2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫——分子自組裝技術(shù)在超分子材料中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、填空題（每空2分，共20分）1.分子自組裝是指分子在驅(qū)動(dòng)力作用下自發(fā)形成有序聚集體或超分子的過程，其核心驅(qū)動(dòng)力通常包括氫鍵、π-π相互作用、范德華力、主客體相互作用和______等。2.能夠通過分子間相互作用形成相對(duì)穩(wěn)定、特定結(jié)構(gòu)的分子或離子被稱為______。3.由表面活性劑分子在水中自組裝形成的球狀膠束，其內(nèi)核通常為疏水鏈聚集區(qū)域，外層為親水頭基區(qū)域，這一結(jié)構(gòu)特點(diǎn)源于______原理。4.利用分子識(shí)別作用，將兩種或多種分子選擇性結(jié)合形成具有特定結(jié)構(gòu)和功能的超分子輪烷時(shí)，通常涉及的兩個(gè)關(guān)鍵構(gòu)筑單元是______和______。5.在超分子材料領(lǐng)域，分子印跡技術(shù)通過模板分子和功能單體預(yù)組裝成印跡主體，最終得到對(duì)模板分子具有高度選擇性識(shí)別位點(diǎn)的材料，其核心是基于______原理的分子自組裝。6.超分子聚合物是指通過分子間相互作用（而非共價(jià)鍵）連接起來的、具有類似傳統(tǒng)聚合物鏈結(jié)構(gòu)特征的超分子體系，其結(jié)構(gòu)單元之間主要通過______或______連接。7.某些超分子囊泡具有兩親性嵌段共聚物在水相中自組裝形成的單層或雙層膜結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部可以包裹疏水性客體分子，這體現(xiàn)了分子自組裝在______領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。8.利用分子自組裝構(gòu)建的具有光致變色、溫致變色或電致變色性質(zhì)的智能超分子材料，其功能實(shí)現(xiàn)通常依賴于構(gòu)成材料的分子間相互作用的______或______。9.在超分子催化領(lǐng)域，通過分子自組裝形成的超分子催化劑，其優(yōu)勢(shì)之一在于能夠?qū)⒋呋钚晕稽c(diǎn)______，從而提高催化效率和選擇性。10.分子自組裝過程的熱力學(xué)判據(jù)是ΔG<0，即自組裝過程是______過程；而其動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性則取決于體系達(dá)到平衡的______。二、名詞解釋（每題3分，共15分）1.超分子化學(xué)2.膠束3.囊泡4.分子識(shí)別5.動(dòng)態(tài)covalentchemistry三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述氫鍵作為分子自組裝驅(qū)動(dòng)力的重要特點(diǎn)及其在構(gòu)建超分子結(jié)構(gòu)中的作用。2.與傳統(tǒng)的共價(jià)聚合物相比，簡(jiǎn)述超分子聚合物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其優(yōu)勢(shì)。3.簡(jiǎn)述分子自組裝技術(shù)用于構(gòu)建傳感材料的基本原理和思路。4.簡(jiǎn)述分子自組裝技術(shù)在藥物遞送領(lǐng)域的主要應(yīng)用形式及其優(yōu)勢(shì)。四、論述題（每題10分，共30分）1.詳細(xì)闡述影響分子自組裝過程的主要因素，并舉例說明這些因素如何調(diào)控自組裝結(jié)構(gòu)。2.以超分子聚合物或超分子凝膠為例，論述分子自組裝技術(shù)在構(gòu)建具有特殊力學(xué)或光學(xué)性能材料方面的應(yīng)用潛力。3.結(jié)合具體實(shí)例，論述分子自組裝技術(shù)在能源轉(zhuǎn)換或環(huán)境治理領(lǐng)域的應(yīng)用前景和面臨的挑戰(zhàn)。試卷答案一、填空題（每空2分，共20分）1.靜電相互作用2.超分子3.熵增4.鏈節(jié)；環(huán)5.分子識(shí)別6.氫鍵；π-π相互作用7.