2025年大學《分子科學與工程》專業(yè)題庫——分子科學與科技創(chuàng)新的融合考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述分子識別的基本原理及其在生物技術(shù)、材料科學和傳感領(lǐng)域的至少三個不同應(yīng)用實例。二、以石墨烯或碳納米管為例，闡述其獨特的物理化學性質(zhì)是如何源于其特殊的分子結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)。并簡述其在至少兩個不同領(lǐng)域（如能源存儲、電子器件或生物醫(yī)學）的應(yīng)用潛力。三、什么是點擊化學（ClickChemistry）？列舉三種常見的點擊化學反應(yīng)類型，并簡述其在分子構(gòu)建、材料合成或生物標記等應(yīng)用中的優(yōu)勢。四、分子模擬技術(shù)在現(xiàn)代化學與材料科學研究中扮演著重要角色。請列舉三種不同的分子模擬方法（例如，分子動力學、蒙特卡洛、密度泛函理論），簡要說明每種方法的基本原理，并指出其各自適用于研究哪一類不同的分子體系或問題。五、納米技術(shù)在分子科學領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。請分別解釋什么是量子點（QuantumDots）和介孔材料（MesoporousMaterials），并說明它們在各自的應(yīng)用領(lǐng)域（如生物成像、催化劑載體、傳感器）中，其獨特的納米尺度結(jié)構(gòu)帶來了哪些關(guān)鍵性能優(yōu)勢。六、基因編輯技術(shù)，如CRISPR-Cas9，被認為是分子生物學領(lǐng)域的革命性突破。請簡述CRISPR-Cas9技術(shù)的基本工作原理。并討論其在疾病治療、作物改良或基礎(chǔ)研究方面可能帶來的機遇與倫理挑戰(zhàn)。七、隨著環(huán)境問題日益嚴峻，開發(fā)綠色可持續(xù)的分子技術(shù)和材料變得至關(guān)重要。請舉例說明在合成化學或材料設(shè)計領(lǐng)域中，如何通過分子層面的設(shè)計實現(xiàn)“綠色化學”的目標（例如，原子經(jīng)濟性、催化、溶劑選擇、可再生原料等）。選擇一個具體實例進行闡述。八、柔性電子器件是當前科技熱點之一，其性能很大程度上依賴于具有優(yōu)異電學、機械和光學特性的有機或無機分子材料。請選擇一種你熟悉的柔性分子材料（如導電聚合物、有機半導體、二維材料薄膜等），描述其結(jié)構(gòu)特點，并說明其在制備柔性電路、可穿戴設(shè)備或傳感器的應(yīng)用中面臨的主要挑戰(zhàn)及可能的解決方案。九、解釋什么是分子自組裝（MolecularSelf-Assembly）。列舉至少兩種不同的自組裝驅(qū)動力，并描述自組裝現(xiàn)象在構(gòu)建超分子結(jié)構(gòu)、設(shè)計智能材料（如響應(yīng)性材料、藥物遞送系統(tǒng)）或模擬復(fù)雜生物體系（如蛋白質(zhì)折疊、細胞膜結(jié)構(gòu)）中的重要作用。十、試卷答案一、分子識別基于分子間特異性相互作用力（如氫鍵、范德華力、疏水作用、靜電作用等），使得分子能夠像鎖與鑰匙一樣精確地結(jié)合。應(yīng)用實例：1.生物技術(shù)：抗體與抗原的特異性結(jié)合，用于診斷檢測和免疫反應(yīng)調(diào)控。2.材料科學：適配體（Aptamers）或分子印跡聚合物（MolecularlyImprintedPolymers）用于特異性識別和捕獲目標分子（如藥物、污染物）。3.傳感領(lǐng)域：基于酶、抗體或特定識別分子（如DNA適配體）的傳感器，用于檢測生物標志物或環(huán)境污染物。二、石墨烯/碳納米管性質(zhì)源于其sp2雜化碳原子形成的二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)（石墨烯）或卷曲而成的圓柱形結(jié)構(gòu)（碳納米管）。*物理化學性質(zhì)：極高的載流子遷移率（源于離域π電子）、高比表面積、優(yōu)異的機械強度（高楊氏模量和拉伸模量）、良好的熱導率、高導電性（取決于結(jié)構(gòu)完整性）、輕質(zhì)、化學穩(wěn)定性好。*應(yīng)用潛力：1.