科创院士谈|“AIE之父”唐本忠:让中国人原创的新材料造福人类

如果有一种新冠病毒检测试剂,可以让病毒一接触就闪闪发光肉眼可见;如果有一种技术,可以通过加速海藻生长实现二氧化碳“变废为宝”;如果有一种材料,可以灵敏精确地检测有毒气体锁定污染源……这些听起来那么美妙的想法,在中国科学院院士、香港中文大学(深圳)理工学院院长唐本忠的实验室里都已成为现实,乃至走向实际应用。

这就是由唐本忠院士团队首先发现并命名的AIE技术。如今它已广泛应用于化学传感器、细胞追踪、细菌甄别、发光二极管、食品质量监测等多个领域。AIE分子材料成为迄今唯一由中国科学家原创并造福人类的新材料,代表中国登上了这一全新科技领域的最高峰。

近日,应深圳创新发展研究院“科技创新院士报告厅”之邀,唐本忠院士分享了AIE研究应用方面的最新进展。

21年前的发现

要理解AIE,须先了解ACQ(aggregation-caused quenching,聚集导致猝灭)。100多年前,科学家就发现很多有机和无机分子在稀溶液里可以高效发光,但在浓溶液中或者聚集状态下,发光能力极大减弱甚至完全消失,这就是聚集猝灭现象。这使得许多发光材料都只能是固态的,对发光材料的选择产生了极大限制。

2001年,唐本忠团队在研究1-甲基-1, 2,3,4,5-五苯基噻咯的发光行为时发现,溶解在乙腈中的这一分子不发光,但随着大量不良溶剂(水)的加入,混合体系的发光变得很强。由于该分子呈现疏水性,水的加入势必引起分子的聚集,所以该分子发光的显著增强与聚集体形成密切相关。基于此,唐本忠团队提出了“聚集诱导发光(Aggregation-Induced Emission, AIE)”的概念,这与ACQ现象恰恰相反。随后,通过的大量的实验和理论研究, 团队又提出了“分子内运动受限(Restriction of Intramolecular Motion, RIM)”的工作机理,奠定了AIE研究的理论基础。

由此,唐本忠团队发现了一类具有典型聚集增强发光性能的分子,并成功地发展了新的理论和材料体系,有效解决了ACQ问题,开启了发光材料应用的新时代。2016年,聚集诱导发光纳米粒子被《自然》杂志列为支撑即将来临的“纳米光革命”的四大纳米材料之一。这也是其中唯一由中国科学家原创的新材料。2017年,唐本忠院士凭借AIE研究赢得当年的何梁何利科学进步奖,颁奖词称其“开创并引领了一个全新的科学领域”。同年,唐本忠团队获得国家自然科学奖一等奖。唐本忠本人被业界誉为“AIE之父”。

由于AIE分子的凝聚态高效发光特性,AIE概念一经提出就受到了国内外同行的关注。据不完全统计,目前全世界已有超过12000家科研机构的科学家进入该领域。“去年一年就有7000多篇论文发表。”唐本忠说。2020年,AIE研究入选国际纯粹和应用化学联合会(IUPAC)评选的年度化学领域十大新兴技术。

巨大的商业前景

为什么要研究有机发光材料?唐本忠给听众科普:主要是因为无机材料如玻璃等往往难加工,易脆裂,并且只能做成“点光源”;而有机材料如塑料等恰恰相反,不仅易加工,耐碰撞,还能做成“面光源”。

唐本忠十分看好AIE材料的应用前景,认为其应用领域和潜在商机可分为三大类:

一类是光电功能转化材料及器件,其中高性能有机发光二极管(OLED)是AIE 材料最有前景的应用场景之一。AIE 材料自身具有聚集发光的性质,是非掺杂有机发光二极管器件的理想发光材料。通过引入新的光物理机制,如热活化延迟荧光(TADF)、室温磷光等,AIE 材料有望在激子利用率和器件效率等方面取得进一步突破。唐本忠说,目前,中国在能源领域对进口材料和设备的依赖性极强,面对巨大的市场需求,中国亟需自主知识产权的荧光、金属磷光材料体系,AIE材料正好弥补了这一缺口。

