想象一下：有一些分子，它们在稀溶液中像害羞的孩子，默默无闻、不发一言；但当它们手拉手聚集在一起时，却突然绽放出耀眼的光芒！这不是童话，而是真实存在的科学现象，它有一个响亮的名字—聚集诱导发光（AIE）。

  2026年3月11日，香港中文大学（深圳）唐本忠院士团队在《Accounts of Chemical Research》发表题为“Aggregation-Induced Emission: Past, Present, and Future”的Pioneer Account（先驱报告）。这篇文章不仅梳理了AIE领域的发展历程，还进一步提出了“聚集体科学”（Aggregate Science, AS）这一概念框架。

  今天，就让我们跟随这篇综述，一起探索这个从“0”到“1”的神奇世界。

引言：

  自16世纪以来，还原论哲学如同一位严谨的会计师，坚持"整体等于各部分之和"的核算原则，深刻塑造着人类认知世界的方式。在化学与材料科学的账簿上，这条原则被记作一条金科玉律："物质由分子构成，分子结构决定材料性质"。不可否认，这一范式功勋卓著，但科学史告诉我们，真正的突破往往来自那些"不守规矩"的例外。

  随着材料科学的发展，不断揭示着这样的"反常"：聚集体常常表现出与单分子截然不同的行为。以聚集导致发光猝灭（ACQ）为例，许多π共轭发光分子在溶液中光彩照人，一旦聚集却黯然失色；光敏剂在分散状态下产生活性氧（ROS）的效率令人赞叹，聚集后却大打折扣；手性分子在孤立时手性光学信号强烈，聚集后却可能消失无踪。这些"1变0"的现象，暴露了还原论在解释聚集态行为时的力不从心。

  比"1变0"更隐蔽的，是思维定式，"如果分子本身没有某种性质，其聚集体也不可能有"，让科学家们长期对看似"平庸"的分子视而不见。然而，大自然偏偏擅长"无中生有"的魔法，簇发光（CL）便是最好的证明。按照经典理论，不含共轭π电子的分子本该与发光无缘，但许多这样的"沉默者"在聚集后却绽放出明亮的光芒。如果给无功能分子打上"0"的标签，给功能聚集体标上"1"，那么CL体系就完成了从"0到1"的华丽蜕变。

  涌现现象在材料科学中并不罕见，在生命体系中更是无处不在。毕竟生命本身就是非生命生物分子通过层级聚集而"涌现"出的奇迹。面对这些"0到1"的系统，建立在分子主义基础上的传统构效关系框架显得捉襟见肘，呼唤着新的科学范式：我们需要揭示分子间相互作用和组织方式如何在聚集过程中孕育出全新的性质。

  21世纪初，唐院士团队被AIE这一看似简单却意味深长的现象深深吸引。它的魅力恰恰在于典型的涌现行为：单分散状态下"沉默"（0），聚集后"歌唱"（1）。这种转变使AIE成为研究聚集体层面部分-整体关系的理想模型。尽管“像AIE”的体系早有报道，但它们如同散落的珍珠，未被串联成项链，其内在机理和深层意义也未被充分发掘。

  怀着"发光如何能从不发光的组分中涌现"的好奇，唐院士团队系统研究了AIE过程，阐明了其工作机制，发展了新的聚集产生功能（AGF）体系，并探索了分子-聚集体构效关系。在此基础上，逐步构建起聚集体科学（AS）的理论框架，强调分子间相互作用及其组织方式如何催生新的结构与性质，并将研究焦点从孤立、简单的部分转向整合、复杂的整体。

  本文系统阐述了AIE的思想演进与研究历程，提出AS的概念框架。对AS的深入探索将孕育新的模型、假说、范式与理论，拓展人类对复杂系统，包括自然界和生命本质的理解。AS的研究有望在认识论和方法论层面推动范式转变，为探索自然世界，创造新知识和发展新技术开辟崭新路径。

