中科院院士：几乎没有任何研究课题会完全按照预期发展；如果有，这种研究不会有任何突破、不会给人带来任何...

来源：iNature

作者：Philip Ball(国家科学评论特约作者)

今年是唐本忠，中国科学院院士同事们提出聚集诱导发光（AIE）概念20周年。

2001年，唐本忠团队意外观察到了这一违背常识的光物理现象，在发光材料研究领域取得了重大原创突破。2016年，Nature将AIE点（聚集诱导发光纳米粒子）列为支撑和驱动“未来纳米光革命”的四大纳米材料之一。这也是中国科学家唯一原创的新材料。

谈及发现AIE唐本忠对这一现象的经历说，几乎没有研究课题会完全按照预期发展；如果是这样，这项研究不会有任何突破或惊喜。

对于从事科学研究的学者来说，最重要的是什么？唐本忠认为，选择正确的研究方向对科学家，尤其是年轻人来说非常重要。要实现科学事业，我们必须有燃烧的热情、顽强的士气、优雅的欣赏、勇敢的批评精神和深入的整合……

国家科学评论(以下简称)NSR）近日，与唐本忠(以下简称唐)就集体学研究的历史起源及其发展前景进行了对话和采访。

唐本忠

NSR：据说你在2001年偶然注意到了AIE现象，你能谈谈事情的过程吗？

唐：是的，这确实是一次意想不到的美丽邂逅。当时，开发新型发光材料和制备有机发光二极管是一个热门话题。我们还试图合成具有独特分子结构和高效发光的有机发光材料。被噻咯美丽的分子结构所吸引，我让学生合成各种噻咯衍生物。有一天，一个学生告诉我，他制备的噻咯溶液在紫外线下没有发光，这让我很惊讶，因为我清楚地记得我在博士学习期间制备的六苯基噻咯在晶体状态下发光。当我意识到事情很奇怪时，我立即跑到实验室与学生讨论。经过与学生的仔细核实和反复讨论，最终确认我们俩都是对的：噻咯溶液不发光（他的观察是对的），但噻咯固体发光（我的记忆是对的）。在固态形成聚集体后，原本在稀溶液中不发光的单个分子发光。因此，我们将这种光物理现象命名为聚集诱导发光（AIE）。

NSR：这种现象似乎违背了常识。你在验证过程中遇到过麻烦吗？别人，甚至你自己，你相信这是真的吗？

唐：起初，我怀疑学生们是否犯了错误，因为这种现象完全出乎意料。在发光研究领域，人们经常观察到有机染料的荧光会随着分子聚集而减弱甚至淬灭，通常称为发光聚集淬灭（ACQ）。反噻咯系统ACQ这种现象令人困惑，我预感着我们可能会不小心走进发现的幸运之门。科学哲学告诉我们，无论一个现象看起来多么奇怪，如果它能反复出现并被反复观察，它一定是真实的。我们不断重复我们的实验并最终确认，AIE现象是真实的。然而，当时很难理解为什么噻咯有传统ACQ体系完全相反的表现。

NSR：AIE历史上有没有先例——这种效果以前有没有被人看到过，但是没有像现在这样被深刻解读过？

唐：2001年发表第一篇文章AIE认为这种怪异现象在论文中是没有先例的。然而，我们逐渐发现其他科学家也报道了类似的现象。例如，乔治·斯托克斯（George Stokes）在1853年的一篇文章中，一些无机氰化铂盐在固态时敏感（翻译成现代术语，即发光），但它们的溶液看起来像水（即不发光）。不幸的是，他没有深入研究这一现象。其他科学家也应该在不同的染料系统中发现类似的现象，但没有引起人们的注意。当时我们很难找到相关文献；事实上，直到2018年，斯托克斯1853年发表的文章才被挖掘出来。然而，我们对这些早期工作并不感到惊讶，因为我们知道科学的进步是一个连续的过程，而不是前所未有的一夜之间。乔治·史密斯（George Smith）曾说:研究突破很少是全新的。几乎所有的突破都是基于前人的研究。发现往往是偶然的，AIE这是一种古老但不被重视的自然现象。幸运的是，我们抓住机会，站在巨人的肩膀上，看到了更高更远的地方。

