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  想象一下：有一些分子，它們在稀溶液中像害羞的孩子，默默無聞、不發(fā)一言；但當(dāng)它們手拉手聚集在一起時，卻突然綻放出耀眼的光芒！這不是童話，而是真實存在的科學(xué)現(xiàn)象，它有一個響亮的名字—聚集誘導(dǎo)發(fā)光（AIE）。

  2026年3月11日，香港中文大學(xué)（深圳）唐本忠院士團(tuán)隊在《Accounts of Chemical Research》發(fā)表題為“Aggregation-Induced Emission: Past, Present, and Future”的Pioneer Account（先驅(qū)報告）。這篇文章不僅梳理了AIE領(lǐng)域的發(fā)展歷程，還進(jìn)一步提出了“聚集體科學(xué)”（Aggregate Science, AS）這一概念框架。

  今天，就讓我們跟隨這篇綜述，一起探索這個從“0”到“1”的神奇世界。

引言：

  自16世紀(jì)以來，還原論哲學(xué)如同一位嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臅嫀煟瑘猿?/span>"整體等于各部分之和"的核算原則，深刻塑造著人類認(rèn)知世界的方式。在化學(xué)與材料科學(xué)的賬簿上，這條原則被記作一條金科玉律："物質(zhì)由分子構(gòu)成，分子結(jié)構(gòu)決定材料性質(zhì)"。不可否認(rèn)，這一范式功勛卓著，但科學(xué)史告訴我們，真正的突破往往來自那些"不守規(guī)矩"的例外。

  隨著材料科學(xué)的發(fā)展，不斷揭示著這樣的"反常"：聚集體常常表現(xiàn)出與單分子截然不同的行為。以聚集導(dǎo)致發(fā)光猝滅（ACQ）為例，許多π共軛發(fā)光分子在溶液中光彩照人，一旦聚集卻黯然失色；光敏劑在分散狀態(tài)下產(chǎn)生活性氧（ROS）的效率令人贊嘆，聚集后卻大打折扣；手性分子在孤立時手性光學(xué)信號強(qiáng)烈，聚集后卻可能消失無蹤。這些"1變0"的現(xiàn)象，暴露了還原論在解釋聚集態(tài)行為時的力不從心。

  比"1變0"更隱蔽的，是思維定式，"如果分子本身沒有某種性質(zhì)，其聚集體也不可能有"，讓科學(xué)家們長期對看似"平庸"的分子視而不見。然而，大自然偏偏擅長"無中生有"的魔法，簇發(fā)光（CL）便是最好的證明。按照經(jīng)典理論，不含共軛π電子的分子本該與發(fā)光無緣，但許多這樣的"沉默者"在聚集后卻綻放出明亮的光芒。如果給無功能分子打上"0"的標(biāo)簽，給功能聚集體標(biāo)上"1"，那么CL體系就完成了從"0到1"的華麗蛻變。

  涌現(xiàn)現(xiàn)象在材料科學(xué)中并不罕見，在生命體系中更是無處不在。畢竟生命本身就是非生命生物分子通過層級聚集而"涌現(xiàn)"出的奇跡。面對這些"0到1"的系統(tǒng)，建立在分子主義基礎(chǔ)上的傳統(tǒng)構(gòu)效關(guān)系框架顯得捉襟見肘，呼喚著新的科學(xué)范式：我們需要揭示分子間相互作用和組織方式如何在聚集過程中孕育出全新的性質(zhì)。

  21世紀(jì)初，唐院士團(tuán)隊被AIE這一看似簡單卻意味深長的現(xiàn)象深深吸引。它的魅力恰恰在于典型的涌現(xiàn)行為：單分散狀態(tài)下"沉默"（0），聚集后"歌唱"（1）。這種轉(zhuǎn)變使AIE成為研究聚集體層面部分-整體關(guān)系的理想模型。盡管“像AIE”的體系早有報道，但它們?nèi)缤⒙涞恼渲椋幢淮?lián)成項鏈，其內(nèi)在機(jī)理和深層意義也未被充分發(fā)掘。

