香港科技大学唐本忠院士《NSR》观点:分子内运动受限的机理内涵

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聚集诱导发光(Aggregation-induced emission, AIE)材料是一类在单分子自由状态发光较弱而在聚集态发光显著增强的新型发光材料。AIE由香港科技大学唐本忠院士于2001年发现提出,经历了20年的指数型发展,早已成为发光材料领域的重要分支和科学前沿。AIE是一门“理综”学科,对于AIE现象的机理理解需要研究光物理和量子化学;设计开发新的AIE材料涉及有机合成等;AIE材料可应用于光电,检测,成像,治疗等,尤其在分析化学和生物医学领域有重大价值。在这门“理综”里,机理研究是基石,它不仅能帮助人们理解AIE现象,而且为人们开发新型的功能各异的AIE材料提供了设计思路。


被科学家们广泛接受的AIE机理是“分子内运动受限”(restriction of intramolecular motions,RIM),根据运动模式的不同还可以细分成分子内转动受限(RIR)和分子内振动受限(RIV)(图1A)。读者能较容易理解的宏观解释为:激发态的AIE分子在溶液中自由运动会导致光能转化成热能耗散掉从而猝灭荧光,但在聚集态中分子内运动受到限制因此增强荧光。这一理解虽然通俗易懂但缺少对激发态分子动态的细致了解。近年来,不少科研工作试图从量子化学角度探究AIE分子从激发态衰减到基态的不同途径,并分辨具体是哪类分子内运动对AIE分子的发光行为最为关键。
近日,香港科技大学唐本忠院士应《国家科学评论》(National Science Review,NSR)邀请,撰写观点(Perspective)文章,介绍了近年来AIE机理研究中常见的机理模型(图1B)。文章中概括的模型侧重在不同的非辐射跃迁途径,但本质上这些不同途径的非辐射跃迁都是由激发态的分子内运动所导致。因此,这些模型从量子化学的角度对RIM机理的内涵进行了细致的阐释,使得RIM机理的基础更加牢固。
图1.侧重于不同非辐射跃迁途径的多种模型深化了RIM机理的内涵。
图2:激发态分子内运动导致不同途径的非辐射跃迁的案例分析。
该文章中的四种机理模型分别为:振动耦合受限,锥形交叉通道受限,暗态通道受限,抑制光化学反应。为了帮助读者理解,文章画出了AIE分子在分子状态和聚集体状态的势能面变化示意图(图1C),并就每一种机理模型列举了案例进行分析(图2)案例中展示了导致非辐射跃迁的激发态分子内运动的具体形式。期盼该观点文章能激发读者产生新的思考和讨论。
该观点文章的通讯作者为香港科技大学唐本忠院士,第一作者为涂于洁博士


详情可参考附图和原文:
https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa260
来源:高分子科学前沿




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