2020年是Staudinger博士提出高分子這個概念的第一百年。為了紀念這個高分子領域的首個百年，美國化學協(xié)會的高分子頂級期刊《ACS Macro Letters》推出了高分子科學百年的專題系列（100th?anniversary of macromolecular science viewpoint）, 并邀請了行業(yè)內(nèi)各個研究方向的專家學者對相關的領域進行了回顧和展望。
該系列的最新一期是由美國南密西西比大學的Qiang Zhe 教授以及西北大學的Wang Muzhou教授聯(lián)合撰寫完成。兩位教授各自帶領的課題組團隊均主攻于熒光技術在高分子科學與工程中的應用。文章首先探討了熒光相關的表征技術的機理和應用場景，然后詳細介紹了單分子超高清熒光顯微鏡對于近十余年高分子的深遠影響。最后，隨著科學技術的不斷交替進步與發(fā)展，他們還對該領域對于下一個高分子百年的貢獻進行了展望。
分子的熒光原理其實是一個相對簡單易懂的物理現(xiàn)象：當一個分子吸收某個波長的入射光之后進入了激發(fā)態(tài)，而在退激發(fā)的過程中發(fā)射出了熒光并且自然的回到了之前的穩(wěn)定態(tài)。熒光的強度和波譜會因為分子周圍納米級的環(huán)境而被影響。因此，熒光技術的運用在高分子科學中是多個維度和層面，不僅有著廣泛的材料應用（如熒光顯色劑），更可以表征高分子鏈段的局部物理性質(zhì)以及高分子的納米結構。
曾幾何時，科學家們堅信光學顯微鏡是無法清晰的觀察到150納米以下的材料結構 （“optical diffraction limitation”），然而單分子超高清顯微鏡的發(fā)明（2014年被授予諾貝爾化學獎）徹底打破了這個曾經(jīng)對于光學表征局限性的理解。通過不同的物理，化學手段和顯微鏡技術的提高，如今熒光顯微鏡的分辨率最高可到達5納米甚至更小。這個領域比較代表性的貢獻和發(fā)明包括Eric Betzig團隊的光敏定位顯微鏡(photoactivated localization microscopy,PALM), Stefan Hell團隊的受激發(fā)射損耗熒光顯微術?(stimulated emission?depletion microscopy,STED), ?W.E. Moerner團隊的單分子定位顯微鏡?(single-molecule localization microscopy,SMLM)，以及華人科學家莊小威團隊的隨機光學重建顯微法(Stochastic Optical Reconstruction Microscopy,STORM)。雖然類似技術已在生物學科和醫(yī)學領域慢慢普及，對于高分子學科而言，熒光技術的貢獻正在冉冉升起，并且更多的是集中在最近的這十年。
舉例而言，超高清技術正被用來觀察嵌段共聚物薄膜狀態(tài)的形貌，超分子的納米纖維結構，分子結晶驅動的自組裝結構以及單根高分子鏈段的結構特征等等。這些研究證明了熒光顯微鏡技術作為一個非常溫和的表征手段，在不傷害材料本身的性能以及化學性質(zhì)的情況下，得到了可以和傳統(tǒng)透射電鏡以及原子力顯微鏡相媲美的高清晰度。
除此之外，熒光顯微鏡技術還提供了很多普通的材料形貌結構表征手段無法輕易得到的物理信息。這其中就包括了：1）單根高分子的分子鏈取向，并用來研究分子層面的各項異性的行為；2）高清晰的三維形貌掃描，對材料納米尺度的結構有全面的認知和表征；以及3）單分子或者納米結構的原位實時監(jiān)測，不僅可以得到每個分子的彌散系數(shù)等性質(zhì)，也可以用來研究在加工過程中，納米層面的殘缺點是如何被移除和消滅的。這也從而實現(xiàn)了高分子科學家們的一個理想-“visualizing self-assembly processes”。定量化的在線觀察和分析如何去除納米級殘缺點對于如今正火的半導體芯片技術以及對應的大規(guī)模生產(chǎn)也是非常重要的。
在文章的末端，兩位作者也提供了一些對于這個研究領域未來發(fā)展可能性的思路和暢想。其中就包括了如何進一步提高顯微鏡技術的分辨率，如何運用一些最新的熒光分子（比如AIE，或者mechanophores）去表征更為復雜的材料性能，以及與其他先進表征手段相結合的機會和可能性。最后，他們也提到了作為一個多學科交叉的研究領域，熒光顯微鏡技術在高分子領域的突破發(fā)展需要光學，物理，化學等各行各業(yè)的專家一起貢獻完成。對于這一個正在迅速發(fā)展的領域，完全有理由期待他們在高分子未來的變得更加的重要和有意義。
文章鏈接：
