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院士报告厅｜唐本忠：新材料——聚集诱导发光背后的商机

唐本忠

2022-06-20 13:19  来源：澎湃新闻

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本文系由深圳创新发展研究院、博研教育、深圳企联等共同主办的科技创新院士报告厅第九期内容，本期活动还有深圳市新材料行业协会、深圳市微波通信技术应用行业协会等共同参与主办。5月27日上午，中国科学院院士、香港中文大学（深圳）理工学院院长唐本忠围绕“聚集诱导发光：一个崭新的科学概念及其蕴藏的巨大商机”发表演讲。
以下内容根据唐本忠院士演讲记录整理，经讲者审订。

中国科学院院士、香港中文大学（深圳）理工学院院长唐本忠

今天我向大家讲的这个主题跟纳米材料有关，聚集诱导发光（Aggregation—Induced Emission，AIE）。 
一、什么是聚集诱导发光（AIE）
光是非常重要的，光的研究开启了众多基础科学分支，催生了很多对人们生活产生巨大影响的基础性创新。
2015年是爱因斯坦相对论发表的一百周年，因此被称为“国际光年”。当年，《Nature》杂志发表的一个社论指出，很多生活技术的革新都来源于关于光与物质相互作用的基础研究与发现。
随着光的技术发展，光源的形式越来越多样，从远古至今人类一直在利用太阳自然光，到后来人们发现烧火可以产生光，再到现代随处可见的人造光。人造灯也在步步迭代，从发热发烫的白炽灯到如今的节能冷光源LED等等。
近代一系列光学材料和技术的重大突破改变了世界的面貌，2008年的诺贝尔化学奖颁给了绿色荧光蛋白的发现和改造，这项技术能点亮生物体内肉眼不可见的微观世界。2014年的诺贝尔化学奖颁给了超分辨荧光显微技术的研发，这一技术让人们可以观察到纳米级的光信号。同一年，诺贝尔物理奖颁给了蓝色发光二极管的发明，这一发明使得人类凑齐了能发出三原色光的发光二极管，提高了人类的照明效率。
从基础科学的角度来讲，这些人造的发光材料涉及光物理的研究，包括光电的相互作用、能量的转换等等。比如手机显示屏就是电跟光的结合，把手机电池的电转化成光显示出来，这个就是能量转换。大家或许都听说过柔性屏手机，也就是基于有机发光二极管（OLED）的手机，未来手机可以做到像纸一样随意折叠，不仅是小小的手机屏幕，未来的柔性屏还可以像墙纸一样大面积贴在墙壁上。OLED技术很多年前就已经有了，但是因为价格和产品寿命等方面的限制，并没有被非常成熟地市场化。可见好的技术要转化成产品很不容易，从技术到产品是一大难关。
再举另外一个例子，我们身体里面有很多物质是肉眼看不见的，如果这些看不见的东西能够被点亮的话，我们就可以借助荧光显微镜来观察微观世界，帮助人们理解生物的结构，探索生命体内的各种过程。如果身体里面的癌细胞可以发光的话，医生就能发现和追踪癌细胞，准确地切除癌组织。
从光电屏幕和生物成像两个例子可见，发光材料是很有用的，但是任何领域都会有它的问题，并且往往越成熟的领域要想进一步发展就越难。科学研究最初的成果都是低垂的果实，柿子也要捏软的，但是难的是去摘高处的果实，去探索硬核的部分。下面我要讲的就是比较“硬”的问题。我们现在街上看到的霓虹灯是LED也叫做发光二极管，采用的是无机的发光材料，无机的材料最大的好处是寿命很长，最大的毛病是非常难加工。大家听到“无机”可能不知道是什么，玻璃就是最有名的无机材料，玻璃的加工以前要一千度以上，现在有些七八百度就可以了，要加热到这个温度需要多少能量？其次，无机的发光材料很脆、容易碎；再者，无机发光材料是点阵的，一点一点的很难做成大的屏幕。
有机的材料跟无机材料恰好相反，衣服、塑料瓶子都是有机材料，有机材料非常容易加工，塑料一百度左右就可以加工了，而且不容易碎。不像无机材料的点发光，有机材料可以做片发光。因此有机材料做的发光材料有很多优点。
这些有机材料要么在固态使用，要么要在水的介质里使用。大家想想把油滴到水里是什么样的状态，油是疏水的，这些疏水的共轭分子在固态时容易叠在一起，在水里会聚集在一起，但是这些分子聚在一块以后对它的发光过程会有负面影响。比如这个分子如果溶在不加水的有机溶剂里时，这个溶液在激发下可以发光，但随着水的加入，分子开始聚集，发光逐渐减弱，直至彻底消失。这个很麻烦，比方你想要看身体里面有没有癌细胞，把发光材料往身体里一打，材料一聚集，马上就不发光了，什么信号都拿不到。这个现象是聚集导致发光猝灭效应简称ACQ（aggregation-caused quenching）。科学家一直想避免这个效应，但很困难，因为固态的分子聚集是一个自然的过程，加了水后材料聚集也是一个自然的过程，要跟自然对着干是很难成功的。
在20多年前我们偶然发现了一个跟上述ACQ现象恰好相反的过程，这个分子在水含量0%的时候完全不发光，随着水的加入，分子开始聚集，水含量达到80%比较亮了，到90%更亮了。这个就很好了，这时候你往身体一打癌细胞都发光了，就可以看得清清楚楚了。这个就是聚集诱导发光AIE。
AIE的机理其实很简单，举个例子，如图1，一般的分子是在基态能量最低的地方，你给它能量以后，就像手机的屏幕开关一打开，电的能量就把它变成激发态，在这个状态下不稳定会回到基态，我们把图片上的水流想象成光，它从水闸的地方回去，就是辐射跃迁。如果从水车这个地方回去，就变成了水车的机械能，就是非辐射跃迁。

