近日，香港中文大学（深圳）理工学院唐本忠院士和赵征教授联合香港科技大学林荣业教授团队在荧光动态信息防伪领域取得重大突破，相关成果以“Stereoisomeric Synergy of AIEgens: Homology-Driven Camouflage and Divergent Responsiveness for Dynamic Multistate Anti- Counterfeiting”为题发表在材料科学领域顶尖期刊Matter上。

 

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102332

 

一、期刊介绍

Matter是Cell Press材料科学领域的旗舰期刊，以发布最具影响力的原创研究成果为核心目标，涵盖生物材料、能源材料、光学材料及磁性材料等前沿领域，致力于推动学科交叉创新。该期刊最新影响因子为18.4，属中科院大类学科材料科学1区，JCR分区Q1。

 

二、研究背景

在假冒伪劣产品泛滥的今天，如何实现高安全性、动态可调的信息加密与防伪？传统防伪材料（如荧光标签）依赖静态化学特征，一旦被破解即可被仿造。现有研究面临两大瓶颈：一是单一响应性，多数材料仅对一种刺激（如光、力）响应，安全性受限；二是信息状态调控单一，加密信息难以动态隐藏或擦除，无法实现多态信息调控。研究团队创新性地提出立体异构工程策略，通过设计具有同源分子骨架但空间构型差异的AIEgens（聚集诱导发光分子），利用顺反异构体（E/Z构型）的独特性质：同源性表现为相同分子式，初始状态完全一致，实现“分子级伪装”；异质性则表现为对外界刺激（溶剂、力、光）响应差异，形成“动态逻辑门”，实现了从分子伪装到多刺激响应的动态防伪。

图1 论文设计思路

 

三、研究内容

1.异构体的合成与光物理性质表征

研究团队设计合成了一对以四苯乙烯（TPE）为核心，连接甲氧基和萘酰亚胺基团的立体异构体E-TPEMN和Z-TPEMN。在光物理性质上，两种异构体在四氢呋喃溶液中表现出几乎一致的吸收和发射光谱，呈现橙色荧光，实现了初始状态的分子级伪装；而在聚集态（如水含量90%的四氢呋喃溶液或粉末）中，发光特性出现显著差异：E-TPEMN微晶粉末发绿光（514nm），Z-TPEMN微晶粉末发黄光（557nm），这种差异源于聚集时分子堆积方式的不同。

图2 异构体的分子结构以及在溶液、聚集态以及固态下的光物理性质

 

2.异构体的力致变色与溶致变色差异

基于TPE衍生物的螺旋结构特性，研究团队探究了两种异构体在外部力刺激下的发光响应。E-TPEMN在初始状态下发绿光，经研磨后转变为橙光（波长偏移57nm），通过二氯甲烷/乙醇蒸汽熏蒸可恢复绿光，展现出可逆的力致变色与溶致变色性能；而Z-TPEMN在相同条件下发光波长仅偏移21nm，变化幅度显著小于E-TPEMN。粉末X射线衍射分析表明，研磨会破坏E-TPEMN的有序微晶结构，导致发光变化，而溶剂熏蒸可诱导其重结晶恢复有序结构；Z-TPEMN的结构稳定性更高，研磨后仅发生部分无序化。这种构型差异导致的响应特异性，为信息的选择性激活提供了基础。

 

3.分子构型与发光性能关联的理论研究

为揭示构型对发光性能的影响，通过理论计算分析了异构体在溶液和晶体中的能量与结构特征。计算显示，溶液中两种异构体的基态和激发态能量接近，对应了它们在溶液中发光相似的现象；而晶体中两者的能量差异显著，与粉末状态下发光的明显不同一致。关键影响因素是萘酰亚胺平面与TPE平面的二面角：溶液中E-TPEMN和Z-TPEMN的二面角相近，共轭程度相似；晶体中Z-TPEMN的二面角更小，萘酰亚胺与TPE平面更平行，导致聚集状态下发光的差异。

图3 通过理论计算分析构型对发光性能的影响

 

