2025年大學《分子科學與工程》專業(yè)題庫——碳基納米材料的分子組裝及調控研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。下列每小題選項中，只有一項符合題目要求，請將正確選項的字母填在題后的括號內。）1.下列哪種碳基納米材料主要由單層碳原子以sp2雜化軌道構成蜂窩狀晶格結構？A.富勒烯B.碳納米管C.石墨烯D.石墨2.分子自組裝過程通常驅動力來源于？A.熱力學上的熵增B.熱力學上的焓減C.電磁相互作用D.核力作用3.在碳納米管的分子組裝中，使用硫醇類分子作為連接臂，其主要作用是？A.提供導電通路B.增強機械強度C.提供特異性吸附位點D.調節(jié)溶液粘度4.下列哪項技術通常用于表征二維材料（如石墨烯）的層數(shù)和厚度？A.X射線衍射（XRD）B.透射電子顯微鏡（TEM）C.傅里葉變換紅外光譜（FTIR）D.核磁共振（NMR）5.將疏水性的碳納米管分散在水中時，常需要加入表面活性劑，其主要目的是？A.促進自組裝B.增強導電性C.防止團聚D.提高光學活性6.利用DNA堿基互補配對原則進行碳納米材料組裝，這種策略的核心優(yōu)勢是？A.高溫穩(wěn)定性B.高效的特異性C.簡單的合成條件D.低成本7.在碳基納米材料的組裝體中，通過精確調控組裝單元的排列方式，可以主要改變其？A.熱穩(wěn)定性B.溶解度C.電學性質D.機械強度8.下列哪種方法不屬于典型的模板法合成碳基納米材料？A.氣相沉積法B.原位刻蝕法C.等離子體刻蝕法D.表面模板組裝法9.石墨烯的官能團化處理，主要目的是？A.增加層數(shù)B.改善水溶性C.提高導電率D.增強疏水性10.碳納米材料分子組裝研究在生物醫(yī)學領域的潛在應用不包括？A.生物傳感器B.藥物遞送載體C.組織工程支架D.催化裂化二、填空題（每空1分，共15分。請將正確答案填寫在橫線上。）1.碳納米管可以分為________型和________型兩種基本結構。2.分子識別在碳基納米材料的自組裝過程中起著________的作用。3.組裝體的結構調控可以通過改變________、________等因素來實現(xiàn)。4.傅里葉變換紅外光譜（FTIR）可以用來識別組裝體中存在的________基團。5.利用碳納米管組裝形成的超級電容器，其高能量密度主要來源于________的快速充放電。6.模板法組裝碳納米材料通常需要先制備具有特定________的模板。7.石墨烯的優(yōu)異導電性與其蜂窩狀晶格結構中離域的________軌道密切相關。8.在水溶液體系中，碳納米材料的表面通常帶有________電荷，導致其易于團聚。9.通過分子設計引入特定的________基序，可以引導碳納米材料進行有序組裝。10.碳基納米材料分子組裝研究的前沿熱點之一是構筑具有特定功能的________結構。三、簡答題（每小題5分，共20分。請簡要回答下列問題。）1.簡述碳納米管自組裝的基本過程。2.解釋什么是“分子識別”在碳基納米材料組裝中的作用。3.列舉三種常用的碳基納米材料分子組裝方法，并簡述其原理。4.簡述表面活性劑在碳納米材料水溶液分散過程中的作用機制。四、論述題（每小題10分，共30分。請圍繞下列主題進行論述。）1.討論影響碳納米管在溶液中自組裝行為的主要因素有哪些，并分析這些因素的作用機制。2.闡述碳基納米材料分子組裝技術在開發(fā)新型能源器件（如太陽能電池、超級電容器）方面的應用潛力及面臨的挑戰(zhàn)。3.以石墨烯為例，論述官能團化對其物理化學性質（如溶解性、電學性能、生物相容性等）的影響，并說明這些影響在組裝應用中的意義。試卷答案一、選擇題（每小題2分，共20分。下列每小題選項中，只有一項符合題目要求，請將正確選項的字母填在題后的括號內。）1.B2.B3.C4.B5.C6.B7.C8.A9.B10.D二、填空題（每空1分，共15分。請將正確答案填寫在橫線上。）1.單壁多壁2.引導和決定3.溫度溶劑4.官能5.雙電層6.微結構7.π8.負9.序列10.多維三、簡答題（每小題5分，共20分。請簡要回答下列問題。）1.碳納米管自組裝通常經(jīng)歷吸附、成核、生長和自組裝完成等步驟。首先，單根或多根碳納米管被吸附到基底或溶液中；然后，在特定條件下（如溶劑、溫度、電場等影響下），碳納米管通過分子間相互作用（如范德華力、π-π相互作用、氫鍵等）聚集形成核；接著，核逐漸長大，周圍的碳納米管進一步聚集；最終，形成具有特定結構的組裝體。2.分子識別是指在自組裝過程中，基于分子間特異性相互作用（如氫鍵、靜電相互作用、疏水作用、π-πstacking等），具有特定識別位點的分子（如單體、連接臂）能夠選擇性地結合到具有互補位點的分子上，從而引導組裝體形成特定的結構和形態(tài)。