1月8日的国家科学技术奖励大会上，香港科技大学教授唐本忠团队的“聚集诱导发光”项目获得国家自然科学奖一等奖。这是一个什么样的成果？它能给我们的生活带来哪些改变？请看经济日报记者深入采写的报道

颠覆经典的发现

HPS高颜值分子推翻光物理学常识，形成AIE现象——“聚集诱导发光”

唐本忠院士爱笑，也爱美。

17年前，他觉得一种叫做六苯基噻咯（HPS）的有机分子结构很漂亮，就安排几个学生去研究一下这种高颜值分子的性质。

学生在做实验时意外发现，HPS分子在溶液中不发光，在溶液挥发后变成干点时却可以发光。这种现象与当时已写入教科书数十年的一个光物理学常识正好相反——那个常识叫做ACQ，意思是“聚集导致发光猝灭”。

这个词组听起来很绕口，其实涵义很简单。发光分子在稀溶液里可高效发光，堪称“单打独斗”的英雄，而当它们在浓溶液中或者呈固态聚集起来时，就成了“三个和尚没水吃”，越聚集光越弱，直至完全消失。这种现象就叫做ACQ效应，是有机发光材料应用的“阿喀硫斯之踵”。因为发光材料多在聚集态下使用，比如制作一块有机发光二极管（OLED）的手机屏幕，发光材料就是在浓度最高的固体薄膜态使用。

如何降低ACQ效应的不利影响？抑制发光分子的聚集，是一种顺理成章并被大多数研究人员采用的思路，但效果并不理想。

“从焓熵角度看，分子在固态下聚集是一个不可抗拒的自发过程。分子就喜欢聚堆抱团，干嘛非得拆散它们呢？”具有逆向思维的唐本忠想到，只要找到越聚集越发光的荧光分子，就可以轻而易举解决ACQ效应的瓶颈。

因此，学生在2001年实验中发现的与ACQ效应完全相反现象，立刻引起唐本忠关注，他将这种新现象定义为AIE，意即“聚集诱导发光”。

“其实HPS分子是一种研究较多的材料，在我们发现AIE现象以前，很可能也有人看到过这种现象，却因为与课本中的经典常识相反而轻轻放过了。”唐本忠笑着告诉记者，在他发表关于AIE现象的论文之后，参加国际会议时，就有同行遗憾地表示，自己做实验时也曾看到过这种现象，却未深入研究。

同样是发光分子，为何有的是ACQ式孤胆英雄，有的则具备AIE式团队精神？唐本忠决定剖析其发光机理。

发光是怎么产生的？发光，是物质把吸收的能量转化为光辐射的过程。光照、外加电场或电子轰击都可能让分子吸收能量，从基态跃迁到激发态；而从激发态跃迁回基态时，分子则将吸收的能量辐射出来而发光。如果材料受到光照激发后在10纳秒内能马上发出光，这种材料就叫做荧光材料。

实验室里，ACQ材料和AIE材料都能在紫光灯照射下发光，只是前者越分散越发光，后者越聚集越发光。从分子式结构来分析，ACQ分子多是具有平面结构的稠环化合物，非常稳定，就像一张大光盘。而让唐本忠发现AIE现象的HPS分子，它的中心噻咯环上，有6个用单键连起来的苯环，每个苯环都可以自由转动，就像螺旋桨一样。

基于上述结构特征，唐本忠提出了分子内旋转受限（RIR）机制：HPS分子在分散状态下，激发态的能量可以通过分子内苯环转动的机械运动方式消耗掉，无需通过辐射方式消耗，因此不发光。但当这些分子聚集起来时，分子间错落堆架，螺旋桨得不到足够空间，运动受限，能量就需要通过辐射途径消耗了，因此越聚集越发光。

他还推断：ACQ分子的环状结构稳定，分散状态下很难像HPS分子那样进行分子内运动，能量需要通过荧光辐射途径消耗，因此在分散时产生很强的荧光。但当ACQ分子聚集到一起时，“悲剧”发生了——它们太平整了，就像一张张光盘叠到一起，未被激发的低能量分子“盘”和被激发的高能量分子“盘”，因为亲密接触发生了能量转移，无需辐射跃迁就把能量耗散掉了，从而使发光减弱直至消失。

集齐七彩的荧光

通过RIM模型成功设计合成出各种颜色的AIE荧光材料，打造出中国的“品牌分子”

唐本忠对于ACQ和AIE现象的原理推测简单而直观，但它对不对呢？

为验证RIR工作机制，唐本忠团队开展了各种实验，通过改变外部环境或者对分子结构本身进行修饰，使分子内旋转不容易进行。在这些条件下，AIE分子发光增强，从而证实分子内旋转受限的确是导致发光增强的原因。

除了旋转，分子也可震动。震动也可消耗能量，减弱发光。而分子聚集之后，分子内震动受限也可使聚集体发光增强，从而产生AIE效应。旋转和震动都属于分子内运动，唐本忠因此将AIE机理从分子内旋转受限（RIR）扩展至更通用的分子内运动受限（RIM）模型。

RIM模型是否正确，决定了AIE现象是否可以转为实用。HPS分子颜值虽高，却有合成步骤繁琐、分离纯化困难、蓝光很难实现、高pH（氢离子浓度指数）环境下不稳定等缺点。如果唐本忠推断的RIM模型正确，那么实验团队可以依据模型设计合成更便宜好用的AIE材料分子。

