2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫(kù)——分子科學(xué)與納米技術(shù)融合考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)述分子間作用力（包括氫鍵、范德華力、π-π堆積等）在分子自組裝過程中的作用及其對(duì)超分子結(jié)構(gòu)形態(tài)和性質(zhì)的影響。二、比較掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）在樣品制備、分辨率、信息獲取等方面的主要差異，并說明它們?cè)谟^察納米材料結(jié)構(gòu)時(shí)的各自優(yōu)勢(shì)和局限性。三、闡述“分子模板法”在納米材料合成中的應(yīng)用原理，列舉至少兩種具體的分子模板（如分子籠、生物分子）及其在合成特定納米結(jié)構(gòu)（如納米線、量子點(diǎn)）中的應(yīng)用實(shí)例，并簡(jiǎn)述其優(yōu)勢(shì)。四、結(jié)合界面化學(xué)的基本原理，解釋為什么表面活性劑能夠降低水的表面張力，并說明其在形成膠束、穩(wěn)定納米乳液等自組裝過程中的作用機(jī)制。五、納米材料的許多獨(dú)特性質(zhì)與其尺寸有關(guān)。以量子尺寸效應(yīng)為例，解釋當(dāng)納米顆粒的尺寸減小到特定量級(jí)以下時(shí)，其光學(xué)或電子性質(zhì)會(huì)發(fā)生顯著變化的現(xiàn)象，并簡(jiǎn)述其潛在的應(yīng)用前景。六、論述分子識(shí)別技術(shù)在納米傳感器中的應(yīng)用。選擇一種基于分子識(shí)別的納米傳感器，說明其基本工作原理、關(guān)鍵組分以及至少一個(gè)潛在的應(yīng)用場(chǎng)景。七、簡(jiǎn)述第一性原理計(jì)算在分子-納米體系研究中的重要作用。以預(yù)測(cè)分子吸附在納米材料表面的行為為例，說明計(jì)算過程中需要考慮的關(guān)鍵因素以及計(jì)算結(jié)果可以提供哪些有價(jià)值的信息。八、設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，利用自組裝技術(shù)（如層層自組裝）構(gòu)建一個(gè)具有特定光學(xué)響應(yīng)（如選擇性吸收或發(fā)射特定波長(zhǎng)光）功能的納米復(fù)合薄膜。請(qǐng)簡(jiǎn)述實(shí)驗(yàn)的基本步驟、所需關(guān)鍵材料、預(yù)期結(jié)構(gòu)以及該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)特定光學(xué)響應(yīng)的原理。試卷答案一、分子間作用力在分子自組裝過程中起著決定性作用。氫鍵具有方向性和較強(qiáng)的結(jié)合能，能夠引導(dǎo)形成有序的二維或三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如水凝膠、分子篩；范德華力雖然較弱但范圍廣，對(duì)分子構(gòu)象的穩(wěn)定和分子間的堆積方式有重要影響；π-π堆積作用在共軛體系分子自組裝中尤為顯著，可形成柱狀、層狀等結(jié)構(gòu)。這些作用力的綜合效應(yīng)決定了自組裝體的最終形態(tài)（如膠束的形狀、囊泡的尺寸）、穩(wěn)定性以及宏觀性質(zhì)（如相容性、光學(xué)特性等）。二、SEM和TEM的主要差異在于：SEM使用二次電子成像，樣品需導(dǎo)電處理（噴金），可觀察較大范圍表面形貌，分辨率約幾納米；TEM使用透射電子束，樣品需超薄切片（<100nm），可直接觀察樣品內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)，分辨率可達(dá)0.1nm。觀察納米材料時(shí)，SEM優(yōu)勢(shì)在于可快速獲取大量樣品的表面形貌統(tǒng)計(jì)信息，操作相對(duì)簡(jiǎn)單；而TEM優(yōu)勢(shì)在于能直接觀察納米材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、晶體缺陷、原子排列等精細(xì)結(jié)構(gòu)信息，分辨率更高，但樣品制備要求苛刻，耗時(shí)較長(zhǎng)。三、分子模板法利用具有特定空腔、孔道或結(jié)構(gòu)的分子（模板）作為框架或引導(dǎo)，控制反應(yīng)物在模板內(nèi)或表面進(jìn)行選擇性組裝或轉(zhuǎn)化，從而合成具有特定尺寸、形狀或結(jié)構(gòu)的納米材料。實(shí)例1：利用沸石分子篩作為模板，通過水熱合成法在沸石的孔道內(nèi)生長(zhǎng)碳納米管或金屬納米線；實(shí)例2：利用DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)作為模板，通過DNA鏈置換反應(yīng)或連接反應(yīng)，可構(gòu)建DNA納米線、DNA折紙結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上組裝量子點(diǎn)或其他納米顆粒形成納米器件。