2025年大學(xué)《資源化學(xué)》專業(yè)題庫——仿生材料設(shè)計(jì)與表征研究考試時(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)字母填在題后括號(hào)內(nèi)）1.仿生材料設(shè)計(jì)的核心思想是借鑒生物系統(tǒng)的什么特性來創(chuàng)造或改進(jìn)人工材料？A.物種多樣性B.結(jié)構(gòu)精密性與功能高效性C.生長速度D.化學(xué)成分復(fù)雜度2.在利用天然高分子（如殼聚糖、纖維素）作為模板制備仿生無機(jī)材料時(shí)，主要利用了其什么特性？A.高導(dǎo)電性B.可生物降解性C.網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或空間限域能力D.強(qiáng)酸性3.對(duì)于需要承受較大載荷的仿生骨替代材料，首要考慮的性能指標(biāo)是？A.生物相容性B.力學(xué)強(qiáng)度（如楊氏模量、抗壓強(qiáng)度）C.透明度D.導(dǎo)電性4.下列哪種技術(shù)通常不用于表征仿生材料的微觀形貌和結(jié)構(gòu)？A.X射線衍射（XRD）B.掃描電子顯微鏡（SEM）C.透射電子顯微鏡（TEM）D.傅里葉變換紅外光譜（FTIR）5.“超疏水表面”仿生設(shè)計(jì)通常模仿的是自然界中的什么結(jié)構(gòu)或現(xiàn)象？A.植物葉面的蠟質(zhì)層和微結(jié)構(gòu)B.鳥類的羽毛結(jié)構(gòu)C.魚類的流線型體形D.昆蟲的復(fù)眼結(jié)構(gòu)6.將仿生理念應(yīng)用于能源材料領(lǐng)域，主要目的是？A.提高材料的成本效益B.模仿生物體的能量轉(zhuǎn)換效率或自修復(fù)能力C.增加材料的顏色種類D.使材料更輕便7.在資源化學(xué)的視角下，利用工業(yè)廢棄物（如粉煤灰、礦渣）制備多孔吸附材料，其設(shè)計(jì)思路可以視為？A.化石燃料的高效利用B.廢物資源化與仿生結(jié)構(gòu)的結(jié)合C.傳統(tǒng)陶瓷材料的革新D.稀土元素提取技術(shù)8.設(shè)計(jì)一種仿生傳感器時(shí)，通常需要考慮其對(duì)外界刺激的什么特性？A.穩(wěn)定性（長期不老化）B.選擇性（只對(duì)特定目標(biāo)響應(yīng)）C.重現(xiàn)性（多次測(cè)量結(jié)果一致）D.以上都是9.下列哪項(xiàng)不是仿生材料表征中常用的性能測(cè)試方法？A.比表面積與孔隙率測(cè)定B.催化活性測(cè)試C.分子對(duì)接模擬D.密度測(cè)定10.仿生材料研究面臨的挑戰(zhàn)之一是？A.生物資源的過度消耗B.如何在保持功能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)成本可控和大規(guī)模制備C.生物倫理問題D.理論研究過于復(fù)雜二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在橫線上）1.仿生學(xué)是研究______和______之間關(guān)系的科學(xué)，為材料設(shè)計(jì)提供靈感。2.利用生物礦化過程（如貝殼、骨骼的形成）來合成材料的方法稱為______。3.對(duì)于仿生藥物載體材料，通常要求具有良好的______和______。4.表征材料形貌時(shí)，SEM主要提供______分辨率，而TEM則能獲得更高的______分辨率。5.仿生自修復(fù)材料的設(shè)計(jì)旨在模仿生物體______和______的能力。6.資源化學(xué)為仿生材料提供了豐富的______來源，例如利用特定礦物或廢棄物作為前驅(qū)體或模板。7.仿生超疏水/超親水表面的設(shè)計(jì)往往依賴于微結(jié)構(gòu)和低表面能涂層的______。8.設(shè)計(jì)仿生能源材料時(shí)，常借鑒生物體的______轉(zhuǎn)換機(jī)制，如光合作用或肌肉收縮。9.評(píng)價(jià)仿生材料性能時(shí)，除了材料本身，還需考慮其與______的相互作用。