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2001年8月14日，英國皇家化學會旗下化學領域著名期刊《Chemical Communications》（IF：6.12）刊登香港科技大學唐本忠教授課題組名為“Aggregation-induced emission of 1-methyl-1,2,3,4,5-pentaphenylsilole”的通訊稿，文中首次提出了聚集誘導發(fā)光（Aggregation-induced emission，AIE）的概念并研究了五苯基噻咯衍生物的光致發(fā)光性質(zhì)，打破了傳統(tǒng)思維，使越來越多的AIE分子走入科研工作者的視線中，該通訊稿的引用量已突破3300次+。目前，全球80余個國家和地區(qū)的約1600個單位的科學家正在進行AIE相關研究。AIE領域發(fā)表的論文數(shù)和引用次數(shù)均呈指數(shù)增長。開創(chuàng)了一個由中國科學家原創(chuàng)并引領、國外科學家競相跟進的研究領域。今天我們向大家分享的這篇文章被諸多有機發(fā)光領域?qū)W者奉為聚集誘導發(fā)光現(xiàn)象的開山之作。但更讓人侃侃而談的，是這篇稿件背后動人的探索歷程。 
美麗的意外
二十年前，唐本忠院士覺得一種名為六苯基噻咯（HPS）及其類似化合物五苯基噻咯的分子結構很漂亮，便讓學生去研究一下這類高顏值分子的光物理性質(zhì)，而學生在做實驗的時候意外發(fā)現(xiàn)，HPS及其類似化合物分子在溶液中幾乎不發(fā)光，但當溶劑揮干后形成的干點卻可以發(fā)光。這種現(xiàn)象與當時已寫入教科書數(shù)十年的一種光物理常識，即聚集導致發(fā)光猝滅（Aggregation-caused quenching，ACQ）的原理背道而馳。但對于發(fā)光材料的應用而言，當制備全固態(tài)有機發(fā)光二極管時，則更需要在聚集狀態(tài)下發(fā)光的化合物，而非僅在稀溶液中發(fā)光的化合物。唐本忠院士認為，“從焓熵的角度來看，分子在固態(tài)下聚集是一個不可抗拒的自發(fā)過程。分子就喜歡聚堆抱團，干嘛非得拆散它們呢？”隨后，他將這種全新的現(xiàn)象命名為聚集誘導發(fā)光，即AIE，并尋求進一步的數(shù)據(jù)佐證。唐本忠院士團隊研究了一種含甲基的五苯基噻咯衍生物，其結構如圖1所示，該分子并不是僅一種平面構象，五個苯環(huán)可以自由轉(zhuǎn)動，像一個螺旋槳。研究者進一步探究該化合物的光致發(fā)光性質(zhì)，結果表明，如圖2A所示，該化合物在稀乙醇溶液中發(fā)光強度較低，發(fā)射峰位于500 nm左右，當加入不良溶劑水或?qū)⒒衔锾幱诠虘B(tài)薄膜狀態(tài)時，發(fā)光強度大大提高。如圖2B所示，研究者測試化合物1在稀溶液狀態(tài)下的量子效率，低至0.00063，可認為基本不發(fā)光，而隨著不良溶劑水的不斷加入，化合物1逐漸形成聚集體，量子效率大大提高，最高可達0.21，證實了聚集誘導發(fā)光現(xiàn)象的存在。圖2. 化合物1: (A) PL光譜，水：乙醇體積比為9：1, 乙醇溶液的濃度為10 μM；(B) 量子效率隨著水-乙醇體積比變化圖.基于上述實驗結果，唐本忠院士提出了分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)受限機制，即化合物1及其類似分子在分散狀態(tài)下，激發(fā)態(tài)的能量可以通過分子內(nèi)苯環(huán)轉(zhuǎn)動的機械運動耗散，無需輻射形式消耗，以此，其在稀溶液狀態(tài)下基本不發(fā)光。但當這些分子聚集起來后，分子間相互作用大大增強，螺旋槳結構空間運動受限，激發(fā)態(tài)能量則通過輻射形式耗散，產(chǎn)生了發(fā)光現(xiàn)象。而傳統(tǒng)的ACQ分子大多為平面稠環(huán)結構，在稀溶液中，可通過熒光發(fā)射耗散能量，而當其聚集到一起時，就像一張張光盤重疊一樣，相互間發(fā)生了能量轉(zhuǎn)移，耗散了能量，無法產(chǎn)生有效的發(fā)射，因而聚集狀態(tài)下基本不發(fā)光。未來可期 團隊合影 2017年的國家自然科學獎一等獎授予了唐本忠院士團隊，以表彰他在聚集誘導發(fā)光領域做出的杰出貢獻。近年來，聚集誘導發(fā)光材料已在細胞器影像、癌細胞追蹤、智能材料、發(fā)光二極管、光波導、化學傳感器、爆炸物檢測和細菌成像等領域發(fā)揮了巨大作用。
翻閱歷史，驚訝的是1853年Stokes描述了無機鹽體系中的“AIE”現(xiàn)象，但是過去148年之間未有任何進展，直到2001年，唐本忠院士團隊打破固有認知，揭開“AIE”現(xiàn)象背后的動人科學故事。“見人之所見，思人之所未思”，站在高分子百年新起點，重新出發(fā)，在個人研究領域解開更多的未知與可能。
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