WILEY 人物访谈——南京工业大学安众福教授

科学,是一道十分亮丽的景色,站在科学殿堂的入口处,甚至会迷茫,会犹豫选择哪里;科学,又像是一座迷宫,永远不知道终点在哪个方向;都不妨事,科学本身就处处是美景,无须犹豫走哪里,无须犹豫终点在哪里,认真走好脚下每一步,科学自会善待每一份真诚的努力。本周的Wiley人物访谈,我们邀请了一位优秀的青年科学家——安众福教授,带领自己的团队,与“有机室温磷光”一次次的不期而遇,一次次美丽的邂逅,带来了探索的动力,带来了坚持下去的信念,完成了很多的优秀的工作,不懈的努力自然有丰收。

人物简介

安众福教授,南京工业大学先进材料研究院副院长,博士生导师,长期致力于有机光电功能材料的设计合成、性能调控与应用探索,对其中若干基础科学问题进行了深入研究,取得了一系列前瞻性和引领性进展。近年来,以第一作者/通讯作者身份在Nat. Mater.Nat. PhotonicsNat. Commun.J. Am. Chem. Soc.Angew. Chem. Int. Ed.Adv. Mater.等期刊上发表学术论文90余篇。11篇论文入选ESI高被引论文,2篇入选ESI热点论文。公开或授权发明专利9项。获首届京博科技进步奖、教育部自然科学一等奖。主持国家自然科学基金面上项目、青年项目、江苏省杰出青年基金项目等。

有机磷光

MVC:能否请您简单介绍一下课题组目前的主要研究工作?您对哪些研究方向比较感兴趣呢?

安众福(以下称AZF):我们课题组目前主要从事有机室温磷光材料与应用的相关研究,具体包括:(1)分子设计方面,结合理论模拟,精确设计并高通量筛选高性能的室温有机磷光分子;(2)性能提升方面,我们主要针对室温有机磷光材料的发光颜色、寿命、效率以及智能化等相关性能,认知分子结构、聚集形态与磷光性能的关联,构建磷光性能提升策略;(3)功能应用方面,基于室温磷光材料的长寿命、高效率、环境敏感等优异性能,探索其在照明显示、化学传感、生物成像等领域的应用潜力。

随着新冠疫情席卷全球,生命健康相关探索研究越发显得重要。有机磷光材料具有长的发光寿命和三重态发光属性赋予该类材料在生物成像、疾病诊疗等生命医学领域具有丰富的应用前景。我们希望基于该类材料在面向世界科技前沿和人民生命健康等相关研究方向努力,贡献我们的一份力量。

MVC:有机光电功能材料在生活中主要有哪些应用?

AZF有机光电材料是指具有光电转换功能、光电活性的有机材料。这类材料通常是富含碳原子、具有大π共轭体系的有机分子,具有半导体的性质,主要分为小分子和聚合物两类。有机光电功能材料在我们日常生活中扮演重要角色,例如照明显示、太阳能光伏电池、传感器、光电集成器件和存储器等领域应用广泛。以基于有机发光材料的OLED技术为例,在诸多领域实现了广泛应用,例如,在智能显示方面,如iPhone XS Max,华为Mate X、P30,如长虹电视、海信电视等;在可穿戴设备方面,如智能手表Apple watch series 3等)。此外,在太阳能光伏电池(如太阳能路灯)、传感器(塑料热敏电阻)等领域也展现出很好的应用潜力。

MVCOLED显示技术(有机发光二极管)相比于传统的液晶显示以及LCD显示有怎样的优势?目前限制其广泛应用的障碍有哪些?

AZFOLED显示技术是继CRT(阴极射线管)、LCD(液晶显示)后最具潜力的新型显示技术。它能够实现自发光,无需背光源,具有驱动电压低、快速响应、超轻超薄、柔性显示、对比度高、可视角广、适用温度范围广、抗震性好等性能优势。目前已在智能手机、电视以及车载显示等设备上被广泛应用。

限制其广泛应用的障碍主要有:1)有机OLED材料的寿命有限,比如在工作1000小时后,蓝光、红光和绿光会有不同程度的衰减,且使用亮度越高,衰减越快;2)OLED材料在水汽和氧气环境中,材料发光受影响,且氧气会降解发光材料,产生坏点,故而对材料的封装要求更高;3)色彩平衡性,蓝光材料比其他颜色的发光材料,发光强度衰减更快,使得OLED发光在一段时间后,颜色可能会失真

MVC:可以请您简单介绍一下有机磷光材料的概念吗?激发态寿命对于其应用有怎样的影响?

