2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫——分子功能材料的設(shè)計(jì)與合成考試時(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)的字母填在題后的括號(hào)內(nèi)）1.在分子功能材料的設(shè)計(jì)中，利用分子間作用力（如氫鍵、范德華力）構(gòu)筑有序結(jié)構(gòu)，其驅(qū)動(dòng)力主要來源于（）。A.化學(xué)鍵的斷裂與形成B.晶格能的降低C.熵的增加D.系統(tǒng)自由能的降低2.下列哪種合成方法通常被認(rèn)為是一種綠色、可持續(xù)的合成途徑？（）A.使用大量揮發(fā)性有機(jī)溶劑的多步串聯(lián)反應(yīng)B.基于過渡金屬催化的高效偶聯(lián)反應(yīng)C.利用自組裝或模板法實(shí)現(xiàn)原子/分子級(jí)別的精確堆積D.需要高溫高壓條件下的苛刻反應(yīng)3.設(shè)計(jì)具有特定光電功能的有機(jī)半導(dǎo)體材料時(shí)，通常需要關(guān)注分子的（）。A.分子量大小B.共軛體系的長度和規(guī)整性C.溶解性D.穩(wěn)定性4.欲制備具有納米尺寸孔道或宏觀多孔結(jié)構(gòu)的材料，以下哪種方法可能最為適宜？（）A.傳統(tǒng)熔融澆鑄法B.基于模板法（如硅膠模板、生物模板）C.直接沉淀法D.噴霧干燥法5.在超分子化學(xué)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定分子或離子的選擇性識(shí)別，主要依賴于（）。A.分子間非共價(jià)鍵的特異性相互作用B.共價(jià)鍵的形成與斷裂C.離子-偶極相互作用D.電子轉(zhuǎn)移過程6.對(duì)于需要在外界刺激下發(fā)生可逆形變的智能響應(yīng)材料，其設(shè)計(jì)核心在于構(gòu)建（）。A.具有高化學(xué)穩(wěn)定性的分子結(jié)構(gòu)B.能夠感知并傳遞外界信號(hào)的分子識(shí)別單元C.高效的能量轉(zhuǎn)換機(jī)制D.良好的機(jī)械強(qiáng)度7.設(shè)計(jì)生物醫(yī)用材料時(shí)，除了功能需求外，對(duì)其（）的生物相容性要求極高。A.電化學(xué)性能B.熱穩(wěn)定性C.在生物體內(nèi)的降解行為和產(chǎn)物毒性D.色澤美觀8.下列哪種表征技術(shù)主要用來確定分子的原子連接順序和化學(xué)環(huán)境信息？（）A.X射線衍射（XRD）B.核磁共振波譜（NMR）C.掃描電子顯微鏡（SEM）D.紫外-可見光譜（UV-Vis）9.利用可逆加成斷裂鏈轉(zhuǎn)移（RAFT）聚合技術(shù)合成具有精確分子量和結(jié)構(gòu)可控的聚合物材料，其關(guān)鍵在于（）。A.引發(fā)劑的種類B.鏈轉(zhuǎn)移劑的效率和選擇性C.聚合反應(yīng)溫度D.聚合體系的溶劑極性10.設(shè)計(jì)高效的光催化材料時(shí)，除了要考慮其對(duì)特定波長光的吸收能力外，還需要關(guān)注（）。A.光生電子-空穴對(duì)的分離效率B.材料的機(jī)械強(qiáng)度C.材料的成本D.材料的穩(wěn)定性二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在題中橫線上）1.分子功能材料的設(shè)計(jì)通常遵循__________原則，即通過調(diào)控材料的__________來實(shí)現(xiàn)預(yù)期的__________。2.基于自組裝技術(shù)構(gòu)筑功能材料時(shí)，通常利用__________之間的相互作用，形成有序的超分子結(jié)構(gòu)。3.在有機(jī)合成中，設(shè)計(jì)合成路線時(shí)需要考慮反應(yīng)的__________、__________以及產(chǎn)物的__________等因素。4.對(duì)于具有磁性的功能材料，其磁性來源可能是__________或__________。5.