  懷著"發(fā)光如何能從不發(fā)光的組分中涌現(xiàn)"的好奇，唐院士團(tuán)隊系統(tǒng)研究了AIE過程，闡明了其工作機(jī)制，發(fā)展了新的聚集產(chǎn)生功能（AGF）體系，并探索了分子-聚集體構(gòu)效關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，逐步構(gòu)建起聚集體科學(xué)（AS）的理論框架，強(qiáng)調(diào)分子間相互作用及其組織方式如何催生新的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，并將研究焦點從孤立、簡單的部分轉(zhuǎn)向整合、復(fù)雜的整體。

  本文系統(tǒng)闡述了AIE的思想演進(jìn)與研究歷程，提出AS的概念框架。對AS的深入探索將孕育新的模型、假說、范式與理論，拓展人類對復(fù)雜系統(tǒng)，包括自然界和生命本質(zhì)的理解。AS的研究有望在認(rèn)識論和方法論層面推動范式轉(zhuǎn)變，為探索自然世界，創(chuàng)造新知識和發(fā)展新技術(shù)開辟嶄新路徑。

第一部分：過去—AIE現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)與發(fā)光體系的拓展

核心脈絡(luò)：從百年偶然發(fā)現(xiàn)到機(jī)理闡明，再到發(fā)光現(xiàn)象的全面開花

  早在1853年，斯托克斯（Stokes）就觀察到四氰鉑酸鋇在溶液中透明但在固態(tài)下卻發(fā)綠光的奇特現(xiàn)象。此后一個多世紀(jì)里，類似“溶液中惰性、固態(tài)下發(fā)光”的報道偶有出現(xiàn)，卻始終未能引起系統(tǒng)關(guān)注。直到2001年，唐本忠團(tuán)隊對六苯基噻咯（HPS）的深入研究，才將這些零散的“反常”統(tǒng)一為“聚集誘導(dǎo)發(fā)光”（AIE）概念，并發(fā)掘出四苯乙烯（TPE）這一明星分子（圖1）。

  為什么孤立分子不發(fā)光，聚集后卻光芒四射？答案藏在分子運動中：在稀溶液里，分子的轉(zhuǎn)動和振動如舞者般自由，激子能輕松抵達(dá)“圓錐交叉點”（CI）并以非輻射方式耗散能量；而一旦聚集，緊密堆積與非共價相互作用像一張無形的網(wǎng)，將分子的轉(zhuǎn)動、振動甚至分子間的平移運動牢牢束縛，這便是分子內(nèi)轉(zhuǎn)動受限（RIR）、分子內(nèi)振動受限（RIV）和分子間平動受限（RIT），三者統(tǒng)稱為分子運動受限（RMM）。RMM機(jī)制迫使激子選擇輻射躍遷通道，光由此誕生（圖1）。更有趣的是，平面芘分子即使形成π-π二聚體，如果周圍分子像“蜘蛛網(wǎng)”一樣通過RIT鎖定其結(jié)構(gòu)，也能增強(qiáng)其發(fā)光（圖1）。這個例子揭示：π-π相互作用并非是常人所想的ACQ元兇；只要分子運動受限導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛硬，π-π聚集體也能高效發(fā)光。