10.將仿生設(shè)計(jì)思想應(yīng)用于解決資源化學(xué)領(lǐng)域的環(huán)境污染問題，是______的體現(xiàn)。三、名詞解釋（每小題3分，共15分）1.結(jié)構(gòu)仿生2.功能仿生3.模板法4.生物相容性5.資源化學(xué)四、簡答題（每小題5分，共10分）1.簡述仿生材料設(shè)計(jì)相比傳統(tǒng)材料設(shè)計(jì)的主要優(yōu)勢(shì)。2.簡述利用資源化學(xué)中廢棄物制備仿生材料的一般思路和意義。五、論述題（每小題10分，共20分）1.論述在《資源化學(xué)》專業(yè)背景下，進(jìn)行仿生材料設(shè)計(jì)與表征研究的重要性和潛在應(yīng)用方向。2.選擇一種具體的仿生材料（例如仿生骨材料、超疏水材料、仿生能源材料等），簡述其設(shè)計(jì)靈感來源、主要結(jié)構(gòu)特征、制備方法、表征手段及其在資源利用方面的關(guān)聯(lián)或應(yīng)用前景。六、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題（10分）設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，旨在利用某種常見的工業(yè)廢棄物（如粉煤灰）作為主要原料或模板，制備一種具有特定孔隙結(jié)構(gòu)（如高比表面積）的仿生多孔材料，并簡要說明你需要采用的制備方法、預(yù)期結(jié)構(gòu)特征以及用于表征其結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)鍵測(cè)試手段。試卷答案一、選擇題1.B2.C3.B4.A5.A6.B7.B8.D9.C10.B解析1.仿生學(xué)的核心是模仿生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)精密性和功能高效性來設(shè)計(jì)材料。故B正確。2.天然高分子具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或空間限域能力，可以作為模板引導(dǎo)無機(jī)物質(zhì)在其內(nèi)部沉積，形成特定結(jié)構(gòu)。故C正確。3.仿生骨替代材料需要模擬骨骼的力學(xué)環(huán)境，因此力學(xué)強(qiáng)度是其首要考慮的性能。故B正確。4.X射線衍射（XRD）主要用于分析材料的晶體結(jié)構(gòu)，而SEM和TEM用于觀察微觀形貌和結(jié)構(gòu)。FTIR用于化學(xué)鍵和分子結(jié)構(gòu)分析。故A不常用作形貌表征。注意：雖然FTIR主要分析化學(xué)成分，但在表征時(shí)也可能結(jié)合形貌信息（如特定形貌下的紅外吸收），但其核心不是形貌。題目問“通常不用于”，A是最佳答案。5.超疏水表面模仿了植物葉面（如羅望子葉）的蠟質(zhì)層和微納復(fù)合結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水的極低附著力。故A正確。6.仿生能源材料旨在模仿生物體高效、可持續(xù)的能量轉(zhuǎn)換機(jī)制（如光合作用固定能量、肌肉收縮轉(zhuǎn)換化學(xué)能為機(jī)械能）。故B正確。7.利用廢棄物制備材料，既是資源化學(xué)中廢物資源化利用的體現(xiàn)，也結(jié)合了仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想（如果廢棄物被用作模板或結(jié)構(gòu)單元）。故B“廢物資源化與仿生結(jié)構(gòu)的結(jié)合”更全面地概括了資源化學(xué)背景下的設(shè)計(jì)思路。8.優(yōu)秀的傳感器需要同時(shí)具備高選擇性、高靈敏度、良好的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。故D正確。9.分子對(duì)接模擬是計(jì)算化學(xué)或理論模擬的方法，不屬于實(shí)驗(yàn)表征技術(shù)。其他選項(xiàng)均為材料表征中常見的實(shí)驗(yàn)方法。