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中国引领世界纳米光学革命

中国引领世界纳米光学革命

  近日,中科院院士、香港科技大学教授唐本忠领衔的团队,凭借“聚集诱导发光”项目摘得中国自然科学领域最高奖项国家自然科学奖一等奖。

  对于很多人来说,“聚集诱导发光”无疑是颇为“艰涩难懂”的科学词汇。其内涵究竟是什么?唐本忠及其领衔的科研团队在此方面做了哪些工作?他们取得了哪些重大突破?与国际同行相比,中国在此领域的发展水平如何?该领域的进步在哪些方面造福人类?人们急于了解这些问题的答案。

  颠覆一个甲子传统认识

  开创全新方向和领域

  “聚集诱导发光”这个科学词汇本身就是中国科技的骄傲,因为它是由中国科学家在国际上提出和定义的,是他们开创的“年轻”领域。

  大约17年前,唐本忠和他的学生在实验中,意外发现了一种一类有机分子在溶液中不发光,而聚集后显出发光的特性。这一发现恰恰与当时科学界所熟知约60载的“聚集猝灭发光”现象截然相反。“聚集猝灭发光”由德国科学家发现,即发光分子在稀溶液中可高效发光,但在浓溶液中或聚集态下,发光能力大大减弱甚至消失。

  由于发光材料通常在聚集态或者固态下使用,所以“聚集猝灭发光”成为其应用遭遇的一大瓶颈,科学家苦苦寻找突破的方法却收获有限。正是在这一背景下,唐本忠带领团队大胆摆脱了当时主导认识的束缚,重复印证了与传统截然相反的新发现的现腾讯分分彩象,并创造性地提出了“聚集诱导发光”概念,从而为人类寻找和制备发光材料,开创了全新的方向和领域。

  更为难能可贵的是,唐本忠及其团队不满足于仅仅提出新的方向和领域,而是接着通过大量实验验证和理论模拟,发现和阐明了“聚集诱导发光”和“聚集猝灭发光”背后的机理,在此基础上,开发出覆盖整个可见光波长范围的“聚集诱导发光”材料体系。

  觅得稳定可控光源

  基础材料带来宽领域突破

  开发“聚集诱导发光”材料体系的价值在于增强了人类对“光”的研究和利用,而研究和利用光首先要解决如何获取稳定可控光源的问题。唐本忠指出,人类获取光源的方式主要有三种:第一,生物型光源,以萤火虫、水母等为代表,其利用自身内部的物理或化学变化过程,将生物能转换为光能;第二,热致型光源,以太阳和篝火等为主,主要是利用燃烧等过程产生的热量,将热能转换为光能,这是千百年来人类获取光的最主要方式;第三,激发型光源,多以光、电为能量输入形式,将发光体分子提升至高能量态,将富集的能量释放,从而实现到光能的转化。激发型光源由于应用广、品种多,已逐渐成为人们生产、生活中获取光的重要途径,而“聚集诱导发光”材料是获取激发型光源的重要基础之一。

  唐本忠指出,“聚集诱导发光”材料最显著的优势是其在聚集态下的髙效发光,而聚集态恰好是发光材料在实际应用中最为常见的形式。如,OLED中的发光材料在柔性显示和照明领域的应用前景几乎完全依赖于其发光层薄膜的光学性质。生命体系和自然环境多以水为介质,而有机荧光分子大都具有疏水特性,即有机荧光分子在水里通常会聚成一团,导致传统染料在固态或聚集态应用时效率大大降低。“聚集诱导发光”材料分子却可以在特定的底物诱导下形成聚集体,荧光效率出现显著的增加甚至由暗到突跃,从而实现对刺激源的定性分析和定量检测,使髙品质的活体成像和高灵敏度的在线传感监测变得更加容易。

  对“聚集诱导发光”材料应用现状,唐本忠介绍说,经过约17年的发展,“聚集诱导发光”材料的优异性能使其在众多发光材料领域得到广泛应用,比如在光电、生物和医疗等方面。唐本忠在2017年7月发表的一篇论文中,特别强调“聚集诱导发光”材料在生物成像领域中的应用。他表示,2008年和2012年的诺贝尔化学奖都授予了从事发光材料在生物成像领域应用的科学家,但是,目前使用的商业化荧光探针价格高且性能不稳定,而“聚集诱导发光”材料制作的探针具有制备成本低、用量灵活度大、光稳定性高、长效追踪效果好等优势,将会替代前者。

  带来国际研究爆发式增长

  未来机遇与挑战并存

  “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的发展。”加拿大卡尔加里大学化学系教授贝琳达·海涅的此番评述彰显了唐本忠团队和“聚集诱导发光”对国际科学界的贡献。

