AdvancedScienceNews - Exploration | 聚集誘導發光材料對光合作用的提升－鑽石舞台

工業時代，人類開始大規模使用化石能源，向大氣中排放了大量的二氧化碳，由此導致的全球變暖現象，已經危害到人類和其餘生命體的生存和可持續發展。目前，包括我國在內的許多國家均提出，在2060年左右實現「碳中和」目標。同時，人口的高速增長和經濟社會的快速發展，使得人們對於糧食和能源的需求也在逐步增加。光合生物通過光合作用將二氧化碳轉化為生物有機分子，既維持了生態循環中的碳平衡，也提供了糧食和生物質能源。然而，由於森林破壞、耕地退化、海洋污染以及維護成本居高不下等因素，繼續擴大光合生物的體量存在一定的挑戰，對於光合作用效率的提升轉而成為了新的研究方向。植物、海藻、光合細菌等光合生物，因其內部色素的含量和種類，決定了其只能對少量特定的光波長高效利用。因此，光源波長的調節和優化，對於光合作用速率的提升有着巨大的潛力。

針對這一需求，科學家們開始嘗試利用各種光學材料提升光合作用速率、促進光合生物生長。1984年報道了熒光分子的光轉換層，置於微藻培養皿與光源之間提高微藻的生長速度。隨後，光轉換層被用於微藻，植物等生長速度的提升。近年來，共軛聚合物的光轉換實現了葉綠體、藻類以及植物光合速率的提升。近兩年來，聚集誘導發光材料由於其優異的聚集態發光效率、生物相容性、較大的斯托克斯位移以及優異的光穩定性等特點，在提升光合作用速率和光合生物生長的應用也嶄露頭角。

Exploration最近發表了由唐本忠院士課題組撰寫的觀點性文章「Aggregation-Induced Emission Luminogens for Augmented Photosynthesis」。作者總結了現有光學材料，尤其是聚集誘導發光材料在提高光合作用效率以及提高光合生物生長的應用，並對未來聚集誘導發光材料的設計以及促進光合生物生長、光合固碳、糧食生產、生物質能源等領域的潛在應用進行展望。

文章主要包括四部分，第一部分是「碳中和」以及糧食，能源與光合作用以及光合生物的密切關係；第二部分是光的波長對光合作用效率的影響，每種光合生物只能對少量特定的光譜進行高效利用；第三部分介紹了目前使用光學材料，尤其是聚集誘導發光材料對光源波長的調控實現了光合作用速率以及光合生物生長的提高；第四部分探討了聚集誘導發光材料的設計以及其應用方法中存在的問題和挑戰，包括光轉化效率、光傳播過程的利用效率、生物相容性，以及微藻工廠和植物工廠為代表的綠色工業建設對於實現「碳中和」等目標的潛在可能性。

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該工作第一作者為香港科技大學深圳研究院博士後劉海翔，通訊作者為香港科技大學郭子健助理教授和香港中文大學（深圳）唐本忠院士。