圖1. AIE研究的發(fā)展歷程。（a）在漫長的過去，人們曾經(jīng)零星報道過一下類似AIE的體系：一些分子在孤立狀態(tài)下不發(fā)光，但聚集后發(fā)光。2001年，在發(fā)現(xiàn)不發(fā)光的HPS分子可通過聚集誘導(dǎo)發(fā)光后，AIE這一概念被正式提出；由于結(jié)構(gòu)易于調(diào)控且功能多樣，TPE成為該領(lǐng)域的“明星分子”。（b–d）AIE機(jī)理-分子內(nèi)運動受限（RIM）：在孤立分子狀態(tài)下，“自由”分子的活躍的（b）旋轉(zhuǎn)運動和（c）振動運動引導(dǎo)激子到達(dá)（d）圓錐交叉（CI）點，從而發(fā)生非輻射衰減；而在聚集狀態(tài)下，這些分子運動受到限制，抑制CI介導(dǎo)的弛豫過程并開啟輻射躍遷通道。（e–h）除RIM外，分子間運動受限同樣至關(guān)重要，以芘為例：（e）在實驗室照明（LL）條件下，其非晶聚集體在室溫（RT）下透明且不發(fā)光，但在低溫（77 K）下可以發(fā)光；（f）芘的晶體在室溫下即可表現(xiàn)出光致發(fā)光行為；（g）該發(fā)光來源于約625 nm處的芘二聚體發(fā)射（注意：芘單體發(fā)射約為444 nm）；（h）在晶體結(jié)構(gòu)中，中間的芘二聚體（紅色）與周圍的芘二聚體（灰色）形成空間相互作用，這些非共價相互作用像一張龐大的“蛛網(wǎng)狀”將中間的芘二聚體緊密束縛，限制分子間平動（RIT）使二聚體結(jié)構(gòu)更加剛性，從而使晶體表現(xiàn)出強(qiáng)烈的光致發(fā)光。

  機(jī)理的闡明如同一把鑰匙，打開了AIE研究的大門。在RMM機(jī)制指導(dǎo)下，AIE從最初的熒光現(xiàn)象拓展為（包括但不限于）：室溫磷光（RTP）、簇發(fā)光（CL）、圓偏振發(fā)光（CPL）、形變發(fā)光（MLC）、力致發(fā)光（ML）、反Kasha發(fā)光（AKT）、聚集誘導(dǎo)自由基發(fā)光（AIRE）、聚集誘導(dǎo)延遲熒光（AIDF）、輻射致發(fā)光（RL）、化學(xué)發(fā)光（ChL）等諸多光物理過程的大家族（圖2）。這些發(fā)光現(xiàn)象均在孤立分子中難以實現(xiàn)，是典型的“0到1”的突破。

圖2. AIE研究的領(lǐng)域拓展。（a）在分子運動受限機(jī)理的指導(dǎo)下，一系列新的AIE衍生發(fā)光體系被開發(fā)出來：從室溫磷光到簇發(fā)光再到圓偏振發(fā)光以及化學(xué)發(fā)光。（b–k）由聚集產(chǎn)生的新性質(zhì)示例：（b）RTP，（c）CL，（d）CPL，（e）MLC，（f）ML，（g）AKT，（h）AIRE，（i）AIDF，（j）RL，以及（k）ChL。這些性質(zhì)分別來源于：（b）三重態(tài)激子穩(wěn)態(tài)化，（c）空間共軛作用，（d）手性傳遞，（e）形貌調(diào)控，（f）力光轉(zhuǎn)化，（g）“熱激子”輻射弛豫，（h）穩(wěn)定自由基生成，（i）能隙縮小，（j）金屬簇形成，以及（k）氧化介導(dǎo)化學(xué)激發(fā)。

  在生物成像領(lǐng)域，AIE材料更是大放異彩。傳統(tǒng)ACQ分子因能隙定律在近紅外二區(qū)（NIR-II, λ > 1000 nm）效率低下，而AIE基元通過抑制分子運動誘導(dǎo)的能量耗散，可實現(xiàn)更高發(fā)光效率（圖3a）。多光子、化學(xué)能、電離輻射激發(fā)的AIE材料可進(jìn)一步拓展成像深度（圖3b）。AIE基元能以極高清晰度無創(chuàng)成像兔腸毛細(xì)血管網(wǎng)絡(luò)，無需開腹即可洞察微觀世界（圖3d）。更令人驚嘆的是時間維度的突破：一些單組分聚集體可展現(xiàn)長壽命RTP，而某些二元聚集體可表現(xiàn)出更長的余輝壽命。例如，化合物44的二元聚集體壽命長達(dá)62.4秒，余輝超過7小時（圖3e）；化學(xué)發(fā)光體系免除外部激發(fā)，避免組織自發(fā)熒光干擾。過氧化物激活的化合物45持續(xù)綠光發(fā)射24小時，可實現(xiàn)荷瘤小鼠實時藥代動力學(xué)監(jiān)測（圖3f）。從靜態(tài)快照到動態(tài)追蹤，AIE基元讓我們“看”得更深、更久（圖3）。

