2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——分子設(shè)計(jì)在功能材料研究中的應(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)的代表字母填寫(xiě)在答題紙上。）1.下列哪項(xiàng)不是分子設(shè)計(jì)的基本策略？A.定向分子設(shè)計(jì)B.基于經(jīng)驗(yàn)的試錯(cuò)法C.自發(fā)形成結(jié)構(gòu)D.計(jì)算化學(xué)輔助設(shè)計(jì)2.在有機(jī)半導(dǎo)體材料的分子設(shè)計(jì)中，引入共軛π鍵體系的主要目的是？A.增強(qiáng)材料的疏水性B.提高材料的熱穩(wěn)定性C.調(diào)控電子能級(jí)，利于電荷傳輸D.增強(qiáng)材料與基底的結(jié)合力3.MOFs（金屬有機(jī)框架）材料的功能主要通過(guò)以下哪個(gè)方面實(shí)現(xiàn)？A.金屬離子間的配位作用B.有機(jī)連接體的自組裝行為C.框架內(nèi)部的孔道和活性位點(diǎn)D.框架材料本身的導(dǎo)電性4.設(shè)計(jì)一種用于光催化分解水制氫的分子或材料時(shí)，首要考慮的關(guān)鍵性能是？A.高度的化學(xué)穩(wěn)定性B.強(qiáng)烈的熒光發(fā)射C.良好的光吸收能力（尤其對(duì)可見(jiàn)光）D.高的比表面積5.自組裝化學(xué)在功能材料設(shè)計(jì)中的主要優(yōu)勢(shì)在于？A.可以精確控制材料的原子級(jí)結(jié)構(gòu)B.通?？梢栽跍睾蜅l件下進(jìn)行C.能夠獲得具有復(fù)雜有序結(jié)構(gòu)的納米或宏觀(guān)材料D.成本通常低于傳統(tǒng)合成方法6.對(duì)于需要高選擇性吸附特定分子的材料，分子設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮？A.材料的機(jī)械強(qiáng)度B.材料的孔徑分布和表面化學(xué)性質(zhì)C.材料的密度D.材料的顏色7.計(jì)算化學(xué)在分子設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在？A.直接進(jìn)行材料制備B.預(yù)測(cè)分子結(jié)構(gòu)、能量和性質(zhì)，指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)C.自動(dòng)完成高通量材料篩選D.對(duì)材料進(jìn)行無(wú)損表征8.有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）中，分子/聚合物設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于調(diào)控？A.能級(jí)匹配，實(shí)現(xiàn)高效的能量轉(zhuǎn)移和電荷注入/復(fù)合B.材料的機(jī)械強(qiáng)度C.材料的導(dǎo)熱性D.材料的溶解性9.將一種具有特定功能的分子設(shè)計(jì)并合成為功能材料后，表征其性能時(shí)，最常用的光學(xué)方法是？A.X射線(xiàn)衍射（XRD）B.核磁共振（NMR）C.紫外-可見(jiàn)吸收光譜（UV-Vis）D.透射電子顯微鏡（TEM）10.挑戰(zhàn)傳統(tǒng)材料設(shè)計(jì)方法，分子設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)之一是？A.強(qiáng)調(diào)對(duì)微觀(guān)結(jié)構(gòu)的精確控制來(lái)實(shí)現(xiàn)宏觀(guān)性能B.更側(cè)重于對(duì)材料制備工藝的改進(jìn)C.主要依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)積累而非理論指導(dǎo)D.通常不關(guān)注材料的成本效益二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填寫(xiě)在答題紙上。）1.分子設(shè)計(jì)旨在通過(guò)______或______分子的結(jié)構(gòu)、組成和排列，來(lái)預(yù)測(cè)和調(diào)控材料的功能。2.在設(shè)計(jì)具有傳感功能的分子時(shí)，通常需要考慮其與目標(biāo)分析物之間的______相互作用。3.基于密度泛函理論（DFT）的計(jì)算是分子設(shè)計(jì)中常用的______工具，可以預(yù)測(cè)分子的結(jié)構(gòu)和能量。