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香港科技大學和華南理工大學唐本忠院士（以下簡稱“唐”）是享譽世界的材料科學家。2001年，他開創性地提出了“聚集誘導發光（aggregation-induced emission, AIE）”的科學概念，在發光領域開拓了一條新路。2019年12月，《美國化學會材料快報》（ACS Materials Letters ）執行主編、新加坡國立大學劉斌教授（以下簡稱“劉”）在第18屆亞洲化學大會期間專訪了唐本忠院士，與他討論了AIE研究的過去、現在和將來，並與他交流了從事科學研究的哲學感悟和教人育才的心得體會。
劉：20年前您提出了AIE概念。請問是什麼契機促使您開始AIE研究的？
唐：在發光研究領域一直存在著一個令人困惑的難題，那就是分子聚集抑制分子的發光。這種被稱為聚集導致發光猝滅（aggregation-caused quenching, ACQ）的光物理現象非常普遍。經過一個多世紀的研究，ACQ效應已發展成為發光研究領域的主流認識。2001年，我們觀察到一種與ACQ截然相反的現象：在稀溶液中，分散的單個自由噻咯分子在光激發下不發光，然而它們在薄層色譜板上的聚集體卻高效發光。這種奇特現象引起了我們的注意、激發了我們的研究興趣。由於這種發光是由聚集體形成而引起的，因此我們將這一過程命名為“聚集誘導發光”或AIE，並將具有AIE特性的發光物質稱為AIE基元。我們踏上AIE探索之旅純屬偶然，起因於本世紀初我們與一個反ACQ現象的美麗邂逅。
傳統的ACQ現象與“反常”的AIE現象：（左）苝（perylene）分子聚集後發光完全猝滅（ACQ）；（右）六苯基噻咯（HPS）分子聚集後發光大幅增強（AIE）。圖片來源：Chem. Rev., 2015, 115, 11718–11940.
劉：能否為我們簡單介紹一下您的AIE研究歷程？
唐：在提出AIE概念之後，我們努力將AIE從一個看似偶然的自然現象發展成一門豐富嚴謹的科學體系。我們的策略包括：（一）開發更多的AIE材料系列，（二）理解AIE過程的工作機理，（三）探索AIE材料的技術應用。這三部曲有效地推動了我們AIE研究的迅速發展。通過第一個策略，我們在實驗室開發了數百種新型AIE基元，證明了AIE效應的普遍性。通過第二個策略，我們從機理上理解了AIE過程，即分子內運動受限（restriction of intramolecular motion, RIM），為新AIE基元的結構設計提供了指導原則。第三個策略也卓有成效：根據RIM機理，我們科學合理地設計和發展了一系列新型AIE基元並開發了它們作為功能材料在光電器件、化學傳感和生物成像等領域的技術應用。AIE效應的基礎科學價值和技術應用前景吸引了很多科學家對其進行廣泛深入的研究，AIE研究現已發展成為一個新興熱門領域。我們的AIE探索之旅充滿了歡樂與驚喜，儘管我們也碰到過困難，遭遇過挑戰。
美麗的AIE樂園：龐大的AIE家族、巧妙的RIM機理、廣闊的應用前景。圖片來源：Chem. Rev., 2015, 115, 11718–11940.