揭开聚集效应的奥秘

NSR：AIE现象的原因是什么？你是怎么演绎的？

唐：AIE这种现象很有趣，但一开始我们并不了解它的工作机制。我们读了很多关于分子聚集对发光过程影响的论文，但几乎所有的论文都讨论了如何淬灭发光。我们仔细检查了噻咯的结构，发现其分子高度扭曲，中心环上有许多可旋转的替代基团。在激发状态下，这些结构单元的分子运动将光能转化为热能，因此噻咯分子不发光。我们认为，聚集体的形成硬化了噻咯结构，导致非辐射跃迁通道关闭，辐射跃迁通道打开。

我们设计了许多实验来验证上述假设。对AIE基元（AIEgen）的分子内运动进行了调控。实验数据支持了我们的假说，即分子内运动受限（RIM）是导致AIE现象的主要原因。五年后，我们将AIEgen扩展到四苯基乙烯（TPE）结构体系。几乎没有人讨论过为什么噻咯单分子不发光，但有人之前提出过一些TPE衍生物因其非常活跃的分子内运动而不发光。实际上，TPE产生AIE效应的真正原因相当复杂，我们仍在探索其工作机制。

NSR：AIE现象有多普遍？AIE分子的结构特征是什么？

唐：一开始，我们以为AIE这是噻咯系统的独特现象，但现在我们相信了AIE它是许多发光系统中常见的现象。在全世界科学家的共同努力下，荧光和磷光有上千种AIEgens被开发出来。它们的发光颜色覆盖了整个可见光范围，并延伸到近红外波段，其中一些AIEgens荧光量子产量高达100%。AIE各种系统：从有机到无机，从小分子到大分子，从共轭纳米粒子到非共轭超分子簇，从有机金属配合物到金属有机框架，从单晶到混合晶体到无定形多组分混合物…… 无论是哪种类型，所有类型AIEgens它们都有一个共同的结构特征：它们在单分子分散状态下灵活易动，在聚集状态下难以移动。

NSR：AIE可以设计分子吗？它可以定制分子AIE特性并控制其发光亮度吗？可以制备吗？AIE混合物吗？

唐：设计方便AIE分子。任何含有自由运动结构单元的发光分子都是潜在的AIEgen。在固体分子运动可以激活固体薄膜或纳米微球AIEgen的RIM从而打开其辐射跃迁通道。任何影响分子运动的因素都可以用来调节AIEgen发光强度。与非晶聚集体相比，AIE晶体更亮，因为晶体中更紧密的分子排列会产生更强的分子RIM效应。由于RIM该机制不依赖于特定的组分，因此可以产生相同分子的均相聚集或不同分子的非均相混合AIE效应。任何能固化结构、限制运动的聚集体或混合物都可能出现AIE活性。

研究经验和技术应用

NSR：AIE科技领域的潜在应用是什么？实现了哪些应用？

唐：AIE具有学术价值和应用潜力。AIE效应表明，聚集体可以具有其分子组分完全不具备的新性质。从还原论中理解聚集体在不同结构层次的过程和性质呼唤研究方法（reductionism）向整体论（holism）或涌现论（emergentism）范式转移。针对这一呼唤，我们系统地探索了纯有机室温磷光、结晶诱导发光、聚集增强活性氧产生、高能激发反卡莎跳跃、非共轭分子簇发光等一系列聚集体独特的工艺和性质。AIE它不仅影响我们的思维方式，还提供具有深远应用价值的先进功能材料。我们已经展示了AIEgens生物成像、医学诊疗、化学传感、环保监测、光电器件、智能刺激响应等广阔的应用前景。

