2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫——分子科學(xué)與工程進(jìn)展趨勢(shì)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在題干后的括號(hào)內(nèi)）1.下列哪項(xiàng)技術(shù)近年來在精準(zhǔn)基因編輯領(lǐng)域取得了革命性突破，實(shí)現(xiàn)了對(duì)DNA序列的更精確、更靈活的修改？A.蛋白質(zhì)工程B.基因芯片技術(shù)C.CRISPR-Cas9系統(tǒng)D.細(xì)胞工程2.二維材料，如石墨烯，在分子科學(xué)與工程領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力，其優(yōu)異性能主要源于：A.分子間作用力顯著增強(qiáng)B.聲子晶體效應(yīng)C.極限薄厚度帶來的量子效應(yīng)和獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)D.高度各向異性3.“綠色化學(xué)”理念強(qiáng)調(diào)從源頭上減少或消除有害物質(zhì)的使用和產(chǎn)生。以下哪項(xiàng)措施最符合綠色化學(xué)的原則？A.開發(fā)高效但會(huì)產(chǎn)生有毒副產(chǎn)物的合成路線B.在反應(yīng)后對(duì)污染物進(jìn)行末端治理C.使用可再生原料和催化劑，設(shè)計(jì)可降解產(chǎn)品D.提高反應(yīng)溫度以加快反應(yīng)速率4.計(jì)算機(jī)模擬在分子設(shè)計(jì)與材料發(fā)現(xiàn)中扮演著重要角色。以下哪項(xiàng)屬于分子動(dòng)力學(xué)模擬的主要應(yīng)用范疇？A.直接設(shè)計(jì)新的分子結(jié)構(gòu)B.預(yù)測(cè)分子的光譜性質(zhì)C.模擬分子間的相互作用及運(yùn)動(dòng)行為，研究其動(dòng)態(tài)過程和物理化學(xué)性質(zhì)D.精確計(jì)算分子的絕對(duì)能量5.隨著納米科技的發(fā)展，納米顆粒的表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)等使其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特應(yīng)用。以下哪項(xiàng)應(yīng)用利用了納米材料的靶向遞送能力？A.將納米顆粒作為熒光探針進(jìn)行細(xì)胞成像B.利用納米顆粒的巨大比表面積作為催化劑C.將納米顆粒包裹藥物，通過修飾表面使其特異性地靶向病變細(xì)胞D.利用納米顆粒增強(qiáng)X射線穿透能力6.智能材料能夠感知外界刺激并作出可預(yù)測(cè)的響應(yīng)。以下哪類材料是智能材料的典型代表？A.金屬基合金B(yǎng).具有形狀記憶效應(yīng)或光致變色功能的聚合物或陶瓷材料C.傳統(tǒng)的陶瓷材料D.天然橡膠7.可持續(xù)發(fā)展是現(xiàn)代工程的重要議題。在分子科學(xué)與工程中，開發(fā)下列哪種能源材料有助于減少對(duì)化石燃料的依賴和環(huán)境壓力？A.傳統(tǒng)石油基高分子材料B.不可再生的稀土元素催化劑C.太陽能電池用的有機(jī)光伏材料或鈣鈦礦材料D.需要大量消耗不可再生資源的金屬基合金8.分子自組裝是指分子通過非共價(jià)鍵相互作用，自發(fā)地形成有序結(jié)構(gòu)的過程。以下哪個(gè)例子不屬于典型的分子自組裝現(xiàn)象？A.脂質(zhì)體在水中形成多層囊泡B.聚合物鏈在特定溶劑中形成結(jié)晶區(qū)域C.水分子在冰面上形成規(guī)則的六邊形晶格D.DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的形成9.交叉學(xué)科研究是推動(dòng)分子科學(xué)與工程領(lǐng)域發(fā)展的重要?jiǎng)恿?。以下哪?xiàng)研究體現(xiàn)了化學(xué)、生物學(xué)與材料科學(xué)的深度融合？A.純化學(xué)合成研究新型有機(jī)小分子B.利用生物酶作為催化劑進(jìn)行綠色化學(xué)合成C.設(shè)計(jì)具有特定生物功能的智能藥物遞送材料（如用于靶向癌癥治療）D.研究單一組分的無機(jī)材料物理性質(zhì)10.對(duì)新興分子科學(xué)和工程技術(shù)可能帶來的倫理、法律和社會(huì)影響進(jìn)行評(píng)估和引導(dǎo)，被稱為：A.技術(shù)轉(zhuǎn)移B.專利申請(qǐng)C.倫理審查D.科學(xué)普及二、簡答題（每小題5分，共20分）1.簡述“合成生物學(xué)”的基本概念及其在分子科學(xué)與工程領(lǐng)域的主要研究方向。2.比較掃描隧道顯微鏡（STM）和原子力顯微鏡（AFM）在材料表面表征方面的主要區(qū)別和各自的優(yōu)勢(shì)。