這種機制確保了組裝過程的精確性和特異性。3.常用的碳基納米材料分子組裝方法包括：①自組裝：利用分子間相互作用自發(fā)形成有序結構，如基于π-π作用、疏水作用的自組裝；②模板法組裝：利用具有特定孔隙結構或形狀的模板（如分子篩、生物模板、介孔材料等）來限域或引導碳納米材料的組裝；③化學合成后組裝：在碳納米材料合成完成后，通過后續(xù)的化學修飾或反應，引入連接臂或識別基團，使其能夠組裝成特定結構。4.表面活性劑分子具有雙親性，一端為親水基團，另一端為疏水基團。對于疏水性的碳納米管，當其分散在水中時，碳納米管表面會吸附一層表面活性劑分子，使得碳納米管表面的疏水基團被親水基團覆蓋。這增加了碳納米管在水中的溶解度，更重要的是，疏水基團之間的相互排斥作用有助于阻止碳納米管相互靠近和團聚，從而實現(xiàn)其在水溶液中的穩(wěn)定分散。四、論述題（每小題10分，共30分。請圍繞下列主題進行論述。）1.影響碳納米管在溶液中自組裝行為的主要因素及其作用機制包括：①碳納米管本身性質：碳納米管的種類（單壁/多壁、直徑、長度、缺陷等）、表面官能團等會影響其相互作用能和溶解性，進而影響組裝行為；②溶劑性質：溶劑的極性、介電常數(shù)、粘度等會影響碳納米管之間的相互作用以及表面活性劑/連接臂的溶解度和構象，從而調控組裝過程和結構；極性溶劑通常有利于碳納米管的溶解，但也可能促進π-π堆積，而非極性溶劑則相反；③溫度：溫度升高通常會增加分子熱運動，削弱范德華力等相互作用，可能導致組裝體結構破壞或解組裝；但某些情況下，溫度升高也可能促進溶解，有利于形成更大尺寸的組裝體；④電場：在外加電場作用下，碳納米管表面電荷分布發(fā)生改變，可以顯著增強碳納米管之間的庫侖相互作用，從而調控其溶解度和組裝行為，可用于控制組裝體的形成和結構；⑤濃度：碳納米管或連接臂的濃度達到一定閾值時，分子間相互作用增強，開始形成有序結構；濃度過高可能導致無序堆積或相分離；⑥連接臂/表面活性劑：連接臂的長度、柔性、識別基團類型等決定了碳納米管之間的連接方式和組裝結構的類型與穩(wěn)定性。2.碳基納米材料分子組裝技術在開發(fā)新型能源器件方面具有巨大潛力及面臨的挑戰(zhàn)。潛力體現(xiàn)在：①高表面積與高比容量：通過組裝形成多孔結構或超薄層結構，可以顯著增加電極材料與電解液的接觸面積，提高器件的比表面積和比容量；例如，組裝碳納米管/石墨烯復合電極材料用于超級電容器或鋰離子電池；②高導電網(wǎng)絡：碳納米材料本身具有優(yōu)異的導電性，通過有序組裝可以構建導電網(wǎng)絡，有效縮短電子傳輸路徑，提高器件的導電性能和倍率性能；例如，組裝形成三維碳納米材料網(wǎng)絡作為電池電極；③結構穩(wěn)定性與可調控性：分子組裝可以實現(xiàn)納米材料在空間上的精確排布，形成具有特定結構和機械性能的組裝體，有助于提高器件的結構穩(wěn)定性和循環(huán)壽命；組裝結構可以根據(jù)需求進行調控，以優(yōu)化器件性能；挑戰(zhàn)在于：①組裝結構的均一性與可控性：實現(xiàn)大面積、高均一性、精確可控的納米材料組裝仍然具有挑戰(zhàn)性，這直接影響器件的性能的一致性和穩(wěn)定性；②組裝結構的穩(wěn)定性：組裝體在實際工作條件下（如高溫、高壓、循環(huán)充放電）的結構穩(wěn)定性需要進一步保證；③成本與可擴展性：部分分子組裝方法可能較為復雜，成本較高，如何實現(xiàn)低成本、大規(guī)模制備是商業(yè)化應用的關鍵；④器件集成與優(yōu)化：將組裝的納米材料有效集成到實際的器件中，并優(yōu)化器件的電極、電解質、隔膜等組件，以實現(xiàn)整體性能的提升，也是一個重要的挑戰(zhàn)。3.以石墨烯為例，官能團化對其物理化學性質的影響及其在組裝應用中的意義如下：官能團化是指通過化學反應在石墨烯表面引入含氧、含氮、鹵素等官能團的過程。其影響包括：①溶解性：石墨烯是疏水性的，難以在水中分散，官能團化（如氧化石墨烯）引入含氧官能團（如羥基、羧基），增加了石墨烯的極性和親水性，使其能夠分散在水溶液中，這對基于溶液法的石墨烯組裝至關重要；②電學性能：引入的官能團會破壞石墨烯的sp2雜化碳碳鍵，引入缺陷，可能導致其導電性下降；但通過調控官能團類型和密度，也可以實現(xiàn)對導電性的調控；③比表面積：官能團化通常會引入額外的“支鏈”，輕微增加石墨烯的比表面積；④化學活性和生物相容性：官能團賦予了石墨烯更多的化學反應位點，提高了其化學活性；同時，某些官能團（如羥基、羧基）的存在可能提高其生物相容性，使其在生物醫(yī)學組裝應用中更安全。在組裝應用中的意義：官能團化是調控石墨烯在溶液中行為和實現(xiàn)功