2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫——分子工程在納米涂層材料制備中的應(yīng)用考試時(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)字母填入括號(hào)內(nèi)）1.下列哪項(xiàng)不屬于分子工程的核心思想？A.在分子水平上設(shè)計(jì)材料結(jié)構(gòu)B.利用計(jì)算模擬預(yù)測(cè)材料性能C.強(qiáng)制改變材料的化學(xué)組成D.通過分子間相互作用調(diào)控宏觀性能2.在制備納米復(fù)合涂層時(shí)，將納米填料（如納米二氧化硅）分散在基體（如聚合物）中，利用分子工程思想主要關(guān)注的是：A.納米填料自身的晶體結(jié)構(gòu)B.填料與基體之間的界面相互作用C.涂層整體的顏色深淺D.納米填料的尺寸分布均勻性3.利用水分子自組裝行為制備LB膜，主要利用了哪種分子間相互作用？A.離子鍵B.共價(jià)鍵C.π-π堆積D.氫鍵4.點(diǎn)擊化學(xué)（ClickChemistry）在納米涂層制備中通常用于：A.合成長(zhǎng)鏈聚合物基體B.在涂層表面引入特定識(shí)別位點(diǎn)C.制備超薄納米晶體D.通過高溫熔融制備涂層5.欲制備具有高選擇性的傳感涂層，分子印跡技術(shù)相比其他方法的優(yōu)勢(shì)在于：A.制備成本低廉B.可實(shí)現(xiàn)特定分子識(shí)別C.涂層機(jī)械強(qiáng)度高D.涂層具有良好的導(dǎo)電性6.在化學(xué)氣相沉積（CVD）制備納米涂層的過程中，分子工程主要體現(xiàn)在對(duì)以下哪個(gè)環(huán)節(jié)的調(diào)控？A.基底的清洗過程B.氣相前驅(qū)體分子的選擇與設(shè)計(jì)C.沉積腔體的真空度D.涂層后期的拋光處理7.下列哪種表征技術(shù)最常用于分析納米涂層表面元素組成和化學(xué)鍵信息？A.X射線衍射（XRD）B.掃描電子顯微鏡（SEM）C.X射線光電子能譜（XPS）D.傅里葉變換紅外光譜（FTIR）8.分子印跡聚合物涂層具有高選擇性的根本原因在于：A.聚合物基體本身具有特殊的導(dǎo)電性B.聚合物基體具有極高的致密性C.存在與其模板分子形狀、大小、位阻相匹配的空腔D.聚合物基體具有良好的熱穩(wěn)定性9.設(shè)計(jì)用于防腐蝕的納米涂層，分子工程需要重點(diǎn)考慮涂層的：A.透光率B.附著力C.顏色鮮艷度D.熱膨脹系數(shù)10.將兩親性分子在水面上自組裝形成有序的超分子結(jié)構(gòu)層，該技術(shù)通常被稱為：A.聚合反應(yīng)B.溶膠-凝膠法C.蒸發(fā)誘導(dǎo)自組裝（EISA）D.噴涂沉積二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填入橫線上）1.分子工程旨在通過______、______和______等手段，在分子水平上設(shè)計(jì)和調(diào)控材料的結(jié)構(gòu)、性能及其相互作用。2.納米涂層材料之所以具有特殊性能，與其具有______和______密切相關(guān)。3.利用表面活性劑在氣-液界面或液-液界面自組裝形成超分子膜，是______技術(shù)在涂層制備中的一種應(yīng)用。4.在溶膠-凝膠法制備納米陶瓷涂層時(shí)，通過控制______和______的pH值可以實(shí)現(xiàn)納米顆粒的均勻分散或特定形貌的控制。5.分子印跡技術(shù)制備涂層的關(guān)鍵步驟包括模板分子捕獲、______聚合和模板分子去除。6.X射線衍射（XRD）主要用于分析材料的______結(jié)構(gòu)。7.為了提高納米涂層與基底之間的結(jié)合力，分子工程策略通常需要在界面處引入具有特定化學(xué)基團(tuán)的分子，以增強(qiáng)______。8.點(diǎn)擊化學(xué)常用的反應(yīng)之一是疊氮化物與炔烴在______催化下發(fā)生環(huán)加成反應(yīng)。9.利用膠束作為納米模板制備納米涂層，是利用了______在特定溶劑中自組裝形成有序結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。10.設(shè)計(jì)分子工程策略時(shí)，需要綜合考慮分子的______、______、______以及制備方法的可行性等因素。