天津大学李振《NSR》观点:“聚集诱导发光”促进聚集态化学发展

光是构成人类文明的重要组分,而发光分子则是产生光的基石。聚集诱导发光(Aggregation-induced emission, AIE)开创了有机发光材料研究的新格局。近日,天津大学李振教授应《国家科学评论》(National Science Review,简称NSR)邀请,撰写展望(Perspective)文章《Approaching aggregated state chemistry accelerated by aggregation-induced emission》,介绍聚集诱导发光的发展历史,AIE理念对发光分子设计的影响、需要解决的问题与对聚集态学科的引领作用。

文章首先回顾了AIE理念的发展历程。很多传统的荧光材料受到“浓度猝灭(Aggregation-caused quenching, ACQ)”效应的困扰。2001年,唐本忠院士在研究噻咯(Silole)的过程中发现了AIE现象。与ACQ相反,AIE材料在稀溶液中几乎不发光,而在聚集态的发光非常强。通过一系列实验与理论方面的研究,分子内运动受限(Restriction of intramolecular motion, RIM)被证明为AIE现象产生的主要原因。随后,大量的AIE分子被报道,其发射波长已经覆盖整个紫外-可见光波段,并且已经延伸到近红外区域。AIE材料在细胞与组织成像、化学传感、力刺激响应、光电器件等领域表现出了极高的应用价值。

天津大学李振《NSR》观点:“聚集诱导发光”促进聚集态化学发展

(a)荧光素的ACQ与(b) HPS的AIE现象

尤为重要的是,AIE理念深刻地影响并启发了有机发光分子的设计,促使研究者探究聚集态分子的堆积模式与光物理过程。在聚集状态下,分子的运动受到抑制,同时分子之间的相互作用增强,这两种因素使分子在聚集态表现出奇特的发光性质。AIE化合物扭曲的空间构型抑制了聚集态下紧密的π-π堆积与无辐射跃迁,从而增强其发光性能。因此聚集并非不利于发光,通过合理的分子设计可以有效提高聚集态发光效率,这为高效发光分子的设计提供了新的思路。

基于此,李振教授于2018年提出“MUSIC”(Molecular Uniting Set Identified Characteristic)理念,强调聚集态的光物理性质应该从分子的空间构型与堆积方式综合考察,属于聚集态化学(Aggregated state chemistry)研究范畴。近年来,新颖的聚集态发光现象:有机室温磷光(Room-Temperature Phosphorescence, RTP)与力致发光(Mechanoluminescence, ML)成为研究热点。这两类材料体现了聚集态紧密堆积作用对发光性能的影响,如聚集态使三线态激子得到稳定与对力的刺激产生光响应,在显示、传感、防伪、组织成像等领域展现出极大的应用价值。随着对聚集态物理化学性质研究的进一步深入,更多奇特的发光性质将被逐渐发现,相关理论研究也日臻完善。

天津大学李振《NSR》观点:“聚集诱导发光”促进聚集态化学发展

左:典型的AIE化合物TPE、TPP与HPS,以及AIE主要的应用领域;右:聚集态科学研究课题:室温磷光(RTP)与力致发光(ML)。

该展望文章通讯作者是李振教授,第一作者是天津大学分子聚集态科学研究院青年教师谢育俊。《国家科学评论》(National Science Review)是我国英文版科技学术综述性期刊,旨在报道中国和世界各地科学技术的前沿发展。该杂志涵盖了自然科学的所有领域,包括物理和数学、化学、生命科学、地球科学、材料科学和信息科学。根据Journal Citation Reports(Clarivate Analytics,2019),NSR的影响因子为13.222。

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