2025年大學《分子科學與工程》專業(yè)題庫——分子仿生學在材料工程中的應用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。下列每小題給出的四個選項中，只有一項是符合題目要求的。請將正確選項前的字母填在題后的括號內。）1.分子仿生學的研究核心是（）。A.模仿生物體的宏觀形態(tài)B.利用生物體進行材料合成C.研究生物體內的分子識別與組裝機制，并借鑒應用于材料設計D.改造生物體以適應材料需求2.下列哪一項不屬于分子仿生學的常見研究范式？（）A.自下而上（Bottom-up）B.自上而下（Top-down）C.整體模仿（HolisticMimicry）D.中間輸入（Middle-out）3.在分子識別基礎上構建的超分子組裝體，其關鍵在于（）。A.分子的熱穩(wěn)定性B.分子間非共價相互作用（如氫鍵、范德華力、π-π堆疊等）的特異性與方向性C.組裝體的宏觀尺寸D.組裝過程中溶劑的選擇4.模仿荷葉表面超疏水特性的材料，其主要功能是（）。A.增強材料的導電性B.實現(xiàn)液體的單向滲透C.防止液體浸潤并易于清潔D.提高材料的熱導率5.生物礦化是自然界中分子仿生的典型范例，其核心機制之一是（）。A.高溫高壓條件下的快速結晶B.特異性配體對金屬離子的識別和定向排列C.強烈的化學腐蝕作用D.外加電場的刺激6.仿生骨材料需要具備的仿生功能主要是指（）。A.良好的導電性和導熱性B.模仿骨骼的力學性能（如多孔結構、梯度力學）和生物相容性C.自我修復能力D.超高的化學穩(wěn)定性7.下列哪種材料的設計靈感主要來源于生物體內的酶催化過程？（）A.仿生自修復樹脂B.仿生光催化材料C.仿生傳感器D.仿生超疏水表面8.分子印跡技術屬于分子仿生學范疇，其核心思想是（）。A.模仿生物體的形態(tài)結構B.模仿生物體的信號傳導機制C.利用模板分子創(chuàng)造具有特定識別位點的分子識別材料，類似于生物識別D.模仿生物體的生長過程9.仿生傳感器的設計往往利用了生物系統(tǒng)中的哪種特性？（）A.物理慣性B.分子識別與信號轉導C.能量轉換效率D.大規(guī)模并行處理10.當前分子仿生學在材料工程領域面臨的主要挑戰(zhàn)之一是（）。A.生物模板資源的匱乏B.仿生材料的成本過高C.如何實現(xiàn)仿生功能在復雜環(huán)境下的穩(wěn)定性和可持續(xù)性D.仿生學理論與材料科學的關聯(lián)性不強二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填寫在橫線上。）1.分子仿生學是學與學的交叉學科，旨在通過學習和模仿生物體系來實現(xiàn)先進材料的設計與創(chuàng)造。2.超分子化學是分子仿生學的重要基礎，其研究對象通常具有組織和功能。3.模仿生物體表蠟質層結構的超疏水材料，其低表面能主要來源于的貢獻。4.仿生學的基本原理包括自下而上、自上而下和，其中“自上而下”策略常借鑒生物體的大分子組裝過程。5.分子識別是超分子組裝和仿生功能實現(xiàn)的關鍵，其核心在于分子間相互作用的。6.仿生骨材料的設計需要考慮生物力學適應性，常采用結構和機制。7.利用分子印跡技術制備的印跡聚合物，其識別位點具有高度的和。8.仿生傳感器通常由識別單元、信號轉換單元和三個部分組成。9.生物礦化過程展示了分子自組裝和精確控制的能力。10.分子仿生學的發(fā)展推動了材料、材料和等領域的技術進步。三、名詞解釋（每小題3分，共15分。請給出下列名詞的準確定義。）1.分子識別2.超分子組裝3.功能仿生4.自修復材料5.生物相容性四、簡答題（每小題5分，共20分。請簡要回答下列問題。）1.簡述分子仿生學“自下而上”和“自上而下”兩種研究策略的主要區(qū)別。2.比較結構仿生與功能仿生的主要特點和應用差異。3.簡述分子印跡技術的基本原理及其在材料科學中的應用優(yōu)勢。4.闡述超疏水表面形成的基本條件及其在材料工程中的潛在應用領域。五、論述題（每小題10分，共30分。請結合具體實例或原理，深入論述下列問題。）1.論述分子識別與超分子組裝技術在設計新型仿生功能材料（如傳感器、催化劑、分離膜等）中的作用和意義。2.以仿生骨材料或仿生自修復材料為例，詳細分析其設計原理、關鍵技術和面臨的主要挑戰(zhàn)。3.談談你對分子仿生學未來發(fā)展趨勢的展望，并舉例說明其在解決能源、環(huán)境或醫(yī)療等重大挑戰(zhàn)中可能扮演的角色。---試卷答案一、選擇題1.C2.D3.B4.C5.B6.B7.B8.C9.B10.C二、填空題1.化學，生物學2.特異性，整體性3.表面蠟質層4.整體模仿（HolisticMimicry）5.特異性6.多孔，梯度設計7.特異性，可重復性8.