唐本忠院士：關於高分子，聚集體和整體論的哲學淺思

    唐本忠 高分子科學家 1957年2月出生於湖北潛江。1982年畢業於華南理工大學高分子化工系，1985年、1988年先後獲日本京都大學碩士、博士學位。2009年當選為中國科學院院士。香港中文大學（深圳）理工學院院長。主要從事高分子合成方法論的探索、先進功能材料的開發，以及聚集誘導發光（AIE）現象的研究。在國際上率先提出「聚集誘導發光」（AIE）——這項由中國人改寫光物理課本的概念，開闢了具有原創性和國際引領性的基礎科學研究全新領域。

    高分子無處不在：自然界充滿了天然高分子或生物大分子產物（如多糖、DNA和蛋白質）；現代社會到處可見合成高分子或人造大分子產品（如塑膠、纖維和橡膠）。幾乎所有的高分子在自然環境條件下都是聚集體，而科學家卻花費了無數的時間和巨大的精力去研究稀溶液中的單個聚合物分子或單根高分子鏈。根據還原論，任何實體都可被還原至最小基本單元。在物質科學領域，這個基本單元就是分子。《韋氏詞典》將分子定義為「保持物質所有性質的最小粒子」，因此人們普遍認為理解分子就可瞭解其聚集體。這種還原論思維常常是奏效的。還原論研究幫助人們獲得了在分子水準上結構- 性質關係方面的有用資訊，「分子行為決定物質性質」因而逐漸成為科學界的普遍共識。
    這種還原認識論雖然流行，但其實並不一定總是正確。現實生活中存在著許多反還原論體系。例如，人們知道很多有機發光體在稀溶液中以單分子狀態存在時可以被紫外線激發發光，而眾多分子聚集後卻不發光――這就是著名的「聚集淬滅發光（ACQ）」現象。ACQ效應嚴重妨礙有機光電技術的發展，如高分子發光二極體的製造。另一方面，一些分子被紫外線激發時不發光，但牠們的聚集體卻高效發光――這種反ACQ行為被稱為「聚集誘導發光（AIE）」現象。ACQ和AIE效應告訴我們：聚集體不一定是其分子組分的線性組合；聚集體的性質不一定是其分子行為的簡單外推。換句話說，一個整體可能包含著一些通過分析其分子組分所不能發現和理解的性質，因此一個整體應該被當作一個獨立的實體來進行研究――這就是「聚集體學」（Aggregology）。聚集體學將打開一條通往眾多奇妙可能性的新途徑，激發人們探索聚集體所特有而在其分子體系中觀察不到的新穎過程和效應。
    絕大多數高分子在常溫常壓下都是固態聚集體，是聚集體學研究的理想對象。事實上，在AIE概念從小分子體系研究中提煉出來之後，AIE 研究被迅速擴展至高分子體系。這個領域的蓬勃發展催生出了眾多新型高分子AIE 材料（AIEgens）。AIE高分子表現出了不同凡響的材料特性，在光電器件、化學傳感、生物成像、癌症診療、碳匯光合成等領域找到了一系列高科技應用。根據分子內運動受限的工作機制，人們利用AIEgens實現了不可見結構的可視化，並監測了大分子系統中的各種化學與物理過程，如聚合反應、溶膠- 凝膠轉化、超分子自組裝、極性變化、晶體堆積、疇界結構、分子鏈排列、共混形貌、微相分離、鏈段運動、玻璃化轉變等。本文從整體論的角度簡要討論兩個高分子聚集體的實例：一個是0 → 1的變化（從無到有），另一個涉及-1 → +1的轉變（性質完全逆轉）；兩者皆通過聚集過程實現。
