唐本忠：“聚集”科學之光

原文地址：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2024/3/518417.shtm

 唐本忠  受訪者供圖

■本報記者 甘曉

本世紀初，唐本忠帶領研究團隊在國際上首次提出了聚集誘導發光（AIE）的新概念。這項中國人改寫光物理教科書的發現，在國際上開辟了一個具有原創性和引領性的科學研究新領域，曾獲國家自然科學獎一等獎。唐本忠于2009年當選中國科學院院士，2021年從香港科技大學轉任香港中文大學（深圳）理工學院院長。

近年來，基于挖掘AIE新現象、新內涵的科研經歷和感悟，唐本忠倡導從以還原論為基礎的“分子論”到以整體論為基礎的“聚集體論”的研究范式的轉移。

美景在路旁

“幾乎沒有任何研究課題會完全按照預期發展。”回憶起發現AIE的過程，唐本忠深有感觸：美景不在平坦大道上，而在崎嶇小路旁……

發光是物質把吸收的能量轉化為光輻射的物理過程。過去數百年，人們在很多發光體系中觀測到一種被稱為“聚集淬滅發光（ACQ）”的光物理現象。ACQ指的是發光分子在稀溶液里高效發光，但在濃溶液中或聚集狀態下，其發光減弱甚至完全消失。ACQ效應廣泛存在，因而成為發光研究領域的一個常識。

很多科學家致力于改進發光材料的性能，防止分子聚集，避免ACQ效應。

轉折發生在2001年。一天，唐本忠課題組里一名學生做實驗時發現，樣品點在薄層色譜板上，在紫外燈照射下沒有像預計的那樣觀察到熒光發射；過了一陣，溶劑揮發之后，樣品“濕點”變成了“干點”，也就是材料聚集之后，反而發出了明亮的熒光。

越聚集、越發光？這是一個和ACQ效應截然相反的現象。唐本忠沒有輕易懷疑學生可能弄錯了，反而敏銳地認為這種“反常”現象“非常有意思”。

“如果我們能證明ACQ不一定對，會是一個有意義的突破。”他說，正如科學哲學家波普爾提出的“證偽主義”，大膽假設的“證實”和謹慎猜想的“證偽”都代表了科學的進步。

經過嚴密設計實驗，他們確認“越聚集、越發光”的現象的確存在，并將其命名為AIE。

唐本忠告訴《中國科學報》：“從事基礎科學研究要敢于質疑、勇于證偽，修正甚至推翻已被廣泛接受的模型和常識。”

用哲學啟迪科學

唐本忠是一位哲學愛好者。在他看來，科學從哲學發源而來，二者都反映了人類對外部世界的感知和認識。

事實上，唐本忠從少年時期就熱愛文學藝術。他喜看雜書，為如今以哲學視角思考科學問題奠定了基礎。

1977年，國家恢復高考，在“學好數理化，實現現代化”的感召下，唐本忠走上了學習化學的道路。1982年，從華南理工大學高分子化工專業畢業后，他作為我國改革開放后首批集體派出的公費留學生之一，被教育部選送到日本京都大學攻讀高分子合成化學專業博士學位。

“我在京都大學的導師是國際知名的高分子合成大師。他的導師年紀很大，經常思考哲學問題，也啟發了我。”唐本忠回憶說。

唐本忠對“范式”概念體會很深。上世紀60年代，美國科學哲學家托馬斯·庫恩在《科學革命的結構》一書中提出了“范式轉移”的概念，對科學哲學領域產生了深遠影響。

“范式”指的是科學研究的一種規范，是科學家在某一階段探索自然共同遵守的理論框架或基本規則。唐本忠認為，當前物質科學研究遵從的是“分子科學”范式，這是一種基于還原論哲學的認識論。

“在這一范式下，人們認為世間萬物都可以被‘還原’成最簡單、最基本的微小粒子（或部分），其運動規律和行為方式等可以被認識、被描述，而‘整體’就是這些‘部分’之和。”唐本忠說，機械還原論的巨大成功誘使人們將還原論廣泛擴展至各個領域，甚至生命科學。

然而，事實上呢？還原論受到越來越多的挑戰。最近，一位以色列退休教授的著作《什么是生命：化學如何成為生物學？》作為睡前讀物擺在唐本忠的床頭。

作者在書中指出，當前，人們在分子生物學領域已經取得重大進展，通過還原論了解了蛋白質、DNA、RNA、脂肪、糖等生物分子的化學結構，卻對生命的形成和本質知之甚少，有點“盲人摸象”的味道。

唐本忠也有同感。“就拿我熟悉的ACQ和AIE兩種截然相反的現象來說，從單分子向多分子聚集，可產生全新的聚集體材料。一些在分子層面上看似‘不可能’的結構和性質，在聚集體層面上變得‘可能’。”他告訴《中國科學報》，“按照分子科學范式，很難解釋和理解這些聚集過程中涌現出的新結構和新性質，并揭示它們的形成機理和工作機制，這需要新的哲學思想和研究范式的指引。”

從分子論到聚集體論

20多年來，唐本忠一直致力于將AIE材料做大做強。作為一個中國本土原創的新材料體系，其衍生的新技術和新產品有望打破國外對熒光檢測技術及相關產品的壟斷。

研究人員利用AIE的特殊性質，開拓挖掘其在生物檢測方面的應用潛力。例如，水溶性AIE基元在水介質中不發光，但在腫瘤等病變組織中聚集后就會發光。

目前，從原創理論的突破到產業應用的推廣，唐本忠帶領團隊幾乎打通了整條創新價值鏈，在生物成像、化學傳感、光電器件、信息存儲、癌癥診療、納米藥物遞送、低碳城市建設等諸多領域都能見到AIE的身影。

“我們開始以哲學上的‘涌現論’來思考問題。”唐本忠表示，我國古代先哲老子的“一生二，二生三，三生萬物”給了他啟示——漸變引起突變、量變導致質變。

基于這樣的思考，唐本忠提出“聚集體科學”的概念，呼吁從“分子論”向“聚集體論”的研究范式轉移。為此，他創辦了名為《聚集體》的科學期刊。

“從整體來看，分子之上有無限的探索空間。對聚集體的研究將為我們帶來新的模型、新的假說、新的圖景、新的理論、新的機理、新的通道……科學家可在聚集體這塊沃土上開墾耕耘、在這個平臺上開拓探索。聚集體研究所產生的新知識和新技術，將推動科學進步和社會發展。”他說。

　　 《中國科學報》 (2024-03-05 第1版 要聞)