4.有機(jī)太陽(yáng)能電池（OSC）中，給體材料的設(shè)計(jì)通常側(cè)重于提高其______能力和合適的能級(jí)。5.自組裝過(guò)程通常在溶液、氣相或熔融態(tài)等______條件下進(jìn)行，形成有序或無(wú)序的超分子結(jié)構(gòu)。6.藥物分子的設(shè)計(jì)不僅要考慮活性，還要考慮其______、代謝和毒性等性質(zhì)。7.金屬有機(jī)框架（MOFs）材料是由______和有機(jī)配體通過(guò)配位鍵自組裝形成的具有周期性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的材料。8.分子設(shè)計(jì)思想強(qiáng)調(diào)從______出發(fā)，理解結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的材料創(chuàng)造。9.設(shè)計(jì)光催化材料時(shí)，需要選擇合適的半導(dǎo)體，使其吸收的光波長(zhǎng)處于______區(qū)域，以提高光能利用效率。10.生物醫(yī)用材料的設(shè)計(jì)需要特別關(guān)注其______、生物相容性和降解行為等生物學(xué)相關(guān)性能。三、簡(jiǎn)答題（每小題5分，共20分。請(qǐng)將答案填寫(xiě)在答題紙上。）1.簡(jiǎn)述分子設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)材料制備方法在思想上的主要區(qū)別。2.分子設(shè)計(jì)中常用的“結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系”原理是什么？請(qǐng)舉例說(shuō)明。3.簡(jiǎn)述自組裝化學(xué)在功能材料設(shè)計(jì)中的一個(gè)具體應(yīng)用實(shí)例。4.在藥物分子設(shè)計(jì)中，為什么分子的構(gòu)象柔性有時(shí)是有利的？四、論述題（每小題10分，共30分。請(qǐng)將答案填寫(xiě)在答題紙上。）1.論述分子設(shè)計(jì)在開(kāi)發(fā)新型光催化材料（如用于光催化分解水或CO2還原）中的關(guān)鍵考量因素和設(shè)計(jì)策略。2.以有機(jī)半導(dǎo)體材料為例，論述分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)其光電性能（如導(dǎo)電性、發(fā)光性）的影響機(jī)制。3.結(jié)合具體實(shí)例，論述分子設(shè)計(jì)在解決環(huán)境問(wèn)題（如污染物檢測(cè)或治理）方面的應(yīng)用潛力與挑戰(zhàn)。試卷答案一、選擇題（每小題2分，共20分。）1.C解析思路：分子設(shè)計(jì)是主動(dòng)地、有目的地設(shè)計(jì)和構(gòu)建分子結(jié)構(gòu)，以期獲得特定功能。自發(fā)形成結(jié)構(gòu)（如結(jié)晶）是物質(zhì)自發(fā)達(dá)到平衡狀態(tài)的過(guò)程，不屬于人為的分子設(shè)計(jì)策略范疇。其他選項(xiàng)均為分子設(shè)計(jì)的常用策略或工具。2.C解析思路：有機(jī)半導(dǎo)體材料依賴(lài)π電子體系進(jìn)行電荷傳輸。引入共軛π鍵可以增大π電子離域范圍，降低能帶隙，從而利于電子和空穴的生成與傳輸，這是設(shè)計(jì)有機(jī)半導(dǎo)體材料的核心思路之一。3.C解析思路：MOFs材料的功能（如吸附、催化、傳感等）主要源于其高度可設(shè)計(jì)的孔道結(jié)構(gòu)、巨大的比表面積以及框架上的活性位點(diǎn)（金屬節(jié)點(diǎn)或有機(jī)連接體上的官能團(tuán)）。4.C解析思路：光催化分解水需要吸收光能來(lái)激發(fā)電子，因此材料必須具有能夠吸收驅(qū)動(dòng)反應(yīng)所需能量的光子（通常是可見(jiàn)光），即良好的光吸收能力是首要前提。5.C解析思路：自組裝利用分子間作用力自發(fā)形成有序或無(wú)序的結(jié)構(gòu)，是獲得納米到宏觀(guān)尺度復(fù)雜有序結(jié)構(gòu)的一種有效且通常溫和的方法，是分子設(shè)計(jì)的重要手段。6.B解析思路：選擇性吸附依賴(lài)于分子間作用力（如范德華力、氫鍵、靜電相互作用等）的特異性。因此，設(shè)計(jì)具有與目標(biāo)吸附分子互補(bǔ)的孔徑大小和表面化學(xué)性質(zhì)的材料至關(guān)重要。