今年7月8日，被视为我国新材料界学术水平最高、涉及领域最广、前沿动态最新的学术大会——“中国材料大会2022~2023”在深圳国际会展中心拉开帷幕，众多材料领域院士、专家、学者和企业代表参会，为材料领域的创新发展建言献策。以下是中国科学院院士唐本忠在会上的主题发言（节选）。

唐本忠

　　「分子科学与聚集体学」

　　分子科学包括分子化学、分子物理、分子生物、分子材料、分子工程……在哲学上叫做“还原论”。还原论认为：不管多么复杂的东西，都可以把它还原到最小的基本单元。根据这个理论，物质科学就能还原到分子这个层次。当然，科学界也有反对分子论的意见。1977年诺贝尔物理学奖获得者安德森在Science上发表了一篇文章More Is Different，他说“这些基本粒子的，比方这些分子的大而复杂的聚集体的这种性质、这种行为，是不能够靠把这些粒子的性质简单地外推而加以理解的。”中国古代先哲老子在《道德经》中指出“一生二，二生三，三生万物”，用现代科学语言来说就是微粒聚集的量变可以带来质的飞跃。安德森的整体论观点认为“不能从几个基本粒子的性质做简单外推，去理解大而复杂的聚集体的行为”，“在复杂性的每一个层次，都会有崭新的性质出现”。当许多分子混合或组装成一个聚集体时，所得聚集体的性质将受到不同因素（如数量、形状、形态、相互作用等）的非线性影响。

　　理解这样的复杂系统，需要构筑和发展一种研究聚集体的新科学框架，即聚集体学（Aggregology）。分子科学研究的是不受分子之间相互作用影响的自由孤立粒子，而聚集体学的研究对象是各种作用相互影响的受限复杂系统，这种复杂性的一种体现方式是聚集体中存在的各式各样错综复杂的效应和过程，如拮抗作用、协同作用、涌现性、多样性等。

　　「困扰材料界的ACQ效应」

　　在了解聚集诱导发光（AIE）机理之前，首先要了解长期困扰材料界的聚集导致猝灭（aggregation-caused quenching, ACQ）效应。传统的荧光生色团化合物（如荧光素）在稀溶液状态下具有较强的发光能力，然而在高浓度溶液中，或为纳米粒子、胶束、固体薄膜或粉末等聚集状态时，由于π-π堆积作用，发光会逐渐减弱直至消失，这种现象被称为“聚集导致猝灭”（aggregation-caused quenching, ACQ）效应。科学家们曾尝试使用化学、物理或工程方法暂时或部分抑制有机分子的聚集，从而尽量避免ACQ效应，但效果均不理想。有机化合物在固态下的聚集是一个自然过程，抑制分子的聚集是“治标不治本”，非但不能从根本上解决ACQ问题，还会损害单分子原本优异的光学性能。

　　「聚集诱导发光（AIE）机理」

　　2001年，我们课题组在研究中发现：与传统ACQ效应完全相反的是，一些噻咯分子在溶液中几乎不发光，但在聚集状态或固体薄膜下发光大大增强，换言之发光增强由聚集导致，因此我们将此现象定义为“聚集诱导发光”（aggregation-induced emission, AIE）。通过进一步研究，我们发现分子内运动受限（restriction of intramolecular motion, RIM）是产生AIE现象的主要原因，即使改变外部环境或者修饰内在分子结构，使分子内旋转不容易进行，AIE分子同样能表现出荧光增强特性，证明了RIM是AIE现象产生的主要机理。AIE一经发现便引起国内外热议，目前全球有145个国家或地区约12000个研究机构从事与AIE相关的研究。

　　「在材料竞赛场上从跟跑到领跑」

　　AIE的突破性在于该机理可以应用到不同领域，理论上讲，任何涉及分子内旋转受限的领域都可以应用。经过20多年的发展，AIE材料已广泛应用于生物/化学传感、光电器件、癌症诊疗和纳米药物递送等领域，在血管成像、细胞追踪、液晶显示、智能材料、发光二极、指纹检测、爆炸物探测、有机光波导细菌甄别、食品质量监测、化学传感器、细胞器影像等场景中都可见到AIE的身影。作为中国本土原创理论，AIE逐步打破了国际对荧光检测技术及相关产品的垄断，实现了从“跟跑”到“领跑”，聚集诱导发光研究团队 也因此荣获2017年度国家自然科学一等奖。

