与“光”共舞,中国品牌领跑世界
发布时间:2018-01-12
出品:科普中国
制作:小漫科普团队 罗思扬 王建林
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  实现对光的控制,是近三十年人类科技文明快速发展的强大动力。宽带网络、手机、电视……所有这些生活中离不开的科技产品,都源于激光、液晶显示、LEDOLED等光技术的不断突破与发展。2017年,国家自然科学奖一等奖就颁发给了一名“与光共舞的科学家——中科院院士、香港科技大学教授唐本忠。 

    

  1. 唐本忠院士 

  唐院士研究团队进行的聚集诱导发光(AIE)研究,使中国在光学研究领域异军突起,成为多国科学家竞相跟进的研究热点。 

  那么,聚集诱导发光(AIE)究竟是什么?又能为我们的生活带来什么改变呢?带你解读神奇的聚集诱导发光(AIE)。 

  聚集诱导发光的发现——差点溜走的偶然 

  发光材料主要包含无机发光材料和有机发光材料 

  对于传统的有机发光材料,其荧光分子在稀溶液中,通常具有很好的发光性能,但在浓溶液中,分子往往会聚集在一起,形成“抱团”,发光能力减弱甚至完全消失,被称作“聚集导致猝灭Aggregation-Caused Quenching, ACQ)(如图2a)。 

   

  2. ACQAIE的对比 

  这种现象让发光领域的研究者大为挠头。因为发光材料多在固态下使用,比如制作一块有机发光二极管(OLED)的手机屏幕,发光材料就是在浓度极高的固体薄膜下使用的。 

  分子越多,发光能力反而越弱,怎么办? 

  大多数科学家研究的方向,是怎样避免让发光分子聚集在一起。但唐本忠团队独辟蹊径,2001年,他们偶然发现了一个奇特的现象:一些噻咯分子在稀溶液中几乎不发光,而在浓溶液或固体薄膜下,分子聚集在一起,发光却大大增强(如图2b)。 

  因为这样的发光增强是由分子聚集在一起所导致的,所以他们形象地将此现象定义为“聚集诱导发光(Aggregation-Induced Emission, AIE)”。 

    

  聚集诱导发光的机理——团结就是力量 

  聚集诱导发光(AIE)类材料具有典型的人多力量大(越聚集发光越强)的特性。 

  举一个形象的例子,传统的ACQ分子像一群骁勇战将,可集合在一起反而会互相掣肘,无法实现1+1=2的力量累加,而AIE材料则像多组列兵之阵,越是靠近就越是声势浩大,势不可挡。 

  既然AIE带来如此神奇的现象,那么AIE的原理是什么呢? 

  在稀溶液中,AIE分子内部存在着活跃的振动和转动,当这些分子吸收能量后,各种振动和转动把能量坐地分赃了,因此发光就比较少。而当这些分子聚集在一起时,彼此的牵制作用限制了分子内部的运动,各种振动和转动对能量的分赃不均使得它们谁都没得到好处,反而发光捡了漏,获得了更多的能量,从而表现出发光增强的现象。 

  综合分子内转动和振动,唐本忠团队提出了分子内运动受限(Restriction of Intramolecular Motion, RIM)模型,并已得到广泛认可(如图3)。 

   

  3. RIM导致荧光增强的机理示意图 

    

  AIE——改变生活,改变世界 

  新的概念必将带来新的应用。 

  自发现聚集诱导发光(AIE)现象之后,唐本忠院士团队开始寻找与发光猝灭截然相反的AIE材料,并开发了众多AIE体系,实现了AIE材料在光电器件、智能材料、化学传感、生物传感和成像等领域的应用(如图4只有想不到,没有做不到!)。 

   