NSR：AIE研究表明，聚集体的性质不一定是其分子组分特征的简单推动，这给超分子科学带来了新的可能性——这是你正在进一步探索的研究范式吗？

唐：是的，受AIE在哲学思想的指导下，我们努力工作AIE研究扩展至聚集体学（Aggregology）研究。2500多年前，中国先哲老子曾说过：一生二，二生三，三生万物。这几句话解释了一个简单而深刻的哲学原理:逐渐量变(一到二到三)可能导致突然的质变(三到万)。亚里士多德古希腊哲学家（Aristotle）曾经表达过类似的想法:整体大于部分之和。当许多部分汇集成一个整体时，整体收入比单独的单元更有价值。尽管还原研究方法对科学进步做出了巨大贡献，但它在处理非线性复杂系统时显得苍白无力。还原理论甚至可能束缚思想，阻碍进步。例如，人们通常不主动研究单个组分子所不具备的整体性质。

NSR：世界上其他研究团队在这个研究方向上做了什么？

唐：AIE研究包含了许多可能性和新的机会，因此吸引了许多研究小组进入研究领域。AIE这项研究目前正在蓬勃发展，近年来可以发表AIE论文数量反映在谷歌学术平台上aggregation-induced emission简单搜索关键词，发现2020年发布的和AIE与主题相关的论文数量高达6、170篇。在这些文章中，一些研究文章AIE过程的工作原理，如分子运动和结构刚性；其他团队开发了新的AIE有机室温磷光、簇发光、生物源等系统AIEgens；还有一些团队在探索AIEgens潜在的技术应用，如刺激响应、生物探针、化学传感、光电器件等。这些研究拓宽了我们的研究视野，加深了我们对聚集过程的理解，有利于我们开发新型聚集体先进功能材料。

NSR：AIE研究似乎是认真对待不寻常实验现象的典型例子。这个例子普遍吗？跟进违反常识或与预期结果不符的现象是否存在风险/strng>

唐：不同的学者有不同的研究风格（学风+格调）：有目标导向的、有好奇心驱使的、有天马行空式漫游的…… 然而，几乎没有任何研究课题会完全按照预期发展；如果有，这种研究不会有任何突破、不会给人带来任何惊喜，因为你坐在办公室就能想到什么事会发生、你的学生会拿到什么结果。科学研究的真正乐趣在于它的不可预期性：一个很小的、意想不到的细节有可能彻底改变你的研究轨迹。我常常教导我的学生，在碰到出乎意料的细节时，首先要做的是仔细检查现象和结果是否可以重复。它可能是一个好机会，也可能是一个坏运气，甚至有可能是一个愚蠢错误。如果现象是真实的、可重复的，你就需要评估它的价值：微不足道还是至关重要？如果观察的现象和得到的结果无法按主流范式进行解释，或者与普遍接受的观点或“常识”冲突，你就应该继续跟进，因为你可能已走近一扇通往重大发现的大门，只剩临门一脚了。事实上，突破往往源于意外。我们可能需要付出千辛万苦来破译隐藏在未知细节背后的奥秘，但回报也是巨大的，那就是开辟新路的成就感！

通往成功之路

NSR：您在广州建了一所聚集诱导发光高等研究院。研究院是怎样成立的？目标是什么？

唐：两年前，我赴广州参加了一个市委举办的集思广益汇报研讨会，就粤港澳大湾区如何向知识型和智慧型社会发展分享了我的想法。我觉得大湾区应该建设一个技术转化型研究机构，拉近学术界与产业界的距离，加速科研成果向技术产品的转化。我的提议得到了广州市领导的首肯和黄埔区领导的支持（他们的办事热情和高效令人折服！）。在广州市，黄浦区和华南理工大学的赞助下，我们在广州市科学城成立了聚集诱导发光高等研究院。研究院的宗旨是技术创新和产品研发，致力于将AIE材料和技术转化成造福人类和回馈社会的高科技产品。同时，我们希望将高等研究院建设成培养下一代工程师和企业家的孵化器，为建设中国科技界“黄埔实验室”添砖加瓦。