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述分子工程與普通材料化學(xué)在材料設(shè)計(jì)思路上有何不同。2.請(qǐng)列舉三種利用分子間相互作用構(gòu)建納米涂層結(jié)構(gòu)的方法，并簡(jiǎn)述其基本原理。3.在制備納米復(fù)合涂層時(shí)，分子工程如何調(diào)控納米填料在基體中的分散狀態(tài)及其與基體的界面結(jié)合，以優(yōu)化涂層性能？4.簡(jiǎn)述化學(xué)氣相沉積（CVD）和物理氣相沉積（PVD）在分子工程調(diào)控方面的主要區(qū)別。四、論述題（每題10分，共30分）1.結(jié)合具體實(shí)例，論述分子工程思想在提高納米涂層防腐蝕性能方面的應(yīng)用。2.詳細(xì)討論自組裝技術(shù)在制備具有特定光學(xué)功能的納米涂層（如光波導(dǎo)、光學(xué)薄膜）中的應(yīng)用原理和面臨的挑戰(zhàn)。3.談?wù)勀銓?duì)分子印跡技術(shù)在未來智能涂層（如自清潔、傳感、藥物緩釋）領(lǐng)域應(yīng)用前景的看法，并簡(jiǎn)述其可能面臨的技術(shù)瓶頸。試卷答案一、選擇題1.C*解析：分子工程的核心在于分子層面的設(shè)計(jì)、修飾和組裝，旨在利用分子間的相互作用調(diào)控性能，而非強(qiáng)制改變化學(xué)組成。A、B、D均符合分子工程思想。2.B*解析：納米復(fù)合涂層的性能不僅取決于填料和基體本身，更關(guān)鍵的是兩者之間的界面相互作用，這種相互作用影響著應(yīng)力傳遞、耐久性、浸潤(rùn)性等。分子工程在復(fù)合材料中尤其關(guān)注界面工程。3.D*解析：LB膜是由兩親性分子在水面自組裝形成的，其驅(qū)動(dòng)力主要是疏水基團(tuán)傾向于避開水相、親水基團(tuán)傾向于進(jìn)入水相，這主要體現(xiàn)了氫鍵等分子間相互作用。4.B*解析：點(diǎn)擊化學(xué)提供了一系列高效、選擇性好、副反應(yīng)少的化學(xué)反應(yīng)，特別適用于在材料表面引入具有特定識(shí)別功能的分子基團(tuán)，構(gòu)建傳感或識(shí)別涂層。5.B*解析：分子印跡技術(shù)通過模板分子在聚合過程中形成具有特定空腔結(jié)構(gòu)的聚合物，這些空腔能與目標(biāo)分子特異性結(jié)合，從而賦予涂層高選擇性。6.B*解析：CVD過程的核心是氣相前驅(qū)體分子在基體表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或物理沉積，前驅(qū)體的化學(xué)結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性、反應(yīng)活性等直接決定了涂層最終的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)，是分子工程調(diào)控的關(guān)鍵。7.C*解析：XPS能夠探測(cè)材料表面幾納米深度的化學(xué)元素組成和化學(xué)鍵信息，是分析表面化學(xué)狀態(tài)的重要手段。8.C*解析：分子印跡聚合物涂層的高選擇性源于其內(nèi)部存在的、與模板分子在三維空間中精確匹配的空腔結(jié)構(gòu)，這些空腔的形狀、尺寸和化學(xué)環(huán)境與模板分子高度相似。9.B*解析：防腐蝕涂層需要有效隔絕腐蝕介質(zhì)與基體的接觸，因此涂層與基底之間牢固的附著力是保證防腐效果的前提。10.C*解析：蒸發(fā)誘導(dǎo)自組裝（EISA）特指通過控制溶劑的蒸發(fā)速率，利用溶劑-溶質(zhì)、溶劑-基體之間的相互作用，促使兩親性分子等在基底表面或界面自組裝成有序結(jié)構(gòu)。二、填空題1.分子設(shè)計(jì)，分子修飾，分子組裝*解析：這是分子工程最核心的三大支柱，涵蓋了從設(shè)計(jì)理念到實(shí)現(xiàn)手段的各個(gè)方面。2.小尺寸效應(yīng)，表面效應(yīng)*解析：納米材料的獨(dú)特性能主要來源于其尺寸在納米尺度以及表面原子占比巨大所帶來的效應(yīng)。3.