2025年大學《分子科學與工程》專業(yè)題庫——超疏水分子材料設計研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分）1.下列哪個物理量是衡量液體在固體表面潤濕程度的基本指標？A.表面張力B.楊氏模量C.接觸角D.潤濕功2.根據(jù)潤濕性分類，當液體在固體表面的接觸角大于90°且滾動角接近0°時，該表面被稱為：A.普通疏水表面B.普通親水表面C.超疏水表面D.超親水表面3.要實現(xiàn)超疏水性，通常需要同時具備以下哪兩種特性？A.高表面能和粗糙表面B.低表面能和光滑表面C.低表面能和粗糙表面D.高表面能和光滑表面4.下列哪種分子結構通常具有較低的表面能？A.線性烷烴鏈B.含有多個極性官能團（如-OH,-COOH）的分子C.含有雙鍵或三鍵的芳香環(huán)D.含有大量手性中心的復雜分子5.“LotusEffect”描述的是荷葉表面的哪種特性？A.高導電性B.優(yōu)異的導熱性C.超疏水性和自清潔能力D.超疏油性和化學穩(wěn)定性6.以下哪種方法不屬于典型的自上而下（Top-down）制備微納結構的技術？A.光刻技術B.原子層沉積C.電子束刻蝕D.模板法刻蝕7.在制備超疏水涂層時，使用氟化物（如PTFE）的主要目的是：A.增加表面的粗糙度B.提供低表面能C.增強與基底的結合力D.提高材料的導熱性8.超疏水材料在自清潔應用中主要利用的是其：A.優(yōu)異的導電性B.超疏油特性C.高溫穩(wěn)定性D.低接觸角滯后9.下列哪項不是目前超疏水材料面臨的主要挑戰(zhàn)？A.成本過高B.穩(wěn)定性差（易老化、污染）C.在復雜環(huán)境下的普適性D.制備工藝過于簡單10.利用分子模擬軟件預測分子表面能，主要目的是：A.精確計算材料的生產(chǎn)成本B.驗證實驗測量結果C.指導超疏水分子的理性設計D.研究材料的宏觀力學性能二、填空題（每空1分，共15分）1.超疏水表面具有極高的靜態(tài)接觸角（通常大于__________°）和極低的滾動角（通常小于__________°）。2.楊氏方程描述了固-液-氣三相界面處的力平衡關系，它將接觸角與__________、__________和__________三個因素聯(lián)系起來。3.分子間作用力主要包括__________、__________和__________。4.通過__________接枝或__________涂覆是降低材料表面能的常用方法。5.制備微納粗糙結構的方法包括__________、__________和__________等技術。6.除了超疏水（全疏水）表面，根據(jù)表面能和結構的不同，還可以分為__________表面、__________表面和__________表面。7.超疏水材料在微納流體控制、__________、__________等領域具有潛在的應用價值。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述超疏水性與普通疏水性的主要區(qū)別。2.解釋什么是接觸角滯后，并說明其對超疏水性能的影響。3.簡要說明“l(fā)otuseffect”的機理。4.列舉三種制備超疏水微納結構的不同方法，并簡述其基本原理。四、論述題（每題10分，共20分）1.論述設計具有優(yōu)異穩(wěn)定性的超疏水材料需要考慮哪些關鍵因素？2.以某種具體的應用場景（如自清潔、防冰、抗污）為例，闡述如何從分子層面和結構層面進行超疏水材料的設計。五、實驗設計題（15分）背景:某研究小組希望設計一種適用于戶外電子設備（如手機、相機）的柔性超疏水透明涂層，要求涂層具有良好的防水防油性、自清潔能力，并且對可見光透光率影響小，同時希望其在戶外環(huán)境下（如紫外線照射、雨水沖刷）能保持至少6個月的穩(wěn)定性。