2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——分子仿生學(xué)在工程領(lǐng)域的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)述分子仿生學(xué)的核心思想及其與分子科學(xué)與工程學(xué)科的關(guān)系。二、分子識(shí)別通常涉及哪些主要的非共價(jià)鍵相互作用力？請(qǐng)簡(jiǎn)要說(shuō)明每種作用力在分子識(shí)別過(guò)程中的作用機(jī)制。三、什么是分子自組裝？請(qǐng)列舉三種常見(jiàn)的自組裝驅(qū)動(dòng)力，并簡(jiǎn)述它們?nèi)绾悟?qū)動(dòng)分子或納米顆粒形成有序結(jié)構(gòu)。四、模仿荷葉表面超疏水特性的材料在哪些工程領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用？請(qǐng)至少列舉三個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，并簡(jiǎn)述其應(yīng)用原理。五、以模仿生物酶催化為例，說(shuō)明分子仿生學(xué)在發(fā)展高效、選擇性催化劑方面的優(yōu)勢(shì)。請(qǐng)舉例說(shuō)明一種具體的仿生酶或催化系統(tǒng)。六、簡(jiǎn)述模仿光合作用原理設(shè)計(jì)的光伏器件（如dye-sensitizedsolarcells,DSSCs或biologicalphotovoltaics）的基本工作原理及其在能源工程應(yīng)用中的意義。七、仿生水凝膠因其獨(dú)特的響應(yīng)性和生物相容性，在生物醫(yī)學(xué)工程中有著廣泛的應(yīng)用。請(qǐng)列舉三種基于仿生水凝膠的應(yīng)用，并分別說(shuō)明其工作原理或功能。八、在利用分子仿生學(xué)原理開(kāi)發(fā)新材料或器件時(shí)，通常會(huì)遇到哪些主要的挑戰(zhàn)？請(qǐng)選擇其中兩個(gè)挑戰(zhàn)進(jìn)行詳細(xì)論述。九、結(jié)合你所了解的實(shí)例，論述分子識(shí)別和自組裝技術(shù)在開(kāi)發(fā)智能傳感與檢測(cè)材料方面的應(yīng)用前景。試卷答案一、分子仿生學(xué)是指模仿生物系統(tǒng)（包括生物體、生物過(guò)程或生物結(jié)構(gòu)）的原理、功能和行為，并將其應(yīng)用于工程技術(shù)領(lǐng)域的科學(xué)。其核心思想是從自然界中汲取靈感，利用分子層面的相互作用和自組裝規(guī)律來(lái)設(shè)計(jì)和創(chuàng)造具有特定功能的新型材料、器件或系統(tǒng)。分子仿生學(xué)與分子科學(xué)與工程學(xué)科密切相關(guān)，因?yàn)樗昧朔肿訉用娴闹R(shí)和工具（如合成化學(xué)、超分子化學(xué)、界面科學(xué)等）來(lái)實(shí)現(xiàn)仿生目標(biāo)，推動(dòng)了跨學(xué)科的發(fā)展，特別是在材料科學(xué)、能源、環(huán)境、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。二、分子識(shí)別通常涉及的主要非共價(jià)鍵相互作用力及其作用機(jī)制如下：1.氫鍵：由一個(gè)分子中電負(fù)性強(qiáng)的原子（如O、N）與另一個(gè)分子中電負(fù)性強(qiáng)的原子之間的相互作用形成。氫鍵具有方向性和相對(duì)較強(qiáng)的鍵能（相對(duì)其他非共價(jià)鍵），在形成生物大分子二級(jí)、三級(jí)結(jié)構(gòu)（如DNA雙螺旋、蛋白質(zhì)α螺旋和β折疊）以及穩(wěn)定超分子組裝體（如環(huán)糊精與客體分子）中起著關(guān)鍵作用。2.范德華力：包括倫敦色散力、偶極-偶極力、誘導(dǎo)偶極力等。它是分子間普遍存在的一種較弱的相互作用，尤其在堆積緊密的固體表面或形成疏水核心時(shí)起重要作用。例如，石墨的層狀結(jié)構(gòu)、fullerenes的籠狀結(jié)構(gòu)都依賴(lài)于范德華力。其強(qiáng)度隨分子表面積、極性等變化。3.疏水作用：指在水中，非極性分子或基團(tuán)傾向于聚集在一起，以減少與水分子的接觸面積。