2020年10月7日,国际纯粹和应用化学联合会(IUPAC)正式公布2020年度化学领域十大新兴技术(Top Ten Emerging Technologies in Chemistry)评选结果。这是由IUPAC于2019年发起的全球性活动,希望能在全世界范围内遴选出具有巨大潜力的创新技术,以此来改变当前的全球化学与工业界格局,推动实现联合国可持续发展目标(SDG)。遴选出的新兴技术被期待更好提升人类生活和社会质量,帮助我们更合理、更高效地利用和转换资源,为新材料、电池、传感器和医学等诸多应用领域提供可持续发展的解决方案。
这十大新兴技术依次是:双离子电池(Dual-ion batteries)、聚集诱导发光(Aggregation-induced emission)、微生物组和生物活性化合物(Microbiome and bioactive compounds)、液体门控技术(Liquid gating technology)、更利于塑料回收的大分子单体(Macromonomers for better plastic recycling)、高压无机化学(High-pressure inorganic chemistry)、人工智能(Artificial intelligence)、纳米传感器(Nanosensors)、核糖核酸疫苗(RNA vaccines)和快速诊断测试(Rapid diagnostics for testing)。
特别值得关注的是,本次评选结果中有两项是由我国科学家们引领的新兴方向:华南理工大学/香港科技大学唐本忠教授等人提出的“聚集诱导发光”和厦门大学侯旭教授等人提出的“液体门控技术”。 什么是聚集诱导发光
传统的荧光生色团在高浓度下荧光会减弱甚至不发光,这种现象被称作“浓度猝灭”(如图1)效应。浓度猝灭的主要原因跟聚集体的形成有关,故浓度猝灭效应通常也被叫做“聚集导致荧光猝灭(aggregation-caused quenching, ACQ)”。
图1. ACQ和AIE对比
聚集诱导发光(aggregation-induced emission, AIE)首次被发现,要追溯到香港科技大学(HKUST)唐本忠院士团队在2001年的一次“妙手偶得”。此前,很多传统有机发光材料只能在低浓度的溶液中才能发光,一旦溶液浓度提高或者呈固态时,分子聚集就会使得发光减弱甚至完全消失。这种现象被称为“聚集导致发光淬灭”(ACQ),是有机发光材料设计和应用的一大难题。2001年的一天,唐本忠实验室的一名学生像往常一样做实验,样品点在薄层色谱板上,在紫光灯下却没有像预计的那样观察到明显的荧光;而过了一段时间之后,样品“湿点”中的溶剂挥发变成了“干点”,再放在紫外灯下竟然发出了十分明亮的荧光。这个小小的“反常现象”引起了唐本忠院士的重视,更多更深入的研究随之进行,AIE这个发光材料的新领域也随之展示在世人面前。
早在2001年,唐本忠教授团队就观察到了一个与之相反的现象:某些分子在稀溶液中发光微弱,但堆积后发光显著增强,并称之为聚集诱导发光(AIE)。尽管这一现象报道之初,并没有引起足够的关注,但目前已经成为一个热点研究领域,AIE改变了人们对发光材料的传统认识。分子的“形状”是理解这一效应的关键。与传统的发光分子不同,AIE分子呈现非平面的构型,它们就像微型螺旋桨一样,不停地转动。但当它们聚集时,旋转大大抑制,从而能量以光的形式释放出来。自从AIE概念提出以来,化学家们已经制备了数类具有这种效应的化合物,其中包括经典的多环芳烃化合物和有机金属复合物,以及聚合物、寡糖和纳米粒子等。
科学家为了更好地理解和解释AIE发光机制,在理论和实验两方面都做了大量的工作。其中,分子内运动受限(restriction of intramolecular motions, RIM)机理已被公认,但仍有一些AIE系统的机理尚不清楚。近日,唐本忠院士与新加坡国立大学(NUS)刘斌教授等研究者在Materials Horizons 杂志上发表短综述,对AIE发光机理进行总结,并讨论了AIE研究未来的发展方向。
最早发现的AIEgen是六苯基噻咯(HPS),苯环能够通过单键相对于噻咯核转动。四苯基乙烯(TPE)是另一种被广泛研究的AIE类材料,尽管它具有与HPS明显不同的分子结构,但本质上构象类似。AIE的RIM机制被广泛接受,包括两种受限机理:分子内转动受限(restriction of intramolecular rotation, RIR)和分子内振动受限(restriction of intramolecular vibration, RIV)。