2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫——分子功能復(fù)合材料的高效設(shè)計(jì)原則考試時(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)的代表字母填入括號內(nèi)）1.在分子功能復(fù)合材料的設(shè)計(jì)中，“分子互補(bǔ)”原則主要強(qiáng)調(diào)的是（）。A.搭建材料的宏觀立體結(jié)構(gòu)B.增強(qiáng)材料的力學(xué)強(qiáng)度C.確保構(gòu)成分子的官能團(tuán)或結(jié)構(gòu)單元能夠有效相互作用或匹配D.提高材料的加工成型性2.對于需要優(yōu)異光學(xué)透明性的分子功能復(fù)合材料，設(shè)計(jì)時(shí)通常需要重點(diǎn)考慮和調(diào)控的是（）。A.基質(zhì)分子的剛性B.功能分子與基質(zhì)的化學(xué)相容性C.復(fù)合材料內(nèi)部聚集態(tài)結(jié)構(gòu)和界面清晰度D.復(fù)合材料的密度3.界面工程在分子功能復(fù)合材料設(shè)計(jì)中扮演著至關(guān)重要的角色，其核心目標(biāo)通常不包括（）。A.增強(qiáng)組分之間的物理結(jié)合力B.有效隔離功能分子的活性中心C.調(diào)控特定物質(zhì)或能量的傳輸通道D.完全消除復(fù)合材料中的缺陷4.利用層層自組裝（Layer-by-Layer,LbL）技術(shù)構(gòu)筑分子功能復(fù)合材料，其核心優(yōu)勢在于（）。A.可在復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)精確納米調(diào)控B.成本相對較低，適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)C.能夠有效構(gòu)建具有精確納米厚度的多層結(jié)構(gòu)D.特別適用于高溫環(huán)境下的材料制備5.當(dāng)設(shè)計(jì)一種用于傳感特定化學(xué)物質(zhì)的功能復(fù)合材料時(shí)，“分子識別”設(shè)計(jì)原則是不可或缺的，這主要依賴于（）。A.復(fù)合材料基質(zhì)的力學(xué)緩沖能力B.功能分子與目標(biāo)分析物之間特定的相互作用（如吸附、鍵合）C.復(fù)合材料的高導(dǎo)電性D.材料的化學(xué)惰性6.在分子功能復(fù)合材料的設(shè)計(jì)流程中，通常需要對多種潛在方案進(jìn)行評估和篩選，以下哪個(gè)選項(xiàng)不屬于常見的評估指標(biāo)？（）A.材料的制備成本B.材料的功能響應(yīng)靈敏度C.材料的理論使用壽命D.材料的環(huán)境友好性（如生物相容性、可降解性）7.仿生學(xué)思想在分子功能復(fù)合材料設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，主要目的是（）。A.直接復(fù)制生物材料的宏觀形態(tài)B.模仿生物結(jié)構(gòu)或過程來實(shí)現(xiàn)特定優(yōu)異性能C.降低材料的密度D.提高材料的加工效率8.設(shè)計(jì)具有高效能量轉(zhuǎn)換（如光能轉(zhuǎn)電能）功能的分子功能復(fù)合材料，需要特別關(guān)注（）。A.分子間的范德華力大小B.能量傳遞路徑的效率與選擇性C.復(fù)合材料的顏色深淺D.基質(zhì)材料的疏水性9.對于需要通過分子設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)“智能響應(yīng)”（如形狀記憶、pH敏感溶脹）的復(fù)合材料，其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于（）。A.選擇足夠大的分子以提高質(zhì)量密度B.設(shè)計(jì)具有特定刺激響應(yīng)機(jī)制的功能分子或整體結(jié)構(gòu)C.采用高強(qiáng)度的物理交聯(lián)方式D.使用昂貴的稀有元素功能分子10.將分子印跡技術(shù)應(yīng)用于功能復(fù)合材料的設(shè)計(jì)，其主要目的是獲得（）。A.