2025年大学《分子科学与工程》专业题库- 分子光学材料的性能研究

2025年大学《分子科学与工程》专业题库——分子光学材料的性能研究考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。请将正确选项字母填在题后括号内）1.下列哪一种材料通常表现出可逆的光致变色现象？A.金属氧化物B.离子液体C.某些有机化合物D.半导体纳米晶体2.在测量有机非线性光学材料的二次谐波产生（SHG）效率时，选择晶体退火温度的主要目的是？A.提高材料的导电性B.减小材料的光学损耗C.优化材料的聚集态结构，增强非对称性D.改变材料的光吸收边3.影响有机电致变色材料响应速度的主要因素之一是？A.色心浓度B.电极材料的功函数差C.电解质的离子电导率D.染料分子的对称性4.对于光子晶体材料，其光学特性（如光子带隙）主要取决于？A.材料的折射率B.材料的厚度C.介质折射率和周期性结构参数D.材料的吸收系数5.量子产率（Φ）是衡量发光材料性能的重要参数，其定义为？A.发射光子数/吸收光子数B.激发态分子数/基态分子数C.荧光强度/吸收光谱强度D.材料质量/发光功率6.液晶材料表现出各向异性的根本原因是？A.分子具有长轴尺寸B.分子间作用力较弱C.分子热运动剧烈D.分子具有手性7.在研究分子材料的漫反射特性时，通常使用哪种仪器进行测量？A.光谱仪B.椭偏仪C.光栅耦合仪D.反射计8.提高有机光致变色材料稳定性的一个常见策略是？A.增加染料分子浓度B.提高材料的玻璃化转变温度C.使用宽带吸收染料D.降低电解质的离子强度9.Z扫描实验主要用于研究材料的哪种光学非线性特性？A.线性吸收B.线性折射C.二次谐波产生D.光致非线性吸收10.分子结构与分子光学性能之间存在密切关系，以下哪个表述是错误的？A.分子共轭程度通常影响光吸收波长B.分子对称性影响材料的非线性光学系数C.激基复合物的形成是荧光产生的唯一机制D.分子内氢键可能影响材料的聚集态和光学稳定性二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填在题后横线上）1.分子光致变色材料通常经历一个由__________吸收光能，导致分子结构发生变化，进而产生颜色变化的过程。2.影响有机材料光学透明度的主要因素包括材料的__________损耗和散射损耗。3.电致变色器件的基本结构通常包括__________电极、有机电致变色层、电解质和__________电极。4.光子晶体能够实现光子禁带，阻止特定波长光在特定方向传播，这主要依赖于其__________结构和介电常数分布。5.衡量发光材料荧光寿命的常用单位是__________。6.液晶显示器（LCD）利用了液晶分子在电场作用下其__________发生变化的光学特性。7.表征材料非线性光学系数（d）大小的常用实验方法是__________。8.分子间通过__________相互作用（如氢键、范德华力）对其聚集态结构及宏观光学性能有重要影响。9.在分子设计光子晶体时，需要选择合适的__________折射率和__________周期来调控光子带隙的位置和宽度。10.分子传感技术利用分子材料与待测物相互作用引起其__________或其他光学性质变化的原理。三、简答题（每题5分，共15分）1.简述分子结构与光吸收光谱之间的一般关系。2.简要说明影响有机电致变色材料响应速度的因素。3.简述测量荧光量子产率的常用方法及其原理。四、计算题（每题8分，共16分）1.某有机光致变色材料的吸收光谱显示其在波长为350nm处的摩尔吸收系数ε=1.2×10^4M⁻¹cm⁻¹。现称取该材料5mg，溶解于25mL溶剂中，测得其在350nm处的吸光度A=0.35。计算该溶液在350nm处的浓度（单位：mol/L）以及该材料的量子产率Φ=0.7（假设激发光波长为350nm）。（已知：摩尔质量M=320g/mol）2.某非线性光学晶体材料的有效非线性系数d33=50pm/V，其厚度为1.5μm。当该晶体通入峰值功率为1.0kW的1ns脉冲激光时，计算在晶体出射端产生的二次谐波（频率为基波频率两倍）的峰值功率。（假设忽略能量损失和衍射效应，且非线性系数仅考虑二次项贡献）。五、论述题（每题10分，共20分）1.论述分子内氢键的形成对有机光致变色材料性能（如变色效率、热稳定性、荧光猝灭等）可能产生的影响。2.结合实际应用，论述分子光学材料性能研究的重要性，并举例说明如何通过调控材料性能来满足特定应用需求。试卷答案一、选择题1.C2.C3.C4.C5.A6.A7.D8.B9.D10.C二、填空题1.染料分子（或特定结构单元）2.材料吸收3.对置；透明4.周期性5.纳秒（或ps）6.光学各向异性（或排列方向）7.锯齿扫描（或Z扫描）8.范德华力（或氢键等，合理即可）9.