2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫——分子設(shè)計(jì)與材料表面修飾的關(guān)系考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項(xiàng)的字母填在括號(hào)內(nèi)）1.下列哪項(xiàng)不屬于分子設(shè)計(jì)在材料表面修飾中考慮的關(guān)鍵因素？A.修飾分子的功能基團(tuán)性質(zhì)B.修飾分子與基底材料的相互作用能C.修飾層在特定環(huán)境下的穩(wěn)定性D.基底材料的宏觀力學(xué)性能2.利用表面活性劑自組裝構(gòu)筑功能性表面層，其核心原理是利用了表面活性劑分子在界面處的什么特性？A.高溶解度B.兩親性（頭尾結(jié)構(gòu)差異）C.低熔點(diǎn)D.化學(xué)惰性3.在設(shè)計(jì)用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的植入材料表面時(shí)，實(shí)現(xiàn)良好的血液相容性通常需要通過表面修飾來調(diào)控什么性質(zhì)？A.表面粗糙度B.表面電荷C.氧化還原電位D.以上都是4.X射線光電子能譜（XPS）主要用于分析材料表面的什么信息？A.元素組成和化學(xué)態(tài)B.光學(xué)透過率C.介電常數(shù)D.熱導(dǎo)率5.當(dāng)設(shè)計(jì)旨在提高材料表面的親水性時(shí)，通常會(huì)選擇引入具有什么的官能團(tuán)？A.非極性碳?xì)滏淏.強(qiáng)酸性或強(qiáng)堿性基團(tuán)C.低表面能的惰性基團(tuán)D.小尺寸的有機(jī)分子6.共價(jià)鍵合法進(jìn)行材料表面修飾的主要優(yōu)勢在于什么？A.修飾層與基底結(jié)合力強(qiáng)，穩(wěn)定性高B.修飾過程簡單快速，成本較低C.易于實(shí)現(xiàn)多層結(jié)構(gòu)組裝D.修飾分子在表面可自由旋轉(zhuǎn)7.分子模擬技術(shù)在分子設(shè)計(jì)指導(dǎo)表面修飾中的作用主要體現(xiàn)在哪里？A.預(yù)測修飾分子的合成路徑B.模擬計(jì)算表面修飾層的形貌和穩(wěn)定性C.直接進(jìn)行表面修飾實(shí)驗(yàn)操作D.優(yōu)化表征儀器的參數(shù)設(shè)置8.在設(shè)計(jì)用于氣敏傳感器的材料表面時(shí)，關(guān)鍵的設(shè)計(jì)考慮因素可能不包括以下哪項(xiàng)？A.表面活性位點(diǎn)與待測氣體的相互作用強(qiáng)度B.傳感器材料的導(dǎo)電性C.表面修飾層的機(jī)械強(qiáng)度D.信號(hào)放大機(jī)制的設(shè)計(jì)9.層層自組裝（Layer-by-Layer,LbL）技術(shù)進(jìn)行表面修飾的主要特點(diǎn)是什么？A.只能修飾疏水性表面B.修飾層厚度控制精確，可實(shí)現(xiàn)納米級調(diào)控C.只能使用無機(jī)材料進(jìn)行修飾D.修飾過程通常需要較長的反應(yīng)時(shí)間10.下列哪種方法不屬于典型的物理吸附型表面修飾？A.使用表面活性劑分子在氣-液界面排列形成單分子層B.利用靜電相互作用使帶電納米粒子附著在表面C.通過共價(jià)鍵將長鏈分子連接到基底表面D.利用范德華力使小分子吸附在表面二、簡答題（每小題5分，共30分。請簡要回答下列問題）1.請簡述分子設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)材料制備方法在設(shè)計(jì)理念上的主要區(qū)別。2.解釋什么是“結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系”，并舉例說明其在材料表面修飾中的應(yīng)用。3.