AIE概念之前，人们已用噻咯做发光材料制备高效有机发光二极管。当时发光领域的主流认知是ACQ，因此很难理解为什么噻咯固体发光而其溶液却不发光。我们进行了大量的文献资料调研，但一无所获。万般无奈，只好决定自己去探究这其中的奥秘。通过反复实验和激烈讨论，我们最终提出了如下机理模型：单个自由噻咯分子通过分子内转子和振子在激发态的运动耗散其激子的能量，因此它在稀溶液中不发光；然而在固态时，分子内运动受限（即RIM机制启动）阻碍了激子的非辐射驰豫过程，噻咯聚集体因而高效发光。这个RIM机理的建立对于AIE研究的发展具有里程碑式的意义。理解了AIE现象的机理之后，研究就变得容易多了，因为我们可以在RIM机理的指导下进行AIE材料的合理设计和应用开发。

在固态下或作为纳米粒子高效发光的AIE材料在高科技领域的潜在应用。图片来源：唐本忠课题组。

刘：可以谈谈AIE研究的发展趋势吗？

唐：AIE研究前景广阔，有无限的可能性。早期，我们主要利用AIE这一独特光物理效应开发可在固态下和水介质中使用的新型发色团，并探究它们以薄膜或纳米粒子等形式使用的可能技术应用。目前，AIE研究正向多学科领域渗透发展。例如，大家普遍认为纯有机化合物在室温下不可能高效发射磷光；现在这一传统认知已被AIE研究颠覆，我们发现很多纯有机AIE基元在室温下可发射很强的磷光。AIE研究衍生出很多以前很难想象或理解的奇特过程，例如，聚集诱导的延迟荧光、高能激发态的反卡莎迁移、手性分子聚集体的圆偏振发光、不含芳香环的非共轭（大）分子的簇发光等。所有这些过程都无法由具有活泼分子运动的单个自由分子在溶液态实现。另外，分子内运动因其与辐射跃迁此消彼长的关系而一直被人诟病。我们改变思维方式和看问题的角度，现在可巧妙地利用分子运动来设计发展新型光热和光声体系：合理设计的分子聚集体可在被光激发后通过激烈的分子内运动将光能高效转化成热能和声能。此外，我们也利用分子内运动研发具有光响应性的分子机器，通过AIE过程观测和操控分子机器在固态的运动行为和模式。

AIE研究的诱人前景：令人兴奋的探索未知之旅。图片来源：唐本忠课题组。

刘：为什么您坚持从事和推动AIE研究？

唐：约十年前在一次学术会议上，一位美国科学家在我做完报告后问了我一个发人深省的问题：“AIE看上去既简单又实用，为什么以前没人好好研究它呢？”这个问题让我想到了美国科学哲学家托马斯•库恩（Thomas Kuhn）的科学范式理论。库恩的范式模型指出，当一种观点发展、上升成为一种范式之后，人们通常会持守正统，在这种范式的逻辑框架内寻找问题的答案。那些无法或很难被既存范式解释的“例外”通常会被排除或忽视，因为它们“有悖常理”——正如文艺复兴时期法国思想家米歇尔•德•蒙田（Michel de Montaigne）所说。经过上百年的深入研究，ACQ早已成为光物理界根深蒂固的共同认知。因此，AIE这一与ACQ相悖的“反常”现象，过去虽然偶尔有人报导，但没有引起人们的关注，更无人把它当作一个重要问题进行系统研究。明朝著名散文家归有光曰：“天下之事，因循则无一事可为；奋然为之，亦未必难。”受古训启示，我们致力于研究AIE现象，希望能以我们管窥蠡测之力达移风易俗之效。AIE效应告诉我们，分子聚集体能够表现出单个分子所不具备的性质。分子科学教科书教导我们：分子结构决定物质性质。如果一个分子没有展示某一性质，通常人们会自然地认为它的聚集体也不会有这种性质，更遑论对其进行深入研究。从形态学的角度看，聚集体处在微观（分子）与宏观（物质）之间的介观区域。我们期待AIE研究将催化介观科学的发展，在介观层次为科学家提供一个新的研究平台，去探索被分子微观科学所忽视的科学宝藏，去挖掘分子聚集体这座宝库所蕴藏的巨大潜在价值，去解决单纯的还原主义方法论所无法理解的科学问题。

