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本文來源：科學網(wǎng)；作者 | Philip Ball（《國家科學評論》特約作者）

今年是中科院院士唐本忠及其同事提出聚集誘導發(fā)光（AIE）概念20周年。

2001年，唐本忠團隊偶然觀察到了這一有悖常理的光物理現(xiàn)象，從而在發(fā)光材料研究領域取得了重大原創(chuàng)突破。2016年，Nature將AIE點（聚集誘導發(fā)光納米粒子）列為支撐和驅動“未來納米光革命”的四大納米材料之一。這也是唯一一種由中國科學家原創(chuàng)的新材料。

談及發(fā)現(xiàn)AIE現(xiàn)象的體會，唐本忠表示，“幾乎沒有任何研究課題會完全按照預期發(fā)展；如果有，這種研究不會有任何突破、不會給人帶來任何驚喜?！?/strong>

對從事科學研究的學者來說，什么最重要？唐本忠認為，選準一個正確的研究方向對一個科學家，尤其是年輕人，至關重要。要成就一番科學事業(yè)，必須要有燃燒的熱情、頑強的斗志、高雅的鑒賞力、勇敢的批評精神、深入的融會貫通思索……

《國家科學評論》（以下簡稱NSR）最近就聚集體學研究的歷史起源及其發(fā)展前景與唐本忠（以下簡稱唐）進行了對話和訪談。

唐本忠

NSR：據(jù)說您在2001年偶然注意到AIE現(xiàn)象，可否談談事情的經(jīng)過？

唐：是的，確實是一個不期而遇的美麗邂逅。當時，研發(fā)新型發(fā)光材料和制備有機發(fā)光二極管是熱門話題，我們也在嘗試合成具有獨特分子結構且能夠高效發(fā)光的有機發(fā)光材料。被噻咯的美麗分子結構所吸引，我讓學生合成了各式各樣的噻咯衍生物。有一天，一個學生告訴我，他制備的噻咯溶液在紫外燈照射下不發(fā)光，這讓我非常驚訝，因為我清楚地記得我在念博士期間制備的六苯基噻咯在晶體狀態(tài)下是發(fā)光的。我意識到事有蹊蹺，便馬上跑到實驗室與學生討論。在與學生仔細求證和反復討論之后，最后確認我們兩人都是對的：噻咯溶液不發(fā)光（他的觀察是對的），但噻咯固體發(fā)光（我的記憶是對的）。原本在稀溶液中不發(fā)光的單個分子，在固態(tài)形成聚集體后發(fā)光，我們因此把這種光物理現(xiàn)象命名為聚集誘導發(fā)光（AIE）。

NSR：這種現(xiàn)象似乎有悖常理，您在求證過程中是否遇到過麻煩？別人，甚至您自己，是否相信這是真的？

唐：最初我懷疑學生是否搞錯了，因為這個現(xiàn)象完全出乎意料。在發(fā)光研究領域，人們常常觀察到有機染料的熒光會隨著分子聚集而減弱甚至淬滅，這種現(xiàn)象通常被稱為聚集淬滅發(fā)光（ACQ）。噻咯體系出現(xiàn)反ACQ現(xiàn)象令人困惑，同時我預感我們可能一不小心走進了“有所發(fā)現(xiàn)”的幸運之門?？茖W哲學告訴我們，一個現(xiàn)象無論看起來多么怪異，如果它能夠重復出現(xiàn)、能夠被反復觀察，那它就一定是真實的。我們不斷重復我們的實驗并最終確認，AIE現(xiàn)象是真實存在的。但是，我們當時很難理解為什么噻咯會有與傳統(tǒng)ACQ體系完全相反的表現(xiàn)。

NSR：AIE在歷史上有沒有先例——這種效應是否有可能以前也被人們看到過，但是沒有像現(xiàn)在這樣被深刻解讀過？

唐：我們2001年發(fā)表第一篇AIE論文時，以為這種“怪異”現(xiàn)象是沒有先例的。然而，我們逐漸發(fā)現(xiàn)其他科學家也曾報道過類似現(xiàn)象。例如，喬治·斯托克斯（George Stokes）在1853年的一篇文章中寫道，一些無機氰化鉑鹽在固態(tài)時“敏感”（翻譯成現(xiàn)代術語即“發(fā)光”），但它們的溶液看起來與水無異（即不發(fā)光）。遺憾的是，他沒有對這種現(xiàn)象進行深入研究。其他科學家也應該在不同染料體系中發(fā)現(xiàn)過類似現(xiàn)象，但沒引起人們的重視。我們當時很難找到相關文獻；事實上，我們直到2018年才好不容易從文獻堆刨出斯托克斯1853年發(fā)表的文章。不過，我們對這些早期工作并不驚訝，因為我們明白科學的進步是一個連續(xù)的過程，而不是前無古人的一蹴而就。喬治·史密斯（George Smith）曾說：“很少研究突破是全新的。幾乎所有的突破都是建立在前人研究的基礎之上的?！卑l(fā)現(xiàn)往往是偶然的，AIE是我們“重新發(fā)現(xiàn)”的一個古老但未被重視的自然現(xiàn)象。幸運的是，我們抓住了機會，站在巨人肩膀上看到了更高更遠的地方。