識別，換能9.精確控制10.智能化，環(huán)境友好，能源三、名詞解釋1.分子識別：指分子間通過非共價鍵相互作用，選擇性地結合形成特定結構或復合物的過程，類似于生物體系中分子識別的特異性。2.超分子組裝：指通過分子間非共價鍵相互作用，自發(fā)的將兩種或多種分子聚集成具有特定結構和功能的超分子體系的過程。3.功能仿生：指模仿生物系統(tǒng)（如生物體表特性、酶催化機理、細胞信號傳導等）的功能特性，設計并制備具有類似功能的新型材料。4.自修復材料：指在受到損傷或破壞后，能夠利用自身或外部提供的能量/物質，自動或在外界刺激下修復損傷，恢復原有結構和性能的一類智能材料。仿生自修復材料常借鑒生物組織的自我修復機制。5.生物相容性：指材料與生物體接觸時，能夠維持自身穩(wěn)定、不引起強烈的免疫排斥或毒副反應，并能與生物體組織和體液和諧共存的能力。四、簡答題1.解析思路：“自下而上”策略是從小分子或基元出發(fā)，通過自組裝等方式構建復雜的功能結構，類似于生物體從細胞、分子構建組織、器官；“自上而下”策略則是從宏觀的、復雜的生物結構或系統(tǒng)出發(fā)，通過解構、分析其關鍵原理或功能，然后利用人工方法進行模擬或再現(xiàn)，類似于從整體器官研究其功能再逆向設計。2.解析思路：結構仿生側重于模仿生物體的宏觀或微觀結構，如表面紋理、孔隙結構等，以獲得特定的力學性能、光學特性或流體力學行為；功能仿生側重于模仿生物體的特定功能機制，如識別、催化、能量轉換、感知等，目標是賦予材料類似的生命功能或智能行為。3.解析思路：分子印跡技術以目標分子（印跡分子）為模板，利用功能單體與其在聚合過程中形成特定的識別位點，去除模板后得到具有高選擇性識別該目標分子的印跡聚合物。其應用優(yōu)勢在于識別位點的特異性、可重復性和穩(wěn)定性，可用于制備高選擇性傳感器、催化劑、分離膜等。4.解析思路：超疏水表面形成需要具備兩大基本條件：一是極高的表面能（通常由低表面能的化學基團構成），二是粗糙的表面結構（能夠捕獲空氣，形成空氣層）。這種結構和化學特性使得水滴在表面上難以鋪展，呈現(xiàn)滾珠狀，并表現(xiàn)出優(yōu)異的防水性。潛在應用領域包括自清潔表面、抗冰表面、防霧表面、微流控器件、油水分離等。五、論述題1.解析思路：分子識別是超分子化學的核心，它使得分子能夠像“鑰匙”一樣精確地識別“鎖”，這是構建具有特定功能的超分子組裝體的基礎。通過設計具有特定識別位點的分子，可以實現(xiàn)對目標分子（如催化劑底物、毒素、疾病標志物、環(huán)境污染物等）的高效富集、檢測或催化轉化。超分子組裝技術則提供了構建復雜、有序結構的手段，將具有識別功能的分子單元組裝成具有特定空間構型和協(xié)同功能的材料，從而實現(xiàn)更復雜的仿生功能，如模擬酶的催化循環(huán)、構建具有特定孔道結構的分離膜、設計能夠響應外界刺激的智能材料等。兩者結合，為設計新型仿生功能材料提供了強大的理論和技術支撐。2.解析思路：（仿生骨材料）設計原理：模仿天然骨骼的多孔結構（提供骨傳導和應力分散）、梯度力學性能（表層硬韌，內部韌性）、生物相容性（與人體組織良好結合）以及一定程度的自我修復能力。關鍵技術：通常利用生物相容性陶瓷（如羥基磷灰石）作為骨基質，結合有機高分子（如膠原）或通過3D打印等技術構建仿生多孔結構，有時會引入仿生礦化過程或設計可降解組分。面臨的挑戰(zhàn)：如何精確控制材料的孔隙結構、力學性能梯度與天然骨骼完全匹配；如何提高材料的長期穩(wěn)定性和生物相容性；如何實現(xiàn)植入后與骨組織的有效整合和引導骨再生；成本控制和大規(guī)模制備工藝等。（仿生自修復材料）設計原理：模仿生物組織的創(chuàng)傷愈合機制，通過分子間可逆鍵、犧牲鍵或內源/外源催化劑，使材料在受損后能夠自動或在外界刺激下重新連接。關鍵技術：設計具有動態(tài)可逆連接點的聚合物鏈結構；開發(fā)高效的內外源性化學/光/熱等刺激響應修復體系；構建網絡化結構以容納損傷和傳遞應力。面臨的挑戰(zhàn)：修復效率、修復范圍和程度的可控性；修復過程對外界環(huán)境的敏感性；長期循環(huán)修復性能；修復過程是否影響材料原有性能；成本和應用場景的拓展等。3.解析思路：分子仿生學未來發(fā)展趨勢可能包括：更深入地理解生物系統(tǒng)復雜的功能原理和調控機制，為材料設計提供更豐富的靈感；發(fā)展更精準、高效的原位表征技術，以揭示仿生材料結構與功能的關系；結合人工智能和計算模擬，加速新型仿生材料的理性設計和篩選；開發(fā)多功能集成化的仿生材料系統(tǒng)，實現(xiàn)對復雜環(huán)境或應用的智能響應；推動仿生材料從實驗室走向實際應用，特別是在能源（如高效催化劑、太陽能電池）