2025年大學《分子科學與工程》專業(yè)題庫——新型分子納米復合材料研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。下列每小題均有多個正確選項，請將正確選項的代表字母填在題干后的括號內。多選、錯選、漏選均不得分。）1.下列哪些方法屬于自上而下的納米材料制備技術？（）A.溶膠-凝膠法B.微納加工光刻技術C.原位合成法D.硬模板法2.分子納米復合材料中，分子間相互作用對于調控其宏觀性能至關重要。以下哪些屬于主要的分子間相互作用力？（）A.離子鍵B.范德華力C.氫鍵D.共價鍵3.在制備聚合物/納米粒子復合材料時，為了改善兩者之間的界面結合，常采用的策略包括？（）A.對納米粒子進行表面改性B.選擇合適的分散劑C.采用compatibilizer（互穿網(wǎng)絡劑或界面改性劑）D.控制納米粒子的尺寸分布4.下列哪些表征技術能夠有效提供分子納米復合材料中納米填料分散狀態(tài)和界面結構的信息？（）A.透射電子顯微鏡（TEM）B.傅里葉變換紅外光譜（FTIR）C.X射線衍射（XRD）D.原子力顯微鏡（AFM）5.分子納米復合材料在生物醫(yī)學領域具有廣泛應用前景，以下哪些是其潛在的應用方向？（）A.藥物靶向遞送載體B.生物傳感器C.組織工程支架材料D.醫(yī)用成像造影劑二、名詞解釋（每小題3分，共15分。請用簡潔、準確的語言解釋下列名詞的含義。）1.自組裝（Self-Assembly）2.界面相容性（InterfacialCompatibility）3.點擊化學（ClickChemistry）4.動態(tài)光散射（DLS）5.構效關系（Structure-PropertyRelationship）三、簡答題（每小題5分，共20分。請簡要回答下列問題。）1.簡述分子納米復合材料相比于傳統(tǒng)復合材料在性能上可能具有的優(yōu)勢。2.解釋什么是范德華力，并說明其在分子納米復合材料中的作用。3.簡述原位合成法制備分子納米復合材料的基本原理及其優(yōu)點。4.為什么說分子間作用力是調控分子納米復合材料性能的關鍵因素？四、論述題（每小題10分，共30分。請圍繞下列主題進行論述。）1.討論影響分子納米復合材料力學性能的主要因素，并分析如何通過調控這些因素來提升材料的強度或韌性。2.比較兩種不同的分子納米復合材料制備方法（例如，自組裝法與聚合物納米復合法）在原理、設備要求、性能調控等方面各自的優(yōu)缺點。3.選擇一種你感興趣的新型分子納米復合材料（例如，基于二維材料的納米復合材料、DNA納米復合材料等），闡述其獨特的結構特點、優(yōu)異的性能以及潛在的應用前景。五、綜合應用題（15分。請結合所學知識回答下列問題。）設計一個實驗方案，旨在制備一種用于柔性電子器件的聚合物/碳納米管（CNT）復合薄膜，并簡要說明你將如何表征該薄膜的分散性、界面結合強度以及導電性能。在設計中，請明確說明選擇何種聚合物、CNT類型、制備方法以及具體的表征技術，并解釋選擇這些方法的理由。試卷答案一、選擇題1.B,D2.B,C3.A,C4.A,D5.A,B,C,D二、名詞解釋1.自組裝（Self-Assembly）：指在無需外部宏觀干預的情況下，系統(tǒng)通過分子間相互作用自發(fā)地形成有序或無序結構的物理或化學過程。2.界面相容性（InterfacialCompatibility）：指分子納米復合材料中不同組分（如聚合物基體和納米填料）在界面處相互容納、相互作用的程度，良好的相容性有利于形成均勻的界面結構，從而提升復合材料的整體性能。3.點擊化學（ClickChemistry）：指一套基于幾個簡單、高效、高選擇性的有機反應原理的化學策略，旨在通過“模塊化”的方式快速、高效地構建復雜的大分子或超分子結構，常用于分子標記、材料功能化等領域。4.