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材料科学
题目

阅读下面材料,完成各题。材料一 柔性材料是指具有柔韧性和可塑性的材料。人类较早使用的柔性材料是源于大自然的天然纤维。天然纤维存在细度和长度不均匀、伸长能力弱等问题,19世纪研制出的化学合成纤维解决了这些问题。随着材料科学不断发展并与其他学科交叉融合,今天的科研人员正不断创制一些新型柔性材料。这些材料集成传感器和各种功能材料,能够敏锐感知并响应外界环境的微妙变化。其应用范围超越了传统织物和纺织品。 近日,科研人员研发出一种新型不插电智能柔性纤维,它基于与人体相匹配的能量交互机制,集能量采集、信息感知与传输等功能于一身。用这种纤维编织成的智能纺织品无需依赖传统芯片和电池,便能实现发光、触控等人机交互功能,有效简化了智能纺织品的硬件结构,有望解决目前可穿戴设备“不舒服”的难题。这一突破性成果,为人与环境的智能交互提供了新的可能。 芝加哥大学研究出一种呈蓝色的半导体凝胶材料,它可以在水中如海蜇般轻盈飘动,同时保留了传递信息所需的半导体功能,其效果已超越了传统水凝胶或半导体材料。这种水凝胶半导体材料在两方面显著提升了生物功能。首先,柔软的材料与人体组织直接结合,减少了植入医疗设备时通常会产生的免疫反应和炎症反应,这或将推动起搏器等植入式设备的发展。其次,该水凝胶结构具有高度多孔性,有助于营养和化学物质的高效传输,因此该材料成为组织工程和药物输送中的理想材料。 中国科学家徐洁发明了持久耐用、易于生产的类肤质聚合物半导体材料,这种材料即使在折叠、扭转或拉伸状态下也能保持正常工作。以这个发明为基础,华人科学家鲍哲南提出了“电子皮肤”计划。电子皮肤不仅具有很好的柔韧性、可拉伸性,而且具有感知外界温度、压力和湿度等功能。近年来,电子皮肤也向着具有更好的生物相容性、透气性和可降解性等方向发展,越来越像人类的皮肤。随着新材料的发展,电子皮肤的某些功能甚至有可能超越人类的皮肤。例如,有人因为受伤,也许没有办法再感知到触觉、温度,这时候,贴合人体的电子皮肤,就可以感知到压力、温度,还能把这个信号传递回大脑,甚至有“自愈”功能。 这些新柔性材料真正发挥作用可能还需要一段时间,重要的是相关理念已经被证实。随着科研人员的不断探索,柔性材料将迎来更加辉煌的明天。(取材于朱美芳等人的文章)材料二 柔性材料技术的发展一直与生产生活的实际需要紧密相关。伴随人类体毛逐渐退化,人们学会了从动植物中捉取天然纤维,制成柔软和耐用的布料。由于工业生产对纤维材料的耐磨性、稳定性、伸长能力提出了更高要求,科学家对高分子材料进行加工处理,制成了尼龙、涤纶、丙纶等化学合成纤维材料,大大拓宽了柔性材料的应用范围。 现在,人工智能正在影响着每个人的生活,基于智能柔性材料的便携式电子产品、人机接口电极、能量存储和转换设备会被编织成可穿戴纺织品,未来将在诸多智慧生活领域发挥关键作用。新型智能柔性材料已迅速成为研究焦点。 在第26届中国科协年会上,“通过耦合与杂化实现柔性材料的功能涌现”被列为十大重点科学问题。其中“功能涌现”是目标,这些功能往往不是单一材料所具有的,而是各材料在相互作用的过程中表现出来的。要实现这一目标就要解决材料设计的关键共性问题——柔性材料的多功能耦合与杂化。耦合可以被视为一种关联机制,它能确保材料系统中各材料间的有效连接和相互作用,形成一个整体系统。杂化则是一种技术方法,能够让不同性质的材料在分子或纳米尺度上进行融合,从而创造出新的特性。 