3.簡述“可持續(xù)化學(xué)”的核心理念及其在分子合成過程中的具體體現(xiàn)。4.納米材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域除了用于藥物遞送，還有哪些潛在的應(yīng)用方向？三、論述題（每小題10分，共30分）1.論述近年來人工智能（AI）技術(shù)，特別是機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）方法，是如何賦能分子科學(xué)與工程領(lǐng)域的前沿研究的，并舉例說明其在材料發(fā)現(xiàn)或藥物設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用。2.闡述二維材料（如石墨烯、過渡金屬硫化物TMDs等）在能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換領(lǐng)域（如電池、超級(jí)電容器、太陽能電池）的應(yīng)用前景和面臨的挑戰(zhàn)。3.結(jié)合實(shí)例，論述分子科學(xué)與工程領(lǐng)域的最新進(jìn)展（任選一個(gè)方向，如納米醫(yī)學(xué)、環(huán)境修復(fù)、信息存儲(chǔ)等）對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和日常生活可能產(chǎn)生的深遠(yuǎn)影響，并分析其中潛在的風(fēng)險(xiǎn)與應(yīng)對(duì)策略。試卷答案一、選擇題1.C2.C3.C4.C5.C6.B7.C8.C9.C10.C二、簡答題1.答：合成生物學(xué)是一門通過工程化的方法來設(shè)計(jì)、改造或重新構(gòu)建生物系統(tǒng)（如細(xì)胞、組織或生態(tài)系統(tǒng)）的學(xué)科。它利用分子生物學(xué)、遺傳學(xué)、化學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科知識(shí)，如同搭積木一樣，對(duì)生物部件（基因、蛋白質(zhì)等）進(jìn)行組裝和優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)特定的功能。主要研究方向包括：構(gòu)建新型生物催化劑（酶工程）、設(shè)計(jì)合成遺傳電路（用于細(xì)胞計(jì)算）、開發(fā)生物燃料和生物材料、用于疾病診斷和治療的生物系統(tǒng)（如合成疫苗、基因治療載體）、人工細(xì)胞和人工生命系統(tǒng)等。2.答：掃描隧道顯微鏡（STM）通過探測(cè)原子尺度的隧道電流來成像表面，只能檢測(cè)導(dǎo)電或半導(dǎo)電樣品，可以得到原子分辨率的圖像，能提供表面電子結(jié)構(gòu)和原子排列信息。原子力顯微鏡（AFM）通過測(cè)量探針針尖與樣品表面之間相互作用力（包括范德華力、靜電力、化學(xué)鍵等）的變化來成像，可以檢測(cè)導(dǎo)體、絕緣體、液體甚至分子間的相互作用，不僅可以獲得原子級(jí)分辨率圖像，還能測(cè)量表面形貌、硬度、彈性模量等物理力學(xué)性質(zhì)。3.答：可持續(xù)化學(xué)（或稱綠色化學(xué)）旨在從源頭上消除或減少化學(xué)產(chǎn)品和化學(xué)過程對(duì)人類健康和環(huán)境的不利影響。其核心理念強(qiáng)調(diào)預(yù)防污染、提高原子經(jīng)濟(jì)性（最大化目標(biāo)產(chǎn)物的收率，最小化副產(chǎn)物）、使用更安全的化學(xué)品和溶劑、設(shè)計(jì)可降解產(chǎn)品、能源效率、使用可再生原料等。在分子合成過程中具體體現(xiàn)包括：開發(fā)選擇性合成方法減少廢棄物；使用環(huán)境友好的催化劑（如光催化、生物催化）；采用原子經(jīng)濟(jì)性高的反應(yīng)（如偶聯(lián)反應(yīng)）；替代有毒有害的反應(yīng)物和溶劑（如使用水或超臨界流體）；設(shè)計(jì)易于降解的分子結(jié)構(gòu)等。4.答：納米材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用方向廣泛，除了用于藥物遞送（利用其靶向性、控釋性、增強(qiáng)穿透能力等），還包括：①生物成像與診斷：利用納米顆粒（如金納米棒、量子點(diǎn)）的獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)（熒光、表面等離激元共振）進(jìn)行高靈敏度和高分辨率的疾病早期診斷和體內(nèi)成像追蹤。②生物傳感：開發(fā)基于納米材料（如碳納米管、納米酶）的傳感器，用于檢測(cè)生物分子、病原體或環(huán)境毒素。③組織工程與再生醫(yī)學(xué)：利用納米材料（如納米纖維、多孔納米支架）構(gòu)建具有適宜微觀結(jié)構(gòu)和生物相容性的三維植入物，促進(jìn)細(xì)胞附著、增殖和分化，用于組織修復(fù)和再生。