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為慶祝聚集誘導(dǎo)發(fā)光 (AIE) 研究二十周年的到來(lái)，新加坡國(guó)立大學(xué)劉斌教授與香港科技大學(xué)唐本忠院士共同撰文回顧了AIE研究歷程中的若干里程碑工作，并對(duì)其未來(lái)的研究方向進(jìn)行了展望。相關(guān)論文發(fā)表在Cell旗下的《Chem》期刊上 (Aggregation-Induced Emission—How Far Have We Come, and Where Are We Going Next? Chem, 2020, 6, 1195)。

在二十世紀(jì)的光物理學(xué)研究中，聚集導(dǎo)致熒光猝滅(aggregation-caused quenching 或concentration quenching，ACQ) 猶如懸掛在熒光材料之上的達(dá)摩克利斯之劍，這一時(shí)期的研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)，大部分的有機(jī)生色團(tuán)在高濃度或聚集態(tài)時(shí)都會(huì)發(fā)生熒光猝滅，而這一痼疾嚴(yán)重阻礙它們作為發(fā)光材料的實(shí)際應(yīng)用。2001，唐本忠院士團(tuán)隊(duì)偶然發(fā)現(xiàn)，1,2,3,4,5-五苯基噻咯在其單分散溶液中幾乎沒(méi)有熒光，而在聚集態(tài)時(shí)表現(xiàn)出強(qiáng)的熒光發(fā)射，該團(tuán)隊(duì)將這一反常現(xiàn)象命名為聚集誘導(dǎo)發(fā)光 (Aggregation-Induced Emission, AIE)。而正是這一偶然發(fā)現(xiàn)為光物理領(lǐng)域打開(kāi)了一扇亮窗，賦予了發(fā)光材料新的生命和活力。二十年的辛苦耕耘使AIE在基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)領(lǐng)域取得了舉世矚目的成績(jī)。在本文中，作者從如下三個(gè)方面介紹了這二十年間為AIE的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)的里程碑工作: (1) AIE概念的提出; (2) AIE概念的進(jìn)一步鞏固及其優(yōu)勢(shì)應(yīng)用的開(kāi)發(fā); (3) AIE研究向?qū)嶋H應(yīng)用中的拓展 (圖1)。

圖1. 二十年間在AIE研究領(lǐng)域的里程碑工作部分羅列。

在第一階段的發(fā)展中 (2001-2003)，AIE的概念被提出并逐漸引起了大家的注意。同時(shí)，伴隨著分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)受限 (restriction of intramolecular rotation, RIR) 機(jī)理的提出, 使大家意識(shí)到這一概念背后隱藏著的巨大科學(xué)問(wèn)題。在第二階段的研究中 (2003-2010)，AIE的體系擴(kuò)展到高分子領(lǐng)域，并且AIE領(lǐng)域中的明星分子四苯基乙烯 (TPE) 也在這一階段被報(bào)道。借助于TPE優(yōu)異的AIE性能和簡(jiǎn)單的合成步驟，人們發(fā)現(xiàn)通過(guò)在傳統(tǒng)ACQ分子中引入TPE分子可以將其轉(zhuǎn)化為AIE生色團(tuán)，這極大改善了傳統(tǒng)材料的應(yīng)用困境。隨著研究的逐漸深入，有眾多的AIE衍生現(xiàn)象也如雨后春筍般涌現(xiàn)出來(lái)，如結(jié)晶誘導(dǎo)發(fā)光 (crystallization-induced emission, CIE), 基于CIE的室溫磷光 (room-temperature phosphorescence, RTP), AIE的力致發(fā)光和機(jī)械變色等。同時(shí)，AIE材料逐漸被應(yīng)用到生物和光電領(lǐng)域并表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢(shì)。在這一階段，AIE的發(fā)展日臻成熟并逐步進(jìn)入國(guó)際研究舞臺(tái)，這在整個(gè)AIE的發(fā)展歷程中起到了至關(guān)重要的促進(jìn)作用。在AIE發(fā)展的第二個(gè)十年中 (2010-2020)，AIE的機(jī)理被不斷完善并逐漸形成了以分子內(nèi)運(yùn)動(dòng)受限 (restriction of intramolecular motion, RIM) 為核心，其他機(jī)理為輔助的理論模型。同時(shí)，AIE研究也開(kāi)花結(jié)果繁衍出諸多自成體系的新分支，如: 簇集發(fā)光 (clusterization-triggered emission, CTE)、空間共軛 (through-space conjugation, TSC), 基于固態(tài)分子運(yùn)動(dòng)的光熱和光聲效應(yīng)和聚集誘導(dǎo)產(chǎn)生活性氧物種 (aggregation-induced generation of reactive oxygen species, AIG-ROS) 等。而這些新領(lǐng)域的出現(xiàn)極大地加快了AIE研究向?qū)嶋H應(yīng)用轉(zhuǎn)化的步伐，尤其是在臨床前的診斷和治療方向具有巨大的應(yīng)用前景。二十年的發(fā)展使AIE具有了廣泛的國(guó)際影響力，目前有超過(guò)80個(gè)國(guó)家的1600個(gè)研究團(tuán)隊(duì)在從事AIE方向的研究。