故C錯(cuò)誤。10.仿生材料研究面臨諸多挑戰(zhàn)，其中如何在保持優(yōu)異性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)成本可控和大規(guī)模制備，是一個(gè)普遍且重要的挑戰(zhàn)。故B正確。二、填空題1.生物系統(tǒng)；人工系統(tǒng)2.生物礦化3.生物相容性；緩釋性4.約幾微米；約幾納米5.損傷自修復(fù)；生長自修復(fù)6.前驅(qū)體或模板7.結(jié)構(gòu)-功能協(xié)同8.能量9.生物體（或宿主）10.綠色化學(xué)或可持續(xù)化學(xué)解析1.仿生學(xué)研究的對(duì)象是生物系統(tǒng)和人工系統(tǒng)之間的相似性與聯(lián)系。2.模仿生物礦化過程合成的材料技術(shù)稱為生物礦化。3.仿生藥物載體需在體內(nèi)安全（生物相容性），并能控制藥物釋放速度（緩釋性）。4.SEM利用二次電子成像，分辨率通常在幾微米量級(jí)；TEM利用透射電子束，分辨率可達(dá)納米量級(jí)。5.仿生自修復(fù)材料旨在模仿生物體在受到損傷后能夠自行修復(fù)或再生結(jié)構(gòu)、功能的能力。6.資源化學(xué)研究資源的開發(fā)利用，廢棄物是其中重要組成部分，可用于制備材料的前驅(qū)體或作為制備過程中的模板。7.超疏水/超親水表面的優(yōu)異性能源于微納結(jié)構(gòu)特征與低表面能涂層之間的協(xié)同作用。8.仿生能源材料設(shè)計(jì)常常受到生物體能量轉(zhuǎn)換過程（如光能轉(zhuǎn)化學(xué)能、化學(xué)能轉(zhuǎn)電能）的啟發(fā)。9.評(píng)價(jià)材料性能時(shí)，尤其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，需要考慮材料植入或應(yīng)用于生物體（宿主）后的反應(yīng)和相互作用。10.利用可再生資源、廢棄物等環(huán)境友好型原料進(jìn)行材料設(shè)計(jì)，減少對(duì)化石資源的依賴，符合綠色化學(xué)或可持續(xù)化學(xué)的理念。三、名詞解釋1.結(jié)構(gòu)仿生：指模仿生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征（如宏觀形態(tài)、微觀結(jié)構(gòu)、組織層次等）來設(shè)計(jì)人工材料，以獲得特定的性能。2.功能仿生：指模仿生物系統(tǒng)的特定功能（如感知、運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)換、自修復(fù)等）來設(shè)計(jì)人工材料或系統(tǒng)。3.模板法：指利用具有特定孔道結(jié)構(gòu)、空間構(gòu)型或化學(xué)性質(zhì)的生物模板（如細(xì)胞、病毒、生物礦化產(chǎn)物）或人工模板（如多孔分子篩），在其內(nèi)部或表面引導(dǎo)目標(biāo)材料的合成，從而獲得仿生結(jié)構(gòu)的一種材料制備方法。4.生物相容性：指材料與生物體（如組織、體液、細(xì)胞）接觸時(shí)，能夠維持自身穩(wěn)定并引起適宜的生物學(xué)反應(yīng)（如無毒性、無致敏性、無致癌性、能與組織良好結(jié)合等）的特性，是生物醫(yī)學(xué)材料必須滿足的基本要求。5.資源化學(xué)：研究天然資源（包括礦物、能源、環(huán)境介質(zhì)、生物體等）中化學(xué)物質(zhì)的存在形式、賦存狀態(tài)、轉(zhuǎn)化規(guī)律、制備方法及其應(yīng)用的一門交叉學(xué)科，旨在高效、合理、可持續(xù)地利用資源，開發(fā)新材料、新能源和新方法。四、簡答題1.簡述仿生材料設(shè)計(jì)相比傳統(tǒng)材料設(shè)計(jì)的主要優(yōu)勢(shì)。