香港中文大学(深圳)唐本忠院士和赵征教授 Angew综述：妙用分子运动构建高效光热/光声材料

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众所周知，分子吸收特定波长的光后会进入激发态，由于处于高能激发态的分子不稳定，总会通过辐射跃迁或者非辐射跃迁的失活过程返回基态。对于辐射跃迁过程，电子的运动发挥了主导作用。而核的运动，也就是分子运动，在非辐射跃迁过程中扮演了重要角色。早在1939年， Gilbert N. Lewis (41次获得诺贝尔奖提名的著名化学家)和Melvin Calvin (卡尔文循环的发现者，1961年诺贝尔奖获得者)在一篇综述文章中明确提及卤素原子、硝基、苯环等取代基团的分子运动能促进非辐射跃迁过程 (loose bolt effect)，进而猝灭荧光发射 (Chem. Rev., 1939, 25, 273-328)。但是，长久以来，人们往往是利用辐射跃迁过程开发高效发光材料，却鲜有关注非辐射跃迁过程甚至调控分子运动以积极利用这个过程。事实上，在我们自然界中就有很多生动的例子表明非辐射跃迁过程的应用价值，比如视黄醛的分子异构化能够将光能转化为化学能进而参与眼睛的视觉感知，DNA碱基的分子运动可以通过极快的内转换机制将光能转化为热能从而避免发生光化学反应进而保护遗传信息的完整性。
近些年来，人们逐渐意识到了非辐射跃迁过程的重要应用价值。特别是聚集诱导发光(Aggregation-Induced Emission, AIE)现象和内在机理的研究, 使得人们重新意识到分子运动在促进非辐射跃迁过程中的重要性。通过借鉴含有诸多分子运动基元的AIE材料的设计理念，2019年唐本忠教授课题组提出了“分子内运动诱导光热转化” (intramolecular motion-induced photothermy, iMIPT)的概念以获得性能优异的光热/光声材料 (Nat. Commun., 2019, 10, 768)。自此，调控分子运动以制备高效的光热/光声材料成为AIE研究领域的重要分支，使得早已在发光领域中硕果累累的AIE分子成为真正能够“发光发热”的明星材料。有鉴于AIE概念的又一次重要实践，香港中文大学(深圳)的唐本忠教授和赵征教授联合香港科技大学林荣业教授以及香港城市大学叶汝全教授近日在《Angew. Chem. Int. Ed.》发表题为“Molecular Motion and Nonradiative Decay: Towards Efficient Photothermal and Photoacoustic Systems”重要综述(DOI: 10.1002/anie.202204604)，详细阐明了分子运动促进非辐射跃迁过程(molecular motion-facilitated nonradiative decay, MMFND)的工作机理，引入分子运动基元构建光热材料的分子设计策略，以及所获得的光热转化材料在光热治疗、海水淡化、光声成像等领域的应用。最后，文章从单分子和聚集体水平展望了这类材料的未来发展方向，进一步强调了通过调控分子运动以积极利用非辐射跃迁过程进而开发先进光控材料的重要意义。文章的第一作者为徐昌活博士。此研究得到国家自然科学基金等资助支持。 
图1.分子运动与发光材料的设计。
 
图2. 自然界中利用分子运动进行能量转化的例子。
 
图3. 利用分子运动设计光热材料的典型案例。
 图4. 具有MMFND性质的光热材料的应用。 相关衔接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202204604

作者简介

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唐本忠教授简介唐本忠教授于1982年和1988年分别在华南理工大学和日本京都大学取得学士学位和博士学位，于1989-1994年在加拿大多伦多大学进行了博士后研究并于Neos公司任高级研究员。1994年加入香港科技大学从事学术研究工作，2008年晋升为讲席教授。2021年，唐教授加入香港中文大学（深圳）任理工学院院长。
唐教授是中国科学院院士、发展中国家科学院院士、亚太材料科学院院士、国际生物材料科学与工程学会联合会会士、英国皇家化学会会士。唐教授已发表科学论文1600余篇，他引十三万余次，h指数168。自2014年至今，唐教授连续入选化学和材料科学双领域高被引用科学家。唐教授获得多项荣誉及奖励，如国家自然科学一等奖（2017）、何梁何利科学与技术进步奖（2017）、裘槎高级研究成就奖（2007）等。唐教授现任Wiley出版社发行的Aggregate杂志的主编。 赵征教授简介赵征博士2014年毕业于中国科学院上海有机化学研究所有机功能分子合成与组装化学重点实验室，师从朱道本院士和高希珂研究员。2015至2020赴香港科技大学化学系唐本忠院士课题组从事博士后研究。2020年9月加入东南大学化学化工学院（教授）开展独立研究工作。2021年3月起在香港中文大学（深圳）担任助理教授。赵征博士在有机半导体材料，生物荧光探针，有机/无机聚集体材料的机理探索和功能化应用方面有丰富的研究经历。迄今，已在Nature Communications, Matter, Angewandte Chemie, Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Advanced Science, ACS Nano, Materials Today等期刊发表论文80余篇，10篇论文入选“ESI高被引论文”，2篇论文入选“ESI热点论文”。论文共被引用4600余次。H指数39。

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