2025年大學《分子科學與工程》專業(yè)題庫——分子工程與微納工程的交叉研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的代表字母填在題干后的括號內）1.下列哪一項不屬于分子工程的核心特征？A.在分子/原子尺度上進行設計和控制B.利用化學鍵合構建特定結構和功能C.主要依賴自上而下的微納加工技術D.強調分子間相互作用的設計與應用2.微納工程中，“自上而下”（Top-down）方法的主要特點是什么？A.利用分子的自發(fā)性組裝形成有序結構B.從宏觀材料開始，通過刻蝕、光刻等手段減小尺寸或形成圖案C.通過化學合成精確構筑分子級器件D.基于量子力學原理設計納米材料3.分子工程與微納工程交叉研究中最具代表性的“自下而上”（Bottom-up）技術之一是？A.電子束光刻B.分子自組裝C.離子束刻蝕D.干法刻蝕4.掃描探針顯微鏡（SPM）在分子工程與微納工程交叉研究中的主要應用不包括？A.表面形貌原子級分辨率成像B.在表面進行原子級操縱和寫入C.直接進行大規(guī)模集成電路制造D.研究表面分子間相互作用力5.DNA計算或DNA原位合成技術主要利用了DNA分子的什么特性？A.光學活性B.特異性雜交與鏈置換C.磁性D.金屬催化6.在生物醫(yī)學領域，基于分子識別的微納傳感器主要利用什么原理？A.顆粒的布朗運動B.量子隧穿效應C.靶向分子與識別分子特異性結合的信號變化D.溫度對材料電阻的影響7.分子開關在微納電子學中的應用潛力主要在于？A.制造超大規(guī)模集成電路B.實現(xiàn)信息的存儲和邏輯運算C.產生強光效應對光電器件進行控制D.提高材料的機械強度8.微流控芯片（Lab-on-a-Chip）技術最能體現(xiàn)分子工程與微納工程交叉的哪個方面？A.宏觀尺度上的大規(guī)模生產B.在微尺度通道內集成多種分子操作步驟（混合、分離、反應、檢測）C.利用微納米材料實現(xiàn)高效催化D.實現(xiàn)量子比特的操控9.在開發(fā)高效太陽能電池時，分子工程與微納工程交叉可能涉及哪些方面？（多選，請將正確選項的代表字母填在題干后的括號內）A.設計具有特定能級結構和光電轉換效率的有機分子或聚合物B.通過微納結構設計（如納米線陣列、量子點）優(yōu)化光吸收和電荷傳輸C.利用自組裝技術在微米尺度構建有序的太陽能電池結構D.采用微納加工技術精確控制電極的形貌和尺寸10.下列哪項應用是分子工程與微納工程交叉研究在環(huán)境領域的一個典型例子？A.大型風力發(fā)電機組葉片的設計B.基于納米材料的飲用水安全檢測設備C.航空母艦的甲板涂層技術D.高速鐵路軌道的制造工藝二、名詞解釋（每小題3分，共15分）1.分子識別2.自組裝3.納米壓印光刻4.分子器件5.交叉尺度模擬三、簡答題（每小題5分，共20分）1.簡述分子工程與微納工程區(qū)別與聯(lián)系。2.簡要說明掃描探針顯微鏡（SPM）的基本工作原理及其在分子工程中的應用。3.列舉至少三種分子工程與微納工程交叉領域中的前沿研究方向。4.簡述微流控技術如何實現(xiàn)分子層面的操作與集成。四、論述題（每小題10分，共30分）1.論述分子自組裝技術在構建功能性微納結構中的應用潛力和面臨的挑戰(zhàn)。2.結合具體實例，論述分子工程與微納工程交叉研究對發(fā)展新型生物醫(yī)學傳感器的重要意義。3.試分析當前分子工程與微納工程交叉研究在能源應用方面的主要挑戰(zhàn)，并提出可能的解決方案或研究方向。