2025年大学《分子科学与工程》专业题库- 分子工程与智能材料

2025年大学《分子科学与工程》专业题库——分子工程与智能材料考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。请将正确选项的代表字母填在题干后的括号内。）1.分子工程的核心思想是（）。A.大规模生产高分子材料B.精确设计、控制和构筑分子水平上的物质结构、功能及其相互作用C.研究分子的基本运动规律D.利用分子的特性进行分离提纯2.下列关于分子自组装的描述，错误的是（）。A.自组装是分子间相互作用的自发过程B.自组装可以形成有序或无序的聚集结构C.自组装是构建超分子结构的主要方式之一D.自组装过程无需外部干预能量3.分子识别技术通常依赖于（）。A.分子间的非特异性作用力B.特异性识别基团之间的相互作用，如氢键、范德华力、静电作用等C.分子热运动的随机性D.高温高压条件下的强迫结合4.超分子化学的研究对象主要是（）。A.单个小分子B.金属离子C.具有特定识别点和相互作用能力的分子或离子，以及它们通过非共价键形成的聚集体D.共价聚合物5.形状记忆效应是指某些材料在承受变形后，当受到特定刺激（如加热）时，能够恢复其原始形状的现象。以下材料中，通常不具备形状记忆效应的是（）。A.单纯形记忆合金B.智能响应性聚合物C.介电弹性体D.普通金属6.光致变色材料在光照条件下能够发生可逆的颜色变化，其变色机理通常涉及（）。A.分子结构的不对称性增加B.分子中发色团化学键的断裂C.分子构型或电子结构的改变，吸收特定波长的光D.材料密度的变化7.电致变色材料通电后其颜色发生稳定、可逆的变化，主要利用了（）原理。A.光的吸收特性B.热效应C.电压驱动下材料内部离子或电子的迁移，导致能带结构或光学性质改变D.压电效应8.智能响应性聚合物是指能够对特定的化学、物理或生物刺激（如pH、温度、光、电、磁、溶剂等）发生显著宏观响应的聚合物。以下哪项不属于其典型的响应行为？（）A.体积相变B.形态转变C.释放/结合物质D.化学结构不可逆变化9.自修复材料是指具备在受到损伤后，能够自行或在外部有限干预下恢复其结构完整性或功能特性的材料。实现自修复的常见化学策略包括（）。A.包含可逆化学键（如动态共价键）或预存化学能（如聚合物网络）B.引入能迁移的分子或纳米容器C.仅依赖物理填充或粘合D.以上都是10.生物医用智能材料在医疗领域具有广泛应用前景，以下应用中，利用了智能材料响应性特点的是（）。A.作为植入骨钉的惰性金属材料B.用于药物缓释的智能响应性载体，在特定生理环境（如pH）下控制释放C.外科缝合用的普通可吸收线D.作为牙科修复体的陶瓷材料二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填在横线上。）1.分子工程旨在实现对物质在__分子__层次上的__设计__、__构建__和__控制__。2.分子自组装通常基于分子间相互作用的__特异性__和长程有序性。3.超分子化学的核心在于利用__非共价键__相互作用构筑功能性的分子聚集体。4.形状记忆合金通常表现出两种状态：__记忆状态__和__工作状态__。5.光致变色材料的变色过程通常是__可逆__的。6.电致变色器件通常由__基板__、__色素层__、__电致变色层__和__离子导体层__组成。7.智能响应性聚合物的响应性源于其分子链结构或聚集态结构对环境刺激的__敏感性__。8.自修复材料的设计需要考虑损伤的__检测__、__信号__传递和__修复__三个关键过程。9.智能材料是指能够感知外部刺激并作出__功能响应__的材料。10.将智能材料用于生物医学领域，需要考虑其__生物相容性__、__生物安全性__和__功能性__。三、名词解释（每小题3分，共15分。请给出简洁、准确的定义。）1.分子识别2.超分子3.智能响应性4.电致变色效应5.自修复材料四、简答题（每小题5分，共20分。请简要回答下列问题。）1.简述分子工程与传统的材料合成方法相比有哪些主要特点？2.分子自组装在分子工程中有哪些潜在的应用价值？3.简述形状记忆效应产生的物理基础。4.