仿生材料設(shè)計(jì)的主要優(yōu)勢(shì)在于：①源于自然的啟示，能夠發(fā)現(xiàn)和利用自然界經(jīng)過長期進(jìn)化優(yōu)化而形成的優(yōu)異結(jié)構(gòu)和功能，設(shè)計(jì)出性能更優(yōu)異或具有新穎功能的人工材料；②設(shè)計(jì)過程更注重結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系，能夠?qū)崿F(xiàn)從原子/分子尺度到宏觀尺度的多層次結(jié)構(gòu)調(diào)控，獲得高度有序和復(fù)雜的材料結(jié)構(gòu)；③有助于開發(fā)環(huán)境友好、可持續(xù)的制備方法，符合綠色化學(xué)理念；④能夠?yàn)榻鉀Q復(fù)雜功能需求（如自修復(fù)、智能響應(yīng)等）提供新的設(shè)計(jì)思路和策略。2.簡述利用資源化學(xué)中廢棄物制備仿生材料的一般思路和意義。一般思路：①選擇合適的工業(yè)廢棄物（如粉煤灰、礦渣、廢催化劑、農(nóng)業(yè)廢棄物等）作為主要原料或模板；②基于仿生學(xué)原理，設(shè)計(jì)材料的最終結(jié)構(gòu)或功能目標(biāo)；③利用化學(xué)轉(zhuǎn)化、物理活化或生物方法等手段，對(duì)廢棄物進(jìn)行改性或處理，使其具備作為前驅(qū)體、模板或結(jié)構(gòu)單元的性能；④通過控制制備條件（如溫度、壓力、添加劑等），在廢棄物基體上生長或合成目標(biāo)仿生材料（如仿生多孔材料、仿生骨替代材料等）；⑤對(duì)制備的材料進(jìn)行表征和性能評(píng)價(jià)。意義：①實(shí)現(xiàn)廢棄物的資源化利用，減少環(huán)境污染，符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展的要求；②降低新材料制備的成本；③結(jié)合仿生設(shè)計(jì)思想，可能獲得具有特殊性能（如高比表面積、優(yōu)異的吸附性能、特定的催化活性等）的功能材料，拓展廢棄物材料的應(yīng)用領(lǐng)域；④促進(jìn)資源化學(xué)與材料科學(xué)、仿生學(xué)的交叉融合。五、論述題1.論述在《資源化學(xué)》專業(yè)背景下，進(jìn)行仿生材料設(shè)計(jì)與表征研究的重要性和潛在應(yīng)用方向。在《資源化學(xué)》專業(yè)背景下進(jìn)行仿生材料設(shè)計(jì)與表征研究具有重要性和廣闊的潛在應(yīng)用方向。重要性體現(xiàn)在：①《資源化學(xué)》關(guān)注資源的有效獲取、轉(zhuǎn)化和利用，特別是對(duì)非傳統(tǒng)資源和廢棄物的開發(fā)利用。仿生材料設(shè)計(jì)為利用這些資源（如利用廢棄物作為模板或前驅(qū)體）制備具有特定功能的高附加值材料提供了創(chuàng)新思路。②仿生學(xué)提供了從生物系統(tǒng)汲取靈感的設(shè)計(jì)范式，有助于開發(fā)出結(jié)構(gòu)新穎、性能優(yōu)異（如高效率、高選擇性、環(huán)境友好）的材料，這是傳統(tǒng)材料設(shè)計(jì)方法難以企及的。③仿生材料表征研究不僅需要常規(guī)的材料表征技術(shù)，還需要結(jié)合生物學(xué)方法，深入理解材料與生物環(huán)境的相互作用，這與資源化學(xué)中物質(zhì)轉(zhuǎn)化和利用過程的研究密切相關(guān)。④推動(dòng)綠色化學(xué)發(fā)展，仿生材料的設(shè)計(jì)往往強(qiáng)調(diào)利用可再生資源、環(huán)境友好的制備過程，符合資源化學(xué)可持續(xù)利用資源的核心目標(biāo)。潛在應(yīng)用方向包括：①資源高效利用：設(shè)計(jì)仿生吸附材料用于從低品位礦石中提取稀有元素，或用于廢水處理中去除重金屬離子、回收磷等。②廢棄物資源化：利用粉煤灰、礦渣、秸稈等工業(yè)或農(nóng)業(yè)廢棄物為原料或模板，制備高性能混凝土添加劑、環(huán)境凈化材料（如吸附劑、催化劑）、輕質(zhì)骨料等。③新能源材料：模仿生物光合作用或葉綠素結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)高效的光電轉(zhuǎn)換材料用于太陽能電池；模仿生物燃料電池，設(shè)計(jì)生物電化學(xué)儲(chǔ)能器件。