動態(tài)光散射（DLS）：一種用于測量液體或分散液中納米顆粒大小分布的technique，基于顆粒在溶液中因熱運動引起的布朗擴散效應，通過分析散射光的強度隨時間的變化來估算顆粒的大小。5.構效關系（Structure-PropertyRelationship）：指物質的化學結構、微觀結構與其宏觀或微觀性能之間存在的內在聯(lián)系和規(guī)律性。研究構效關系有助于理解材料的性能來源，并指導材料的設計與改性。三、簡答題1.分子納米復合材料可能具有的優(yōu)勢：(1)由于納米尺度效應，材料的力學、光學、熱學等性能可能遠超其單一組分材料；(2)可以通過分子設計精確調控材料的組成和結構，實現(xiàn)性能的定制化；(3)可能表現(xiàn)出優(yōu)異的界面結合，提升復合材料的整體性能；(4)易于功能化，賦予材料特定的生物活性、傳感功能等。2.范德華力解釋：范德華力包括色散力、誘導力和取向力等，是存在于所有分子之間的弱相互作用力，尤其在距離較近的分子或原子表面間起重要作用。在分子納米復合材料中，它主要影響納米填料之間的相互作用、納米填料與聚合物鏈之間的相互作用以及聚合物鏈自身的堆積，對材料的分散性、界面結合和宏觀性能有顯著影響。3.原位合成原理與優(yōu)點：原位合成是指在復合材料基體形成的同時，納米填料也在基體內部同步生成或組裝的過程。其優(yōu)點在于：(1)納米填料與基體可以同步形成，確保兩者之間的高度均勻性和良好的界面結合；(2)可以避免或減少納米填料在基體中的團聚，獲得更均勻的分散狀態(tài)；(3)有可能形成獨特的復合結構，如核殼結構等，從而獲得特殊的性能。4.分子間作用力是調控性能關鍵因素的原因：分子間作用力直接決定了分子或納米顆粒在復合材料中的分散狀態(tài)、相互排列方式以及它們之間的界面結合強度。這些因素又進一步決定了材料的微觀結構（如填料團聚情況、界面厚度、相容性），而微觀結構是決定材料宏觀力學、熱學、光學、電學等性能的基礎。因此，通過調控分子間作用力（如通過表面改性改變填料表面能、選擇合適的溶劑或分散劑、引入compatibilizer增強界面結合等），可以有效調控分子納米復合材料的最終性能。四、論述題1.影響力學性能因素及提升方法論述：影響分子納米復合材料力學性能的主要因素包括：(1)納米填料的種類、尺寸、形狀和含量；(2)納米填料在基體中的分散均勻性和分散狀態(tài)；(3)納米填料與基體之間的界面結合強度；(4)基體的性質；(5)復合材料的微觀結構（如填料團聚尺寸、界面結構）。提升性能的方法：(1)選擇合適的填料：選用模量高、強度好的填料，或通過表面改性增強填料與基體的相互作用；(2)優(yōu)化分散性：采用有效的分散手段（如超聲、表面活性劑、compatibilizer）防止填料團聚，實現(xiàn)均勻分散；(3)增強界面結合：通過表面改性降低填料表面能、引入化學鍵合作用、選擇相容性好的基體和填料；(4)調控微觀結構：控制填料濃度、調節(jié)填料尺寸或采用分級復合策略，形成有利于承載應力的微觀結構；(5)引入柔性單元：在基體或填料表面引入柔性鏈段，可以提高復合材料的韌性。通過綜合考慮這些因素并進行優(yōu)化設計，可以顯著提升分子納米復合材料的力學性能。2.兩種制備方法比較論述：(1)自組裝法：原理：利用分子間相互作用（如氫鍵、范德華力、π-π堆積等）自發(fā)形成有序或無序結構。設備要求：通常設備要求相對較低，但需要精確控制反應條件（溫度、溶劑、濃度、pH等）。性能調控：可通過選擇不同的構筑單元和溶劑/環(huán)境條件來精確調控最終結構的形貌和性質，可實現(xiàn)高度功能化和智能化。優(yōu)點：操作簡單、成本低、環(huán)境友好、易于制備功能化材料。缺點：結構控制難度大、產率可能不高、難以實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產、性能可能受環(huán)境因素影響。