圖3. 穿透更深、發(fā)光更強(qiáng)、監(jiān)測更長！（a）更長波長的發(fā)光能夠?qū)崿F(xiàn)更深的組織穿透；由于分子運動受限抑制了非輻射弛豫，AIE基元在NIR-II區(qū)通常比ACQ分子具有更高的發(fā)光效率。（b）可被多光子激發(fā)、化學(xué)能或電離輻射激發(fā)的AIE基元能夠進(jìn)一步提高成像深度。（c）具有NIR-II激發(fā)與發(fā)射的代表性AIE基元31。（d）利用NIR-II AIE基元在無需腹部切開的情況下直接成像兔腸毛細(xì)血管。（e）一元單組份AIE聚集體可以表現(xiàn)出較長的磷光壽命（τ），而二元雙組分聚集體通常具有更長的磷光壽命；例如，二元聚集體44的余輝發(fā)光可持續(xù)約7 h。（f）化合物45形成的聚集體產(chǎn)生持久化學(xué)發(fā)光，可實現(xiàn)對4T1荷瘤小鼠長達(dá)24 h的藥代動力學(xué)監(jiān)測。

第二部分：現(xiàn)在—聚集產(chǎn)生超越發(fā)光的新功能

核心脈絡(luò)：重新審視“能量耗散”，將非輻射通道轉(zhuǎn)化為功能輸出的引擎

  隨著研究的深入，人們逐漸認(rèn)識到，聚集并不僅僅調(diào)控發(fā)光行為。傳統(tǒng)上被視為“能量損失”的非輻射衰減通道，其實也可以被巧妙“馴服”為功能輸出的有效路徑，這正是聚集產(chǎn)生功能（AGF）的核心思想。

  如圖4所示，在聚集體中，激發(fā)態(tài)能量可以通過內(nèi)轉(zhuǎn)換、系間竄越等非輻射躍遷過程轉(zhuǎn)化為熱能，聲能和化學(xué)能，從而產(chǎn)生光熱（PT），光聲（PA），光敏化（PS），光催化（PC）及光反應(yīng)（PR）等功能。富含轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的ATT分子在聚集狀態(tài)下能將近紅外光高效轉(zhuǎn)化為熱，激光照射1分鐘內(nèi)表面溫度飆升至450 °C，實現(xiàn)非接觸光焊接（圖4b-c）。將ATT與熱電發(fā)生器結(jié)合，可構(gòu)建“光→熱→電”轉(zhuǎn)換鏈，4倍太陽光下輸出電壓達(dá)1.83 V，足以驅(qū)動水分解產(chǎn)生氫氣（圖4d-f），在相同面積條件下，該體系表現(xiàn)出優(yōu)于商業(yè)太陽能電池（對照組）的驅(qū)動效果。

圖4. 通過聚集產(chǎn)生發(fā)光之外的新功能。（a）雅布隆斯基能級圖示意非輻射光物理效應(yīng)，包括光熱，光聲，光敏化，光催化和光反應(yīng)。光熱效應(yīng)：（b）激光照射可迅速加熱ATT粉末；（c）利用強(qiáng)烈的光熱效應(yīng)對斷裂的鋅導(dǎo)線實現(xiàn)快速的非接觸式光焊接。光熱與熱電協(xié)同效應(yīng)：（d）ATT涂覆的太陽熱電器（STEC）在太陽光照射下其短路電流（I_SC）遠(yuǎn)高于近期報道的高性能太陽能電池（SC）體系；（e）在1個和4個太陽光照強(qiáng)度下，ATT涂覆的STEC（ATT-STEC）分別產(chǎn)生0.81 V和1.83 V電壓，而未涂覆ATT的對照裝置僅產(chǎn)生0.20 V和0.45 V電壓；ATT-STEC產(chǎn)生的更高電壓和更強(qiáng)功率依賴性表明光熱效應(yīng)在其中發(fā)揮了關(guān)鍵作用；（f）STEC產(chǎn)生的高電壓能夠驅(qū)動太陽能水分解（圖中可見大量氫氣氣泡的產(chǎn)生），而在相同面積條件下商業(yè)太陽能電池難以實現(xiàn)同樣效果。