智能响应性聚合物在环境监测或控制方面有哪些潜在应用？五、论述题（每题10分，共20分。请结合实例或原理，深入阐述下列问题。）1.试论述超分子化学的原理及其在分子工程发展中的作用。2.选择一种你感兴趣的智能材料（如光致变色材料、形状记忆合金、智能响应性水凝胶等），详细阐述其工作原理、主要性能特点及应用前景。---试卷答案一、选择题1.B2.D3.B4.C5.D6.C7.C8.D9.D10.B解析：1.分子工程的核心是精密设计、控制分子结构，B选项准确。A是传统化工特点；C是物理化学范畴；D是分离科学。2.自组装是自发的，通常形成有序结构，C对。A、B、D均为自组装的正确描述。3.分子识别依赖特异性相互作用，B选项准确。A是非特异性作用；C是随机过程；D是强迫结合。4.超分子化学研究的是通过非共价键形成的聚集体，C选项准确。A、B是研究个体；D是聚合物化学范畴。5.形状记忆合金、智能聚合物、介电弹性体都具有形状记忆效应，D普通金属通常不具备。6.光致变色机理是分子结构或电子变化导致吸光，C选项准确。A、B、D均不是主要机理。7.电致变色利用电压驱动离子/电子迁移改变光学性质，C选项准确。A、B、D是其他效应或特性。8.智能聚合物响应是可逆的，D不可逆变化不是其典型响应行为。A、B、C都是其响应表现。9.自修复策略多样，包含动态化学键、预存化学能、分子迁移等，D包含所有选项。A、B、C均为具体策略。10.智能材料载体能在特定环境控制药物释放，B选项利用了响应性。A是惰性材料；C是可吸收材料特性；D是陶瓷材料特性。二、填空题1.分子；设计；构建；控制2.特异性3.非共价键4.记忆状态；工作状态5.可逆6.基板；色素层；电致变色层；离子导体层7.敏感性8.检测；信号；修复9.功能响应10.生物相容性；生物安全性；功能性解析：1.分子工程的核心在于分子层面的设计、构建与控制。2.分子自组装的成功依赖于识别基团之间特异性的相互作用。3.超分子化学的定义就是基于非共价键构筑的超分子体系。4.形状记忆合金通常在低温下变形（工作状态），加热后恢复原状（记忆状态）。5.光致变色材料的光学变化通常是可逆的，光照消失后可恢复原色。6.典型的电致变色器件结构包括基板、透明导电层（色素层/电致变色层）、离子导体层和电极。7.材料对外部刺激的敏感度是其智能响应的基础。8.自修复过程包括检测损伤、传递修复信号以及执行修复反应。9.智能材料的本质特征是能够对外界刺激做出功能性的响应。10.智能材料用于生物医学领域必须满足生物相容性（与生物体相互作用是否合适）、生物安全性（是否无毒害）和功能性（能否实现预期医疗功能）要求。三、名词解释1.分子识别：指分子或离子凭借其特定的识别位点（如官能团）通过非共价键相互选择、结合，形成具有特定结构和功能的超分子体系的过程。2.超分子：指由两个或更多个分子通过非共价键（如氢键、范德华力、静电作用、疏水作用等）相互结合，形成的具有独立结构和性质的、相对稳定的聚集体。其结构层次介于分子和宏观物质之间。3.智能响应性：指材料能够感知外界环境（如化学、物理、生物等刺激）的变化，并随之发生可测量的宏观性能（如形状、颜色、体积、导电性等）变化的能力。4.电致变色效应：指某些材料在施加电场后，其光学属性（如颜色、透光率、反射率等）发生稳定、可逆变化的现象。这种变化通常伴随着材料内部离子或电子的迁移。5.自修复材料：指具备在受到物理或化学损伤后，能够自行或在有限外部干预下，通过化学键的重组或物质的迁移等方式，恢复其结构完整性或功能特性的材料。四、简答题1.分子工程与传统的材料合成方法相比，主要特点在于：*设计理念：强调在分子尺度上进行精确定义和设计，追求物质结构与其功能之间的构效关系；传统方法更侧重于成分混合和宏观调控，设计自由度相对较低。*作用层次：主要作用于分子和原子层次，通过分子间的相互作用构建材料；传统方法更多在宏观或介观尺度上进行操作。*合成手段：常利用自组装、分子识别等自下而上的方法，或超分子化学手段；传统方法多依赖化学键的断裂与形成等自上而下的方法。*目标导向：更倾向于创造新功能，特别是具有特定识别、响应、自组装等功能的功能材料；传统方法目标更多是改善材料的力学、热学等基本性能。