唐本忠院士：分子之上有廣闊無垠的空間 | 科技導(dǎo)報(bào)

taotao_2016 2023-02-06 發(fā)布于河北

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唐本忠，高分子化學(xué)家，中國科學(xué)院院士、發(fā)展中國家科學(xué)院院士、亞太材料科學(xué)院院士?，F(xiàn)任香港中文大學(xué)（深圳）理工學(xué)院院長，主要研究方向?yàn)楦叻肿踊瘜W(xué)和先進(jìn)功能材料。

在哲學(xué)研究初期，先哲們孜孜不倦地探詢一個關(guān)于起源的終極問題：“什么是物質(zhì)的基本單元？”根據(jù)《韋氏詞典》，這個問題的答案是“分子”，即一種“保留物質(zhì)所有特性的最小粒子”。這種分子論在哲學(xué)上屬于還原論。還原論認(rèn)為：“一個實(shí)體是另外一些更簡單或更基礎(chǔ)的實(shí)體的集合或組合?！焙喍灾?，整體等于部分之和。

分子論（molecularism）奠定了分子科學(xué)的認(rèn)識論基礎(chǔ)。然而，分子論并非永遠(yuǎn)正確。20世紀(jì)70年代，美國科學(xué)家菲利普·安德森提出了反還原論觀點(diǎn)，他認(rèn)為，“不能通過對少數(shù)粒子性質(zhì)的簡單外推來理解由這些基本粒子組成的大而復(fù)雜的聚集體的行為”。實(shí)際上，反分子論體系舉目皆是，例如，在聚集誘導(dǎo)發(fā)光（AIE）體系，物質(zhì)在聚集態(tài)高效發(fā)光（1），但在單分子自由態(tài)卻完全不發(fā)光（0）。顯然，這里整體并不等于部分之和。

理解聚集體行為呼喚從分子論向聚集體論（aggregatism）的研究范式轉(zhuǎn)移，前者屬于還原論，而后者屬于整體論。整體論認(rèn)為，一個給定體系的所有屬性不是單純由其組成部分所決定的；相反，體系作為整體以重要的方式?jīng)Q定其部分的行為。聚集體應(yīng)被視為一個融合的整體，而不是其組分的簡單拼湊與疊加。聚集體學(xué)（aggregology）應(yīng)該是研究聚集體的一門獨(dú)立學(xué)問，而不是分子科學(xué)的依附或延伸。

從上述聚集誘導(dǎo)發(fā)光（AIE）例子可看到，AIE聚集體的行為不由AIE基元在分子層面所決定，而由體系內(nèi)AIE基元之間的相互作用所規(guī)范。體系中各種各樣的過程和作用（如拮抗、協(xié)同、突現(xiàn)、發(fā)散、收斂等）的互動，賦予聚集體其分子組分所不具有的新特性，從而顯現(xiàn)出亞里士多德宣稱的“整體大于部分之和”的整體論效應(yīng)。

自20世紀(jì)初AIE概念問世以來，眾多新型聚集體系統(tǒng)被開發(fā)出來。一些在分子層次存在的“不可能”，在聚集體層次成為“可能”，例如，有機(jī)高效室溫磷光、非共軛簇發(fā)光、力致發(fā)光、圓偏振發(fā)光、太陽光濃聚、光合作用增強(qiáng)等。目前，AIE研究已擴(kuò)展至聚集體科學(xué)，在探索聚集體獨(dú)特的新性質(zhì)和新功能方面取得了巨大進(jìn)展，譬如聚集誘導(dǎo)活性氧產(chǎn)生、固態(tài)分子運(yùn)動可視化與調(diào)控、防偽與加密、光熱治療、手術(shù)導(dǎo)航、光聲成像、海水淡化、植物碳匯等。

聚集體學(xué)研究正進(jìn)一步深入到金屬、陶瓷、玻璃等無機(jī)聚集體領(lǐng)域。這些聚集體沒有對應(yīng)的分子單元：金屬由原子而非分子構(gòu)成；陶瓷和玻璃是非金屬三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其化學(xué)式提供的信息是原子組成而非分子結(jié)構(gòu)。例如，SiO₂不是表示玻璃的分子結(jié)構(gòu)，而是表示其原子組成的化學(xué)式。除無機(jī)材料外，其他如金屬-有機(jī)骨架、碳同素異形體（金剛石、石墨等）、交聯(lián)聚合物（橡膠、水凝膠、酚醛樹脂等）等，都是無法溶解或解離成分子的聚集體。它們沒有分子結(jié)構(gòu)或組分，只能作為整體進(jìn)行研究。

顯然，分子之上有廣闊無垠的研究空間。聚集體學(xué)框架的建立將為研究多級結(jié)構(gòu)和復(fù)雜系統(tǒng)構(gòu)筑一個新的平臺?？梢灶A(yù)料，對聚集體的研究將產(chǎn)生有別于現(xiàn)有分子科學(xué)體系的新知識、新理論、新思想，加深我們對自然的認(rèn)知，指導(dǎo)我們開發(fā)具有嶄新結(jié)構(gòu)和功能的新聚集體系統(tǒng)。

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