第一部分：过去—AIE现象的发现与发光体系的拓展

核心脉络：从百年偶然发现到机理阐明，再到发光现象的全面开花

  早在1853年，斯托克斯（Stokes）就观察到四氰铂酸钡在溶液中透明但在固态下却发绿光的奇特现象。此后一个多世纪里，类似“溶液中惰性、固态下发光”的报道偶有出现，却始终未能引起系统关注。直到2001年，唐本忠团队对六苯基噻咯（HPS）的深入研究，才将这些零散的“反常”统一为“聚集诱导发光”（AIE）概念，并发掘出四苯乙烯（TPE）这一明星分子（图1）。

  为什么孤立分子不发光，聚集后却光芒四射？答案藏在分子运动中：在稀溶液里，分子的转动和振动如舞者般自由，激子能轻松抵达“圆锥交叉点”（CI）并以非辐射方式耗散能量；而一旦聚集，紧密堆积与非共价相互作用像一张无形的网，将分子的转动、振动甚至分子间的平移运动牢牢束缚，这便是分子内转动受限（RIR）、分子内振动受限（RIV）和分子间平动受限（RIT），三者统称为分子运动受限（RMM）。RMM机制迫使激子选择辐射跃迁通道，光由此诞生（图1）。更有趣的是，平面芘分子即使形成π-π二聚体，如果周围分子像“蜘蛛网”一样通过RIT锁定其结构，也能增强其发光（图1）。这个例子揭示：π-π相互作用并非是常人所想的ACQ元凶；只要分子运动受限导致结构刚硬，π-π聚集体也能高效发光。

图1. AIE研究的发展历程。（a）在漫长的过去，人们曾经零星报道过一下类似AIE的体系：一些分子在孤立状态下不发光，但聚集后发光。2001年，在发现不发光的HPS分子可通过聚集诱导发光后，AIE这一概念被正式提出；由于结构易于调控且功能多样，TPE成为该领域的“明星分子”。（b–d）AIE机理-分子内运动受限（RIM）：在孤立分子状态下，“自由”分子的活跃的（b）旋转运动和（c）振动运动引导激子到达（d）圆锥交叉（CI）点，从而发生非辐射衰减；而在聚集状态下，这些分子运动受到限制，抑制CI介导的弛豫过程并开启辐射跃迁通道。（e–h）除RIM外，分子间运动受限同样至关重要，以芘为例：（e）在实验室照明（LL）条件下，其非晶聚集体在室温（RT）下透明且不发光，但在低温（77 K）下可以发光；（f）芘的晶体在室温下即可表现出光致发光行为；（g）该发光来源于约625 nm处的芘二聚体发射（注意：芘单体发射约为444 nm）；（h）在晶体结构中，中间的芘二聚体（红色）与周围的芘二聚体（灰色）形成空间相互作用，这些非共价相互作用像一张庞大的“蛛网状”将中间的芘二聚体紧密束缚，限制分子间平动（RIT）使二聚体结构更加刚性，从而使晶体表现出强烈的光致发光。

  机理的阐明如同一把钥匙，打开了AIE研究的大门。在RMM机制指导下，AIE从最初的荧光现象拓展为（包括但不限于）：室温磷光（RTP）、簇发光（CL）、圆偏振发光（CPL）、形变发光（MLC）、力致发光（ML）、反Kasha发光（AKT）、聚集诱导自由基发光（AIRE）、聚集诱导延迟荧光（AIDF）、辐射致发光（RL）、化学发光（ChL）等诸多光物理过程的大家族（图2）。这些发光现象均在孤立分子中难以实现，是典型的“0到1”的突破。

图2. AIE研究的领域拓展。（a）在分子运动受限机理的指导下，一系列新的AIE衍生发光体系被开发出来：从室温磷光到簇发光再到圆偏振发光以及化学发光。（b–k）由聚集产生的新性质示例：（b）RTP，（c）CL，（d）CPL，（e）MLC，（f）ML，（g）AKT，（h）AIRE，（i）AIDF，（j）RL，以及（k）ChL。这些性质分别来源于：（b）三重态激子稳态化，（c）空间共轭作用，（d）手性传递，（e）形貌调控，（f）力光转化，（g）“热激子”辐射弛豫，（h）稳定自由基生成，（i）能隙缩小，（j）金属簇形成，以及（k）氧化介导化学激发。