4.光异构化-光裂解协同驱动的动态多色荧光

两种异构体在紫外光照射下表现出同步的光化学行为。吸收光谱蓝移且强度降低，荧光光谱则从橙色（580nm）逐渐蓝移至蓝色（455nm），CIE色度图显示可实现包括白色在内的多色调控。动态核磁谱图分析揭示了光响应机制：首先发生E/Z异构化达到平衡，随后发生自催化光裂解反应，生成含二苯甲酮核心的蓝色发光分子BPMN。机制研究表明，异构体在光激发下产生活性氧（单线态氧和超氧阴离子），攻击电子富集的双键位置生成二氧杂环丁烷中间体，最终裂解为BPMN。这一不可逆过程消除了初始立体异构差异，提升了防伪的安全性。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图4 光刺激下下异构体的荧光颜色变化过程

图5 光异构化-光裂解化学反应过程与机制研究

 

5.序列刺激可编程的荧光标签设计

利用异构体的多响应特性，研究团队构建了“材料工具箱”（E-TPEMN和Z-TPEMN）与“刺激工具箱”（溶剂、机械力、光）的多模态平台。通过调控刺激序列（如溶剂→力→光或光→溶剂→力），可定制高对比度荧光标签。例如，将异构体溶液喷涂于滤纸上，初始均呈橙色荧光；经溶剂熏蒸后，E-TPEMN区域转为绿光，Z-TPEMN区域变化微弱；进一步通过机械力书写可使E-TPEMN区域恢复橙光，结合光刻掩模可实现蓝光图案的精准写入。这种定制化标签难以被伪造者复制，适用于高端防伪场景。

图6 不同序列刺激下得到的多种荧光标签

 

6.多模态刺激响应的多级信息调控

通过组织分步响应过程，可以实现信息的写入、隐藏、恢复与擦除的全周期控制。以4×4网格模板为例，初始喷涂的异构体呈橙色荧光；经溶剂熏蒸后形成橙色、绿色和黑色的3D码；利用光刻掩模可写入1D/2D码，实现“码中码”大容量存储。机械力可破坏E-TPEMN的有序结构，暂时隐藏信息；溶剂熏蒸可恢复其绿光实现信息重现；最终通过紫外光照射使分子转化为BPMN，实现信息的永久擦除。该体系中的图案可在10个月内保持稳定，为动态多信息防伪提供了实用化方案。

图7 演示多级信息调控流程，从初始伪装、定向写入、临时隐藏到永久擦除的全周期信息状态变化

 

四、研究结论

这项研究通过对分子构型的精妙调控，实现了三重突破：同源分子结构让常规检测无法区分E/Z异构体；特异性刺激响应构建了多层次防伪逻辑；光裂解触发不可逆的化学结构破坏则杜绝了假冒的可能。这项研究展示了分子立体异构工程在功能材料设计中的强大潜力，为信息安全领域带来新的解决方案，在高端商品防伪、机密文件存储及动态光学器件等方面有一定的应用潜力。

 

五、作者简介

香港中文大学（深圳）理工学院唐本忠教授、赵征助理教授和香港科技大学林荣业教授为本文共同通讯作者

唐本忠教授1982年获华南理工大学学士学位，1985年、1988年先后获日本京都大学硕士、博士学位。曾在多伦多大学从事博士后研究、日本NEOS公司中央研究所任高级研究员。1994–2021年在香港科技大学工作。2009年、2017年、2020年先后当选中国科学院院士、亚太材料科学院院士、发展中国家科学院院士。2021年加入香港中文大学（深圳）担任理工学院院长、校长学勤讲座教授。主要从事高分子化学和先进功能材料研究。在聚集诱导发光（Aggregation-Induced Emission, AIE）这一化学和材料前沿领域取得了原创性成果，是AIE概念的提出者和AIE研究的引领者。已发表学术论文2,000多篇，总引用超232,000次，h因子为209。在学术会议上作了500多场邀请报告，拥有100多项授权专利。现任德国Wiley出版社发行的Aggregate《聚集体》杂志主编以及20多家国际科学杂志顾问、编委或客座编辑等。2014年至今连续当选全球材料和化学双领域“高被引科学家”。2007年获Croucher基金会高级研究员奖，2012年获美国化学会高分子材料科学与工程分会MACRO讲座奖，2014年获伊朗国家科技部颁发的Khwarizmi国际奖，2015年获广州市荣誉市民称号，2017年获国家自然科学一等奖、何梁何利基金科学与技术进步奖，2021年获Nano Today国际科学奖，2023年获生物材料全球影响力奖，2024年获中国化学会-中国石油化工股份有限公司化学贡献奖。