藥物遞送8.破壞；形成9.隔離10.自發(fā)；速率二、名詞解釋（每題3分，共15分）1.超分子化學(xué)：指研究分子間相互作用形成的超分子體系的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、功能以及制備方法的化學(xué)分支學(xué)科。2.膠束：指表面活性劑分子在溶液中超過一定濃度后，自發(fā)形成的熱力學(xué)穩(wěn)定、分子聚集度較高的球狀、棒狀或?qū)訝罹奂w。3.囊泡：指由兩親性分子（如磷脂）在液-液界面或水/有機(jī)界面自組裝形成的單層或雙層膜封閉的、球狀或近球狀微腔。4.分子識(shí)別：指分子之間通過特定的識(shí)別基團(tuán)或位點(diǎn)，基于尺寸、形狀、電荷、空間取向等方面的精確匹配或特異性相互作用，選擇性地結(jié)合形成具有特定結(jié)構(gòu)和功能的復(fù)合物的過程。5.動(dòng)態(tài)covalentchemistry：指涉及可逆共價(jià)鍵斷裂和形成的化學(xué)體系，使得分子之間能夠通過化學(xué)鍵的動(dòng)態(tài)斷裂和重組來改變自身結(jié)構(gòu)，具有自修復(fù)、可編程等特性。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分）1.氫鍵作為分子自組裝驅(qū)動(dòng)力的重要特點(diǎn)：①方向性強(qiáng)，通常形成直線或近直線結(jié)構(gòu)；②結(jié)合能相對(duì)較高（但低于共價(jià)鍵）；③在水和非水溶劑中均能有效作用；④易于形成有序結(jié)構(gòu)。作用：氫鍵能夠連接相同或不同的分子，形成一維（鏈、帶）、二維（層）或三維的有序網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是構(gòu)建超分子膠囊、柱狀結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)、超分子聚合物和凝膠等的重要驅(qū)動(dòng)力。2.超分子聚合物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)單元通過分子間相互作用（氫鍵、π-π等）連接，而非共價(jià)鍵；②主鏈和側(cè)基通常由具有識(shí)別基團(tuán)的單體構(gòu)成；③結(jié)構(gòu)具有動(dòng)態(tài)平衡特征，部分可逆；④易于形成支鏈、交聯(lián)或復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。優(yōu)勢(shì)：①設(shè)計(jì)靈活，可通過改變單體結(jié)構(gòu)和相互作用類型來調(diào)控聚合物性能；②易于降解和環(huán)境友好；③可形成傳統(tǒng)聚合物難以獲得的特殊結(jié)構(gòu)和功能；④可與生物分子等良好兼容。3.分子自組裝技術(shù)用于構(gòu)建傳感材料的基本原理：利用分子自組裝形成的特定結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)境變化（如目標(biāo)分析物分子、pH、溫度、光照、電場(chǎng)等）的敏感響應(yīng)，導(dǎo)致材料在光學(xué)（顏色、熒光強(qiáng)度、吸收光譜）、電學(xué)（電阻、電容）、熱學(xué)或力學(xué)等性質(zhì)上發(fā)生可測(cè)量的變化。思路：選擇對(duì)目標(biāo)分析物具有高選擇性識(shí)別能力的構(gòu)筑單元，通過自組裝形成特定傳感結(jié)構(gòu)（如傳感探針嵌入膠束內(nèi)核、囊泡膜作為識(shí)別界面等），當(dāng)目標(biāo)物進(jìn)入體系并與識(shí)別位點(diǎn)結(jié)合時(shí)，會(huì)引起組裝結(jié)構(gòu)或組成發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致材料宏觀性質(zhì)的變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物的檢測(cè)。4.