刘：AIE概念的提出在学术界产生了什么影响？

唐：AIE概念改变了人们对聚集体发光过程的传统认知。传统的ACQ分子像是一个个骁勇战将，但个性太强，聚在一起反而不易协调，无法实现1 + 1 = 2的力量叠加。而AIE基元则像力量微弱、无法单独作战的列兵，但集中起来却可成浩然之势，体现出“团结就是力量”或1 + 1 > 2的聚集效应。一直以来，人们想方设法妨碍分子聚集以收抑制ACQ之效。而AIE效应却容许人们利用聚集过程做有用之工，因此赋予人们一个新的视角，实现“变不可能为可能”的梦想。例如，纯有机化合物在分子水平或稀溶液中通常不发室温磷光（room-temperature phosphorescence, RTP），而其AIE聚集体却可表现出鲜明的RTP特性。AIE效应也可帮助解释一些以前很难理解或无法解释的现象，例如，我们现在可用“团簇诱导发光”过程来理解或解释非共轭分子聚集体在固态发光的工作机制。在AIE体系，聚集体表现出比其分子母体单元更优异的特性，可做后者无法做的有用功，充分体现出美国物理学家菲利普•沃倫•安德森（Philip Warren Anderson）提倡的“多则异”（more is different）之科学原理。在过往的几个世纪，人们在分子科学领域建立了许多模型、法则、定律等，有效地帮助我们在微观层次理解分子的行为或性质。分子聚集体是由很多分子在介观层次通过有序排列或随机组合而形成的混合物，因此在分子层次建立的原理不一定适用于聚集体。由分子单元构筑的多级聚集体及其行为有可能遵循不同的路径、遵守不同的规则。因此，在微观与宏观之间的介观领域进行的科学探索有可能发展出有别于还原论和整体论的新认识论和新分析法。

刘：您从AIE研究学到了什么？

唐：AIE研究是一段奇妙的探索之旅，她给我们带来诸多研究哲学方面的思考与领悟。（一）以色列国王所罗门（King Solomon）曾说，“太阳底下无新事”。从现象上来看，AIE其实不新。早在1853年，英国物理学家乔治•斯托克斯（George Stokes）就在一篇文章中指出：“氰亚铂酸盐只在固态发光”，“它们的溶液与水无异”。然而，他这短短几句话的简单描述没有引起人们的注意。事实上，我们迟至2018年才知道有这么一篇报道，花费了好多精力才从古老的文献堆里刨出这篇文章。（二）匈牙利生理学家阿尔伯特•圣捷尔吉（Albert Szent-Györgyi）将科学研究定义为“见人皆所见，思人所未思”。我们相信，除斯托克斯之外，一定还零零星星有人观察过AIE现象。我们与他人不同的地方在于，我们对这种现象做了深入的思考和系统的研究。（三）西班牙经济学家埃琳娜•鲁丝卡雅（Elena Reutskaja）和英国行为科学家芭芭拉•法索洛（Barbara Fasolo）认为，“第一未必最好”。在科学研究领域，每个人都争当第一；但事实上，很难成为真正意义上的第一人。我们每个人所从事的研究领域都是由前人开创的，我们能做的就是在某个领域从事所谓“渐进研究”的过程中寻找突破，成为这个领域的最佳者、领航人。综上所述，我们不是最先观察到AIE现象的第一人，但我们对AIE现象做了前人不曾做过的思考。我们建立了AIE概念框架，通过我们和大家的共同努力，将AIE从一个不被人关注的旧现象发展成一个生机勃勃的新领域。