揭開聚集效應的奧妙

NSR：AIE現(xiàn)象的原因何在？您是如何演繹的？

唐：AIE現(xiàn)象很有趣，但我們起初完全不了解它的工作機制。我們閱讀了許多關于分子聚集對發(fā)光過程影響的論文，但幾乎所有論文都討論聚集如何淬滅發(fā)光。我們仔細審視了噻咯的結構，發(fā)現(xiàn)它的分子高度扭曲且其中心環(huán)上有諸多可轉動的取代基團。在激發(fā)態(tài)，這些結構單元的分子內(nèi)運動將光能轉換成熱能，噻咯分子因而不發(fā)光。我們認為聚集體的形成使噻咯結構剛硬化，導致噻咯激子的非輻射躍遷通道關閉、輻射躍遷通道開啟。

我們設計了很多實驗來驗證上述假說。通過外部物理控制（如溫度，粘度，壓力和結晶等）和內(nèi)部化學反應（如環(huán)化，芳構化，取代和交聯(lián)等），對AIE基元（AIEgen）的分子內(nèi)運動進行了調控。實驗數(shù)據(jù)支持了我們的假說，即分子內(nèi)運動受限（RIM）是導致AIE現(xiàn)象的主因。五年后，我們將AIEgen擴展至四苯基乙烯（TPE）結構體系。幾乎無人討論過為什么噻咯單分子不發(fā)光，但有人之前曾提出，某些TPE衍生物不發(fā)光是由于它們非?；钴S的分子內(nèi)運動。實際上，TPE產(chǎn)生AIE效應的真正原因相當復雜，我們?nèi)栽谄谱g其工作機理的探索路上。

NSR：AIE現(xiàn)象有多普遍？AIE分子一般有什么結構特點？

唐：最初，我們以為AIE是噻咯體系的獨特現(xiàn)象，但現(xiàn)在我們確信AIE是存在于眾多發(fā)光體系中的一個普遍現(xiàn)象。在全世界科學家的共同努力下，目前已有數(shù)千種熒光和磷光AIEgens被開發(fā)出來。它們的發(fā)光顏色覆蓋整個可見光范圍并延伸至近紅外波段，其中有些AIEgens的熒光量子產(chǎn)率高達100%。AIE體系多種多樣：從有機物到無機物，從小分子到大分子，從共軛納米粒子到非共軛超分子團簇，從有機金屬配合物到金屬有機框架，從單晶到混晶到無定形多組分混合物…… 無論是哪一類型，所有的AIEgens都有一個共同的結構特征：它們在單分子分散態(tài)靈活易動，而在聚集態(tài)運動困難。

NSR：AIE分子可以設計嗎？可以定制分子使其具有AIE特性并控制其發(fā)光亮度嗎？可以制備AIE混合物嗎？

唐：可以容易地設計AIE分子。任何含可自由運動結構單元的發(fā)光分子都是潛在的AIEgen。在固體薄膜或納米微球中，分子運動受限可激活AIEgen的RIM過程，從而打開其輻射躍遷通道。任何影響分子運動的因素都可用來調控AIEgen的發(fā)光強度。與非晶聚集體相比，AIE晶體發(fā)光更亮，因為晶體中更緊密的分子排列可產(chǎn)生更強的RIM效應。由于RIM機制不依賴于特定組分，所以不論是相同分子的均相聚集還是不同分子的非均相混合皆可產(chǎn)生AIE效應。能使結構固化、運動受限的任何聚集體或混合物，都有可能呈現(xiàn)AIE活性。

研究體會與技術應用

NSR：AIE效應在科學和技術領域有哪些潛在應用？哪些應用已被實現(xiàn)？

唐：AIE既有學術價值又有應用潛力。AIE效應表明聚集體可以擁有其分子組分完全不具備的嶄新性質。理解聚集體在不同結構層次的過程和性質呼喚研究方法論從還原論（reductionism）向整體論（holism）或涌現(xiàn)論（emergentism）的范式轉移。響應這種呼喚，我們系統(tǒng)地探索了一系列聚集體獨有的過程和性質，例如純有機室溫磷光、結晶誘導發(fā)光、聚集增強活性氧產(chǎn)生、高能激發(fā)態(tài)反卡莎躍遷、非共軛分子簇發(fā)光等。AIE不僅影響我們的思維方式，還提供深具應用價值的先進功能材料。我們已展示了AIEgens在眾多高科技領域的廣闊應用前景，例如生物成像、醫(yī)學診療、化學傳感、環(huán)保監(jiān)控、光電器件、智能刺激響應等等。

