2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫——分子科學(xué)與工程中的地球系統(tǒng)科學(xué)考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述分子間作用力（包括范德華力、氫鍵、離子-偶極作用等）在理解地球大氣層成分穩(wěn)定、水圈中物質(zhì)溶解與遷移、土壤中污染物固定與釋放等過程中的作用。二、論述利用分子模擬技術(shù)預(yù)測材料在極端環(huán)境（如高溫、高壓、強輻射）下的性能變化及其在地質(zhì)勘探或太空探索材料選擇中的應(yīng)用潛力。三、說明表面化學(xué)原理（如吸附、表面改性）在開發(fā)高效環(huán)境吸附劑（用于去除水體中的重金屬離子或有機污染物）和土壤修復(fù)材料中的應(yīng)用機制。四、以某一種生物標(biāo)志物（如特定氨基酸、脂肪酸或生物標(biāo)記基因）為例，解釋其在環(huán)境樣品（如沉積物、冰芯、巖石）中如何被檢測和利用，以重建過去的古環(huán)境條件（如古氣候、古海洋、生物演化）。五、討論納米技術(shù)在監(jiān)測和治理環(huán)境污染方面的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)，特別是納米材料在環(huán)境體內(nèi)的遷移轉(zhuǎn)化行為及其潛在生態(tài)風(fēng)險，從分子層面進行分析。六、闡述地球生物化學(xué)循環(huán)（如碳循環(huán)、氮循環(huán)）中關(guān)鍵酶的分子結(jié)構(gòu)、功能及其調(diào)控機制，并說明這些分子過程是如何受到全球氣候變化的影響。七、設(shè)計一個基于分子工程原理的方案，用于提高某種可再生能源轉(zhuǎn)換裝置（如太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率或燃料電池的催化活性）的性能，并簡述其核心的科學(xué)依據(jù)。八、比較分析兩種不同類型的分子探針（如熒光探針、報告基因）在檢測環(huán)境污染物或評估生物體受環(huán)境脅迫影響方面的原理、優(yōu)缺點及適用場景。試卷答案一、分子間作用力在地球系統(tǒng)科學(xué)中扮演關(guān)鍵角色。范德華力是普遍存在的，對大氣穩(wěn)定性和固體顆粒間的相互作用有貢獻；氫鍵在維持水的高沸點、冰的膨脹結(jié)構(gòu)以及生物大分子（如DNA、蛋白質(zhì)）在生命活動中的構(gòu)象穩(wěn)定中至關(guān)重要；離子-偶極作用則影響著鹽類在水中溶解、土壤中陽離子交換吸附以及云滴的形成等過程。二、分子模擬技術(shù)通過計算方法在原子或分子尺度上模擬材料行為，能夠預(yù)測材料在高溫、高壓、強輻射等極端地球環(huán)境下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、力學(xué)性能和化學(xué)活性變化。例如，可模擬礦物在地下深處高溫高壓條件下的相變過程，或材料在強輻射環(huán)境下的損傷機制，為選擇適用于深地開采、地?zé)崂没蛱仗剿鞯男滦凸こ滩牧咸峁├碚撘罁?jù)和篩選工具。三、表面化學(xué)原理被廣泛應(yīng)用于開發(fā)高效環(huán)境材料。吸附作用基于表面能降低的趨勢，通過設(shè)計具有高比表面積、特定表面能和官能團的吸附劑（如活性炭、沸石、金屬氧化物納米材料），可以增強其對水體中重金屬離子（如汞、鉛）或有機污染物（如染料、農(nóng)藥）的吸附容量和選擇性。表面改性則通過化學(xué)或物理方法改變材料表面性質(zhì)（如表面電荷、親疏水性、孔結(jié)構(gòu)），以優(yōu)化其在土壤修復(fù)中的應(yīng)用效果，如促進污染物從固相釋放以便淋洗，或增強植物對污染物的吸收修復(fù)能力。四、以葉綠素（Chlorophyll）為例，其特定的分子結(jié)構(gòu)和光吸收特性使其成為重要的生物標(biāo)志物。