2025年纳米科技基础知识考试试题及答案

2025年纳米科技基础知识考试试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.以下关于纳米材料的定义，正确的是（）。A.三维尺寸均小于100纳米的材料B.至少一维尺寸在1-100纳米之间的材料C.仅二维尺寸小于100纳米的材料D.所有含有纳米级结构的宏观材料2.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.光学吸收峰向短波长移动（蓝移）C.表面原子比例增加导致活性增强D.热导率随尺寸减小而升高3.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.机械球磨法4.扫描隧道显微镜（STM）的工作原理基于（）。A.原子间范德华力B.量子隧穿效应C.电子衍射D.光散射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.表面官能团6.纳米药物载体的核心优势是（）。A.提高药物水溶性B.实现靶向递送与控释C.降低生产成本D.增强药物稳定性7.下列纳米材料中，属于零维纳米材料的是（）。A.石墨烯B.纳米线C.量子点D.碳纳米管8.纳米材料的表面效应是指（）。A.表面原子数与总原子数的比例随尺寸减小而增加B.表面能随尺寸增大而降低C.表面电荷分布均匀D.表面吸附能力与块体材料相同9.化学气相沉积（CVD）制备纳米薄膜时，关键控制参数不包括（）。A.反应温度B.前驱体浓度C.基底材料D.溶液pH值10.纳米传感器的高灵敏度主要源于（）。A.大比表面积与表面活性位点B.材料密度低C.机械强度高D.热稳定性好二、填空题（每空1分，共20分）1.纳米科技的核心研究对象是尺寸在__________范围内的材料及其特性。2.纳米材料的四大基本效应是__________、__________、__________和宏观量子隧道效应。3.气相法制备纳米颗粒的典型方法包括__________、__________和等离子体合成法。4.透射电子显微镜（TEM）的分辨率可达__________级别，主要用于观察纳米材料的__________和__________。5.石墨烯是由__________原子构成的__________结构，其理论比表面积约为__________。6.纳米复合材料的增强机制主要包括__________、__________和界面协同效应。7.纳米级药物载体常用的材料有__________（举2例），其设计需考虑__________、__________和生物相容性。8.自组装技术制备纳米结构的驱动力包括__________、__________和静电相互作用。三、简答题（每题8分，共40分）1.简述纳米材料的小尺寸效应及其对物理性质的影响（举例说明）。2.比较化学气相沉积（CVD）与溶胶-凝胶法（Sol-Gel）在制备纳米材料时的优缺点。3.说明原子力显微镜（AFM）与扫描电子显微镜（SEM）在纳米表征中的主要区别及适用场景。4.分析纳米多孔材料（如介孔SiO₂）在催化领域的应用优势。5.解释“纳米限域效应”的定义，并举例说明其在能源存储（如锂离子电池）中的应用。四、论述题（每题20分，共40分）1.结合具体实例，论述纳米材料在新能源领域（如太阳能电池、燃料电池）的应用及技术挑战。2.设计一种靶向肿瘤治疗的纳米药物递送系统，需说明核心组成、作用机制及关键性能指标（如靶向性、载药量、释放可控性）。答案一、单项选择题1.B2.B3.B4.B5.B6.B7.C8.A9.D10.A二、填空题1.1-100纳米2.小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应3.化学气相沉积（CVD）、激光蒸发冷凝法4.