2025年大學《分子科學與工程》專業(yè)題庫——分子模擬在材料設計中的應用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請將正確選項字母填入括號內）1.在分子力學模擬中，力場主要用來描述什么？(A)分子內部的核間作用力(B)分子間的電磁相互作用(C)原子核與電子的相互作用(D)分子間以及分子內部的勢能2.分子動力學模擬主要解決什么類型的問題？(A)計算分子的絕對能量(B)預測分子的電子結構(C)模擬系統(tǒng)在平衡狀態(tài)下的結構和動力學行為(D)直接計算化學反應的過渡態(tài)能量3.以下哪一項不是分子動力學模擬中常用的邊界條件？(A)平行板邊界條件(B)周期性邊界條件(C)球形邊界條件(D)簡單立方邊界條件4.對于第一性原理計算，下列說法正確的是？(A)完全基于實驗數(shù)據(jù)(B)需要預先設定力場參數(shù)(C)計算精度最高，但計算量巨大(D)只能計算分子體系5.在材料設計中，分子模擬可用于預測以下哪種性質？(A)材料的宏觀力學強度(B)材料的制備成本(C)材料的市場價格(D)材料的品牌知名度6.以下哪種模擬方法更適合研究物質在極端條件（如高溫、高壓）下的行為？(A)蒙特卡洛模擬(B)分子動力學模擬(C)第一性原理計算(D)情景模擬7.建立分子模擬的模擬體系（如盒子）時，選擇何種邊界條件主要取決于？(A)計算軟件的類型(B)研究問題的尺度（原子/分子尺度）(C)教師的個人偏好(D)實驗室的溫度8.下列哪項是分子模擬在材料設計流程中常見的應用環(huán)節(jié)？(A)進行材料的專利申請(B)指導材料的批量生產(chǎn)(C)預測新材料的結構和性能(D)確定材料的市場營銷策略9.力場參數(shù)化過程主要目的是什么？(A)確定體系的總能量(B)計算體系的壓力(C)定義勢能函數(shù)中與原子類型相關的參數(shù)(D)選擇合適的模擬軟件10.將分子動力學模擬得到的原子軌跡進行時間平均，可以得到？(A)體系的瞬時性質(B)體系的平衡性質(C)單個原子的運動軌跡(D)體系的反應路徑二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填入橫線上）1.分子動力學模擬基于______________原理，通過求解牛頓運動方程來追蹤體系中所有粒子的運動軌跡。2.量子化學計算方法中，密度泛函理論（DFT）通常比雜化泛函計算需要更小的計算量，但其對______________的描述通常不如雜化泛函。3.在進行分子模擬前，需要根據(jù)研究目標選擇合適的______________和模擬時長。4.分子模擬得到的徑向分布函數(shù)（RDF）可以用來分析______________的分布情況。5.機器學習與分子模擬結合，可用于______________，例如加速計算或預測材料性質。6.分子模擬可以用來研究缺陷（如空位、間隙原子）對材料______________的影響。7.為了減少邊界效應，分子模擬中常采用______________邊界條件。8.分子力學方法通常比量子化學方法計算速度更快，但通常只能應用于______________體系。9.通過分子模擬計算體系的自由能，可以用來研究相變、吸附等熱力學過程。10.分子模擬結果的可靠性不僅取決于模擬方法，還與______________的準確性密切相關。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述分子動力學模擬與蒙特卡洛模擬的主要區(qū)別。2.解釋什么是力場？在分子模擬中它有什么作用？3.為什么在分子模擬中通常使用周期性邊界條件？4.分子模擬在預測催化劑性能方面可以發(fā)揮哪些作用？四、論述題（每題10分，共20分）1.論述分子模擬方法在發(fā)現(xiàn)新型功能材料過程中的優(yōu)勢和局限性。2.詳細說明如何利用分子模擬研究一個特定材料的力學性能（如彈性模量），需要考慮哪些關鍵因素和步驟？