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唐本忠:聚集才能发光——聚集诱导发光AIE材料
2024-01-18

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唐本忠教授1982年获华南理工大学学士学位,1985年、1988年先后获日本京都大学硕士、博士学位。曾在多伦多大学从事博士后研究、日本NEOS公司中央研究所任高级研究员。1994–2021年在香港科技大学工作。2009年、2017年、2020年先后当选中国科学院院士、亚太材料科学院院士、发展中国家科学院院士。2021年加入香港中文大学(深圳)担任理工学院院长、校长学勤讲座教授。

唐教授主要从事高分子化学和先进功能材料研究。在聚集诱导发光(Aggregation-Induced Emission, AIE)这一化学和材料前沿领域取得了原创性成果,是AIE概念的提出者和AIE研究的引领者。唐教授已发表学术论文2,000多篇,总引用超183,000次,h因子为189。在学术会议上作了500多场邀请报告,拥有100多项授权专利。现任德国Wiley出版社发行的Aggregate《聚集体》杂志主编以及20多家国际科学杂志顾问、编委或客座编辑等。

2014年至今连续当选全球材料和化学双领域“高被引科学家”。2007年获Croucher基金会高级研究员奖,2012年获美国化学会高分子材料科学与工程分会MACRO讲座奖,2014年获伊朗国家科技部颁发的Khwarizmi国际奖,2015年获广州市荣誉市民称号,2017年获国家自然科学一等奖、何梁何利基金科学与技术进步奖,2021年获Nano Today国际科学奖,2023年获生物材料全球影响力奖。

2023年11月23日,第五届世界科技与发展论坛——平行论坛一:未来产业发展论坛在深圳举办,由中国技术经济学会、深圳市光明区人民政府、韩中科学技术合作中心联合承办,以“未来产业发展新趋势与前瞻布局”为主题,聚焦脑科学、量子、合成生物及区块链等前沿技术,中国科学院院士、亚太材料科学院院士、发展中国家科学院院士唐本忠出席论坛并作题为“聚集诱导发光——一个崭新的科学概念及其蕴藏的巨大商机”的主旨报告。 

以下是发言整理: 

聚集诱导发光英文为Aggregation-Induced Emission,简称AIE。什么是AIE?AIE与光有关。光的研究对于科学进步起到巨大无比的推动作用。关于光的研究产生了很多改变思维方式的概念和机理,当然也带来改变世界面貌的材料与技术,举几个例子,2008年诺贝尔化学奖给绿色荧光蛋白,这与发光有关系的;2014年的诺贝尔化学奖又是给关于发光的,化学奖和物理奖都是与发光有关系的。

现在,发光材料已经得到了广泛的应用。比方说原来用于手机屏幕的叫有机发光二极管。在生命科学领域也有非常多的应用,刚才提到的2008年诺贝尔化学奖绿色荧光蛋白和2014年超分辨荧光成像,因为身体内有很多我们看不见摸不着的东西,但如果让它们发光,我们就可以看见,医生就可以做出判断。但是这些发光材料不管是光电的应用还是生命科学的应用,在这种情况下要么在固态使用,要么在水的介质里面使用,因为支撑生命液体介质是水,在这种情况下发光分子会自然聚集,问题在于一旦聚集之后,发光会减弱甚至不发光。刚开始单个分子的时候发光,聚集之后就不发光了。我们手机显示屏幕是发光材料聚集态使用,将这种物质应用于生命科学,将其注入到身体内,结果在血管稍微碰到水就不亮了,就得不到任何信号,这是一个困扰科学家100多年的一个难题,很多人想了很多办法去解决这个问题,但是很难解决。

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20多年前,我们发现一个和刚刚所讲内容完全相反的现象。这个分子在不聚集时不发光,但聚集后却会闪闪发光。这解决了之前的问题,因为聚集后发光,手机显示屏幕随便怎么做都会闪闪发光,将其注入到身体内,跑到肿瘤所在位置,肿瘤就会闪闪发光。