其本質(zhì)是水分子為了維持自身的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，會(huì)排斥非極性分子，導(dǎo)致非極性分子間產(chǎn)生相對(duì)的“熵增”，從而驅(qū)動(dòng)它們聚集。疏水作用是自組裝（如脂質(zhì)體形成、蛋白質(zhì)折疊、疏水膠束形成）和許多生物界面現(xiàn)象（如細(xì)胞膜）的主要驅(qū)動(dòng)力之一。三、分子自組裝是指分子（或納米顆粒、聚合物鏈等）在驅(qū)動(dòng)力（如熱力學(xué)或動(dòng)力學(xué)勢(shì)能梯度）作用下，自發(fā)地、可逆地形成有序或無(wú)序結(jié)構(gòu)的物理化學(xué)過(guò)程。常見(jiàn)的自組裝驅(qū)動(dòng)力包括：1.熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力：主要是指熵驅(qū)動(dòng)的自組裝（如疏水作用），但也包括自由能降低（如膠束形成使系統(tǒng)更穩(wěn)定）。2.靜電相互作用：帶相反電荷的分子或基團(tuán)之間的吸引，可通過(guò)調(diào)節(jié)pH值或離子強(qiáng)度來(lái)調(diào)控?？捎糜跇?gòu)建有序的聚電解質(zhì)刷、離子凝膠等。3.主客體相互作用（包結(jié)作用）：如環(huán)糊精與客體分子（如藥物分子、染料分子）形成主客體復(fù)合物，可通過(guò)選擇合適的主體和客體實(shí)現(xiàn)特定的識(shí)別和組裝。四、模仿荷葉表面超疏水特性的材料在以下工程領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用：1.自清潔表面：模仿荷葉的疏水性和微納米結(jié)構(gòu)，可以制備具有優(yōu)異自清潔性能的表面，用于建筑玻璃、外墻、太陽(yáng)能電池板等，減少灰塵和污漬的附著，降低清洗成本。2.抗污表面：超疏水表面能有效排斥水、油等液體，因此可用于制造防污涂層，應(yīng)用于航空航天器、船舶等，減少表面張力和附著力，降低摩擦阻力或防止生物污損（如海藻附著）。3.微流體器件：利用水在超疏水表面上的滾珠效應(yīng)，可以設(shè)計(jì)用于微型液滴操控、芯片式實(shí)驗(yàn)室（Lab-on-a-chip）中的流體分選、混合等微流體應(yīng)用。五、分子仿生學(xué)在發(fā)展高效、選擇性催化劑方面的優(yōu)勢(shì)在于能夠借鑒生物酶的高度選擇性和溫和反應(yīng)條件。生物酶通過(guò)其精確的活性位點(diǎn)（活性口袋）來(lái)識(shí)別底物，并通過(guò)優(yōu)化底物與催化劑的結(jié)合方式以及穩(wěn)定過(guò)渡態(tài)來(lái)加速反應(yīng)。仿生酶或催化系統(tǒng)可以通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)：1.模擬活性位點(diǎn)：設(shè)計(jì)具有特定幾何構(gòu)型和電子性質(zhì)的分子或無(wú)機(jī)材料來(lái)模擬酶的催化殘基，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定反應(yīng)的高選擇性。2.利用天然反應(yīng)通道：模仿酶分子內(nèi)部的底物傳輸通道或質(zhì)子/電子轉(zhuǎn)移路徑，優(yōu)化反應(yīng)進(jìn)程。例如，利用金屬有機(jī)框架（MOFs）或共價(jià)有機(jī)框架（COFs）構(gòu)筑具有酶樣活性的多孔材料，或設(shè)計(jì)基于天然核苷酸序列的核酸酶模擬物，都是典型的仿生催化實(shí)例。六、模仿光合作用原理設(shè)計(jì)的光伏器件，如染料敏化太陽(yáng)能電池（DSSCs），其基本工作原理如下：器件通常包括一個(gè)透明導(dǎo)電基底、一層寬光譜吸收的光敏劑（染料或納米半導(dǎo)體粉末）、一個(gè)多孔的半導(dǎo)體骨架（如TiO2）用于固定光敏劑和傳輸電子、一個(gè)電解質(zhì)（液態(tài)或固態(tài)）用于提供離子以完成電荷補(bǔ)償，以及一個(gè)對(duì)電極。