分子自組裝技術(shù)在材料表面功能化方面有哪些獨(dú)特的優(yōu)勢？4.在進(jìn)行材料表面親疏水性調(diào)控時(shí)，可以選擇哪些類型的分子進(jìn)行表面修飾？請各舉一例。5.為什么說選擇合適的表面修飾方法對于實(shí)現(xiàn)預(yù)期的修飾效果至關(guān)重要？請從分子設(shè)計(jì)的角度說明。6.簡述利用分子設(shè)計(jì)思想，如何提高納米顆粒在基底材料表面的附著穩(wěn)定性。三、論述題（每小題10分，共40分。請圍繞以下主題展開論述）1.結(jié)合具體實(shí)例，論述分子設(shè)計(jì)如何指導(dǎo)選擇合適的表面修飾技術(shù)以實(shí)現(xiàn)特定的材料表面功能。2.分析分子尺度上的表面粗糙度、化學(xué)組成和表面能如何協(xié)同影響材料表面的宏觀性能（如潤濕性、生物相容性），并說明在分子設(shè)計(jì)層面如何調(diào)控這些因素。3.討論計(jì)算化學(xué)和分子模擬在預(yù)測分子設(shè)計(jì)效果和評估表面修飾機(jī)理方面的作用，并指出其局限性。4.設(shè)想一種基于分子設(shè)計(jì)的表面修飾策略，用于制備一種具有特定光學(xué)響應(yīng)特性的智能材料表面，請闡述其設(shè)計(jì)思路、預(yù)期效果及可能的挑戰(zhàn)。試卷答案一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項(xiàng)的字母填在括號(hào)內(nèi)）1.D*解析思路：分子設(shè)計(jì)關(guān)注的是原子、分子層面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與調(diào)控，以實(shí)現(xiàn)特定功能?；撞牧系暮暧^力學(xué)性能屬于材料整體的物理屬性，通常不是分子設(shè)計(jì)直接調(diào)控或考慮的重點(diǎn)，尤其是在表面修飾的范疇內(nèi)。A、B、C選項(xiàng)均與分子設(shè)計(jì)直接相關(guān)，涉及分子性質(zhì)、與基底相互作用及環(huán)境穩(wěn)定性，這些都是設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的關(guān)鍵因素。2.B*解析思路：表面活性劑分子具有親水頭和疏水尾，這種兩親性使其在界面處自發(fā)排列，親水頭朝向水相，疏水尾朝向非水相，形成有序的聚集體（如膠束）或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)。正是利用了這種兩親性，表面活性劑的自組裝行為才得以發(fā)生，并可用于構(gòu)建功能性表面層。3.D*解析思路：良好的血液相容性是一個(gè)綜合性的要求，涉及多個(gè)方面。表面粗糙度可以影響細(xì)胞附著和血液流動(dòng)；表面電荷（如帶負(fù)電）可以減少蛋白質(zhì)吸附和血栓形成；氧化還原電位影響材料腐蝕和生物活性。因此，調(diào)控這些表面性質(zhì)都是實(shí)現(xiàn)良好血液相容性的重要途徑，選擇D“以上都是”最全面。4.A*解析思路：X射線光電子能譜（XPS）通過測定樣品表面原子吸收或激發(fā)射出的特征電子能量，可以準(zhǔn)確地確定表面元素組成以及各元素存在的化學(xué)態(tài)（即化學(xué)鍵合情況）。這是XPS最核心的應(yīng)用，對于分析表面元素性質(zhì)、表面官能團(tuán)等至關(guān)重要。5.B*解析思路：親水性表面意味著水分子在表面的附著力大于氣體分子（如空氣）的附著力，或表面能較低。要實(shí)現(xiàn)親水性，需要在表面引入能強(qiáng)烈吸引水分子的基團(tuán)，如強(qiáng)極性的羥基（-OH）、羧基（-COOH）、氨基（-NH2）等，這些基團(tuán)能與水形成氫鍵，從而提高表面能和親水性。