2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫——分子科學(xué)與工程功能材料開發(fā)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)的字母填在括號(hào)內(nèi)）1.下列哪一項(xiàng)不屬于功能材料的典型特征？（A）具有特定的微觀結(jié)構(gòu)；（B）表現(xiàn)出獨(dú)特的宏觀性能；（C）合成成本必須極低；（D）其性能可隨外部刺激發(fā)生可逆變化。2.在設(shè)計(jì)具有特定光學(xué)響應(yīng)的功能材料時(shí)，以下哪個(gè)概念不是常用的分子設(shè)計(jì)策略？（A）利用共軛體系的擴(kuò)展；（B）引入光活性基團(tuán)；（C）調(diào)控材料的晶格對(duì)稱性；（D）增強(qiáng)材料的范德華力。3.對(duì)于制備具有特定納米結(jié)構(gòu)的自組裝功能材料，以下哪種方法不屬于常見的物理或化學(xué)模板法？（A）嵌段共聚物微相分離；（B）膠體粒子晶體；（C）使用表面活性劑形成的膠束；（D）利用原子層沉積技術(shù)逐層生長。4.當(dāng)需要精確測(cè)定半導(dǎo)體納米晶粒的尺寸和形貌時(shí)，以下哪種表征技術(shù)最為適宜？（A）X射線光電子能譜（XPS）；（B）透射電子顯微鏡（TEM）；（C）核磁共振波譜（NMR）；（D）傅里葉變換紅外光譜（FTIR）。5.提高有機(jī)半導(dǎo)體材料電導(dǎo)率的主要途徑不包括？（A）增加分子鏈的共軛程度；（B）提高分子堆積的有序性；（C）引入大量的缺陷；（D）增強(qiáng)π-πstacking相互作用。6.在開發(fā)光催化降解有機(jī)污染物功能材料時(shí)，對(duì)其光響應(yīng)范圍的要求是？（A）僅限于紫外波段；（B）僅限于可見光波段；（C）可覆蓋紫外和可見光波段；（D）無需考慮光響應(yīng)范圍。7.下列哪種材料通常被認(rèn)為是一種壓電功能材料？（A）鐵電陶瓷；（B）金屬導(dǎo)電聚合物；（C）碳納米管；（D）石墨烯。8.用于制備生物醫(yī)用植入體材料時(shí)，對(duì)其生物相容性的基本要求是？（A）具有優(yōu)異的力學(xué)強(qiáng)度；（B）能夠快速降解；（C）不引起宿主的免疫排斥反應(yīng)；（D）成本必須非常低廉。9.在設(shè)計(jì)儲(chǔ)能功能材料（如電池電極材料）時(shí)，以下哪個(gè)性能不是關(guān)鍵考慮因素？（A）高比容量；（B）良好的循環(huán)穩(wěn)定性；（C）極高的機(jī)械強(qiáng)度；（D）較低的制備成本。10.基于分子識(shí)別原理構(gòu)建的功能材料，其核心在于？（A）材料的高導(dǎo)電性；（B）材料的光學(xué)透明性；（C）分子間特異性相互作用；（D）材料的化學(xué)穩(wěn)定性。二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在橫線上）1.功能材料的開發(fā)往往涉及從______設(shè)計(jì)到______制備，再到性能表征和應(yīng)用的完整過程。2.在超分子化學(xué)中，通過______和非共價(jià)鍵相互作用，可以構(gòu)筑具有特定結(jié)構(gòu)和功能的分子聚集體。3.對(duì)于光電功能材料，其______和______是其核心性能指標(biāo)。4.利用______原理，可以通過改變外部刺激（如光、熱、電、磁、pH、溶劑等）來調(diào)控材料的結(jié)構(gòu)和性能。5.在表征聚合物功能材料時(shí)，紅外光譜主要用于鑒定______，而核磁共振波譜則用于分析______。6.納米材料由于其______和______，往往表現(xiàn)出與塊體材料顯著不同的功能特性。7.將兩種或多種功能單元集成到同一材料體系，可以實(shí)現(xiàn)______功能或______性能。8.功能材料的分子設(shè)計(jì)需要綜合考慮材料的______、______和______等因素。三、簡答題（每小題5分，共20分）1.簡述分子印跡技術(shù)制備功能材料的基本原理及其主要應(yīng)用領(lǐng)域。