2025年大學《分子科學與工程》專業(yè)題庫——分子材料的納米化設計考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請將正確選項的字母填在括號內(nèi)。）1.下列哪種效應不是納米材料特有的？（）A.納米尺度效應B.表面效應C.量子尺寸效應D.相變效應2.在分子自組裝過程中，以下哪種相互作用通常起主要驅(qū)動作用？（）A.離子鍵B.共價鍵C.分子間力（如氫鍵、范德華力、π-π堆積）D.金屬鍵3.水熱法通常在哪種條件下進行？（）A.常溫常壓下，使用有機溶劑B.高溫高壓下，使用水或水溶液C.低溫低壓下，使用非極性溶劑D.真空環(huán)境下，使用熔融鹽4.下列哪種技術主要利用電子束與樣品相互作用來獲取形貌信息？（）A.X射線衍射（XRD）B.透射電子顯微鏡（TEM）C.紫外-可見光譜（UV-Vis）D.動態(tài)光散射（DLS）5.用于制備具有精確孔道結(jié)構或分子識別位點的納米材料的方法是？（）A.激光消融B.模板法C.機械研磨D.分子自組裝6.在設計聚合物納米粒子時，選擇合適的溶劑主要考慮？（）A.聚合物的水溶性B.溶劑的極性、粘度及與聚合物的相容性C.溶劑的沸點D.溶劑的成本7.量子尺寸效應主要表現(xiàn)為？（）A.納米材料的密度增大B.納米材料的表面能降低C.納米材料在特定尺寸下能帶結(jié)構發(fā)生改變，導致光學和電學性質(zhì)變化D.納米材料的機械強度提高8.以下哪種方法不屬于“自上而下”的納米加工策略？（）A.機械剝離B.溶膠-凝膠法C.激光燒蝕D.電子束刻蝕9.對于生物醫(yī)學應用，納米材料的生物相容性是至關重要的，這主要涉及？（）A.材料對生物組織的毒性B.材料在體內(nèi)的降解速率和方式C.材料與生物體的相互作用（如細胞粘附、免疫反應）D.以上都是10.分子印跡技術主要用于制備？（）A.具有特定孔徑的微球B.表面具有特定識別位點的材料C.具有特定光學活性的晶體D.導電性優(yōu)異的納米線二、填空題（每空1分，共15分。請將答案填在橫線上。）1.納米材料的許多特殊性質(zhì)主要源于其小尺寸和巨大的__________。2.利用聚合物或生物大分子在溶液中自組裝形成納米結(jié)構的過程稱為__________。3.在溶膠-凝膠法制備二氧化硅納米粒子時，常用的醇類物質(zhì)是__________。4.X射線光電子能譜（XPS）主要用于分析材料的__________和化學態(tài)。5.為了控制納米材料的尺寸和形貌，在制備過程中需要精確調(diào)控__________、__________和__________等參數(shù)。6.聚合物納米粒子可以通過__________、__________等方法制備。7.納米材料的光學性質(zhì)，如吸收邊和發(fā)光波長，會隨著尺寸的變化而出現(xiàn)__________效應。8.模板法中，常用的模板材料包括__________和__________。9.設計用于光電應用的納米材料時，需要考慮其__________和__________性能。10.分子間作用力，如__________和__________，在分子自組裝和納米結(jié)構形成中起著關鍵作用。三、簡答題（每題5分，共20分。請簡明扼要地回答下列問題。）1.簡述機械研磨法制備納米材料的原理及其主要局限性。2.比較水熱法和溶劑熱法在制備納米材料方面的異同點。3.簡述分子間相互作用的類型及其在調(diào)控納米材料組裝結(jié)構中的作用。4.為什么說對納米材料進行表征是納米化設計過程中不可或缺的一步？四、論述題（每題10分，共30分。請結(jié)合所學知識，圍繞下列主題進行論述。）1.論述設計具有特定表面功能的納米材料在生物醫(yī)學領域（如藥物輸送、診斷成像）的應用前景和面臨的主要挑戰(zhàn)。2.以一種具體的分子材料（如聚合物、金屬有機框架MOF、或特定生物分子）為例，詳細闡述如何從分子層面進行設計，以實現(xiàn)其納米化并賦予其特定的功能。3.談談你對實現(xiàn)分子材料精準納米化設計的未來發(fā)展趨勢的看法，可以結(jié)合新興技術或方法進行闡述。試卷答案一、選擇題1.D2.C3.B4.B5.B6.B7.C8.B9.D10.B二、填空題1.比表面積2.分子自組裝3.乙醇4.元素組成5.溫度；壓力；濃度6.聚合反應沉淀法；乳液聚合法7.紫外-可見吸收（或光學）8.金屬模板；有機模板（或硬模板；軟模板）9.光學；電學10.氫鍵；π-π堆積三、簡答題1.原理：機械研磨法通過高速旋轉(zhuǎn)的磨頭或介質(zhì)（如砂子、球體）對塊狀或顆粒狀材料進行強力摩擦和沖擊，將大顆粒破碎成更小的納米顆粒。局限性：1）易引入雜質(zhì)（磨料殘留）；2）粉末易團聚，難以獲得單分散的納米顆粒；3）難以精確控制顆粒尺寸和形貌；4）能耗較高，過程可能不環(huán)保。