④生物標(biāo)記物：納米顆?？梢宰鳛楦咝У纳飿?biāo)記物，用于免疫分析、流式細(xì)胞術(shù)等。⑤醫(yī)學(xué)植入物表面改性：在植入物表面修飾納米層，以提高生物相容性、抗生物污損性或賦予特定功能。三、論述題1.答：人工智能（AI）技術(shù)，特別是機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）方法，正在深刻地改變分子科學(xué)與工程領(lǐng)域的研究范式，加速創(chuàng)新進(jìn)程。AI/ML能夠處理和分析海量的結(jié)構(gòu)-性質(zhì)關(guān)系數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)隱藏的模式和規(guī)律，從而賦能以下幾個(gè)方面的研究：①材料發(fā)現(xiàn)：利用ML模型（如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)CNN、圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)GNN）學(xué)習(xí)材料的結(jié)構(gòu)、成分與其性能（如力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)性質(zhì)）之間的關(guān)系，可以快速預(yù)測(cè)大量候選材料的性能，指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)合成，顯著降低材料研發(fā)成本和時(shí)間。例如，AlphaFold等蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)項(xiàng)目利用AI成功解析了大量蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，極大推動(dòng)了生物醫(yī)學(xué)研究。②藥物設(shè)計(jì)：AI/ML可以用于虛擬篩選藥物分子庫，預(yù)測(cè)化合物的生物活性、藥代動(dòng)力學(xué)性質(zhì)（如ADMET）和藥物相互作用，設(shè)計(jì)具有更高活性和更好成藥性的候選藥物分子。例如，利用生成模型（GenerativeModels）可以設(shè)計(jì)全新的分子結(jié)構(gòu)。③催化劑設(shè)計(jì)：通過ML分析催化反應(yīng)的數(shù)據(jù)，可以揭示反應(yīng)機(jī)理，預(yù)測(cè)不同催化劑的活性、選擇性和穩(wěn)定性，指導(dǎo)新型高效催化劑的發(fā)現(xiàn)。④實(shí)驗(yàn)優(yōu)化：AI/ML可以用于優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)，如反應(yīng)條件、合成路線等，提高實(shí)驗(yàn)效率和成功率。⑤加速模擬：對(duì)于復(fù)雜的分子系統(tǒng)，AI/ML模型可以作為傳統(tǒng)計(jì)算模擬（如分子動(dòng)力學(xué)）的替代或加速器，提供更快的性能預(yù)測(cè)。解析思路：本題要求論述AI/ML在分子科學(xué)與工程中的賦能作用。解答應(yīng)首先明確AI/ML的基本能力（處理大數(shù)據(jù)、發(fā)現(xiàn)模式、預(yù)測(cè)關(guān)系），然后結(jié)合具體應(yīng)用場(chǎng)景（材料、藥物、催化等）闡述AI/ML如何解決傳統(tǒng)方法的痛點(diǎn)（如效率低、成本高、數(shù)據(jù)維度大），并舉例說明其成功應(yīng)用（如AlphaFold、AI輔助藥物設(shè)計(jì)實(shí)例），最后總結(jié)其帶來的變革性影響（加速創(chuàng)新、降低成本、拓展研究邊界）。2.答：二維材料因其獨(dú)特的原子級(jí)厚度、優(yōu)異的電子學(xué)、光學(xué)和力學(xué)性質(zhì)，在能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。前景：①高性能電池：二維材料（如過渡金屬硫化物TMDs、黑磷、石墨烯）具有高比表面積、優(yōu)異的電子/離子傳輸能力和可調(diào)的能帶結(jié)構(gòu)，可用于制備高能量密度、長循環(huán)壽命、高功率密度的鋰離子電池、鈉離子電池甚至固態(tài)電池電極材料。例如，MXenes（過渡金屬碳化物/氮化物）二維材料因其高導(dǎo)電性和親水性，在鋰離子電池中表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。②超級(jí)電容器：二維材料的高表面積和快速離子/電子擴(kuò)散特性使其成為制備高能量密度超級(jí)電容器的理想電極材料。層狀結(jié)構(gòu)（如石墨烯、TMDs）易于形成雙電層，或通過表面改性實(shí)現(xiàn)贗電容行為。