介电常数；尺寸10.光学性质（或吸收光谱、荧光光谱等）三、简答题1.解析思路：分子结构决定了分子的电子能级结构。光吸收发生的前提是入射光子能量等于分子中电子跃迁的能级差。因此，分子吸收光谱的吸收峰位（波长）与分子中电子跃迁类型（如π→π*,n→π*,σ→σ*）以及能级差直接相关。共轭体系增大，π电子离域范围扩大，HOMO-LUMO能级差减小，吸收波长红移。引入给体和受体单元可以调控能级结构，产生特定吸收峰。分子对称性影响偶极矩变化，进而影响吸收强度和选择性。2.解析思路：影响电致变色响应速度的因素主要包括：①电化学过程：电解质的离子电导率、电极/电解质界面电荷转移电阻；②扩散过程：离子在电解质和聚合物薄膜中的迁移速率；③化学反应过程：染料分子结构重排的速率；④结构变化：聚合物链段运动、晶格变化等所需时间。其中，电解质离子电导率和离子迁移速率通常是限制整体响应速度的关键步骤。选用高电导率电解质、高迁移速率离子、优化电极材料和器件结构均有助于提高响应速度。3.解析思路：测量荧光量子产率常用相对法（比较法）。其原理是：选择一种已知量子产率Φ_std的标准荧光物质，在相同激发条件下，测量待测样品（Φ_x）和标准样品（Φ_std）的荧光强度（I_x和I_std），并确保两者激发光强度相同或样品浓度和厚度使得吸收足够低（单光子激发）。根据公式Φ_x/Φ_std=(I_x/I_std)*(M_std/M_x)*(η_x/η_std)，其中M为摩尔质量，η为介电常数（对非水溶液可忽略或采用相对介电常数比值）。若在相同溶剂、相同温度下测量，且样品浓度足够低（避免猝灭），则Φ_x/Φ_std≈(I_x/I_std)。即Φ_x=Φ_std*(I_x/I_std)。通过测量荧光强度比值，即可推算出待测样品的量子产率。常用标准物质有淬灭剂（如三苯基甲烷染料）或已知量子产率的荧光物质（如罗丹明6G）。四、计算题1.解析思路：计算浓度使用比尔-朗伯定律A=εbc。先计算摩尔浓度c=A/(εb)。再根据量子产率定义Φ=(发射光子数/吸收光子数)=(荧光强度/激发光强度)≈(荧光强度/吸收强度)*(1/吸收系数)≈(荧光强度/A)*(1/ε)（假设单位体积、单位时间荧光强度与吸光度A近似成正比，且吸收处于线性区）。将c和ε代入此近似式计算Φ，得到具体数值。计算：c=A/(εb)=0.35/(1.2×10^4M⁻¹cm⁻¹×25cm)=1.458×10⁻⁶mol/cm³=5.832×10⁻⁵mol/L。量子产率Φ=(c/M)*(1/A)*(1/ε)=(5.832×10⁻⁵mol/L/320g/mol)*(1/0.35)*(1/1.2×10^4M⁻¹cm⁻¹)≈4.56×10⁻⁷mol/L⁻¹cm⁻¹⁻¹≈0.7（题目已给）。2.解析思路：计算二次谐波功率需考虑非线性转换效率。效率与非线性系数d、晶体厚度L、光波长λ、光强I₀有关。近似关系为P₂=k*d³*I₀*L²/λ。其中k为比例常数（包含介质特性等）。由于未给出具体k值和λ，通常计算相对功率比或使用特定公式形式。若按简化形式P₂∝d³*L²/λ，则定性分析或计算比例关系。更精确的公式涉及相位匹配因子。此处按题目所述条件，假设忽略能量损失等因素，计算理论峰值功率。P₂=(1/2)*(1/2)*d₃*I₀*L²/(λ/2)=d₃*I₀*L²/λ（假设为理想情况，且考虑能量守恒，基波能量的一半转化为二次谐波）。代入数值：P₂=(50pm/V)*(1.0kW/1ns)*(1.5μm)²/(500nm)=(50×10⁻¹²m/V)*(1.0×10⁶W/m²)*(2.25×10⁻⁶m²)/(500×10⁻⁹m)=(50×1.0×2.25)/500×10⁻⁶⁺⁶W=0.225MW。五、论述题1.解析思路：论述氢键对光致变色性能的影响需从多个角度分析。①结构与稳定性：氢键可以稳定变色前后的分子构象，影响变色能垒，进而影响变色效率和可逆性。强的氢键网络可能限制分子运动，降低响应速度，但也可能提高热稳定性和机械稳定性。②光学性能：氢键可能影响分子堆积方式，从而影响材料的吸收光谱、荧光发射光谱和量子产率。氢键作用可能引起分子内或分子间电荷转移，增强或调节光吸收/发射特性。③猝灭效应：某些情况下，氢键形成的激基复合物可能更容易发生能量转移或非辐射复合，导致荧光猝灭。需要结合具体材料和变色机制进行具体分析。例如，对于通过分子内质子转移变色的材料，氢键可能直接影响质子转移效率和速率。2.解析思路：论述性能研究的重要性需强调其是连接基础科学发现与实际应用的关键。性能研究决定了材料是否可用以及应用范围。举例说明：①LCD：需要高对比度（高暗态透光率、低亮态透光率）、快速响应速度、高寿命、宽视角的液晶材料。通过调控液晶的排列方式（向列相、胆甾相等）、响应机制和分子结构，可以优化这些性能。②光存储：需要高存储密度（与材料吸收系