劉：您是怎樣應對挑戰、克服困難的？
唐：起初，我們覺得非常幸運，能夠發現一個不同尋常的反ACQ現象；但很快我們就感到困惑和沮喪，因為我們對AIE過程的工作原理一頭霧水。在我們提出AIE概念之前，人們已用噻咯做發光材料製備高效有機發光二極管。當時發光領域的主流認知是ACQ，因此很難理解為什麼噻咯固體發光而其溶液卻不發光。我們進行了大量的文獻資料調研，但一無所獲。萬般無奈，只好決定自己去探究這其中的奧秘。通過反覆實驗和激烈討論，我們最終提出瞭如下機理模型：單個自由噻咯分子通過分子內轉子和振子在激發態的運動耗散其激子的能量，因此它在稀溶液中不發光；然而在固態時，分子內運動受限（即RIM機制啟動）阻礙了激子的非輻射馳豫過程，噻咯聚集體因而高效發光。這個RIM機理的建立對於AIE研究的發展具有里程碑式的意義。理解了AIE現象的機理之後，研究就變得容易多了，因為我們可以在RIM機理的指導下進行AIE材料的合理設計和應用開發。
在固態下或作為納米粒子高效發光的AIE材料在高科技領域的潛在應用。圖片來源：唐本忠課題組。
劉：可以談談AIE研究的發展趨勢嗎？
唐：AIE研究前景廣闊，有無限的可能性。早期，我們主要利用AIE這一獨特光物理效應開發可在固態下和水介質中使用的新型髮色團，並探究它們以薄膜或納米粒子等形式使用的可能技術應用。目前，AIE研究正向多學科領域滲透發展。例如，大家普遍認為純有機化合物在室溫下不可能高效發射磷光；現在這一傳統認知已被AIE研究顛覆，我們發現很多純有機AIE基元在室溫下可發射很強的磷光。AIE研究衍生出很多以前很難想象或理解的奇特過程，例如，聚集誘導的延遲熒光、高能激發態的反卡莎遷移、手性分子聚集體的圓偏振發光、不含芳香環的非共軛（大）分子的簇發光等。所有這些過程都無法由具有活潑分子運動的單個自由分子在溶液態實現。另外，分子內運動因其與輻射躍遷此消彼長的關係而一直被人詬病。我們改變思維方式和看問題的角度，現在可巧妙地利用分子運動來設計發展新型光熱和光聲體系：合理設計的分子聚集體可在被光激發後通過激烈的分子內運動將光能高效轉化成熱能和聲能。此外，我們也利用分子內運動研發具有光響應性的分子機器，通過AIE過程觀測和操控分子機器在固態的運動行為和模式。
AIE研究的誘人前景：令人興奮的探索未知之旅。圖片來源：唐本忠課題組。
劉：為什麼您堅持從事和推動AIE研究？
唐：約十年前在一次學術會議上，一位美國科學家在我做完報告後問了我一個發人深省的問題：“AIE看上去既簡單又實用，為什麼以前沒人好好研究它呢？”這個問題讓我想到了美國科學哲學家托馬斯•庫恩（Thomas Kuhn）的科學範式理論。庫恩的範式模型指出，當一種觀點發展、上升成為一種範式之後，人們通常會持守正統，在這種範式的邏輯框架內尋找問題的答案。那些無法或很難被既存範式解釋的“例外”通常會被排除或忽視，因為它們“有悖常理”——正如文藝復興時期法國思想家米歇爾•德•蒙田（Michel de Montaigne）所說。經過上百年的深入研究，ACQ早已成為光物理界根深蒂固的共同認知。因此，AIE這一與ACQ相悖的“反常”現象，過去雖然偶爾有人報導，但沒有引起人們的關注，更無人把它當作一個重要問題進行系統研究。明朝著名散文家歸有光曰：“天下之事，因循則無一事可為；奮然為之，亦未必難。”受古訓啟示，我們致力於研究AIE現象，希望能以我們管窺蠡測之力達移風易俗之效。AIE效應告訴我們，分子聚集體能夠表現出單個分子所不具備的性質。分子科學教科書教導我們：分子結構決定物質性質。如果一個分子沒有展示某一性質，通常人們會自然地認為它的聚集體也不會有這種性質，更遑論對其進行深入研究。從形態學的角度看，聚集體處在微觀（分子）與宏觀（物質）之間的介觀區域。我們期待AIE研究將催化介觀科學的發展，在介觀層次為科學家提供一個新的研究平臺，去探索被分子微觀科學所忽視的科學寶藏，去挖掘分子聚集體這座寶庫所蘊藏的巨大潛在價值，去解決單純的還原主義方法論所無法理解的科學問題。
