image: 整合分子、微观与宏观尺度的追踪策略，对比传统（左）与AIE技术赋能（右）的监测体系。 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
材料的内在复杂性往往体现在其多尺度动态行为上，分子、微观与宏观水平之间的相互关联是理解其核心机制的关键。聚合物乳液（广泛应用于涂料和粘合剂等领域）的成膜过程就是一个典型例子，它涉及水分蒸发、颗粒融合等多个阶段的动态变化。然而，对这些过程进行实时、精确的追踪长期面临挑战。传统方法通常依赖多种技术联用，导致数据整合困难且时空分辨率有限。
“针对这些挑战，我们的研究引入了一个基于聚集诱导发光技术的创新监测平台，”该研究的第一作者、香港科技大学汪金博士解释道。“该方法将分子传感、微观成像和宏观检测集成于同一系统之中。” AIE荧光分子具有一种独特性质：当其运动受限时，发光会显著增强，从而能够在成膜过程中对多尺度动态变化进行高对比度、原位、实时观测。该研究发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR），为复杂体系的多尺度研究建立了新范式。
在分子尺度上，该研究利用AIE探针TPE-4S-Na独特的分子内运动受限导致荧光发射的发光机制，实现了对聚合物乳液成膜过程的实时追踪。随着乳液从湿态转变为干态，探针的运动自由度受聚合物链限制，其光致发光量子产率从0.5%急剧上升至20.2%。实时荧光监测成功解析出三个 m明晰的干燥阶段：初始水分蒸发（0-11分钟）、快速干燥（11-27分钟）和最终稳定（27-41分钟）。这种分子水平的监测为了解局部干燥状态和湿-干界面演化提供了前所未有的见解。
在微观尺度上，超分辨率荧光显微镜揭示了详细的成膜动态过程。在25°C下，观察到明显的颗粒融合，AIE探针通过特征荧光图案揭示了毛细管力驱动的形变。相比之下，在5°C时，颗粒保持分离状态，未发生融合。值得注意的是，在多层薄膜中通过明暗交替的荧光光环直观显示了“咖啡环效应”，其荧光强度与原子力显微镜测得的厚度变化（边缘相差227纳米）高度吻合。这种实时微观监测为理解缺陷形成提供了直接证据，为优化涂层性能提供了关键指导。
研究还将该策略进一步扩展到宏观尺度监测。通过将荧光强度与灰度值关联，开发了一个使用普通相机的低成本监测平台。该系统能够实时清晰地显示干燥前沿从边缘向中心推进的过程。灰度分析不仅识别出三个明晰区域（湿区、颗粒堆积区、干区），还划分出了与分子尺度观测一致的三个动态阶段。该方法成本低廉，无需昂贵设备或特殊样品制备，为工业涂覆过程中的质量控制提供了卓有成效的解决方案。
在实际涂料应用中，该策略在工业规模的环保水性木器涂料上成功得到了验证。该技术清晰展示了在30×20厘米木板上自下而上的三区干燥过程：湿区、颗粒堆积区和完全干燥区。干燥动态分析显示存在慢速干燥阶段（27分钟前）、快速干燥阶段（27-85分钟）并于93分钟完成干燥。该方法同样适用于多种聚氨酯和聚丙烯酸酯乳液，显示出在工业涂覆过程中进行实时质量控制的强大潜力。
“这项研究开创性地使用AIE技术构建了一个统一的监测平台，无缝衔接了分子、微观和宏观尺度。”该论文的共同通讯作者、香港中文大学（深圳）和香港科技大学唐本忠教授强调道。通过利用水溶性AIEgen的运动受限发光特性，研究人员将分子传感、颗粒动态追踪和工业尺度涂覆检测集成于同一框架内。该策略已在水性木器涂料等实际应用中得到验证，不仅为成膜机制提供了新见解，也为实时质量控制提供了通用解决方案。所建立的范式在从材料到生物医学等多个领域对复杂动态过程分析及监测方面具有广阔潜力。