 

赵征，博士生导师，国家高层次青年人才，香港中文大学（深圳）校长青年学者，香港中文大学（深圳）材料科学与工程硕博项目主任。中国人体健康科技促进会临床微生物与感染精准专业委员会常务委员、中国抗癌协会医工整合专业委员会委员、中国感光学会光学传感与诊疗专委会委员、香港中文大学（深圳）第二附属医院AIE临床转化中心执行副主任，获首届中国化学会朱道本有机固体青年创新奖、江苏省林学会林业科学技术二等奖、Materials Chemistry Frontiers新锐科学家、Journal of Materials Chemistry B新锐科学家、Chemical communications新锐科学家等荣誉称号，2021-2024连续四年入选斯坦福大学全球前2%顶尖科学家榜单。赵征教授博士毕业于中国科学院上海有机化学研究所，在香港科技大学完成博士后研究，2021年加入香港中文大学（深圳）理工学院开展独立研究工作。当前的研究兴趣包括新型聚集体光功能材料、有机光催化材料及其生物应用、近红外二区发光材料及其应用。已在Nat. Photonics、Natl. Sci. Rev、Nat. Commun、JACS、Angew. Chem. Int. Ed.、Matter、ACS Central Science.、Adv. Mater等国际顶级期刊发表论文100余篇，包括13篇ESI高被引论文，论文总计被引用12700余次，单篇最高引用1160余次，H-index 61。获授权中国专利6项、美国专利1项。主持科技部重点研发项目课题、国自然面上项目、深圳市面上项目等6项。兼任Aggregate期刊顾问编委，National Science Review期刊青年编委，Smart Molecules期刊青年编委，Chinese Chemical Letters期刊青年编委，《集成技术》期刊青年编委等。

 

林荣业，香港科技大学化学系研究副教授。分别于1996年、1998年和2003年在香港科技大学化学系获得学士、硕士和博士学位。主要研究方向包括具有线型和超支化结构的新型聚合物的设计与合成、新型炔烃聚合反应的开发，以及新型AIE材料的设计、合成和应用。自1998年至今，已开发了多种新合成方法并用其合成了超过200种不同的具有独特光学、介晶相学、手性光学、电子性质的线型聚乙炔和超支化亚芳烃类聚合物。撰写专著章节32章，发表论文640余篇，总引用次数10,0000余次，h因子为153。全球化学科学家最新排名第169（中国排名第18），连续多年年被汤森路透社评为化学领域“高被引科学家”。

 

本文第一作者路琳博士

路琳，博士毕业于华南理工大学。于2021-2023年在香港中文大学（深圳）从事博士后研究工作，2023-至今在香港科技大学从事博士后研究工作。主持广东省基金一项，以第一作者身份在Nat. Commun、Matter等期刊发表英文论文8篇。主要研究方向为刺激响应聚集诱导发光材料、基于新型光反应的分子设计与调控以及光控降解聚合物的升级回收利用。

 

本文共同第一作者五邑大学武波博士

武波，博士毕业于北京科技大学。于2022-2024年在香港中文大学（深圳）从事博士后研究工作，合作导师为赵征教授、张国庆教授和唐本忠院士。2024年底加入五邑大学环境与化学工程学院有机高分子先进功能材料及其应用团队（池振国教授团队）。当前的研究兴趣包括新型聚集体光功能材料及光电材料的理论模拟计算研究。开发有一套功能丰富操作简单的量子化学分析软件，Aggregate (agg) 软件。已在Nat. Commun、JACS、Angew. Chem. Int. Ed.、Matter、Nat. Photonics、ACS Central Science.等国际顶级期刊发表论文30余篇。

 

 

供稿 | 唐本忠教授、赵征教授团队