2025年纳米技术期末试题及答案

2025年纳米技术期末试题及答案一、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.至少有一维尺寸在1-1000纳米之间的材料B.三维尺寸均在1-100纳米之间的材料C.至少有一维尺寸在1-100纳米之间的材料D.二维尺寸在1-100纳米之间的材料2.量子尺寸效应导致纳米颗粒的光学性质发生变化，其本质原因是（）A.颗粒表面原子比例增加B.颗粒内部电子能级由连续变为离散C.颗粒比表面积增大D.颗粒晶格畸变加剧3.下列纳米材料制备方法中，属于“自下而上”法的是（）A.机械球磨法B.分子束外延（MBE）C.聚焦离子束刻蚀D.激光烧蚀法4.透射电子显微镜（TEM）表征纳米材料时，主要用于分析（）A.表面形貌与成分B.晶体结构与原子排列C.光吸收特性D.热稳定性5.碳纳米管（CNT）的导电性与其手性指数（n,m）相关，当n=m时，碳纳米管表现为（）A.半导体特性B.金属特性C.绝缘体特性D.超导特性6.纳米药物载体的“EPR效应”指的是（）A.增强的渗透与滞留效应B.电子-空穴对复合效应C.酶促反应加速效应D.电场诱导极化效应7.下列纳米材料中，常用于柔性电子器件透明电极的是（）A.二氧化钛纳米颗粒B.银纳米线C.碳化硅纳米晶须D.羟基磷灰石纳米棒8.溶胶-凝胶法制备纳米材料的关键步骤是（）A.高温烧结B.溶胶向凝胶的转变C.机械研磨D.等离子体刻蚀9.原子力显微镜（AFM）的轻敲模式适用于（）A.硬脆样品的高分辨率成像B.液体环境中软样品的观测C.导电样品的表面电势测量D.磁性材料的磁畴分析10.纳米催化材料的高活性主要源于（）A.大的比表面积与高比例表面原子B.晶格缺陷数量减少C.电子迁移率降低D.热导率提高二、填空题（每空1分，共15分）1.纳米材料的四大基本效应是小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和__________。2.碳纳米管按管壁层数可分为单壁碳纳米管（SWCNT）和__________（MWCNT）。3.纳米复合材料中，通常将连续相称为__________，分散相称为增强相。4.扫描隧道显微镜（STM）的工作原理基于__________效应，因此仅适用于__________样品的表征。5.气相沉积法制备纳米薄膜时，根据是否使用等离子体辅助，可分为物理气相沉积（PVD）和__________（CVD）。6.纳米颗粒的表面修饰常用方法包括共价修饰、__________和表面接枝聚合。7.纳米传感器的核心性能指标包括灵敏度、选择性、__________和稳定性。8.纳米药物递送系统的关键设计要素包括靶向性、__________和生物相容性。9.二维纳米材料如石墨烯的特殊性能源于其__________结构导致的电子限域效应。10.纳米流体的导热性能优于传统流体，主要原因是纳米颗粒的__________和界面效应增强了热传递。三、简答题（每题6分，共30分）1.简述“自上而下”与“自下而上”纳米制备方法的主要区别，并各举一例说明。2.表面效应和小尺寸效应如何共同影响纳米材料的物理化学性质？请结合具体材料说明。3.为什么纳米颗粒在溶液中容易发生团聚？可通过哪些方法提高其分散稳定性？4.比较扫描电子显微镜（SEM）与透射电子显微镜（TEM）在纳米材料表征中的应用差异。5.纳米技术在能源领域有哪些典型应用？请列举至少3类并简述其原理。四、论述题（每题10分，共20分）1.结合半导体纳米材料（如量子点）的特性，论述其在光电器件（如LED、太阳能电池）中的应用优势及当前面临的挑战。2.近年来，纳米生物传感器在疾病早期诊断中展现出巨大潜力。请从材料选择、信号检测机制和临床需求适配性三方面，分析其关键技术要点。五、综合应用题（15分）某科研团队计划开发一种用于检测环境中重金属离子（如Pb²⁺）的高灵敏度纳米传感器。请设计该传感器的技术方案，需包括以下内容：（1）核心纳米材料的选择及理由；（2）传感器的构建方法（如修饰、组装过程）；（3）检测原理（如光学、电化学信号转换机制）；（4）性能优化策略（如提高选择性、降低检测限）。答案一、单项选择题1.C2.B3.B4.B5.B6.A7.B8.B9.B10.A二、填空题1.宏观量子隧道效应2.多壁碳纳米管3.基体4.量子隧穿；导电5.化学气相沉积6.非共价修饰7.响应时间8.控释能力9.原子级厚度二维10.布朗运动三、简答题1.区别：“自上而下”法通过微加工技术从大块材料中“雕刻”出纳米结构（如光刻、离子束刻蚀），特点是尺寸可控但成本高；“自下而上”法通过原子/分子自组装构建纳米结构（如溶胶-凝胶法、分子束外延），特点是可精确控制结构但对环境敏感。