A、C、D選項(xiàng)所述基團(tuán)通常傾向于降低表面能，使表面更疏水。6.A*解析思路：共價(jià)鍵合法通過化學(xué)鍵將修飾分子直接連接到基底材料表面，這種化學(xué)鍵（如共價(jià)鍵、離子鍵）具有很高的結(jié)合能，因此修飾層與基底之間的結(jié)合力非常強(qiáng)，導(dǎo)致修飾層具有高穩(wěn)定性和耐久性。這是其最主要的優(yōu)勢。7.B*解析思路：分子模擬技術(shù)可以在計(jì)算機(jī)上建立材料的原子或分子模型，并通過量子力學(xué)或經(jīng)典力學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算，從而模擬和預(yù)測材料的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和反應(yīng)過程。在表面修飾中，可以利用分子模擬來預(yù)測不同設(shè)計(jì)分子在表面的吸附行為、覆蓋度、排列構(gòu)型、穩(wěn)定性以及修飾層與基底、修飾層內(nèi)部的相互作用，為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。8.C*解析思路：氣敏傳感器的核心在于表面活性位點(diǎn)與待測氣體分子的相互作用。傳感器材料的導(dǎo)電性是信號(hào)產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)。信號(hào)放大機(jī)制的設(shè)計(jì)也是提高傳感器靈敏度的重要途徑。表面修飾層的機(jī)械強(qiáng)度雖然影響器件的耐用性，但通常不是決定傳感器基本工作原理的設(shè)計(jì)考慮因素，除非是針對特殊應(yīng)用場景（如振動(dòng)環(huán)境）。9.B*解析思路：層層自組裝（LbL）技術(shù)的核心特點(diǎn)是其能夠利用帶相反電荷的聚電解質(zhì)或其他功能材料（如納米粒子、金屬氧化物）交替沉積，通過離子鍵、靜電相互作用等形成具有精確、可控納米厚度的多層膜。這種逐層沉積的方式使得修飾層厚度可以在單分子層級別進(jìn)行精確調(diào)控，這是LbL技術(shù)最突出的優(yōu)勢。10.C*解析思路：物理吸附是指分子依靠范德華力或靜電引力吸附在表面，吸附過程通常可逆，不需要破壞化學(xué)鍵。A項(xiàng)表面活性劑在界面排列、B項(xiàng)帶電粒子靜電吸附、D項(xiàng)小分子范德華力吸附都屬于物理吸附。C項(xiàng)共價(jià)鍵合法是通過化學(xué)反應(yīng)在表面原子層面形成共價(jià)鍵，這是一種化學(xué)鍵合，屬于化學(xué)修飾，而非物理吸附。二、簡答題（每小題5分，共30分。請簡要回答下列問題）1.請簡述分子設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)材料制備方法在設(shè)計(jì)理念上的主要區(qū)別。*解析思路：傳統(tǒng)材料制備方法通常是從宏觀或介觀尺度出發(fā)，通過混合、熔融、凝固、燒結(jié)等過程制備材料，其設(shè)計(jì)側(cè)重于成分、組織結(jié)構(gòu)的調(diào)控，以期獲得整體的宏觀性能。而分子設(shè)計(jì)則是從原子、分子層面出發(fā)，通過精確設(shè)計(jì)分子的結(jié)構(gòu)、組成和功能基團(tuán)，利用分子間的相互作用，自下而上地構(gòu)建具有特定結(jié)構(gòu)和性能的材料或材料界面，其設(shè)計(jì)更強(qiáng)調(diào)對微觀結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的精確控制。2.解釋什么是“結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系”，并舉例說明其在材料表面修飾中的應(yīng)用。