勇于推翻常识的“追光者”

2018-01-09 10:35:48来源:中国教育报
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唐本忠团队研究破解了有机发光材料应用的“聚集导致发光猝灭”魔咒,提出了原创概念“聚集诱导发光”,解决了有机发光材料在高浓度溶液中或在聚集状态下发光变弱的问题,并将其有效地应用到光电器件、化学检测和生物传感等技术领域。

“水溶性聚集诱导发光(AIE)材料本身在水中不发光,但只要碰上能与其结合的被检测分子,材料就会立刻发光。有了它,不久的将来,喝上一杯美味的复合果汁,癌症病人的病变部位就会荧光闪闪……这种科幻作品中的场景可以在现实生活中看到。”香港科技大学教授唐本忠说。

唐本忠领衔的研究破解了有机发光材料应用的“聚集导致发光猝灭(ACQ)”魔咒,提出了原创概念“聚集诱导发光”,并将其有效地应用到光电器件、化学检测和生物传感等技术领域。2016年,《自然》杂志将聚集诱导发光材料列为支撑和驱动“未来纳米光革命”的四大材料之一,这是其中唯一一个由中国科学家原创的材料体系。在1月8日公布的2017年度国家科学技术奖励名单中,这项研究成果被评为2017年度国家自然科学奖一等奖。

破解有机发光材料的“阿喀琉斯之踵”

手机屏、有机发光二极管(OLED)显示屏……有机发光材料在生活中随处可见。虽然应用广泛,但有机发光材料也有着让科研人员头疼的“阿喀琉斯之踵”——“聚集导致发光猝灭”效应。

“传统有机发光材料大都具有平面大共轭的芳香结构,在稀溶液或单分子状态下发光很强,而在高浓度溶液中或在聚集状态下,发光就会变弱甚至完全消失。这是被写入教科书的经典结论。”唐本忠解释说。

为破解“聚集导致发光猝灭”难题,研究人员用尽了种种化学、物理和工程方法,但效果并不理想。分子聚集常常只是部分或暂时被抑制,而在很多情况下,单分子原本优异的光学性能也在修饰中丧失,这让许多有潜力的材料被实际应用拒之门外。

2001年,一次偶然的实验,唐本忠和他的学生看到了一个与经典“聚集导致发光猝灭”效应相反的现象:紫外线照射下,一类噻咯分子刚点到薄层层析板上不发光,但随着溶剂的挥发,变得闪闪发光。唐本忠马上意识到这一发现意义重大。后续实验显示,当这类分子处于单分子态时几乎观察不到任何发光,在加入水等不良溶剂后则会高效发光。

随后,唐本忠带领团队坚持进行了一次次实验验证、理论分析和讨论,最终提出了原创概念——“聚集诱导发光”。

在唐本忠和其他科学家的努力下,“聚集诱导发光”十几年里吸引了60余个国家和地区1100多家研究单位的科学家关注和跟进,成为一个由我国科学家开创并引领的热点研究领域。

实现从概念到领域的拓展

“聚集诱导发光”材料体系具有典型的“团结力量大”特性——越聚集发光越强。这可以从根本上解决目前有机发光二极管和化学传感等领域面临的由于聚集导致发光效率下降问题。

为了使“聚集诱导发光”能够更好地服务分子设计和功能拓展,唐本忠带领团队通过大量实验验证和理论模拟,提出了“分子内运动受限(RIM)”的工作机理。

“自然界所有的运动都伴随着能量耗散。在稀溶液中,‘聚集诱导发光分子’内的一些基团有着活跃的相对运动。处于激发态的分子通过运动将能量以热能等形式消耗,而以光能形式输出的比例变小,发光效率因而降低。当这些分子聚集在一起时,由于彼此的牵制作用限制了分子内运动,因而经由运动形式耗散能量的比例降低,光输出形式的比例增加,从而表现出荧光增强的现象。”唐本忠解释说。

由于“分子内运动受限”机理在分子设计和功能实现上具有很强的指导意义,很快引来了化学和材料等领域科学家的高度关注和积极跟进,并且初步实现了与生物和医学等学科的交叉融合。“比方说癌症病灶成像,过去由于发光材料的疏水特性,材料聚集使发光效率大大降低,而‘聚集诱导发光’材料应用后,材料越聚集,在病灶部位发光越强。”唐本忠举例说。

据了解,“聚集诱导发光”材料目前已在光电、环境监测、生物传感和成像等方面广泛应用并取得创新性成果,且显示了优于传统发光材料的特性。在十几年时间里,完成了从“概念”到“领域”的拓展。

“必须培育整个民族的创新文化”

唐本忠始终关注着国家科技的发展,与内地高校和科研院所开展了大量合作。2009年,时年52岁的唐本忠当选中科院院士。

作为华南理工大学—香港科技大学联合实验室主任、华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室学术委员会主任,唐本忠常常往返于香港和内地之间,但他从未觉得辛苦。

唐本忠时常感慨,如今的中国,已经拥有了世界最好的科研条件,日后必将成为世界科学的中心。但在他看来,中国科学研究发展的道路上不是没有挑战:中国科学家现已成为全球科学界的一支重要力量,每年发表大量学术论文。然而,庞大的数字并不等于强大的影响。为实现中国从科技大国转向科技强国的目标,必须重视科研成果质量而不能仅满足于数量。

“必须要培养整个民族的创新文化。”唐本忠说,“国家发展到现在,应该养一批‘闲人’,科学家要创造知识,但知识并不一定立刻产生价值,我们不应狭隘地看待技术创新,要为了知识而知识,为了学问而学问。”

在他看来,教育是解决上述问题的一个合适的发力点。

“我们要训练学生运用批判性思维和创造性思维来寻找和提出问题;我们要鼓励他们提出新想法、建立新模型,而不必畏惧任何权威。”在唐本忠看来,科学追求的最高境界是推翻常识,开辟新领域、创造新知识,为整个人类文明的发展和进步作出贡献。(董鲁皖龙 高靓)

责编:季冉冉

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