  在生物成像领域，AIE材料更是大放异彩。传统ACQ分子因能隙定律在近红外二区（NIR-II, λ > 1000 nm）效率低下，而AIE基元通过抑制分子运动诱导的能量耗散，可实现更高发光效率（图3a）。多光子、化学能、电离辐射激发的AIE材料可进一步拓展成像深度（图3b）。AIE基元能以极高清晰度无创成像兔肠毛细血管网络，无需开腹即可洞察微观世界（图3d）。更令人惊叹的是时间维度的突破：一些单组分聚集体可展现长寿命RTP，而某些二元聚集体可表现出更长的余辉寿命。例如，化合物44的二元聚集体寿命长达62.4秒，余辉超过7小时（图3e）；化学发光体系免除外部激发，避免组织自发荧光干扰。过氧化物激活的化合物45持续绿光发射24小时，可实现荷瘤小鼠实时药代动力学监测（图3f）。从静态快照到动态追踪，AIE基元让我们“看”得更深、更久（图3）。

图3. 穿透更深、发光更强、监测更长！（a）更长波长的发光能够实现更深的组织穿透；由于分子运动受限抑制了非辐射弛豫，AIE基元在NIR-II区通常比ACQ分子具有更高的发光效率。（b）可被多光子激发、化学能或电离辐射激发的AIE基元能够进一步提高成像深度。（c）具有NIR-II激发与发射的代表性AIE基元31。（d）利用NIR-II AIE基元在无需腹部切开的情况下直接成像兔肠毛细血管。（e）一元单组份AIE聚集体可以表现出较长的磷光寿命（τ），而二元双组分聚集体通常具有更长的磷光寿命；例如，二元聚集体44的余辉发光可持续约7 h。（f）化合物45形成的聚集体产生持久化学发光，可实现对4T1荷瘤小鼠长达24 h的药代动力学监测。

第二部分：现在—聚集产生超越发光的新功能

核心脉络：重新审视“能量耗散”，将非辐射通道转化为功能输出的引擎

  随着研究的深入，人们逐渐认识到，聚集并不仅仅调控发光行为。传统上被视为“能量损失”的非辐射衰减通道，其实也可以被巧妙“驯服”为功能输出的有效路径，这正是聚集产生功能（AGF）的核心思想。

  如图4所示，在聚集体中，激发态能量可以通过内转换、系间窜越等非辐射跃迁过程转化为热能，声能和化学能，从而产生光热（PT），光声（PA），光敏化（PS），光催化（PC）及光反应（PR）等功能。富含转子结构的ATT分子在聚集状态下能将近红外光高效转化为热，激光照射1分钟内表面温度飙升至450 °C，实现非接触光焊接（图4b-c）。将ATT与热电发生器结合，可构建“光→热→电”转换链，4倍太阳光下输出电压达1.83 V，足以驱动水分解产生氢气（图4d-f），在相同面积条件下，该体系表现出优于商业太阳能电池（对照组）的驱动效果。

图4. 通过聚集产生发光之外的新功能。（a）雅布隆斯基能级图示意非辐射光物理效应，包括光热，光声，光敏化，光催化和光反应。光热效应：（b）激光照射可迅速加热ATT粉末；（c）利用强烈的光热效应对断裂的锌导线实现快速的非接触式光焊接。光热与热电协同效应：（d）ATT涂覆的太阳热电器（STEC）在太阳光照射下其短路电流（I_SC）远高于近期报道的高性能太阳能电池（SC）体系；（e）在1个和4个太阳光照强度下，ATT涂覆的STEC（ATT-STEC）分别产生0.81 V和1.83 V电压，而未涂覆ATT的对照装置仅产生0.20 V和0.45 V电压；ATT-STEC产生的更高电压和更强功率依赖性表明光热效应在其中发挥了关键作用；（f）STEC产生的高电压能够驱动太阳能水分解（图中可见大量氢气气泡的产生），而在相同面积条件下商业太阳能电池难以实现同样效果。