NSR：AIE研究揭示，聚集體的性質不一定是其分子組分特性的簡單外推，這為超分子科學帶來了全新的可能性——這是您在進一步探索的研究范式嗎？

唐：是的，受AIE效應啟發(fā)，我們在涌現(xiàn)論哲學思想指導下，努力將AIE研究擴展至聚集體學（Aggregology）研究。2500多年前，我國先哲老子曾說：“一生二，二生三，三生萬物”。這寥寥數(shù)語詮釋了一個簡單而深刻的哲學原理：逐漸的量變（一到二到三）可能導致突然的質變（三到萬）。古希臘哲學家亞里士多德（Aristotle）曾經(jīng)表達過類似的想法：“整體大于部分之和”。當諸多部分匯集成一個整體時，所得整體比分開的各個獨立單元更有價值。盡管還原論研究法對科學進步做出了巨大貢獻，但它在處理非線性復雜系統(tǒng)時顯得蒼白無力。還原論甚至有可能束縛思想、阻礙進步，例如，人們通常不會主動去研究單個組分分子不具備的整體性質。

NSR：世界上其他研究團隊在這個研究方向做了些什么？

唐：AIE研究蘊含著很多可能性和新機會，因而吸引了許多課題組進入這個研究領域。AIE研究目前正蓬勃發(fā)展，這可以從近些年來發(fā)表的AIE論文的數(shù)量反映出來：在“谷歌學術”平臺上用aggregation-induced emission關鍵詞做簡單搜索，發(fā)現(xiàn)2020年發(fā)表的與AIE主題相關的論文數(shù)高達6,170篇。在這些文章中，有些研究團隊探討了AIE過程的工作原理，比如分子運動與結構剛性；另一些團隊開發(fā)了新型AIE體系，比如有機室溫磷光、簇發(fā)光和生物源AIEgens；還有些團隊探索了AIEgens在刺激響應、生物探針、化學傳感、光電器件等方面的潛在技術應用。這些研究工作拓寬了我們的研究視野、加深了我們對聚集過程的理解，有利于我們開發(fā)新型聚集體先進功能材料。

NSR：AIE研究似乎是認真對待不尋常實驗現(xiàn)象的一個典型例子。這個例子有普適性嗎？跟進那些與常識相違的現(xiàn)象或與預期不符的結果是否有風險？

唐：不同的學者有不同的研究風格（學風+格調）：有目標導向的、有好奇心驅使的、有天馬行空式漫游的…… 然而，幾乎沒有任何研究課題會完全按照預期發(fā)展；如果有，這種研究不會有任何突破、不會給人帶來任何驚喜，因為你坐在辦公室就能想到什么事會發(fā)生、你的學生會拿到什么結果。科學研究的真正樂趣在于它的不可預期性：一個很小的、意想不到的細節(jié)有可能徹底改變你的研究軌跡。我常常教導我的學生，在碰到出乎意料的細節(jié)時，首先要做的是仔細檢查現(xiàn)象和結果是否可以重復。它可能是一個好機會，也可能是一個壞運氣，甚至有可能是一個愚蠢錯誤。如果現(xiàn)象是真實的、可重復的，你就需要評估它的價值：微不足道還是至關重要？如果觀察的現(xiàn)象和得到的結果無法按主流范式進行解釋，或者與普遍接受的觀點或“常識”沖突，你就應該繼續(xù)跟進，因為你可能已走近一扇通往重大發(fā)現(xiàn)的大門，只剩臨門一腳了。事實上，突破往往源于意外。我們可能需要付出千辛萬苦來破譯隱藏在未知細節(jié)背后的奧秘，但回報也是巨大的，那就是開辟新路的成就感！

通往成功之路

NSR：您在廣州建了一所聚集誘導發(fā)光高等研究院。研究院是怎樣成立的？目標是什么？

唐：兩年前，我赴廣州參加了一個市委舉辦的集思廣益匯報研討會，就粵港澳大灣區(qū)如何向知識型和智慧型社會發(fā)展分享了我的想法。我覺得大灣區(qū)應該建設一個技術轉化型研究機構，拉近學術界與產(chǎn)業(yè)界的距離，加速科研成果向技術產(chǎn)品的轉化。我的提議得到了廣州市領導的首肯和黃埔區(qū)領導的支持（他們的辦事熱情和高效令人折服?。Ｔ趶V州市，黃浦區(qū)和華南理工大學的贊助下，我們在廣州市科學城成立了聚集誘導發(fā)光高等研究院。研究院的宗旨是技術創(chuàng)新和產(chǎn)品研發(fā)，致力于將AIE材料和技術轉化成造福人類和回饋社會的高科技產(chǎn)品。同時，我們希望將高等研究院建設成培養(yǎng)下一代工程師和企業(yè)家的孵化器，為建設中國科技界“黃埔實驗室”添磚加瓦。