     第一個例子是非共軛高分子聚集體的簇發光現象。在AIE研究過程中，我們觀察到聚[( 馬來酸酐)-alt-( 醋酸乙烯酯)] 這一完全不含芳香環的共聚物微粒在紫外線激發下發出漂亮的藍光。這個結果令人驚訝，因為現代有機電子學理論教導我們：非共軛分子不會受激發光。我們考察了大量的非共軛高分子，發現這一光物理現象非常普遍。許多不含共軛結構的合成和天然高分子（如聚烯烴、聚酯、聚醯胺、多糖、蛋白質、DNA等）在溶液中被紫外線照射時不發光，但在聚集態卻可受激發光。這是一個很難用還原論解釋的非共軛AIE體系。從整體論的角度去看，這一現象本質上是高分子聚集誘導的簇發光。雖然這些大分子不含共軛π-電子，但牠們富含攜帶孤對電子的雜原子（如氧、氮、硫、磷等）。當大分子鏈聚集時，這些雜原子會通過空間相互作用形成雜原子團簇。這些團簇被激發後產生的激子經輻射躍遷通道返回基態，從而顯示出簇發光特性。這個例子表明：不改變分子的結構，也可通過簡單的聚集過程賦予物質一種全新的性質 (0 → 1）。
    另一個例子則顯示，聚集體的形成可導致性質完全逆轉（-1 → +1）。眾所周知，聚(N-異丙基丙烯醯胺)（PNIPAM）在臨界溶液溫度會發生溶解– 沉澱或溶膠– 凝膠轉變，但其工作機理一直存在爭議。通過使用一種對極性敏感的AIEgen，我們證明，導致這種轉變的主因是分子親水性向聚集體疏水性的變化。需要強調的是，這一性質變化也是由不改變分子化學結構的物理聚集引起的。這種轉變很普遍，可在許多高分子體系中觀察到。例如，聚乙二醇與聚丙二醇嵌段共聚物及其與α-環糊精的超分子複合物等。溶膠–凝膠轉變在生命系統中很常見：許多疏水的高級生物結構（如細胞、組織、器官等）都是由親水的生物大分子（如多糖、多肽等）通過多級聚集形成的。從某種意義上來說，對多級聚集體的結構- 性質關係的研究是揭開生物結構和過程神秘面紗的關鍵。
    聚集或團簇可以使「不可能（在分子水準）」變為「可能（在聚集體層次）」。這個事實本身是反還原論的，因此揭示了分子科學的非完美性。想用純粹的還原論方法解決聚集過程中涉及的結構和性質相關的所有問題，即使不是不可能，也將非常困難。這就呼喚科學研究從還原論向整體論的範式轉移。將聚集體視為一個整體，將有助於解決那些只通過分析分子組分而難以解決的棘手問題。從高分子聚集體的研究中獲得的機理洞見將有望促進研究範式的轉移，將科學研究延伸至更高層次和更大複雜性的聚集體系。
   上面討論的聚集體的組分都是具有明確分子結構的高分子鏈。實際上，自然界有很多沒有分子結構的聚集體。我們常用經驗化學式去標記這些非分子聚集體，如用SiO2（二氧化矽）表示玻璃；儘管我們知道，二氧化矽不是組成玻璃的分子（因為根本不存在二氧化矽這種分子）。隨著AIE研究的深入發展，我們對無機體系進行了探討。我們發現有些鈣鈦礦粉末被紫外線激發後高效發光，但牠們的水溶液卻完全不發光。在水中，鈣鈦礦分解成水溶性前驅離子而非分子。因此，鈣鈦礦是一類從組成到性質都是0 → 1的特殊AIE 體系：這類聚集體沒有分子組分，其整體性質也不是部分行為之和。我們無法通過研究不存在的分子組分去理解牠們的聚集體。還原論在此完全失效；處理這類聚集體的研究範式只能是整體論。仔細審視會發現，組成世界的物質其實多無分子形態，如金屬由原子組成、無機物（非金屬鹽）由離子組成等。因此，在整體論哲學思想指導下的聚集體研究對理解自然界廣泛存在的物質結構和性質極其重要。這是一片待開墾的處女地；在這片沃土上的耕耘，一定會結出碩果。