Aggregationsinduzierte Emission: mehr ist anders

„Mit der Erforschung der aggregationsinduzierten Emission betreten wir die Mesoebene, auf der Synergie und Kooperation zwischen vielen Molekülen in einem Aggregat bewirken, dass sich dieses anders verhält als seine Komponenten. … Lasst uns diese Chance ergreifen! Entwickeln wir die Mesowissenschaften und ihre Technologie, um noch mehr Licht in die Welt zu bringen!“ Lesen Sie mehr im Gast-Editorial von B. Liu und B. Z. Tang. Der Reduktionismus reduziert Substanzen auf Moleküle, gemäß Duden die “kleinste, aus verschiedenen Atomen bestehende Einheit einer chemischen Verbindung, die noch die charakteristischen Merkmale dieser Verbindung aufweist”. Dieses Konzept des Moleküls diente jahrhundertelang als Grundlage der Molekülwissenschaften, die zahlreiche Modelle und Lehrsätze für isolierte molekulare Spezies in der Gasphase und im gelösten Zustand hervorgebracht haben. Im festen Zustand lagern sich viele kleine Moleküle eng zusammen, und sie bilden große Aggregate, was einen Wechsel von der Mikro- auf die Mesoebene bedeutet. Solche Aggregate sind bisher noch weit weniger gut untersucht, obwohl ihr Studium wichtig für die Grundlagenforschung und für praktische Anwendungen sein sollte. Die Eigenschaften eines Aggregats lassen sich nicht zwangsläufig aus dem Verhalten seiner molekularen Komponenten ableiten, sondern es können eigene Prinzipien gelten, die es noch zu ergründen gilt. Die komplexe Mesowelt, zwischen der Mikrowelt der Moleküle und der Makrowelt der Substanzen, bietet viel Raum für Entdeckungen. Neue Forschungsrichtungen und Technologien, die auf Aggregationsprozessen beruhen, gewinnen im Zusammenhang mit High-Tech-Innovationen zunehmend an Bedeutung. Ein gutes Beispiel dafür, dass ein System deutlich mehr sein kann als die Summe seiner Teile, ist die aggregationsinduzierte Emission (AIE): Das Aggregat besitzt eine Eigenschaft (nämlich eine Lumineszenz), die seinen molekularen Bestandteilen komplett fehlt! In den vergangenen zwanzig Jahren konnte die AIE-Forschung große Fortschritte verzeichnen, sowohl bei der Untersuchung und Entwicklung von Materialien als auch im Hinblick auf mögliche Anwendungen. Die Aggregate der AIE-Luminogene (AIEgene) verhalten sich ganz anders als die einzelnen Elemente, und sie zeigen Funktionalitäten, die nur schwer, wenn überhaupt, auf abweichendem Weg mit ihren molekularen Bausteinen erhältlich wären. Die Aggregation von Molekülen, Polymeren und Partikeln hat bereits zu aufregenden Ergebnissen in Materialwissenschaften, Chemie, Physik, Medizin, Bio- und Nanotechnologie geführt, sodass Aggregate als eigenständige Entitäten angesehen werden sollten, die eine systematische Untersuchung verdienen. AIEgene bilden eine ganz unglaubliche Gruppe funktionaler Aggregate. Die AIE-Effekte widersetzen sich dem allgemein beobachteten Phänomen der aggregationsbedingten Löschung (“aggregation-caused quenching”, ACQ) der Lichtemission. Dadurch ändern sie unser Bild der Chromophoraggregation, sie liefern neue photophysikalische Lehrsätze, und sie dienen als Grundlage für die Entwicklung robuster innovativer Leuchtmaterialien in praktischer Festkörperform. AIEgene sind herkömmlichen Leuchtsubstanzen überlegen, was effiziente Leuchtdioden, responsive intelligente Systeme, empfindliche Chemosensoren, tumorspezifische Bildgebung, Phototherapie und Präzisionsmedizin betrifft. Diese High-Tech-Anwendungen auf den Gebieten der Optoelektronik, Umwelt oder Gesundheit erlangen in unserem täglichen Leben immer größere Bedeutung. Vom Aufstieg der Mesowissenschaft der Aggregate und der stark zunehmenden AIE-Forschungsaktivität zeugen zahlreiche nationale Symposien und internationale Konferenzen, die Jahr für Jahr tausende Forscher aus vielen Ländern und verschiedenen Disziplinen zusammenführen. Einige Zentren für Aggregatforschung wurden bereits eingerichtet, und weltweit wächst die Zahl der AIE-Forscher rasant. Eine “Google-Scholar”-Suche nach “aggregation induced emission”, der zufolge in den Jahren 2018 und 2019 je 3980 bzw. 5030 Beiträge über AIE publiziert wurden, spiegelt die schnell steigende Forschungsaktivität wider. Nun dürfen wir 20 Jahre AIE-Forschung feiern, indem wir mit der Angewandten Chemie dieses Themenheft organisieren. Es freut uns, dass wir als Autoren der 50 exzellenten Beiträge in diesem Heft (2 Aufsätze, 4 Kurzaufsätze, 25 Zuschriften und 19 Forschungsartikel) einige der angesehensten Vertreter des Gebiets gewinnen konnten. Das AIE-Heft deckt eine Vielfalt an Themen ab, von bahnbrechenden Fortschritten bei den Strukturen und Mechanismen bis hin zu Anwendungsplattformen für