表面接枝技術(shù)可以通過在基底表面引入特定的__________來賦予材料新的功能。6.微流控合成技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)__________，從而合成出結(jié)構(gòu)均一、尺寸精確的材料。7.設(shè)計(jì)藥物載體材料時(shí)，需要考慮其__________、__________以及靶向遞送能力。8.X射線光電子能譜（XPS）主要用于分析材料的__________信息，而傅里葉變換紅外光譜（FTIR）則主要用于分析材料的__________信息。9.設(shè)計(jì)具有形狀記憶功能材料時(shí)，通常需要使其具有__________相和__________相。10.計(jì)算化學(xué)方法在分子功能材料的設(shè)計(jì)中可以用于預(yù)測(cè)分子的__________、__________等性質(zhì)。三、簡答題（每小題5分，共20分）1.簡述分子設(shè)計(jì)在功能材料開發(fā)中的核心思想。2.比較自組裝技術(shù)與傳統(tǒng)宏觀合成方法在制備功能材料方面的主要區(qū)別。3.簡述綠色化學(xué)理念在分子功能材料合成中的體現(xiàn)。4.解釋什么是“分子識(shí)別”，并舉例說明其在功能材料中的應(yīng)用。四、論述題（每小題10分，共30分）1.闡述設(shè)計(jì)合成一種新型有機(jī)光電功能材料（如有機(jī)發(fā)光二極管材料或光催化劑）時(shí)，需要考慮的關(guān)鍵因素和設(shè)計(jì)思路。2.論述模板法在功能材料合成中的原理、分類及其優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用實(shí)例。3.結(jié)合具體實(shí)例，論述分子功能材料的“設(shè)計(jì)-合成-表征-應(yīng)用”這一完整研究流程。---試卷答案一、選擇題1.D2.C3.B4.B5.A6.B7.C8.B9.B10.A二、填空題1.結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系；分子結(jié)構(gòu)；功能2.分子間作用力3.原子經(jīng)濟(jì)性；選擇性；產(chǎn)率4.局域自旋磁矩；交換磁矩5.功能基團(tuán)6.單向微通道流控7.生物相容性；生物降解性8.元素組成與化學(xué)狀態(tài)；化學(xué)鍵9.變形；恢復(fù)10.物理性質(zhì)；電子結(jié)構(gòu)三、簡答題1.解析思路：首先點(diǎn)明分子設(shè)計(jì)的目標(biāo)是獲得特定功能。然后闡述其核心思想是通過理論計(jì)算、模擬或經(jīng)驗(yàn)規(guī)則，預(yù)測(cè)或構(gòu)建具有特定結(jié)構(gòu)（如分子結(jié)構(gòu)、空間排布）的分子，使其具備預(yù)期的物理、化學(xué)或生物功能。強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)過程是結(jié)構(gòu)、性能、合成方法之間的相互關(guān)聯(lián)和優(yōu)化。2.解析思路：首先說明自組裝是分子/超分子單元通過非共價(jià)鍵自發(fā)性聚集形成有序結(jié)構(gòu)的過程。區(qū)別在于，自組裝發(fā)生在分子/納米尺度，依賴分子間作用力自發(fā)生長，產(chǎn)物通常是超分子結(jié)構(gòu)（如膠束、囊泡、納米線）；傳統(tǒng)宏觀合成方法通常在宏觀尺度進(jìn)行，依賴化學(xué)反應(yīng)和物理過程（如熔融、沉淀、涂覆），產(chǎn)物是分子或聚集態(tài)物質(zhì)。強(qiáng)調(diào)尺度、驅(qū)動(dòng)力和產(chǎn)物形態(tài)的不同。3.解析思路：從綠色化學(xué)的十二原則出發(fā)，結(jié)合材料合成。強(qiáng)調(diào)使用環(huán)境友好的溶劑（如水、超臨界流體）、開發(fā)原子經(jīng)濟(jì)性高的合成路線以減少廢物、設(shè)計(jì)可生物降解的材料以減少環(huán)境污染、利用可再生資源、提高能源效率、避免使用有毒物質(zhì)等。