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科学研究的真正乐趣,在于它的不可预期性

时间:2022-01-15 14:03:10 | 作者:爱科技网 | 点击: 84 次

  

科学研究的真正乐趣,在于它的不可预期性

  导读

  几乎没有任何研究课题会完全按照预期发展;如果有,这种研究不会有任何突破、不会给人带来任何惊喜。

  视频链接:

  西瓜视频:

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  精彩再现:

  众所周知,现在中国科学家发表的论文已经非常多了。我多次讲过,按总数计排世界第一,按高质量论文计(如自然指数或高被引论文)排世界第二。然而,其中大部分还属于跟随性质,完全由中国原创的科学发现还比较少。

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  最近,我看到一个中国原创的有趣例子:聚集诱导发光。这个现象的英文是aggregation-induced emission,简称AIE,2001年由香港科技大学化学系唐本忠教授团队发现,他因此于2021年当选中国科学院院士。

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  聚集诱导发光

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  2021年,《Nature》将AIE点即聚集诱导发光纳米粒子列为支撑和驱动“未来纳米光革命”的四大纳米材料之一,这也是唯一一种由中国科学家原创的新材料。今年是AIE概念提出20周年,中国的顶级综合性科学期刊《国家科学评论》(National Science Review)就此采访了唐本忠院士。

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唐本忠院士

  这个发现来自于一个意外。当时,新型发光材料和有机发光二极管是热门话题,他们也在尝试合成有机发光材料。有一种分子叫做噻咯,具有美丽的分子结构,看起来很有发光的潜质,于是唐本忠让学生合成了各式各样的噻咯衍生物。

  有一天,一个学生说,他制备的噻咯溶液在紫外灯照射下不发光。这让唐老师非常惊讶,因为他清楚地记得自己在读博士期间制备的六苯基噻咯晶体是发光的。他马上跑到实验室与学生讨论,在仔细求证和反复讨论之后,最后确认两人都是对的:噻咯的溶液不发光,但噻咯的固体发光。原本在稀溶液中不发光的单个分子,在聚集成固体后发光,因此他们把这种现象命名为聚集诱导发光(AIE)。

  聚集诱导发光之所以反直觉,是因为以前人们经常观察到相反的现象,即本来发光的分子聚集后不发光,这叫做聚集导致淬灭(aggregation-caused quenching, ACQ)。打个比方,以前常见的是三个和尚没水吃,现在忽然发现有个庙里是一个和尚没水吃,三个和尚有水吃,这是怎么回事?

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  经过大量的理论与实验研究,他们找到了AIE的基本原理。噻咯的分子结构高度扭曲,而且其中心环上有诸多可转动的取代基团。在激发态,这些结构单元的分子内运动将光能转换成了热能,因此不发光。而在形成聚集体时,噻咯的结构刚硬化,这些分子内运动被抑制,由此导致激发的能量只能通过辐射跃迁的方式释放出去,即发光。他们把这种机制命名为分子内运动受限(restriction of intramolecular motion,简称RIM)。

  而相反的ACQ现象是怎么来的?那是因为单个分子的平面共轭结构可以发光,但在聚集时其他分子通过氢键、疏水效应、静电吸引等对单分子的结构造成干扰,使得发光减弱甚至消失。

  他们最初以为AIE只是噻咯体系的独特现象,但后来知道不是这样,它是存在于众多发光体系的一个普遍现象。在全世界科学家的共同努力下,目前已有数千种荧光和磷光AIE体系被开发出来,其中有些体系的荧光量子产率高达100%。它们的发光颜色覆盖整个可见光范围,并延伸至近红外波段。AIE体系多种多样:从有机物到无机物,从小分子到大分子,从共轭纳米粒子到非共轭超分子团簇,从有机金属配合物到金属有机框架,从单晶到混晶到无定形多组分混合物…… 无论是哪一类型,都有一个共同的结构特征:它们在单分子态灵活易动,而在聚集态运动困难。

  AIE在众多高科技领域有广阔的应用前景,例如生物成像、医学诊疗、化学传感、环保监控、光电器件、智能刺激响应等等。因为你想想,是单分子发光更有用,还是聚集体发光更有用?当然是后者,因为实用的材料都是聚集体。在谷歌学术用aggregation-induced emission关键词搜索,可以看到2021年发表的相关论文多达6170篇。这是一个蓬勃发展的领域,而且是少有的完全由中国学者开创的蓬勃发展的领域之一。

  有一句名言是:太阳底下无新事。唐本忠等人最初以为AIE是一种没有先例的全新现象,但经过深入的文献调研,他们发现其他科学家也曾报道过类似现象。例如,乔治·斯托克斯(George Stokes)在1853年的一篇文章中写道,一些无机氰化铂盐在固态时“敏感”(翻译成现代术语即“发光”),但它们的溶液看起来与水无异(即不发光)。遗憾的是,他没有对这种现象进行深入研究。其他科学家也应该在不同染料体系中发现过类似现象,但没引起人们的重视。

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