[轉] 唐本忠院士談AIE突破性發現：沒有任何研究完全按預期發展

作者 | Philip Ball（《國家科學評論》特約作者）科學網

今年是中科院院士唐本忠及其同事提出聚集誘導發光（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象，從而在發光材料研究領域取得了重大原創突破。2016年，Nature將AIE點（聚集誘導發光納米粒子）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的新材料。

談及發現AIE現象的體會，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。”

對從事科學研究的學者來說，什麼最重要？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，必須要有燃燒的熱情、頑強的鬥誌、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展前景與唐本忠（以下簡稱唐）進行了對話和訪談。

NSR：據說您在2001年偶然註意到AIE現象，可否談談事情的經過？

唐：是的，確實是一個不期而遇的美麗邂逅。當時，研發新型發光材料和製備有機發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光的有機發光材料。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，他製備的噻咯溶液在紫外燈照射下不發光，這讓我非常驚訝，因為我清楚地記得我在念博士期間製備的六苯基噻咯在晶體狀態下是發光的。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後，最後確認我們兩人都是對的：噻咯溶液不發光（他的觀察是對的），但噻咯固體發光（我的記憶是對的）。原本在稀溶液中不發光的單個分子，在固態形成聚集體後發光，我們因此把這種光物理現象命名為聚集誘導發光（AIE）。

NSR：這種現象似乎有悖常理，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，因為這個現象完全出乎意料。在發光研究領域，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，這種現象通常被稱為聚集淬滅發光（ACQ）。噻咯體系出現反ACQ現象令人困惑，同時我預感我們可能一不小心走進了“有所發現”的幸運之門。科學哲學告訴我們，一個現象無論看起來多麼怪異，如果它能夠重復出現、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並最終確認，AIE現象是真實存在的。但是，我們當時很難理解為什麼噻咯會有與傳統ACQ體系完全相反的表現。

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，但是沒有像現在這樣被深刻解讀過？

唐：我們2001年發表第一篇AIE論文時，以為這種“怪異”現象是沒有先例的。然而，我們逐漸發現其他科學家也曾報道過類似現象。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時“敏感”（翻譯成現代術語即“發光”），但它們的溶液看起來與水無異（即不發光）。遺憾的是，他沒有對這種現象進行深入研究。其他科學家也應該在不同染料體系中發現過類似現象，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年發表的文章。不過，我們對這些早期工作並不驚訝，因為我們明白科學的進步是一個連續的過程，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。” 發現往往是偶然的，AIE是我們“重新發現”的一個古老但未被重視的自然現象。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現象的原因何在？您是如何演繹的？

唐：AIE現象很有趣，但我們起初完全不了解它的工作機製。我們閱讀了許多關於分子聚集對發光過程影響的論文，但幾乎所有論文都討論聚集如何淬滅發光。我們仔細審視了噻咯的結構，發現它的分子高度扭曲且其中心環上有諸多可轉動的取代基團。在激發態，這些結構單元的分子內運動將光能轉換成熱能，噻咯分子因而不發光。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。通過外部物理控製（如溫度，粘度，壓力和結晶等）和內部化學反應（如環化，芳構化，取代和交聯等），對AIE基元（AIEgen）的分子內運動進行了調控。實驗數據支持了我們的假說，即分子內運動受限（RIM）是導致AIE現象的主因。五年後，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麼噻咯單分子不發光，但有人之前曾提出，某些TPE衍生物不發光是由於它們非常活躍的分子內運動。實際上，TPE產生AIE效應的真正原因相當復雜，我們仍在破譯其工作機理的探索路上。

NSR：AIE現象有多普遍？AIE分子一般有什麼結構特點？

唐：最初，我們以為AIE是噻咯體系的獨特現象，但現在我們確信AIE是存在於眾多發光體系中的一個普遍現象。在全世界科學家的共同努力下，目前已有數千種熒光和磷光AIEgens被開發出來。它們的發光顏色覆蓋整個可見光範圍並延伸至近紅外波段，其中有些AIEgens的熒光量子產率高達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靈活易動，而在聚集態運動困難。