7.B解析思路：計(jì)算化學(xué)通過(guò)量子力學(xué)等理論方法模擬分子行為，可以預(yù)測(cè)分子的結(jié)構(gòu)、能量、光譜、反應(yīng)活性等，為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)，避免盲目嘗試，是現(xiàn)代分子設(shè)計(jì)的重要工具。8.A解析思路：OLED的工作基于電荷注入、傳輸、復(fù)合以及能量/電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程。因此，發(fā)光層材料的分子設(shè)計(jì)必須確保其能級(jí)與電極、空穴/電子傳輸層能級(jí)匹配，以保證高效的電荷注入和復(fù)合，從而獲得高的發(fā)光效率和壽命。9.C解析思路：紫外-可見(jiàn)吸收光譜可以直接反映材料對(duì)特定波長(zhǎng)光的吸收情況，是研究材料電子結(jié)構(gòu)、共軛體系大小、能級(jí)等關(guān)鍵性質(zhì)的最常用、最基礎(chǔ)的光學(xué)表征方法之一。10.A解析思路：與傳統(tǒng)材料主要通過(guò)改變組分、調(diào)整制備工藝來(lái)改變宏觀(guān)性能不同，分子設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)在原子、分子尺度上通過(guò)精確控制結(jié)構(gòu)來(lái)“定制”性能，是從微觀(guān)到宏觀(guān)的逆向設(shè)計(jì)思想。二、填空題（每空2分，共20分。）1.合成，修飾解析思路：分子設(shè)計(jì)不僅包括從頭合成新分子，也包括對(duì)現(xiàn)有分子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾以改變其性質(zhì)。2.特異性解析思路：傳感器的核心在于高選擇性，即只對(duì)特定的目標(biāo)分析物產(chǎn)生顯著的響應(yīng)信號(hào)，這種選擇性來(lái)源于分子與目標(biāo)物之間高度特異性的相互作用。3.定量計(jì)算解析思路：DFT等計(jì)算方法能夠從第一性原理出發(fā)，定量計(jì)算分子的結(jié)構(gòu)和各種性質(zhì)（能量、光譜、反應(yīng)能等），是分子設(shè)計(jì)中強(qiáng)大的理論計(jì)算工具。4.光吸收解析思路：太陽(yáng)能電池的工作原理是利用光生載流子。給體材料需要能有效地吸收太陽(yáng)光（尤其是太陽(yáng)光譜中能量較高的可見(jiàn)光區(qū)域），產(chǎn)生足夠的激發(fā)態(tài)分子。5.動(dòng)態(tài)解析思路：自組裝通常不是一步完成，而是在一定條件下動(dòng)態(tài)進(jìn)行的過(guò)程，分子可以不斷擴(kuò)散、碰撞、組裝和去組裝，最終達(dá)到平衡狀態(tài)。6.藥代動(dòng)力學(xué)解析思路：藥物分子設(shè)計(jì)不僅要考慮與靶點(diǎn)的結(jié)合活性（有效性），還要考慮其在體內(nèi)的吸收（Absorption）、分布（Distribution）、代謝（Metabolism）和排泄（Excretion）過(guò)程，即藥代動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，以及潛在的毒性（Toxicity）。7.金屬離子（或金屬節(jié)點(diǎn)）解析思路：MOFs的基本結(jié)構(gòu)單元包括可溶性或難溶性的金屬離子（或金屬簇，稱(chēng)為節(jié)點(diǎn)）和有機(jī)配體（稱(chēng)為連接體）。8.分子（或原子）解析思路：分子設(shè)計(jì)是一種從微觀(guān)層面（分子、原子）出發(fā)，通過(guò)控制結(jié)構(gòu)來(lái)創(chuàng)造和調(diào)控材料宏觀(guān)性能的思想和方法。9.可見(jiàn)光解析思路：太陽(yáng)輻射的能量主要集中在可見(jiàn)光和近紅外區(qū)域。為了高效利用太陽(yáng)能，光催化劑需要具備吸收可見(jiàn)光的能力。10.生物相容性解析思路：生物醫(yī)用材料直接與生物體接觸，因此其安全性首要體現(xiàn)在是否會(huì)引起免疫排斥、毒性等不良反應(yīng)，即生物相容性是關(guān)鍵的評(píng)價(jià)指標(biāo)。三、簡(jiǎn)答題（每小題5分，共20分。）1.簡(jiǎn)述分子設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)材料制備方法在思想上的主要區(qū)別。解析思路：傳統(tǒng)材料制備方法通常是將宏觀(guān)組分混合或通過(guò)物理過(guò)程處理，形成具有特定宏觀(guān)性質(zhì)的材料，其設(shè)計(jì)思想更多是基于經(jīng)驗(yàn)和對(duì)組分-性能關(guān)系的探索。