  在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，AGF同樣大顯身手。AIE基元FY6聚集形成的納米顆粒光熱轉(zhuǎn)換效率高達(dá)80%，1分鐘內(nèi)可將腫瘤加熱至47 °C，11天內(nèi)實現(xiàn)腫瘤完全消融（圖5a-b）。聚集還能顯著增強(qiáng)光聲信號，實現(xiàn)高對比度深層組織成像（圖5c）。更精妙的是光熱-光聲協(xié)同（PTA）機(jī)制：光熱擴(kuò)張腫瘤血管孔隙，光聲壓力波推動納米顆粒穿透血管屏障深入腫瘤內(nèi)部（圖5d），這種熱-聲耦合提高了納米顆粒富集與穿透能力，助力多模態(tài)精準(zhǔn)癌癥治療。

圖5. 通過聚集產(chǎn)生發(fā)光之外的新功能（續(xù)）。光熱效應(yīng)（生物應(yīng)用）：（a）FY6納米顆粒在光照下可使體內(nèi)腫瘤升溫；（b）經(jīng)光熱處理的腫瘤被有效消融，而未處理的腫瘤則持續(xù)生長。光聲效應(yīng)：（c）脈沖激光照射產(chǎn)生聲波信號，實現(xiàn)超聲腫瘤成像。光熱+光聲效應(yīng)：（d）脈沖激光照射同時產(chǎn)生熱能和聲能；熱效應(yīng)使腫瘤血管孔隙擴(kuò)張，而聲壓則推動納米顆粒深入腫瘤內(nèi)部，從而加速靶向藥物遞送。光敏化過程：聚集可縮小單重態(tài)–三重態(tài)能級差，促進(jìn)系間竄越并穩(wěn)定三重態(tài)激子，從而高效生成（e）總活性氧，（f）單線態(tài)氧（1O?，II型ROS；相比之下，聚集會抑制卟啉衍生物58的1O?生成），以及（g）羥基自由基和超氧陰離子自由基（I型ROS）。

  在光敏化方面，聚集通過縮小單重態(tài)-三重態(tài)能隙，促進(jìn)系間竄越并穩(wěn)定三重態(tài)激子，從而高效生成I型和II型活性氧（ROS; 圖5e-g）。這與傳統(tǒng)ACQ光敏劑（如卟啉衍生物58）聚集后II型ROS產(chǎn)率下降形成鮮明對比。尤其重要的是，聚集顯著增強(qiáng)不依賴氧氣的I型光敏化效應(yīng)，為乏氧腫瘤微環(huán)境治療提供新策略。

  更令人興奮的是，AIE基元60在聚集態(tài)下通過光誘導(dǎo)氧化還原失衡（PIRI）效應(yīng)，1.5分鐘內(nèi)對NADH的氧化程度比溶液態(tài)高出4.8倍，并在實驗條件下于3分鐘內(nèi)對口腔厭氧菌實現(xiàn)近乎完全的殺滅效果（圖6a-c）。這為厭氧菌感染和乏氧腫瘤治療提供了全新策略。

圖6. 通過聚集產(chǎn)生發(fā)光之外的新功能（續(xù)）。光催化過程：（a）AIE基元60的三重態(tài)激子與NADH 發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，從而氧化NADH、破壞呼吸鏈電子傳遞，并通過光誘導(dǎo)氧化還原失衡效應(yīng)殺滅細(xì)菌；這種I_OF型光敏體系對厭氧微生物滅活及缺氧腫瘤消融具有顯著效果；（b）聚集可加速光催化過程：在1.5分鐘光照后，60的聚集體對NADH的氧化程度比其分子態(tài)高出4.8倍以上；（c）對含厭氧菌體系中的聚集體進(jìn)行光照可消除病原體，從而實現(xiàn)光催化治療（PCT）。光反應(yīng)過程：（d）在化合物61的晶體中，較短的C=C距離（約3.9 ?）使光環(huán)化反應(yīng)成為可能；（e）光誘導(dǎo)的61→62單晶轉(zhuǎn)化改變晶體尺寸；晶體寬度（w）和長度（l）的增加使涂覆該晶體的橡膠條產(chǎn)生定向彎曲，從而實現(xiàn)光響應(yīng)機(jī)械性能調(diào)控。