2.比較并說明自組裝方法與常規(guī)化學(xué)合成方法在制備功能材料方面的主要區(qū)別。3.簡述提高功能材料光學(xué)性能的幾種常見策略。4.解釋什么是智能材料，并列舉至少三種不同類型的智能材料及其基本特性。四、論述題（每小題10分，共30分）1.論述分子設(shè)計(jì)與材料性能之間的關(guān)系，并以具體的功能材料為例進(jìn)行說明。2.結(jié)合具體實(shí)例，論述功能材料表征在材料開發(fā)過程中的重要作用。3.選擇一種你感興趣的功能材料類別（如半導(dǎo)體光催化材料、導(dǎo)電聚合物、形狀記憶合金等），分析其當(dāng)前的研究熱點(diǎn)、面臨的主要挑戰(zhàn)以及未來的發(fā)展趨勢(shì)。五、設(shè)計(jì)題（15分）假設(shè)你需要設(shè)計(jì)一種用于水體中特定重金屬離子（如Cr(VI)）高效去除的功能材料。請(qǐng)簡要闡述你的設(shè)計(jì)思路，包括：（1）材料的基本類型或結(jié)構(gòu)構(gòu)想；（2）選擇的基體材料或功能基團(tuán)，并說明其作用原理；（3）預(yù)期的主要性能指標(biāo)；（4）簡述可能的制備方法。試卷答案一、選擇題1.(C)2.(D)3.(D)4.(B)5.(C)6.(C)7.(A)8.(C)9.(C)10.(C)二、填空題1.概念；分子2.分子識(shí)別3.光學(xué)響應(yīng)；電學(xué)響應(yīng)4.外界刺激響應(yīng)（或場(chǎng)效應(yīng)、刺激響應(yīng)）5.化學(xué)結(jié)構(gòu)；分子結(jié)構(gòu)（或化學(xué)組成）6.小尺寸效應(yīng)；表面效應(yīng)7.多功能；協(xié)同效應(yīng)8.化學(xué)結(jié)構(gòu)；物理性能；功能特性三、簡答題1.原理：分子印跡技術(shù)通過使用模板分子、功能單體和交聯(lián)劑在預(yù)組織好的載體（如聚合物基質(zhì)）上原位聚合生成具有特定孔道結(jié)構(gòu)（形狀、尺寸、化學(xué)環(huán)境）的印跡聚合物。這些孔道精確對(duì)應(yīng)模板分子的空間結(jié)構(gòu)和結(jié)合位點(diǎn)。隨后，通過選擇性地溶解去除模板分子，得到具有永久性識(shí)別位點(diǎn)的分子印跡材料。應(yīng)用：主要用于模擬生物酶、抗體等識(shí)別位點(diǎn)，應(yīng)用于選擇性吸附、催化、傳感、藥物控制釋放等領(lǐng)域。2.區(qū)別：*自組裝：利用分子間非共價(jià)鍵（如氫鍵、π-π相互作用、范德華力等）的自發(fā)、有序聚集過程形成超分子結(jié)構(gòu)，通常在溶液、界面或固體表面進(jìn)行，過程接近于熵驅(qū)動(dòng)，對(duì)溫和條件要求高，產(chǎn)物結(jié)構(gòu)具有天然或近天然的有序性。*常規(guī)化學(xué)合成：通過可控的化學(xué)反應(yīng)，打斷舊鍵、形成新鍵，精確合成具有特定化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)的分子或材料，通常需要特定的反應(yīng)條件（溫度、壓力、催化劑等），人為設(shè)計(jì)性強(qiáng)，產(chǎn)物結(jié)構(gòu)可控性高。3.策略：*擴(kuò)大光吸收范圍：通過引入雜原子、擴(kuò)展共軛體系、構(gòu)建多級(jí)結(jié)構(gòu)（如納米復(fù)合材料）等增加材料對(duì)可見光的吸收。*提高光量子產(chǎn)率：優(yōu)化分子結(jié)構(gòu)以減少非輻射復(fù)合，利用能量轉(zhuǎn)移機(jī)制提高利用效率。*增強(qiáng)光穩(wěn)定性：設(shè)計(jì)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，避免光致降解。*調(diào)控光致變色/發(fā)光性能：通過分子設(shè)計(jì)調(diào)控發(fā)色團(tuán)、能級(jí)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)可逆的光致變色或調(diào)諧發(fā)光波長。