具有特定孔道結(jié)構(gòu)的吸附材料B.對特定分子具有高度選擇性識別和捕獲能力的材料C.具有優(yōu)異導(dǎo)電性的復(fù)合材料D.對環(huán)境變化具有自修復(fù)能力的材料二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填入橫線處）1.分子功能復(fù)合材料的高效設(shè)計(jì)原則強(qiáng)調(diào)從分子的層面出發(fā)，通過調(diào)控________、________和________等關(guān)鍵因素來獲得期望的宏觀性能。2.界面是分子功能復(fù)合材料中組分相互作用的核心區(qū)域，界面工程旨在通過調(diào)控界面的________、________和________等性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對復(fù)合材料性能的精確控制。3.自組裝是分子功能復(fù)合材料設(shè)計(jì)中常用的構(gòu)建策略，它利用分子間作用力（如________、________）等非共價(jià)鍵相互作用，自發(fā)性地形成有序的納米或微米結(jié)構(gòu)。4.在設(shè)計(jì)分子功能復(fù)合材料時(shí)，必須考慮設(shè)計(jì)方案的________和________，確保其在實(shí)際應(yīng)用中能夠穩(wěn)定、可靠地工作。5.基于特定生物結(jié)構(gòu)或功能的仿生設(shè)計(jì)，旨在借鑒生物系統(tǒng)的________和________，創(chuàng)造出性能優(yōu)異的新型復(fù)合材料。三、簡答題（每題5分，共20分。請簡要回答下列問題）1.簡述分子功能復(fù)合材料設(shè)計(jì)中“結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系”這一原則的基本含義及其重要性。2.請列舉三種常見的用于調(diào)控分子功能復(fù)合材料界面的化學(xué)方法，并簡述其原理。3.分子自組裝技術(shù)在功能復(fù)合材料設(shè)計(jì)中有哪些主要優(yōu)勢？4.在設(shè)計(jì)一種用于可見光催化降解有機(jī)污染物的分子功能復(fù)合材料時(shí)，需要考慮哪些關(guān)鍵的設(shè)計(jì)原則？四、論述題（每題10分，共30分。請圍繞下列主題展開論述）1.論述分子間作用力（包括氫鍵、π-π堆積、范德華力等）在分子功能復(fù)合材料設(shè)計(jì)中的作用及其調(diào)控方法。2.比較并論述在分子功能復(fù)合材料設(shè)計(jì)中，采用“自上而下”（Top-down）和“自下而上”（Bottom-up）兩種不同制備策略（或理念）的優(yōu)缺點(diǎn)。3.結(jié)合一個(gè)具體的實(shí)例（如光電器件、傳感器、藥物輸送載體等），詳細(xì)闡述如何綜合運(yùn)用多種高效設(shè)計(jì)原則來構(gòu)建該分子功能復(fù)合材料，并分析其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。---試卷答案一、選擇題1.C2.C3.B4.C5.B6.C7.B8.B9.B10.B二、填空題1.分子結(jié)構(gòu)，組成，加工方法2.化學(xué)性質(zhì)，物理性質(zhì)，結(jié)構(gòu)3.氫鍵，π-π堆積4.可行性，有效性5.結(jié)構(gòu)，功能三、簡答題1.答案：“結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系”原則指分子功能復(fù)合材料的宏觀性能（包括力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)及特定功能性能）與其微觀結(jié)構(gòu)（如分子尺寸、形狀、排列方式、結(jié)晶度、界面結(jié)構(gòu)、缺陷狀態(tài)等）之間存在內(nèi)在的、可預(yù)測的對應(yīng)關(guān)系。理解和掌握這一原則，使得設(shè)計(jì)師能夠通過精確調(diào)控材料的微觀結(jié)構(gòu)來主動設(shè)計(jì)和獲得具有特定性能的材料。