而分子設(shè)計(jì)則強(qiáng)調(diào)在原子、分子水平上，根據(jù)目標(biāo)功能，有目的地設(shè)計(jì)、合成或修飾分子的結(jié)構(gòu)、組成和排列，通過(guò)理解微觀(guān)結(jié)構(gòu)與宏觀(guān)性能的構(gòu)效關(guān)系，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)材料功能的精準(zhǔn)調(diào)控和定制。2.分子設(shè)計(jì)中常用的“結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系”原理是什么？請(qǐng)舉例說(shuō)明。解析思路：“結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系”原理是指分子或材料的特定結(jié)構(gòu)特征（如化學(xué)組成、官能團(tuán)種類(lèi)與位置、空間構(gòu)型、分子間相互作用、聚集狀態(tài)等）與其所表現(xiàn)出的宏觀(guān)或微觀(guān)性能（如熱穩(wěn)定性、光學(xué)活性、導(dǎo)電性、催化活性、機(jī)械強(qiáng)度、生物活性等）之間存在內(nèi)在的、可預(yù)測(cè)的聯(lián)系。例如，對(duì)于有機(jī)半導(dǎo)體，共軛體系的長(zhǎng)度和規(guī)整性通常與其導(dǎo)電性正相關(guān)；對(duì)于藥物分子，特定的官能團(tuán)與靶點(diǎn)受體的結(jié)合模式?jīng)Q定了其藥效。3.簡(jiǎn)述自組裝化學(xué)在功能材料設(shè)計(jì)中的一個(gè)具體應(yīng)用實(shí)例。解析思路：自組裝化學(xué)在功能材料設(shè)計(jì)中的一個(gè)典型應(yīng)用是制備超分子聚合物或超分子凝膠。例如，利用兩親性分子（如嵌段共聚物）在特定溶劑中自組裝形成有序的納米結(jié)構(gòu)（如膠束、液晶），這些結(jié)構(gòu)可以作為藥物載體，實(shí)現(xiàn)藥物的靶向遞送和控釋?zhuān)换蛘呃镁哂刑囟ㄗR(shí)別能力的分子（如DNA鏈、適配體）自組裝形成具有特定功能的納米器件或傳感器。4.在藥物分子設(shè)計(jì)中，為什么分子的構(gòu)象柔性有時(shí)是有利的？解析思路：在藥物分子設(shè)計(jì)中，分子的構(gòu)象柔性（即分子能夠在生理環(huán)境下采取多種不同的空間構(gòu)象）有時(shí)是有利的。例如，柔性分子可能更容易調(diào)整其構(gòu)象以適應(yīng)靶點(diǎn)受體的結(jié)合口袋，從而提高結(jié)合親和力；柔性結(jié)構(gòu)可能有助于分子穿過(guò)生物膜或在體內(nèi)循環(huán)更長(zhǎng)時(shí)間；對(duì)于需要與柔性大分子（如蛋白質(zhì)）相互作用的藥物，柔性也可能是有利的。四、論述題（每小題10分，共30分。）1.論述分子設(shè)計(jì)在開(kāi)發(fā)新型光催化材料（如用于光催化分解水或CO2還原）中的關(guān)鍵考量因素和設(shè)計(jì)策略。解析思路：開(kāi)發(fā)新型光催化材料需從分子設(shè)計(jì)層面進(jìn)行系統(tǒng)考量。關(guān)鍵考量因素包括：a.光吸收性質(zhì)：材料需有寬光譜響應(yīng)（尤其可見(jiàn)光），以最大限度地利用太陽(yáng)能。設(shè)計(jì)策略是調(diào)控半導(dǎo)體的帶隙寬度，或引入助催化劑、缺陷等擴(kuò)展光響應(yīng)范圍。b.能級(jí)匹配：禁帶寬度需適宜，且光生電子和空穴的能級(jí)應(yīng)有利于電荷的分離與傳輸，以減少重組。設(shè)計(jì)策略是選擇合適的半導(dǎo)體組合構(gòu)成異質(zhì)結(jié)，或通過(guò)摻雜、表面修飾調(diào)控能級(jí)。c.電荷分離與傳輸效率：設(shè)計(jì)策略包括構(gòu)建異質(zhì)結(jié)以促進(jìn)電荷轉(zhuǎn)移，引入缺陷態(tài)捕獲電荷，優(yōu)化材料形貌（如納米結(jié)構(gòu)）縮短傳輸距離。d.活性位點(diǎn)：設(shè)計(jì)需保證材料表面具有足夠的活性位點(diǎn)，且活性位點(diǎn)性質(zhì)（如氧化還原電位）適宜。策略是選擇或修飾能提供強(qiáng)氧化還原能力的金屬組分或官能團(tuán)。e.穩(wěn)定性：材料需在光照射、化學(xué)腐蝕等條件下保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。