中科院院士唐本忠走進香港科大實驗室揭秘中國原創“聚集誘導發光”

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來源：互聯網
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2020-07-30
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“相隔一年，世界已經巨變，技術變革提前并且加速，與其擔憂，不如擔當。”馬云在2020世界人工智能大會上講到。

疫情之下，對于愿意思考未來的企業家來說，機會才剛剛開始。新科技將改變未來商業世界版圖。

港科大EMBA中英雙語課程以云課堂，參觀實驗室，專題報告，知識轉移四部曲的方式開展了「走進科大實驗室」系列活動，邀請到首屈一指的科研教授，與大家一起分享世界級的科研成果，一起感受科技的力量，以及其蘊含的巨大商機。

「光」可謂萬物生命之源，改善人類的科技也是源自「光」的創新研究。唐本忠院士致力于聚集誘導發光（AIE）機理的探究，2016年《自然》期刊將AIE列為支撐未來納米光革命的四大納米材料之一，且是其中唯一一個由中國科學家原創的新材料體系。AIE分子材料有如競賽場上的「全能運動員」，可應用在物料、醫療、病毒檢測、食品質量監測等多個范疇，具有極大的潛在商機。

一、光學研究對人類有多重要？

「許多改變人類生活的技術，均是來自關于『光』的研究，在研究光與其他物質的互動中，從重大的基礎科學發現新創新。」（《自然材料》2015年14卷社論）在眾多關于光的研究中，發光分子在稀溶液里閃閃生輝，一直引起我的注意和喜愛。

早期的重大光學研究成果，例如愛因斯坦在1905年發表「量子論解釋光電效應」，一直改變人們思想的概念與機理，直至近代有關光學的大影響力研究，包括2008年及2014年諾貝爾化學獎的項目，分別是「綠色熒光蛋白的發現和改造」、「超分辨熒光顯微技術的研發」；而2014年的諾貝爾物理獎，獲獎項目就是「高效藍色發光二極管的發明」，全都是發光材料與器件，它們是改變世界面貌的材料與技術。

聚焦光與其他物質互動的研究，主要有兩大類。其一是光物理 (Photophysics)，特性是以固態聚集，探索光與電的相互作用、能量轉換的過程，已經常應用至許多電器用品中，如大型電視屏幕、柔性顯示、省能照明等，一般人非常熟悉。其二是光生物 (Photobiology)，特性是以水相聚集，用作理解生物結構、探索生命的過程，醫療應用普遍，包括成像示蹤、健康診療、疾病防治等。

二、聚集誘導發光AIE的劃時代突破

有機發光材料通常在固態和水相使用，隨著水的加入，分子開始聚集，發光逐漸減弱，直至徹底消失。這種現象叫做ACQ (Aggregation Cause Quenching)，意思是「聚集導致發光猝滅」。因為發光材料多在聚集態下使用，比如制作一塊有機發光二極管(OLED)的手機屏幕，發光材料就是在濃度最高的固體薄膜態使用。那么，究竟如何降低ACQ效應的不利影響？其中一個被大多數研究人員采用的方向，是抑制發光分子的聚集，但效果并不理想。

由我們研發的概念──聚集誘導發光 (Aggregation-Induced Emission, AIE)，與傳統ACQ現象完全相反，隨著水的加入，分子開始聚集，發光逐漸增強，直至閃閃發光；原理是具有AIE特性的分子，跟與平面共軛的ACQ熒光分子不同，AIE分子通常具有螺旋形或者扭曲的空間結構，使份子在聚集態下，限制了分子內的自由運動空間（Restriction of intramolecular motion，RIM），抑制了激發態的能量以非輻射躍遷衰退的途徑，轉而以熒光的形式耗散，令發光強度顯著。

三、AIE的多元優勢

AIE具備多項優勢，包分子結構可按RIM機理設計，發光顏色可覆蓋紫外，即紅外波段，聚集態發光量子效率也可調節。經過20年的發展，AIE材料已經廣泛應用在化學/生物傳感、光電器件、癌癥診療和納米藥物遞送等眾多領域。

這項百分百中國原創的技術，使聚集誘導發光研究團隊榮獲2017年度國家自然科學一等獎，我有幸成為科大創校以來，首位獲此殊榮的學者。目前，全球有145個國家或地區，共約12,000個研究機構或部門從事AIE相關領域研究。

AIE的突破性貢獻，在于AIE可被套用到不同物料上，可說是材料競賽場上的「全能運動員」，應用層面涵蓋：血管成像、細胞追蹤、液晶顯示、智能材料、發光二極、指紋檢測、爆炸物探測、有機光波導細菌甄別、食品質量監測、化學傳感器、細胞器影像，AIE的出現，逐步打破國際間對熒光檢查技術，以及相關產品的壟斷局面。

四、AIE的技術和應用范圍

AIE材料的技術和應用主要分三個范疇：

（一）效率光電轉化材料和器件的開發與應用

目前，中國在能源領域上面對巨大的需求，發展環保照明和各類顯示工具是必然的趨勢。以OLED為主的顯示和照明為例，可應用于折疊顯示、柔性照明等多個普及化的場景，然而代表性材料功能單一，且全方位依賴進口，設備亦全面依賴進口，中國缺乏自主知識產權如熒光、金屬磷光材料體系。

1、環保照明及低成本三維成像

具備AIE特性的OLED材料，保證材料高固態光致發光效率，特殊發光機制提高材料的激子利用率，可制造低成本、低滾降、高器件表現力的成品，建基于AIE，可發展出一系列具有自主知識產權的電生光材料、器件和工藝設備，滿足能源的需要。

至于應用在量子計算、自旋電子學光通信、光學保密及3D顯示的「圓偏振光發射」技術，行業痛點同樣是光學組件依賴進口，由AIE支持的非摻雜性CPL（圓偏光鏡）材料及器件，是高效率偏振光材料，可裸眼多角度立體顯示，是低成本的三維成像器件。

2、簡化LED點膠

而LED的其中一個工序：點膠，除了現行原料基本依賴進口外，還有點膠分散性差，能量傳遞不充分，更會對環境造成污染嚴重等缺點。按AIE的原理，可制造反Kasha規則的單分子白光，新理論傳新跟發光能級充分利用，有效降低器件制備成本和簡化工藝，而且AIE顏色豐富，與現行點膠工藝結合。

（二）高靈敏度和高特異性的智能傳感材料和器件

新冠病毒引起全球疫癥，環境保護監測、公共安全衛生等領域的訴求只會有增無減，多類別、復合型和大通量的檢測材料和設備，均為市場所需，研發中國原創的智能傳感材料和設備，也有助打破國外在此領域的壟斷。

1、及早發現缺鉀癥