能源存儲：石墨烯/碳納米管可用作鋰離子電池的電極材料，其高表面積和導電性有助于提高容量、倍率性能和循環(huán)壽命；也可用于超級電容器。2.電子器件：利用其優(yōu)異的導電性和場效應(yīng)，可制備柔性電子器件（如透明導電膜、柔性晶體管）、場效應(yīng)晶體管（FETs）、傳感器等。三、點擊化學是由Sharpless等人提出的一種化學理念，旨在開發(fā)一系列條件溫和、選擇性好、原子經(jīng)濟性高、易于操作、能高效生成穩(wěn)定、有價值連接物的“一鍵式”化學反應(yīng)。常見反應(yīng)類型：1.疊氮化物與炔烴的環(huán)加成反應(yīng)（Cu(I)-催化的Azide-AlkyneCycloaddition）：生成五元雜環(huán)-三唑。2.Diels-Alder反應(yīng)：炔烴作為親dienophile，與dienophile（如環(huán)烯烴、N-雜環(huán)）發(fā)生高度立體選擇性的環(huán)加成。3.疊氮化物與有機重氮化合物的[3+2]環(huán)加成反應(yīng)：生成四元雜環(huán)-咪唑。應(yīng)用優(yōu)勢：1.分子構(gòu)建：快速、高效地構(gòu)建復(fù)雜天然產(chǎn)物或藥物分子。2.材料合成：用于制備具有特定結(jié)構(gòu)和功能的多功能聚合物、超分子組裝體。3.生物標記：用于活細胞成像、蛋白質(zhì)修飾、DNA測序等生物應(yīng)用，反應(yīng)產(chǎn)物生物相容性好、易于檢測。四、分子模擬方法及其原理與應(yīng)用：1.分子動力學（MD）：基于牛頓運動定律，通過數(shù)值積分求解系統(tǒng)中所有原子或分子的運動軌跡，模擬體系隨時間的動態(tài)行為。適用于研究相對較短時間尺度（皮秒至納秒）和中長程相互作用的體系，如溶液中的分子行為、蛋白質(zhì)構(gòu)象變化、材料表面性質(zhì)。2.蒙特卡洛（MC）：基于隨機抽樣方法，對系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)（如能量、構(gòu)型）進行統(tǒng)計平均。不直接模擬時間演化，適用于研究平衡態(tài)性質(zhì)、相變、吸附、擴散等在長時間或大尺度上平均性質(zhì)的問題，尤其適用于模擬玻璃態(tài)物質(zhì)、氣體或密度函數(shù)理論等。3.密度泛函理論（DFT）：基于量子力學原理，通過求解系統(tǒng)的電子密度泛函來獲得基態(tài)性質(zhì)（如能量、結(jié)構(gòu)、譜學）。不直接處理所有原子，計算效率相對較高。適用于研究分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化、反應(yīng)能壘、電子性質(zhì)、光譜性質(zhì)等原子或分子尺度的問題。五、量子點是半導體納米晶體，其尺寸在納米量級（幾到幾十納米），由于量子限域效應(yīng)，其光學和電子性質(zhì)（如發(fā)光顏色、吸收邊）隨尺寸變化。介孔材料是指具有高度有序的孔道結(jié)構(gòu)（孔徑通常在2-50納米）的多孔材料，通常由金屬氧化物、硅基材料等構(gòu)成。性能優(yōu)勢：*量子點：1.尺寸依賴的光學性質(zhì)：可發(fā)出不同顏色的光，用于高分辨率生物成像、發(fā)光二極管（LED）、顯示器。2.高熒光量子產(chǎn)率：適用于熒光標記和傳感。3.良好的生物相容性（需優(yōu)化）：可用于靶向藥物遞送和疾病成像。*介孔材料：1.高比表面積和高孔容：提供大量活性位點或存儲空間，用作高效催化劑載體、吸附劑（如氣體儲存、污染物去除）、藥物緩釋載體。2.可調(diào)的孔道尺寸和形狀：可調(diào)控其吸附/反應(yīng)選擇性或負載功能。3.良好的滲透性：便于反應(yīng)物擴散和產(chǎn)物脫附。六、CRISPR-Cas9工作原理：利用一段短的RNA分子（向?qū)NA,gRNA），其序列與目標DNA片段互補，引導Cas9核酸酶識別并結(jié)合到特定的基因組位置。Cas9蛋白隨后在該位置切割DNA雙鏈，實現(xiàn)基因編輯。機遇：簡化基因操作流程、高效精確地修改基因序列，在基礎(chǔ)生物學研究、基因功能解析、疾病模型構(gòu)建、作物遺傳改良、基因治療等方面具有巨大潛力。挑戰(zhàn)：脫靶效應(yīng)（在非目標位點進行切割）、潛在的免疫原性（尤其用于治療）、倫理問題（如生殖系編輯、基因增強）。