“聚集体科学”概念的提出填补了分子态和聚集态之间的空白，总结了聚集态尺度上的结构和性能，建立了聚集态下的构效关系。因此，聚集体科学可能成为一个跨学科的研究领域，助力新材料的不断创新发展。
作为聚集体科学中一个重要的环节，聚集过程对于调控分子态到聚集态的构效关系起着重要作用。Py作为最简单的二聚体候选物，是作为研究聚集过程的理想模型。
传统的有机固体材料研究方法通常基于“还原论”，认为微观分子结构的性质可以决定宏观材料的性质。然而对于某些材料例如聚集诱导发光（Aggregation-induced emission，AIE）材料而言，分子结构和材料性能之间并不符合基于“还原论”的结构决定性质规律，反而其中聚集结构和聚集过程起到了重要的桥梁作用。因此，本文以最简单的二聚体候选分子Py作为模型，通过对聚集过程和聚集结构的调控，在高于单分子的水平上实现对宏观性质的初步调控。
图1 图文摘要
Py是一种平面大共轭分子，聚集后容易形成二聚体结构，聚集前后的光物理性质具有明显的差异，同时可通过侧链工程引入不同尺寸的取代基来探索分子运动，空间位阻等各种因素在聚集过程中的综合影响，是探索聚集过程和聚集结构桥梁作用的理想聚集模型之一（图2）。
图2 Py及其衍生物的设计策略
实验表明，Py表现出异常的AIE特性，是由于Py的三线态激子对氧气敏感，导致在单分子水平荧光猝灭，而在无氧条件下表现出三线态-三线态湮灭（Triplet-triplet annihilation，TTA）延迟荧光，醛基的取代可以在刚性的分子骨架中引入分子运动，导致更强的非辐射跃迁。当引入环己胺（CyA）和源自天然松香的一种衍生物——脱氢枞胺（DAA）时，分子运动占据主导地位，发生非辐射跃迁过程导致微弱荧光。上述结果体现了氧气、取代基和分子运动对单分子态的影响（图3）。
图3 Py的聚集诱导发光性能研究
在聚集态时，氧气被隔离，避免荧光猝灭，Py荧光增强。Py及其衍生物在聚集态和晶态的发射相比表现出不同的趋势，这种差异可能归因于在聚集体快速形成过程中，Py骨架的电子效应占主导地位，有利于形成离散二聚体结构，并导致天蓝色或绿色发射（波长范围为460-510 nm）。相反，在晶态时，取代基控制了缓慢的结晶过程，导致Py-DAA的深蓝色荧光，Py的天蓝色荧光，Py-CyA的绿色荧光和Py-CHO的黄色荧光。上述结果表明了聚集过程对于聚集态性能的影响，以及取代基在不同聚集过程中的重要作用（图4）。
图4 Py及其衍生物不同状态下的光物理性能研究
通过单晶分析，天然松香较大的取代基由于空间位阻效应可以分散Py形成松散的堆积，从而表现出深蓝色和较弱的荧光；中号取代基对聚集态的发射行为影响最小，与Py都表现出离散的二聚体堆积和较强的荧光，而同时具有平面效应和电子效应的取代基会导致长程有序的π-π堆积表现出红移和较弱的荧光。聚集态的构效关系表明我们可以根据聚集态的性能推断化合物的聚集结构，并使用“整体论”方法进行合理的分子设计（图5）。
图5 Py及其衍生物的单晶数据
值得注意的是，天然松香衍生物Py-DAA的初始样品呈现出微弱的深蓝色荧光，经过研磨后，Py部分由非重叠态过渡到部分重叠态，转变为亮绿色荧光，表现出明显的力致变色（Mechanochromic luminescence，MCL）特性。此外，Py-DAA对酸碱刺激敏感，表现出酸致变色（Acidochromic luminescence，ACL）性能。因此, 我们可以通过外部刺激分别改变分子和聚集结构来协同调控宏观光物理性质（图6）。
图6 Py-DAA的力致变色和酸致变色性能研究
Py-DAA的多刺激响应特性可以实现信息动态加密与解密，从而具有增强信息安全性的潜力。与传统的单刺激响应材料相比，其独特的多刺激响应特性赋予了Py-DAA更好的保密性，显示了该材料在防伪和加解密应用方面的巨大前景。此外，低成本和天然的原材料易于获取，以及简单的一步合成，使Py-DAA容易达到克级生产，为进一步的实际应用铺平了道路（图7）。
图7 Py-DAA的动态加密解密应用
总结与展望
该研究利用大平面共轭分子Py作为研究模型，不仅首次阐明了Py独特的AlE特性，而且阐明了氧气、取代基、分子运动和堆积等因素对Py聚集过程的综合影响，实现了对聚集结构的初步调控，为聚集体科学研究提供了一个新的思路。此外，天然松香基团的引入带来了多重刺激响应性能，为松香的创新利用提供一个可行的研究方向。
责任编辑
王本斐 中山大学
姜 帅 南开大学
本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第6卷第7期以Article发表的“Pyrene-based aggregation-induced emission: A bridge model to regulate aggregation” (投稿: 2024-12-13；接收: 2025-03-13；在线刊出: 2025-03-17)。
DOI:10.1016/j.xinn.2025.100884
引用格式：Lin Y., Zhang J., Wang W.-J., et al. (2025). Pyrene-based aggregation-induced emission: A bridge model to regulate aggregation. The Innovation 6:100884.
