AIE材料：越聚集，越发光！
唐本忠，中国科学院院士。2001年，带领团队提出聚集诱导发光(AIE)这一原创性科学概念，并在随后的20余年间拓展了其在化学、材料学、生物学及医学等领域的应用，吸引了全球约76个国家和地区、2200多个科研机构的跟进研究。2016年，《自然》期刊将AIE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。目前，AIE已经成为中国科学家开创并引领的全新科学领域。
聚集诱导发光(AIE)，是唯一一种由中国科学家原创的新材料。2020年，AIE入选国际纯粹和应用化学联合会“全球十大新兴化学技术”。从精准医疗的辅助诊疗到加速植物光合作用，再到数据存储的性能飞跃，AIE材料以其独特的光学性质和广泛的应用潜力，正逐步展现出其作为未来科技基石的无限可能。
从光致发光到聚集诱导发光
现代社会中，许多新技术与光密切相关，发光材料在其中发挥着重要作用。那么，发光是怎么产生的?简言之，发光是物质把吸收的能量转化为光辐射的过程。发光材料是指能够以某种形式吸收能量并将其转化为光辐射的物质。根据吸收能量的不同，发光材料可分为光致发光、电致发光、力致发光和化学发光等类型。例如，荧光材料受光照射发光为光致发光;手机屏、电视屏采用电致发光;萤火虫发光则属于化学发光。
实验室中，科研人员不断研发出各种有机材料。相较于无机材料，有机材料在发光方面更具潜力，但也易受氧化影响。然而，通过隔离水和氧，可以提高有机材料的稳定性。在生物领域，无机材料如量子点发光性能优异，但毒性大，这限制了其在生命科学领域的应用。相比之下，有机材料因其生物相容性好，应用前景比较广阔。通过让病毒、细菌和细胞发光，人们能观察到生命体系中难以直接观察到的现象，从而更深入理解生物结构和生命过程。例如，我们尚不完全清楚癌细胞在体内的移动方式，但如果能让癌细胞发光，就可以追踪它们以进行癌症诊疗。同时，利用发光材料的光动力和光热性质，还能消灭癌细胞，实现诊疗一体化，既诊断又治疗，还能用于疾病的预防。
然而，传统的有机发光材料在应用层面一直存在一个难以克服的问题——聚集导致发光猝灭效应。发光分子在稀溶液里可以高效发光，但当它们在高浓度溶液中呈固态聚集时，发光效率会大幅下降，越聚集光越弱。这是有机发光材料应用的致命弱点。比如，若将发光物质注入血管期望其能标记肿瘤，却因其聚集而失去发光信号，这就是聚集诱导的猝灭现象，它严重限制了传统发光材料在生命体系的应用。为此，科学家们一直在努力解决分子聚集后发光减弱的问题，让这些发光分子不要聚集在一块，从而使发光更为高效持久，但难度极大，因为绝大部分发光材料的使用场景是在固态下。幸运的是，AIE材料的发现，打破了这一僵局。20多年前，我们意外发现一种反常现象：合成的分子在单分子状态下不发光，聚集后却开始发光。这与以往单分子发光、聚集体不发光的现象截然相反。经过反复验证发现：分子溶于良溶剂时不发光，随着不良溶剂的加入后聚集则发光。因其发光由聚集引起，因此被称为聚集诱导发光。这一发现为解决传统发光分子聚集导致发光减弱的问题提供了新的途径。
快速、简便、灵敏和准确的荧光检测
微生物与人类共存，既有利也有害，其中有害菌的快速检测与消灭至关重要。目前，微生物检测主要依赖染色加镜检，能检测出超过四分之三的病原体，但操作烦琐且耗时，难以实现兼顾快速、简便、灵敏和准确的要求。相比之下，AIE技术优势明显，利用AIE材料染色15秒内即可区分革兰阳性菌和阴性菌，操作简便快捷，只需将检测试剂与样本搅拌并在紫外灯下观察即可。
荧光检测本身就是一种非常灵敏的技术，这也使得AIE技术具备灵敏度高、准确性强的特点。在应用于病毒检测时，与传统的聚合酶链式反应技术相比，AIE技术检测结果的准确性与其相当但速度更快。其原理就是利用AIE效应，在单分子状态下，AIE材料是不发光的，一旦与病原体结合，分子运动受限，AIE材料就会开始发光。这种现象还可以根据AIE材料的靶向能力，在细胞核、细胞质或细胞膜等特定部位富集，并产生显著的荧光信号。整个过程无须清洗和其他处理步骤，因此也被称为免洗检测。