  作为中国科学家原创的概念“品牌”,“聚集诱导发光”及其材料已经在光电器件、化学传感、生物检测与成像等领域展现了巨大潜质,在国际科学界产生了巨大反响,众多研究者纷纷加入其中。据唐本忠介绍,从“聚集诱导发光”概念的提出到现在,全世界已经有80余个国家和地区超过1500个国际团队进人该领域,截至2017年7月,总引用次数超过10万次,近两年每年新增的SCI级“聚集诱导发光”论文超过1000篇。“聚集诱导发光”相关研究也被中科院文献情报中心和全球科研评估权威网站汤森路透联合发布的《2015研究前沿》评为化学和材料领域前十项研究前沿的第二位,且为重点热点研究领域。2016年,“聚集诱导发光”材料及相关研究先后被英国《自然》、美国《纽约时报》等杂志和媒体进行重点报道。特别值得一提的是,在《自然》发表的《纳米光革命正在来临》的科学新闻深度分析长文中,“聚集诱导发光”纳米材料被列为支撑即将来临的纳米光革命的四大纳米材料体系之一。

  对取得的成就,唐本忠作为一名中国科学家当然有发自内心的自豪感。他说:“我们在发光领域能发现新的现象、提出新的概念,并且由此开拓了一个由我们中国科学家引领的一个新的研究领域,作为科学家,我的确有一种很大的满足。”同时,唐本忠也清醒地认识到,滚滚大浪中机遇与挑战并存。如何维持我们在原始创新领域的领跑地位?如何把握住创新创业的契机,使“聚集诱导发光”切实地为全人类造福?这些问题都需要科研工作者认真思考、开拓进取、砥砺前行。

拔得头筹 领跑世界

唐本忠

  近年来,纳米发光材料的科研和应用日益受重视。纳米发光材料兴起于量子点。量子点是一种无机纳米材料,其发光颜色可简单地通过尺寸调控。量子点越大,发光颜色越红移。但量子点毒性大、种类有限,常需用紫外光激发。随着纳米技术的发展,上转换点登场。用长波激发,上转换点可在短腾讯分分彩波处发光,由此可避免紫外光激发所产生的生物毒性。但上转换点多为稀土金属材料,稀少而昂贵。

  与无机材料相比较,有机纳米发光材料具有种类多、加工易、毒性小等优势。聚合物点就是一种有机纳米发光材料。塑料就是一种聚合物,如果塑料可以发光,人们将不会再为手机显示屏摔破而心痛。但聚合物点和其它有机发光材料一样,常呈现聚集导致发光淬灭效应,即在单分子态发光,在聚集态发光减弱甚至不发光。本世纪初,我国科学家发现了一种与聚集导致发光淬灭完全相反的光物理体系:分子在稀溶液中几乎不发光,而在聚集状闪闪发光。因发光由聚集而引起,这种发光过程被称为聚集诱导发光(简称“AIE”)。AIE纳米粒子简称为AIE点,具有很多显著优势,如种类多、可设计性强、加工性能好、生物相容性高、可用于大面积柔性显示屏制备等。

  目前,全人类在能源、环境和健康等领域面临巨大挑战,高效纳米发光材料有助于解决这些挑战所带来的问题。在能源方面,面对能源匮乏,各国都在寻找节能材料。用AIE材料制备的有机发光二极管的外量子效率可高达20%,远高于“传统”有机发光二极管器件的效率(最高约5%)。高效率带来低能耗,用AIE材料制备的有机发光二极管器件因而有着光明的应用前景。在环境保护领域,尤其是水污染监测治理方面,AIE亦有用武之地。利用水溶性AIE材料,可轻易地将痕量污染物特异性地“揪出示众”。在健康领域,AIE探针可高效识别癌细胞或恶性肿瘤,帮助医生准确地切除肿瘤组织。

  中国科学家将在这场纳米光学革命中大展拳脚。为了在这场竞争中拔得头筹,我们必须培养创新型人才、从事引领性研究。年轻科学家必须知晓化学、物理、数学、药学、光电、信息、计算机、生命科学、生物工程等多学科知识,了解交叉学科领域的新进展,在掌握基础知识的基础上,学会批判性思维,注重创新性研究。

  在纳米光学研究领域,中国科学家起初是跟着别人跑,而现在我国的研究水平与国际基本持平,在某些领域甚至已经处于“腾讯分分彩领跑”地位。我国有着无比广阔的舞台,无比强大的前进动力,科学研究发展迅猛,进展惊人。随着纳米光学革命的发展,我国科技水平将量子跳跃式上升,为经济发展和社会进步做出巨大贡献。

  (作者为高分子化学家、中国科学院院士、英国皇家化学会会士。凭借在“聚集诱导发光”领域的开创性贡献,其领衔的团队获得2017年国家自然科学奖一等奖)

  (原载于《人民日报海外版》 2018-01-13 08版)