吉林大学田文晶教授&徐斌教授课题组工作概览

1. 课题组简介

田文晶教授&徐斌教授课题组隶属于吉林大学化学学院超分子结构与材料国家重点实验室，主要从事有机高分子光电功能材料和纳米生物材料的研究。课题组聚焦科学前沿，在聚集诱导发光（AIE）材料、智能响应发光材料以及纳米生物材料等方面取得了系列创新性研究成果，在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., CCS Chem. 等高水平杂志上发表研究论文260余篇，撰写英文专著4章节，获授权中国发明专利10项。课题组承担国家自然科学基金重点项目、面上项目以及省部级项目，并参与科技部973项目。获得了吉林省自然科学一等奖。

田文晶教授&徐斌教授课题组（2021.6）

课题组主要成员包括：田文晶博士，教授，吉林大学“唐敖庆学者”卓越教授B岗，长白山学者特聘教授，教育部新世纪优秀人才，中国化学会分子聚集发光专业委员会副主任委员；徐斌博士，教授，吉林大学“唐敖庆学者”卓越教授B岗，国家重大人才工程青年学者；刘雷静博士，副教授；刘朝阳博士，准聘副教授；博士研究生14人，硕士研究生13人。

2. 研究工作概览

（一）聚集诱导发光（AIE）材料

“聚集诱导发光（Aggregation-Induced Emission，AIE）”这一概念不仅打破了传统有机荧光材料关于聚集引起荧光淬灭的经典论断，而且引发了人们对发光材料分子设计、制备方法、物理机制以及实际应用等各方面的深入探讨。

课题组发展了以二苯基乙烯基蒽（DSA）为核心发光基团的系列小分子、树枝状大分子、齐聚物和聚合物等聚集诱导发光材料体系。DSA具有聚集诱导发光性质，即在溶液中荧光很弱，甚至不发光，但在聚集态或固态时，表现出强的荧光发射和高的荧光量子效率。值得一提的是，DSA因其独特的分子构象和发光特性，引起了科学工作者的广泛关注，已逐渐发展成为一类典型的聚集诱导发光基团（AIEgens）（J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 9892; Chem. Commun. 2011, 47, 6602; Nanoscale, 2013, 5, 2065化学进展, 2013, 1079; Polym. Chem. 2014, 5, 479; 中国科学:化学 2018, 48, 683）。

图1. 典型聚集诱导发光分子二苯乙烯基蒽（DSA）及其衍生物

受蝴蝶构型的启发，课题组提出了给刚性分子插上翅膀的分子设计策略，发展了多种具有“蝴蝶状”结构的分子，获得了有利于辐射跃迁的聚集态结构，系统研究了分子结构、聚集态结构与发光特性的内在联系，构筑了性能优异的发光聚集体（晶体）材料。研究表明，扭曲的分子结构和分子间氢键有助于形成跃迁偶极交叉排列的堆积方式，能够有效避免聚集导致的荧光淬灭，提高晶体材料的固态发光效率；同时，通过聚集态结构的有效调控，可以提高晶体材料的性能，如放大自发辐射阈值、偏振度、光学增益和损耗等；明晰的聚集态结构与发光性质间的内在关系，为高性能发光聚集体材料体系的设计制备提供了实验和理论依据（Adv. Mater. 2014, 26, 739; Mater. Chem. Front. 2017, 1, 1422; J. Phys. Chem. Lett. 2020, 11, 10504; J. Phys. Chem. Lett. 2021, 12, 9233）。

发展了系列具有高发光效率和高载流子迁移率的晶体材料，例如，噻吩类衍生物的有机晶体，其放大自发辐射阈值低至8 kW cm^-2，载流子迁移率高达1 cm² V^-1 s^-1 (Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1802454)；基于三苯胺类衍生物晶体材料，获得了紫外光超敏感的有机单晶光敏晶体管，其固态荧光量子产率接近100%，光暗电流比可达3.45 × 10⁴，光响应度可达2.86 × 10⁶ A W^-1，比探测率高达1.49 × 10¹⁸ Jones（Adv. Mater. 2020, 32, 1907791; Adv. Mater. 2021, 33, 2105466）。

图2. (A) 具有蝴蝶状构型的高效发光分子设计策略、聚集态结构及固态荧光效率；(B) 高发光效率、高迁移率有机单晶及先进光电器件应用；(C) 三苯胺类衍生物及有机单晶光敏器件。

（二）智能响应发光材料

结构与性能间的关系是材料科学领域的共性关键科学问题。在进行分子聚集体研究时，外部刺激过程中，聚集体分子自身及其与周围环境的相互作用会产生错综复杂的结构与能量变化，增大了精确研究在外界刺激下聚集体发光材料结构与发光性质关系的难度。此外，人们对于聚集态结构形成与演变机制的理解还不够深入，使聚集体发光材料的设计缺乏系统的理论指导。

针对上述问题，课题组率先实现了高压下有机发光材料光学性质的原位观测，创立了聚集态结构原位调控的新方法，丰富了发光材料刺激响应功能起源的认知。

图3. (A) 原位高压光谱测试装置示意图，该装置可以在高压下原位测试材料的光学性质；(B) 利用该实验方法研究了外部压力刺激对有机发光聚集体发光性质的影响，首次观测并从分子层面揭示了压力诱导聚集态结构的演变过程；(C) 设计制备了双组分电荷转移共晶，在各向异性剪切力下诱导分子重排导致发光蓝移，而在各向同性静压力下诱导分子紧密堆积导致发光红移；(D) 设计制备了具有多晶相双组分共晶，在溶剂挥发或热刺激诱导下可以从氢键/卤键主导的晶相I到π-π相互作用主导的晶相II的晶相转变，导致发光蓝移。