唐本忠说：“一个正确的机理或者模型应有双重作用，可以帮助理解以前观察到的现象，更重要的是指导将来的分子结构设计。如果RIM机理正确，任何一个分子只要在单分子态易于分子内旋转或震动，就有可能显示AIE效应。我们因此设计并合成了一系列易于旋转或震动的分子，并高兴地发现它们都具有AIE特性。”

这一方面确认了他们提出的RIM机制正确性，另一方面使得科学家们可以容易地开发覆盖整个可见波光范围的AIE材料体系。由此，他们成功创立了四苯乙烯（TPE）AIE体系。TPE分子结构比HPS简单得多，它有4个单键连接的苯环“螺旋桨”，中心没有噻咯环，而是简单的乙烯键。TPE同样具备越聚集越发光的AIE特性，同时原料易得、合成简单、衍生方便，所得衍生物可全色发光。现在，TPE已经成为一个由中国科学家打造的“品牌分子”。

不仅如此，他们还依据RIM模型成功地发展出把原本的ACQ材料改造成AIE材料的通用策略：通过在ACQ分子“光盘”上添加AIE分子“螺旋桨”结构，新的分子再也不能盘盘相贴，聚集起来照样可以发光增强！

在十几年的潜心研究中，唐本忠团队开发出各种颜色的AIE荧光材料：“我们集齐了从蓝光到红光，覆盖整个可见光波长范围的聚集诱导发光材料体系。”

在一个著名漫画里，集齐七颗龙珠可以召唤神龙。集齐了七彩AIE荧光材料的唐本忠，又打算做什么呢？不同颜色具有不同的作用。用于指示癌症病灶位置的AIE生物探针就是红光更显眼。如果想用AIE材料做出发光二极管（OLED）显示屏，全彩色显示自然必不可少。

开拓全新的领域

AIE概念提出至今，全球已有1100多个单位从事相关研究，正从多方面为人类造福

越聚集越发光的AIE材料，在光电器件、化学传感、生物检测和成像诊疗等领域都具备极其优异的性能，其巨大潜力吸引了全球科研人员的参与。

从2001年唐本忠团队提出AIE概念至今，全球已有60多个国家和地区的科学家从事AIE相关研究，发表论文数和引文数均呈指数增长。仅2017年，该领域发表论文就超过1200篇，引用超过36500次。AIE已被纳入国内外本科生的实验教学，并被认为是核心概念的重点实验。2016年，《自然》一篇新闻深度分析文章将AIE列为支撑未来纳米光革命的四大纳米材料之一，且是其中唯一一个由我国科学家原创的新材料体系。

正如加拿大卡尔加里大学化学系教授贝琳达·海涅所说：“今天，我们讨论聚集不能不提聚集诱导发光。自从唐本忠团队的原始工作发表以来，毫不夸张地说，这个研究领域经历了爆炸式发展。”

开拓了一个全新领域的唐本忠，目前正从多方面推进AIE造福人类。

在应用方面，唐本忠最关注AIE在精准医疗中的推广。例如，给癌症病人动手术时，犬牙交错的肿瘤边缘对医生技术形成严峻考验，切除不净会埋下复发隐患，切除过多又会让病人遭遇不必要的伤害。对此，使用AIE材料进行细胞器成像，一毫米大小的肿瘤也可以通过荧光精准呈现。唐本忠与国内外同行合作，已经在大动物身上开展了AIE用于手术荧光导航的初步实验，取得了很好效果。他的博士后还开了一家公司制备和销售AIE生物探针。

他们还发现，有一种AIE材料可以精准追踪四处逃窜的癌细胞，在癌细胞中聚集发光，却对正常细胞视而不见。这有可能成为未来早期诊断癌细胞的新手段。

目前，全球大部分商业化生物荧光探针都是传统的ACQ材料，其知识产权由国外企业把控，价格昂贵且效率远不如AIE材料。“AIE材料具有中国自主知识产权，且性能优异，将其成果产业化，切实为改善人民的医疗条件贡献力量，是我们的愿望。”唐本忠说。

在新材料体系方面，唐本忠团队还将AIE体系从荧光扩展到磷光，实现了纯有机晶体的高效室温磷光。

在新理论原理方面，唐本忠团队将目光投向了非芳香环分子。有机分子发光，一般需要共轭电子结构，因此传统发光材料是含芳香环的化合物。没有芳香环的分子会发光吗？

唐本忠团队发现，很多不含芳香环的合成高分子和天然产物都可发荧光和磷光。这些分子的结构特点是富含杂原子，可以形成发光的簇结构。氧、氮、磷、硫等杂原子都可形成簇结构，因此理论上都可发光。自然界的很多东西都富含这几类杂原子，都存在簇发光现象，比如，大米、淀粉、纤维素、蛋白、DNA等在紫外光照射下都可发光。

“簇发光为我们寻找天然发光材料开辟了一条新路。”唐本忠说，传统发光材料多为人工合成的含芳香环有机分子，通常具有生物毒性，会造成环境污染。而基于AIE，我们有望从自然界寻找到廉价、无毒、环保的非凡发光材料。“这是一条走向未来的新路、一片充满无限可能性的新天地。”唐本忠说，“我们已经是科技大国，但从大国变强国还需要跳过一个大门槛，需要有更多原创性和引领性的研究。原创科研就像刨一口井，越往下刨泉眼越多，源源不竭”。

越聚集越明亮的AIE材料，让我们看到了团结的力量。我们期待着，步入新时代的中国科技，能出现更多像AIE一样的原创研究，从局部亮点走向全面发光。

聚起来，发光吧！