劉：AIE概念的提出在學術界產生了什麼影響？
唐：AIE概念改變了人們對聚集體發光過程的傳統認知。傳統的ACQ分子像是一個個驍勇戰將，但個性太強，聚在一起反而不易協調，無法實現1 + 1 = 2的力量疊加。而AIE基元則像力量微弱、無法單獨作戰的列兵，但集中起來卻可成浩然之勢，體現出“團結就是力量”或1 + 1 > 2的聚集效應。一直以來，人們想方設法妨礙分子聚集以收抑制ACQ之效。而AIE效應卻容許人們利用聚集過程做有用之工，因此賦予人們一個新的視角，實現“變不可能為可能”的夢想。例如，純有機化合物在分子水平或稀溶液中通常不發室溫磷光（room-temperature phosphorescence, RTP），而其AIE聚集體卻可表現出鮮明的RTP特性。AIE效應也可幫助解釋一些以前很難理解或無法解釋的現象，例如，我們現在可用“團簇誘導發光”過程來理解或解釋非共軛分子聚集體在固態發光的工作機制。在AIE體系，聚集體表現出比其分子母體單元更優異的特性，可做後者無法做的有用功，充分體現出美國物理學家菲利普•沃倫•安德森（Philip Warren Anderson）提倡的“多則異”（more is different）之科學原理。在過往的幾個世紀，人們在分子科學領域建立了許多模型、法則、定律等，有效地幫助我們在微觀層次理解分子的行為或性質。分子聚集體是由很多分子在介觀層次通過有序排列或隨機組合而形成的混合物，因此在分子層次建立的原理不一定適用於聚集體。由分子單元構築的多級聚集體及其行為有可能遵循不同的路徑、遵守不同的規則。因此，在微觀與宏觀之間的介觀領域進行的科學探索有可能發展出有別於還原論和整體論的新認識論和新分析法。
劉：您從AIE研究學到了什麼？
唐：AIE研究是一段奇妙的探索之旅，她給我們帶來諸多研究哲學方面的思考與領悟。（一）以色列國王所羅門（King Solomon）曾說，“太陽底下無新事”。從現象上來看，AIE其實不新。早在1853年，英國物理學家喬治•斯托克斯（George Stokes）就在一篇文章中指出：“氰亞鉑酸鹽只在固態發光”，“它們的溶液與水無異”。然而，他這短短几句話的簡單描述沒有引起人們的注意。事實上，我們遲至2018年才知道有這麼一篇報道，花費了好多精力才從古老的文獻堆裡刨出這篇文章。（二）匈牙利生理學家阿爾伯特•聖捷爾吉（Albert Szent-Györgyi）將科學研究定義為“見人皆所見，思人所未思”。我們相信，除斯托克斯之外，一定還零零星星有人觀察過AIE現象。我們與他人不同的地方在於，我們對這種現象做了深入的思考和系統的研究。（三）西班牙經濟學家埃琳娜•魯絲卡雅（Elena Reutskaja）和英國行為科學家芭芭拉•法索洛（Barbara Fasolo）認為，“第一未必最好”。在科學研究領域，每個人都爭當第一；但事實上，很難成為真正意義上的第一人。我們每個人所從事的研究領域都是由前人開創的，我們能做的就是在某個領域從事所謂“漸進研究”的過程中尋找突破，成為這個領域的最佳者、領航人。綜上所述，我們不是最先觀察到AIE現象的第一人，但我們對AIE現象做了前人不曾做過的思考。我們建立了AIE概念框架，通過我們和大家的共同努力，將AIE從一個不被人關注的舊現象發展成一個生機勃勃的新領域。
