了解“聚集诱导发光”(AIE)和“聚集态化学”,可以从这篇NSR文章开始
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。近年来,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,谢育俊(第一作者)和李振教授(通讯作者)在National Science Review发表观点(Perspective)文章,介绍了AIE的发展历史,指出了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都受到“浓度猝灭(Aggregation-caused quenching, ACQ)”效应的困扰,会在高浓度下丧失荧光。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研究,研究者确认了AIE现象产生的主要原因,即分子内运动受限(Restriction of intramolecular motion, RIM)。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、光电器件等领域都表现出了极高的应用价值。
荧光素的ACQ效应(a)与HPS的AIE现象(b)
尤为重要的是,AIE理念促使研究者探究聚集态分子的堆积模式与光物理过程,深刻地启发了有机发光分子的设计。
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——这一认知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,强调应该综合考察分子的空间构型与堆积方式,从而认识和调控聚集态的光物理性质,这属于聚集态化学(Aggregated state chemistry)研究范畴。
近年来,有机室温磷光(Room-Temperature Phosphorescence, RTP)、力致发光(Mechanoluminescence, ML)等新颖的聚集态发光现象成为研究热点。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。这些新材料在显示、传感、防伪、组织成像等领域展现出极大的应用价值。
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)。
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,相关理论也将日臻完善。
原文链接:
https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa199
来源:中国科学杂志社
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