Prozesstechnik, Informationsverschlüsselung, Bildschirme, Sensoren, Bildgebung und Theranostik. Die AIE-Forschung profitierte von der kontinuierlichen Entdeckung neuer photophysikalischer Phänomene und der Etablierung neuer Konzepte für die einzigartigen Lumineszenzprozesse auf der Mesoebene, die ihr Voranschreiten begleiteten. Beispiele dafür sind kristallisationsverstärkte Emission, Raumtemperatur-Phosphoreszenz, aggregationsinduzierte verzögerte Fluoreszenz oder durch Clusterbildung ausgelöste Emission, aus denen jeweils eigene Forschungsrichtungen hervorgingen. Dieses Themenheft illustriert auch den Übergang bei AIEgenen von kleinen Molekülen zu großen Übermolekülen und riesigen Polymeren, zu metallorganischen Komplexen und organisch-anorganischen Hybriden, und von altbekannten Luminogenen mit ausgedehnter π-Elektronenkonjugation zu unüblichen nichtkonjugierten Nanoclustern, einfachen anorganischen Salzen und Halbleiter-Quantenpunkten. Im Zuge dieser Entwicklungen beim Materialdesign erweiterte sich das Bild des AIE-Mechanismus über die Einschränkung intramolekularer Bewegungen hinaus auf die Blockade verschiedener strahlungsloser Pfade, die in effizienten Strahlungsprozessen der aggregierten AIEgene resultiert. In diesem Themenheft ist auch beschrieben, dass dünne Filme aus AIEgenen eine effiziente Festkörperfluoreszenz oder zirkular polarisierte Lumineszenz abgeben können, die in einer neuen Generation organischer Leuchtmittel genutzt werden könnten. Auf der Grundlage des AIE-Effekts wurden Systeme mit Tribolumineszenz und Mechanophosphoreszenz entworfen, die auf einen mechanischen Reiz hin, und nicht auf photochemische Anregung, zu leuchten beginnen. Die noch junge Beobachtung dynamischer Molekülbewegungen im Festkörper für maßgeschneiderte AIE-Systeme erweitert den Anwendungsbereich von AIE-Punkten, sodass diese nicht nur als Sensoren oder Kontrastmittel, sondern auch als photoaktivierbare Theranostika wirken können: So haben sich AIE-Nanopartikel mit starken photothermischen und photoakustischen Eigenschaften in videounterstützten Operationen und Therapien bewährt. Die optimierte Modulierung der Hell- und Dunkelzustände von AIEgenen durch reversibles Ein- und Ausschalten ist vielversprechend für biomedizinische Anwendungen. Erwähnenswert ist ferner die Entwicklung von Systemen mit aggregationsinduzierter Photosensibilisierung. Solche AIE-Photosensibilisatoren leuchten hell und erzeugen zugleich effizient reaktive Sauerstoffspezies. Damit bieten sie eine Doppelfunktion für Bildgebung und photodynamische Therapie, die durch Photosensibilisatoren mit ACQ in wässrigem Medium praktisch nicht zu erzielen ist. Um den steigenden Bedarf bei Pathogenbekämpfung und Krebstherapie zu decken, wurden mittlerweile eigene AIE-Photosensibilisatoren entworfen. Über das Strukturdesign auf der Mikroebene hinaus wurden auf einer höheren Hierarchieebene durch Steuerung von Packungsverhalten, Orientierung und Morphologie die optischen und photonischen Eigenschaften von AIE-Aggregaten angepasst und ihre Leistungsmerkmale und Funktionen verbessert. Die Beispiele in diesem Themenheft zeigen eindrucksvoll, welche Rolle AIEgene und ihre Aggregate spielen können, wenn es darum geht, die großen Herausforderungen auf den Gebieten Energie, Umwelt und Biomedizin zu meistern. Mit der AIE-Forschung betreten wir die Mesoebene, auf der Synergie und Kooperation zwischen vielen Molekülen (“mehr”) in einem Aggregat bewirken, dass sich dieses “anders” verhält als seine Komponenten. Die Mesowelt lockt wie ein exotisches Wunderland – mit unvorstellbaren Szenarien, unbegrenzten Möglichkeiten und unfassbaren Schätzen. Lasst uns diese Chance ergreifen! Entwickeln wir die Mesowissenschaften und ihre Technologie, um die Natur noch besser zu verstehen und noch mehr Licht in die Welt zu bringen! Abschließend möchten wir uns bei Neville Compton und Xin Su und bei der gesamten Redaktion der Angewandten Chemie bedanken, die uns bei der Auswahl der hochklassigen Beiträge professionell unterstützte. Ihr Einsatz machte es möglich, dass hier die beste AIE-Forschung einem breiten Fachpublikum präsentiert werden kann. Wir danken allen Autoren und Gutachtern, die einen Beitrag zu diesem Themenheft geleistet haben. Einige AIE-Publikationen, die nicht mehr in dieses Heft aufgenommen werden konnten, werden in anderen Angewandten-Chemie-Heften zu finden sein. Uns bleibt zu hoffen, dass die herausragenden AIE-Beiträge in diesem Themenheft Forscher aus vielen Fachgebieten zu innovativen Ideen anregen und wissenschaftliche Kooperationen beflügeln, die Fortschritte zum Wohle von Menschheit und Gesellschaft bringen.