任務:請設計一個初步的分子結構設計方案和制備方案，并簡述其原理和優(yōu)勢。在方案中，需要明確：a.擬采用的低表面能分子的結構特征或化學組成。b.擬采用的制備方法（如噴涂、旋涂、浸涂等）以及設計微納結構的具體思路。c.簡要說明如何評估所制備涂層性能（至少提及三種關鍵性能指標）。d.針對穩(wěn)定性問題，提出至少一種可能的解決方案。試卷答案一、選擇題1.C解析：接觸角是衡量液體在固體表面潤濕程度的直接指標，其大小反映了固-液-氣三相界面間的相互作用力。2.C解析：超疏水性定義為接觸角大于90°且滾動角接近0°的極端潤濕狀態(tài)。3.C解析：超疏水的形成必須同時具備低表面能（使液體易鋪展）和微納粗糙結構（增大固液接觸線，使液體難以浸潤）。4.A解析：線性烷烴鏈主要通過范德華力相互作用，表面能相對較低。極性官能團、雙鍵/三鍵、手性中心通常會引入額外的極性或空間位阻，增加表面能。5.C解析：蓮花效應是描述荷葉表面具有超疏水性和自清潔能力的現(xiàn)象，其機理在于超疏水表面能阻止水滴附著并使其易滾落帶走灰塵。6.B解析：原子層沉積屬于自下而上（Bottom-up）技術，通過原子或分子級別的生長構建結構。光刻、刻蝕、模板法刻蝕均為自上而下技術。7.B解析：氟化物（如PTFE）具有極高的C-F鍵能和對稱的分子結構，導致其表面能極低，能有效降低液體的潤濕性。8.D解析：超疏水表面由于接觸角極大，液滴難以鋪展，即使有少量灰塵也能被液滴帶走，從而實現(xiàn)自清潔。這與低接觸角滯后（滾動角?。┟芮邢嚓P。9.D解析：超疏水材料的制備工藝往往涉及復雜的設備、特殊的化學品或高真空環(huán)境，并非簡單易行。10.C解析：分子模擬可以預測不同分子的表面性質（如表面能、潤濕性），為實驗設計提供理論指導，有助于理性設計超疏水分子。二、填空題1.150；10解析：通常認為接觸角大于150°為超疏水，滾動角小于10°為超疏水。2.表面張力；固體表面能；液體表面能解析：楊氏方程（γsv=γsl+γlv*cosθ）明確了這三個因素之間的關系。3.引力；范德華力；靜電作用解析：這些是分子間主要的相互作用形式，影響著材料的表面能和潤濕性。4.化學改性；物理涂覆解析：通過引入低表面能基團（化學改性）或覆蓋低表面能材料層（物理涂覆）來降低表面能。5.光刻；刻蝕；自組裝解析：這些都是常用的微納結構制備技術，可形成粗糙表面。6.超疏油；超親水；普通疏水解析：根據(jù)表面能和潤濕性的不同，表面可分為這三種狀態(tài)。7.微納流體控制；防冰解析：超疏水材料在上述領域有廣泛應用，如疏水表面用于防止液滴附著（微流體），疏水/冰核混合層用于防止結冰。三、簡答題1.答：超疏水性是指接觸角大于150°且滾動角小于10°的極端潤濕狀態(tài)，通常由低表面能和微納粗糙結構協(xié)同作用產(chǎn)生。普通疏水性一般指接觸角大于90°但小于150°的狀態(tài)，主要源于材料的低表面能，不一定具備粗糙結構。2.答：接觸角滯后是指液滴在固體表面的前進接觸角（θa）和后退接觸角（θr）之間存在顯著差異（θa>θr）。這是由于液體與固體間的粘附力與液體內部的內聚力之間存在差異，以及可能存在的表面缺陷或污染物阻礙液滴移動。超疏水表面通常具有較小的接觸角滯后。3.答：“LotusEffect”的機理是：荷葉表面由許多納米級蠟質乳突構成（粗糙結構），且蠟質具有非常低的表面能。當水滴落在荷葉表面時，由于表面能低（難以浸潤）和水滴自身的內聚力遠大于粘附力（容易形成球狀），水滴只能保持在乳突頂部并滾落，同時帶走表面的灰塵。4.答：a.光刻與刻蝕：利用光刻技術圖案化掩模，然后通過刻蝕去除不需要的區(qū)域，在基底上形成微納結構（如柱狀、孔狀陣列）。原理是基于選擇性腐蝕。