中科院院士唐本忠走进香港科大实验室 揭秘中国原创“聚集诱导发光”

原标题：中科院院士唐本忠走进香港科大实验室 揭秘中国原创“聚集诱导发光”

“相隔一年，世界已经巨变，技术变革提前并且加速，与其担忧，不如担当。”马云在2020世界人工智能大会上讲到。

疫情之下，对于愿意思考未来的企业家来说，机会才刚刚开始。新科技将改变未来商业世界版图。

港科大EMBA中英双语课程以云课堂，参观实验室，专题报告，知识转移四部曲的方式开展了「走进科大实验室」系列活动，邀请到首屈一指的科研教授，与大家一起分享世界级的科研成果，一起感受科技的力量，以及其蕴含的巨大商机。

「光」可谓万物生命之源，改善人类的科技也是源自「光」的创新研究。唐本忠院士致力于聚集诱导发光（AIE）机理的探究，2016年《自然》期刊将AIE列为支撑未来纳米光革命的四大纳米材料之一，且是其中唯一一个由中国科学家原创的新材料体系。AIE分子材料有如竞赛场上的 「全能运动员」，可应用在物料、医疗、病毒检测、食品质量监测等多个范畴，具有极大的潜在商机。

一、光学研究对人类有多重要？

「许多改变人类生活的技术，均是来自关于『光』的研究，在研究光与其他物质的互动中，从重大的基础科学发现新创新。」（《自然材料》2015年14卷社论）在众多关于光的研究中，发光分子在稀溶液里闪闪生辉，一直引起我的注意和喜爱。

早期的重大光学研究成果，例如爱因斯坦在1905年发表「量子论解释光电效应」，一直改变人们思想的概念与机理，直至近代有关光学的大影响力研究，包括2008年及2014年诺贝尔化学奖的项目，分别是「绿色荧光蛋白的发现和改造」、「超分辨荧光显微技术的研发」；而2014年的诺贝尔物理奖，获奖项目就是「高效蓝色发光二极管的发明」，全都是发光材料与器件，它们是改变世界面貌的材料与技术。

聚焦光与其他物质互动的研究，主要有两大类。其一是光物理 (Photophysics)，特性是以固态聚集，探索光与电的相互作用、能量转换的过程，已经常应用至许多电器用品中，如大型电视屏幕、柔性显示、省能照明等，一般人非常熟悉。其二是光生物 (Photobiology)，特性是以水相聚集，用作理解生物结构、探索生命的过程，医疗应用普遍，包括成像示踪、健康诊疗、疾病防治等。

二、聚集诱导发光AIE的划时代突破

有机发光材料通常在固态和水相使用，随着水的加入，分子开始聚集，发光逐渐减弱，直至彻底消失。这种现象叫做ACQ (Aggregation Cause Quenching)，意思是「聚集导致发光猝灭」。因为发光材料多在聚集态下使用，比如制作一块有机发光二极管(OLED)的手机屏幕，发光材料就是在浓度最高的固体薄膜态使用。那么，究竟如何降低ACQ效应的不利影响？其中一个被大多数研究人员采用的方向，是抑制发光分子的聚集，但效果并不理想。

由我们研发的概念──聚集诱导发光 (Aggregation-Induced Emission, AIE)，与传统ACQ现象完全相反，随着水的加入，分子开始聚集，发光逐渐增强，直至闪闪发光；原理是具有AIE特性的分子，跟与平面共轭的ACQ荧光分子不同，AIE分子通常具有螺旋形或者扭曲的空间结构，使份子在聚集态下，限制了分子内的自由运动空间（Restriction of intramolecular motion，RIM），抑制了激发态的能量以非辐射跃迁衰退的途径，转而以荧光的形式耗散，令发光强度显着。

三、AIE的多元优势

AIE具备多项优势，包分子结构可按RIM机理设计，发光颜色可覆盖紫外，即红外波段，聚集态发光量子效率也可调节。经过20年的发展，AIE材料已经广泛应用在化学/生物传感、光电器件、癌症诊疗和纳米药物递送等众多领域。

这项百分百中国原创的技术，使聚集诱导发光研究团队荣获2017年度国家自然科学一等奖，我有幸成为科大创校以来，首位获此殊荣的学者。目前，全球有145个国家或地区，共约12,000个研究机构或部门从事AIE相关领域研究。

AIE的突破性贡献，在于AIE可被套用到不同物料上，可说是材料竞赛场上的「全能运动员」，应用层面涵盖：血管成像、细胞追踪、液晶显示、智能材料、发光二极、指纹检测、爆炸物探测、有机光波导细菌甄别、食品质量监测、化学传感器、细胞器影像，AIE的出现，逐步打破国际间对荧光检查技术，以及相关产品的垄断局面。

四、AIE的技术和应用范围

AIE材料的技术和应用主要分三个范畴：

（一）效率光电转化材料和器件的开发与应用

目前，中国在能源领域上面对巨大的需求，发展环保照明和各类显示工具是必然的趋势。以OLED为主的显示和照明为例，可应用于折叠显示、柔性照明等多个普及化的场景，然而代表性材料功能单一，且全方位依赖进口，设备亦全面依赖进口，中国缺乏自主知识产权如荧光、金属磷光材料体系。

1、环保照明及低成本三维成像

具备AIE特性的OLED材料，保证材料高固态光致发光效率，特殊发光机制提高材料的激子利用率，可制造低成本、低滚降、高器件表现力的成品，建基于AIE，可发展出一系列具有自主知识产权的电生光材料、器件和工艺设备，满足能源的需要。

至于应用在量子计算、自旋电子学光通信、光学保密及3D显示的「圆偏振光发射」技术，行业痛点同样是光学组件依赖进口，由AIE支持的非掺杂性CPL（圆偏光镜）材料及器件，是高效率偏振光材料，可裸眼多角度立体显示，是低成本的三维成像器件。

2、简化LED点胶

而LED的其中一个工序：点胶，除了现行原料基本依赖进口外，还有点胶分散性差，能量传递不充分，更会对环境造成污染严重等缺点。按AIE的原理，可制造反Kasha规则的单分子白光，新理论传新跟发光能级充分利用，有效降低器件制备成本和简化工艺，而且AIE颜色丰富，与现行点胶工艺结合。

（二）高灵敏度和高特异性的智能传感材料和器件

新冠病毒引起全球疫症，环境保护监测、公共安全卫生等领域的诉求只会有增无减，多类别、复合型和大通量的检测材料和设备，均为市场所需，研发中国原创的智能传感材料和设备，也有助打破国外在此领域的垄断。

1、及早发现缺钾症

以金属离子类为例，现行常规的材料是无法采用可视化的荧光法检测钾离子，而采用AIE为材料的钾离子荧光点亮探针，有助发现人体缺钾症，当人的体内缺钾时，会造成全身无力、疲乏、心跳减弱、头昏眼花，及早检测，病人适时补充钾，支持心脏舒展和伸缩自如，调节心跳节律，维持身体健康运作。

2、含汞或银量污染物

另一方面，纳米银产品泛滥，美白