其重要性在于為材料的設(shè)計(jì)、制備和性能優(yōu)化提供了理論指導(dǎo)，是高效設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。解析思路：題目要求簡述核心設(shè)計(jì)原則“結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系”的含義和重要性。首先必須定義清楚這個(gè)原則是什么，即微觀結(jié)構(gòu)如何決定宏觀性能。其次，要說明其重要性，即它如何指導(dǎo)設(shè)計(jì)實(shí)踐，是實(shí)現(xiàn)高效設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。2.答案：常見的調(diào)控分子功能復(fù)合材料界面的化學(xué)方法包括：*表面改性：通過化學(xué)反應(yīng)（如接枝、沉積、表面接枝聚合等）在材料表面引入特定官能團(tuán)或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)，以改變界面的化學(xué)組成和性質(zhì)。*界面層設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)并引入一層具有特定化學(xué)性質(zhì)或物理結(jié)構(gòu)的中間層（如離子液體層、聚合物層、無機(jī)納米層），以隔離、緩沖或增強(qiáng)組分間的相互作用。*化學(xué)反應(yīng)調(diào)控：通過控制組分之間的化學(xué)反應(yīng)（如接枝反應(yīng)、交聯(lián)反應(yīng)、離子交換等），在界面區(qū)域形成特定的化學(xué)鍵合或化學(xué)環(huán)境，從而調(diào)控界面結(jié)合力、電荷分布等。解析思路：題目要求列舉三種化學(xué)方法并簡述原理。需要準(zhǔn)確回憶并能清晰闡述用于界面調(diào)控的常用化學(xué)手段，如表面處理、界面層構(gòu)筑、化學(xué)反應(yīng)等，并簡要說明每種方法通過何種化學(xué)途徑影響界面性質(zhì)。3.答案：分子自組裝技術(shù)在功能復(fù)合材料設(shè)計(jì)中的主要優(yōu)勢在于：*精確控制微觀結(jié)構(gòu)：能夠在納米或微米尺度上精確構(gòu)筑有序或半有序的結(jié)構(gòu)，如層狀、管狀、球狀、刷狀等，為實(shí)現(xiàn)精細(xì)功能設(shè)計(jì)提供可能。*低成本、環(huán)境友好：通常利用簡單的溶液處理方法（如旋涂、滴涂、浸涂），條件溫和，能耗低，且多基于可生物降解或低毒性的分子，符合綠色化學(xué)理念。*制備復(fù)雜復(fù)合體系：易于將多種不同類型的分子（如有機(jī)/無機(jī)、陽離子/陰離子）集成到同一體系中，形成具有多功能的復(fù)合結(jié)構(gòu)。*形成特殊界面：自組裝過程天然地構(gòu)筑了有序的界面，為界面工程提供了獨(dú)特的平臺。解析思路：題目要求論述自組裝的優(yōu)勢。應(yīng)從結(jié)構(gòu)控制能力、制備條件（成本、環(huán)境）、體系復(fù)雜性、界面形成等方面，系統(tǒng)闡述自組裝技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。4.答案：設(shè)計(jì)可見光催化降解有機(jī)污染物的分子功能復(fù)合材料時(shí)，需考慮的關(guān)鍵設(shè)計(jì)原則包括：*光吸收：選擇或設(shè)計(jì)具有寬吸收范圍（覆蓋可見光區(qū)域）且能產(chǎn)生高效光生電子-空穴對的功能分子（如窄帶隙半導(dǎo)體、有機(jī)染料分子、金屬有機(jī)框架MOFs等）作為光催化劑。*載流子分離與傳輸：優(yōu)化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)（如異質(zhì)結(jié)設(shè)計(jì)、納米結(jié)構(gòu)調(diào)控），以增大光生電子和空穴的復(fù)合勢壘，提高其分離和傳輸效率，延長活性的壽命。*反應(yīng)活性位點(diǎn)：確保功能分子或催化劑表面具有足夠的活性位點(diǎn)，能夠有效吸附目標(biāo)有機(jī)污染物分子，并提供合適的催化反應(yīng)路徑。