  在生物医学领域，AGF同样大显身手。AIE基元FY6聚集形成的纳米颗粒光热转换效率高达80%，1分钟内可将肿瘤加热至47 °C，11天内实现肿瘤完全消融（图5a-b）。聚集还能显著增强光声信号，实现高对比度深层组织成像（图5c）。更精妙的是光热-光声协同（PTA）机制：光热扩张肿瘤血管孔隙，光声压力波推动纳米颗粒穿透血管屏障深入肿瘤内部（图5d），这种热-声耦合提高了纳米颗粒富集与穿透能力，助力多模态精准癌症治疗。

图5. 通过聚集产生发光之外的新功能（续）。光热效应（生物应用）：（a）FY6纳米颗粒在光照下可使体内肿瘤升温；（b）经光热处理的肿瘤被有效消融，而未处理的肿瘤则持续生长。光声效应：（c）脉冲激光照射产生声波信号，实现超声肿瘤成像。光热+光声效应：（d）脉冲激光照射同时产生热能和声能；热效应使肿瘤血管孔隙扩张，而声压则推动纳米颗粒深入肿瘤内部，从而加速靶向药物递送。光敏化过程：聚集可缩小单重态–三重态能级差，促进系间窜越并稳定三重态激子，从而高效生成（e）总活性氧，（f）单线态氧（1O?，II型ROS；相比之下，聚集会抑制卟啉衍生物58的1O?生成），以及（g）羟基自由基和超氧阴离子自由基（I型ROS）。

  在光敏化方面，聚集通过缩小单重态-三重态能隙，促进系间窜越并稳定三重态激子，从而高效生成I型和II型活性氧（ROS; 图5e-g）。这与传统ACQ光敏剂（如卟啉衍生物58）聚集后II型ROS产率下降形成鲜明对比。尤其重要的是，聚集显著增强不依赖氧气的I型光敏化效应，为乏氧肿瘤微环境治疗提供新策略。

  更令人兴奋的是，AIE基元60在聚集态下通过光诱导氧化还原失衡（PIRI）效应，1.5分钟内对NADH的氧化程度比溶液态高出4.8倍，并在实验条件下于3分钟内对口腔厌氧菌实现近乎完全的杀灭效果（图6a-c）。这为厌氧菌感染和乏氧肿瘤治疗提供了全新策略。

图6. 通过聚集产生发光之外的新功能（续）。光催化过程：（a）AIE基元60的三重态激子与NADH 发生电子转移，从而氧化NADH、破坏呼吸链电子传递，并通过光诱导氧化还原失衡效应杀灭细菌；这种I_OF型光敏体系对厌氧微生物灭活及缺氧肿瘤消融具有显著效果；（b）聚集可加速光催化过程：在1.5分钟光照后，60的聚集体对NADH的氧化程度比其分子态高出4.8倍以上；（c）对含厌氧菌体系中的聚集体进行光照可消除病原体，从而实现光催化治疗（PCT）。光反应过程：（d）在化合物61的晶体中，较短的C=C距离（约3.9 ?）使光环化反应成为可能；（e）光诱导的61→62单晶转化改变晶体尺寸；晶体宽度（w）和长度（l）的增加使涂覆该晶体的橡胶条产生定向弯曲，从而实现光响应机械性能调控。

  聚集对分子的影响不局限于物性和功能的改变。在光化学反应中，结晶使分子61中C=C距离缩短至3.896 ?，小于光环化所需的4.2 ?。光照因而驱动光环化反应，结构从61转化为更伸展的62，导致涂覆该晶体的橡胶条定向弯曲（图6d-e）。这是光能-机械功的直接转换，在响应材料与软体驱动领域应用前景广阔。