*解析思路：“結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系”是指物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)（功能）與其微觀結(jié)構(gòu)（原子、分子排列方式、化學(xué)組成、鍵合狀態(tài)等）之間存在內(nèi)在的、可預(yù)測的對應(yīng)關(guān)系。在材料表面修飾中，通過分子設(shè)計(jì)改變修飾分子的化學(xué)組成（引入特定官能團(tuán)）、空間構(gòu)型（線性、支鏈、環(huán)狀）或排列方式（有序?qū)?、無序?qū)樱梢跃_調(diào)控表面的物理化學(xué)性質(zhì)，如表面能、潤濕性、親疏水性、電荷、生物活性等，從而實(shí)現(xiàn)特定的表面功能。例如，設(shè)計(jì)含大量羧基的聚合物分子修飾表面，可以提高表面的親水性；設(shè)計(jì)含特定識(shí)別基團(tuán)的分子修飾表面，可以實(shí)現(xiàn)生物分子的特異性吸附。3.分子自組裝技術(shù)在材料表面功能化方面有哪些獨(dú)特的優(yōu)勢？*解析思路：分子自組裝技術(shù)利用分子間非共價(jià)鍵（如氫鍵、范德華力、靜電作用、π-π堆積）的規(guī)律，在較低能量輸入下自動(dòng)形成有序的、周期性的或非周期性的超分子結(jié)構(gòu)。其優(yōu)勢在于：①簡便易行，通常在溫和條件下（常溫常壓、水溶液或有機(jī)溶劑）即可進(jìn)行，避免了復(fù)雜的合成步驟和高溫高壓；②可控性強(qiáng)，可以通過選擇不同的分子單元和溶劑，調(diào)控自組裝結(jié)構(gòu)（如膠束大小、囊泡形態(tài)、SAM排列方向）和性質(zhì)；③精確構(gòu)筑納米結(jié)構(gòu)，能夠制備出納米尺寸的孔洞、通道、薄膜、陣列等，為功能化表面提供獨(dú)特的微觀形貌；④生物相容性好，許多生物分子（如DNA、肽段、蛋白質(zhì)）也能自組裝，易于構(gòu)建生物材料表面。4.在進(jìn)行材料表面親疏水性調(diào)控時(shí)，可以選擇哪些類型的分子進(jìn)行表面修飾？請各舉一例。*解析思路：調(diào)控表面親疏水性主要通過引入具有不同極性或氫鍵能力的官能團(tuán)來實(shí)現(xiàn)。要增加親水性，應(yīng)引入極性強(qiáng)、能形成氫鍵的基團(tuán)。例如，含有羥基（-OH）的分子（如聚乙二醇、聚乙烯醇）或含有羧基（-COOH）的分子（如聚丙烯酸）。要增加疏水性，應(yīng)引入非極性、不能形成氫鍵的基團(tuán)。例如，含有長碳?xì)滏湹姆肿樱ㄈ缇奂合?、硅油）。此外，含氟化合物通常具有?yōu)異的疏水性，例如氟代聚乙烯。5.為什么說選擇合適的表面修飾方法對于實(shí)現(xiàn)預(yù)期的修飾效果至關(guān)重要？請從分子設(shè)計(jì)的角度說明。*解析思路：選擇合適的表面修飾方法必須與分子設(shè)計(jì)方案以及預(yù)期的表面效果相匹配。不同的修飾方法對應(yīng)著不同的作用機(jī)制、結(jié)合強(qiáng)度、修飾層結(jié)構(gòu)、厚度控制能力以及后處理要求。例如，如果設(shè)計(jì)的目標(biāo)是構(gòu)建一個(gè)極其穩(wěn)定、耐磨損的保護(hù)層，可能需要選擇化學(xué)鍵合法（如等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積、表面接枝反應(yīng)），確保修飾分子與基底形成牢固的化學(xué)鍵。如果目標(biāo)是快速、方便地實(shí)現(xiàn)特定化學(xué)環(huán)境（如表面固定探針分子），可能會(huì)選擇吸附法或較弱的化學(xué)鍵合（如離子吸附、靜電吸附）。