蒸發(fā)誘導(dǎo)自組裝（EISA）或Langmuir-Blodgett（LB）*解析：EISA是較新的術(shù)語，指通過溶劑蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)的自組裝；LB是利用表面壓控制的自組裝，兩者都是利用分子間作用構(gòu)建有序膜的技術(shù)。4.溶膠，凝膠*解析：溶膠-凝膠法是制備無機(jī)納米涂層常用方法，pH值是影響溶膠穩(wěn)定性和后續(xù)凝膠網(wǎng)絡(luò)形成的關(guān)鍵參數(shù)。5.化學(xué)交聯(lián)*解析：模板分子捕獲后，需要通過化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)使聚合物鏈相互連接，形成穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。6.微觀*解析：XRD主要用于分析材料的晶體結(jié)構(gòu)，即原子在微觀尺度上的周期性排列。7.界面結(jié)合力或界面化學(xué)鍵*解析：通過引入特定基團(tuán)，可以增強(qiáng)分子在界面處的吸附或形成化學(xué)鍵，從而提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。8.鉑（Pd）或銅（Cu）*解析：銅或鉑是催化疊氮化物與炔烴Huisgen環(huán)加成反應(yīng)常用的催化劑。9.膠束*解析：利用膠束作為模板，可以在膠束核心或殼層沉積或聚合材料，從而制備具有特定核殼結(jié)構(gòu)或納米尺寸的涂層。10.分子結(jié)構(gòu)，性能，合成方法*解析：設(shè)計(jì)策略必須考慮分子的基本構(gòu)成、預(yù)期功能和能否通過現(xiàn)有方法有效合成的可行性。三、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述分子工程與普通材料化學(xué)在材料設(shè)計(jì)思路上有何不同。*解析：普通材料化學(xué)更側(cè)重于研究材料的組成、結(jié)構(gòu)和性能之間的普遍規(guī)律，有時(shí)是在給定成分或結(jié)構(gòu)下探索性能；而分子工程則強(qiáng)調(diào)在分子水平上具有目的性地“設(shè)計(jì)”材料，即根據(jù)預(yù)期的性能需求，從原子或分子出發(fā)，精心設(shè)計(jì)分子的結(jié)構(gòu)、功能基團(tuán)和空間排布，并通過可控的合成或組裝手段精確構(gòu)建材料結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)“性能驅(qū)動(dòng)”的設(shè)計(jì)理念。2.請(qǐng)列舉三種利用分子間相互作用構(gòu)建納米涂層結(jié)構(gòu)的方法，并簡(jiǎn)述其基本原理。*解析：答案應(yīng)包含以下任選三種：*(1)蒸發(fā)誘導(dǎo)自組裝（EISA）：利用溶劑與溶質(zhì)、溶劑與基底之間的相互作用。當(dāng)揮發(fā)性溶劑蒸發(fā)時(shí)，溶劑-溶質(zhì)和溶劑-基底間的相互作用力增強(qiáng)，驅(qū)使兩親性分子（或大分子）在表面或界面自組裝成有序的超分子層結(jié)構(gòu)。*(2)自組裝單分子層（SAMs）：利用共價(jià)鍵或較強(qiáng)的非共價(jià)鍵（如疏水鍵、配位鍵）將有機(jī)分子單分子層錨定在基底表面。通過選擇不同末端基團(tuán)或核心結(jié)構(gòu)的分子，可以構(gòu)建具有特定表面性質(zhì)（如親疏水性、化學(xué)活性）的涂層。*(3)基于氫鍵或其他非共價(jià)鍵的層狀組裝：利用分子間氫鍵、π-π堆積、主客體相互作用等弱的非共價(jià)鍵，通過層層自組裝（Layer-by-Layer,LbL）技術(shù)，交替沉積帶相反電荷的聚電解質(zhì)、納米粒子或其他功能分子，形成納米級(jí)厚的、具有周期性結(jié)構(gòu)的復(fù)合涂層。3.在制備納米復(fù)合涂層時(shí)，分子工程如何調(diào)控納米填料在基體中的分散狀態(tài)及其與基體的界面結(jié)合，以優(yōu)化涂層性能？