  聚集對分子的影響不局限于物性和功能的改變。在光化學(xué)反應(yīng)中，結(jié)晶使分子61中C=C距離縮短至3.896 ?，小于光環(huán)化所需的4.2 ?。光照因而驅(qū)動光環(huán)化反應(yīng)，結(jié)構(gòu)從61轉(zhuǎn)化為更伸展的62，導(dǎo)致涂覆該晶體的橡膠條定向彎曲（圖6d-e）。這是光能-機(jī)械功的直接轉(zhuǎn)換，在響應(yīng)材料與軟體驅(qū)動領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。

  AGF告訴我們：那些曾被視作“浪費”的能量，一旦被正確理解和利用，就能創(chuàng)造出發(fā)光之外的新功能。

第三部分：未來—聚集體科學(xué)（AS）新天地

核心脈絡(luò)：從還原論走向涌現(xiàn)論，從設(shè)計分子走向構(gòu)建聚集體

  從AIE到AGF的探索之旅，見證了太多“整體大于部分之和”的“涌現(xiàn)”奇跡。為了系統(tǒng)理解和設(shè)計這類涌現(xiàn)現(xiàn)象，唐本忠院士團(tuán)隊提出了聚集體科學(xué)（AS）研究框架，呼吁科學(xué)研究從分子主義（還原論）向聚集體主義（涌現(xiàn)論）的范式轉(zhuǎn)移（圖7a）。

圖7. 呼喚從分子主義向聚集體主義的范式轉(zhuǎn)移。（a）分子主義認(rèn)為，聚集體（整體）的性質(zhì)由其組成分子（部分）所決定，因而忽視那些單個組分不存在的性質(zhì)；系統(tǒng)論承認(rèn)，聚集體與其組成單元之間可能存在差異，但缺乏明確的研究對象以及可操作的研究方法；涌現(xiàn)論指出，低級組分之間的相互作用和組織方式可以產(chǎn)生新的高級性質(zhì)。（b）簇發(fā)光（CL）：淀粉通過多鏈簇集以及空間相互作用和多級組織，實現(xiàn)“從0到1”的光致發(fā)光。（c）形貌光致變色（MPC）：在化合物64的β晶體中，兩性離子相互作用穩(wěn)定一個具有較小二面角（θ_β ≈ 37°）的分子構(gòu)象，誘導(dǎo)光環(huán)化反應(yīng)并產(chǎn)生MPC效應(yīng)；而α晶體中離子相互作用較弱，二面角較大（θ_α ≈ 58°），因而阻斷光環(huán)化反應(yīng)。（d）形貌變色（MC）：濕潤/干燥引起的吸水/脫水導(dǎo)致聚合物網(wǎng)絡(luò)膨脹/收縮，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)色分別發(fā)生藍(lán)移/紅移。

  涌現(xiàn)論認(rèn)為，新的高層次性質(zhì)源于各組成部分之間的相互作用和組織結(jié)構(gòu)。淀粉通過多鏈簇集發(fā)光（圖7b）；同一分子64因堆積方式不同，在β晶體中因二面角較小（37°）發(fā)生光環(huán)化，在α晶體中因二面角較大（58°）而發(fā)光（圖7c）；兩親性聚合物隨濕度變化發(fā)生可逆的顏色和形態(tài)轉(zhuǎn)變（圖7d）?這些例子都在告訴我們：聚集不僅會改變原有性質(zhì)，還有可能創(chuàng)造出分子層面根本不存在的全新性質(zhì)。