以分子聚集体发光材料为研究对象，通过将原位高压和光学实验装置相结合，获得了各向同性静压力下材料光学信息的实验依据 (Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 10782)；综合X射线衍射、时间分辨光谱、拉曼光谱等多种谱学表征方法，从分子层面建立了聚集态结构演变与发光性质之间的相互关系；结合结构分析和理论模拟，从实验和理论角度揭示了外部刺激调控聚集态结构的分子机制（J. Mater. Chem. C 2013, 1, 7554; J. Phys. Chem. C 2013, 117, 24997; Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 4005）。

除力刺激外，热、光、酸碱及溶剂等外界刺激也可以引起分子聚集体的特性响应。课题组率先获得了对称和非对称的质子化结构，确定了聚集态下质子与质子受体之间确切的结合方式，揭示了不同质子化过程和结构对聚集体发光特性的影响和作用机制（Chem. Comm. 2013, 49, 3878; J. Phys. Chem. Lett. 2014, 5, 2781; J. Phys. Chem. Lett. 2017, 8, 3068）。

相比于单一组分的分子聚集体，多组分聚集体材料具有独特的分子堆积方式、聚集态结构以及多组分间的协同效应，表现出崭新的光电功能。课题组考察了共晶材料在各向异性研磨力和各向同性静压力下聚集态结构与发光特性的变化规律（Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 15670），发展了多刺激荧光响应共晶体系，揭示了外部刺激与晶相转变的内在联系（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 15098）。

课题组从多角度研究分子聚集体结构与性能关系，实验与理论相结合研究分子层面响应发光机制，为力响应发光材料的设计制备、性能评价、机制分析等共性科学问题提供了全面的表征平台和系统的理论依据。

（三）固态荧光光开关材料

荧光光开关材料因在光照下可实现颜色和荧光的变化，已成为一类非常重要的响应性光电材料。课题组率先提出了固态荧光光开关的分子设计新策略，解决了聚集态下分子光异构化和激发态调控的难题，发展了新型光响应固态发光材料，开拓了光响应发光材料在多重先进防伪和超分辨成像方面的新功能。

螺吡喃是有机光响应材料中研究中最早、最广泛的体系之一。然而，在分子紧密堆积的聚集态下，由于螺吡喃分子没有足够的自由运动空间，很难发生光致异构反应。课题组从聚集态结构调控的角度出发，提出了固态荧光光开关的分子设计新策略，将具有扭曲结构的发光团与螺吡喃通过柔性链偶联，在光和热的可逆刺激下实现了固态下颜色和荧光的双重响应，解决了固态荧光光开关无法实现可逆光响应的难题，该固态荧光光开关在先进多重防伪油墨和超分辨成像领域显示出巨大的应用潜力（J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 16036; J. Phys. Chem. Lett. 2021, 12, 1209）。值得注意的是，光致异构与光致发光过程通常几乎同时发生，导致荧光切换速度过快，无法实现稳定的荧光信号输出。为了克服这一难题，课题组创新性地提出“泵浦（Pump）-触发（Trigger）”策略，通过合理匹配特定波长的泵浦光和触发光，调控聚集态下分子发光和异构化过程，有效解决了固态荧光光开关中的光致异构与光致发光过程相互竞争的难题，率先实现了双稳定荧光响应信号的输出。更为重要的是，得益于其新颖的、稳定的荧光切换特性，课题组开创性地实现了单一材料体系的双色（绿色通道和红色通道）超分辨成像，进一步提高了超分辨成像的分辨率和质量，该材料有望成为引领未来成像新技术的关键材料（Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202117158）。

基于有机发光材料中复杂的分子间相互作用和混合的激发态动力学过程，课题组提出了将有机磷光基团与光开关分子偶联的分子设计新策略，通过对分子聚集体中激发态动力学的有效调控，成功实现了光驱动的荧光-室温磷光可逆切换。研究发现，分子具有强的自旋轨道耦合和极小的单线态-三线态带隙，保证了开环状态下高效的磷光发射。当紫外光诱导形成闭环异构体时，开环分子的磷光会通过三线态-单线态的Förster共振能量转移而被闭环分子淬灭，而开环分子的荧光在紫外光照射下能够保留，从而实现光刺激下荧光-磷光可逆转换功能。这一研究为理解聚集态下激发态动力学过程提供了实验依据，同时，拓展了有机室温磷光材料的新功能（Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202114264）。

图4. (A) 通过非共轭柔性链将螺吡喃与二苯乙烯基蒽相联，首次实现了固态颜色和荧光双重光致变色响应，在多重防伪油墨和超分辨成像领域表现出应用潜力；(B) 防伪油墨在光照前、光照后以及加热处理后，颜色和荧光的对比照片；(C) 基于双稳定荧光转换特性，实现了细胞多色荧光成像功能；(D) 单一材料的双色超分辨成像（绿色通道和红色通道）。

以上为该课题组近年来具有代表性的研究工作。课题组欢迎有志于科研，对课题组研究方向感兴趣的同学加入！联系方式：wjtian@jlu.edu.cn; xubin@jlu.edu.cn

导师介绍

田文晶

https://www.x-mol.com/university/faculty/10990 

徐斌

https://www.x-mol.com/university/faculty/47831