2.相同點：都是在高溫（>100℃）高壓（>1atm）條件下進行化學反應或物理過程來制備材料；通常在水或水溶液中進行（溶劑熱法）；都能有效控制納米材料的尺寸和形貌。不同點：水熱法通常指在密閉壓力釜中，使用液態(tài)水作為溶劑進行反應；溶劑熱法明確指出使用有機溶劑或其他非水溶劑（如醇、DMF等）在高溫高壓下進行反應。溶劑熱法適用范圍更廣，尤其適用于不溶于水或水熱條件下不穩(wěn)定的材料。3.類型：主要包括氫鍵、范德華力（包含倫敦色散力）、π-π堆積、靜電相互作用等。作用：這些分子間相互作用力的大小和方向不同，決定了分子或納米粒子在空間中的排列方式、聚集狀態(tài)和穩(wěn)定性。例如，氫鍵有方向性和較強的作用力，常用于形成有序的超分子結(jié)構；范德華力普遍存在，影響納米粒子的分散性和堆積密度；π-π堆積在芳香環(huán)體系中起重要作用，可形成特定的層狀或柱狀結(jié)構。通過調(diào)控外界條件（如溫度、溶劑）可以改變這些相互作用力的大小，從而實現(xiàn)對納米材料組裝結(jié)構的精確調(diào)控。4.重要性：1）確認制備的納米材料是否達到預期的尺寸、形貌、結(jié)構和組成；2）提供表征數(shù)據(jù)，用于分析納米材料的性質(zhì)與其結(jié)構之間的關系；3）為后續(xù)的納米化設計提供反饋，指導優(yōu)化制備條件或改進設計策略；4）評估納米材料的性能（如光學、電學、磁學、催化活性等），判斷其應用潛力；5）滿足申報專利、發(fā)表科研論文以及產(chǎn)品應用等規(guī)范要求。沒有表征，納米化設計就缺少了驗證和優(yōu)化的依據(jù)，無法形成有效的反饋循環(huán)。四、論述題1.應用前景：1）藥物輸送：設計具有特定靶向性的表面功能（如抗體修飾、糖基化）的納米載體，可以提高藥物在病灶部位的富集，降低對正常組織的毒副作用，實現(xiàn)控釋和遞送；2）診斷成像：表面修飾熒光分子、磁性納米粒子或造影劑的納米探針，可用于高靈敏度和特異性地檢測疾病標志物，或在醫(yī)學影像（如MRI、CT、超聲）中增強信號，實現(xiàn)疾病的早期診斷和精準定位。面臨挑戰(zhàn)：1）生物相容性與安全性：表面功能化材料必須具有良好的生物相容性，避免引發(fā)強烈的免疫反應或毒性；2）功能化穩(wěn)定性：表面修飾基團在生物環(huán)境中的穩(wěn)定性和耐久性是關鍵問題；3）有效載荷與靶向效率：如何在保證足夠載荷的同時，實現(xiàn)高靶向效率，是設計中的難點；4）規(guī)?；苽渑c質(zhì)量控制：將實驗室成功的表面功能化策略放大到工業(yè)化生產(chǎn)，并保證產(chǎn)品的一致性和可靠性，存在挑戰(zhàn)；5）體內(nèi)過程復雜：納米材料在體內(nèi)的分布、代謝和排泄機制復雜，需要深入研究以優(yōu)化設計。2.（示例：設計聚合物納米粒子用于藥物輸送）1）材料選擇：選擇生物相容性好、可生物降解的聚合物，如聚乳酸（PLA）、聚乙二醇化聚乳酸（PLGA）、殼聚糖等。分子設計時考慮其分子量大小、鏈長、支化度等影響納米粒子形成和性質(zhì)。2）功能基團引入：在聚合物鏈上引入特定功能基團。例如，引入聚乙二醇（PEG）鏈段以延長血液循環(huán)時間、降低免疫原性；引入靶向分子（如抗體、多肽、葉酸）以實現(xiàn)病灶靶向；引入藥物負載位（如酯鍵、離子交聯(lián)點）以實現(xiàn)藥物的有效負載和控釋。3）納米化設計：選擇合適的制備方法（如乳化聚合法、自由基沉淀聚合法），并精確調(diào)控工藝參數(shù)（如單體濃度、引發(fā)劑用量、溶劑體系、溫度、攪拌速度等），控制納米粒子的尺寸、形貌、表面電荷和分散性。4）結(jié)構-性能關系：分析聚合物鏈長、功能基團種類與含量、納米粒子尺寸和表面性質(zhì)如何影響其藥物載藥量、包封率、體外釋放行為、細胞內(nèi)吞效率、體內(nèi)分布和生物安全性。5）優(yōu)化設計：基于表征結(jié)果和性能評估，反饋優(yōu)化聚合物分子結(jié)構、功能化策略和制備工藝，以達到最佳的綜合性能（高載藥、靶向、控釋、低毒）。3.未來發(fā)展趨勢：1）精準合成與控制：發(fā)展更精準的原位合成方法（如微流控技術、可控制備的模板法），實現(xiàn)對納米材料尺寸、形貌、組成、缺陷和表面性質(zhì)的原子級或分子級精確控制。結(jié)合計算化學和分子模擬，預測和指導材料設計。2）智能響應性設計：設計具有環(huán)境響應性（如pH、溫度、光、磁場、酶）的納米材料，使其性能能夠在外界刺激下智能調(diào)控，實現(xiàn)按需釋放、靶向治療等功能。3）多功能集成設計：將多種功能（如診斷、治療、成像、傳感）集成到單一納米平臺中，實現(xiàn)“一站式”診療或多功能協(xié)同應用。4）生物啟