劉：AIE研究群體有多大？您是怎麼促進AIE研究、擴展AIE隊伍的？
唐：我們知道有很多學者從事AIE研究，但卻很難準確統計出AIE研究群體的大小。在谷歌學術（Google Scholar）上用“aggregation-induced emission”做關鍵詞進行簡單搜索，就會發現2018和2019年分別有3,970和5,010篇AIE論文發表，表明AIE研究呈快速增長之勢。AIE研究前景誘人，因而吸引了人們的廣泛關注。在分子水平，人們已經在如雅布隆斯基圖（Jablonski Diagram）和卡莎規則（Kasha’s Rule）等既定範式的框架內對分子發光過程有了深入的認識與理解。然而，對聚集體發光過程卻知之甚少。AIE研究將有助於深入理解聚集體發光的過程與機理，將我們的光物理學知識從微觀尺度擴展至介觀層次。從技術應用角度看，AIE非常有用，因為大多數發光材料的實際應用都在聚集狀態下實現，例如，用於有機發光二極管器件製備的固體薄膜和用於生物熒光成像檢測系統的納米粒子。事實上，包括科學家，工程師和臨床醫生在內的很多領域的專家都在想法利用AIE效應。“眾人拾柴火焰高”，在AIE社群，我們信奉“團結就是力量、聚集才能發光！”我們鼓勵互相欣賞、協同創新。我們通過組織學術研討會、編輯專著和發表專刊來促進信息交流，推進AIE研究快速向前發展。
2019年1月22–26日“第四屆AIE國際會議”在澳大利亞阿德萊德召開。圖片來源：唐本忠課題組。
劉：如何建立一個成功的研究體系?
唐：在我看來，一個實驗科學研究體系主要包含以下三個相互關聯的組成部分：（一）發現問題、（二）探索機理、（三）開發應用。下面我以AIE為例來說明一下這個科學研究三部曲。（一）學生們在實驗室裡產生各種各樣、五花八門的實驗數據。我們必須從這些看似尋常或“不尋常”的實驗結果中找出重要的科學問題。我們的AIE研究就源於一個很小的實驗“異常”：我們觀察到了一個“奇怪的”反ACQ現象。我們抓住這個稍縱即逝的機會，挖掘了它所涉及的基礎科學問題，踏上了解決這些問題的征程。（二）如果一項研究只停留在現象觀察階段而不進一步刨根問底、深究其因，它最多隻能算作一門“奇技”，無法騰飛。只有當搞清其工作機制之後，奇技才有可能發展成為科學。我們花了很多時間和精力去探討理解AIE過程，最終建立了RIM模型並將其發展成為一個解釋AIE效應的通用機理。RIM機理使我們能夠科學合理地設計新型AIE基元並探索其實際技術應用。（三）雖然科學進步並不一定總是導致技術創新，但“有用的”科學顯然有可能吸引更廣泛的受眾。在RIM機理的指導下，我們成功探索並展示了AIE材料在各種高科技領域的應用場景。總而言之，我們在上述科學研究三部曲思想的指導下，確定了研究方向、組織了研究隊伍、策劃了研究方案，將AIE從一門奇技發展成為一個成果頗豐的研究體系。
劉：為什麼科學研究需要領航者？什麼樣的人是優秀的領航人？
唐：如上所述，每個人都在一個前人開拓的領域從事研究；因此，某種意義上，我們都在從事漸進式研究。然而，在漸進研究的過程中，每個人都有可能取得革命性突破，推動科學向前跳躍發展。正如古希臘哲學家巴門尼德（Parmenides）所言：“無中不會生有（nothing comes from nothing）”；演變與革命是一個一體化的連續過程，有了前期的研究基礎，才有後面的革新進步。美國生物學家喬治•皮爾森•史密斯（George Pearson Smith）說得更直白：“極少突破性成果是全新的，幾乎所有的突破都是建立在前人研究的基礎之上的。”