将不同物质简单混合往往会导致材料性能与功能下降,我们期望制造出的柔性材料能够实现在不同层级上的功能涌现,达到“1+1>2”的效果。这就如一架飞机由各种零部件按照特定方式组装在一起才具有各零部件所不具备的飞行功能一样。在柔性材料实现功能涌现的过程中,科研人员需根据目标功能,精心挑选合适的基材和添加剂,并设计出合理的杂化结构。 在材料混合时通过有机——无机杂化策略,建立功能耦合和传递机制,可以实现原材料不具备的多种新功能。例如,芝加哥大学放弃了半导体材料难以溶入的传统水凝胶,将溶解的无机半导体和有机水凝胶前体进行杂化,再有效建立起两种材料间的连接,制成了水凝胶半导体材料。这种材料具备非常柔软的机械性能,并且拥有与活体组织相似的水合作用。 采用聚合物材料作为柔性基材,将能实现目标功能的纳米材料引入其中,可以得到具有新功能的柔性纤维材料。科学家徐洁就是运用高分子纳米受限效应,使高分子半导体内部的分子链交互作用状态、排列状态产生巨变,在保持其电学特性的同时,和一种特殊的橡胶材料杂化,发明了一种可拉伸的类肤质半导体材料。 在柔性材料实现功能涌现的过程中,先进的制备工艺也必不可少,如溶胶——凝胶法、静电纺丝、徐洁团队制备类肤质半导体材料使用的“卷到卷”法等,这些工艺能够实现材料的精确耦合与杂化。(取材于付锐涵等人的文章)(1)根据材料一,下列关于“柔性材料”的说法不正确的一项是( ____ )A.所有的柔性材料都应当具有柔韧性和可塑性。B.大自然中的天然纤维均属人类较早使用的柔性材料。C.19世纪研制出的化学合成纤维的伸长能力优于天然纤维。D.新型柔性材料的创制得益于材料科学与其他学科的交叉融合。(2)根据材料一,下列理解不正确的一项是( ____ )A.新型智能柔性纤维纺织品解决了可穿戴设备“不舒服”的问题。B.水凝胶半导体材料能减少植入医疗设备时可能产生的免疫反应。C.电子皮肤不仅柔韧,还具有更好的感知功能、相容性和可降解性。D.新柔性材料将在人工智能、生物医药等诸多领域发挥重要作用。(3)根据材料二,下列理解或推断正确的一项是( ____ )A.源于自然的蚕丝、羊毛、棉麻、尼龙属于天然纤维材料。B.智能柔性材料或将使服装具有通讯功能,赋能智慧生活。C.飞机零部件组装在一起具有飞行功能,属于“耦合与杂化”。D.将不同的材料简单混合,可以提升原材料的性能与功能。(4)对材料一和材料二内容的分析,下列表述不正确的一项是( ____ )A.材料一着重介绍新柔性材料的广泛应用领域,材料二重点介绍使其功能涌现的方法。B.材料一先介绍了柔性材料的发展历程,材料二指出了这一历程和实际需要的紧密关系。C.材料一指出了水凝胶半导体材料的重要功能,材料二则分析了这一功能实现的方法。D.材料一介绍了电子皮肤的优良特性及应用场景,材料二说明了其设计理念及制备工艺。(5)有同学根据以上材料列了下面关于柔性材料“功能涌现”的表格式提纲,请你填写①-⑤处,帮他补充完 整。 定义 机制/方法 条件 案例及应用(以类肤质聚合物半导体材料为例) 案例 应用 各材料在相互作用过程中表现出来的新功能。 (1)耦合:确保各材料有效连接和相互作用,形成整体系统的关联机制。(2)① ____ 条件一:② ____ 采用聚合物材料作为基材 ⑤ ____ 条件二:③ ____ 使高分子半导体内部产生巨变,并和一种特殊的橡胶材料杂化 条件三:先进的制备工艺 ④ ____

阅读下面材料,完成各题。
材料一