七、綠色化學旨在從源頭上減少或消除有害物質(zhì)的使用和產(chǎn)生。實現(xiàn)途徑：*原子經(jīng)濟性：設(shè)計反應(yīng)以最大限度地利用所有投入原料的原子，生成目標產(chǎn)物，減少副產(chǎn)物（如使用催化、固相反應(yīng)）。*使用可再生原料：利用生物質(zhì)等可再生資源替代不可再生化石資源。*催化劑：使用高效、高選擇性的催化劑，提高反應(yīng)效率，減少能耗和有害試劑使用，并易于回收。*選擇環(huán)境友好的溶劑：使用水、超臨界流體、離子液體等替代傳統(tǒng)有機溶劑。*能源效率：設(shè)計在低溫、低壓或光照等溫和條件下進行反應(yīng)的過程。實例：利用酶作為生物催化劑進行手性合成，反應(yīng)條件溫和（接近生理環(huán)境）、特異性高（只催化特定底物和反應(yīng)）、環(huán)境友好（可生物降解），符合綠色化學原則，可用于合成手性藥物中間體。八、選擇：導電聚合物（如聚苯胺PANI）。*結(jié)構(gòu)特點：主鏈含有交替的單鍵和雙鍵（共軛結(jié)構(gòu)），側(cè)鏈上帶有可電離的基團，可通過摻雜（氧化或還原）使體系具有導電性。*應(yīng)用挑戰(zhàn)：1.穩(wěn)定性：導電聚合物在空氣、水分或不同環(huán)境下易發(fā)生氧化或還原降解，影響其長期性能。2.加工性：許多導電聚合物呈粉末狀，難以形成均勻、連續(xù)的薄膜，需要良好的溶劑或加工技術(shù)。3.導電性調(diào)控與穩(wěn)定性平衡：提高導電性往往伴隨著穩(wěn)定性的下降，反之亦然，如何協(xié)同調(diào)控是關(guān)鍵。*解決方案：1.化學修飾與摻雜控制：通過引入穩(wěn)定基團或精確控制摻雜程度來提高穩(wěn)定性。2.納米復(fù)合：將導電聚合物與無機納米填料（如碳納米管、石墨烯、金屬納米顆粒）復(fù)合，利用填料網(wǎng)絡(luò)改善電導率和機械性能，并促進加工。3.薄膜制備技術(shù)：開發(fā)噴墨打印、旋涂、激光誘導等新型加工技術(shù)，制備高質(zhì)量、大面積柔性薄膜。4.封裝保護：設(shè)計有效的封裝層，隔絕聚合物與不良環(huán)境接觸。九、分子自組裝是指分子或分子集合體在驅(qū)動力（如熵、焓）作用下，自發(fā)地聚集形成具有特定結(jié)構(gòu)和功能的有序或無序聚集體。驅(qū)動力：1.熵驅(qū)動力：通常由疏水作用引起。在水溶液中，非極性分子傾向于聚集以減少與水分子的不良接觸，增大體系的熵值。2.焓驅(qū)動力：通常由特定的化學鍵或相互作用（如氫鍵、靜電相互作用、范德華力、π-π堆積）引起。這些作用力使得分子間能量降低，形成相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。自組裝的重要性：1.構(gòu)建超分子結(jié)構(gòu)：形成各種納米級結(jié)構(gòu)，如膠束、囊泡、納米管、超分子聚合物等。2.設(shè)計智能材料：基于自組裝形成的結(jié)構(gòu)對環(huán)境刺激（如溫度、pH、光照、電場）敏感，可制備響應(yīng)性材料。3.模擬生物體系：自組裝結(jié)構(gòu)可用于模擬細胞膜、蛋白質(zhì)折疊過程、DNA超螺旋等復(fù)雜的生物現(xiàn)象，有助于理解生命過程。4.藥物遞送：利用自組裝體（如膠束、聚合物囊泡）作為藥物載體，實現(xiàn)藥物的靶向遞送和控釋。十、AI/ML在分子科學中的應(yīng)用：1.分子性質(zhì)預(yù)測：利用機器學習模型（如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機）學習大量分子的結(jié)構(gòu)-性質(zhì)關(guān)系，快速預(yù)測新分子的物理化學性質(zhì)（如能量、硬度、溶解度、生物活性），加速虛擬篩選和材料設(shè)計。2.新材料發(fā)現(xiàn)：通過生成模型（GenerativeModels）或強化學習，探索化學空間，發(fā)現(xiàn)具有特定性質(zhì)的新型分子或材料；或利用AI分析海量實驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)潛在的催化活性位點或材料結(jié)構(gòu)。3.反應(yīng)路徑優(yōu)化：模擬化學反應(yīng)過