  聚集體科學(xué)的視野遠(yuǎn)不止于發(fā)光。聚二炔66在溶液中無磁性，但粉末態(tài)可被磁子吸引（圖8a）；單根柔性聚乙烯鏈67聚集后獲得高強(qiáng)度（圖8b）；PNIPAM隨溫度變化從親水線團(tuán)轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷蚓奂w（圖8c）；無催化活性的乳酸脫氫酶亞基通過組合裝配形成四聚體，表現(xiàn)出特異性催化功能（圖8d）；甚至在同一納米顆粒中，緊密堆積的核心可發(fā)光和產(chǎn)生活性氧而用于熒光成像和光動力治療，松散堆積的表面可產(chǎn)熱而用于光熱治療和光聲成像，從而實現(xiàn)“一體多能”（圖8e）。

圖8. 聚集產(chǎn)生新性質(zhì)（涌現(xiàn)聚集體系示例）。（a）磁性：聚二炔（66）在分子層面不具有磁性，但其粉末狀聚集體可以被磁化，這是由于聚集穩(wěn)定的自由基在外加磁場作用下發(fā)生自旋取向所致。（b）機(jī)械強(qiáng)度：單根聚乙烯鏈在溶液中呈隨機(jī)線團(tuán)結(jié)構(gòu)且具有柔性，但在范德華作用的介導(dǎo)下，鏈段發(fā)生取向排列并形成致密堆積，從而產(chǎn)生高機(jī)械強(qiáng)度的聚集體。（c）疏水性：聚(N-異丙基丙烯酰胺)（PNIPAM）在加熱過程中，水–酰胺氫鍵被破壞，相鄰聚合物鏈間形成新的氫鍵，使其從親水分子線團(tuán)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷蛐尉奂w。（d）生物催化：無催化活性的乳酸脫氫酶（LDH）亞基單鏈通過組合裝配形成四聚體，不同組裝結(jié)構(gòu)的聚集體表現(xiàn)出非常不同的酶催化活性。（e）多功能性：在單組分納米顆粒體系中，核心區(qū)域的分子由于緊密堆積而表現(xiàn)出光致發(fā)光并具有PDT活性，而表面區(qū)域較為松散的分子則有利于分子運動驅(qū)動的PT與PA輸出，從而實現(xiàn)“一體多能”的協(xié)同多模態(tài)診療體系。

  按組成復(fù)雜度，聚集體可分為一元（unary），二元（binary）和多元（multiary/N-ary）體系。自然界中，聚集體通常是多元體系，即使是簡單的支原體，也由核酸、蛋白質(zhì)、脂類等多種非生命分子組成（圖9c）。從肽鏈到細(xì)胞器，到組織，到器官，再到完整生物體，每一層次都可通過特定組織過程涌現(xiàn)出新功能（圖9e）。生命本身，正是最復(fù)雜的多元聚集體，是非生命分子通過復(fù)雜聚集與組織而涌現(xiàn)出的高度復(fù)雜體系。

  人工多元聚集體是一片未開墾的處女地、是科學(xué)研究的最前沿。調(diào)控分子間相互作用與層級組裝結(jié)構(gòu)，可構(gòu)建具有動態(tài)響應(yīng)能力和智能化的多元聚集體系?這意味著研究范式從“設(shè)計分子”走向“構(gòu)建聚集體”（圖9f）。

圖9. 聚集體科學(xué)的研究視角：從“簡單”到復(fù)雜，從非生命到生命。具有涌現(xiàn)性質(zhì)的（a）一元和（b）二元聚集體系示例?原本不發(fā)磷光的組分CPM和DMA/TPP32聚集后產(chǎn)生室溫磷光。（c）自然界的聚集體通常是多元體系；即使是最簡單的微生物支原體也是由多種非生命生物（大）分子組成的。（d）與較簡單的一元和二元體系類似，更復(fù)雜的多元聚集體系也可以通過涌現(xiàn)論方法進(jìn)行研究，因為其新性質(zhì)同樣來源于組分間的相互作用、依賴于組分間的組織方式。（e）生命體系是典型的多元聚集體系：闡明從分子構(gòu)筑單元到完整生物體之間各組分的非共價相互作用，有望揭示和理解生命體系中聚集過程的基本規(guī)律。（f）人造多元聚集體系仍處于初期探索階段；通過聚集體科學(xué)的系統(tǒng)研究，未來有望實現(xiàn)對具有多級結(jié)構(gòu)和多重功能的多元體系的定制化設(shè)計。