如果需要精確控制多層結(jié)構(gòu)或表面形貌，層層自組裝可能是更好的選擇。選擇不當(dāng)?shù)姆椒赡軐?dǎo)致修飾層與基底結(jié)合不牢、穩(wěn)定性差，或者修飾層結(jié)構(gòu)失控，無法達(dá)到預(yù)期的表面性能和功能，使得分子設(shè)計(jì)的意圖無法實(shí)現(xiàn)。6.簡述利用分子設(shè)計(jì)思想，如何提高納米顆粒在基底材料表面的附著穩(wěn)定性。*解析思路：要提高納米顆粒在基底表面的附著穩(wěn)定性，分子設(shè)計(jì)可以從兩方面入手：一是設(shè)計(jì)修飾分子使其與基底材料之間形成強(qiáng)烈的相互作用；二是設(shè)計(jì)修飾分子以增強(qiáng)修飾層本身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗環(huán)境因素（如溶劑、溫度、pH）的影響。具體策略包括：1）設(shè)計(jì)含有能與基底表面官能團(tuán)發(fā)生強(qiáng)化學(xué)鍵合（如共價(jià)鍵、離子鍵）的配體；2）設(shè)計(jì)長鏈柔性分子作為“尾巴”，利用范德華力增加鋪展面積和錨定長度，同時(shí)柔性鏈可以緩解應(yīng)力，提高抗剪切力；3）設(shè)計(jì)空間位阻大的結(jié)構(gòu)，阻止顆粒從表面脫離；4）如果基底是疏水的，可以設(shè)計(jì)親水性修飾分子，使顆粒通過氫鍵或靜電作用與親水表面結(jié)合得更緊密；反之亦然。關(guān)鍵在于根據(jù)基底性質(zhì)和預(yù)期應(yīng)用環(huán)境，設(shè)計(jì)出合適的修飾分子-顆粒-基底相互作用體系。三、論述題（每小題10分，共40分。請圍繞以下主題展開論述）1.結(jié)合具體實(shí)例，論述分子設(shè)計(jì)如何指導(dǎo)選擇合適的表面修飾技術(shù)以實(shí)現(xiàn)特定的材料表面功能。*解析思路：分子設(shè)計(jì)為表面修飾提供了“藍(lán)圖”，即明確了修飾分子的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)、功能基團(tuán)及其在表面的預(yù)期行為。這個(gè)“藍(lán)圖”直接決定了最適合的表面修飾技術(shù)。例如，要制備具有高生物相容性的醫(yī)用植入材料表面，分子設(shè)計(jì)可能要求在表面固定長鏈的聚乙二醇（PEG）分子。由于PEG分子親水性好，且在水溶液中呈擴(kuò)展構(gòu)象，最合適的修飾技術(shù)是吸附法，特別是非共價(jià)吸附（如靜電吸附帶正電的PEG或利用氫鍵吸附），這樣可以快速形成富含PEG的親水層，且易于控制厚度。如果要制備一個(gè)耐腐蝕的涂層，分子設(shè)計(jì)可能要求引入能與基底形成強(qiáng)共價(jià)鍵的官能團(tuán)（如硫醇基團(tuán)-SH用于金屬表面），這時(shí)選擇化學(xué)氣相沉積（CVD）或等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）等能夠形成穩(wěn)定化學(xué)鍵的表面修飾技術(shù)，確保涂層的高附著力和耐久性。再如，要構(gòu)建一個(gè)能夠選擇性地吸附特定蛋白質(zhì)的表面，分子設(shè)計(jì)需要確定目標(biāo)蛋白質(zhì)的結(jié)合位點(diǎn)，并設(shè)計(jì)含有對應(yīng)識(shí)別基團(tuán)（如氨基酸模擬物）的修飾分子，如果需要精確控制結(jié)合密度和間距，層層自組裝技術(shù)會(huì)是理想的選擇。因此，分子設(shè)計(jì)的具體要求（分子性質(zhì)、所需功能、環(huán)境條件）是選擇表面修飾技術(shù)的先決條件。2.分析分子尺度上的表面粗糙度、化學(xué)組成和表面能如何協(xié)同影響材料表面的宏觀性能（如潤濕性、生物相容性），并說明在分子設(shè)計(jì)層面如何調(diào)控這些因素。