b.自組裝：利用分子間作用力（如范德華力、氫鍵）使納米或微米尺度的構筑單元自發(fā)地排列成有序結構。原理是分子間的相互作用驅動自組織過程。c.噴涂/旋涂/浸涂等：將含有功能分子的溶液或熔體通過噴涂、旋涂、浸涂等方法均勻沉積在基底上，溶劑揮發(fā)或熔體冷卻后形成涂層?？梢酝ㄟ^控制沉積參數(shù)和分子排列來設計表面特性。四、論述題1.答：設計具有優(yōu)異穩(wěn)定性的超疏水材料需要考慮以下關鍵因素：a.化學穩(wěn)定性：材料應能抵抗環(huán)境因素如紫外線輻射、氧氣、水分、化學腐蝕等的影響，避免表面低表面能層降解或失效。例如，選擇耐紫外線的氟碳化合物或進行表面交聯(lián)固化。b.物理穩(wěn)定性：材料應能保持其微納結構在長期使用或外界物理作用（如磨損、壓力）下的完整性。例如，采用與基底結合力強的制備方法，或構建機械強度較高的結構。c.抗污染能力：材料表面應能有效排斥灰塵、油污等污染物，保持超疏水性能。例如，設計具有“荷葉效應”的粗糙-低表面能復合結構，使污染物不易附著或易被液滴帶走。d.可加工性與成本：材料制備方法應易于實現(xiàn)，成本可控，適用于目標應用場景的加工工藝。e.與基底的兼容性：涂層與基底材料應具有良好的附著力，并能在基底的熱、機械性能范圍內穩(wěn)定工作。綜上，設計穩(wěn)定性超疏水材料需要在結構設計、材料選擇和制備工藝上綜合考慮，以達到長期可靠的應用性能。2.答：以柔性電子設備表面的自清潔應用為例，設計超疏水材料需要從以下層面進行：a.分子層面設計：*選擇低表面能單體或預聚體：優(yōu)先選擇碳氫鏈長、對稱性高、C-F鍵的氟聚合物（如PTFE、PFA），或含硅烷基、長鏈烷基的聚合物。目標是大幅降低表面能（<20mN/m）。*引入特定官能團：根據(jù)需要，可引入少量極性基團（如-OH）以調節(jié)疏水性（如超疏油），或引入UV吸收基團以增強耐候性。*分子量與鏈長：適當調整分子量或鏈長，以平衡柔韌性（分子鏈易彎曲）與低表面能持久性。b.結構層面設計：*構建微納粗糙度：采用模板法（如硅膠模具壓?。?、自組裝（如納米顆粒堆積、嵌段共聚物微相分離）、激光刻蝕等方法，在低表面能涂層上制造微米/納米級別的粗糙結構（如pillararray,conearray）。*結合微納紋理：設計“蓮花效應”結構，即粗糙表面與低表面能涂層相結合，使水滴易于形成球狀并滾落。c.整體設計思路：目標是獲得兼具高柔韌性（保證與彎曲的電子設備表面形貌匹配）、極低表面能（實現(xiàn)超疏水/超疏油）和微納粗糙結構（實現(xiàn)低滾動角和自清潔）的復合涂層。例如，可以設計一層柔性基底的親水層（保證電子設備導通性），再覆上一層具有微納結構的低表面能疏水層?；蛘?，直接制備一層包含柔性骨架（如聚烯烴）和低表面能/粗糙結構（如氟硅烷）的復合涂層。五、實驗設計題答：a.分子結構設計方案：選擇側鏈較長的聚二甲基硅氧烷（PDMS）作為基材，通過甲基化或共聚引入少量氟代烷基（如CF3-CH2-），或直接使用含氟硅烷醇（如TEOS與三氟丙基烷氧基硅烷的混合物）水解縮聚制備有機-無機雜化網(wǎng)絡結構。目標是獲得表面能低于20mN/m的材料。b.制備方法及微納結構設計：采用旋涂法將上述預聚物溶液旋涂在柔性基底（如PI薄膜）上，溶劑揮發(fā)后形成均勻涂層。在旋涂前，可先通過紫外光刻或軟刻蝕技術在PI基底上制作微米級的溝槽或圖案化區(qū)域，以引導PDMS網(wǎng)絡定向生長或形成有序微結構?；蛘撸谛亢?，利用氧等離子體刻蝕對涂層進行表面改性，增加粗糙度。目標是形成具有微米/納米混合結構（如表面微溝槽+納米顆粒）的涂層。c.性能評估指標：*水接觸角和滾動角：測試涂層在靜態(tài)和動態(tài)情況下的接觸角和滾動角，評估其超疏水性能