4.定義：智能材料是指能夠感知外界環(huán)境（如溫度、光、電、磁、應(yīng)力、化學(xué)物質(zhì)等）的變化，并隨之發(fā)生可預(yù)測(cè)的、有價(jià)值的物理、化學(xué)或生物響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)特定功能的材料。類型與特性：*形狀記憶合金：感知溫度變化，響應(yīng)時(shí)恢復(fù)預(yù)設(shè)形狀。*電致變色材料：感知電信號(hào)，響應(yīng)時(shí)改變顏色或透明度。*壓電材料：感知應(yīng)力或電場(chǎng)，響應(yīng)時(shí)產(chǎn)生電壓或變形。四、論述題1.關(guān)系：分子設(shè)計(jì)是功能材料開發(fā)的源頭，其核心思想是根據(jù)預(yù)期的功能需求，通過理論計(jì)算、模擬或經(jīng)驗(yàn)規(guī)則，確定材料的分子結(jié)構(gòu)、組成和排列方式。材料的最終性能（如光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)、生物活性等）是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)（原子排列、化學(xué)鍵、電子云分布、分子間作用力等）與外部環(huán)境相互作用的結(jié)果。因此，分子設(shè)計(jì)與材料性能之間存在著密切且復(fù)雜的對(duì)應(yīng)關(guān)系。成功的分子設(shè)計(jì)能夠指導(dǎo)合成出具有目標(biāo)性能的功能材料；反之，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得的功能材料性能數(shù)據(jù)，又可以反饋指導(dǎo)更精確的分子設(shè)計(jì)。實(shí)例：*有機(jī)半導(dǎo)體：通過增加共軛鍵的長度和規(guī)整性，可以提高材料的能隙和遷移率，從而改善其導(dǎo)電性能和光電響應(yīng)特性。例如，聚苯胺的導(dǎo)電性隨側(cè)鏈的引入和共軛結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展而變化。*光催化材料：半導(dǎo)體的帶隙寬度決定了其光響應(yīng)范圍。設(shè)計(jì)窄帶隙半導(dǎo)體（如CdS）可以使其吸收可見光，而設(shè)計(jì)窄帶隙或復(fù)合型半導(dǎo)體（如Pt/TiO2）可以調(diào)節(jié)光生電子-空穴對(duì)的分離效率，提高光催化效率。2.作用：*揭示結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系：通過表征技術(shù)（如XRD、SEM、TEM、XPS、FTIR、NMR、光譜等）獲得材料微觀結(jié)構(gòu)（晶體結(jié)構(gòu)、形貌、尺寸、缺陷等）、化學(xué)組成和表面性質(zhì)等信息，是理解材料功能產(chǎn)生機(jī)制、建立結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的基礎(chǔ)。沒有準(zhǔn)確的表征，就無法指導(dǎo)材料的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。*指導(dǎo)材料設(shè)計(jì)與合成：表征結(jié)果可以用來驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，評(píng)估合成路線的效果，并發(fā)現(xiàn)意料之外的結(jié)構(gòu)或性能，為后續(xù)的優(yōu)化提供方向。例如，通過TEM發(fā)現(xiàn)合成的納米顆粒尺寸分布不均，就需要調(diào)整合成條件。*評(píng)價(jià)材料性能與質(zhì)量：對(duì)功能材料的關(guān)鍵性能（如光吸收系數(shù)、電導(dǎo)率、催化活性、矯頑力、生物相容性等）進(jìn)行精確測(cè)量和評(píng)價(jià)，是判斷材料是否滿足應(yīng)用需求的關(guān)鍵。