作者:甘晓 来源: 中国科学报 发布时间:2024-3-5
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唐本忠:“聚集”科学之光

 

唐本忠  受访者供图

■本报记者 甘晓

本世纪初,唐本忠带领研究团队在国际上首次提出了聚集诱导发光(AIE)的新概念。这项中国人改写光物理教科书的发现,在国际上开辟了一个具有原创性和引领性的科学研究新领域,曾获国家自然科学奖一等奖。唐本忠于2009年当选中国科学院院士,2021年从香港科技大学转任香港中文大学(深圳)理工学院院长。

近年来,基于挖掘AIE新现象、新内涵的科研经历和感悟,唐本忠倡导从以还原论为基础的“分子论”到以整体论为基础的“聚集体论”的研究范式的转移。

美景在路旁

“几乎没有任何研究课题会完全按照预期发展。”回忆起发现AIE的过程,唐本忠深有感触:美景不在平坦大道上,而在崎岖小路旁……

发光是物质把吸收的能量转化为光辐射的物理过程。过去数百年,人们在很多发光体系中观测到一种被称为“聚集淬灭发光(ACQ)”的光物理现象。ACQ指的是发光分子在稀溶液里高效发光,但在浓溶液中或聚集状态下,其发光减弱甚至完全消失。ACQ效应广泛存在,因而成为发光研究领域的一个常识。

很多科学家致力于改进发光材料的性能,防止分子聚集,避免ACQ效应。

转折发生在2001年。一天,唐本忠课题组里一名学生做实验时发现,样品点在薄层色谱板上,在紫外灯照射下没有像预计的那样观察到荧光发射;过了一阵,溶剂挥发之后,样品“湿点”变成了“干点”,也就是材料聚集之后,反而发出了明亮的荧光。

越聚集、越发光?这是一个和ACQ效应截然相反的现象。唐本忠没有轻易怀疑学生可能弄错了,反而敏锐地认为这种“反常”现象“非常有意思”。

“如果我们能证明ACQ不一定对,会是一个有意义的突破。”他说,正如科学哲学家波普尔提出的“证伪主义”,大胆假设的“证实”和谨慎猜想的“证伪”都代表了科学的进步。

经过严密设计实验,他们确认“越聚集、越发光”的现象的确存在,并将其命名为AIE。

唐本忠告诉《中国科学报》:“从事基础科学研究要敢于质疑、勇于证伪,修正甚至推翻已被广泛接受的模型和常识。”

用哲学启迪科学

唐本忠是一位哲学爱好者。在他看来,科学从哲学发源而来,二者都反映了人类对外部世界的感知和认识。

事实上,唐本忠从少年时期就热爱文学艺术。他喜看杂书,为如今以哲学视角思考科学问题奠定了基础。

1977年,国家恢复高考,在“学好数理化,实现现代化”的感召下,唐本忠走上了学习化学的道路。1982年,从华南理工大学高分子化工专业毕业后,他作为我国改革开放后首批集体派出的公费留学生之一,被教育部选送到日本京都大学攻读高分子合成化学专业博士学位。

“我在京都大学的导师是国际知名的高分子合成大师。他的导师年纪很大,经常思考哲学问题,也启发了我。”唐本忠回忆说。

唐本忠对“范式”概念体会很深。上世纪60年代,美国科学哲学家托马斯·库恩在《科学革命的结构》一书中提出了“范式转移”的概念,对科学哲学领域产生了深远影响。

“范式”指的是科学研究的一种规范,是科学家在某一阶段探索自然共同遵守的理论框架或基本规则。唐本忠认为,当前物质科学研究遵从的是“分子科学”范式,这是一种基于还原论哲学的认识论。

“在这一范式下,人们认为世间万物都可以被‘还原’成最简单、最基本的微小粒子(或部分),其运动规律和行为方式等可以被认识、被描述,而‘整体’就是这些‘部分’之和。”唐本忠说,机械还原论的巨大成功诱使人们将还原论广泛扩展至各个领域,甚至生命科学。

然而,事实上呢?还原论受到越来越多的挑战。最近,一位以色列退休教授的著作《什么是生命:化学如何成为生物学?》作为睡前读物摆在唐本忠的床头。

作者在书中指出,当前,人们在分子生物学领域已经取得重大进展,通过还原论了解了蛋白质、DNA、RNA、脂肪、糖等生物分子的化学结构,却对生命的形成和本质知之甚少,有点“盲人摸象”的味道。

唐本忠也有同感。“就拿我熟悉的ACQ和AIE两种截然相反的现象来说,从单分子向多分子聚集,可产生全新的聚集体材料。一些在分子层面上看似‘不可能’的结构和性质,在聚集体层面上变得‘可能’。”他告诉《中国科学报》,“按照分子科学范式,很难解释和理解这些聚集过程中涌现出的新结构和新性质,并揭示它们的形成机理和工作机制,这需要新的哲学思想和研究范式的指引。”

从分子论到聚集体论

20多年来,唐本忠一直致力于将AIE材料做大做强。作为一个中国本土原创的新材料体系,其衍生的新技术和新产品有望打破国外对荧光检测技术及相关产品的垄断。

研究人员利用AIE的特殊性质,开拓挖掘其在生物检测方面的应用潜力。例如,水溶性AIE基元在水介质中不发光,但在肿瘤等病变组织中聚集后就会发光。

目前,从原创理论的突破到产业应用的推广,唐本忠带领团队几乎打通了整条创新价值链,在生物成像、化学传感、光电器件、信息存储、癌症诊疗、纳米药物递送、低碳城市建设等诸多领域都能见到AIE的身影。

“我们开始以哲学上的‘涌现论’来思考问题。”唐本忠表示,我国古代先哲老子的“一生二,二生三,三生万物”给了他启示——渐变引起突变、量变导致质变。

基于这样的思考,唐本忠提出“聚集体科学”的概念,呼吁从“分子论”向“聚集体论”的研究范式转移。为此,他创办了名为《聚集体》的科学期刊。

“从整体来看,分子之上有无限的探索空间。对聚集体的研究将为我们带来新的模型、新的假说、新的图景、新的理论、新的机理、新的通道……科学家可在聚集体这块沃土上开垦耕耘、在这个平台上开拓探索。聚集体研究所产生的新知识和新技术,将推动科学进步和社会发展。”他说。

《中国科学报》 (2024-03-05 第1版 要闻)
 
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