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国家自然科学奖一等奖获奖项目“聚集诱导发光

来源:自然科学史研究 【在线投稿】 栏目:综合新闻 时间:2020-09-22
作者:网站采编
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摘要:中国科学院院士、香港科技大学教授唐本忠向记者展示实验室中制备的装在玻璃小瓶中的AIE材料粉末,它们在紫光灯照射下可以发出强烈荧光。 AIE材料的技术应用 AIE材料:越聚集,越发

中国科学院院士、香港科技大学教授唐本忠向记者展示实验室中制备的装在玻璃小瓶中的AIE材料粉末,它们在紫光灯照射下可以发出强烈荧光。

AIE材料的技术应用

AIE材料:越聚集,越发光!

创立四苯乙烯(TPE)AIE体系

AIE研发团队主要成员合影。

1月8日的国家科学技术奖励大会上,香港科技大学教授唐本忠团队的“聚集诱导发光”项目获得国家自然科学奖一等奖。这是一个什么样的成果?它能给我们的生活带来哪些改变?请看经济日报记者深入采写的报道

颠覆经典的发现

HPS高颜值分子推翻光物理学常识,形成AIE现象--“聚集诱导发光”

唐本忠院士爱笑,也爱美。

17年前,他觉得一种叫做六苯基噻咯(HPS)的有机分子结构很漂亮,就安排几个学生去研究一下这种高颜值分子的性质。

学生在做实验时意外发现,HPS分子在溶液中不发光,在溶液挥发后变成干点时却可以发光。这种现象与当时已写入教科书数十年的一个光物理学常识正好相反--那个常识叫做ACQ,意思是“聚集导致发光猝灭”。

这个词组听起来很绕口,其实涵义很简单。发光分子在稀溶液里可高效发光,堪称“单打独斗”的英雄,而当它们在浓溶液中或者呈固态聚集起来时,就成了“三个和尚没水吃”,越聚集光越弱,直至完全消失。这种现象就叫做ACQ效应,是有机发光材料应用的“阿喀硫斯之踵”。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。

如何降低ACQ效应的不利影响?抑制发光分子的聚集,是一种顺理成章并被大多数研究人员采用的思路,但效果并不理想。

“从焓熵角度看,分子在固态下聚集是一个不可抗拒的自发过程。分子就喜欢聚堆抱团,干嘛非得拆散它们呢?”具有逆向思维的唐本忠想到,只要找到越聚集越发光的荧光分子,就可以轻而易举解决ACQ效应的瓶颈。

因此,学生在2001年实验中发现的与ACQ效应完全相反现象,立刻引起唐本忠关注,他将这种新现象定义为AIE,意即“聚集诱导发光”。

“其实HPS分子是一种研究较多的材料,在我们发现AIE现象以前,很可能也有人看到过这种现象,却因为与课本中的经典常识相反而轻轻放过了。”唐本忠笑着告诉记者,在他发表关于AIE现象的论文之后,参加国际会议时,就有同行遗憾地表示,自己做实验时也曾看到过这种现象,却未深入研究。

同样是发光分子,为何有的是ACQ式孤胆英雄,有的则具备AIE式团队精神?唐本忠决定剖析其发光机理。

发光是怎么产生的?发光,是物质把吸收的能量转化为光辐射的过程。光照、外加电场或电子轰击都可能让分子吸收能量,从基态跃迁到激发态;而从激发态跃迁回基态时,分子则将吸收的能量辐射出来而发光。如果材料受到光照激发后在10纳秒内能马上发出光,这种材料就叫做荧光材料。

实验室里,ACQ材料和AIE材料都能在紫光灯照射下发光,只是前者越分散越发光,后者越聚集越发光。从分子式结构来分析,ACQ分子多是具有平面结构的稠环化合物,非常稳定,就像一张大光盘。而让唐本忠发现AIE现象的HPS分子,它的中心噻咯环上,有6个用单键连起来的苯环,每个苯环都可以自由转动,就像螺旋桨一样。

基于上述结构特征,唐本忠提出了分子内旋转受限(RIR)机制:HPS分子在分散状态下,激发态的能量可以通过分子内苯环转动的机械运动方式消耗掉,无需通过辐射方式消耗,因此不发光。但当这些分子聚集起来时,分子间错落堆架,螺旋桨得不到足够空间,运动受限,能量就需要通过辐射途径消耗了,因此越聚集越发光。

他还推断:ACQ分子的环状结构稳定,分散状态下很难像HPS分子那样进行分子内运动,能量需要通过荧光辐射途径消耗,因此在分散时产生很强的荧光。但当ACQ分子聚集到一起时,“悲剧”发生了--它们太平整了,就像一张张光盘叠到一起,未被激发的低能量分子“盘”和被激发的高能量分子“盘”,因为亲密接触发生了能量转移,无需辐射跃迁就把能量耗散掉了,从而使发光减弱直至消失。

集齐七彩的荧光

通过RIM模型成功设计合成出各种颜色的AIE荧光材料,打造出中国的“品牌分子”

唐本忠对于ACQ和AIE现象的原理推测简单而直观,但它对不对呢?

为验证RIR工作机制,唐本忠团队开展了各种实验,通过改变外部环境或者对分子结构本身进行修饰,使分子内旋转不容易进行。在这些条件下,AIE分子发光增强,从而证实分子内旋转受限的确是导致发光增强的原因。

文章来源:《自然科学史研究》 网址: http://www.zrkxzzs.cn/zonghexinwen/2020/0922/753.html



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