原子（或亚纳米）、微观结构、晶体缺陷5.碳、单层二维蜂窝状、2630m²/g6.载荷传递效应、细晶强化效应7.聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）、脂质体；靶向性修饰、药物释放速率8.范德华力、氢键作用三、简答题1.小尺寸效应：当材料尺寸减小到纳米级时，其宏观物理性质（如熔点、磁性、光学等）与块体材料显著不同的现象。影响举例：纳米金颗粒的熔点随尺寸减小而降低（如2nm金颗粒熔点约327℃，远低于块体金的1064℃）；纳米磁性材料（如Fe₃O₄）因单磁畴结构表现出超顺磁性，无剩磁和矫顽力。2.CVD法：优点：可制备高纯度、结晶性好的纳米薄膜或颗粒；基底适应性强；厚度和成分可控性高。缺点：设备成本高；需高温条件；部分前驱体有毒。溶胶-凝胶法：优点：反应条件温和（常温或低温）；成分均匀性好；可制备复杂形状材料（如多孔材料）。缺点：干燥过程易收缩开裂；烧结温度较高时可能破坏纳米结构；生产周期长。3.AFM与SEM的区别：-原理：AFM通过探针与样品表面的原子力相互作用成像，无需导电；SEM通过电子束轰击样品表面产生二次电子成像，需样品导电（常镀金）。-分辨率：AFM横向分辨率~0.1nm，纵向~0.01nm；SEM分辨率~1nm（场发射型可达0.5nm）。-适用场景：AFM适合软材料（如生物样品、聚合物）的表面形貌和力学性质测量；SEM适合硬材料（如金属、陶瓷）的高分辨率形貌观察及成分分析（配合EDS）。4.纳米多孔材料的催化优势：-大比表面积（>500m²/g）：提供更多活性位点，提高催化反应速率。-可调孔径（2-50nm）：可选择性吸附反应物分子，实现尺寸筛分效应（如介孔SiO₂筛选不同大小的有机分子）。-表面可修饰性：通过嫁接官能团（如-COOH、-NH₂）或负载金属纳米颗粒（如Pt、Pd），增强催化特异性和活性。5.纳米限域效应：纳米级空间（如孔道、界面）对物质的物理化学性质（如分子运动、相变、反应动力学）产生限制和调控的现象。能源存储应用：在锂离子电池中，将硫单质限域在碳纳米管或介孔碳的纳米孔道内，可抑制多硫化物的溶解（“穿梭效应”），提高硫的利用率和电池循环稳定性（如CNT/硫复合正极材料的循环寿命可达500次以上）。四、论述题1.纳米材料在新能源领域的应用及挑战：-太阳能电池：纳米TiO₂（如介孔结构）作为染料敏化太阳能电池（DSSC）的光阳极，其高比表面积可负载更多染料分子，提高光捕获效率；钙钛矿纳米晶因量子限域效应可调谐带隙，用于高效光伏器件（实验室效率已超25%）。-燃料电池：Pt基纳米颗粒（如Pt/C催化剂）作为氧还原反应（ORR）的活性位点，纳米级分散可减少Pt用量（从传统的0.4mg/cm²降至0.1mg/cm²），同时碳载体的多孔结构促进反应物传输。-技术挑战：纳米材料的长期稳定性（如光腐蚀、热团聚）；大规模制备的均匀性（如钙钛矿纳米晶的尺寸分布控制）；界面电荷传输效率（如DSSC中TiO₂与电解质的界面复合损失）。2.靶向肿瘤治疗纳米药物递送系统设计：-核心组成：①载体材料：聚乙二醇（PEG）修饰的PLGA（聚乳酸-羟基乙酸共聚物），提供长循环能力（避免被巨噬细胞清除）；②靶向基团：靶向肿瘤表面受体（如HER2抗体或RGD肽），实现主动靶向；③治疗药物：阿霉素（DOX）或siRNA（基因沉默药物），负载于PLGA内核；④响应性开关：pH敏感键（如腙键）或温度敏感材料（如聚N-异丙基丙烯酰胺），实现肿瘤微环境（低pH、高温）触发释放。-作用机制：纳米颗粒通过EPR效应（肿瘤血管高通透性）被动富集于肿瘤组织，表面靶向基团与肿瘤细胞受体特异性结合后被内吞，进入溶酶体（低pH环境）触发药物释放，抑制肿瘤细胞增殖或诱导凋亡。-关键性能指标：①靶向效率：通过体外细胞实验（流式细胞术）检测纳米颗粒与肿瘤细胞的结合率（