*解析：分子工程主要通過以下方式調(diào)控：*分散狀態(tài)調(diào)控：設(shè)計(jì)具有特定表面化學(xué)性質(zhì)的納米填料（如表面進(jìn)行改性，接枝親水或疏水基團(tuán)，改變表面能）；選擇合適的溶劑或分散劑，利用溶劑化效應(yīng)、空間位阻效應(yīng)等促進(jìn)填料分散；設(shè)計(jì)前驅(qū)體分子結(jié)構(gòu)，使其在聚合過程中能有效包裹或均勻分散填料；利用表面活性劑或模板分子（如膠束）作為分散劑或“空間限制劑”調(diào)控填料團(tuán)聚狀態(tài)和尺寸。*界面結(jié)合調(diào)控：設(shè)計(jì)具有特定官能團(tuán)的分子鏈作為基體材料或界面修飾劑，這些官能團(tuán)能與納米填料表面發(fā)生化學(xué)鍵合（如酯化、硅烷化反應(yīng)）；利用分子間相互作用（如氫鍵、范德華力、靜電吸引）設(shè)計(jì)填料與基體之間的匹配界面；通過控制涂層制備過程中的界面反應(yīng)或分子取向，確保填料與基體形成牢固且均勻的界面過渡層。4.簡(jiǎn)述化學(xué)氣相沉積（CVD）和物理氣相沉積（PVD）在分子工程調(diào)控方面的主要區(qū)別。*解析：主要區(qū)別在于前驅(qū)體狀態(tài)和調(diào)控手段：*CVD：使用氣態(tài)前驅(qū)體分子，分子工程的核心在于前驅(qū)體的分子設(shè)計(jì)?？梢酝ㄟ^改變前驅(qū)體的化學(xué)結(jié)構(gòu)、功能基團(tuán)、穩(wěn)定性等，精確調(diào)控沉積產(chǎn)物的化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)、摻雜濃度、應(yīng)力狀態(tài)等。對(duì)薄膜的形貌和厚度控制也依賴于前驅(qū)體的輸運(yùn)特性和沉積條件。更適合制備成分復(fù)雜或特定功能的薄膜。*PVD：通常使用固態(tài)源（蒸發(fā)或?yàn)R射），分子工程調(diào)控的自由度相對(duì)較低。主要通過選擇不同的源材料來控制薄膜的化學(xué)成分。雖然可以通過靶材合金化、離子注入等方式進(jìn)行一定程度的調(diào)控，但難以像CVD那樣在分子層面精確設(shè)計(jì)前驅(qū)體并調(diào)控其反應(yīng)路徑。PVD通常能獲得致密的薄膜，具有較好的機(jī)械性能和均勻性。四、論述題1.結(jié)合具體實(shí)例，論述分子工程思想在提高納米涂層防腐蝕性能方面的應(yīng)用。*解析：分子工程通過設(shè)計(jì)具有特定防腐蝕功能的分子結(jié)構(gòu)并將其引入涂層體系，顯著提升防腐性能。例如：*設(shè)計(jì)含特殊官能團(tuán)的聚合物基體：設(shè)計(jì)并合成含有大量環(huán)氧基、氨基、巰基等活性基團(tuán)的聚合物，這些基團(tuán)可以與金屬基底發(fā)生化學(xué)鍵合（如形成金屬醇鹽鍵），增強(qiáng)涂層與基體的附著力，形成致密的化學(xué)屏障。同時(shí)，這些基團(tuán)或引入的緩蝕劑分子可以在涂層受損時(shí)釋放，起到“自修復(fù)”作用。*引入納米填料并優(yōu)化界面：分子工程調(diào)控納米填料（如納米SiO?、納米TiO?、石墨烯）的分散和界面結(jié)合。例如，通過接枝帶有silanecouplingagent的官能團(tuán)到納米填料表面，再將其分散到基體中，可以顯著改善填料與基體、填料與基體之間的界面結(jié)合，提高涂層的致密性和韌性，有效阻止腐蝕介質(zhì)滲透。納米填料的加入本身也能填充微孔，增加涂層厚度和致密性。*構(gòu)建智能傳感/響應(yīng)涂層：設(shè)計(jì)包含特定指示分子（如金屬離子指示劑）或響應(yīng)單元（如pH、氧化還原敏感基團(tuán)）的涂層分子結(jié)構(gòu)。當(dāng)涂層受到腐蝕環(huán)境侵蝕時(shí)，指示分子會(huì)發(fā)生變化（顏色改變、熒光猝滅等），發(fā)出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)腐蝕的早期預(yù)警?；蛘?，響應(yīng)單元可以在特定腐蝕條件下釋放緩蝕劑，主動(dòng)抑制腐蝕過程。*實(shí)例：含有有機(jī)硅烷改性劑的聚氨酯納米復(fù)合涂層，通過硅烷基團(tuán)與金屬表面的強(qiáng)鍵合和納米SiO?的填充增強(qiáng)，表現(xiàn)出優(yōu)異的附著力、致密性和防腐蝕性能。2.詳細(xì)討論自組裝技術(shù)在制備具有特定光學(xué)功能的納米涂層（如光波導(dǎo)、光學(xué)薄膜）中的應(yīng)用原理和面臨的挑戰(zhàn)。