2.分子自组装在分子工程中的潜在应用价值包括：*制备有序纳米结构：可构建周期性阵列、多层膜、囊泡、胶束等，用于光学、电子器件或作为催化载体。*构建智能材料：通过自组装构筑具有特定响应功能的超分子结构，如光敏、电敏、磁敏材料。*分子识别与传感：利用自组装形成的特异性识别位点，用于目标分子（如药物、毒素、病原体）的捕获和检测。*药物递送系统：将药物分子与识别单元自组装，形成纳米载体，实现靶向递送或控制释放。*生物模拟与接口：模拟生物大分子结构与功能，构建仿生界面或用于生物传感器。3.形状记忆效应产生的物理基础通常涉及两种状态：*马氏体相变：对于形状记忆合金（如NiTi），其在相变温度以下冷却时，会发生马氏体相变，形成一种能量较高的非平衡晶相（马氏体），此时施加外力使其变形。当温度升高到相变温度以上时，发生逆马氏体相变，恢复到能量较低的热弹性马氏体或奥氏体相，同时保留之前施加的变形，从而表现出形状记忆效应。*相变驱动的体积/相结构变化：对于某些聚合物或复合材料，在特定刺激（如加热、溶剂作用）下，材料的体积或相结构发生可逆变化，导致宏观形状的恢复。例如，某些聚合物在溶胀-收缩过程中表现出形状记忆行为。4.智能响应性聚合物在环境监测或控制方面的潜在应用：*智能传感器：利用其对外界刺激（如pH、温度、气体浓度、离子强度等）的敏感变化，将其作为敏感层构建传感器，用于实时监测环境变化，如水质监测、气体泄漏检测等。*智能分离与过滤：设计对特定污染物（如重金属离子、有机溶剂、特定气体）具有选择性响应的聚合物材料，用于智能膜分离技术，实现污染物的去除或富集。*智能包装材料：制备能够指示食品新鲜度、防止过早熟化或延缓氧化的智能包装膜，提高食品安全性和保质期。*环境自适应材料：开发能在特定环境条件下（如温度、湿度变化）改变自身性能（如颜色、透光性、导热性）的聚合物材料，用于建筑、农业等领域，实现环境调节功能。五、论述题1.超分子化学的原理及其在分子工程发展中的作用：超分子化学的原理是利用分子间广泛存在的、相对弱但特定的非共价键相互作用（如氢键、静电相互作用、疏水作用、π-π堆积、范德华力等），通过分子识别机制，自发的、可控制地组装成具有特定结构和功能的、相对稳定的超分子聚集体。其核心在于“选择性结合”和“自组装”。在分子工程发展中，超分子化学起到了关键作用：*提供了新的设计理念和方法：使分子工程从单纯的“分子合成”转向“分子设计、自组装与功能集成”，能够构筑传统化学难以实现的新型复杂结构。*构筑了功能模块：通过超分子组装，可以将具有特定功能的分子单元（如识别单元、响应单元、传输单元）有效地组装在一起，形成具有协同效应的功能超分子体系。*促进了智能材料的发展：许多智能响应性材料（如光致变色、电致变色、形状记忆等）的构筑都依赖于超分子化学中的分子识别和自组装技术，使其能够感知刺激并作出特定响应。*拓展了材料种类：基于超分子组装形成的超分子聚合物、超分子凝胶、囊泡、纳米管等，极大地丰富了材料的种类和性能，为开发新型功能材料开辟了广阔途径。*模拟生物系统：生物大分子的功能依赖于复杂的超分子组装，超分子化学为模拟和调控生物过程提供了理论和方法基础。总之，超分子化学为分子工程提供了实现分子层面精确设计和功能集成的重要工具和途径，是推动分子工程向前发展的重要驱动力。2.选择一种智能材料（如光致变色材料）详细阐述其工作原理、主要性能特点及应用前景：智能材料示例：光致变色材料*工作原理：光致变色材料是一类在特定波长（通常是紫外或可见光）的光照下，其分子结构或能级发生可逆变化，从而导致材料的光学性质（如颜色、透光率）发生改变的材料。其变色机理通常涉及分子中发色团（chromophore）的化学结构变化，特别是共轭体系的π电子云离域程度的改变。当吸收特定波长的光子后，发色团可能发生异构化（如顺反异构、光致氧化还原）、键的伸缩振动模式改变或分子内电荷转移等，导致吸收光谱发生位移，从而呈现不同的颜色。光照消失后，通常通过热能或其他方式使分子恢复到初始状态，颜色也随之恢复。这个过程是可逆的，并且可以重复多次。*主要性能特点：*光响应性：能够在特定波长光照下