光是構(gòu)成人類文明的重要組分，而發(fā)光分子則是產(chǎn)生光的基石。聚集誘導(dǎo)發(fā)光(Aggregation-induced emission, AIE)開創(chuàng)了有機(jī)發(fā)光材料研究的新格局。近日，天津大學(xué)李振教授應(yīng)《國家科學(xué)評論》（National Science Review，簡稱NSR）邀請，撰寫展望(Perspective)文章《Approaching aggregated state chemistry accelerated by aggregation-induced emission》，介紹聚集誘導(dǎo)發(fā)光的發(fā)展歷史，AIE理念對發(fā)光分子設(shè)計(jì)的影響、需要解決的問題與對聚集態(tài)學(xué)科的引領(lǐng)作用。
文章首先回顧了AIE理念的發(fā)展歷程。很多傳統(tǒng)的熒光材料受到“濃度猝滅(Aggregation-caused quenching, ACQ)”效應(yīng)的困擾。2001年，唐本忠院士在研究噻咯(Silole)的過程中發(fā)現(xiàn)了AIE現(xiàn)象。與ACQ相反，AIE材料在稀溶液中幾乎不發(fā)光，而在聚集態(tài)的發(fā)光非常強(qiáng)。通過一系列實(shí)驗(yàn)與理論方面的研究，分子內(nèi)運(yùn)動受限(Restriction of intramolecular motion, RIM)被證明為AIE現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因。隨后，大量的AIE分子被報(bào)道，其發(fā)射波長已經(jīng)覆蓋整個紫外-可見光波段，并且已經(jīng)延伸到近紅外區(qū)域。AIE材料在細(xì)胞與組織成像、化學(xué)傳感、力刺激響應(yīng)、光電器件等領(lǐng)域表現(xiàn)出了極高的應(yīng)用價(jià)值。
(a)熒光素的ACQ與(b) HPS的AIE現(xiàn)象
尤為重要的是，AIE理念深刻地影響并啟發(fā)了有機(jī)發(fā)光分子的設(shè)計(jì)，促使研究者探究聚集態(tài)分子的堆積模式與光物理過程。在聚集狀態(tài)下，分子的運(yùn)動受到抑制，同時(shí)分子之間的相互作用增強(qiáng)，這兩種因素使分子在聚集態(tài)表現(xiàn)出奇特的發(fā)光性質(zhì)。AIE化合物扭曲的空間構(gòu)型抑制了聚集態(tài)下緊密的π-π堆積與無輻射躍遷，從而增強(qiáng)其發(fā)光性能。因此聚集并非不利于發(fā)光，通過合理的分子設(shè)計(jì)可以有效提高聚集態(tài)發(fā)光效率，這為高效發(fā)光分子的設(shè)計(jì)提供了新的思路。
基于此，李振教授于2018年提出“MUSIC”(Molecular Uniting Set Identified Characteristic)理念，強(qiáng)調(diào)聚集態(tài)的光物理性質(zhì)應(yīng)該從分子的空間構(gòu)型與堆積方式綜合考察，屬于聚集態(tài)化學(xué)(Aggregated state chemistry)研究范疇。近年來，新穎的聚集態(tài)發(fā)光現(xiàn)象：有機(jī)室溫磷光(Room-Temperature Phosphorescence, RTP)與力致發(fā)光(Mechanoluminescence, ML)成為研究熱點(diǎn)。這兩類材料體現(xiàn)了聚集態(tài)緊密堆積作用對發(fā)光性能的影響，如聚集態(tài)使三線態(tài)激子得到穩(wěn)定與對力的刺激產(chǎn)生光響應(yīng)，在顯示、傳感、防偽、組織成像等領(lǐng)域展現(xiàn)出極大的應(yīng)用價(jià)值。隨著對聚集態(tài)物理化學(xué)性質(zhì)研究的進(jìn)一步深入，更多奇特的發(fā)光性質(zhì)將被逐漸發(fā)現(xiàn)，相關(guān)理論研究也日臻完善。
左：典型的AIE化合物TPE、TPP與HPS，以及AIE主要的應(yīng)用領(lǐng)域；右：聚集態(tài)科學(xué)研究課題：室溫磷光（RTP）與力致發(fā)光（ML）。
該展望文章通訊作者是李振教授，第一作者是天津大學(xué)分子聚集態(tài)科學(xué)研究院青年教師謝育俊。《國家科學(xué)評論》（National Science Review）是我國英文版科技學(xué)術(shù)綜述性期刊，旨在報(bào)道中國和世界各地科學(xué)技術(shù)的前沿發(fā)展。該雜志涵蓋了自然科學(xué)的所有領(lǐng)域，包括物理和數(shù)學(xué)、化學(xué)、生命科學(xué)、地球科學(xué)、材料科學(xué)和信息科學(xué)。根據(jù)Journal Citation Reports（Clarivate Analytics，2019），NSR的影響因子為13.222。