試卷答案一、選擇題1.C2.B3.B4.C5.B6.C7.B8.B9.A,B,C10.B二、名詞解釋1.分子識別：指分子間基于特定的識別位點（如基團、結構）和相互作用（如氫鍵、范德華力、疏水作用、靜電作用等）發(fā)生特異性結合或組裝的現(xiàn)象。它是分子工程的基礎，允許通過設計分子結構來精確控制分子間的相互作用和功能。2.自組裝：指在驅動力（如熱力學自由能最小化或化學勢平衡）作用下，分子、原子或納米粒子等通過非共價鍵相互作用自發(fā)地、有序地聚集形成超分子結構或納米材料的過程。自組裝是構建復雜結構的重要途徑，常用于分子工程與微納工程交叉領域。3.納米壓印光刻：一種低成本、高效率的微納加工技術。通過將具有特定圖案的“母模板”（Mask）壓印到柔軟的彈性基底上，使基底表面發(fā)生形變復制母模板的圖案，然后涂覆光刻膠等敏感材料，再將圖案轉移到敏感材料或下面的襯底上。該技術可實現(xiàn)大面積、周期性微納結構的快速復制。4.分子器件：指基于單個分子或分子聚集體構建的功能性電子學、光學或機械學器件。利用分子的特定結構和電子特性，可以在微納尺度實現(xiàn)信息處理、存儲、傳感等功能。分子工程是設計和構筑這類器件的關鍵。5.交叉尺度模擬：指在計算模擬中同時考慮或耦合不同物理尺度（如原子/分子尺度、納米尺度、連續(xù)介質/宏觀尺度）的效應，以更全面地理解和預測復雜系統(tǒng)的行為。這對于研究分子工程與微納工程交叉體系中多尺度現(xiàn)象至關重要。三、簡答題1.分子工程主要關注在原子、分子尺度上設計、構筑、控制和利用物質的結構、性質及其相互作用，以創(chuàng)造具有特定功能的新分子、材料或器件。其核心是分子層面的精確設計和調控。微納工程則側重于在微米和納米尺度上利用物理、化學方法進行材料制備、結構加工、器件制造和系統(tǒng)集成，強調尺寸效應和制造工藝。兩者的聯(lián)系在于，分子工程為實現(xiàn)微納工程提供了基礎材料、功能單元和設計思想（如利用分子識別構建有序微納結構），而微納工程則為分子工程的研究提供了表征手段、操控平臺和實現(xiàn)其宏觀應用的途徑。兩者交叉融合，旨在將分子尺度的功能精確地集成到微納尺度系統(tǒng)中。2.掃描探針顯微鏡（SPM）利用一個極細的探針（通常帶有尖銳的碳化鎢針尖）在樣品表面掃描，通過檢測探針與樣品表面原子或分子間相互作用力（如范德華力、靜電力）的變化或探針在掃描中所需的反饋力/壓電力，來獲取表面形貌、性質等信息。常見的有原子力顯微鏡（AFM）檢測力，掃描隧道顯微鏡（STM）檢測隧道電流。在分子工程中，SPM可用于高分辨率成像觀察分子排列、研究分子間作用力、甚至通過探針尖端進行原子或分子的移動、寫入，實現(xiàn)原位納米尺度的結構構建和操控。3.分子工程與微納工程交叉領域的前沿研究方向包括：①基于自組裝和DNA技術的復雜納米結構構筑與編程；②單分子/納米尺度器件的制備、表征及其物理化學性質研究；③分子工程與微納制造技術（如微流控、3D打?。┑娜诤?，實現(xiàn)集成化生物分析平臺或藥物遞送系統(tǒng)；④利用分子工程手段設計的納米材料在能源轉換（太陽能電池、燃料電池）、環(huán)境監(jiān)測與治理中的應用；⑤面向人工智能的分子/納米尺度信息存儲和處理。4.微流控技術通過在芯片上設計和制造微米尺度的通道網(wǎng)絡，將流體（液體、氣體）控制在微尺度下進行精確操控。