  4. AIE型分子应用领域与实例 

  我们可以列举几个AIE材料比较典型的应用。 

  化学传感器 

  AIE现象可用于空气中二氧化碳、一氧化碳或甲醛等有毒气体的检测,例如唐本忠团队利用AIE分子检测并定量分析二氧化碳气体,将AIE分子溶解到有机溶剂中,当二氧化碳接触该溶液时,会与其中的溶剂反应生成新的物质,这种物质会导致AIE荧光分子的发光增强,以此进行可视化定量分析。 

  这在环境监测方面具有巨大应用前景。 

   

  5. 废气环境污染 

  生物传感器 

  水溶性的AIE材料,本身在水中不发光,但只要在水溶液中碰上生物分子,如蛋白质、DNA、脂肪、糖分、胰岛素、乳酸、病毒等,AIE材料就会立刻发光,因此它被认为是一种很敏感的“点亮性”传感器。 

  实际临床医学中,医生只需将探测到的生物分子浓度与正常的进行比较,就可以判断患病的概率。 

   

  6. 生物传感联姻智能手机智能医疗指日可待 

  生物成像 

  基于AIE材料构建的生物传感器——“生物探针”,使之进入动物或人体内可进行生物体的成像,直接窥视我们身体的内部情况。 

  目前,AIE探针已可进行细胞成像、细菌成像、组织成像等。且与传统探针相比,AIE材料构成的探针具有高的荧光效率、良好的生物相容性和低毒性,因此其检测成像范围更大,精度更高,对人体更友好。 

   

  7. 生物成像 

  有机发光二极管(OLED 

  由于在显示领域和照明领域的巨大应用前景,OLED引起了广泛的关注。传统发光材料制备的OLED有荧光猝灭(ACQ)这一难题,因此发光效率低,发光颜色有限。 

  而聚集诱导发光这一理念则有效地解决了这一问题,因此AIE材料制作的OLED发光效率高,最高亮度相当于1平方米内同时点燃6万根蜡烛,足可以“亮瞎”你的双眼;另一方面,其发光颜色已经覆盖了整个可见光区域,使实现全彩色显示成为可能。若AIE材料制作的OLED做成手机屏幕,将会相当节能,且颜色真实自然。 

   

  8 OLED在显示领域的应用 

  未来,AIE的研究将会继续深入下去,包括完善AIE机理,扩展AIE材料的应用范围,相信AIE领域必将像其本质一样越聚集,越发光。 

  值得骄傲的是,AIE是由我国科学家开创并引领的热点研究领域,AIE料也成为了中国品牌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AIE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。 

    

  参考文献: 

  [1] Hong Y, Lam J W Y, Tang B Z. Aggregation-induced emission: phenomenon, mechanism and applications. Chemical communications, 2009 (29): 4332-4353. 

  [2] Hong Y, Lam J W Y, Tang B Z. Aggregation-induced emission. Chemical Society Reviews, 2011, 40(11): 5361-5388. 

  [3] 唐本忠,赵祖金,秦安军. 聚集诱导发光(AIE):我国原创并引领的研究前沿. Acta Chim. Sinica 2016, 74, 857—858. 

  [4] 唐本忠. 聚集诱导发光——从基础研究到光电和生物传感应用. 光学与光电技术, 14, 第3期, 20166. 

  [5] 唐本忠, 王鑫王, 志明秦, 安军. 聚集诱导发光. 科学, 201704. 

  [6] 张双, 秦安军, 孙景志, 唐本忠. 聚集诱导发光机理研究. 化学进展, 23, 4, 20114. 

  [7] 陈斌, 赵祖金, 唐本忠. 多功能聚集诱导发光OLED材料研究进展. 科学通报, 61, 32, 2016. 

  1来自于http://www.aiepolymer.com/index.php?g=home&m=page&a=index&id=1 

  2来自于参考文献[2,3] 

  34来自于参考文献[5] 

  5来自于http://diyitui.com/content-1498118131.67462695.html 

  6来自于http://www.afzhan.com/news/detail/43361.html 

  7来自于http://bbs.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=240977&do=album&picid=477&goto=down#pic_block 

  8来自于http://www.pcpop.com/imgview/00419791382889092.html 

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