中科院院士唐本忠走進香港科大實驗室 揭秘中國原創(chuàng)“聚集誘導(dǎo)發(fā)光”

原標(biāo)題：中科院院士唐本忠走進香港科大實驗室 揭秘中國原創(chuàng)“聚集誘導(dǎo)發(fā)光”

“相隔一年，世界已經(jīng)巨變，技術(shù)變革提前并且加速，與其擔(dān)憂，不如擔(dān)當(dāng)�！瘪R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(yè)家來說，機會才剛剛開始。新科技將改變未來商業(yè)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(zhuǎn)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(chuàng)新研究。唐本忠院士致力于聚集誘導(dǎo)發(fā)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(xué)家原創(chuàng)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(yīng)用在物料、醫(yī)療、病毒檢測、食品質(zhì)量監(jiān)測等多個范疇，具有極大的潛在商機。

一、光學(xué)研究對人類有多重要？

「許多改變?nèi)祟惿�活的技術(shù)，均是來自關(guān)于『光』的研究，在研究光與其他物質(zhì)的互動中，從重大的基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)現(xiàn)新創(chuàng)新�！梗ā蹲匀徊牧稀�2015年14卷社論）在眾多關(guān)于光的研究中，發(fā)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(xué)研究成果，例如愛因斯坦在1905年發(fā)表「量子論解釋光電效應(yīng)」，一直改變?nèi)藗兯枷氲母拍钆c機理，直至近代有關(guān)光學(xué)的大影響力研究，包括2008年及2014年諾貝爾化學(xué)獎的項目，分別是「綠色熒光蛋白的發(fā)現(xiàn)和改造」、「超分辨熒光顯微技術(shù)的研發(fā)」；而2014年的諾貝爾物理獎，獲獎項目就是「高效藍色發(fā)光二極管的發(fā)明」，全都是發(fā)光材料與器件，它們是改變世界面貌的材料與技術(shù)。

聚焦光與其他物質(zhì)互動的研究，主要有兩大類。其一是光物理 (Photophysics)，特性是以固態(tài)聚集，探索光與電的相互作用、能量轉(zhuǎn)換的過程，已經(jīng)常應(yīng)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(jié)構(gòu)、探索生命的過程，醫(yī)療應(yīng)用普遍，包括成像示蹤、健康診療、疾病防治等。

二、聚集誘導(dǎo)發(fā)光AIE的劃時代突破

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

由我們研發(fā)的概念──聚集誘導(dǎo)發(fā)光 (Aggregation-Induced Emission, AIE)，與傳統(tǒng)ACQ現(xiàn)象完全相反，隨著水的加入，分子開始聚集，發(fā)光逐漸增強，直至閃閃發(fā)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(jié)構(gòu)，使份子在聚集態(tài)下，限制了分子內(nèi)的自由運動空間（Restriction of intramolecular motion，RIM），抑制了激發(fā)態(tài)的能量以非輻射躍遷衰退的途徑，轉(zhuǎn)而以熒光的形式耗散，令發(fā)光強度顯著。

三、AIE的多元優(yōu)勢

AIE具備多項優(yōu)勢，包分子結(jié)構(gòu)可按RIM機理設(shè)計，發(fā)光顏色可覆蓋紫外，即紅外波段，聚集態(tài)發(fā)光量子效率也可調(diào)節(jié)。經(jīng)過20年的發(fā)展，AIE材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用在化學(xué)/生物傳感、光電器件、癌癥診療和納米藥物遞送等眾多領(lǐng)域。

這項百分百中國原創(chuàng)的技術(shù)，使聚集誘導(dǎo)發(fā)光研究團隊榮獲2017年度國家自然科學(xué)一等獎，我有幸成為科大創(chuàng)校以來，首位獲此殊榮的學(xué)者。目前，全球有145個國家或地區(qū)，共約12,000個研究機構(gòu)或部門從事AIE相關(guān)領(lǐng)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(yīng)用層面涵蓋：血管成像、細胞追蹤、液晶顯示、智能材料、發(fā)光二極、指紋檢測、爆炸物探測、有機光波導(dǎo)細菌甄別、食品質(zhì)量監(jiān)測、化學(xué)傳感器、細胞器影像，AIE的出現(xiàn)，逐步打破國際間對熒光檢查技術(shù)，以及相關(guān)產(chǎn)品的壟斷局面。

四、AIE的技術(shù)和應(yīng)用范圍

AIE材料的技術(shù)和應(yīng)用主要分三個范疇：

（一）效率光電轉(zhuǎn)化材料和器件的開發(fā)與應(yīng)用

目前，中國在能源領(lǐng)域上面對巨大的需求，發(fā)展環(huán)保照明和各類顯示工具是必然的趨勢。以O(shè)LED為主的顯示和照明為例，可應(yīng)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(shè)備亦全面依賴進口，中國缺乏自主知識產(chǎn)權(quán)如熒光、金屬磷光材料體系。

1、環(huán)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(tài)光致發(fā)光效率，特殊發(fā)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(xiàn)力的成品，建基于AIE，可發(fā)展出一系列具有自主知識產(chǎn)權(quán)的電生光材料、器件和工藝設(shè)備，滿足能源的需要。

至于應(yīng)用在量子計算、自旋電子學(xué)光通信、光學(xué)保密及3D顯示的「圓偏振光發(fā)射」技術(shù)，行業(yè)痛點同樣是光學(xué)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(xiàn)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(huán)境造成污染嚴(yán)重等缺點。按AIE的原理，可制造反Kasha規(guī)則的單分子白光，新理論傳新跟發(fā)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(xiàn)行點膠工藝結(jié)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(huán)境保護監(jiān)測、公共安全衛(wèi)生等領(lǐng)域的訴求只會有增無減，多類別、復(fù)合型和大通量的檢測材料和設(shè)備，均為市場所需，研發(fā)中國原創(chuàng)的智能傳感材料和設(shè)備，也有助打破國外在此領(lǐng)域的壟斷。

1、及早發(fā)現(xiàn)缺鉀癥

以金屬離子類為例，現(xiàn)行常規(guī)的材料是無法采用可視化的熒光法檢測鉀離子，而采用AIE為材料的鉀離子熒光點亮探針，有助發(fā)現(xiàn)人體缺鉀癥，當(dāng)人的體內(nèi)缺鉀時，會造成全身無力、疲乏、心跳減弱、頭昏眼花，及早檢測，病人適時補充鉀，支持心臟舒展和伸縮自如，調(diào)節(jié)心跳節(jié)律，維持身體健康運作。

2、含汞或銀量污染物

另一方面，納米銀產(chǎn)品泛濫，美白