图1  AIE分子的工作机理

一个激发态分子发生非辐射跃迁，就会耗散能量不发光了。单个分子可以自由地运动把能量耗散掉，一旦聚集以后分子内运动受到限制了，动不了了，能量不会转变成热能耗散，就会以光的形式发射出来。知道这样的原理，我们就可以设计各式各样的分子，把分子结构稍微改变一下，颜色可以从蓝光到红光到近红外光，覆盖各个波段。
大家可以现在想象，我们在实验室里面研究的是分子，但现实生活中应用的都是分子的聚集体，显而易见聚集时有效果才好，AIE分子可以保证聚集态时可以发光，所以是非常有用的。例如改变温度、压力、酸碱度等环境因素，发光的颜色和亮度也会随之发生变化，因此AIE分子可以用来做智能材料，可以检测爆炸物、指纹、细菌、污染物等等，只要能设计出合适的AIE分子，基本上任何东西都可以检测，设计的思路很简单，需要检测的东西跟AIE分子一结合，分子卡住不好动了，就点亮发光了。此外还可以做生物成像，比如癌细胞的追踪、细胞和组织的影像，疾病标志物的识别等等。所以，AIE分子可以做很多的事情，应用特别广泛。 
二、AIE是中国人领跑的一个科学领域
接下我来讲讲AIE的发展及科学贡献，2017年我拿了国家自然科学一等奖和何梁何利的科学进步奖，因为AIE是我们中国人开创并引领的一个全新的科学领域，这是我觉得很骄傲的一件事情。改革开放这40年来，中国的科学有很多领域已经是“并跑”而不是“跟跑”了。现在我们不但“并跑”，我们更要“领跑”。AIE就是中国人领跑的一个科学领域。现在全世界很多人在做这个AIE研究，去年一年有7000多篇相关文章发表，平均一天就有20篇文章在全世界发表。 
三、AIE的应用及潜在商机
下面我要讲的是AIE的应用及潜在的商机，AIE的应用现在基本上把它分成三大类：
第一类：高效率光电转化材料和器件的开发与应用
中国是缺乏能源的，第一要想办法开源，第二要想办法节流，因此中国对高效率的光电转化材料有非常大的需求。
下面给大家举些例子：
OLED领域
现在手机上的很多材料基本上是依赖进口的，我们没有自主知识产权的话，别人一“卡脖子”就麻烦，以前的芯片可以买到，现在有些不卖给我们了，短期我们会非常痛苦，但长期很难说。一旦我们把芯片造出来以后就不需要再去依赖别人。这是为什么现在中央强调我们要“国产替代”。希望以后的手机可以像一张纸一样随意折叠，这是完全可以利用AIE材料做到的，而且AIE材料的各种知识产权都在中国人手上。现在我们想把中国原创的东西变成高效的固态发光材料，利用特殊发光机制去占领市场。非掺杂性AIDF-OLED材料我们在实验室已经做得非常好了，以前荧光的材料效率做到5%我们就非常开心了，现在我们可以做到40%，效率非常高。虽然AIE材料与技术我们是领先的，但也存在很大困难，我一直想把AIE材料应用到手机上，企业家都知道，实验室很小规模地做到工厂大规模产业化是非常烧钱的。现在我希望中国多出几个任正非，愿意在这方面投入。 
圆偏振光发射
AIE材料还可以用在圆偏振光发射领域，平常的光是360度的完整光，我们看3D电影时透过眼镜的是偏振光，偏振光可以用来做很多看起来很科幻的事情，比如可以做3D显示，或许未来的一天，我们用手机和朋友通话时，对方可以从屏幕里跳出来像全息影像一样跟你对话，目前的技术阶段这样的效果肯定达不到，发展路途还很遥远，但AIE材料在这一领域的探索一直走在前沿。
点胶剂，单分子白光
最后一个例子是点胶剂和单分子白光。图2中的这些器件使用的是无机材料，一个一个点拼接成屏幕，这叫点光源，有机材料可以做成一大片的面光源。这些无机LED材料发展得非常成熟，但是它的发光波长是固定的，个性化定制困难，还有一些工艺上的问题。但我们可以在上面铺一些有机的东西，就像在上面涂一层油漆一样，下面一照，上面可以变成不同的颜色。