AIE聚集诱导发光是怎么工作的?一般来讲,分子都处于基态,激发后会跃迁到激发态,激发态不稳定会回到基态。如果将水流想象成光线,这个过程称为辐射跃迁,因此会闪闪发光。但也有可能从激发态回到基态,这时水的能量就变成了机械能,机械能不会发光。我们来看看分子,这个分子激发后会乱动。乱动意味着什么呢?意味着从这个地方回到了基态,因此单个分子不会发光。但一旦聚集后,分子就不容易再乱动了,这种情况下称为分子内运动受限,这条路就堵住了,只能从这里回来,因此就会闪闪发光。这是一个非常简单的机理。

发光基本上涉及两个方面,一个是颜色,一个是亮度。根据这个机理可设计很多体系,颜色可以从蓝色一直到红色,一直到静红外二期非常长的波长,对于医生来讲,波长越长越好,因为波长越长,颜色越深。固态粉末也非常亮,所以有很多用处,比如可以做智能材料。以前液晶不发光,现在可以让液晶闪闪发光,可以做发光二极管,做手机显示屏,可以做光波导、检测爆炸物、化学传感,基本上任何污染物都可以让其发光,可以显示食品是否新鲜。现在很多海里面的鱼吃一些纳米粒子,这些东西都是有毒的,我们看不见、摸不着,就吃到了身体里,发光分子可以显示出鱼是否新鲜的,鱼的身体里是否有有害物。细菌看不见、病毒看不见,通过让这些东西闪闪发光,不但看得见,还可以杀死。可以告诉你身体里面有没有癌细胞,癌细胞在什么地方,在身体里面怎么转移,细胞器是否健康,血管是否堵塞,器官是否纤维化,比如肝硬化。老年痴呆症就是脑蛋白纤维化,这种情况一旦发生,就会发光。

AIE的科学贡献。在科学研究中,我们必须引领潮流。很遗憾,以前我们一直是在跟随西方科学家的步伐,被动地跟随着他们的研究进展。这种情况有其历史原因,我们在过去曾经非常强大,但在过去几百年里,我们却落后了,一直在跟随西方科学家的步伐。我们的工作不是跟随他们,而是带着他们一起前行。我们一直在领跑,这面红旗插在祖国大地上。现在全世界很多地方都在进行这方面的研究,关于Aggregation-Induced Emission,去年全世界发表了8000多篇文章,我们2017年拿到何梁何利进步奖,因为这是中国人开创和引领的全新科学领域。同年,我们也拿到国家自然科学一等奖。

AIE潜在应用和商机。AIE在诸多领域都有应用。 首先,高效率光电转化材料和器件,比如手机,手机的发光材料目前还是国外的,但我们必须意识到,如果有一天被限制,我们的手机就无法使用了。AIE材料是中国人自己发现的,所有的知识产权都掌握在我们手上。目前,产业化需要大量资金投入,尽管实验室研究已经取得了很好的成果,但产业化仍需要更多的努力。其次,高灵敏度和高特异性智能传感材料和器件。举个例子,现在很多人富裕了,买了很多房子,但购房后却不敢入住,因为担心有甲醛。甲醛是一种气体,但是肉眼无法看到,AIE在这方面可以用于监测甲醛含量。此外,高分辨率和对比度的成像和示踪材料及器件,在生命健康领域尤为重要。目前,医生对这方面的材料最感兴趣,因为在这一领域有很多是看不见、摸不着的。我们可以回顾一下新冠疫情,这场疫情彻底改变了我们的生活,因为小小的病毒是看不见的。

在光电方面,AIE技术可以用于制造各种光电器件。目前实验室中的效率已经达到了40%,这是非常高的效率。此外,AIE技术还可以用于制造圆偏振光发射器件。未来的手机可能会从二维发展到三维,手机打开你的朋友就从手机里跳出来,深圳怎么样,北京那边已经冰天雪地,以后将是3D的显示。AIE技术还可以用于制造点胶剂和单分子白光材料。目前LED技术已非常成熟,我们可以将AIE技术应用于LED,使蓝色LED产生各种发光颜色。此外,AIE技术还可以让纤维发光,这意味着未来的衣服可能会在晚上发光,人们在夜间行走时无需电灯。钙是身体所需的重要元素,老年人缺钙会导致骨骼容易受损。AIE技术的特点在于,它可以让看不见的东西变得可见。