       柔性材料是指具有柔韧性和可塑性的材料。人类较早使用的柔性材料是源于大自然的天然纤维。天然纤维存在细度和长度不均匀、伸长能力弱等问题,19世纪研制出的化学合成纤维解决了这些问题。随着材料科学不断发展并与其他学科交叉融合,今天的科研人员正不断创制一些新型柔性材料。这些材料集成传感器和各种功能材料,能够敏锐感知并响应外界环境的微妙变化。其应用范围超越了传统织物和纺织品。
       近日,科研人员研发出一种新型不插电智能柔性纤维,它基于与人体相匹配的能量交互机制,集能量采集、信息感知与传输等功能于一身。用这种纤维编织成的智能纺织品无需依赖传统芯片和电池,便能实现发光、触控等人机交互功能,有效简化了智能纺织品的硬件结构,有望解决目前可穿戴设备“不舒服”的难题。这一突破性成果,为人与环境的智能交互提供了新的可能。
       芝加哥大学研究出一种呈蓝色的半导体凝胶材料,它可以在水中如海蜇般轻盈飘动,同时保留了传递信息所需的半导体功能,其效果已超越了传统水凝胶或半导体材料。这种水凝胶半导体材料在两方面显著提升了生物功能。首先,柔软的材料与人体组织直接结合,减少了植入医疗设备时通常会产生的免疫反应和炎症反应,这或将推动起搏器等植入式设备的发展。其次,该水凝胶结构具有高度多孔性,有助于营养和化学物质的高效传输,因此该材料成为组织工程和药物输送中的理想材料。
       中国科学家徐洁发明了持久耐用、易于生产的类肤质聚合物半导体材料,这种材料即使在折叠、扭转或拉伸状态下也能保持正常工作。以这个发明为基础,华人科学家鲍哲南提出了“电子皮肤”计划。电子皮肤不仅具有很好的柔韧性、可拉伸性,而且具有感知外界温度、压力和湿度等功能。近年来,电子皮肤也向着具有更好的生物相容性、透气性和可降解性等方向发展,越来越像人类的皮肤。随着新材料的发展,电子皮肤的某些功能甚至有可能超越人类的皮肤。例如,有人因为受伤,也许没有办法再感知到触觉、温度,这时候,贴合人体的电子皮肤,就可以感知到压力、温度,还能把这个信号传递回大脑,甚至有“自愈”功能。
       这些新柔性材料真正发挥作用可能还需要一段时间,重要的是相关理念已经被证实。随着科研人员的不断探索,柔性材料将迎来更加辉煌的明天。
(取材于朱美芳等人的文章)材料二
       柔性材料技术的发展一直与生产生活的实际需要紧密相关。伴随人类体毛逐渐退化,人们学会了从动植物中捉取天然纤维,制成柔软和耐用的布料。由于工业生产对纤维材料的耐磨性、稳定性、伸长能力提出了更高要求,科学家对高分子材料进行加工处理,制成了尼龙、涤纶、丙纶等化学合成纤维材料,大大拓宽了柔性材料的应用范围。
       现在,人工智能正在影响着每个人的生活,基于智能柔性材料的便携式电子产品、人机接口电极、能量存储和转换设备会被编织成可穿戴纺织品,未来将在诸多智慧生活领域发挥关键作用。新型智能柔性材料已迅速成为研究焦点。
       在第26届中国科协年会上,“通过耦合与杂化实现柔性材料的功能涌现”被列为十大重点科学问题。其中“功能涌现”是目标,这些功能往往不是单一材料所具有的,而是各材料在相互作用的过程中表现出来的。要实现这一目标就要解决材料设计的关键共性问题——柔性材料的多功能耦合与杂化。耦合可以被视为一种关联机制,它能确保材料系统中各材料间的有效连接和相互作用,形成一个整体系统。杂化则是一种技术方法,能够让不同性质的材料在分子或纳米尺度上进行融合,从而创造出新的特性。
       将不同物质简单混合往往会导致材料性能与功能下降,我们期望制造出的柔性材料能够实现在不同层级上的功能涌现,达到“1+1>2”的效果。这就如一架飞机由各种零部件按照特定方式组装在一起才具有各零部件所不具备的飞行功能一样。在柔性材料实现功能涌现的过程中,科研人员需根据目标功能,精心挑选合适的基材和添加剂,并设计出合理的杂化结构。