  AGF告诉我们：那些曾被视作“浪费”的能量，一旦被正确理解和利用，就能创造出发光之外的新功能。

第三部分：未来—聚集体科学（AS）新天地

核心脉络：从还原论走向涌现论，从设计分子走向构建聚集体

  从AIE到AGF的探索之旅，见证了太多“整体大于部分之和”的“涌现”奇迹。为了系统理解和设计这类涌现现象，唐本忠院士团队提出了聚集体科学（AS）研究框架，呼吁科学研究从分子主义（还原论）向聚集体主义（涌现论）的范式转移（图7a）。

图7. 呼唤从分子主义向聚集体主义的范式转移。（a）分子主义认为，聚集体（整体）的性质由其组成分子（部分）所决定，因而忽视那些单个组分不存在的性质；系统论承认，聚集体与其组成单元之间可能存在差异，但缺乏明确的研究对象以及可操作的研究方法；涌现论指出，低级组分之间的相互作用和组织方式可以产生新的高级性质。（b）簇发光（CL）：淀粉通过多链簇集以及空间相互作用和多级组织，实现“从0到1”的光致发光。（c）形貌光致变色（MPC）：在化合物64的β晶体中，两性离子相互作用稳定一个具有较小二面角（θ_β ≈ 37°）的分子构象，诱导光环化反应并产生MPC效应；而α晶体中离子相互作用较弱，二面角较大（θ_α ≈ 58°），因而阻断光环化反应。（d）形貌变色（MC）：湿润/干燥引起的吸水/脱水导致聚合物网络膨胀/收缩，导致网络结构色分别发生蓝移/红移。

  涌现论认为，新的高层次性质源于各组成部分之间的相互作用和组织结构。淀粉通过多链簇集发光（图7b）；同一分子64因堆积方式不同，在β晶体中因二面角较小（37°）发生光环化，在α晶体中因二面角较大（58°）而发光（图7c）；两亲性聚合物随湿度变化发生可逆的颜色和形态转变（图7d）?这些例子都在告诉我们：聚集不仅会改变原有性质，还有可能创造出分子层面根本不存在的全新性质。

  聚集体科学的视野远不止于发光。聚二炔66在溶液中无磁性，但粉末态可被磁子吸引（图8a）；单根柔性聚乙烯链67聚集后获得高强度（图8b）；PNIPAM随温度变化从亲水线团转变为疏水球聚集体（图8c）；无催化活性的乳酸脱氢酶亚基通过组合装配形成四聚体，表现出特异性催化功能（图8d）；甚至在同一纳米颗粒中，紧密堆积的核心可发光和产生活性氧而用于荧光成像和光动力治疗，松散堆积的表面可产热而用于光热治疗和光声成像，从而实现“一体多能”（图8e）。

图8. 聚集产生新性质（涌现聚集体系示例）。（a）磁性：聚二炔（66）在分子层面不具有磁性，但其粉末状聚集体可以被磁化，这是由于聚集稳定的自由基在外加磁场作用下发生自旋取向所致。（b）机械强度：单根聚乙烯链在溶液中呈随机线团结构且具有柔性，但在范德华作用的介导下，链段发生取向排列并形成致密堆积，从而产生高机械强度的聚集体。（c）疏水性：聚(N-异丙基丙烯酰胺)（PNIPAM）在加热过程中，水–酰胺氢键被破坏，相邻聚合物链间形成新的氢键，使其从亲水分子线团结构转变为疏水球形聚集体。（d）生物催化：无催化活性的乳酸脱氢酶（LDH）亚基单链通过组合装配形成四聚体，不同组装结构的聚集体表现出非常不同的酶催化活性。（e）多功能性：在单组分纳米颗粒体系中，核心区域的分子由于紧密堆积而表现出光致发光并具有PDT活性，而表面区域较为松散的分子则有利于分子运动驱动的PT与PA输出，从而实现“一体多能”的协同多模态诊疗体系。