AZF磷光一般是指从三重激发态到基态的辐射跃迁(T1→S0)。通常,我们认为:在室温条件下,具有磷光发光性质的一类有机功能材料称为有机磷光材料。从构成组分划分,主要包括有过渡金属(Ir, Pt, etc.)等重原子参与配位的金属配合物和有C、H、N等无金属元素构成的纯有机室温磷光材料。我们课题组聚焦在无金属的室温有机磷光材料。对于磷光而言,由于激发态和基态具有不同自旋多重度,二者之间的跃迁表现为跃迁禁阻,因此三重激发态的寿命相对较长,寿命横跨多个时域,从微秒到数小时,展现出长余辉发光特征。同时,其三重态的属性,对氧气、水汽等周围环境异常敏感。因此,长的激发态寿命特征赋予材料具有丰富的激发态性质,在光子学领域展现出巨大的应用潜力,例如在生物成像方面,其长余辉特征可以有效的扣除背景荧光干扰,同时减少激发光对生物组织的伤害,在手术导航等领域展现出潜在的应用价值。

MVC:在您的众多优秀成果中,哪些工作是您最喜欢或者最值得骄傲的呢?

AZF说到研究成果,我们也一直追求:没有最好,只有更好。每一份工作都是未来更好工作的“垫脚石”。每一份优秀成果背后都有无数的汗水与心血。在我们课题组以往报道的工作中,我比较喜欢实验过程中的偶然发现,这背后也有诸多小故事。2015年底,我课题组刚刚建立,蔡素芝同学做出了自己的第一个有机超长磷光材料,即有机长余辉材料,异常兴奋。让我确认一下发光现象。观察有机超长磷光或长余辉发光,通常在关灯的黑暗环境下,长余辉发光现象更加明显。当我们关掉办公室灯的一瞬间,该材料发出了长达数秒的余辉光。这让我们非常意外,为何没有紫外灯激发,这个材料就发出长余辉光了呢?这样的“不期而遇”,让我们邂逅了“可见光激发的有机超长磷光”该工作发表在Advanced Materials期刊上(Adv. Mater.,2017,29, 1701244)。这是我们课题组建立以来的第一份报道工作,对我们坚持在这个领域深耕鼓励非常大。后来,我们偶然发现的“激发光依赖的多彩有机超长磷光”,也是这样。多数同学在实验室中,喜欢用365 nm的紫外灯观察发光现象。课题组的谷龙同学合成了一类共轭度比较小的三嗪发光材料,365 nm紫外灯照射后,发现了绿色长余辉现象。执教以来,让我变得更加理性。因为共轭度比较小,我选择了254 nm的紫外灯去观察谷龙同学发现的绿色余辉现象。让我诧异的发现,绿色长余辉消失了,取而代之的是蓝色长余辉发光。这种偏好与理性实践给我们创造了一次新机遇:开拓了有机室温磷光研究的新方向:激发光依赖的多彩长余辉发光(Nature Photonics.,2019,13,406)。

科研历程

MVC:请问在您的科研生涯中,哪些事情或者哪些人对您产生过重要影响呢?

AZF:一生一世一团队,惟新惟实惟奋蹄。我的博士生导师黄维院士常说:科学研究是一项高尚的事业,需要淡定、自信、优雅、从容,需要长期积累、不懈努力。常常教诲我们,勇攀科研高峰是每位科研工作者义不容辞的职责和担当,也只有矢志不渝地做学问、搞科研,才能坚持真理,践行“献身科学、追求卓越”的科学理念。上世纪九十年代中期,黄维院士团队创造性地提出了有机半导体p-n能带调控理论,使有机半导体材料的制备从“瞎子摸象式”的试错阶段上升到了理性设计阶段;针对蓝光半导体器件稳定性这一世界性难题,提出了基于有机蓝光半导体的凝聚态结构调控原理,成为国际通行的解决方案,引领了这一富有挑战性的新兴领域的发展。黄维院士团队从新加坡国立大学起步到现在,在柔性电子这个领域内已经耕耘了近30年。从25年前的新加坡材料研究院,到复旦大学、南京邮电大学、南京工业大学,再到西北工业大学,黄维院士团队已经打造了国内外公认的代表我国最高水平、在柔性电子这一科学技术前沿领域参与国际竞争的世界一流研究基地。作为团队的一名成员,身处其中,我深深地感到身为一名中国科技工作者的自豪和担当。