在沉積物或土壤樣品中，經(jīng)過地質(zhì)年代埋藏后，葉綠素或其衍生物（如葉綠素a的降解產(chǎn)物）可以以穩(wěn)定或次穩(wěn)定形態(tài)存在。通過現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)（如基因測序）可以檢測到古代生物樣品中的DNA片段，重建古生物群落結(jié)構(gòu)和演替歷史；通過化學(xué)方法提取和鑒定化石燃料（如煤炭、石油）中的生物標(biāo)志物分子（如特定的烴類、卟啉類化合物），可以推斷古代環(huán)境（如古氣候、古植被、水體化學(xué)成分）特征。五、納米技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測與治理中的優(yōu)勢在于其小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)帶來的高靈敏度、高選擇性、高效吸附/催化活性。例如，納米鐵粉可用于原位還原地下水中的氯代有機物，納米TiO?光催化劑可用于降解水體中的有機污染物。然而，挑戰(zhàn)也日益凸顯，納米材料在環(huán)境介質(zhì)（水、土壤）中的遷移轉(zhuǎn)化行為（如溶解、團聚、吸附、降解）復(fù)雜且難以預(yù)測，其在生態(tài)系統(tǒng)中的長期生態(tài)風(fēng)險（如生物累積、毒性效應(yīng)）尚不完全清楚，納米材料的制備、表征和廢棄處理也帶來新的環(huán)境問題。六、地球生物化學(xué)循環(huán)中的關(guān)鍵酶是調(diào)控元素循環(huán)的關(guān)鍵分子。例如，碳酸酐酶催化二氧化碳與水之間的可逆反應(yīng)，對大氣CO?濃度和海水pH值平衡至關(guān)重要；硝化細菌和反硝化細菌體內(nèi)的硝化酶和反硝化酶鏈分別催化氮循環(huán)中的關(guān)鍵氧化還原步驟，影響土壤氮素供應(yīng)和大氣氮氧化物濃度。全球氣候變化（如溫度升高、CO?濃度增加）會通過影響酶的活性、穩(wěn)定性、以及底物和產(chǎn)物的濃度來改變這些分子過程的速度和效率，進而影響整個生物地球化學(xué)循環(huán)的格局和地球系統(tǒng)的碳-氮平衡。七、提高太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的分子工程方案可設(shè)計具有特定分子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的有機半導(dǎo)體材料或染料分子。例如，通過分子設(shè)計引入給體-受體雜化結(jié)構(gòu)，優(yōu)化分子間電子轉(zhuǎn)移效率；或設(shè)計具有特定能級和光吸收光譜的分子，以更有效地吸收太陽光。提高燃料電池催化活性的方案可設(shè)計新型高效電催化劑，如通過貴金屬（Pt）納米結(jié)構(gòu)調(diào)控、非貴金屬催化劑（如氮化物、碳基材料）的分子設(shè)計與合成，或構(gòu)建三相界面結(jié)構(gòu)，以降低反應(yīng)過電位，提高質(zhì)子和電子傳導(dǎo)速率。核心科學(xué)依據(jù)在于量子力學(xué)原理、分子軌道理論、表面化學(xué)和催化理論等，通過調(diào)控分子的電子結(jié)構(gòu)、空間構(gòu)型、表面態(tài)等來優(yōu)化其光吸收、電荷產(chǎn)生與分離、傳輸及催化反應(yīng)性能。八、熒光探針通過分子結(jié)構(gòu)的變化（如共軛體系伸縮、光吸收/發(fā)射波長移動）來響應(yīng)環(huán)境變化，具有靈敏度高、檢測方法簡單等優(yōu)點，常用于實時監(jiān)測細胞內(nèi)離子濃度、小分子靶標(biāo)等；但其信號易受背景熒光干擾，且部分探針穩(wěn)定性、生物相容性有待提高。報告基因系統(tǒng)利用基因表達調(diào)控原理，將目標(biāo)分析物（如污染物）的檢測轉(zhuǎn)化為可測量的蛋白質(zhì)表達水平，特異