它利用流體在微尺度下的獨特行為（如粘度效應、表面效應增強），結合閥、泵、反應室、分離器等微器件，實現(xiàn)了對流體樣品的混合、稀釋、加樣、反應、分離、檢測等操作步驟的高度集成。分子層面的操作體現(xiàn)在：可以處理納升級別的樣品，減少試劑消耗，實現(xiàn)高通量并行操作，并通過精確控制流體環(huán)境和反應條件，實現(xiàn)對分子間反應、細胞培養(yǎng)等過程的精細調控。四、論述題1.分子自組裝技術在構建功能性微納結構中的應用潛力：分子自組裝具有成本低、操作簡單、環(huán)境友好、可構建周期性或非周期性復雜結構等優(yōu)點。它能夠利用分子間強大的特異性相互作用（如氫鍵、π-π堆積、主客體作用）自發(fā)性地形成有序結構，這些結構在納米光子學（如光子晶體）、納米電子學（如導電通路）、納米催化（如多相催化劑表面修飾）、生物醫(yī)學（如藥物載體、生物傳感器、組織工程支架）等領域具有巨大應用潛力，有望創(chuàng)造出傳統(tǒng)合成方法難以獲得的新型功能材料。面臨的挑戰(zhàn)：①自組裝過程通常受到多種因素（溫度、溶劑、濃度、pH等）的復雜影響，過程難以精確控制，產物結構易出現(xiàn)多形性，導致可重復性差。②自組裝結構的精確表征和精確調控仍然困難，尤其是在原子級分辨率和宏量制備方面。③將自組裝結構有效地集成到宏觀器件中并保持其功能穩(wěn)定性也面臨挑戰(zhàn)。④理論預測與實驗結果之間仍存在差距，需要更強大的計算模擬和理論指導。2.分子工程與微納工程交叉研究對發(fā)展新型生物醫(yī)學傳感器具有重要意義。首先，分子工程能夠設計和合成具有高選擇性識別位點的分子探針（如適配體、抗體、核酸適配體、有機/無機納米材料），這些探針能與特定的生物分子（如蛋白質、核酸、病毒、癌細胞）發(fā)生特異性結合，為傳感器提供了“火眼金睛”。其次，微納工程能夠將分子探針與微納尺度的傳感元件（如納米電極、光纖光柵、場效應晶體管、量子點、酶標物）進行集成，構建出靈敏度高、響應速度快、體積小、甚至可植入的微型生物傳感器。例如，利用納米粒子增強的比色/熒光傳感，或基于微流控芯片的快速電化學/光學檢測，可以實現(xiàn)對體液中的疾病標志物（如腫瘤標志物、病原體、代謝物）進行高靈敏度、快速、便攜式檢測，極大地推動了疾病的早期診斷、個性化醫(yī)療和環(huán)境生物監(jiān)測的發(fā)展。這種交叉融合使得生物醫(yī)學傳感器的性能（靈敏度、選擇性、穩(wěn)定性、成本）得到顯著提升，應用場景也日益廣泛。3.當前分子工程與微納工程交叉研究在能源應用方面面臨的主要挑戰(zhàn)包括：①高效能量轉換材料的設計與制備：如何設計具有特定電子結構、能級匹配和光學特性的分子或納米材料，以最大限度地提高光能到電能（太陽能電池）或化學能到電能（燃料電池）的轉換效率，同時保持材料的長期穩(wěn)定性和化學惰性。②大規(guī)模、低成本制造工藝：許多具有優(yōu)異性能的分子/納米能源材料（如鈣鈦礦、有機半導體）的制備成本較高或難以實現(xiàn)大規(guī)模、高質量的重復生產。如何將分子工程的設計優(yōu)勢與微納工程的高效、低成本制造技術（如印刷電子、微流控合成）相結合是關鍵挑戰(zhàn)。③穩(wěn)定性與壽命問題：在實際應用中，能源器件需要長期在苛刻的環(huán)境（如光照、熱、濕氣、化學腐蝕）下穩(wěn)定工作。如何提高分子/納米結構和器件的穩(wěn)定性，延