設(shè)計(jì)策略是選擇耐用的化學(xué)鍵，構(gòu)建穩(wěn)定的多孔結(jié)構(gòu)（如MOFs）。f.比表面積：高比表面積有利于提供更多的反應(yīng)活性位點(diǎn)。設(shè)計(jì)策略是調(diào)控材料的形貌，如制備納米顆粒、納米管、多孔結(jié)構(gòu)等。設(shè)計(jì)策略需綜合考慮以上因素，通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)合成相結(jié)合的方法進(jìn)行。2.以有機(jī)半導(dǎo)體材料為例，論述分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)其光電性能（如導(dǎo)電性、發(fā)光性）的影響機(jī)制。解析思路：有機(jī)半導(dǎo)體材料的光電性能與其分子結(jié)構(gòu)之間存在密切的構(gòu)效關(guān)系，主要通過(guò)以下機(jī)制影響：a.共軛體系：共軛體系的長(zhǎng)度、連續(xù)性、規(guī)整性直接影響π電子離域程度和能級(jí)結(jié)構(gòu)。長(zhǎng)而連續(xù)、規(guī)整的共軛體系通常能形成較窄的能帶隙，有利于電子和空穴的離域和傳輸，從而提高導(dǎo)電性和載流子遷移率。結(jié)構(gòu)缺陷（如飽和鍵、稠環(huán)）會(huì)破壞離域，增加能帶隙，降低導(dǎo)電性。b.能級(jí)匹配：分子間或?qū)娱g的能級(jí)（如HOMO,LUMO）決定了電荷注入/復(fù)合的難易程度。設(shè)計(jì)時(shí)需考慮分子間相互作用（如π-π堆積、氫鍵）對(duì)能級(jí)的影響，以及與電極材料的能級(jí)匹配，以實(shí)現(xiàn)高效的電荷注入和復(fù)合，這對(duì)發(fā)光和導(dǎo)電都至關(guān)重要。c.分子堆積與有序性：分子在固態(tài)下的排列方式（堆積方向、堆積緊密程度、有序性）直接影響電荷傳輸通道的構(gòu)建。有利于π電子相互作用的堆積方式（如面心立方堆積）通常有利于導(dǎo)電。晶態(tài)材料的有序性通常優(yōu)于無(wú)定形材料，能提供更高效的電荷傳輸。d.構(gòu)象與柔性：分子的柔性影響其在固態(tài)下的堆積和有序性。高度柔性的分子難以形成穩(wěn)定的晶態(tài)結(jié)構(gòu)，可能表現(xiàn)為無(wú)定形或非晶態(tài)，導(dǎo)電性通常較差。但適度的柔性可能有助于分子適應(yīng)不同的環(huán)境或形成特定的超分子結(jié)構(gòu)。e.發(fā)色團(tuán)與取代基：對(duì)于發(fā)光材料，發(fā)色團(tuán)的結(jié)構(gòu)（如共軛核心）決定了發(fā)光波長(zhǎng)。取代基的位置和性質(zhì)則可以通過(guò)電子給體/受體效應(yīng)、空間位阻效應(yīng)等來(lái)調(diào)控分子的能級(jí)、晶態(tài)結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)（如色心產(chǎn)生、斯托克斯位移等）。綜上，通過(guò)精心設(shè)計(jì)分子的共軛結(jié)構(gòu)、能級(jí)、堆積方式和空間構(gòu)型，可以精確調(diào)控有機(jī)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性和發(fā)光性等關(guān)鍵光電性能。3.結(jié)合具體實(shí)例，論述分子設(shè)計(jì)在解決環(huán)境問(wèn)題（如污染物檢測(cè)或治理）方面的應(yīng)用潛力與挑戰(zhàn)。解析思路：分子設(shè)計(jì)在解決環(huán)境問(wèn)題，特別是污染物檢測(cè)和治理方面，展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，但也面臨一些挑戰(zhàn)。潛力與應(yīng)用實(shí)例：a.污染物檢測(cè)：分子設(shè)計(jì)可以創(chuàng)造具有高選擇性和靈敏度的分子探針或傳感器用于檢測(cè)環(huán)境中的特定污染物。例如：*設(shè)計(jì)基于熒光、顏色變化或電化學(xué)信號(hào)的分子探針，用于檢測(cè)水體中的重金屬離子（如Hg2?,Pb2?,Cd2?）。設(shè)計(jì)時(shí)需考慮探針與離子的特異性識(shí)別基團(tuán)、信號(hào)發(fā)射單元以及信號(hào)響應(yīng)的適宜范圍。*設(shè)計(jì)具有特定識(shí)別位點(diǎn)的抗體或適配體分子，結(jié)合納米材料（如金納米顆粒）或電化學(xué)界面，構(gòu)建用于檢測(cè)水體中低濃度有