NSR：AIE分子可以設計嗎？可以定製分子使其具有AIE特性並控製其發光亮度嗎？可以製備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的發光強度。與非晶聚集體相比，AIE晶體發光更亮，因為晶體中更緊密的分子排列可產生更強的RIM效應。由於RIM機製不依賴於特定組分，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？

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）或湧現論（emergentism）的範式轉移。響應這種呼喚，我們系統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、結晶誘導發光、聚集增強活性氧產生、高能激發態反卡莎躍遷、非共軛分子簇發光等。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、醫學診療、化學傳感、環保監控、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範式嗎？

唐：是的，受AIE效應啟發，我們在湧現論哲學思想指導下，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）。古希臘哲學家亞裏士多德（Aristotle）曾經表達過類似的想法：“整體大於部分之和”。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麼？

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研究目前正蓬勃發展，這可以從近些年來發表的AIE論文的數量反映出來：在 “Google學術” 平臺上用aggregation-induced emission關鍵詞做簡單搜索，發現2020年發表的與AIE主題相關的論文數高達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；另一些團隊開發了新型AIE體系，比如有機室溫磷光、簇發光和生物源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，有利於我們開發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、有天馬行空式漫遊的…… 然而，幾乎沒有任何研究課題會完全按照預期發展；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麼事會發生、你的學生會拿到什麼結果。科學研究的真正樂趣在於它的不可預期性：一個很小的、意想不到的細節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時，首先要做的是仔細檢查現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？如果觀察的現象和得到的結果無法按主流範式進行解釋，或者與普遍接受的觀點或“常識”沖突，你就應該繼續跟進，因為你可能已走近一扇通往重大發現的大門，只剩臨門一腳了。事實上，突破往往源於意外。我們可能需要付出千辛萬苦來破譯隱藏在未知細節背後的奧秘，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光高等研究院。研究院是怎樣成立的？目標是什麼？

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，就粵港澳大灣區如何向知識型和智慧型社會發展分享了我的想法。我覺得大灣區應該建設一個技術轉化型研究機構，拉近學術界與產業界的距離，加速科研成果向技術產品的轉化。我的提議得到了廣州市領導的首肯和黃埔區領導的支持（他們的辦事熱情和高效令人折服！）。在廣州市，黃浦區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光高等研究院。研究院的宗旨是技術創新和產品研發，致力於將AIE材料和技術轉化成造福人類和回饋社會的高科技產品。同時，我們希望將高等研究院建設成培養下一代工程師和企業家的孵化器，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？您最看重什麼素質？

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於科研、醉心於學術。科學發現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、頑強的鬥誌。卡爾·馬克思（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。” 自我激勵的探索者不會被旅途中的障礙所嚇倒，而是積極地享受解決問題的過程。積極的行為具有感染性、樂觀的態度有助於建立進取文化、愉悅的環境有利於破繭創新。科學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。這麼多年來，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背景的優秀科學家，工程師甚至臨床醫生，並與他們建立了良好的研究合作關系。感謝這種專業互補的跨學科合作，AIE研究的觸角現已伸至工程、醫藥、能源等諸多學科領域。

NSR：在您的職業生涯，受到了哪些因素的影響、哪些事情的啟發？

唐：我在不同的教育體系接受過訓練。我先後在中國和日本獲得學士和博士學位，之後赴加拿大進行博士後研究，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勢結合起來管理我的實驗室。我開始獨立工作後不久，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、科研經費少……如果一個人想在這個小島上幹一番大事業，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。”我深受這種觀念的影響，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，聚集才能發光！” 我力爭與合作者實現雙贏，在發展自己事業的同時幫助他人發展，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”；科學發展到今天，幾乎沒有什麼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。科學同其他任何事物一樣，是不斷發展的。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掘新規律，正如孔子所教導的：“溫故而知新”。諾貝爾生理學或醫學獎得主阿爾伯特·聖捷爾吉（Albert Szent-Györgyi）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，有可能帶來新的發現和突破。最後，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

Nat. Sci. Rev. 2021; 8: nwaa266

AIE研究去年入選國際純粹和應用化學聯合會（IUPAC）評選的2020年度化學領域十大新興技術（Top Ten Emerging Technologies in Chemistry）。