了解「聚集誘導發光」（AIE）和「聚集態化學」

2020-10-30 知社學術圈

光是構成人類文明的重要組分，而發光分子則是產生光的基石。近年來，聚集誘導發光(Aggregation-induced emission, AIE)開創了有機發光材料研究的新格局。


近日，謝育俊（第一作者）和李振教授（通訊作者）在National Science Review發表觀點(Perspective)文章，介紹了AIE的發展歷史，指出了AIE理念對發光分子設計的影響、需要解決的問題與對聚集態學科的引領作用。


文章首先回顧了AIE理念的發展歷程。很多傳統的螢光材料都受到「濃度猝滅(Aggregation-caused quenching, ACQ)」效應的困擾，會在高濃度下喪失螢光。2001年，唐本忠院士在研究噻咯(Silole)的過程中發現了AIE現象。與ACQ相反，AIE材料在稀溶液中幾乎不發光，而在聚集態的發光非常強。

通過一系列實驗與理論研究，研究者確認了AIE現象產生的主要原因，即分子內運動受限(Restriction of intramolecular motion, RIM)。隨後，大量的AIE分子被報導，其發射波長已經覆蓋整個紫外-可見光波段，並且已經延伸到近紅外區域。AIE材料在細胞與組織成像、化學傳感、力刺激響應、光電器件等領域都表現出了極高的應用價值。

螢光素的ACQ效應(a)與HPS的AIE現象(b)

尤為重要的是，AIE理念促使研究者探究聚集態分子的堆積模式與光物理過程，深刻地啟發了有機發光分子的設計。

在聚集狀態下，分子的運動受到抑制，同時分子之間的相互作用增強，這兩種因素使分子在聚集態表現出奇特的發光性質。AIE化合物扭曲的空間構型抑制了聚集態下緊密的π-π堆積與無輻射躍遷，從而增強其發光性能。因此，聚集並非不利於發光，通過合理的分子設計，可以有效提高聚集態發光效率——這一認知為高效發光分子的設計提供了新的思路。

基於此，李振教授於2018年提出「MUSIC」(Molecular Uniting Set Identified Characteristic)理念，強調應該綜合考察分子的空間構型與堆積方式，從而認識和調控聚集態的光物理性質，這屬於聚集態化學(Aggregated state chemistry)研究範疇。

近年來，有機室溫磷光(Room-Temperature Phosphorescence, RTP)、力致發光(Mechanoluminescence, ML)等新穎的聚集態發光現象成為研究熱點。這兩類材料體現了聚集態緊密堆積作用對發光性能的影響，如聚集態使三線態激子得到穩定與對力的刺激產生光響應。這些新材料在顯示、傳感、防偽、組織成像等領域展現出極大的應用價值。

左：典型的AIE化合物TPE、TPP與HPS，以及AIE主要的應用領域；右：聚集態科學研究課題：室溫磷光（RTP）與力致發光（ML）。

隨著對聚集態物理化學性質研究的進一步深入，更多奇特的發光性質將被逐漸發現，相關理論也將日臻完善。

https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwaa199/5899763

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