-聚集体学:无疆之域 待琢之玉 ——分子聚集体研究之我见
来源:人民日报
作者:唐本忠
发布时间:2021-02-01
浏览次数:614
-聚集体学:无疆之域 待琢之玉 ——分子聚集体研究之我见

  作者唐本忠肖像画。
  本版画家 张武昌绘

  唐本忠和他任主编的国际学术杂志《聚集体》创刊号的封面。
  作者提供

 

  基本粒子是构成物质的最小单元,是组成物体的物质基础。当基本粒子汇聚形成聚集体时,两者之间是什么关系?对此,还原论和整体论给出了截然不同的答案。还原论认为,聚集体与组分粒子的性质完全相同,前者是后者的集成;而整体论则认为,整体不是部分的线性组合,整体可以大于或小于部分之和。

  苏格兰科学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦1873年在布拉德福德市英国协会发表演讲时指出:“分子是物质的最小组成单元。”《韦氏词典》将分子定义为“一种具有物质所有属性的最小粒子”。这种还原论学说将分子置于物质研究的中心基础地位。为了了解单个分子的行为,科学实验通常在极稀溶液中进行,以规避分子间相互作用的影响或干扰。许多科学定律、规则、公式、定理等都根据稀溶液中的实验数据推导或发展而来,例如描叙单分子在稀溶液中光吸收过程的比尔–朗伯定律。

  然而,在浓溶液中,分子从分散态变为聚集体,线性关系的比尔–朗伯定律便不再适用。在有些情况或场合下,分子与聚集体的行为和性质甚至迥然相异。例如,很多芳香族化合物在稀溶液中以单分子形式自由存在时可以在紫外线激发下发射荧光或磷光,而在聚集状态下却发光减弱甚至完全不发光。这一光物理现象常被称为聚集猝灭发光效应。另一方面,有些分子显示与聚集猝灭发光过程完全相反的聚集诱导发光现象:聚集诱导发光基元在单分子自由状态不发光而在聚集态高效发光。聚集猝灭发光现象说明分子的性质可以在聚集体中消失(1?0),而聚集诱导发光现象说明新性质可以在聚集体中产生(0?1)。这些例子与人们普遍接受的“分子行为决定物质性质”(1?1)的观念大相径庭。

  中国古代先哲老子在《道德经》中指出:“三生万物”。翻译成现代科学语言就是微粒聚集的量变可以带来质的飞跃。1967年,诺贝尔物理学奖得主菲利普·沃伦·安德森在加州大学的一个演讲中阐述了他的整体论观点:“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,而聚集体科学(或聚集体学)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。这里略举数例稍加说明:(1)随机化/规律化、无定形化/晶化、柔软化/刚硬化等拮抗作用会影响聚集体的行为,深入了解这些拮抗过程,将有助于发展新手段和新方法去改变和调控聚集体的性质和功能;(2)多体系统中组分(主体–客体、给体–受体、发射源–敏化剂等)的正确搭配和组分间的协同作用,有可能导致完美共生聚集体的形成;(3)聚集过程中可能涌现出全新的结构和性质,例如,原本无生色团的非共轭分子在团簇化后可能产生簇发光、非手性分子在螺旋组装后可能发射圆偏振光、纯有机分子聚集后可能实现高效室温磷光等;(4)聚集体可能同时显示丰富多样的性质和多姿多彩的功能,例如,同质多晶多色发光、辐射/非辐射同步跃迁、多模态(光/声/热)生物成像及诊疗等。

  对聚集体科学中的拮抗论、协同论、涌现论、多元论等进行深入系统研究,有重大的科学价值和深远的学术影响。聚集体学研究将产生新模型,创造新知识,扩宽我们对世界的认识,加深我们对自然的理解,帮助我们解决用传统还原论方法无法或难以解决的问题。在聚集体层次建立新的工作原理和机制将有助于科学家合理设计新系统和研发新材料。基于此,我们在广州市和黄埔区的支持下,在黄埔科学城成立了聚集诱导发光高等研究院。在高等研究院和华南理工大学的资助下,我们与著名的国际科学出版社Wiley合作创办了国际学术杂志Aggregate《聚集体》,旨在为学术界搭建一个交流思想和意见的沙龙,供科学家讨论聚集体研究的挑战和机遇、分享聚集体研究的发现和突破。

  分子汇集形成聚集体,因此分子层次之上的所有实体(entity)皆可称为聚集体。在聚集体中,分子可以是几个或无穷多个,成分可以是同种或异类,产物可以是零维或多维的纳微结构乃至宏观物体……聚集体源于分子,高于分子。聚集体研究是一片无远弗届的疆域,蕴藏着无尽的宝藏。分子是物质的基本单元,然而分子本身却很难被直接利用。分子只有聚集成可加工/操控的材料才能做有用之功,如介晶分子只有在聚集之后才能实现液晶功能。聚集体研究十分重要,但遗憾的是,相对于对分子的深耕细刨,人们对聚集体涉猎不深、缺乏系统研究,堪称一待雕琢之璞玉。

  作为分子聚集体的一个特例,纳米材料得到了广泛的关注,纳米框架的搭建促进了纳米科学的发展。在聚集体层次的探索将构筑一个远远大于纳米研究的聚集体科学平台。分子之上有着广袤无垠的空间,聚集体学将推动科学研究从微观向介观到宏观的纵深扩展。我们希望并相信,聚集体学将促成研究认识论和方法论的范式转移,为人们对多级结构和复杂系统的研究探索开辟一条新路。

  (作者为中国科学院院士,第三世界科学院院士,聚集诱导发光概念的提出者和该领域研究的引领者,获国家自然科学奖一等奖、何梁何利基金科学与技术进步奖。)

  本版携手科学出版社推出



关注【深圳科普】微信公众号,在对话框:
回复【最新活动】,了解近期科普活动
回复【科普行】,了解最新深圳科普行活动
回复【研学营】,了解最新科普研学营
回复【科普课堂】,了解最新科普课堂
回复【科普书籍】,了解最新科普书籍
回复【团体定制】,了解最新团体定制活动
回复【科普基地】,了解深圳科普基地详情
回复【观鸟知识】,学习观鸟相关科普知识

听说,打赏我的人最后都找到了真爱。