*界面調(diào)控：調(diào)控光催化劑與基底材料（或載體）之間的界面，可能有助于提高光催化劑的分散性、穩(wěn)定性或改善傳質(zhì)過程。*穩(wěn)定性與重復(fù)使用：設(shè)計(jì)材料時(shí)需考慮其在反應(yīng)環(huán)境（如水、空氣、光照）中的化學(xué)穩(wěn)定性、光穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性，并考慮易于回收和重復(fù)使用的可能性。解析思路：題目要求結(jié)合實(shí)例闡述設(shè)計(jì)原則。需圍繞可見光催化降解的核心需求（光吸收、載流子分離、活性位點(diǎn)、界面、穩(wěn)定性），逐一說明在設(shè)計(jì)復(fù)合材料時(shí)應(yīng)如何應(yīng)用相應(yīng)的原則來優(yōu)化性能。四、論述題1.答案：分子間作用力（包括氫鍵、π-π堆積、范德華力等）在分子功能復(fù)合材料設(shè)計(jì)中扮演著至關(guān)重要的角色，它們不僅是構(gòu)成分子自組裝結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)驅(qū)動力，也深刻影響著復(fù)合材料的宏觀性能。*氫鍵：具有方向性和較強(qiáng)的鍵能，常用于構(gòu)建有序的超分子結(jié)構(gòu)（如層狀、纖維狀），對材料的溶解性、粘附性、柔韌性以及特定功能（如傳感、藥物釋放）具有重要影響。通過設(shè)計(jì)含有強(qiáng)氫鍵供體/受體的分子，可以精確調(diào)控材料的組裝形態(tài)和性能。*π-π堆積：存在于富電子的芳香環(huán)體系之間，是一種相對較弱但作用范圍較廣的作用力。它能使芳香分子有序排列，影響材料的結(jié)晶度、光學(xué)性質(zhì)（如熒光、光吸收）、電子傳輸能力以及材料的堆積密度和穩(wěn)定性。在設(shè)計(jì)有機(jī)半導(dǎo)體復(fù)合材料、光電器件時(shí)，π-π堆積的調(diào)控至關(guān)重要。*范德華力：包括色散力、誘導(dǎo)力等，普遍存在于所有分子之間，雖然單個(gè)作用力較弱，但大量累積效應(yīng)顯著。它影響著分子的堆積緊密程度、材料的致密性、界面結(jié)合強(qiáng)度以及材料的表面性質(zhì)。通過調(diào)控分子形狀（如長徑比）或引入特定基團(tuán)改變電子云分布，可以影響范德華力的強(qiáng)度和方向，進(jìn)而調(diào)控材料的組裝結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。調(diào)控方法：*分子設(shè)計(jì)：通過在分子結(jié)構(gòu)中引入或修飾特定的官能團(tuán)（如-OH,-NH?,-COOH,芳香環(huán)），來增強(qiáng)或調(diào)控氫鍵、π-π堆積的形成。*溶劑選擇：利用溶劑分子與待組裝分子間的作用力（如氫鍵、π-π作用），通過溶劑化作用或抗溶劑化效應(yīng)（如重結(jié)晶、沉淀）來誘導(dǎo)或控制分子的自組裝過程和最終結(jié)構(gòu)。*溫度與壓力：改變溫度和壓力可以影響分子間作用力的平衡，從而調(diào)控自組裝結(jié)構(gòu)的形成和穩(wěn)定性。*外場作用：如靜電場、磁場、電場等，可以影響分子偶極矩或取向，間接調(diào)控分子間作用力的分布和強(qiáng)度。分子間作用力的有效調(diào)控是實(shí)現(xiàn)分子功能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化的重要手段。解析思路：題目要求論述分子間作用力的作用及調(diào)控方法。首先需明確列舉主要的分子間作用力類型（氫鍵、π-π、范德華力），并分別闡述每種作用力對材料結(jié)構(gòu)、性能的具體影響。其次，重點(diǎn)論述如何通過分子設(shè)計(jì)、溶劑、溫壓、外場等手段來調(diào)控這些作用力，以達(dá)到設(shè)計(jì)目的。2.答案：“自上而下”（Top-down）和“自下而上”（Bottom-up）是構(gòu)筑材料的兩種基本策略理念，在分子功能復(fù)合材料設(shè)計(jì)中各有優(yōu)劣。