工作中的唐本忠。 　　資料圖片

不怕摔、顯示屏可隨意彎曲;敏銳跟蹤，讓癌細胞無處遁形……“聚集誘導發光”(AIE)材料，可大大加速這些神奇功能變為現實的過程。

17年前，中科院院士、香港科技大學講座教授唐本忠團隊在國際上率先提出“聚集誘導發光”(AIE)——這項中國人改寫光物理課本的發現，開辟了具有原創性和國際引領性的基礎科學研究全新領域。這一成果獲得2017年度國家自然科學獎一等獎。

發光材料聚集后性能降低曾是制約研究的魔咒

日常生活中，發光材料應用非常廣泛。比如，以熒光粉為代表的發光材料，是目前照明和顯示技術的核心材料。紙幣及證件等采用的印刷防偽技術，采用的則是特殊油墨在紫外光照射下發出熒光的特性。

近年來，隨著人們對發光標記材料探索的深入，它的應用已進入高靈敏生物檢測、成像和診療等領域。唐本忠說，熒光成像技術因其高靈敏、無損、生物相容性好、成本低廉等優點，越來越多地被用于癌癥早期診斷中。

制備發光性能優異的先進材料，一直是科學家的追求目標。然而，很多發光材料只有在溶液中才有較高的發光效率。早在20世紀中葉，德國科學家就發現，發光分子在稀溶液中可高效發光，但在濃溶液中或聚集態下，發光能力大大減弱甚至消失，這就是傳統的“聚集猝滅發光”(ACQ)現象。

就像一個魔咒，ACQ現象讓發光領域的研究者大為撓頭。“發光材料通常在聚集態或者固態下使用。例如，在有機發光二極管中，發光材料往往被制成固態薄膜;在作為生物探針使用時，發光材料往往會自聚集成納米粒子。在檢測水中的有害物質時，由于所用的有機發光材料多是憎水物質，所以在水中難免會發生聚集。ACQ現象很大程度上限制了發光材料的應用范圍。”唐本忠說。

ACQ現象就像有機發光材料的“阿喀琉斯之踵”，科學家一直試圖尋找克服它的方法。

唐本忠介紹，簡單的方法是將發光材料摻雜到基質中，從而降低它的濃度，減弱其聚集程度。但隨著使用時間的延長，摻雜分子會從混合物中分離，導致器件的發光性能下降。另外一些方法，雖然能在一定程度上阻止有機發光材料聚集，但成本高、制備過程繁瑣。“聚集是分子的一個自發的自然過程，通過各種物理或者化學手段抑制這種自然過程，不可避免地會帶來種種負面效果。”

分子越多，發光能力反而越弱，怎么辦?那就避免讓它們聚集在一起，這正是大多數科學家研究的方向。為提升應用效果，人們只能盡量讓有機分子聚集后發光效率降低得少一點。

原創概念開辟有機發光材料新領域

能不能反其道而行之，利用分子自發的聚集過程來提高發光效率?

2001年，唐本忠和他的學生在實驗中，意外發現了一種與ACQ截然相反的現象，即分子在聚集狀態下發光反而更強。唐本忠把這一現象定義為AIE，從而推開了發光材料領域一扇全新的大門。

為什么這些有機分子在聚集態下能高效發光?經過大量實驗驗證和理論模擬研究，唐本忠團隊闡述并證明了AIE的工作機制，即分子內運動受限。

“簡要地說，ACQ和AIE分子的結構有本質的不同。ACQ分子大多具有大的平面稠環結構，這類分子在分散態能高效發光。而AIE分子基本都擁有很多與中心結構單鍵連接的芳香環，呈現螺旋槳狀結構。當這些分子在聚集態或者固態時，分子之間不能很好堆積，但芳香環的旋轉或振動受到限制。分子不能夠進行機械運動時，非輻射衰變的通道就被封住了。能量需要找到另一個途徑散發出去，于是就產生了明亮的熒光甚至磷光。”唐本忠說。

越是聚集、越能發光，變身后的分子“性情大變”。舉一個形象的例子，傳統的ACQ分子像一群驍勇戰將，可集合在一起反而會互相掣肘，無法展現1+1=2的力量;而AIE材料則像多組列兵方陣，越是靠近就越是聲勢浩大。

AIE開辟了有機發光材料的新領域，是我國科學家原創和引領的研究前沿。據了解，全世界已經有80多個國家和地區超過1500家科研機構的科學家進入該領域，所發表的論文總引用次數已經超過10萬次，近兩年每年新增的SCI級相關論文數均超過1000篇。

2016年，AIE材料及相關研究先后被英國《自然》雜志、美國權威媒體進行亮點介紹，AIE納米材料被認為是“支撐即將來臨的納米光革命的四大納米材料體系之一”。

“概念創新是科學追求的圣杯。”唐本忠說，歷史證明，原創概念可以引領前沿、開辟新領域。業內專家表示，AIE研究改變了人們對世界的認知方式，未來甚至可能改變人們的生活方式。

將在光電、傳感和醫療等領域服務生活

AIE提供了一條解決發光材料聚集后性能降低的途徑，這一新概念并沒有停留在實驗室。

過去10多年來，一系列在實驗室合成的AIE材料接踵而至，拉近了人們幻想中的奇妙材料與現實的距離，展示了它在光電器件、化學傳感、生物監測和成像等領域的巨大應用前景。

效率高、耗能小、易加工、韌度高的顯示屏一直是產業界的探索方向。唐本忠團隊正在將AIE材料應用到有機發光二極管方向，以期制造出屏幕薄、不怕摔的柔性顯示屏。

在醫學、工業和環境領域，需要監測各種物質的含量。如，工業生產中某種離子和廢氣的濃度控制，空氣質量監測等。AIE材料對某些化學物質有很強的特異性識別，例如，在稀溶液中無熒光的某種AIE化合物只會與某種特定離子作用，從而聚集并“點亮”，成為一種有效的檢測方法。

此外，由于AIE分子對外界環境條件變化敏感，如壓力、溫度、pH值等的變化都會通過影響聚集程度而對發光帶來影響。如此，可以利用AIE化合物檢測環境，比如，河水pH值、污染物成分和濃度等的變化。

目前，用于追蹤細胞的商業化熒光探針不僅成本居高不下，而大量使用時，還會出現ACQ現象。微量使用雖然可以防止熒光猝滅，但在多次光學掃描后容易出現光漂白現象，從而導致熒光信號消失，難以滿足細胞器或活體體內的監測和成像需要。

唐本忠介紹，AIE材料擁有制備成本低、用量靈活度大、光穩定性高等優勢，日后有望成為人們觀測微觀世界的有力工具。據介紹，團隊已經在活體動物上進行了實驗驗證，今后將聯合醫學專家、生物學家、產業界進行更多探索，改善AIE材料性能，推進產業化應用。

“AIE是一個全新的領域，我相信人們將開發出更多、更新穎的AIE材料，讓科學成果服務人們生活。”唐本忠對未來的應用前景充滿信心。