近日，我院精细化工全国重点实验室武素丽教授联合意大利应用科学与智能系统研究所Gianluigi Zito教授、新加坡国立大学刘小钢院士，首次实现了独特的“双结构色”机制。相关研究成功以“基于增强集体米氏共振的三维光子超晶格构筑及双模结构色调控”（3D Photonic Metacrystals with Enhanced Collective Mie Resonances for Dual Structural Coloration）为题发表在《先进材料》（Advanced Materials）。论文第一作者为我院吴越博士，通讯作者为我院精细化工全国重点实验室武素丽教授、意大利应用科学与智能系统研究所Gianluigi Zito教授、新加坡国立大学刘小钢院士。

三维光子晶体通过周期性介电结构调控局域态密度（LDOS），在布拉格带隙作用下产生不褪色的结构色，在光学传感、发光调制、微纳光学等领域广泛应用。然而，传统自组装光子晶体中的序构基元（如SiO₂或聚苯乙烯）折射率较低（n < 1.7），难以支持强米氏共振（Mie resonance），尤其缺乏可见光波段的高效磁偶极共振。另一方面，虽然高折射率材料（如硅、锗等，n ≥ 3.5）能产生显著的磁偶极米氏共振并用于超构材料设计，但其在可见光区存在严重的吸收损耗，且难以通过自组装实现高效、低成本的大面积有序排列。因此，在可见光波段实现高Q值米氏共振耦合效应，并兼顾低成本、大面积的制备，成为关键挑战。

本研究提出以硫化镉（CdS）微球（n ≈ 2.5）为序构基元，通过高温自组装技术，构建长程有序的面心立方（fcc）三维超晶格（metacrystals），解决了上述矛盾。CdS纳米球在高温溶剂蒸发过程中形成高度有序结构，其周期性排列显著抑制了米氏共振区的局域态密度，从而大幅降低辐射损耗，增强米氏共振耦合效应。实验表明，该结构将磁米氏共振强度提升13倍，Q因子达17（理论值24），远超单一介电纳米材料的极限。同时，布拉格散射峰与米氏共振耦合峰共存，形成独特的“双结构色机制：布拉格散射依赖晶格周期和角度，而米氏共振由粒子尺寸和耦合主导，二者协同实现了从可见光到近红外的角度及偏振敏感的结构色效应，为超灵敏偏振测量和光学传感提供了新平台。

首先，作者通过多尺度电磁模拟揭示了三维有序结构的共振耦合机制。单颗CdS球（350 nm）的散射谱呈对称峰形，而三球聚集体仅引起微小蓝移。关键突破在于四面体单元：电偶极与磁偶极干涉在767 nm处形成Fano凹陷，并在724 nm和836 nm处产生新共振峰，证明近场耦合可重构光学响应。进一步对六层面心立方阵列的模拟显示，长程有序将单元干涉效应放大为窄带反射谷，并与>900 nm的布拉格宽带共存。共振位点与四面体特征峰的一致性表明，周期性晶格能将局域干涉转化为米氏共振耦合增强，同时保留布拉格散射特性。

其次，作者结合能带计算与场分布量化了LDOS衰减对共振Q因子的提升作用。单层CdS阵列在600 nm处出现典型Fano线型的米氏共振，其吸收峰对应局域场最大值。随着堆叠层数增加，六层fcc结构形成布拉格散射带，其光谱范围覆盖米氏共振区，导致该区域LDOS显著衰减。能带图明确显示磁米氏模与第一布拉格带重叠，抑制了光能泄漏。场分布对比证实：四面体单元中的磁偶极环流模式在完整晶格中强度提升10倍，且空间形态高度一致。这种"模态记忆"效应证明，周期性排列将单元共振锁定为高Q值集体模式。

然后，作者通过实验系统验证了双共振的尺寸依赖性及独立调控潜力。SEM图像证实350 nm CdS球成功自组装为长程有序fcc晶格。反射光谱中，有序结构在598 nm处出现尖锐的米氏散射峰，强度较无序样本提升13倍，红外区布拉格峰符合（111）晶面衍射计算。通过190-375 nm四种尺寸球体的对比实验，发现米氏散射峰与布拉格峰均随直径增大红移，但斜率差异显著：布拉格峰与D呈线性关系（斜率0.96），而米氏峰受多极散射影响斜率仅0.58。随基元直径从190 nm提高至275 nm，布拉格峰和米氏峰之间的间距从215 nm增加至408 nm，为可见光米氏散射结构色与红外布拉格衍射结构色的独立调控奠定基础。

最后，作者展示了双共振机制驱动的角度/偏振响应与实际应用。入射角实验揭示差异化行为：当角度从5°增至60°，所有尺寸CdS球的布拉格峰蓝移，而米氏散射峰红移且强度剧降，该现象源于周期性耦合增强米氏共振的前向散射。偏振实验表明：s偏振可高效激发磁偶极环流，而p偏振使CdS米氏峰红移15 nm且强度衰减60%；ZnS晶格在CIE色度图中沿y轴偏移，实现偏振控色。基于此开发的喷墨打印技术，用CdS/ZnS墨水制成8 cm²孔雀图案——视角60°时中心区从橙红变为绿色（米氏散射蓝移主导），边缘区从亮黄变为橙色（布拉格调制），验证双机制动态显色能力。

本研究成功构建了一种同时支持覆盖可见光与近红外光谱的米氏共振和布拉格共振的新型三维超晶格。结构中的长程有序显著衰减了与米氏共振重叠的局域态密度（LDOS），同时抑制外部辐射损耗，从而增强局域场强度并提高共振品质因子。通过实验证明了磁米氏共振增强13倍，品质因子达17。这些有序结构产生的布拉格峰与强化的米氏共振耦合共存，在可见光至近红外光谱范围内实现了稳定且角度依赖的结构色。米氏共振还对入射偏振表现出各向异性响应，其显著增强的共振特性对实现高色纯度和偏振敏感性至关重要。基于溶液处理的自组装三维超晶格方法，为创建同时支持布拉格和定向米氏共振的结构提供了多功能平台。由中等折射率材料构成的3D超晶格中的米氏共振，可实现对入射光多个光谱带的精确同步调控，这为光子学、传感和非线性光学领域的先进功能铺平了道路。