*自上而下策略：指從宏觀或介觀尺度開始，通過各種物理或化學(xué)方法（如光刻、刻蝕、濺射、機(jī)械剝離、模板法、相分離等）逐步縮小尺度，精確構(gòu)建所需的結(jié)構(gòu)和形態(tài)。其優(yōu)點(diǎn)在于能夠?qū)崿F(xiàn)高度定義的、周期性或非周期性的微觀/納米結(jié)構(gòu)，加工精度高，易于與現(xiàn)有微納制造技術(shù)兼容，特別適用于制備具有精確幾何形狀的器件結(jié)構(gòu)。缺點(diǎn)通常包括制備過程復(fù)雜、成本較高、可能破壞材料的天然結(jié)構(gòu)或性質(zhì)、難以精確控制到原子或分子尺度、對于復(fù)雜功能集成可能存在局限。*自下而上策略：指從原子、分子或納米團(tuán)簇等基本單元出發(fā)，利用分子間相互作用或外部場的作用，自發(fā)性地組裝成有序的納米或宏觀結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點(diǎn)在于能夠構(gòu)筑自然界中存在的復(fù)雜、精細(xì)的層級結(jié)構(gòu)，通常制備條件溫和、成本低、環(huán)境友好，易于形成特定的界面和化學(xué)環(huán)境，特別適合于構(gòu)建具有特定功能性的超分子或組裝體。缺點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)控制難度較大，尤其是在實(shí)現(xiàn)長程有序和精確的亞納米結(jié)構(gòu)方面；所得結(jié)構(gòu)可能具有較大的形貌分布和缺陷；將自下而上的結(jié)構(gòu)整合到宏觀器件中可能存在挑戰(zhàn)。比較：兩者并非絕對對立，常常可以結(jié)合使用（如自上而下刻蝕模板引導(dǎo)自下而上的自組裝）。選擇哪種策略取決于所需材料的最終結(jié)構(gòu)尺度、精度要求、功能特性、制備成本、技術(shù)可行性等因素。自上而下更側(cè)重于精確的幾何構(gòu)型控制，而自下而上更側(cè)重于利用分子間作用構(gòu)建功能和結(jié)構(gòu)。解析思路：題目要求比較兩種策略的優(yōu)缺點(diǎn)。需要清晰定義“自上而下”和“自下而上”的概念和常用方法。分別詳細(xì)闡述每種策略的主要優(yōu)點(diǎn)（如自上而下的高精度、自下而上的溫和條件、低成本）和主要缺點(diǎn)（如自上而下的復(fù)雜成本、自下而上的控制難度）。最后進(jìn)行總結(jié)比較，指出兩者并非互斥，并強(qiáng)調(diào)選擇策略時(shí)需考慮的具體因素。3.答案：以設(shè)計(jì)一種用于近紅外（NIR）光響應(yīng)的腫瘤光熱治療（PTT）功能復(fù)合材料為例，綜合運(yùn)用多種高效設(shè)計(jì)原則進(jìn)行構(gòu)建：*功能分子選擇與設(shè)計(jì)（分子設(shè)計(jì)原則）：選擇具有強(qiáng)NIR吸收能力且在吸收光能后能高效產(chǎn)生熱量的功能分子作為核心光熱轉(zhuǎn)換單元。例如，設(shè)計(jì)或選擇含有多重苯環(huán)共軛體系、金屬有機(jī)框架（MOF）配位結(jié)構(gòu)或特定發(fā)色團(tuán)的有機(jī)染料分子，使其吸收峰值位于近紅外區(qū)（如700-1100nm）。同時(shí)，考慮功能分子的光穩(wěn)定性、細(xì)胞毒性以及與基底材料的相容性。*載體材料選擇（結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系原則）：選擇合適的基底材料，如生物相容性好的聚合物（如PLGA、PVP）、無機(jī)材料（如二氧化硅SiO?、碳納米管CNTs、氧化石墨烯GO）或水凝膠等。選擇標(biāo)準(zhǔn)包括良好的生物相容性、穩(wěn)定性、易于功能化、能夠有效負(fù)載和分散光熱劑、以及可能提供的額外物理屏障或治療協(xié)同作用。*高效能量轉(zhuǎn)換（高效設(shè)計(jì)核心）：確保所選光熱劑具有高的NIR吸收效率（吸收系數(shù)高）和高的光熱轉(zhuǎn)換效率（吸收的光能大部分轉(zhuǎn)化為熱能）?？赡苄枰ㄟ^分子修飾或復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如納米結(jié)構(gòu)調(diào)控）來優(yōu)化光吸收和熱傳導(dǎo)。*結(jié)構(gòu)調(diào)控與界面