在從事“常規研究”的過程中，那些成功挑戰傳統的人自然而然成為領域的領航者。然而，從事開創性研究的人往往會受到同行的挑剔嘲諷、大咖的指責批判。這就要求領航者必須有堅定的信念去接受挑戰，激發鬥志，積極推動領域向前發展。德國化學家赫爾曼•施陶丁格（Hermann Staudinger）是個極富遠見的領航人，他提出的“大分子”概念為上個世紀前半葉高分子科學的蓬勃發展奠定了基礎。然而，更常見的情況是，一個領域由多人或一群領航人領導發展。例如，綠色熒光蛋白的研究在過去幾十年裡先後在美國科學家下村修（Osamu Shimomura），馬丁•查爾菲（Martin Chalfie）和錢永健（Roger Tsien）等人的引領下逐步向前發展。理論上，每個人都有可能成為領航人，只要他/她能做到如阿爾伯特•聖捷爾吉所說：“思人所未思”，或如喬治•皮爾森•史密斯所說：“在正確的地點和正確的時間做正確的事情”。
劉：您招收學生時最看重的素質是什麼？
唐：我課題組的研究生和博士後多是朋友和同事推薦給我的。他們多是朋友和同事的得意門生，具有紮實的學術功底和良好的實驗訓練。但我最看重是這些年輕人是否醉心於學術研究。我的人生座右銘是：“熱愛你的工作！”因此，非常自然地，我希望我的學生能夠熱愛自己從事的研究工作。每個教授都希望招收天賦異稟的學生，但我更希望招收對研究充滿熱情的年輕人。科學研究不是常規作業，而是探幽窮賾、創造新知識的過程，因而需要全身心地投入和孜孜不倦地追求。我有時候會和課題組裡的同學開玩笑：如果你能進入“物我兩忘”的境界，連做夢都在想你的研究，早晨一睜開眼睛就有一股跑到實驗室去嘗試昨晚想法的衝動，你想不成功都難！
劉：您是如何訓練學生做研究的？
唐：古人云：“授人以魚不如授人以漁”——這也是我訓練學生時所秉持的教育理念。我經常告誡學生一定要把注意力放在研究方法論的學習上；為未來學術生涯打下基礎的，不是現在在實驗室所做的課題本身，而是通過做課題所學到的科學思維方式和分析方法。我重點訓練學生髮現問題和解決問題的能力。我不會要求學生按照我的思路或想法去完成一個我在辦公室裡想好的課題。在我的課題組，學生不應是我的想法的忠實執行者，而應是勇敢嘗試解答謎團難題的無畏探索者。我鼓勵學生仔細觀察、深入分析、小心求證、大膽創新。我幾乎每天早上都給學生髮送文獻，希望藉此培養學生大量閱讀的良好習慣。培養年輕人給我極高的成就感：我非常高興地看到100多位曾在我實驗室學習和工作的年輕人已在各地高校院所從事教學和研究工作；更令我欣慰的是，10多位前學生已榮膺優秀青年、傑出青年和長江教授等人才稱號。
劉：打造一支優秀團隊的關鍵因素是什麼？
唐：在我看來，研究文化和工作精神是決定一支團隊命運的關鍵因素。在我的實驗室，有一批來自世界各地的聰明能幹且充滿激情的博士後研究員。他們的學術背景各異但互補，是推動我們實驗室研究向前發展的骨幹力量。他們出色的科研表現為其他年輕學生樹立榜樣，對建設實驗室優秀研究文化極有裨益。在實驗室，我們一般會給新學生配備一名博士後研究員與他/她一起學習工作。這種做法好處頗多：一是可幫新人縮短預熱期，二是有助於博士後獲得指導經驗，三是有益於學生與博後建立協作紐帶關係。我們鼓勵實驗室內外的研究合作，因為這種合作可以幫助學生拓寬視野，為他們創造接觸和學習不同學科知識的機會。在一個優秀團隊，每個人都必須有欣賞他人成功的雅量，為出色完成研究項目並發表高水平論文的同僚祝福和高興。每一位團隊成員都應該向那些表現優異的實驗室同僚學習，並努力變得像他們一樣優秀或更好。我始終認為，營造一個良性競爭的工作環境非常重要。當實驗室的每一位成員都努力做到最好時，一個成功的科研團隊就自然而然地形成了。