*解析：自組裝技術(shù)通過精確控制納米尺度結(jié)構(gòu)在分子水平上的排列，可以有效調(diào)控光與物質(zhì)的相互作用，實(shí)現(xiàn)特定的光學(xué)功能。*應(yīng)用原理：*光波導(dǎo)：利用兩親性分子在界面自組裝形成的有序?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)（如LB膜、嵌段共聚物形成的層狀結(jié)構(gòu)）或納米孔洞結(jié)構(gòu)，可以形成光子晶體或光子帶隙。當(dāng)光波在其中傳播時(shí)，特定波長(zhǎng)的光會(huì)被禁止傳播，形成光波導(dǎo)效應(yīng)。通過設(shè)計(jì)自組裝結(jié)構(gòu)的周期、厚度和組成，可以調(diào)控波導(dǎo)的損耗、模式體積和傳播長(zhǎng)度。例如，交替沉積不同折射率的自組裝多層膜可以構(gòu)建光子晶體波導(dǎo)。*光學(xué)薄膜（如高反射/透射膜、濾光膜）：通過自組裝形成具有特定納米結(jié)構(gòu)（如納米柱、納米孔、納米顆粒陣列）的涂層，可以顯著改變光在界面處的反射、折射和散射行為。例如，有序的納米柱陣列可以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定波長(zhǎng)光的完美吸收或高透射（類似衍射光柵效應(yīng)）；通過調(diào)控納米結(jié)構(gòu)的尺寸和折射率，可以設(shè)計(jì)寬帶或窄帶的濾光膜。嵌段共聚物的微相分離結(jié)構(gòu)也可以形成各向異性的光學(xué)特性。*非線性光學(xué)響應(yīng)：在自組裝結(jié)構(gòu)中引入具有非線性光學(xué)響應(yīng)的分子或納米粒子，并精確控制其空間排布和濃度，可以增強(qiáng)材料整體的非線性光學(xué)效應(yīng)，用于光開關(guān)、光調(diào)制等應(yīng)用。*面臨的挑戰(zhàn)：*結(jié)構(gòu)精確控制：實(shí)現(xiàn)特定光學(xué)功能需要高度有序、均一的納米結(jié)構(gòu)，但自組裝過程易受溫度、濕度、界面等因素影響，難以精確控制結(jié)構(gòu)參數(shù)（周期、尺寸、取向等）。*大面積制備與均勻性：將實(shí)驗(yàn)室scale的自組裝結(jié)構(gòu)擴(kuò)展到工業(yè)scale，并保證大面積膜的均勻性和重復(fù)性，是實(shí)際應(yīng)用中的重大挑戰(zhàn)。*與基底/功能的集成：將自組裝光學(xué)涂層與基底材料、其他功能器件（如波導(dǎo)、探測(cè)器）有效集成，并保證界面兼容性和連接可靠性。*穩(wěn)定性與耐久性：自組裝結(jié)構(gòu)可能對(duì)環(huán)境變化敏感，長(zhǎng)期穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性等需要進(jìn)一步優(yōu)化。*表征難度：精確表征自組裝結(jié)構(gòu)的形貌、尺寸、周期以及由此產(chǎn)生的復(fù)雜光學(xué)響應(yīng)，需要先進(jìn)的表征技術(shù)（如AFM、STM、近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡、光譜學(xué)等）。3.談?wù)勀銓?duì)分子印跡技術(shù)在未來智能涂層（如自清潔、傳感、藥物緩釋）領(lǐng)域應(yīng)用前景的看法，并簡(jiǎn)述其可能面臨的技術(shù)瓶頸。*解析：分子印跡技術(shù)（MIP）通過分子印跡過程制備具有特定識(shí)別位點(diǎn)的聚合物材料，在智能涂層領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。*應(yīng)用前景：*智能傳感涂層：MIP涂層可以識(shí)別特定的目標(biāo)分子（如污染物、環(huán)境激素、藥物分子），并將其濃度信息轉(zhuǎn)化為可測(cè)量的信號(hào)（顏色變化、電阻變化、熒光變化等），用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境或生物樣本。例如，印跡特定病毒或細(xì)菌抗原的傳感器涂層，可用于快速檢測(cè)病原體。