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    劉斌教授、唐本忠院士: 聚集誘導發光(AIE)研究的歷程回顧與未來展望
    2020-06-22  來源:高分子科技
    關鍵詞:聚集誘導發光 AIE

    為慶祝聚集誘導發光 (AIE) 研究二十周年的到來,新加坡國立大學劉斌教授與香港科技大學唐本忠院士共同撰文回顧了AIE研究歷程中的若干里程碑工作,并對其未來的研究方向進行了展望。相關論文發表在Cell旗下的《Chem》期刊上 (Aggregation-Induced Emission—How Far Have We Come, and Where Are We Going Next? Chem, 2020, 6, 1195)

    在二十世紀的光物理學研究中,聚集導致熒光猝滅(aggregation-caused quenching concentration quenchingACQ) 猶如懸掛在熒光材料之上的達摩克利斯之劍,這一時期的研究學者發現,大部分的有機生色團在高濃度或聚集態時都會發生熒光猝滅,而這一痼疾嚴重阻礙它們作為發光材料的實際應用。2001,唐本忠院士團隊偶然發現,1,2,3,4,5-五苯基噻咯在其單分散溶液中幾乎沒有熒光,而在聚集態時表現出強的熒光發射,該團隊將這一反常現象命名為聚集誘導發光 (Aggregation-Induced Emission, AIE)。而正是這一偶然發現為光物理領域打開了一扇亮窗,賦予了發光材料新的生命和活力。二十年的辛苦耕耘使AIE在基礎科學和應用科學領域取得了舉世矚目的成績。在本文中,作者從如下三個方面介紹了這二十年間為AIE的發展奠定了堅實基礎的里程碑工作: (1) AIE概念的提出; (2) AIE概念的進一步鞏固及其優勢應用的開發; (3) AIE研究向實際應用中的拓展 (1)。

     

    1. 二十年間在AIE研究領域的里程碑工作部分羅列。

    在第一階段的發展中 (2001-2003)AIE的概念被提出并逐漸引起了大家的注意。同時,伴隨著分子內旋轉受限 (restriction of intramolecular rotation, RIR) 機理的提出使大家意識到這一概念背后隱藏著的巨大科學問題。在第二階段的研究中 (2003-2010)AIE的體系擴展到高分子領域,并且AIE領域中的明星分子四苯基乙烯 (TPE) 也在這一階段被報道。借助于TPE優異的AIE性能和簡單的合成步驟,人們發現通過在傳統ACQ分子中引入TPE分子可以將其轉化為AIE生色團,這極大改善了傳統材料的應用困境。隨著研究的逐漸深入,有眾多的AIE衍生現象也如雨后春筍般涌現出來,如結晶誘導發光 (crystallization-induced emission, CIE), 基于CIE的室溫磷光 (room-temperature phosphorescence, RTP), AIE的力致發光和機械變色等。同時,AIE材料逐漸被應用到生物和光電領域并表現出極大的優勢。在這一階段,AIE的發展日臻成熟并逐步進入國際研究舞臺,這在整個AIE的發展歷程中起到了至關重要的促進作用。在AIE發展的第二個十年中 (2010-2020)AIE的機理被不斷完善并逐漸形成了以分子內運動受限 (restriction of intramolecular motion, RIM) 為核心,其他機理為輔助的理論模型。同時,AIE研究也開花結果繁衍出諸多自成體系的新分支,如簇集發光 (clusterization-triggered emission, CTE)、空間共軛 (through-space conjugation, TSC), 基于固態分子運動的光熱和光聲效應和聚集誘導產生活性氧物種 (aggregation-induced generation of reactive oxygen species, AIG-ROS) 等。而這些新領域的出現極大地加快了AIE研究向實際應用轉化的步伐,尤其是在臨床前的診斷和治療方向具有巨大的應用前景。二十年的發展使AIE具有了廣泛的國際影響力,目前有超過80個國家的1600個研究團隊在從事AIE方向的研究。

    在文章的最后,作者又對未來AIE發展中存在的機遇與挑戰作出了展望。首先提出了目前面對的五個挑戰: (1) AIE分子扭轉的結構導致較短的吸收波長; (2) 激發態柔軟的分子構象導致較寬的發射光譜; (3) 依賴于分子堆積方式的發光強度; (4) 無規的固態分子運動導致不理想的發光和光熱效應; (5) 固態下的強熒光發射限制了AIE材料作為點亮型試紙條的使用。針對這些挑戰,作者也提出了一些針對性的解決方案: (1) 通過引入供-受體結構或利用非線性光學效應實現長波激發; (2) 利用福斯特共振能量轉移 (FRET) 或光子晶體窄化發射光譜; (3) 通過納米晶化效應增強熒光強度; (4) 通過有效調控固態分子運動去優化發光和光熱效應; (5) 通過引入光致電子轉移和扭轉的分子內電荷轉移效應來實現點亮型的固態熒光。同時,作者也總結了未來最有潛力的三個研究方向: (i) 合理的分子設計策略以及多功能AIE材料的開發; (ii) 從最基礎的角度出發去全面闡述AIE的相關性質; (iii) 大力開發AIE在能源、環境和生物醫藥領域的應用,繼續保持并擴大AIE的研究優勢。

    新加坡國立大學Kenry博士,現哈佛醫學院丹娜—法伯癌癥研究所研究員為本文第一作者,劉斌教授和唐本忠院士為共同通訊聯系人。該研究由國家自然科學基金國際合作項目、新加坡國家研究基金競爭性研究計劃、新加坡國家研究基金Investigatorship以及新加坡國立大學等項目以及單位的資助。

    論文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2451929420302412 

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    (責任編輯:xu)
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