聚集体科学 | 唐本忠院士团队Matter新观点|唐本忠|晶体|组分|聚集体|荧光

聚集体(Aggregate)，作为一群相互作用的分子的集合，常常表现出与其分子单元大相径庭的性质和功能。聚集诱导发光（Aggregation-induced emission, AIE）是一个典型的分子与聚集体具有显著不同性质的现象，单分子自由状态下不能发光的AIE材料在聚集后可以强烈地发光。AIE领域是一个飞速发展的跨学科领域，在过去的20年里，不论是光物理，量子化学等基础科学，还是有机光电材料，生物医学应用等实用技术，都得到了充分的研究和开发。而且各种基于AIE现象的新型研究前沿还在源源不断地涌现。因此， AIE研究是了解聚集体科学的一扇绝佳窗口。

近期，唐本忠院士和赵征教授于Matter发表观点（perspective）文章,文章以AIE研究为切入点，阐述了聚集体科学的内涵，从科学哲学和范式的角度提出了理解聚集体的新观点，期望能引发读者思考和讨论，产生新的想法，推动聚集体科学更近一步。

文中展示了聚集体中可能存在四种的效应或过程（图2），包括拮抗作用（Antagonism，图3）、协同作用(Synergism，图4)、涌现性(Emergence，图5)、多样性(Divergence，图6)。

图1：聚集体科学中存在的效应或过程

拮抗作用(-,+)和协同作用(+,+)强调了聚集体中存在的相互竞争和相互配合的效应或过程。

（1）拮抗作用如同天平的两端带来相反的效果。例如：由动力学或热力学控制产生的聚集体可能有完全不同的结构和性质（图2A）；柔韧化或刚硬化聚集体所处环境可以调控聚集体的性质和功能（图2B）；无定型化和结晶过程在改变聚集体结构的同时也可能大大影响聚集体的性质，有的材料无定形态发光而晶态不发光，有的材料则相反（图2C）。

图2：聚集体科学中的拮抗作用

（2）协同作用就像同向转动的齿轮，产生整体大于部分之和的效果，这一点在多体体系中尤为明显。例如：晶体中两个7号分子的构象相邻相符和紫外光照射的双重条件使二聚反应和晶体弯曲形变等过程得以实现（图3A）；AIE材料，表面活性剂，靶向单元等多种组分结合制备的AIE点（AIE dot）可以实现特异性识别，进入细胞，成像和治疗的多重过程（图3B）；主体–客体、给体–受体、发射体–敏化剂等系统中不同组分的协同使得共生聚集体具有单一组分不具备的性质和功能（图3C）。

图3：聚集体科学中的协同作用

涌现性(01)和多样性(01)强调了聚集过程中可能涌现和分化出全新的结构、性质和功能。

（3）一些单分子完全不具备的性质可能在多层级的聚集过程涌现。例如：原本没有生色团的非共轭分子在团簇化后可能产生簇发光(clusterization-triggered emission, CTE，图4A)；非手性分子在螺旋组装后可能发射圆偏振光(circularly polarized luminescence, CPL，图4B)；分散的分子在结晶后可能具有力致发光（Mechanoluminescence, ML，图4C）的潜能等。

图4：聚集体科学中的涌现性

（4）聚集还常常导致结构、性质和功能的分化和多样化，聚集体的激发态过程通常比单分子更为丰富多样（图5A）。首先，多激发态发光在AIE聚集体中不再罕见，例如9/10/11号分子在溶液中都不发光，而在聚集体中可以分别发射双色荧光，双色室温磷光，以及荧光加室温磷光，最终呈现出白光发射（图5B）。其次，AIE聚集体中存在辐射/非辐射跃迁，聚集诱导活性氧生成等多重通道，使得AIE材料可以用于产生多模态（光/声/热）生物成像及诊疗等（图5C）。除了性质和功能外，结构的分化例如“同质多晶”现象在聚集体中也十分常见，12号分子在不同的溶剂中可以长出众多具有不同结构和发光性质的晶体（图5D）。