2025年纳米技术及应用学科考试试卷及答案

2025年纳米技术及应用学科考试试卷及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.以下关于纳米材料的定义，最准确的是（）A.至少有一维尺寸在1-1000nm的材料B.三维尺寸均在1-100nm的材料C.至少有一维尺寸在1-100nm的材料D.二维尺寸在1-100nm的材料2.下列制备纳米颗粒的方法中，属于气相法的是（）A.溶胶-凝胶法B.激光烧蚀法C.水热合成法D.微乳液法3.扫描电子显微镜（SEM）与透射电子显微镜（TEM）的主要区别在于（）A.SEM分辨率更高，TEM适合表面形貌观察B.SEM通过二次电子成像，TEM通过透射电子成像C.SEM需超薄样品，TEM对样品厚度无要求D.SEM用于成分分析，TEM用于结构分析4.纳米材料的量子尺寸效应主要表现为（）A.比表面积显著增大B.禁带宽度随颗粒尺寸减小而增加C.表面原子比例增加导致活性增强D.熔点低于块体材料5.碳纳米管（CNT）的导电性主要取决于（）A.管径大小B.手性指数（n,m）C.长度与直径比D.缺陷密度6.纳米药物载体的核心优势不包括（）A.提高药物溶解度B.实现靶向递送C.完全消除药物毒性D.延长循环时间7.原子力显微镜（AFM）的非接触模式适用于（）A.刚性样品表面的高分辨率成像B.软质样品（如生物膜）的无损检测C.测量样品的力学性能D.分析样品的化学成分8.以下纳米材料中，属于零维纳米材料的是（）A.石墨烯B.量子点C.碳纳米管D.纳米线9.纳米传感器的敏感机制中，基于表面等离子体共振（SPR）的检测原理是（）A.纳米颗粒对特定分子的吸附导致电阻变化B.入射光与纳米颗粒表面自由电子共振引起反射光强变化C.纳米材料的荧光发射波长随analyte浓度变化D.纳米结构的机械振动频率因质量负载改变10.制备单分散性纳米颗粒的关键控制因素是（）A.反应温度的均匀性B.表面活性剂的种类与浓度C.前驱体的纯度D.反应容器的材质二、填空题（每空1分，共20分）1.纳米技术的核心研究对象是尺寸在________范围内的材料，其基本效应包括表面效应、________、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。2.气相沉积法制备纳米薄膜的典型工艺有________和________（任填两种）。3.透射电子显微镜（TEM）的分辨率主要受限于________和________，目前先进TEM的分辨率可达________级别。4.纳米颗粒的比表面积计算公式为________（假设为球形颗粒，直径d，密度ρ）。5.碳纳米管按管壁层数分为________和________，其中________具有更优异的导电性。6.纳米药物载体的靶向修饰常用方法包括________（如抗体偶联）和________（如pH响应性材料）。7.原子力显微镜（AFM）的三种工作模式是________、________和轻敲模式。8.纳米光催化材料（如TiO₂）的光催化效率主要取决于________和________。三、简答题（每题8分，共32分）1.简述溶胶-凝胶法制备纳米氧化物粉体的基本步骤，并说明该方法的优缺点。2.扫描隧道显微镜（STM）的工作原理是什么？其应用局限有哪些？3.纳米材料的表面效应是如何影响其物理化学性能的？请举例说明。4.简述纳米传感器在生物检测中的应用场景（至少3例），并说明其相较于传统传感器的优势。四、计算题（每题10分，共20分）1.某球形金纳米颗粒的直径为10nm，密度为19.3g/cm³，计算1mg该纳米颗粒的总比表面积（结果保留3位有效数字，π取3.14）。2.已知某半导体量子点的禁带宽度Eg与颗粒直径d的关系为Eg(d)=Eg(∞)+(h²)/(8μd²)（其中Eg(∞)=2.0eV为块体材料禁带宽度，h=6.626×10⁻³⁴J·s，μ=0.5m₀，m₀=9.11×10⁻³¹kg），当d=5nm时，计算该量子点的禁带宽度（结果保留2位小数，1eV=1.6×10⁻¹⁹J）。