当我还是一名学生的时候,就深深地被这种文化和坚守所激励和熏陶。记得那是冬日的一个傍晚,天黑的比较早,实验室的同伴陆续去用餐了,我仍然埋首于实验。虽然室内光线渐暗,但因太专注于实验而未开灯,就是这一次偶然的“懒惰”,开启了有机光电材料的新世界。当时,我正在实验室利用点板确认新合成的物质,观察液体变固体的实验过程。灰暗的光线下,偶然看到了一束一闪而过的辉光。兴奋之余,我并没有意识到这就是有机长余辉,但经过与老师们的反复讨论与实验,我们团队开创了国际上由中国人领先的有机长余辉材料研究,被称为有机“夜明珠”,并设计并制备了多个系列的室温单组份有机长余辉材料,引起国内外相关领域的广泛关注。

成功之路往往是艰难而寂寞的。只有凭借持久的勤奋、耐力和意志,才能收获理想硕果。就是这份坚守之心一直激励着我和我的同事们善待挫折,自强不息。

MVC: 您在科研历程中遇到过的最大困难是什么?您是如何克服这些困难的呢?您认为这些困难对您的成长有怎样的影响?

AZF:逆境中成长,顺境中感恩,科研不易,且行且珍惜。从第一次接触实验,我的科研历程已有十余载。这期间,有我从学生到老师角色转变,有把学生培养成老师的喜悦,同样也有科研的酸甜苦辣涩。在科研历程中,最大的困难不是课题的进展不顺,不是科研经费的紧张,也不是实验空间的不足,而是科研的选择与坚持。2015年底,加盟南京工业大学,独立开展科研工作。是追逐热门前沿,还是选择“冷板凳”,我面临科研方向的抉择。我们最终还是坚持选择了“有机室温磷光”相关的研究,从材料体系、性能调控和应用探索三个方面开展研究。在当时,这还是非常小众的一个发光方向。从2010年,我们在实验室中偶遇“有机超长磷光”,该材料被业界誉为“有机夜明珠”,到独立工作以后,同学们的一次次“邂逅”,为这个领域的发展贡献一份我们的力量。短短几年,在国内外同行的共同努力下,“有机超长磷光材料”和“有机室温磷光材料”连续两年(2019年和2020年)入选化学与材料科学领域的Top10热点前沿。这让我们内心的这份“坚持”有了一种满满的收获感和幸福感。我们的成长,离不开师长的关心鼓励,离不开朋友的鼎力支持,更离不开同学们的辛苦努力。借此机会,向大家道一声感谢。

天马行空

MVC:科幻片中总能看到一块透明玻璃就可以作为掌上电脑使用,OLED技术的发展是否有助于透明电脑的发展?

AZFOLED显示技术具有轻薄、柔性等特点,并且具有自发光的特征,有电驱动便会发光,为透明显示应用奠定了基础。对于透明掌上电脑等设备,除了显示终端的透明化,还要集成电路、芯片等其他部件的透明化,这也是目前设备透明化面临的挑战。近年来,随之柔性电子等变革性技术的发展,OLED显示技术的异军突起,透明电路、芯片技术的发展进步,透明电脑等科幻概念在不久的将来一定会让我们梦想成真。OLED技术的发展对实现终端设备的透明化具有重要意义。

MVC:有没有一种材料可以在日间将太阳光存储起来,晚上再将太阳光释放出来替代灯泡的照明作用?

AZF这是一个非常好的问题,这类材料正是我们实验室夜以继日所追求的材料:长余辉发光材料。它是一类吸收能量并在激发停止后仍然可以持续发光的物质,持续时间可以从几秒钟到几天。但是目前这类材料的亮度相对较弱,远达不到“灯泡”的照明亮度。如何实现长时间(>12 h)的高亮度发光正是该领域面临的挑战之一。我们一直基于有机材料,致力于长余辉发光的研究与应用探索。虽然目前有诸多挑战,我们坚信随着科技发展和广大科研工作者的共同努力,在不久的将来,一定可以创造出这类高性能的新材料。同时,这也为我们的“双碳”目标的实现,贡献一份力量,提供一份C方案(中国方案)