優(yōu)勢(shì)在于能夠精確控制產(chǎn)物的尺寸、形狀、排列，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的定制化。四、表面活性劑分子具有親水頭部和疏水尾部。當(dāng)加入水中時(shí)，疏水尾部?jī)A向于避開水相，親水頭部則傾向于水相，導(dǎo)致部分表面活性劑分子在水面排列，使得水分子之間的內(nèi)聚力被削弱，表面張力降低。在較低濃度下，表面活性劑分子在水面形成單分子層；當(dāng)濃度超過臨界膠束濃度（CMC）時(shí)，分子在水中形成聚集體——膠束，膠束內(nèi)部疏水尾部聚集，親水頭部朝外，這種自組裝行為有助于隱藏疏水部分，使分散體系更穩(wěn)定，例如在納米乳液形成中，表面活性劑能有效降低油水界面張力，穩(wěn)定乳滴。五、量子尺寸效應(yīng)是指當(dāng)納米顆粒的尺寸減小到與電子的德布羅意波長(zhǎng)或特征尺寸（如原子間距）相當(dāng)時(shí)，其電子能級(jí)從連續(xù)變?yōu)榉至?，?dǎo)致材料的宏觀性質(zhì)（尤其是光學(xué)和電子性質(zhì)）發(fā)生顯著變化的現(xiàn)象。例如，量子點(diǎn)尺寸減小，其帶隙能級(jí)展寬，吸收光譜藍(lán)移，發(fā)射光譜變窄且可調(diào)諧。潛在應(yīng)用前景包括：基于尺寸調(diào)諧的量子點(diǎn)發(fā)光二極管（QLED）、太陽能電池、生物標(biāo)記與成像、高靈敏度傳感器等。六、分子識(shí)別技術(shù)利用分子間特異性相互作用（如抗原-抗體、酶-底物、DNA-適配體等）實(shí)現(xiàn)對(duì)特定目標(biāo)物的高效選擇性檢測(cè)。其原理是基于識(shí)別元件（如抗體、核酸適配體、分子印跡聚合物）與目標(biāo)分子間的高度特異性結(jié)合，該結(jié)合事件會(huì)引起可測(cè)量的信號(hào)變化。例如，基于抗體偶聯(lián)納米顆粒（如金納米顆粒）的傳感器，當(dāng)目標(biāo)抗原存在時(shí)，抗體與抗原結(jié)合導(dǎo)致納米顆粒聚集，通過測(cè)量聚集前后納米顆粒的散射光強(qiáng)度或表面等離子體共振光譜變化來檢測(cè)目標(biāo)物。潛在應(yīng)用包括：疾病診斷、環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品安全檢測(cè)等。七、第一性原理計(jì)算基于量子力學(xué)原理，通過求解體系的電子薛定諤方程來獲得其基態(tài)性質(zhì)（如能量、電子結(jié)構(gòu)），無需依賴經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，因此具有普適性。在分子-納米體系研究中，其重要作用在于：1)理解基本相互作用：計(jì)算分子與表面/納米材料之間的吸附能、結(jié)合位點(diǎn)、吸附模式；2)預(yù)測(cè)材料性質(zhì)：預(yù)測(cè)納米材料的電子結(jié)構(gòu)、bandgap、磁性等；3)設(shè)計(jì)新材料：基于計(jì)算篩選具有特定功能的分子或納米結(jié)構(gòu)。以預(yù)測(cè)分子吸附為例，計(jì)算中需考慮的關(guān)鍵因素包括：原子種類、坐標(biāo)、相互作用的基組選擇、交換關(guān)聯(lián)泛函選擇、體系邊界條件設(shè)置等。計(jì)算結(jié)果可提供吸附能判斷結(jié)合強(qiáng)度、最優(yōu)吸附構(gòu)型、電子態(tài)密度變化（判斷化學(xué)鍵合方式）、電荷轉(zhuǎn)移情況等信息。八、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)：構(gòu)建具有特定光學(xué)響應(yīng)功能的層層自組裝（LbL）納米復(fù)合薄膜。1.材料選擇：選擇具有特定光學(xué)性質(zhì)的納米粒子（如金納米棒、碳納米管、量子點(diǎn)）作為夾層；選擇具有高表面能和合適帶隙的聚合物（如聚乙烯吡咯烷酮PVP、聚丙烯酸PAA、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA）作為交替層。2.基本步驟：*制備溶液：分別配制納米粒子分散液（如超聲處理后的金納米棒水溶液）和兩種帶相反電荷的聚合物水溶液（如+/-電荷的PVP/PAA）。*基底準(zhǔn)備：選擇合適的基底（如玻璃、硅片），進(jìn)行清洗和功能化處理（如硅烷化）。*層層自組裝：將基底浸入聚合物溶液中，控制pH值和電位，使帶電聚合物通過靜電吸引選擇性地吸附在基底表面，然后用去離子水清洗去除多余聚合物。重復(fù)此步驟交替沉積聚合物層。*引入納米粒子夾層：在沉積若干層聚合物后，將基底浸入納米粒子分散液中，使納米粒子嵌入聚合物層之間，用去離子水清洗。重復(fù)此步驟以增加納米粒子含量或?qū)訑?shù)。*后處理：干燥薄膜，必要時(shí)進(jìn)行熱處理或紫外光照射以固定結(jié)構(gòu)。3.預(yù)期結(jié)構(gòu)：形成納米粒子被聚合物層交替包覆或分隔的周期性多層膜結(jié)構(gòu)。4.光學(xué)響應(yīng)原理：薄膜的光學(xué)響應(yīng)源于納米粒子與聚合物基底的相互作用。納米粒子自身的等離子體共振效應(yīng)、量子限域效應(yīng)等決定了基礎(chǔ)光學(xué)特性。聚合物層可以