　　「AIE的广泛应用」

　　高品质成像和示踪材料。AIE材料可以对细胞进行特异性检测和成像，根据不同生物结构选择不同的材料。相较传统的商业材料，AIE材料的光稳定性更好，可以长效示踪、动态地监测细胞。线粒体与多种疾病相关，线粒体出了问题健 康就会受影响，因此我们可以用线粒体来区分正常细胞和癌细胞。同时检测时，正常细胞不亮、癌细胞发亮。给患者做手术时需要判断癌组织边界，正常细胞和癌细胞交错的地方很麻烦，有些器官不可再生，切多了患者生活质量会受影响，但切少了又存在癌症复发风险，AIE荧光材料特异性识别癌细胞技术成熟后可以做到点亮癌细胞，这对医生起到了非常好的术中指导作用。

　　AIE材料还可以在光照下产生活性氧（光动力学疗法，PDT）有效杀死癌细胞，即诊断和治疗一体化。除了癌细胞，有害细菌、真菌的检测和杀灭也是医疗健康领域很重要的环节，现在有种细菌叫“超级细菌”，一旦感染超级细菌之后任何抗生素都不管用，而靠光照PDT产生活性氧以后可以马上把这些超级细菌杀死，且很难产生抗药性。

　　高灵敏度智能传感材料。AIE材料可以检测食品新鲜度，食品一旦不新鲜会产生胺，有一些AIE探针遇到胺就会亮，如果把测食物腐败的AIE材料做成小试纸条，一定是个很大的市场；AIE材料可以检测有毒气体，比如一氧化碳、甲醛等等，用我们的传感材料了去测新房、家具、油漆中的甲醛含量，甲醛浓度越高越亮；还可以检测工厂里的毒气比如有机磷、有机氯，比如我们的眼镜很多都是由聚碳酸酯（PC）做的，就是用光气做的，光气一旦泄漏会很麻烦，我们的传感材料碰到一点点光气就会发亮；AIE 材料可以进行海水淡化、应对全球水危机，目前海水淡化的技术成本很高，AIE分子在动的时候不发光，能量转化成热耗散了，光变成热温度就会上升。如果把AIE材料放进海水，太阳照射后温度升上去、海水蒸发掉，蒸发以后搜集起来就是淡水。目前我们做的纳米粒每小时每平方米可以产生大约5公斤的纯净水，通过光照，纳米粒子会产生活性氧把有害微生物全部杀死，所以处理过的水没有任何细菌。

　　高效率光电转化材料及器件开发与应用。中国对高效率光电转化材料需求非常大。在OLED领域，现在手机上很多材料基本依赖进口。用AIE材料可以实现手机像纸一样随意折叠，而且AIE材料的各种知识产权都在中国人手上，不会 像手机芯片一样被“卡脖子”。我们希望把中国自主原创的东西变成高效固态发光材料，利用特殊发光机制去占领市场。我们现在小试效果不错，但想把AIE材料真正应用到手机上，需要生产线的大规模产业化，这是非常烧钱的。

　　此外，以AIE为材料的汞离子荧光点亮探针，可有效找出美白袪斑等护肤品中的有害污染物；在工业污染监测方面，AIE技术可应用至化工厂区挥发性有机化合物（VOC）含量测试，一次性混合检测工业产生过程中产生的有毒气体和废水，降低检测复杂程度；毒后驾驶是高危行为，但便捷高效的吸毒测试仪器仍待开发，AIE材料配合核酸适配体与特定种类毒品选择性结合，可协助交警在公路上迅速验出海洛因、吗啡、可待因等成分。

图 | AIE 材料的应用布局（来源：Chem. Rev.）

　　「期待AIE技术产业化」

　　AIE在基础研究层面已经硕果累累，但在实际应用方面还有待开垦，需要大家合力打通科技成果转化落地的“最后一公里”。事实上，我们的AIE生物荧光探针有公司在销售，一般一克是10万-20万元人民币。无论是AIE新材料还是新设备都值得去做，有一些应用在现阶段比较容易实现，例如指纹检测，毒品检测，公共安全检测，疾病体外诊断等等。

　　推进AIE的产业化，可以说现阶段是“天时、地利、人和”，首先国家非常重视，再加上国外的压力而产生了巨大国产自主化的动力；其次，大湾区发展前景不容小觑，深圳现在已经是全国人才集聚地，再过若干年就会成为全球人才 集聚地；第三，科学界与产业界相结合，科学家和企业家共同发力，把这个技术变成产品回馈社会。聚集体科学是中国人发现的，应该由我们中国人去搭平台，我们现在搭的这个平台比外国人搭的纳米平台还要大，一直到宇宙空间都可以是聚集的，这是一条新路，一个充满无限可能性的新天地，希望我们中国科学家、企业家一块团结起来把这个技术推到更高峰。（本文未经报告人审核）