在高灵敏度智能传感材料方面,AIE技术可以用于检测食品新鲜度。日本人对此非常感兴趣,因为他们食用生鱼片,对生鱼片的新鲜度非常关注。此外,纳米产品已经无处不在,湖水、海洋中存在大量的纳米材料,这些物质都具有毒性。AIE技术可以让我们看得见、摸得着这些物质。例如,汞是有毒的,上个世纪60年代日本发生了汞中毒事件,导致很多人健康受损。此外,AIE技术还可以用于检测有毒气体,比如刚才提到的甲醛。甲醛检测目前还比较困难,因为它是肉眼无法看到的,通常只能给出一个数字。AIE技术可以让含有甲醛的地方发光,这样人们就可以根据发光情况来判断是否可以入住。目前,很多房子因为担心甲醛问题而空置数月,工厂也存在泄漏问题,这些泄漏物质都是气体,人们无法看到,等到感觉到了已经为时已晚。AIE技术可以让这些物质变得可见,荧光技术非常敏感,几乎是目前最敏感的分析技术之一,而且它不仅敏感,还可以让人们看得见,我们说眼见为实。这种技术还可以用于检测二氧化碳,碳排放的限制主要就是二氧化碳,工厂里面排出去的东西可以检测二氧化碳的含量。实际上,火山爆发和地震在某种程度上与二氧化碳有关。例如,日本的富士山是一个火山口,如果能提前预警,就可以减少很多伤亡。火山爆发的概念是什么?就是地下熔浆涌出,熔浆会熔化很多石头,石头中含有碳酸钙,熔化后二氧化碳浓度就会增加。目前我们无法看到二氧化碳,但是通过AIE技术,我们可以看到它,这样就可以用于地震和火山的预测。现在我们有很多微电子器件,手机就是其中之一,良好的封装非常重要,因为一旦水汽进入,很多微电子器件就会失效。AIE技术可以让人们看到湿度情况,湿度低时发出蓝色光,湿度高时发光颜色会发生变化。

高灵敏度智能传感材料还可以用于力的检测。我们可以检测非常微小的力,甚至可以检测细胞的运动力。在胚胎干细胞时期,细胞非常微小,但最终会发育成心脏、肝脏、肺和大脑等器官。这些器官的发育过程与生物力学有关,而以前很难研究。AIE技术可以让我们检测非常微小的力,也可以检测巨大的力,比如飞机。飞机在起飞前需要进行风洞测试,以检测受力集中的地方,AIE技术可以让我们找到受力集中的地方。

高灵敏度智能传感材料也可以做智能的检测,现在生活水平得到改善,很多人患有糖尿病,糖尿病顾名思义尿里面糖分太高了,糖的检测从某种意义上讲是非常困难的,糖在身体里面有很多同分异构体,结构非常类似很难区分,很多氨基酸过量或缺少对身体不好。此外,AIE技术还可以用于检测爆炸物,大型国际会议需要进行爆炸物检测,而AIE技术可以让我们看得见、摸得着这些物质。中国的丝绸工业非常发达,丝绸本身是没有颜色的,但AIE技术可以让丝绸发出各种颜色的光。

同时,AIE也可应用于海水淡化。在沙特阿拉伯,水比石油还要贵,他们有很多海洋,但海水无法直接饮用。AIE技术可以利用光热,将海水加热后再凝结,然后截下来非常干净的蒸馏水,过程中产生活性氧,可以把细菌和病毒杀死。我们曾经做过一个实验,将海水提上来,经过一个小时的太阳照射,每平方米可以收集到5公斤纯净水。