表征技術(shù)也是質(zhì)量控制的重要手段。*研究材料服役過程：在材料使用過程中或使用后，通過原位/工況表征技術(shù)，可以研究材料的結(jié)構(gòu)演變、性能衰減機(jī)制，為材料的長期穩(wěn)定性和壽命預(yù)測(cè)提供依據(jù)，并指導(dǎo)材料的改性或修復(fù)。*推動(dòng)新功能發(fā)現(xiàn)：對(duì)未知材料或新型結(jié)構(gòu)的表征，可能發(fā)現(xiàn)全新的功能特性，拓展功能材料的應(yīng)用領(lǐng)域。3.實(shí)例：半導(dǎo)體光催化材料*研究熱點(diǎn)：*開發(fā)高效可見光響應(yīng)光催化劑，拓寬光利用范圍。*提高光生電荷分離效率和利用量子效率。*構(gòu)建異質(zhì)結(jié)或復(fù)合結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)協(xié)同效應(yīng)。*降低貴金屬催化劑的使用，開發(fā)低成本、環(huán)境友好的非貴金屬催化劑。*優(yōu)化材料的形貌和尺寸。*加強(qiáng)光催化機(jī)理的研究。*主要挑戰(zhàn)：*提高量子效率，抑制光生電子-空穴對(duì)的復(fù)合。*延長材料的穩(wěn)定性，抵抗光腐蝕和化學(xué)腐蝕。*實(shí)現(xiàn)高選擇性，避免副反應(yīng)。*溶解性、分散性問題。*產(chǎn)物分離與回收困難。*發(fā)展趨勢(shì)：*向多功能化（如光催化降解+殺菌消毒+制氫）方向發(fā)展。*與生物技術(shù)結(jié)合（如生物酶催化、生物膜固定）。*與人工智能等計(jì)算模擬方法結(jié)合，加速材料發(fā)現(xiàn)和設(shè)計(jì)。*開發(fā)可調(diào)控、可回收利用的光催化體系。*關(guān)注光催化在環(huán)境修復(fù)、能源轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。五、設(shè)計(jì)題（答案僅供參考，合理的設(shè)計(jì)思路均可）（1）材料類型/結(jié)構(gòu)構(gòu)想：設(shè)計(jì)一種基于有機(jī)-無機(jī)雜化結(jié)構(gòu)的吸附材料，例如，將有機(jī)配體（如含氮雜環(huán)或羧酸基團(tuán)）連接到無機(jī)納米粒子（如ZnO、TiO2或石墨相氮化碳）表面，形成超分子聚合物包覆層或配位網(wǎng)絡(luò)?；蛘咴O(shè)計(jì)一種含有特定識(shí)別位點(diǎn)的樹枝狀大分子（Dendrimer）或輪狀聚合物（Rotaxane），其核心或支鏈上負(fù)載吸附位點(diǎn)。（2）基體材料/功能基團(tuán)及原理：*無機(jī)納米粒子：提供大的比表面積和良好的吸附基礎(chǔ)，如ZnO具有良好的堿性和表面氧官能團(tuán)，可吸附酸性Cr(VI)。*有機(jī)配體/識(shí)別位點(diǎn)：引入對(duì)Cr(VI)具有強(qiáng)選擇性和高親和力的官能團(tuán)，如含氮雜環(huán)（如吡啶、咪唑）、含氧酸根（如羧酸）、磷酸基團(tuán)等。這些基團(tuán)可以通過配位作用（如N、O提供孤對(duì)電子與Cr(VI)的空軌道相互作用）或離子交換作用（如羧酸根與Cr(OH)4-發(fā)生交換）特異性地結(jié)合Cr(VI)離子。原理：利用無機(jī)材料的比表面積和負(fù)載能力，結(jié)合有機(jī)配體的特異性識(shí)別功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)Cr(VI)的高效、選擇性吸附。（3）預(yù)期性能指標(biāo)：*高吸附容量：對(duì)Cr(VI)的吸附量達(dá)到數(shù)百mg/g以上。*高選擇性：對(duì)Cr(VI)的吸附選擇性強(qiáng)于常見的其他陰離子（如F-,Cl-,SO42-）。*良好的水溶性或分散性：便于在水中應(yīng)用。*可重復(fù)使用性：吸附飽和后可通過簡單方法（如洗滌、改變pH）解吸Cr(VI)，材料可恢復(fù)吸附性能。*一定的穩(wěn)定性：在水溶