然而，人类对抗细菌、病菌的最有力武器——抗生素正面临挑战。抗生素的滥用催生了超级细菌，中国每年有相当数量的死亡与细菌耐药性有关。因此，需要不断探索新的抗菌技术。自然界中存在一种名为噬菌体的病毒，它们专食细菌，具有高度特异性，即一种噬菌体只针对一种细菌。噬菌体通过消耗细菌营养致其死亡，曾是抗生素出现前的主要抗菌手段。但随着抗生素的广泛应用，噬菌体逐渐被忽视。如今，耐药菌出现，噬菌体再次受关注。然而，噬菌体虽易培养，却难以直接观察其在体内活动及确定其有效性。AIE技术的出现则很好地解决了这个问题。AIE可通过与噬菌体表面的蛋白结构结合发光，进而追踪噬菌体的活动轨迹。利用该发光现象，可以观察噬菌体侵入细菌并杀死细菌的整个过程。此外，AIE材料在发光的同时还会产生活性氧物质，这种物质具有强大的杀菌能力，可以加速病菌的死亡。因此，噬菌体的生物杀灭效应与AIE的人工杀灭效应相结合，显著提高了治疗效果。
除了追踪噬菌体活动外，AIE技术还可以应用于荧光导航技术。在外科手术中，传统手段如超声、电子计算机断层扫描、核磁共振和正电子发射断层扫描等虽然可以检测肿瘤的存在，但往往难以准确判断肿瘤的位置和大小，且价格昂贵。这导致医生在手术中常常需要进行活检以确认肿瘤位置，这不仅增加了手术风险，还可能因判断失误而切除正常组织或遗漏肿瘤组织。而AIE荧光成像技术可以让肿瘤快速发光，帮助医生迅速判断其位置和大小，实现精准切除。这突破了传统手术的精度极限，为患者带来了更好的治疗效果。
加速海洋植物光合作用
远古时期，二氧化碳主要源于人和动物的呼吸，通过树、草、花等植物的光合作用以及海洋的吸收达到平衡。然而，工业革命后二氧化碳排放量剧增，打破了这一平衡，导致大气中二氧化碳浓度持续上升，引发气候变化。尽管当前采取减排、限排措施，但效果有限、需很长时间见效且难以全面实施。
一个更为积极的策略是通过促进植物生长特别是海洋植物，以固定更多二氧化碳。AIE材料对此也可以大显身手：利用AIE纳米粒子转化光波长，使阳光转化为植物喜欢的蓝光和红光，从而加快光合作用，促进植物生长。这样不仅能消耗掉环境中更多的二氧化碳，还能将二氧化碳转化为粮食、能源和保健品等有价值的产品。
海洋作为巨大的碳汇，若能有效利用这一策略，则可实现二氧化碳的负排放，即将大气中的二氧化碳转化为有用物质。这不仅有助于缓解气候变化，还能带来可观的经济和社会效益。因此，通过AIE等科技手段加速海洋植物光合作用，实现碳的转化和利用，是应对气候变化的有效途径。
助力光存储技术革新
随着数据量的爆炸性增长，存储技术面临巨大挑战。超大容量存储不仅是国家发展的重大需求，也面临着存储空间和能耗的双重压力。光存储因其高密度、低成本和长寿命成为研究的热点。与硬盘相比，光存储系统的电力成本更低，且数据迁移次数少，平均成本大幅降低。然而，要实现光存储的潜力，必须突破光学极限，即实现极小数据点的清晰分辨，其中材料筛选尤为关键。理想材料需对环境高灵敏、信号稳定、记录点开关比高，并通过多层积累提升信息存储量。
AIE技术为光存储提供了新的解决方案。AIE技术以其发光特性，能创建微小发光点作为信息单元，这些点可缩小至纳米级，极大提升存储密度。与CD、DVD、BD相比，AIE超级光盘能制作多达100层，存储量高达160万GB，相当于CD容量的200万倍。AIE材料通过聚合作用使软性液体材料硬化，形成稳定发光的信息点。这些点不仅微小，且发光可控，多层间互不干扰，从而实现存储量的巨大提升。
AIE作为中国科学家原创的科学概念，正引领全球科技前沿。然而，我国要成为科技强国，还需跨越重大门槛，产出更多原创性和引领性的研究成果。原创科研如掘井，深入则泉眼涌现，源源不断。AIE材料“越聚集，越发光”的特性，彰显了团结协作的力量。新时代的中国科技，正涌现更多AIE一样的原创研究，从局部亮点走向全面发光，照亮着科技强国之路。