AIE高效转光技术可在粮食危机和“碳达峰+碳中和”中应用。二氧化碳的减排和限排非常困难,因为工业社会的工厂会排放大量的二氧化碳,可以减到一定限度,减了太多之后社会就没法运转,比如让你不开汽车比较难,但开汽车会排二氧化碳。最好的办法是变废为宝,我们呼出二氧化碳,植物把二氧化碳和水变成糖,植物生长与波长有关系,我们可以改变发光的波长,让植物生长变得非常快,可以让一种海藻的生长速度增长8倍,这样就会消耗很多二氧化碳。我们做实验发现大气里面二氧化碳不够,现在兴起了碳交易,一个地方缺二氧化碳,别的地方可以提供二氧化碳并得到报酬。城市化让农田变得越来越少,未来可能会出现蔬菜工厂、粮食工厂,这就要控制植物的生长。从这个角度来看,AIE将对解决粮食危机和“双碳”做出贡献。

在生命科学领域,细胞虽然很小,但是结构非常复杂,现在可以对细胞器特异性检测,比如线粒体。线粒体是细胞的动力工厂,我们可以进行特异检测,还可以用于药物筛选。细胞有一个情况叫做程序性死亡,我们现在还不清楚其中的机理,一旦机理搞清楚,癌症就不再是难题。药物是否有效,我们可以进行动态监测。线粒体与很多疾病有关,不同线粒体可以染成不同的颜色,这个地方可以做很多工作。比如精子的线粒体染成一个颜色,卵子的线粒体染成另一个颜色,精子和卵子结合之后发育的过程以及干细胞分化的过程就可以通过发光来观察。细胞一直在分裂和融合,以前是看不见的,现在可以清晰地观察到这些过程。现在有很多人不育,不育的原因是精子线粒体出问题,活度不够,这个地方可以帮助我们解决很多医疗上的问题。我们可以用超分辨看到非常小的结构,细胞是如何分裂融合的,可以清晰地观察到这些过程。把癌细胞和正常细胞混在一起,癌细胞会发光,而正常细胞不会。医生在手术中最困难的地方就是无法清晰地划分肿瘤和正常组织的边界,切得过多对患者不利,切得过少则会导致复发。我们与医院合作,用AIE技术对兔子进行实验,将发光的肿瘤部分切除。

目前细菌是一个严重的问题,抗生素的滥用导致很多细菌产生了抗药性。我们可以利用光来杀死细菌,这样就不会产生抗药性,效果非常好。前一段时间新冠病毒肆虐,目前对病毒的检测通常是核酸检测,但这种方法速度较慢。我们采用抗原-抗体法可以降低检测限,可以让你马上看到结果。此外,我们还可以制造纳米粒子,这些纳米粒子可以照射很深,发光时间非常长,医生可以根据发光情况来判断肿瘤是良性还是恶性的。恶性肿瘤血管附近到处都是亮的,良性就不会,这样医生可以把发光地方切除。AIE技术还可以用于显示血液的情况,老年人多发中风,血液黏度增加或者堵塞都会导致中风,AIE技术可以让血液的情况清晰可见。此外,AIE技术还可以用于光热磁,比如核磁共振,但最大的问题是分辨率太低,AIE技术可以将所有信息整合在一起,医生就不会误判。

AIE的产业化。公共安全方面,毒品检测做的非常好。微球也是国外垄断的,我们现在做的跟国外的东西一样好。我们的新冠检测可以达到PG级,一般的检测只能达到NG级。指纹检测、公共安全等方面,我们可以达到PG级,其他公司也是PG级,但是我们比他们高一个数量级。AIE研究在全中国都有布局,现在正是天时地利人和,国家对这一领域非常重视,为什么?因为美国人现在对我们进行限制,实际上这个荧光材料主要是美国一家公司在全球垄断,但我们的技术比他们还要先进。但是我们现在产业化还不够,希望能够与企业建立合作关系,共同把中国原创的东西从实验室推向市场,造福社会。

来源:根据唐本忠院士在“第五届世界科技与发展论坛平行论坛一——未来产业发展论坛”上的主旨报告整理


中国技术经济学会
2024年1月18日