  展望未來，聚集體科學(xué)將致力于：

  （1）深化理論與可量化方法學(xué)。建立系統(tǒng)性“聚集-涌現(xiàn)”關(guān)系研究方法至關(guān)重要。除基于組分的分類，引入環(huán)境因素及時空維度可能進(jìn)一步深化理解。目前許多認(rèn)識仍停留在定性層面，需要發(fā)展更先進(jìn)的理論模型與計算模擬方法，量化非共價空間相互作用、聚集體結(jié)構(gòu)與宏觀功能之間的關(guān)系，實現(xiàn)自下而上的可預(yù)測設(shè)計。

  （2）從一元體系向多元體系拓展。現(xiàn)有研究主要集中在一元或二元體系，而自然界，尤其生物體系，普遍由復(fù)雜多元聚集體構(gòu)成。系統(tǒng)繪制多級非共價作用力網(wǎng)絡(luò)、理解多元體系中的協(xié)同效應(yīng)，對認(rèn)識自然界復(fù)雜性、構(gòu)建類生命智能體系至關(guān)重要。

  （3）研究動態(tài)非平衡過程。生物聚集體系通常在遠(yuǎn)離熱力學(xué)平衡條件下運行。研究需從靜態(tài)結(jié)構(gòu)拓展至動態(tài)過程，如組裝、關(guān)聯(lián)、解離、重構(gòu)等，并通過外部刺激（光、電、磁場、化學(xué)能等）調(diào)控，實現(xiàn)智能體系中實時可逆的功能切換。

  （4）推動面向功能的“聚集工程”。隨著理論體系漸臻成熟，聚集體科學(xué)有望發(fā)展為聚集工程學(xué)。通過設(shè)計特定分子基元、調(diào)控組裝路徑，可構(gòu)建面向特定應(yīng)用需求的聚集體系，如高效能量轉(zhuǎn)換、多模態(tài)診療體系、仿生驅(qū)動器等，實現(xiàn)從“分子結(jié)構(gòu)決定論”向“聚集結(jié)構(gòu)決定論”的轉(zhuǎn)變。

  （5）標(biāo)準(zhǔn)化術(shù)語體系與跨學(xué)科整合。聚集體科學(xué)位于化學(xué)、物理、工程學(xué)、生物學(xué)、材料科學(xué)等多學(xué)科交叉前沿。建立統(tǒng)一術(shù)語體系及標(biāo)準(zhǔn)化方法、研究流程，將為跨學(xué)科合作提供基礎(chǔ)，加速突破性進(jìn)展。

結(jié)語

如果分子是物質(zhì)的基礎(chǔ)，那么聚集體就是功能的舞臺。

  從2001年AIE概念的提出，到如今聚集體科學(xué)框架的建立，四分之一個世紀(jì)的探索告訴我們：科學(xué)的突破往往來自于對“反常”現(xiàn)象的執(zhí)著追問。那些被認(rèn)為“無用”的非輻射能量，可以被轉(zhuǎn)化為光熱、光聲、光催化；那些被認(rèn)為“無功能”的非共軛分子，可以在聚集后產(chǎn)生明亮的簇發(fā)光；那些無生命的生物分子，可以通過多級聚集，涌現(xiàn)出鮮活的生命特征。從“聚集誘導(dǎo)發(fā)光”到“聚集產(chǎn)生功能”再到“聚集體科學(xué)”，這是一條從分子到物質(zhì)、從物質(zhì)到生命的認(rèn)知進(jìn)階之路。在這條路上，奇跡正在上演，而帷幕才剛剛拉開。

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.accounts.6c00071