       在材料混合时通过有机——无机杂化策略,建立功能耦合和传递机制,可以实现原材料不具备的多种新功能。例如,芝加哥大学放弃了半导体材料难以溶入的传统水凝胶,将溶解的无机半导体和有机水凝胶前体进行杂化,再有效建立起两种材料间的连接,制成了水凝胶半导体材料。这种材料具备非常柔软的机械性能,并且拥有与活体组织相似的水合作用。
       采用聚合物材料作为柔性基材,将能实现目标功能的纳米材料引入其中,可以得到具有新功能的柔性纤维材料。科学家徐洁就是运用高分子纳米受限效应,使高分子半导体内部的分子链交互作用状态、排列状态产生巨变,在保持其电学特性的同时,和一种特殊的橡胶材料杂化,发明了一种可拉伸的类肤质半导体材料。
       在柔性材料实现功能涌现的过程中,先进的制备工艺也必不可少,如溶胶——凝胶法、静电纺丝、徐洁团队制备类肤质半导体材料使用的“卷到卷”法等,这些工艺能够实现材料的精确耦合与杂化。
(取材于付锐涵等人的文章)(1)根据材料一,下列关于“柔性材料”的说法不正确的一项是( ____ )
A.所有的柔性材料都应当具有柔韧性和可塑性。
B.大自然中的天然纤维均属人类较早使用的柔性材料。
C.19世纪研制出的化学合成纤维的伸长能力优于天然纤维。
D.新型柔性材料的创制得益于材料科学与其他学科的交叉融合。
(2)根据材料一,下列理解不正确的一项是( ____ )
A.新型智能柔性纤维纺织品解决了可穿戴设备“不舒服”的问题。
B.水凝胶半导体材料能减少植入医疗设备时可能产生的免疫反应。
C.电子皮肤不仅柔韧,还具有更好的感知功能、相容性和可降解性。
D.新柔性材料将在人工智能、生物医药等诸多领域发挥重要作用。
(3)根据材料二,下列理解或推断正确的一项是( ____ )
A.源于自然的蚕丝、羊毛、棉麻、尼龙属于天然纤维材料。
B.智能柔性材料或将使服装具有通讯功能,赋能智慧生活。
C.飞机零部件组装在一起具有飞行功能,属于“耦合与杂化”。
D.将不同的材料简单混合,可以提升原材料的性能与功能。
(4)对材料一和材料二内容的分析,下列表述不正确的一项是( ____ )
A.材料一着重介绍新柔性材料的广泛应用领域,材料二重点介绍使其功能涌现的方法。
B.材料一先介绍了柔性材料的发展历程,材料二指出了这一历程和实际需要的紧密关系。
C.材料一指出了水凝胶半导体材料的重要功能,材料二则分析了这一功能实现的方法。
D.材料一介绍了电子皮肤的优良特性及应用场景,材料二说明了其设计理念及制备工艺。
(5)有同学根据以上材料列了下面关于柔性材料“功能涌现”的表格式提纲,请你填写①-⑤处,帮他补充完 整。
定义 机制/方法 条件 案例及应用
(以类肤质聚合物半导体材料为例)
案例 应用
各材料在相互作用过程中表现出来的新功能。 (1)耦合:确保各材料有效连接和相互作用,形成整体系统的关联机制。
(2)① ____
条件一:② ____ 采用聚合物材料作为基材 ⑤
____
条件二:③ ____ 使高分子半导体内部产生巨变,并和一种特殊的橡胶材料杂化
条件三:先进的制备工艺 ④ ____

题目解答

答案

(1)A.“所有的柔性材料都应当具有柔韧性和可塑性”这一说法过于绝对。材料一中提到“柔性材料是指具有柔韧性和可塑性的材料”,但这并不意味着所有被称为“柔性材料”的物质都必须同时具备这两种特性,而是指这类材料通常具备这些特性。此外,随着科学的发展,柔性材料的定义和特性也可能会有所扩展或变化。因此,选项A的表述过于绝对,不正确。
