2025年大學《分子科學與工程》專業(yè)題庫——分子功能復合材料的可控設計方法考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的字母填在題后的括號內）1.下列哪一項不屬于分子功能復合材料可控設計的主要驅動力？A.利用分子間作用力（如氫鍵、范德華力）實現自組裝B.通過化學鍵合方法固定功能分子或納米填料C.完全依賴宏觀尺度的物理加工方法D.基于結構-性能關系進行理性設計2.在設計具有特定孔道結構的分子篩材料時，以下哪種方法主要利用了分子自組裝原理？A.高溫高壓下的固相合成B.利用模板劑誘導的納米孔道形成C.通過嵌段共聚物的微相分離制備多孔薄膜D.直接化學合成具有精確孔徑的聚合物網絡3.對于基于嵌段共聚物（BCP）的微相分離體系進行功能復合材料設計，以下哪個因素不是影響其相形態(tài)和復合材料界面的關鍵參數？A.BCP的分子量B.嵌段組成比C.BCP與連續(xù)相（如溶劑）的相容性D.功能填料的加入量4.在設計導電聚合物復合材料時，為了提高導電網絡的可及性和連續(xù)性，通常需要關注以下哪個關鍵問題？A.填料的量子產率B.填料與基體的界面接觸C.基體的光學透光率D.復合材料的力學模量5.以下哪種設計策略屬于典型的“上轉換”策略？A.將具有特定光學響應的分子單元引入聚合物主鏈B.利用納米填料的量子限域效應增強宏觀材料的性能C.設計具有生物相容性的表面修飾，用于生物醫(yī)學應用D.通過精確控制組裝結構產生獨特的光學或磁性現象6.分子印跡技術用于功能復合材料設計的主要目的是什么？A.實現材料結構的精確納米調控B.制備具有特定識別位點的高選擇性材料C.顯著提高材料的力學強度D.實現材料在極端環(huán)境下的穩(wěn)定性7.設計智能響應性材料時，通常會利用材料的哪種特性對外界刺激做出可逆的、顯著的響應？A.穩(wěn)定的化學結構B.可逆的相變行為或物理化學性質變化C.高的電導率D.優(yōu)異的耐高溫性能8.在利用計算模擬方法輔助分子功能復合材料設計時，其核心優(yōu)勢在于？A.可以完全替代實驗，無需進行樣品制備和測試B.能夠在分子尺度上快速預測和篩選多種結構/成分的潛在性能C.直接提供精確的商業(yè)化生產成本數據D.無需考慮材料的實際制備工藝可行性9.設計生物醫(yī)用功能復合材料時，對其生物相容性、生物安全性以及降解行為的要求，體現了哪種設計原則？A.結構對稱性原則B.功能導向與需求驅動原則C.綠色環(huán)保與可持續(xù)性原則D.最大力學強度優(yōu)先原則10.下列哪種方法通常不用于調控聚合物基功能復合材料中納米填料的分散狀態(tài)和界面結合？A.選擇合適的溶劑進行分散B.采用表面改性技術處理納米填料C.通過調節(jié)加工溫度和剪切力D.直接將填料粉末均勻撒在聚合物基體中二、填空題（每空2分，共20分。請將正確答案填在橫線上）1.分子功能復合材料的設計通常需要在分子水平上精確調控材料的______、______和______等結構特征，以實現預期的功能。2.利用______化學原理，通過非共價鍵相互作用的驅動力，自組裝形成具有特定結構和功能的超分子聚集體，是分子設計的重要方法之一。3.在設計核殼結構納米復合材料時，需要考慮核層材料的______、殼層材料的______以及核殼結構的______等因素。4.對于光子晶體復合材料的設計，其關鍵在于調控光子能帶結構，以實現對特定波長光的______或______。5.設計具有藥物緩釋功能的生物醫(yī)用復合材料時，需要考慮藥物分子在材料基質中的______、______以及釋放動力學的調控。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述分子自組裝技術在功能復合材料設計中的主要優(yōu)勢和局限性。2.比較共價鍵合法和非共價鍵合法在功能分子引入復合材料中的主要區(qū)別。3.闡述界面設計與調控在改善納米復合材料性能方面的重要性。4.以一種具體的智能響應性材料為例，說明其工作原理及潛在應用。