  按组成复杂度，聚集体可分为一元（unary），二元（binary）和多元（multiary/N-ary）体系。自然界中，聚集体通常是多元体系，即使是简单的支原体，也由核酸、蛋白质、脂类等多种非生命分子组成（图9c）。从肽链到细胞器，到组织，到器官，再到完整生物体，每一层次都可通过特定组织过程涌现出新功能（图9e）。生命本身，正是最复杂的多元聚集体，是非生命分子通过复杂聚集与组织而涌现出的高度复杂体系。

  人工多元聚集体是一片未开垦的处女地、是科学研究的最前沿。调控分子间相互作用与层级组装结构，可构建具有动态响应能力和智能化的多元聚集体系?这意味着研究范式从“设计分子”走向“构建聚集体”（图9f）。

图9. 聚集体科学的研究视角：从“简单”到复杂，从非生命到生命。具有涌现性质的（a）一元和（b）二元聚集体系示例?原本不发磷光的组分CPM和DMA/TPP32聚集后产生室温磷光。（c）自然界的聚集体通常是多元体系；即使是最简单的微生物支原体也是由多种非生命生物（大）分子组成的。（d）与较简单的一元和二元体系类似，更复杂的多元聚集体系也可以通过涌现论方法进行研究，因为其新性质同样来源于组分间的相互作用、依赖于组分间的组织方式。（e）生命体系是典型的多元聚集体系：阐明从分子构筑单元到完整生物体之间各组分的非共价相互作用，有望揭示和理解生命体系中聚集过程的基本规律。（f）人造多元聚集体系仍处于初期探索阶段；通过聚集体科学的系统研究，未来有望实现对具有多级结构和多重功能的多元体系的定制化设计。

  展望未来，聚集体科学将致力于：

  （1）深化理论与可量化方法学。建立系统性“聚集-涌现”关系研究方法至关重要。除基于组分的分类，引入环境因素及时空维度可能进一步深化理解。目前许多认识仍停留在定性层面，需要发展更先进的理论模型与计算模拟方法，量化非共价空间相互作用、聚集体结构与宏观功能之间的关系，实现自下而上的可预测设计。

  （2）从一元体系向多元体系拓展。现有研究主要集中在一元或二元体系，而自然界，尤其生物体系，普遍由复杂多元聚集体构成。系统绘制多级非共价作用力网络、理解多元体系中的协同效应，对认识自然界复杂性、构建类生命智能体系至关重要。

  （3）研究动态非平衡过程。生物聚集体系通常在远离热力学平衡条件下运行。研究需从静态结构拓展至动态过程，如组装、关联、解离、重构等，并通过外部刺激（光、电、磁场、化学能等）调控，实现智能体系中实时可逆的功能切换。

  （4）推动面向功能的“聚集工程”。随着理论体系渐臻成熟，聚集体科学有望发展为聚集工程学。通过设计特定分子基元、调控组装路径，可构建面向特定应用需求的聚集体系，如高效能量转换、多模态诊疗体系、仿生驱动器等，实现从“分子结构决定论”向“聚集结构决定论”的转变。

  （5）标准化术语体系与跨学科整合。聚集体科学位于化学、物理、工程学、生物学、材料科学等多学科交叉前沿。建立统一术语体系及标准化方法、研究流程，将为跨学科合作提供基础，加速突破性进展。

结语

如果分子是物质的基础，那么聚集体就是功能的舞台。

  从2001年AIE概念的提出，到如今聚集体科学框架的建立，四分之一个世纪的探索告诉我们：科学的突破往往来自于对“反常”现象的执着追问。那些被认为“无用”的非辐射能量，可以被转化为光热、光声、光催化；那些被认为“无功能”的非共轭分子，可以在聚集后产生明亮的簇发光；那些无生命的生物分子，可以通过多级聚集，涌现出鲜活的生命特征。从“聚集诱导发光”到“聚集产生功能”再到“聚集体科学”，这是一条从分子到物质、从物质到生命的认知进阶之路。在这条路上，奇迹正在上演，而帷幕才刚刚拉开。

  原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.accounts.6c00071