分子自組裝技術(shù)在藥物遞送領(lǐng)域的主要應(yīng)用形式：①利用膠束或囊泡作為藥物載體，將疏水性藥物包裹在內(nèi)核或嵌入膜中，提高藥物溶解度，保護(hù)藥物免于降解，實(shí)現(xiàn)控釋或靶向遞送；②利用超分子聚合物或自組裝納米粒子作為藥物載體，實(shí)現(xiàn)藥物的負(fù)載和緩釋；③利用分子印跡自組裝技術(shù)制備對(duì)特定藥物分子具有高選擇性識(shí)別的印跡材料，用于藥物的富集、分離或控制釋放。優(yōu)勢(shì)：①可提高難溶性藥物的生物利用度；②可實(shí)現(xiàn)藥物的靶向遞送和控釋，降低副作用；③制備方法相對(duì)簡(jiǎn)單、成本較低；④部分自組裝載體具有生物相容性。四、論述題（每題10分，共30分）1.影響分子自組裝過程的主要因素及其對(duì)結(jié)構(gòu)調(diào)控的舉例：*構(gòu)筑單元的性質(zhì)：如分子的形狀、大小、電荷、極性、官能團(tuán)類型等。例如，線性長(zhǎng)碳鏈表面活性劑易形成棒狀膠束，而枝狀大分子易形成球形膠束；帶相反電荷的分子易自組裝成聚電解質(zhì)復(fù)雜物或囊泡。*分子間相互作用強(qiáng)度與性質(zhì)：氫鍵、π-π相互作用、范德華力、主客體相互作用、靜電相互作用等強(qiáng)度和類型決定了組裝的驅(qū)動(dòng)力和結(jié)構(gòu)類型。例如，強(qiáng)氫鍵作用傾向于形成規(guī)則、緊密的結(jié)構(gòu)，如β-折疊超分子聚合物；而較弱的相互作用則可能形成疏松、動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu)。*環(huán)境條件：溶劑極性、pH值、溫度、離子強(qiáng)度等。例如，增加溫度通常能提供組裝所需能量，但也可能破壞有序結(jié)構(gòu)；改變pH值可以調(diào)節(jié)分子電荷，影響靜電相互作用，從而調(diào)控組裝；加入電解質(zhì)可以屏蔽電荷，降低靜電相互作用，影響帶電體系（如聚電解質(zhì)、囊泡）的組裝。*非平衡條件：濃度梯度、剪切力、外場(chǎng)（電場(chǎng)、磁場(chǎng)）等。例如，在濃度梯度下，分子會(huì)從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域擴(kuò)散，驅(qū)動(dòng)自組裝過程；剪切力可以影響膠束或囊泡的形態(tài)和尺寸分布；外場(chǎng)可以誘導(dǎo)具有特定對(duì)稱性或響應(yīng)性的自組裝結(jié)構(gòu)。*組成與混合：混合不同類型的構(gòu)筑單元或使用混合溶劑。例如，混合兩種不同形狀的膠束形成混合膠束，或形成Janus膠束；混合不同類型的表面活性劑可以形成更復(fù)雜的膠束結(jié)構(gòu)或液晶態(tài)。綜上，通過精心設(shè)計(jì)構(gòu)筑單元的化學(xué)結(jié)構(gòu)，并精確調(diào)控自組裝環(huán)境條件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)分子自組裝過程和最終形成結(jié)構(gòu)類型、尺寸、形態(tài)、穩(wěn)定性及功能性質(zhì)的精確控制。2.分子自組裝在構(gòu)建特殊力學(xué)或光學(xué)性能材料方面的應(yīng)用潛力：*力學(xué)性能：分子自組裝能夠形成具有特定力學(xué)性質(zhì)的有序結(jié)構(gòu)。例如，通過自組裝形成的超分子聚合物或超分子凝膠，可以具有可調(diào)的彈性、模量和強(qiáng)度。通過設(shè)計(jì)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或引入特定構(gòu)筑單元，可以制備出具有優(yōu)異韌性或高強(qiáng)度的材料。此外，利用自組裝構(gòu)筑納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，如將納米填料嵌入自組裝基質(zhì)中，可以顯著增強(qiáng)材料的力學(xué)性能，如抗張強(qiáng)度、耐磨性等。這些材料在柔性電子器件、可穿戴設(shè)備、生物醫(yī)學(xué)植入物等領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用潛力。*光學(xué)性能：分子自組裝形成的有序結(jié)構(gòu)對(duì)光的散射、吸收、透射和發(fā)射具有顯著影響。