說明這些原則如何在分子功能材料的合成中得到體現(xiàn)。4.解析思路：首先解釋分子識(shí)別是基于分子間特異性相互作用（如氫鍵、疏水作用、靜電作用等）使得分子能夠選擇性地結(jié)合目標(biāo)分子（如配體識(shí)別配體，受體識(shí)別底物）。然后舉例說明，如在超分子藥物遞送系統(tǒng)中，主體分子識(shí)別并包載客體藥物；在生物傳感器中，識(shí)別元件識(shí)別特定的生物分子；在自組裝材料中，特定基團(tuán)識(shí)別并組裝成納米結(jié)構(gòu)。四、論述題1.解析思路：*關(guān)鍵因素：首先論述材料的性能需求（如光學(xué)帶隙、能級(jí)匹配、電荷傳輸能力、穩(wěn)定性等）。其次論述分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括核心骨架的選擇、功能基團(tuán)的引入與位置設(shè)計(jì)以調(diào)控電子結(jié)構(gòu)、空間構(gòu)型以影響堆積和相互作用。再次論述合成方法的選擇，需考慮能否有效合成目標(biāo)分子、產(chǎn)率、純化方法、材料形態(tài)控制（分子、膠體、固體）。最后論述材料的表征手段，需選擇合適的表征技術(shù)（如NMR,MS,UV-Vis,XRD,TEM等）確認(rèn)結(jié)構(gòu)、性能和形貌。*設(shè)計(jì)思路：可以從模仿天然材料或現(xiàn)有材料出發(fā)，或通過分子修飾、結(jié)構(gòu)拓展、雜化等方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。強(qiáng)調(diào)需要結(jié)合計(jì)算模擬進(jìn)行結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系預(yù)測(cè)，并進(jìn)行迭代優(yōu)化?？紤]合成可行性、成本效益和實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景。2.解析思路：*原理：闡述模板法利用“模板”分子或結(jié)構(gòu)（天然或人工合成的）作為引導(dǎo)，控制被模板物質(zhì)（如單體、前驅(qū)體）的排列、形態(tài)或化學(xué)組成，從而合成出具有特定結(jié)構(gòu)或功能的材料。模板提供構(gòu)型、尺寸或化學(xué)環(huán)境。*分類：可以按模板類型分類（如分子模板、大分子模板、生物模板如細(xì)胞、病毒、蛋白質(zhì)；無機(jī)模板如多孔材料）；按模板作用方式分類（如結(jié)構(gòu)導(dǎo)向、限域效應(yīng)、催化模板、相分離模板）。*優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用實(shí)例：優(yōu)勢(shì)在于能夠制備出傳統(tǒng)方法難以獲得的高度有序、特定尺寸或復(fù)雜結(jié)構(gòu)的材料（如納米管、中空微球、多孔材料、有序排列的分子）。實(shí)例可以舉利用多孔二氧化硅模板合成金屬或氧化物中空納米結(jié)構(gòu)，利用生物分子模板合成具有生物活性的材料，利用嵌段共聚物自組裝模板合成有序多孔薄膜等。3.解析思路：*研究流程：首先從需求出發(fā)，確定需要開發(fā)的功能材料及其應(yīng)用場(chǎng)景。*設(shè)計(jì)：基于對(duì)相關(guān)科學(xué)原理（物理化學(xué)、材料科學(xué)等）的理解，結(jié)合文獻(xiàn)調(diào)研和理論計(jì)算，設(shè)計(jì)分子的結(jié)構(gòu)、合成路線和材料形態(tài)?？紤]結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系。*合成：選擇合適的合成方法和工藝，制備出目標(biāo)材料?？赡苄枰獌?yōu)化反應(yīng)條件。*表征：使用一系列表征技術(shù)（如結(jié)構(gòu)表征NMR,