故选A。
(2)D.“新柔性材料将在人工智能、生物医药等诸多领域发挥重要作用”这一说法虽然看似合理,但材料一中并未明确提及新柔性材料将在“生物医药”领域发挥重要作用,而是提到了在“人与环境的智能交互”以及“组织工程和药物输送”中的潜在应用。因此,D项的理解超出了材料一中的信息范围,是不正确的。
故选D。
(3)A.“源于自然的蚕丝、羊毛、棉麻、尼龙属于天然纤维材料”这一说法错误。尼龙是化学合成纤维,不属于天然纤维材料。因此A项推断不正确。
B.“智能柔性材料或将使服装具有通讯功能,赋能智慧生活”这一说法与材料二中的“基于智能柔性材料的便携式电子产品、人机接口电极、能量存储和转换设备会被编织成可穿戴纺织品,未来将在诸多智慧生活领域发挥关键作用”相符。虽然材料二中并未直接提及通讯功能,但便携式电子产品通常包括通讯设备,且智能柔性材料的应用将赋能智慧生活,因此B项推断是合理的。
C.“飞机零部件组装在一起具有飞行功能,属于‘耦合与杂化’”这一说法错误。耦合与杂化是材料科学中的概念,用于描述不同材料在相互作用过程中表现出来的新功能或特性的形成机制。而飞机零部件的组装是机械工程中的概念,与耦合与杂化在材料科学中的含义不同。因此C项推断不正确。
D.“将不同的材料简单混合,可以提升原材料的性能与功能”这一说法与材料二中的“将不同物质简单混合往往会导致材料性能与功能下降”相矛盾。因此D项推断不正确。
故选B。
(4)C.“材料一指出了水凝胶半导体材料的重要功能,材料二则分析了这一功能实现的方法”这一说法不正确。虽然材料一确实提到了水凝胶半导体材料的重要功能,但材料二并没有专门分析这一功能实现的方法,而是更广泛地讨论了柔性材料功能涌现的机制和方法,以及具体的案例和应用。因此C项表述不正确。
故选C。
(5)①处:根据材料二中的“杂化则是一种技术方法,能够让不同性质的材料在分子或纳米尺度上进行融合,从而创造出新的特性”可知,杂化是允许不同性质的材料在分子或纳米尺度上进行融合以创造出新特性的方法。因此,①处应填写“杂化:允许不同性质的材料在分子或纳米尺度上进行融合,创造出新的特性”。
②处:根据材料二中的“在柔性材料实现功能涌现的过程中,科研人员需根据目标功能,精心挑选合适的基材和添加剂”可知,精心挑选合适的基材和添加剂是实现柔性材料功能涌现的重要条件之一。因此,②处应填写“精心挑选合适的基材和添加剂”。
③处:同样根据材料二中的“并设计出合理的杂化结构”可知,设计合理的杂化结构也是实现柔性材料功能涌现的重要条件。因此,③处应填写“设计合理的杂化结构”。
④处:根据表格中的案例及应用部分可知,此处需要填写一个具体的案例来支持前面的条件和机制/方法。材料二中提到了徐洁发明的类肤质聚合物半导体材料作为柔性材料的案例之一。因此,④处应填写“徐洁发明的类肤质聚合物半导体材料”。
⑤处:根据表格中的案例及应用部分以及材料一中对电子皮肤的描述可知,此处需要填写电子皮肤的具体应用功能。因此,⑤处应填写“应用:电子皮肤,具有感知外界温度、压力和湿度等功能,甚至具有‘自愈’功能”。

答案:
(1)A
(2)D
(3)B
(4)C
(5)①杂化:允许不同性质的材料在分子或纳米尺度上进行融合,创造出新的特性。
②条件一:精心挑选合适的基材和添加剂。
③条件二:设计合理的杂化结构。
④案例:徐洁发明的类肤质聚合物半导体材料。
⑤应用:电子皮肤,具有感知外界温度、压力和湿度等功能,甚至具有“自愈”功能。

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