例如，自組裝形成的周期性結(jié)構(gòu)（如光子晶體）能夠產(chǎn)生光子帶隙效應(yīng)，對(duì)特定波長(zhǎng)的光產(chǎn)生選擇性反射或透射，可用于制備高效的光波導(dǎo)、濾波器和光開關(guān)器件。膠束、囊泡等納米結(jié)構(gòu)由于尺寸與光波長(zhǎng)相當(dāng)，會(huì)引起顯著的分子散射（如丁達(dá)爾效應(yīng)），其光學(xué)性質(zhì)（如散射強(qiáng)度、顏色）對(duì)尺寸、形貌和組成敏感，可用于制備傳感材料或光子限域效應(yīng)的應(yīng)用。超分子聚合物或凝膠的有序結(jié)構(gòu)可以影響其光學(xué)各向異性，用于制備偏振器或液晶顯示器。通過引入光敏基團(tuán)或利用動(dòng)態(tài)組裝/去組裝過程，還可以制備具有光致變色、光控響應(yīng)等智能光學(xué)性能的材料。總之，分子自組裝為設(shè)計(jì)和制備具有預(yù)定力學(xué)和光學(xué)性能的新型功能材料提供了強(qiáng)大的工具，通過調(diào)控組裝結(jié)構(gòu)和組成，可以實(shí)現(xiàn)從宏觀到微觀尺度材料性能的精準(zhǔn)調(diào)控，滿足各種高科技應(yīng)用的需求。3.分子自組裝技術(shù)在能源轉(zhuǎn)換或環(huán)境治理領(lǐng)域的應(yīng)用前景和面臨的挑戰(zhàn)：*應(yīng)用前景：*能源轉(zhuǎn)換：①太陽能電池：利用自組裝技術(shù)構(gòu)建有序的有機(jī)半導(dǎo)體層、染料敏化劑/半導(dǎo)體界面層或光吸收層，提高光吸收效率和電荷分離效率，用于制備高效有機(jī)太陽能電池（OSC）或染料敏化太陽能電池（DSSC）。②燃料電池：自組裝膜可用于制備高性能的質(zhì)子交換膜（PEM），提高質(zhì)子傳導(dǎo)率和選擇性，降低電阻；也可用于構(gòu)建氧還原反應(yīng)（ORR）或析氫反應(yīng)（HER）的非貴金屬催化劑或催化界面層。③電化學(xué)儲(chǔ)能：自組裝超分子聚合物或金屬有機(jī)框架（MOF）衍生的多孔材料可用作鋰離子電池、超級(jí)電容器等儲(chǔ)能體系的電極材料，通過調(diào)控孔道結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)，提高電極材料的比表面積、離子擴(kuò)散速率和電化學(xué)穩(wěn)定性。④光催化：利用自組裝技術(shù)將光敏劑、氧化還原催化劑和助催化劑共組裝在同一結(jié)構(gòu)上，形成高效的光催化體系，用于水分解制氫或有機(jī)污染物降解。*環(huán)境治理：①污染物檢測(cè)與傳感：設(shè)計(jì)對(duì)特定污染物（如重金屬離子、有機(jī)污染物）具有選擇性識(shí)別能力的分子印跡自組裝材料或功能膠束，用于環(huán)境水體或空氣中的污染物快速檢測(cè)和傳感。②污染物吸附與去除：利用自組裝形成的具有高比表面積、豐富孔道或特定識(shí)別位點(diǎn)的材料（如金屬有機(jī)框架、共價(jià)有機(jī)框架、自組裝納米粒子），吸附去除水體中的重金屬離子、染料、農(nóng)藥等污染物。③生物修復(fù)：構(gòu)建具有抗菌性能的自組裝材料用于控制水體或土壤中的生物膜生長(zhǎng)；或構(gòu)建能促進(jìn)污染物降解的酶-載體自組裝復(fù)合體系用于生物修復(fù)。*面臨的挑戰(zhàn)：①穩(wěn)定性問題：許多自組裝材料在水溶液或復(fù)雜環(huán)境（如含鹽、酸堿度變化）中穩(wěn)定性不足，容易發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞或溶解。②規(guī)?；苽渑c控制：實(shí)現(xiàn)可控制備、尺寸均一、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且具有特定功能的自組裝材料，尤其是在工業(yè)化規(guī)模上的穩(wěn)定生產(chǎn)和性能均一性仍面臨挑戰(zhàn)。③功能效率與壽命：自組裝材料在能源轉(zhuǎn)換或環(huán)境治理應(yīng)用中實(shí)際能達(dá)到的功能效率（如太陽能轉(zhuǎn)換效率、污染物去除率）和長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性（壽命）仍