在文章的最后，作者又對(duì)未來(lái)AIE發(fā)展中存在的機(jī)遇與挑戰(zhàn)作出了展望。首先提出了目前面對(duì)的五個(gè)挑戰(zhàn): (1) AIE分子扭轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致較短的吸收波長(zhǎng); (2) 激發(fā)態(tài)柔軟的分子構(gòu)象導(dǎo)致較寬的發(fā)射光譜; (3) 依賴(lài)于分子堆積方式的發(fā)光強(qiáng)度; (4) 無(wú)規(guī)的固態(tài)分子運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致不理想的發(fā)光和光熱效應(yīng); (5) 固態(tài)下的強(qiáng)熒光發(fā)射限制了AIE材料作為點(diǎn)亮型試紙條的使用。針對(duì)這些挑戰(zhàn)，作者也提出了一些針對(duì)性的解決方案: (1) 通過(guò)引入供-受體結(jié)構(gòu)或利用非線性光學(xué)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)波激發(fā); (2) 利用福斯特共振能量轉(zhuǎn)移 (FRET) 或光子晶體窄化發(fā)射光譜; (3) 通過(guò)納米晶化效應(yīng)增強(qiáng)熒光強(qiáng)度; (4) 通過(guò)有效調(diào)控固態(tài)分子運(yùn)動(dòng)去優(yōu)化發(fā)光和光熱效應(yīng); (5) 通過(guò)引入光致電子轉(zhuǎn)移和扭轉(zhuǎn)的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)亮型的固態(tài)熒光。同時(shí)，作者也總結(jié)了未來(lái)最有潛力的三個(gè)研究方向: (i) 合理的分子設(shè)計(jì)策略以及多功能AIE材料的開(kāi)發(fā); (ii) 從最基礎(chǔ)的角度出發(fā)去全面闡述AIE的相關(guān)性質(zhì); (iii) 大力開(kāi)發(fā)AIE在能源、環(huán)境和生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用，繼續(xù)保持并擴(kuò)大AIE的研究?jī)?yōu)勢(shì)。

新加坡國(guó)立大學(xué)Kenry博士，現(xiàn)哈佛醫(yī)學(xué)院丹娜—法伯癌癥研究所研究員為本文第一作者，劉斌教授和唐本忠院士為共同通訊聯(lián)系人。該研究由國(guó)家自然科學(xué)基金國(guó)際合作項(xiàng)目、新加坡國(guó)家研究基金競(jìng)爭(zhēng)性研究計(jì)劃、新加坡國(guó)家研究基金Investigatorship以及新加坡國(guó)立大學(xué)等項(xiàng)目以及單位的資助。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2451929420302412