③太陽能電池：二維材料（如石墨烯、鈣鈦礦、TMDs）可以用于構(gòu)建新型太陽能電池結(jié)構(gòu)，如異質(zhì)結(jié)太陽能電池、光熱轉(zhuǎn)換器件、染料敏化太陽能電池等。其優(yōu)異的光學(xué)吸收、電荷分離和傳輸特性有助于提高光轉(zhuǎn)換效率。例如，石墨烯/鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)太陽能電池展現(xiàn)出接近理論極限的光電轉(zhuǎn)換效率。挑戰(zhàn)：盡管前景廣闊，但二維材料在能源應(yīng)用中仍面臨諸多挑戰(zhàn)：①大規(guī)模制備與集成：高質(zhì)量、大面積、低缺陷的二維材料可控制備仍具挑戰(zhàn)，且將其與現(xiàn)有能源系統(tǒng)高效集成存在技術(shù)難題。②穩(wěn)定性問題：許多二維材料在電化學(xué)循環(huán)過程中易發(fā)生氧化、還原或結(jié)構(gòu)相變，導(dǎo)致性能衰減，循環(huán)壽命有限。③離子/電子傳輸瓶頸：盡管具有高比表面積，但層間或材料內(nèi)部的離子/電子傳輸速率可能成為瓶頸，影響器件性能。④界面工程：二維材料電極與電解液、集流體之間的界面相互作用復(fù)雜，優(yōu)化界面結(jié)構(gòu)對(duì)于提高器件穩(wěn)定性和性能至關(guān)重要。⑤成本與scalability：開發(fā)大規(guī)模、低成本的制備技術(shù)是推動(dòng)二維能源材料商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。解析思路：本題要求結(jié)合實(shí)例論述二維材料在能源領(lǐng)域的應(yīng)用前景與挑戰(zhàn)。解答應(yīng)先概述二維材料在能源存儲(chǔ)（電池、超級(jí)電容器）和轉(zhuǎn)換（太陽能電池）方面的基本優(yōu)勢(shì)（高比表面積、優(yōu)異電學(xué)/光學(xué)性質(zhì)、可調(diào)控性），然后分別列舉具體的材料類型和它們的應(yīng)用實(shí)例（如MXenes電池、石墨烯/鈣鈦礦太陽能電池），接著深入分析當(dāng)前面臨的主要障礙（制備、穩(wěn)定性、傳輸、界面、成本），全面展現(xiàn)該領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀和未來方向。3.答：分子科學(xué)與工程領(lǐng)域的最新進(jìn)展正在深刻影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和日常生活，并帶來潛在的風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)。以納米醫(yī)學(xué)為例：影響：①精準(zhǔn)醫(yī)療：基于納米顆粒的靶向藥物遞送系統(tǒng)（如納米載體包裹抗癌藥物只作用于腫瘤細(xì)胞）能夠顯著提高療效，減少副作用，是精準(zhǔn)醫(yī)療的重要體現(xiàn)。②早期診斷：納米探針（如金納米顆粒、量子點(diǎn)）具有極高的靈敏度和特異性，可用于癌癥、傳染病等疾病的超早期診斷和體內(nèi)成像，實(shí)現(xiàn)疾病的早發(fā)現(xiàn)、早治療。③治療干預(yù)：納米機(jī)器人或智能納米藥物可在體內(nèi)執(zhí)行特定任務(wù)，如靶向清除血栓、直接殺傷癌細(xì)胞、遞送基因療法等。風(fēng)險(xiǎn)與應(yīng)對(duì)：①生物安全性：納米材料（特別是新型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的納米材料）在體內(nèi)的長期毒性、免疫原性、潛在的脫靶效應(yīng)等安全性問題尚不完全明確。應(yīng)對(duì)：需要進(jìn)行嚴(yán)格的體內(nèi)體外毒理學(xué)研究，建立完善的納米材料安全評(píng)估體系，關(guān)注劑量、暴露途徑和材料物理化學(xué)性質(zhì)（尺寸、形狀、表面化學(xué)）對(duì)生物效應(yīng)的影響。②監(jiān)管挑戰(zhàn)：納米材料種類繁多、性質(zhì)各異，現(xiàn)有的化學(xué)品監(jiān)管體系難以完全覆蓋其特殊性，給監(jiān)管帶來困難。應(yīng)對(duì)：需要制定針對(duì)納米材料的專門監(jiān)管政策和標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)國際合作，建立快速評(píng)估和審批機(jī)制。③倫理問題：納米技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用可能引發(fā)關(guān)于數(shù)據(jù)隱私（如體內(nèi)追蹤）、技術(shù)鴻溝（醫(yī)療資源分配）、人類增強(qiáng)（超越自然極限）等倫理討論。應(yīng)對(duì)：需要建立相應(yīng)的倫理規(guī)范和法律法