試卷答案一、選擇題1.(D)2.(C)3.(C)4.(C)5.(A)6.(B)7.(B)8.(C)9.(C)10.(B)二、填空題1.經(jīng)典力學2.開放體系（或體系與環(huán)境的相互作用/熱力學性質）3.模擬方法4.空間（或原子）5.高通量材料篩選/性能預測6.力學性質（或物理化學性質）7.周期性8.大（或宏觀）9.模擬體系（或模擬盒子）10.力場（或勢能函數(shù)）三、簡答題1.解析思路：對比兩種方法的本質。分子動力學（MD）是基于經(jīng)典力學模擬粒子運動，是確定性方法，適用于平衡態(tài)和動力學過程，但計算量大。蒙特卡洛（MC）是基于概率統(tǒng)計的隨機抽樣方法，主要用于模擬非平衡態(tài)過程、相變、大體系或系統(tǒng)處于非平衡態(tài)時的性質，計算量可能更小但結果具有統(tǒng)計性。答案要點：分子動力學基于經(jīng)典力學追蹤粒子確定性運動，模擬平衡態(tài)和動力學；蒙特卡洛基于概率統(tǒng)計進行隨機抽樣，常用于非平衡態(tài)過程、大體系或相變等。2.解析思路：解釋力場的定義。力場是描述粒子間相互作用勢能的數(shù)學函數(shù)。說明其作用：在分子模擬中，力場提供了計算粒子間作用力的依據(jù)，從而可以通過能量最小化或分子動力學等方法得到體系的構型、能量、力等性質。答案要點：力場是描述原子或分子間相互作用的數(shù)學模型。在分子模擬中，力場定義了體系的勢能函數(shù)，用于計算粒子間的相互作用力，是進行能量最小化、分子動力學等計算的基礎。3.解析思路：說明邊界效應的定義。邊界效應是指模擬體系邊界（如盒子壁）對體系內部粒子行為的影響。解釋采用周期性邊界條件的目的：通過將模擬盒子在三個空間維度上無限重復，使得體系在各個方向上都是無限大的，從而消除表面原子與真實體系表面原子不同的受力情況，更準確地模擬真實材料內部粒子的環(huán)境。答案要點：無限體系內部粒子受力均勻。周期性邊界條件通過無限復制模擬盒子，使體系在各個方向無限，消除了表面原子與內部原子受力的差異，模擬了真實材料內部粒子的環(huán)境，避免了邊界效應。4.解析思路：分子模擬可以從原子尺度揭示催化劑表面結構與反應機理的關系?？梢杂嬎阄侥?、反應能壘等，用于比較不同催化劑的活性?？梢阅M反應路徑，預測產(chǎn)物選擇性?？梢匝芯咳毕輰Υ呋阅艿挠绊懙取４鸢敢c：研究催化劑表面結構與反應機理。計算吸附能、反應能壘，評估催化活性。模擬反應路徑，預測產(chǎn)物選擇性。研究缺陷等結構因素對催化性能的影響。四、論述題1.解析思路：首先論述優(yōu)勢：速度快（相比實驗），成本低（無需制備樣品），可研究極端條件，可揭示微觀機制，可預測未知性質，可輔助實驗設計。然后論述局限性：結果依賴于力場/泛函的準確性，無法完全替代實驗驗證，計算量大，對復雜體系（如生命體系）描述能力有限，得到的通常是統(tǒng)計平均性質而非單一確定性結果。答案要點：優(yōu)勢：計算速度快，成本低廉，可模擬極端條件，能揭示原子/分子尺度的結構和動力學機制，可用于預測新材料的性能，輔助實驗研究。局限性：結果精度受限于力場/泛函，無法完全替代實驗驗證，計算資源需求大，對復雜體系（如生物大分子）描述能力有限，通常提供統(tǒng)計平均性質。2.解析思路：說明研究目標。選擇合適的材料模型（原子/分子）。選擇合適的模擬方法（如MD）。構建模擬體系（盒子，考慮周期性邊界）。選擇合適的力場。設置模擬參數(shù)（溫度、壓力、時長等）。進行模擬計算。分析原子軌跡，計算力學性質（如應力應變關系，或通過計算均方位移得到彈性模量）。討論結果的可靠性，必要時進行敏感性分析或與其他方法比較。答案要點：研究目標：預測材料的力學性能，如彈性模量。步驟：1.選擇合適的材料模型（原子或分子）。2.選擇模擬方法，常用分子動力學（MD）。3.構建模擬體系，包括定義模擬盒子（如使用周期性邊界條件）并填充材料。4.選擇或參數(shù)化合適的力場