唐本忠举例说,他还建议一个做纺织的学生研制一种添加AIE材料的发光衣服,穿上它可以检测细菌、病毒,或者汗液里的糖分等。现在有日本企业就在做这方面研究。

第二类是智能传感材料和器件。AIE材料可以用于检测各种离子,在环境保护、健康体检等方面大有可为。比如前文提到的新冠病毒检测,目前唐本忠领导的AIE研究院已经开发出荧光新冠免疫层析试纸条,测试效果出众。用于健康体检的AIE材料,可以检测出人体内钙、锌、钾、铁等元素的含量,以及尿液中的葡萄糖含量。以AIE为材料的汞离子荧光点亮探针,可有效找出美白袪斑等护肤品中的有害污染物。在食品安全方面,胺类挥发性气体监测中亦可以应用到AIE材料,从而检测三文鱼等活鱼海鲜的放置时间,以评估其新鲜度。

在工业污染监测方面,AIE技术可应用至化工厂区挥发性有机化合物(VOC)含量测试,检测出有机磷(如沙林毒气);又可应用至甲醛(福尔马林)含量监测,检测室内环境VOC的含量。利用该技术一次性混合检测工业生产过程中产生的有毒气体和废水,可以大大降低检测的复杂程度。同理,AIE 技术还可用于监测二氧化碳排放、水体污染等。“如果放到火山口检测二氧化碳的浓度,甚至可以预知火山爆发的概率和烈度。”唐本忠说。

AIE技术还可用于电子产品封装过程中空气水含量的检测。在道路交通安全检查方面,AIE技术可协助交警迅速验出驾驶员是否吸食了海洛因、吗啡、可待因等毒品。

此外,风洞试验、海水淡化、粮食和蔬菜种植等等,这些让人脑洞大开的领域都可以用到AIE技术。

第三类是生物成像技术。AIE技术可以对细胞中的线粒体进行高分辨率和对比度的成像和示踪检测。通过对比正常和患者线粒体形貌,医生可借以确定是否为原发性疾病,或是比较患者服药前后的线粒体变化,以确定药物是否奏效。在癌症的诊断治疗中,AIE材料可以实现对肿瘤或癌细胞的长期追踪和显影。使用 AIE 材料进行细胞器成像,并用荧光对毫米级别的肿瘤进行定位,可以帮助医生精准切除癌细胞,提高手术的成功率。此外,在外科手术中,AIE材料可以准确识别断裂的神经,进而进行手术复接,减少相应功能受损的机率。

从“跟跑”到“领跑”

在水、空气、能源、食物、医疗等多个与人类生活息息相关的领域,AIE技术都提供了一些性能更高、成本更低的解决方案。唐本忠欣慰地把“AIE”音译成中文“爱伊”,作为这一全新科技领域的拓荒者和领路人,他对自己和团队的自豪感溢于言表。

在“科技创新院士报告厅”演讲现场,唐本忠说,以前我们中国人做科学研究多为“跟跑”,逐渐发展到“并跑”,现在我们要“领跑”。

“我有一个‘中国梦’,我们做了中国的原创,接下来要做中国的智造,希望我们成为中国科技史上的浓重一笔。”唐本忠的话引来现场听众一片掌声。

唐本忠接着说,他是做基础研究的,从实验室的创造到工厂的智造,科技成果的转化需要社会多方面力量的共同推动。“我希望天时地利人和,天时是现在国家非常重视,地利是大湾区和国内多个地方的支持,人和就是社会各方面力量的合作。有了这些条件,相信我们一定能让AIE技术造福于人类。”唐本忠最后说。

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秦新安

关键字

AIE,唐本忠,院士,聚集诱导发光,新冠检测,癌症筛查

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