刘：AIE研究群体有多大？您是怎么促进AIE研究、扩展AIE队伍的？

唐：我们知道有很多学者从事AIE研究，但却很难准确统计出AIE研究群体的大小。在谷歌学术（Google Scholar）上用“aggregation-induced emission”做关键词进行简单搜索，就会发现2018和2019年分别有3,970和5,010篇AIE论文发表，表明AIE研究呈快速增长之势。AIE研究前景诱人，因而吸引了人们的广泛关注。在分子水平，人们已经在如雅布隆斯基图（Jablonski Diagram）和卡莎规则（Kasha’s Rule）等既定范式的框架内对分子发光过程有了深入的认识与理解。然而，对聚集体发光过程却知之甚少。AIE研究将有助于深入理解聚集体发光的过程与机理，将我们的光物理学知识从微观尺度扩展至介观层次。从技术应用角度看，AIE非常有用，因为大多数发光材料的实际应用都在聚集状态下实现，例如，用于有机发光二极管器件制备的固体薄膜和用于生物荧光成像检测系统的纳米粒子。事实上，包括科学家，工程师和临床医生在内的很多领域的专家都在想法利用AIE效应。“众人拾柴火焰高”，在AIE社群，我们信奉“团结就是力量、聚集才能发光！”我们鼓励互相欣赏、协同创新。我们通过组织学术研讨会、编辑专著和发表专刊来促进信息交流，推进AIE研究快速向前发展。

2019年1月22–26日“第四届AIE国际会议”在澳大利亚阿德莱德召开。图片来源：唐本忠课题组。

刘：如何建立一个成功的研究体系?

唐：在我看来，一个实验科学研究体系主要包含以下三个相互关联的组成部分：（一）发现问题、（二）探索机理、（三）开发应用。下面我以AIE为例来说明一下这个科学研究三部曲。（一）学生们在实验室里产生各种各样、五花八门的实验数据。我们必须从这些看似寻常或“不寻常”的实验结果中找出重要的科学问题。我们的AIE研究就源于一个很小的实验“异常”：我们观察到了一个“奇怪的”反ACQ现象。我们抓住这个稍纵即逝的机会，挖掘了它所涉及的基础科学问题，踏上了解决这些问题的征程。（二）如果一项研究只停留在现象观察阶段而不进一步刨根问底、深究其因，它最多只能算作一门“奇技”，无法腾飞。只有当搞清其工作机制之后，奇技才有可能发展成为科学。我们花了很多时间和精力去探讨理解AIE过程，最终建立了RIM模型并将其发展成为一个解释AIE效应的通用机理。RIM机理使我们能够科学合理地设计新型AIE基元并探索其实际技术应用。（三）虽然科学进步并不一定总是导致技术创新，但“有用的”科学显然有可能吸引更广泛的受众。在RIM机理的指导下，我们成功探索并展示了AIE材料在各种高科技领域的应用场景。总而言之，我们在上述科学研究三部曲思想的指导下，确定了研究方向、组织了研究队伍、策划了研究方案，将AIE从一门奇技发展成为一个成果颇丰的研究体系。