五、论述题（8分）结合当前研究进展，论述纳米技术在新能源领域的应用（至少涉及2个具体方向），并分析其面临的挑战。答案一、单项选择题1.C2.B3.B4.B5.B6.C7.B8.B9.B10.B二、填空题1.1-100nm；量子尺寸效应2.化学气相沉积（CVD）；物理气相沉积（PVD）（或磁控溅射、分子束外延等）3.电子透镜像差；电子波长；原子级（或0.1nm以下）4.6/(ρd)（单位：m²/g）5.单壁碳纳米管（SWCNT）；多壁碳纳米管（MWCNT）；单壁碳纳米管6.主动靶向；被动靶向（或物理靶向、化学靶向）7.接触模式；非接触模式8.光吸收能力；电荷分离效率（或表面活性位点数量）三、简答题1.步骤：①前驱体水解（如金属醇盐在酸性/碱性条件下水解生成溶胶）；②溶胶缩聚形成凝胶（通过陈化使溶胶粒子交联成网络结构）；③干燥去除溶剂（常压干燥或超临界干燥）；④热处理（煅烧去除有机成分，形成纳米氧化物粉体）。优点：反应条件温和、成分均匀性高、可制备高纯度纳米颗粒；缺点：干燥过程易团聚、生产周期长、成本较高。2.工作原理：基于量子隧道效应，当探针与样品表面距离小于1nm时，电子可通过隧道效应形成隧道电流；通过反馈系统控制探针高度，保持隧道电流恒定，记录探针移动轨迹即可获得表面形貌。局限：仅适用于导电样品；对表面污染敏感；无法直接获取成分信息。3.表面效应：纳米颗粒表面原子比例随尺寸减小显著增加（如10nm颗粒表面原子占比约20%，1nm时达90%），表面原子配位不饱和，具有高表面能和活性。影响举例：纳米TiO₂因表面羟基增多，光催化活性高于块体TiO₂；纳米银颗粒因表面原子活性高，抗菌性能显著增强。4.应用场景：①癌症标志物检测（如通过纳米金颗粒的SPR效应检测血液中的癌胚抗原）；②病毒快速诊断（如基于纳米抗体修饰的电化学传感器检测新冠病毒）；③血糖实时监测（如酶修饰的纳米电极植入式传感器）。优势：灵敏度高（可达单分子检测）、响应速度快、可微型化、多参数同步检测。四、计算题1.解：单个颗粒体积V=(4/3)π(d/2)³=(4/3)×3.14×(5×10⁻⁷cm)³≈5.23×10⁻¹⁹cm³；单个颗粒质量m=ρV=19.3g/cm³×5.23×10⁻¹⁹cm³≈1.01×10⁻¹⁷g；1mg样品的颗粒数N=0.001g/1.01×10⁻¹⁷g≈9.90×10¹³个；单个颗粒表面积S=4π(d/2)²=4×3.14×(5×10⁻⁷cm)²≈3.14×10⁻¹²cm²；总比表面积=总表面积/总质量=(N×S)/0.001g=(9.90×10¹³×3.14×10⁻¹²cm²)/0.001g≈31100cm²/g=3.11m²/g。2.解：μ=0.5×9.11×10⁻³¹kg=4.555×10⁻³¹kg；d=5nm=5×10⁻⁹m；(h²)/(8μd²)=(6.626×10⁻³⁴)²/(8×4.555×10⁻³¹×(5×10⁻⁹)²)≈(4.39×10⁻⁶⁷)/(8×4.555×10⁻³¹×2.5×10⁻¹⁷)≈(4.39×10⁻⁶⁷)/(9.11×10⁻⁴⁷)≈4.82×10⁻²¹J；转换为eV：4.82×10⁻²¹J/1.6×10⁻¹⁹J/eV≈0.030eV；Eg(d)=2.0eV+0.030eV=2.03eV（注：实际计算中因h²项较小，结果可能接近块体值，此处为示例）。五、论述题应用方向：①纳米电池材料：如纳米硅负极材料（理论比容量4200mAh/g）通过减小颗粒尺寸抑制体积膨胀（块体硅循环中体积膨胀300%，纳米硅可降至100%以下），提升锂电池循环寿命；纳米级LiFePO₄正极材料通过缩短Li⁺扩散路径，提高倍率性能（可达10C以上充放电）。②纳米光催化制氢：如g-C₃N₄纳米片（比表面积大，光生电荷分离效率高）与Pt纳米颗粒复合，构建异质结促进电子-空穴分离，光催化产氢速率可达传统块体材料的5倍以上；ZnO