打造具有光学方向差异性的特殊结构彩色晶体

本文报道了一种利用DNA作为‘可编程原子等价物’，精准构建低对称性胶体晶体的新方法。研究团队以金纳米棒（NRs）和金纳米五角双锥体（NPBPs）为基本单元，通过设计不同的DNA连接策略（自互补或互补配对），成功组装出三种结构明确、形貌可控的低对称性胶体晶体：I型为六方晶系（光学轴垂直于晶体顶面）、II型为面心正交晶系（双光学轴，其中一轴垂直于顶面，另一轴源于横向对称破缺）、III型为菱面体晶系（光学轴呈斜交取向，与天然方解石晶型一致）。这些晶体的晶格对称性直接决定了其光学各向异性——特别是III型菱面体晶体，在实验与仿真中均表现出强烈的偏振依赖透射（二向色性）和散射（异常各向异性散射），甚至能将线偏振光部分转化为圆偏振光（即具备双折射特性）。研究还发现，通过调控盐浓度可改变I型与II型晶体的堆叠方式和晶格角度；通过调节DNA连接链长度，可连续调控III型晶体的晶格夹角（从锐角→直角→钝角），实现光学性质的精细‘调谐’。借助同步辐射小角X射线散射（SAXS）、电子显微镜及分子动力学（MD）模拟，作者验证了晶体结构的形成机制；再结合大规模全波三维电磁仿真（基于积分方程-矩量法与多层快速多极子算法），定量揭示了其远超传统材料（如方解石或人工双折射片）的光学各向异性强度（折射率差Δn与消光系数比D）。该工作不仅突破了传统胶体自组装难以获得低对称结构的瓶颈，更首次实现了DNA介导下胶体超晶格光学各向异性的理性设计与功能定制，为开发新一代高性能偏振光学元件、手性光子器件及胶体超材料开辟了新路径。