四、分析題（每題10分，共30分）1.分析設計一種用于高效光催化降解有機污染物的復合材料時，需要考慮哪些關鍵因素？請從材料選擇、結構設計和界面工程等方面進行闡述。2.針對制備具有高導電性和高透光性的導電聚合物薄膜，分析可能面臨的主要挑戰(zhàn)以及相應的調控策略。3.結合嵌段共聚物（BCP）的微相分離行為，探討如何利用該體系設計具有分級多孔結構的功能復合材料，并說明其潛在優(yōu)勢。五、論述題（15分）論述計算模擬與高通量篩選技術在加速分子功能復合材料創(chuàng)新設計進程中的重要作用及其面臨的挑戰(zhàn)。試卷答案一、選擇題1.C2.B3.D4.B5.D6.B7.B8.B9.B10.D二、填空題1.組成結構形貌2.超分子3.性能保護整體性4.透射吸收/阻止5.載藥量釋放速率三、簡答題1.優(yōu)勢：可在溫和條件下、自發(fā)性制備復雜結構，原子/分子級精度，可控性強。局限性：結構控制復雜，預測性有限，組裝過程可能不可逆，規(guī)模化生產難度較大。2.共價鍵合法：通過化學鍵將功能分子永久固定在基體中，結合牢固，穩(wěn)定性高，但可能影響功能分子活性位點，引入交聯密度不均等問題。非共價鍵合法：通過分子間作用力結合，環(huán)境友好，可逆性強，易于調控，但結合力較弱，穩(wěn)定性相對較低。3.界面設計與調控對改善納米復合材料性能至關重要。通過改性納米填料表面或聚合物基體，可以改善兩者之間的相容性，促進納米填料的均勻分散，增強填料與基體的界面結合力，從而顯著提高復合材料的力學性能、導電性、導熱性、阻隔性等綜合性能。4.例如：形狀記憶聚合物。其工作原理是基于分子鏈段運動能力的差異，在施加應力下發(fā)生相變，產生形狀變化或恢復，通過精確設計分子鏈結構和交聯網絡，可以調控其記憶效應和觸發(fā)方式。潛在應用：醫(yī)療器械（如自展開支架）、智能驅動器、可穿戴設備等。四、分析題1.材料選擇：選擇合適的半導體光催化劑（如TiO2,ZnO）作為填料，考慮其光吸收范圍、氧化還原能力、穩(wěn)定性等；選擇合適的基體材料（如聚合物、碳材料），考慮其化學穩(wěn)定性、生物相容性（如生物醫(yī)用應用）、對光催化劑分散和接觸的影響。結構設計：設計復合材料結構，如納米管狀、核殼結構、多級孔結構等，以增加光催化劑的表面積和比表面積，提高光能利用率和反應接觸效率。界面工程：通過表面改性等方法，改善光催化劑與基體之間的界面相容性，促進電荷的有效分離和傳輸，抑制光生電子-空穴對的復合，提高光催化效率。2.主要挑戰(zhàn)：高導電性材料通常具有較低的透光性（如炭黑、金屬粉體），而高透光性材料（如聚合物、透明陶瓷）通常導電性差。實現兩者兼顧需要精細調控填料的種類、濃度、分散狀態(tài)以及復合材料結構。調控策略：選擇導電性好且具有一定光學透明性的填料（如碳納米管、石墨烯、導電聚合物納米粒子）；控制填料的低濃度分散在基體中，避免形成連續(xù)的導電網絡；設計梯度結構或核殼結構，使導電填料主要分布在需要導電的部位；利用表面改性降低填料團聚，改善分散和界面接觸。3.利用BCP的微相分離行為設計分級多孔結構：BCP在特定條件下會自組裝形成周期性的微相分離結構（如層狀、柱狀、球狀）。通過選擇合適的BCP組成和嵌段比例，控制微相分離的結構和尺寸。然后將BCP模板去除（如溶劑洗脫、熱致分解），即可在基體材料中形成具有與BCP微相結構相對應的孔道結構?；蛘?，將BCP與基體材料共混，利用BCP的微相分離結構引導基體材料的結晶或相分離，從而形成分級多孔復合材料結構。潛在優(yōu)勢：可以制備出孔結構均一、可控、具有分級孔道特征（大孔-中孔-微孔）的復合材料，有利于提高材料的滲透性、比表面積、反應接觸面積，或實現特定分離功能。五、論述題計算模擬與高通量篩選技術通過計算機模擬計算，可以在分子尺度上快速評估大量候選材料的結構、性能和相互作用，預測其功能特性，大大縮短了材料研發(fā)周期。高通量篩選則利用自動化技術和數據庫，能夠高效地合成、表征和測試大量不同的材料樣品。兩者結合，可以在設計階段就進行大量的