举例：自上而下法如电子束光刻制备纳米线阵列；自下而上法如DNA模板辅助合成金纳米颗粒链。2.表面效应：纳米颗粒表面原子比例高（如10nm颗粒表面原子占比约20%），表面原子配位不饱和，活性位点多，导致化学反应活性增强（如纳米TiO₂光催化效率高于块体）。小尺寸效应：颗粒尺寸减小至与电子德布罗意波长可比时，晶体周期性边界条件被破坏（如纳米ZnO的禁带宽度随尺寸减小而蓝移），导致光学、电学性质变化（如量子点荧光可调谐）。二者共同作用使纳米材料在催化、光电等领域表现出独特性能。3.团聚原因：纳米颗粒比表面积大、表面能高，易通过范德华力、静电力或氢键相互吸引；表面羟基等极性基团易形成氢键桥接。分散方法：①表面修饰（如用十二烷基硫酸钠包覆，增加空间位阻）；②调节pH值（使颗粒表面电荷同性相斥）；③超声处理（通过机械力破坏团聚体）；④添加分散剂（如聚乙二醇，降低表面能）。4.SEM：利用二次电子成像，分辨率约1-10nm，主要观察样品表面形貌（如纳米颗粒的分散状态、薄膜的表面粗糙度），可配备能谱仪（EDS）进行成分分析，适合不导电样品（需镀金）。TEM：利用透射电子成像，分辨率可达0.1nm以下（原子级），用于分析内部结构（如晶体缺陷、纳米颗粒的晶格条纹）、选区电子衍射（SAED）确定晶体结构，样品需制成超薄切片（<100nm）。5.应用及原理：①纳米锂电池：负极用硅纳米线（体积膨胀缓冲）或碳纳米管（提高导电性），增加比容量；②纳米太阳能电池：量子点敏化太阳能电池（QDSC）利用量子点的多激子产生效应（一个光子激发多个电子-空穴对），提高光电转换效率；③纳米催化制氢：Pt/C纳米催化剂（高比表面积）降低水分解过电位，提升产氢速率；④纳米热电材料：通过声子散射（纳米结构增加界面）降低热导率，同时保持高电导率（如Bi₂Te₃纳米薄膜），提高热电优值ZT。四、论述题1.应用优势：①量子点（如CdSe）具有尺寸可调的荧光特性（通过控制粒径实现可见光到近红外发光），用于LED可提升色纯度；②量子点的吸收光谱宽、消光系数大，作为太阳能电池光吸收层可拓宽光谱利用范围；③量子点的多激子产生效应（MEG）理论上可突破单结太阳能电池的肖克利-奎伊瑟极限（33%）。挑战：①毒性问题：含Cd、Pb的量子点生物相容性差，需开发无重金属量子点（如InP）；②稳定性不足：表面配体易脱落导致荧光淬灭，需优化核壳结构（如ZnS包覆CdSe）；③大规模制备难度：尺寸均匀性控制（误差<5%）影响器件性能一致性；④界面复合：量子点与电极间的电荷传输阻力大，需设计高效电荷传输层（如TiO₂纳米棒阵列）。2.关键技术要点：①材料选择：优先选用生物相容性好、可功能化修饰的纳米材料（如金纳米颗粒、石墨烯氧化物、DNA纳米结构）。例如，金纳米颗粒（AuNP）表面易修饰DNA/抗体，且具有局域表面等离子体共振（LSPR）特性，可用于光学检测。②信号检测机制：根据目标物（如肿瘤标志物）特性选择检测方式。如电化学传感器利用纳米材料（如碳纳米管）增强电子传递，将生物识别事件（抗体-抗原结合）转化为电流/电位变化；光学传感器利用AuNP的LSPR峰位移（目标物结合导致颗粒间距变化）或量子点的荧光淬灭（FRET效应）。③临床需求适配性：需满足高灵敏度（检测限<pg/mL级）、高选择性（避免与其他生物分子交叉反应）、快速响应（<30分钟）及便携性（如微流控芯片集成）。例如，基于纸基的纳米生物传感器可实现“样品进-结果出”的即时检测（POCT），适合基层医疗场景。五、综合应用题技术方案设计：（1）核心纳米材料选择：选用巯基修饰的金纳米颗粒（AuNP-SH），理由：①AuNP表面易通过巯基（-SH）修饰特异性识别配体（如DNA适配体）；②具有局域表面等离子体共振（LSPR）特性，对周围介质折射率变化敏感（Pb²⁺结合会改变颗粒间距，导致吸收峰位移）；③生物相容性好，环境稳定性高。（2）传感器构建方法：①合成直径15-20nm的AuNP（柠檬酸钠还原法）；②修饰Pb²⁺特异性DNA适配体（如序列5’-SH-ATCGATGCTAGCTGATCG-3’，通过Au-S键固定在AuNP表面）；③将修饰后的AuNP分散于缓冲溶液（pH=7.4的PBS）中，组装到比色皿或微流控芯片的检测通道内。（3）检测原理：Pb²⁺与DNA适配体特异性结合，导致AuNP表面电荷变化及颗粒间距离缩短（适配体构象改变），引发LSPR效应增强，溶液颜色由红色变为紫色（吸收峰从520nm红移至580nm）。通过紫外-可见光谱仪或便携式比色计检测吸收峰位移量，可定量分析Pb²⁺浓度。（4）性能优化策略：①提高选择性：引入竞争实