聚集体学: 分子聚集研究领域的科学探索与创新

聚集体学:

分子聚集研究领域的科学探索与创新

——Aggregate《聚集体》主编 唐本忠

聚集体不是分子的简单组合。研究和理解聚集体中的各种作用、效应和过程具有重大科学价值和深远学术影响。我们创办Aggregate或《聚集体》期刊,旨在为聚集体学研究搭建一个新平台,希望借此为人们探索多级结构和复杂体系开拓一条新路。

我很高兴地宣布:

由华南理工大学、聚集诱导发光(AIE)高等研究院和Wiley出版社联合创办的、致力于聚集体学(Aggregology)研究的新杂志Aggregate正式发刊!

为了理解自然,人们从不同的角度和方位观察世界,根据研究对象的尺度建立了各种学术框架和范畴。例如,在材料研究领域,分子(molecule)属于微观科学范畴,物质(substance)属于宏观科学范畴。将宏观科学和微观科学联结的桥梁是还原论哲学。还原论者相信,宏观物质不论多么复杂,都能被还原成简单的基本粒子或分子单元。过往几个世纪,科学家们在还原论哲学思想指导下展开了卓有成效的探索研究,带来了分子科学的蓬勃发展。

1873年,詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James C. Maxwell)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”。权威英语词典《韦氏词典》(Merriam-Webster)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科学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,例如描述单分子在稀溶液中光吸收过程的朗伯比尔定律。

然而,在浓溶液中,分子从分散态变为聚集体,线性关系的朗伯比尔定律便不再适用。在有些情况或场合下,单分子与聚集体的行为和性质甚至截然相异。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高效发光,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导致的发光猝灭效应(aggregation-caused quenching, ACQ)。另一方面,有些分子显示与ACQ完全相反的聚集诱导发光(aggregation-induced emission, AIE)现象:AIE基元(AIEgen)在单分子自由状态不发光而在聚集态闪闪发光。ACQ现象说明分子的性质可能在聚集体中消失(1→0),而AIE现象说明新性质可能在聚集体中产生(0→1)。这些例子与人们普遍接受的“分子行为决定材料性质”(1→1)的观念大相径庭。

由此可见,聚集体的性质不一定是组成它的分子单元的行为的简单线性叠加。早在古典时期,希腊博学家亚里士多德就提出了“整体大于部分之和”的建构主义哲学思想。1967年,诺贝尔奖得主菲利普·沃伦·安德森(Philip W. Anderson)在加州大学的Regents’ Lecture中提出了他的整体论观点:“不能从几个基本粒子(elementary particles)的性质做简单外推去理解大而复杂的聚集体(aggregates)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,其性质将受到不同因素的非线性影响,如数量(组分多寡)、几何形状(尺寸、形状和维度)、形态(无定型态或晶态)、相互作用(吸引或排斥)等。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。这里谨举数例:(1)随机化/规律化、无定形化/晶化、柔韧化/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聚集体的性质与功能;(2)多体系统(many-body systems)中组分(主体–客体、给体–受体、发射体–敏化剂等)的正确搭配和组分间的协同作用可以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性质与功能,例如:原本没有生色团的非共轭分子在团簇化后可能产生簇发光(clusterization-triggered emission, CTE)、非手性分子在螺旋组装后可能发射圆偏振光(circularly polarized luminescence, CPL)、纯有机分子聚集体的高效室温磷光(room-temperature phosphorescence, RTP)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/非辐射同步跃迁和多模态(光/声/热)生物成像及诊疗等。

对聚集体科学中的拮抗论(antagonism)、协同论(synergism)、涌现论(emergentism)、多元论(multiplicity)等进行深入研究有重大科学价值和深远学术影响。聚集体学研究将产生新模型,创造新知识,拓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。新的原理和机制的建立将有助于科学家合理设计新的聚集体体系和研发先进功能材料。基于这些考虑,我们创办Aggregate《聚集体》,希望为学术界搭建一个交流思想和意见的新平台,去分享聚集体研究的新发现和新突破,讨论聚集体研究的挑战和机遇。

在国际学术界的大力支持下,我们迅速组建了一支强大的编辑团队。我很高兴地向大家介绍本刊的责任编辑秦安军(Anjun Qin)博士(中国华南理工大学)和副主编洪煜柠(Yuning Hong)博士(澳大利亚乐卓博大学),小西玄一(Gen-ichi Konishi)博士(日本东京工业大学),保罗·麦戈尼格尔(Paul R. McGonigal)博士(英国杜伦大学),田中一生(Kazuo Tanaka)博士(日本京都大学),臧双全(Shuang-Quan Zang)博士(中国郑州大学)和张宇(Yu Shrike Zhang)博士(美国哈佛大学)。秦博士是合成高分子化学和功能材料研究方面的专家。洪博士的研究主要集中在蛋白质折叠/聚集的化学生物学和AIEgen的生物医学应用。小西博士的研究方向为光化学和高分子科学。麦戈尼格尔博士的研究方向是超分子化学和有机功能材料。田中博士致力于设计开发含杂原子的功能材料和有机–无机杂化体系。臧博士是一名无机化学家,擅长于金属簇和多功能金属有机框架的研究。张博士是研究生物工程体系的先驱。

Aggregate《聚集体》将由华南理工大学、AIE高等研究院和著名跨国科学出版社Wiley共同主办。衷心感谢华南理工大学,AIE高等研究院和广州黄埔区政府所给予的资金支持以及Wiley出版社的专业指导,特别是约瑟·奥利韦拉(José Oliveira)博士,苏鑫(Xin Su)博士和Wiley出版社编辑团队的鼎力相助。如果没有这些资助和支持,《聚集体》不可能在这么短时间内问世。

Aggregate《聚集体》致力于快速发表高质量研究论文。为了触及更广泛的读者群,本刊以开放获取(Open Access)形式出版。鉴于聚集体的普遍性和聚集体学的重要性,我们有信心Aggregate《聚集体》将快速成长、健康发展。在宏观与微观之间的介观层次,有大量宝藏可供人们尽情挖掘。聚集体介观科学将有助于填补宏观科学和微观科学之间的鸿沟。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。