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聚集體學:無疆之域 待琢之玉(科技名家筆談) ——分子聚集體研究之我見

2021-02-01 08:44    作者:唐本忠   來源:人民日報海外版   VIEW:



作者唐本忠肖像畫。

本版畫家 張武昌繪

唐本忠和他任主編的國際學術雜誌《聚集體》創刊號的封面。

作者提供

基本粒子是構成物質的最小單元,是組成物體的物質基礎。當基本粒子匯聚形成聚集體時,兩者之間是什麼關係?對此,還原論和整體論給出了截然不同的答案。還原論認為,聚集體與組分粒子的性質完全相同,前者是後者的集成;而整體論則認為,整體不是部分的線性組合,整體可以大於或小於部分之和。

蘇格蘭科學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋1873年在布拉德福德市英國協會發表演講時指出:「分子是物質的最小組成單元。」《韋氏詞典》將分子定義為「一種具有物質所有屬性的最小粒子」。這種還原論學說將分子置於物質研究的中心基礎地位。為了瞭解單個分子的行為,科學實驗通常在極稀溶液中進行,以規避分子間相互作用的影響或干擾。許多科學定律、規則、公式、定理等都根據稀溶液中的實驗數據推導或發展而來,例如描敘單分子在稀溶液中光吸收過程的比爾–朗伯定律。

然而,在濃溶液中,分子從分散態變為聚集體,線性關係的比爾–朗伯定律便不再適用。在有些情況或場合下,分子與聚集體的行為和性質甚至迥然相異。例如,很多芳香族化合物在稀溶液中以單分子形式自由存在時可以在紫外線激發下發射熒光或磷光,而在聚集狀態下卻發光減弱甚至完全不發光。這一光物理現象常被稱為聚集猝滅發光效應。另一方面,有些分子顯示與聚集猝滅發光過程完全相反的聚集誘導發光現象:聚集誘導發光基元在單分子自由狀態不發光而在聚集態高效發光。聚集猝滅發光現象說明分子的性質可以在聚集體中消失(1?0),而聚集誘導發光現象說明新性質可以在聚集體中產生(0?1)。這些例子與人們普遍接受的「分子行為決定物質性質」(1?1)的觀念大相徑庭。

中國古代先哲老子在《道德經》中指出:「三生萬物」。翻譯成現代科學語言就是微粒聚集的量變可以帶來質的飛躍。1967年,諾貝爾物理學獎得主菲利普·沃倫·安德森在加州大學的一個演講中闡述了他的整體論觀點:「不能從幾個基本粒子的性質做簡單外推,去理解大而複雜的聚集體的行為」,「在複雜性的每一個層次,都會有嶄新的性質出現」。當許多分子混合或組裝成一個聚集體時,所得聚集體的性質將受到不同因素(如數量、形狀、形態、相互作用等)的非線性影響。理解這樣的複雜系統,需要構築和發展一種研究聚集體的新科學框架,即聚集體學(Aggregology)。

分子科學研究的是不受分子之間相互作用影響的自由孤立粒子,而聚集體科學(或聚集體學)的研究對象是各種作用相互影響的受限複雜系統。這種複雜性的一種體現方式是聚集體中存在的各式各樣錯綜複雜的效應和過程,如拮抗作用、協同作用、湧現性、多樣性等。這裡略舉數例稍加說明:(1)隨機化/規律化、無定形化/晶化、柔軟化/剛硬化等拮抗作用會影響聚集體的行為,深入瞭解這些拮抗過程,將有助於發展新手段和新方法去改變和調控聚集體的性質和功能;(2)多體系統中組分(主體–客體、給體–受體、發射源–敏化劑等)的正確搭配和組分間的協同作用,有可能導致完美共生聚集體的形成;(3)聚集過程中可能湧現出全新的結構和性質,例如,原本無生色團的非共軛分子在團簇化後可能產生簇發光、非手性分子在螺旋組裝後可能發射圓偏振光、純有機分子聚集後可能實現高效室溫磷光等;(4)聚集體可能同時顯示豐富多樣的性質和多姿多彩的功能,例如,同質多晶多色發光、輻射/非輻射同步躍遷、多模態(光/聲/熱)生物成像及診療等。

對聚集體科學中的拮抗論、協同論、湧現論、多元論等進行深入系統研究,有重大的科學價值和深遠的學術影響。聚集體學研究將產生新模型,創造新知識,擴寬我們對世界的認識,加深我們對自然的理解,幫助我們解決用傳統還原論方法無法或難以解決的問題。在聚集體層次建立新的工作原理和機制將有助於科學家合理設計新系統和研發新材料。基於此,我們在廣州市和黃埔區的支持下,在黃埔科學城成立了聚集誘導發光高等研究院。在高等研究院和華南理工大學的資助下,我們與著名的國際科學出版社Wiley合作創辦了國際學術雜誌Aggregate《聚集體》,旨在為學術界搭建一個交流思想和意見的沙龍,供科學家討論聚集體研究的挑戰和機遇、分享聚集體研究的發現和突破。

分子匯集形成聚集體,因此分子層次之上的所有實體(entity)皆可稱為聚集體。在聚集體中,分子可以是幾個或無窮多個,成分可以是同種或異類,產物可以是零維或多維的納微結構乃至宏觀物體……聚集體源於分子,高于分子。聚集體研究是一片無遠弗屆的疆域,蘊藏著無盡的寶藏。分子是物質的基本單元,然而分子本身卻很難被直接利用。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後才能實現液晶功能。聚集體研究十分重要,但遺憾的是,相對於對分子的深耕細刨,人們對聚集體涉獵不深、缺乏系統研究,堪稱一待雕琢之璞玉。

作為分子聚集體的一個特例,納米材料得到了廣泛的關注,納米框架的搭建促進了納米科學的發展。在聚集體層次的探索將構築一個遠遠大於納米研究的聚集體科學平台。分子之上有著廣袤無垠的空間,聚集體學將推動科學研究從微觀向介觀到宏觀的縱深擴展。我們希望並相信,聚集體學將促成研究認識論和方法論的範式轉移,為人們對多級結構和複雜系統的研究探索開闢一條新路。

(作者為中國科學院院士,第三世界科學院院士,聚集誘導發光概念的提出者和該領域研究的引領者,獲國家自然科學獎一等獎、何梁何利基金科學與技術進步獎。)

《 人民日報海外版 》攜手科學出版社推出( 2021年02月01日  第 09 版)

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