作者简介
蔡旭敏，南京林业大学副教授，江苏省“双创博士”，国家“双一流”专业“林产化工”系副主任，于南京大学和德国慕尼黑工业大学获硕士和博士学位。主要从事林木生物基聚集诱导发光材料的跨学科研究。近5年内以第一/通讯作者身份在Nature Communications、National Science Review、Advanced Science、Aggregate和Chemical Science等期刊发表论文30余篇，获JMCC新锐科学家、Aggregate高被引作者、江苏省低碳技术学会科学技术奖等。研究工作得到美国科学促进会旗下EurekAlert、《国家科学评论》和新华报业《交汇点》等媒体杂志亮点评述。任The Innovation、Aggregate和《生物质化学工程》期刊青年编委。
课题组主页：https://www.x-mol.com/groups/cai_xumin
唐本忠，香港中文大学（深圳）校长学勤讲座教授，理工学院院长，中国科学院院士、发展中国家科学院院士、亚太材料科学院院士、国际生物材料科学与工程学会联合会会士、中国化学会会士、英国皇家化学会会士。于1982年和1988年分别在华南理工大学和日本京都大学取得学士学位和博士学位，于1989年至1994年在加拿大多伦多大学进行了博士后研究并于Neos公司任高级研究员。1994年加入香港科技大学从事学术研究工作，2008年晋升为讲席教授。2021年加入香港中文大学（深圳）。唐教授主要从事高分子化学和先进功能材料研究，是聚集诱导发光（Aggregation-Induced Emission, AIE）概念的提出者和AIE研究的引领者。目前已发表学术论文2300余篇，总引用超过二十万次，h因子为192，拥有100多项授权专利。现任德国Wiley出版社发行的Aggregate《聚集体》杂志主编等职务，曾获国家自然科学一等奖（2017）、何梁何利科学与技术进步奖（2017）、第27届Khwarizmi国际科学奖（2014）、Nano Today国际科学奖（2021）、Biomaterials全球影响力奖（2023），中国化学会–中国石油化工股份有限公司化学贡献奖（2024）等多个奖项。
课题组主页：https://tangbz.ust.hk;
https://www.x-mol.com/groups/tang-benzhong-cuhksz
赵 征，博士生导师，香港中文大学（深圳）理工学院助理教授、医学院客座助理教授、香港中文大学（深圳）校长青年学者、深圳市分子聚集体功能材料重点实验室副主任，香港中文大学（深圳）理工学院&附属第二医院聚集诱导发光临床转化研究中心执行副主任。兼任Discover Molecules期刊Section Editor，Aggregate期刊青年编委，National Science Review期刊青年编委，Chinese Chemical Letters期刊青年编委，Smart Molecules期刊青年编委。2021年国家海外优秀青年基金获得者，入选深圳市鹏城孔雀计划特聘岗C类人才、2022年入选Materials Frontier Chemistry, Chemical Communications, Journal of Materials Chemistry B新锐科学家, 获中国化学会朱道本有机固体青年创新奖，自2021年起连续四年入选斯坦福全球前2%顶尖科学家榜单。主要从事聚集体发光材料的发光机理研究、新型聚集体光敏剂的开发和应用研究、近红外二区发光/光热材料的开发和应用探索。Nat. Photonics、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nat. Commun.、Natl. Sci. Rev.等国际高水平期刊发表学术论文100余篇，引用一万余次，H index: 60。作为共同主编出版英国皇家化学会高分子专著一本。
课题组主页：https://www.x-mol.com/groups/zhao_zheng/publications
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The Innovation是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者来自全球59个国家；已被151个国家作者引用；每期1/5-1/3通讯作者来自海外。目前有200位编委会成员，来自22个国家；50%编委来自海外(含39位各国院士)；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus，PubMed，ESCI，INSPEC，EI，中科院分区表(1区)等收录。2023年影响因子为33.2，2023年CiteScore为38.3。秉承“好文章，多宣传”理念，The Innovation在海内外各平台推广作者文章。
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