*解析思路：表面粗糙度和化學(xué)組成（及其對應(yīng)的表面能）是影響材料表面宏觀性能的兩個(gè)關(guān)鍵微觀因素，它們常常協(xié)同作用。1）潤濕性：根據(jù)Wenzel和Cassie-Baxter模型，粗糙度可以顯著增強(qiáng)或減弱材料的潤濕性。對于低表面能（疏水）材料，增加粗糙度可以使液滴在更多空氣-液體的界面處形成，根據(jù)Cassie-Baxter模型，接觸角會(huì)大幅增大，表現(xiàn)出更強(qiáng)的超疏水性。對于高表面能（親水）材料，增加粗糙度也可能增強(qiáng)親水性（Wenzel效應(yīng)），但有時(shí)也可能因增加空氣間隙而減弱親水性（Cassie-Baxter效應(yīng)），具體取決于接觸角h/a的值（h為滲透深度，a為特征粗糙度）?；瘜W(xué)組成直接決定表面能的大小和極性，從而決定基礎(chǔ)潤濕性。2）生物相容性：化學(xué)組成決定了表面能否與生物體發(fā)生特異性相互作用（如細(xì)胞粘附、蛋白質(zhì)吸附、免疫反應(yīng)），例如含羧基的表面通常比含疏水烷基的表面具有更好的細(xì)胞相容性。表面粗糙度影響細(xì)胞在表面的附著、鋪展和形態(tài)，微米級粗糙度通常有利于細(xì)胞生長，而納米級粗糙度則可能影響細(xì)胞行為。協(xié)同作用體現(xiàn)在：例如，通過分子設(shè)計(jì)在表面引入親水基團(tuán)（化學(xué)組成）并形成微米級粗糙結(jié)構(gòu)，可以同時(shí)獲得良好的親水性和有利于細(xì)胞附著生長的表面形貌，從而提高生物相容性。在分子設(shè)計(jì)層面，可以通過選擇不同化學(xué)基團(tuán)（如改變官能團(tuán)類型、數(shù)量、密度）來調(diào)控表面能，通過設(shè)計(jì)特定的分子排列方式（如自組裝形成有序/無序結(jié)構(gòu)、控制分子鋪展密度）或利用模板法、刻蝕法等間接手段來調(diào)控表面粗糙度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對潤濕性和生物相容性等宏觀性能的協(xié)同調(diào)控。3.討論計(jì)算化學(xué)和分子模擬在預(yù)測分子設(shè)計(jì)效果和評估表面修飾機(jī)理方面的作用，并指出其局限性。*解析思路：計(jì)算化學(xué)和分子模擬是分子設(shè)計(jì)中不可或缺的工具，它們在預(yù)測分子設(shè)計(jì)效果和評估表面修飾機(jī)理方面發(fā)揮著重要作用。1）預(yù)測分子設(shè)計(jì)效果：可以通過量子化學(xué)計(jì)算預(yù)測分子的結(jié)構(gòu)、能量、電子性質(zhì)（如酸堿性、親電/親核性）、光譜性質(zhì)等，指導(dǎo)分子的合成與篩選?？梢酝ㄟ^分子力學(xué)或分子動(dòng)力學(xué)模擬預(yù)測分子在溶液或氣相中的構(gòu)象、穩(wěn)定性、自組裝行為，以及修飾分子在表面上的吸附能、覆蓋度、排列構(gòu)型、與基底相互作用能等，為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和參數(shù)優(yōu)化方向。例如，可以模擬比較不同官能團(tuán)修飾的分子在表面的吸附強(qiáng)度，預(yù)測哪種設(shè)計(jì)更穩(wěn)定。2）評估表面修飾機(jī)理：可以模擬表面修飾過程中的關(guān)鍵步驟，如分子在表面的擴(kuò)散、吸附、脫附、表面反應(yīng)、自組裝過程等，揭示機(jī)理細(xì)節(jié)?？梢阅M修飾層與基底、修飾層內(nèi)部的相互作用，分析影響修飾層穩(wěn)定性和性能的關(guān)鍵因素。例如，可以模擬靜電吸附法制備SAM的過程，分析表面電荷密度、離子強(qiáng)度等因素對吸附行為的影響。盡管作