唐本忠院士課題組2019年9月3日攝於香港科技大學校園內日晷雕塑前。圖片來源：https://tangbz.ust.hk/photos.html
劉：作為一個高產的學者，您可否分享一些關於如何訓練學生撰寫論文的經驗？
唐：科學論文的寫作訓練是研究生培養教育的重要一環。在我的實驗室，論文寫作一般從學生整理實驗數據開始。通常這些實驗數據會以PPT的形式由學生在組會上彙報，以徵求實驗室同僚的意見、批評和建議。我與學生討論文章寫作時，通常不是一對一的往來，而是邀請好幾位同學一道參加，因為我相信“三個臭皮匠，賽過一個諸葛亮”。我們一起檢查實驗細節，從多角度審視數據，提出模型假設，擺出正反意見，查缺補漏，建議補充實驗等。在討論過程中，我鼓勵批判性思維甚至激烈辯爭。我要求學生不要把我當“權威”而是平等地與我討論；如果有學生反駁我的觀點，我會給他/她正面鼓勵，將“吾愛吾師但吾更愛真理”之精神潤物無聲地灌輸給學生。這樣的討論可能會持續好幾天、重複好幾次。我們會仔細地敲定每一個細節，不放過任何一個問題，如此能讓我們發現一些被學生忽視或扔掉的“奇怪”卻寶貴的新現象或好結果。我認為，作為一個研究生導師，最重要的工作是“沙裡淘金”，從看似無序甚至混亂的數據中找出閃光的寶石。我經常教導學生，一定要邏輯清晰地整理數據和組織結果，將數據用漂亮的圖表展示，將結果以易懂的方式表達。
劉：您生命中最享受的事情是什麼？
唐：當我還是一個孩童時，我就非常喜歡讀書。我至今仍然清晰地記得，當我跨進學校門檻，第一次拿到小學課本時，是怎樣地陶醉於從那些方塊字裡幽然飄出的油墨馨香！然而不幸的是，上學後不久，文化大革命就爆發了，中國的教育和出版系統均遭受重創。在這種情況下，對於一個生活在窮困小鎮的孩子來說，想要多讀幾本書簡直比登天還難。我那時抓到一本書就讀，有些書甚至會翻來覆去讀上十來遍，因為很難找到第二本替代品。在家鄉做臨時工時，發現當地供銷社廢品回收站是個好地方，因為我可以從站裡的舊書回收箱裡翻出各種各樣的書籍雜誌。那些書雖然破舊殘缺，但卻可解讀書之渴、填精神之虛。文革結束後，我有幸通過高考進入大學接受“正規”教育。本科學習期間，我珍惜來之不易的機會，充分享受閱讀和學習的美好時光。我如飢似渴地學習，幾乎到了如痴如狂的程度；例如，我能準確無誤地記住《有機化學》課本里的所有化學反應，包括這些反應的每一個細節，如溫度、溶劑、時間、壓力、產率等。對學習的熱愛為我將來的發展打下了堅實的基礎。研究生階段的學習以及之後的學術生涯進一步豐富了我的人生閱歷，拓展了我的興趣愛好。現在，除了閱讀和學習，我更享受寫作和創造。學習是打基礎，而創造則是在這個基礎上建築新樓。探索如登山，我們可以一路欣賞攀登途中的無盡美景。如今，我最享受的事情是與學生們討論他們在實驗室裡發現的新東西。我深感榮幸，能有機會帶領一批優秀學生，通過我們的研究去發現新東西、創造新知識！
專訪原文在線發表於ACS Materials Letters並被收入美國化學會慶祝AIE概念誕生20週年虛擬專刊。
Interview with Professor Ben Zhong Tang
Bin Liu*
ACS Materials Lett., 2020, 2, 466-469, DOI: 10.1021/acsmaterialslett.0c00111
導師介紹
劉斌
https://www.x-mol.com/university/faculty/40437
唐本忠
https://www.x-mol.com/groups/tang_benzhong