NSR：您的研究团队怎样招聘研究生和寻找合作者？您最看重什么素质？

唐：当我评估一个申请加入我们研究团队的学生时，除了天赋和学识等因素外，我最看重的是申请者是否热忱于科研、醉心于学术。科学发现之旅永远不会一帆风顺；研究就像登山或攀岩，需要燃烧的热情、顽强的斗志。卡尔·马克思（Karl Marx）曾说：“在科学上没有平坦的大道，只有不畏艰辛沿着陡峭山路攀登的人才有希望达到光辉的顶点。”自我激励的探索者不会被旅途中的障碍所吓倒，而是积极地享受解决问题的过程。积极的行为具有感染性、乐观的态度有助于建立进取文化、愉悦的环境有利于破茧创新。科学研究变得越来越复杂，许多问题只能通过交叉合作来共同解决。这么多年来，通过参加研讨会和访问实验室，我们有幸认识了许多不同专业背景的优秀科学家，工程师甚至临床医生，并与他们建立了良好的研究合作关系。感谢这种专业互补的跨学科合作，AIE研究的触角现已伸至工程、医药、能源等诸多学科领域。

NSR：在您的职业生涯，受到了哪些因素的影响、哪些事情的启发？

唐：我在不同的教育体系接受过训练。我先后在中国和日本获得学士和博士学位，之后赴加拿大进行博士后研究，因此受到了东西方两种研究文化的熏陶。当我在香港科技大学独立开展学术研究时，我尝试将东西方两种研究文化的优势结合起来管理我的实验室。我开始独立工作后不久，曾与一位资深教授闲聊。他建议我多和其他人合作，因为在香港一切都小或少：实验室小、研究生少、科研经费少……如果一个人想在这个小岛上干一番大事业，就必须和其他同事合作。谚语曰：“一人独行走得快，众人同行走得远。”我深受这种观念的影响，多年来积极寻求与他人合作。在AIE研究领域，我倡导的哲学理念是：“团结就是力量，聚集才能发光！”我力争与合作者实现双赢，在发展自己事业的同时帮助他人发展，特别是支持年轻人成长。

NSR：您对今天从事科学研究的年轻人有何建言?

唐：选准一个正确的研究方向对一个科学家，尤其是年轻学者，至关重要。我们每个人都希望做原创性研究，梦想取得突破性进展，然而这事说起来容易做起来难。诚如所罗门（Solomon）所言：“太阳底下无新事”；科学发展到今天，几乎没有什么研究是前人没有做过的，所以完全从零开始的研究是几乎不存在的。科学同其他任何事物一样，是不断发展的。正如巴门尼德（Parmenides）所说：“无中不会生有”，所以我们不必为正在做前人已经做过的研究而感到羞愧，毕竟没有任何一个人可以知道前人做过的所有工作。我们可能偶尔也会白费力气重复前人的工作，特别是研究那些早已被人们忽视或遗忘的陈年旧事。然而，我们可以努力从旧事物中发掘新规律，正如孔子所教导的：“温故而知新”。诺贝尔生理学或医学奖得主阿尔伯特·圣捷尔吉（Albert Szent-Györgyi）曾指出：“研究就是见人皆所见、思人所未思”。在科学研究中，批判性思维极其重要；通过对各种旧事物进行融会贯通式的深入思考与求索，有可能带来新的发现和突破。最后，让我引用史蒂夫·乔布斯（Steve Jobs）的名言来结束今天的访谈：“我们不是第一人，但我们将是最佳者！”

英文原文：

More is different: how aggregation turns on the light

Philip Ball

Natl Sci Rev 2021; 8: nwaa266

https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa266

人物简介

唐本忠，中国科学院院士，原香港科技大学化学系讲座教授、华南理工大学-香港科技大学联合研究院院长，现香港中文大学（深圳）理工学院院长。

1957年出生于湖北省潜江市；1982年获华南理工大学学士学位，1988年获日本京都大学博士学位；曾在加拿大多伦多大学从事博士后研究工作。1994年加盟香港科技大学，2015年担任人体组织功能重建国家工程技术研究中心香港分中心主任。2009年当选中国科学院院士，2013年入选英国皇家化学会Fellow。

唐本忠原创的聚集诱导发光（AIE）研究于2013年，2015年和2020年多次入选中科院文献情报中心，汤森路透或科睿唯安联合发布的《研究前沿》，2020年被国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）评为化学领域十大新兴技术之一。唐本忠2014年以来一直是化学和材料科学双领域的高被引科学家，于2017年获国家自然科学一等奖。

(https://sse.cuhk.edu.cn/faculty/tangbenzhong)

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