(2)聚合物納米復合法（如溶液混合法、熔融共混法）：原理：將納米填料分散在聚合物基體中，通過相分離或物理纏繞等方式形成復合材料。設備要求：需要相應的混合設備（如高速攪拌器、密煉機等），有時需要溶劑或熔融加工設備。性能調控：可通過改變填料種類、含量、分散狀態(tài)、聚合物種類等來調控性能。優(yōu)點：工藝相對成熟、易于規(guī)模化生產、適用范圍廣。缺點：納米填料的分散均勻性是主要挑戰(zhàn)，易出現(xiàn)團聚，界面結合通常較差，需要compatibilizer改善；溶劑殘留或能耗可能較高。綜上，自組裝法更側重于結構設計和功能化，而聚合物納米復合法更側重于制備工藝和規(guī)?；a。3.新型分子納米復合材料論述（示例：基于二維材料的納米復合材料）：結構特點：基于二維材料（如石墨烯、過渡金屬硫化物MXenes、黑磷等），具有超薄的納米厚度（通常<10nm）、巨大的比表面積、獨特的二維蜂窩狀或層狀結構、以及豐富的表面官能團。優(yōu)異性能：除了繼承二維材料的固有特性（如高導電導熱性、高機械強度、優(yōu)異的力學柔韌性、獨特的光學特性等），通過復合可以進一步調控或集成多種功能。潛在應用：由于其優(yōu)異的性能，在柔性/可穿戴電子器件（如柔性導電薄膜、透明導電膜、柔性晶體管）、高性能儲能器件（如超級電容器電極材料、鋰離子電池負極材料）、電化學傳感器（高靈敏度生物/化學傳感器）、電磁屏蔽材料、導熱填料、催化劑載體、甚至生物醫(yī)學應用（如藥物遞送、生物成像、組織工程支架）等領域具有巨大的應用潛力。五、綜合應用題實驗方案設計：目標：制備用于柔性電子器件的聚合物/碳納米管（CNT）復合薄膜，并表征其分散性、界面結合強度及導電性能。材料選擇：*聚合物基體：選擇聚乙烯醇（PVA）或聚二甲基硅氧烷（PDMS）。PVA具有良好的柔韌性、生物相容性（若用于柔性電子皮膚）且易于加工成膜，成本較低。PDMS具有優(yōu)異的柔韌性、良好的絕緣性和易于功能化，適合需要高柔韌性的應用。此處以PVA為例。*納米填料：選擇單壁碳納米管（SWCNT）或雙壁碳納米管（DWCNT），因其高長徑比、優(yōu)異的導電性和力學性能。可先進行CNT的表面改性，如用濃硫酸/硝酸混合物處理，再接枝聚乙烯吡咯烷酮（PVP）或聚丙烯酸（PAA），以增強CNT與水溶性PVA基體的相容性，改善分散性。制備方法：*采用溶液混合法制備復合薄膜。(1)將經過表面改性的CNT加入到適量去離子水中，通過超聲處理（例如，使用冰浴超聲，超聲時間2-4小時，功率50-70%，確保CNT充分分散）；(2)將一定量的PVA粉末加入另一份去離子水中，加熱溶解至透明粘稠溶液（通常PVA/PVA-CNT比例為1:1至3:1，根據(jù)所需性能調整）；(3)將步驟(1)得到的CNT懸濁液緩慢加入到PVA溶液中，繼續(xù)攪拌混合均勻（例如，攪拌1-2小時）；(4)將混合溶液通過旋涂、噴涂或浸涂等方式在潔凈的基板上成膜；(5)將成膜后的樣品在特定溫度下（例如80-100°C）干燥，去除溶劑，得到PVA/CNT復合薄膜。表征技術：1.分散性與微觀結構表征：*原子力顯微鏡（AFM）：獲取復合薄膜表面形貌圖，觀察CNT是否發(fā)生團聚，評估分散均勻性。*掃描電子顯微鏡（SEM）：獲取復合薄膜的斷面形貌圖，觀察CNT在PVA基體中的分散狀態(tài)、團聚尺寸以及界面結合情況。2.界面結合強度表征：*納米壓痕/劃痕測試：利用納米壓痕儀或劃痕儀對復合薄膜表面進行測試，通過測量壓痕深度恢復行為或劃痕過程中材料抵抗破壞的能力，評估CNT與PVA基體之間的界面結合強度。3.導電性能表征：*四探針法（Four-PointProbe）：在復合薄膜表面制備電極，使用四探針測試儀精確測量薄膜的橫向電導率（σ），這是評估導電復合材料導電性的標準方法。*