刘：为什么科学研究需要领航者？什么样的人是优秀的领航人？

唐：如上所述，每个人都在一个前人开拓的领域从事研究；因此，某种意义上，我们都在从事渐进式研究。然而，在渐进研究的过程中，每个人都有可能取得革命性突破，推动科学向前跳跃发展。正如古希腊哲学家巴门尼德（Parmenides）所言：“无中不会生有（nothing comes from nothing）”；演变与革命是一个一体化的连续过程，有了前期的研究基础，才有后面的革新进步。美国生物学家乔治•皮尔森•史密斯（George Pearson Smith）说得更直白：“极少突破性成果是全新的，几乎所有的突破都是建立在前人研究的基础之上的。”在从事“常规研究”的过程中，那些成功挑战传统的人自然而然成为领域的领航者。然而，从事开创性研究的人往往会受到同行的挑剔嘲讽、大咖的指责批判。这就要求领航者必须有坚定的信念去接受挑战，激发斗志，积极推动领域向前发展。德国化学家赫尔曼•施陶丁格（Hermann Staudinger）是个极富远见的领航人，他提出的“大分子”概念为上个世纪前半叶高分子科学的蓬勃发展奠定了基础。然而，更常见的情况是，一个领域由多人或一群领航人领导发展。例如，绿色荧光蛋白的研究在过去几十年里先后在美国科学家下村修（Osamu Shimomura），马丁•查尔菲（Martin Chalfie）和钱永健（Roger Tsien）等人的引领下逐步向前发展。理论上，每个人都有可能成为领航人，只要他/她能做到如阿尔伯特•圣捷尔吉所说：“思人所未思”，或如乔治•皮尔森•史密斯所说：“在正确的地点和正确的时间做正确的事情”。

刘：您招收学生时最看重的素质是什么？

唐：我课题组的研究生和博士后多是朋友和同事推荐给我的。他们多是朋友和同事的得意门生，具有扎实的学术功底和良好的实验训练。但我最看重是这些年轻人是否醉心于学术研究。我的人生座右铭是：“热爱你的工作！”因此，非常自然地，我希望我的学生能够热爱自己从事的研究工作。每个教授都希望招收天赋异禀的学生，但我更希望招收对研究充满热情的年轻人。科学研究不是常规作业，而是探幽穷赜、创造新知识的过程，因而需要全身心地投入和孜孜不倦地追求。我有时候会和课题组里的同学开玩笑：如果你能进入“物我两忘”的境界，连做梦都在想你的研究，早晨一睁开眼睛就有一股跑到实验室去尝试昨晚想法的冲动，你想不成功都难！

刘：您是如何训练学生做研究的？

唐：古人云：“授人以鱼不如授人以渔”——这也是我训练学生时所秉持的教育理念。我经常告诫学生一定要把注意力放在研究方法论的学习上；为未来学术生涯打下基础的，不是现在在实验室所做的课题本身，而是通过做课题所学到的科学思维方式和分析方法。我重点训练学生发现问题和解决问题的能力。我不会要求学生按照我的思路或想法去完成一个我在办公室里想好的课题。在我的课题组，学生不应是我的想法的忠实执行者，而应是勇敢尝试解答谜团难题的无畏探索者。我鼓励学生仔细观察、深入分析、小心求证、大胆创新。我几乎每天早上都给学生发送文献，希望借此培养学生大量阅读的良好习惯。培养年轻人给我极高的成就感：我非常高兴地看到100多位曾在我实验室学习和工作的年轻人已在各地高校院所从事教学和研究工作；更令我欣慰的是，10多位前学生已荣膺优秀青年、杰出青年和长江教授等人才称号。

刘：打造一支优秀团队的关键因素是什么？

唐：在我看来，研究文化和工作精神是决定一支团队命运的关键因素。在我的实验室，有一批来自世界各地的聪明能干且充满激情的博士后研究员。他们的学术背景各异但互补，是推动我们实验室研究向前发展的骨干力量。他们出色的科研表现为其他年轻学生树立榜样，对建设实验室优秀研究文化极有裨益。在实验室，我们一般会给新学生配备一名博士后研究员与他/她一起学习工作。这种做法好处颇多：一是可帮新人缩短预热期，二是有助于博士后获得指导经验，三是有益于学生与博后建立协作纽带关系。我们鼓励实验室内外的研究合作，因为这种合作可以帮助学生拓宽视野，为他们创造接触和学习不同学科知识的机会。在一个优秀团队，每个人都必须有欣赏他人成功的雅量，为出色完成研究项目并发表高水平论文的同僚祝福和高兴。每一位团队成员都应该向那些表现优异的实验室同僚学习，并努力变得像他们一样优秀或更好。我始终认为，营造一个良性竞争的工作环境非常重要。当实验室的每一位成员都努力做到最好时，一个成功的科研团队就自然而然地形成了。