NSR：您的研究團隊怎樣招聘研究生和尋找合作者？您最看重什么素質？

唐：當我評估一個申請加入我們研究團隊的學生時，除了天賦和學識等因素外，我最看重的是申請者是否熱忱于科研、醉心于學術。科學發(fā)現(xiàn)之旅永遠不會一帆風順；研究就像登山或攀巖，需要燃燒的熱情、頑強的斗志?？枴ゑR克思（Karl Marx）曾說：“在科學上沒有平坦的大道，只有不畏艱辛沿著陡峭山路攀登的人才有希望達到光輝的頂點?！弊晕壹畹奶剿髡卟粫宦猛局械恼系K所嚇倒，而是積極地享受解決問題的過程。積極的行為具有感染性、樂觀的態(tài)度有助于建立進取文化、愉悅的環(huán)境有利于破繭創(chuàng)新?？茖W研究變得越來越復雜，許多問題只能通過交叉合作來共同解決。這么多年來，通過參加研討會和訪問實驗室，我們有幸認識了許多不同專業(yè)背景的優(yōu)秀科學家，工程師甚至臨床醫(yī)生，并與他們建立了良好的研究合作關系。感謝這種專業(yè)互補的跨學科合作，AIE研究的觸角現(xiàn)已伸至工程、醫(yī)藥、能源等諸多學科領域。

NSR：在您的職業(yè)生涯，受到了哪些因素的影響、哪些事情的啟發(fā)？

唐：我在不同的教育體系接受過訓練。我先后在中國和日本獲得學士和博士學位，之后赴加拿大進行博士后研究，因此受到了東西方兩種研究文化的熏陶。當我在香港科技大學獨立開展學術研究時，我嘗試將東西方兩種研究文化的優(yōu)勢結合起來管理我的實驗室。我開始獨立工作后不久，曾與一位資深教授閑聊。他建議我多和其他人合作，因為在香港一切都小或少：實驗室小、研究生少、科研經(jīng)費少……如果一個人想在這個小島上干一番大事業(yè)，就必須和其他同事合作。諺語曰：“一人獨行走得快，眾人同行走得遠?！蔽疑钍苓@種觀念的影響，多年來積極尋求與他人合作。在AIE研究領域，我倡導的哲學理念是：“團結就是力量，聚集才能發(fā)光！”我力爭與合作者實現(xiàn)雙贏，在發(fā)展自己事業(yè)的同時幫助他人發(fā)展，特別是支持年輕人成長。

NSR：您對今天從事科學研究的年輕人有何建言?

唐：選準一個正確的研究方向對一個科學家，尤其是年輕學者，至關重要。我們每個人都希望做原創(chuàng)性研究，夢想取得突破性進展，然而這事說起來容易做起來難。誠如所羅門（Solomon）所言：“太陽底下無新事”；科學發(fā)展到今天，幾乎沒有什么研究是前人沒有做過的，所以完全從零開始的研究是幾乎不存在的?？茖W同其他任何事物一樣，是不斷發(fā)展的。正如巴門尼德（Parmenides）所說：“無中不會生有”，所以我們不必為正在做前人已經(jīng)做過的研究而感到羞愧，畢竟沒有任何一個人可以知道前人做過的所有工作。我們可能偶爾也會白費力氣重復前人的工作，特別是研究那些早已被人們忽視或遺忘的陳年舊事。然而，我們可以努力從舊事物中發(fā)掘新規(guī)律，正如孔子所教導的：“溫故而知新”。諾貝爾生理學或醫(yī)學獎得主阿爾伯特·圣捷爾吉（Albert Szent-Gy?rgyi）曾指出：“研究就是見人皆所見、思人所未思”。在科學研究中，批判性思維極其重要；通過對各種舊事物進行融會貫通式的深入思考與求索，有可能帶來新的發(fā)現(xiàn)和突破。最后，讓我引用史蒂夫·喬布斯（Steve Jobs）的名言來結束今天的訪談：“我們不是第一人，但我們將是最佳者！”

英文原文：

More is different: how aggregation turns on the light

Philip Ball

Natl Sci Rev 2021; 8: nwaa266

https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa266

本文來源：科學網(wǎng)，作者 | Philip Ball（《國家科學評論》特約作者），版權屬于原作者，僅用于學術分享。

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