④生物醫(yī)用材料：模仿骨骼、皮膚等生物組織的結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和降解行為，制備用于骨修復(fù)、藥物緩釋、組織工程等的仿生復(fù)合材料。⑤特殊功能材料：設(shè)計(jì)仿生超疏水/超親水材料用于自清潔表面、防冰、微流體器件；設(shè)計(jì)仿生傳感材料用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、疾病診斷等。2.選擇一種具體的仿生材料（例如仿生骨材料、超疏水材料、仿生能源材料等），簡述其設(shè)計(jì)靈感來源、主要結(jié)構(gòu)特征、制備方法、表征手段及其在資源利用方面的關(guān)聯(lián)或應(yīng)用前景。以仿生骨替代材料為例：設(shè)計(jì)靈感來源：模仿天然骨骼的結(jié)構(gòu)和性能。天然骨骼是具有高度生物相容性、良好力學(xué)性能（如抗壓、抗彎曲）和一定可降解性的復(fù)合材料，其微觀結(jié)構(gòu)包括有序的羥基磷灰石（HA）晶體和無定形膠原纖維，兩者形成緊密的復(fù)合。主要結(jié)構(gòu)特征：仿生骨材料通常具有類似天然骨骼的雙相復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，即無機(jī)相（如生物活性陶瓷，如HA、磷酸三鈣TCP）和有機(jī)相（如天然或合成高分子，如膠原、殼聚糖）的復(fù)合。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需考慮：①仿生梯度結(jié)構(gòu)，模擬骨組織從皮質(zhì)骨到松質(zhì)骨的密度和成分變化；②多孔結(jié)構(gòu)，以提高骨細(xì)胞長入率和血管化能力；③生物活性，無機(jī)相需能誘導(dǎo)骨再生；④可降解性，有機(jī)相或整個(gè)材料在體內(nèi)逐漸降解，最終被新骨取代。制備方法：常用方法包括：①生物礦化法：在有機(jī)模板（如膠原纖維）上控制合成HA等生物陶瓷；②塊共固化法：將天然/合成有機(jī)物（如膠原）與生物陶瓷粉末混合，通過溶劑澆鑄、冷凍干燥、熱壓滅菌等步驟制備復(fù)合材料；③模板法：利用天然或合成的孔道結(jié)構(gòu)（如海綿、多孔陶瓷）作為模板，在其內(nèi)部沉積生物陶瓷；④3D打印技術(shù)：利用生物墨水（含生物陶瓷、有機(jī)相、細(xì)胞等）通過3D打印技術(shù)構(gòu)建復(fù)雜結(jié)構(gòu)的仿生骨植入物。表征手段：①結(jié)構(gòu)表征：SEM/TEM觀察形貌和微觀結(jié)構(gòu)；XRD分析晶體結(jié)構(gòu)和物相組成；FTIR分析化學(xué)鍵和元素組成；N2吸附-脫附等溫線測(cè)定比表面積和孔結(jié)構(gòu)；顯微硬度計(jì)、壓縮/拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)定力學(xué)性能；體外降解測(cè)試（如浸泡于模擬體液SIF）評(píng)估降解行為。②生物相容性表征：細(xì)胞毒性測(cè)試（如MTT法）、血液相容性測(cè)試（如溶血試驗(yàn)）、植入動(dòng)物模型進(jìn)行組織學(xué)觀察和骨整合評(píng)估。資源利用關(guān)聯(lián)或應(yīng)用前景：①資源化學(xué)角度，可利用廢棄生物質(zhì)（如魚骨、蝦殼提供鈣源和磷酸鹽）制備天然骨替代材料；利用工業(yè)副產(chǎn)物的磷酸鹽（如粉煤灰、骨粉）制備生物陶瓷。②應(yīng)用前景廣闊，可作為骨缺損修復(fù)材料、藥物載體（如化療藥物）、誘導(dǎo)骨再生支架等，解決骨損傷、骨質(zhì)疏松等醫(yī)療問題。③結(jié)合資源化學(xué)對(duì)材料的可調(diào)控性研究，有望開發(fā)出性能更優(yōu)異、成本更低、來源更廣泛的仿生骨材料。六、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，旨在利用某種常見的工業(yè)廢棄物（如粉煤灰）作為主要原