唐本忠院士课题组2019年9月3日摄于香港科技大学校园内日晷雕塑前。图片来源：https://tangbz.ust.hk/photos.html

刘：作为一个高产的学者，您可否分享一些关于如何训练学生撰写论文的经验？

唐：科学论文的写作训练是研究生培养教育的重要一环。在我的实验室，论文写作一般从学生整理实验数据开始。通常这些实验数据会以PPT的形式由学生在组会上汇报，以征求实验室同僚的意见、批评和建议。我与学生讨论文章写作时，通常不是一对一的往来，而是邀请好几位同学一道参加，因为我相信“三个臭皮匠，赛过一个诸葛亮”。我们一起检查实验细节，从多角度审视数据，提出模型假设，摆出正反意见，查缺补漏，建议补充实验等。在讨论过程中，我鼓励批判性思维甚至激烈辩争。我要求学生不要把我当“权威”而是平等地与我讨论；如果有学生反驳我的观点，我会给他/她正面鼓励，将“吾爱吾师但吾更爱真理”之精神润物无声地灌输给学生。这样的讨论可能会持续好几天、重复好几次。我们会仔细地敲定每一个细节，不放过任何一个问题，如此能让我们发现一些被学生忽视或扔掉的“奇怪”却宝贵的新现象或好结果。我认为，作为一个研究生导师，最重要的工作是“沙里淘金”，从看似无序甚至混乱的数据中找出闪光的宝石。我经常教导学生，一定要逻辑清晰地整理数据和组织结果，将数据用漂亮的图表展示，将结果以易懂的方式表达。

刘：您生命中最享受的事情是什么？

唐：当我还是一个孩童时，我就非常喜欢读书。我至今仍然清晰地记得，当我跨进学校门槛，第一次拿到小学课本时，是怎样地陶醉于从那些方块字里幽然飘出的油墨馨香！然而不幸的是，上学后不久，文化大革命就爆发了，中国的教育和出版系统均遭受重创。在这种情况下，对于一个生活在穷困小镇的孩子来说，想要多读几本书简直比登天还难。我那时抓到一本书就读，有些书甚至会翻来覆去读上十来遍，因为很难找到第二本替代品。在家乡做临时工时，发现当地供销社废品回收站是个好地方，因为我可以从站里的旧书回收箱里翻出各种各样的书籍杂志。那些书虽然破旧残缺，但却可解读书之渴、填精神之虚。文革结束后，我有幸通过高考进入大学接受“正规”教育。本科学习期间，我珍惜来之不易的机会，充分享受阅读和学习的美好时光。我如饥似渴地学习，几乎到了如痴如狂的程度；例如，我能准确无误地记住《有机化学》课本里的所有化学反应，包括这些反应的每一个细节，如温度、溶剂、时间、压力、产率等。对学习的热爱为我将来的发展打下了坚实的基础。研究生阶段的学习以及之后的学术生涯进一步丰富了我的人生阅历，拓展了我的兴趣爱好。现在，除了阅读和学习，我更享受写作和创造。学习是打基础，而创造则是在这个基础上建筑新楼。探索如登山，我们可以一路欣赏攀登途中的无尽美景。如今，我最享受的事情是与学生们讨论他们在实验室里发现的新东西。我深感荣幸，能有机会带领一批优秀学生，通过我们的研究去发现新东西、创造新知识！

专访原文在线发表于ACS Materials Letters并被收入美国化学会庆祝AIE概念诞生20周年虚拟专刊。

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）：

Interview with Professor Ben Zhong Tang

Bin Liu*

ACS Materials Lett., 2020, 2, 466-469, DOI: 10.1021/acsmaterialslett.0c00111

导师介绍

刘斌

https://www.x-mol.com/university/faculty/40437

唐本忠

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