光照下，染料/半導(dǎo)體吸收光子產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，電子被注入到半導(dǎo)體導(dǎo)帶，通過(guò)光生伏特效應(yīng)在半導(dǎo)體和電解質(zhì)之間產(chǎn)生光電壓。產(chǎn)生的電子通過(guò)外部電路流向?qū)﹄姌O，同時(shí)電解質(zhì)中的離子向半導(dǎo)體遷移以補(bǔ)償電荷，完成一個(gè)光循環(huán)，從而產(chǎn)生電流和電壓。其意義在于提供了一種模擬自然光合作用轉(zhuǎn)化太陽(yáng)能為電能的途徑，具有潛在的低成本、易制備等優(yōu)點(diǎn)。七、基于仿生水凝膠的應(yīng)用及其工作原理或功能如下：1.藥物遞送系統(tǒng)：利用水凝膠的智能響應(yīng)性（如pH、溫度、酶響應(yīng)），設(shè)計(jì)能夠?qū)⑺幬锇趦?nèi)部，并在特定部位或特定條件下控制釋放的載體。例如，腫瘤微環(huán)境具有較低的pH值，可設(shè)計(jì)pH敏感水凝膠實(shí)現(xiàn)腫瘤靶向藥物釋放。2.組織工程支架：模仿天然組織的結(jié)構(gòu)和生物力學(xué)特性，設(shè)計(jì)具有合適的孔隙結(jié)構(gòu)、力學(xué)強(qiáng)度和生物相容性的水凝膠支架，為細(xì)胞生長(zhǎng)、組織再生提供物理和化學(xué)微環(huán)境。例如，利用細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）衍生肽自組裝或交聯(lián)形成的水凝膠支架。3.人工組織/器官：更進(jìn)一步的仿生應(yīng)用是構(gòu)建包含細(xì)胞、血管網(wǎng)絡(luò)和仿生基質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)，模擬真實(shí)器官的復(fù)雜功能。水凝膠作為基質(zhì)材料在其中扮演重要角色。八、利用分子仿生學(xué)原理開(kāi)發(fā)新材料或器件時(shí)通常遇到的挑戰(zhàn)包括：1.從實(shí)驗(yàn)室到規(guī)模化生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化困難：許多仿生材料或器件在實(shí)驗(yàn)室中表現(xiàn)出優(yōu)異性能，但難以放大到工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模，涉及成本、效率、均一性等多方面問(wèn)題。例如，自組裝結(jié)構(gòu)的精確控制、模板材料的去除、批量生產(chǎn)的重現(xiàn)性等。2.長(zhǎng)期穩(wěn)定性和功能持久性：模仿生物系統(tǒng)往往要求材料在復(fù)雜的服役環(huán)境中長(zhǎng)期保持其特定結(jié)構(gòu)和功能。然而，實(shí)際應(yīng)用中，材料可能面臨光照、氧化、磨損、生物降解等挑戰(zhàn)，導(dǎo)致性能衰減或失效。確保仿生系統(tǒng)在目標(biāo)應(yīng)用環(huán)境中的耐久性是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。九、分子識(shí)別和自組裝技術(shù)在開(kāi)發(fā)智能傳感與檢測(cè)材料方面的應(yīng)用前景廣闊。分子識(shí)別技術(shù)（如抗體-抗原、酶-底物、核酸雜交等）具有極高的特異性，可用于檢測(cè)痕量目標(biāo)分析物（如生物標(biāo)志物、環(huán)境污染物、爆炸物、化學(xué)warfareagents）。自組裝技術(shù)則提供了構(gòu)建具有特定結(jié)構(gòu)和功能的傳感器的強(qiáng)大平臺(tái)。例如：*基于自組裝納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)傳感器：利用金納米棒、量子點(diǎn)等自組裝形成的特定圖案或間距，通過(guò)表面等離激元共振（SPR）或熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）等效應(yīng)，對(duì)目標(biāo)分子引起的折射率或熒光變化進(jìn)行高靈敏度和高選擇性檢測(cè)。*酶仿生傳感器：模仿酶的高選擇性和催化活性，將酶固定在具有良好傳質(zhì)性能的自組裝材料（如介孔二氧化硅、聚合物囊