本实验围绕有机分子与晶体建模、晶体—有机复合材料建模展开，介绍了晶体结构由对称性严格约束的周期性特点，即
$$ \text{晶体}=\text{晶格}+\text{基元} $$
三维中共约 230 种空间群，建立在 14 种布拉维晶格之上，并涉及 Wyckoff 位置、分数坐标
$$ \vec{R}=n_1\vec{a}_1+n_2\vec{a}_2+n_3\vec{a}_3 $$
以及“选择空间群→定义晶格参数→输入原子坐标→Apply Symmetry”的建模流程。实验以 Materials Studio 为工具，从 Materials Project 下载 Rutile TiO₂（mp-2657，$a=b=4.653\ \text{Å}$，$c=2.969\ \text{Å}$，$\alpha=\beta=\gamma=90^\circ$）的 CIF 文件，切割最稳定的 (110) 面，重建晶胞并将真空层设为 0，构建约 $30\times30\times15\ \text{Å}$ 的表面超胞，对表面桥接 O 进行羟基化处理，再绘制 Tris 缓冲液（pH 8.5）条件下多巴胺自氧化聚合得到的直链 PDA 结构，组装成表面羟基化 TiO₂(110) 上 PDA 氢键辅助吸附的复合模型，并计算 TiO₂(110) 面质心坐标 $X=-1.78724679\ \text{Å}$、$Y=12.71337832\ \text{Å}$、$Z=14.59316224\ \text{Å}$。采用类似方法还可构建间二甲苯修饰的 SiO₂（空间群 214，$I4_132$）复合结构。分析讨论指出，在 Materials Studio 中手动构建 NdMnSi₂（四方，$I4/mmm$，No. 139）后执行 Find Symmetry 无法识别正确空间群而降为 P1，原因在于分数坐标精度误差和 Wyckoff 位置不严格，纠正方法是优先导入标准 CIF、进行几何清理并检查晶格坐标后再识别对称性。
本报告包含三个实验：ZL104 铝合金熔铸、砂型铸造工艺设计与实践、以及铸件质量与金相组织评价。ZL104 为 Al-Si-Mg-Mn 系铸造铝合金，典型成分为 Si 8%~10.5%、Mg 0.17%~0.35%、Mn 0.2%~0.5%；熔铸流程为熔化→精炼→变质→浇铸，精炼采用六氯乙烷，其分解与除气反应为
$$ \mathrm{C_2Cl_6\rightarrow C_2Cl_4+Cl_2,\qquad 2Al+3Cl_2\rightarrow 2AlCl_3\uparrow} $$
生成的 AlCl₃ 气泡上浮携带夹杂与 H₂ 逸出；变质采用 Al-Sr，使共晶 Si 由针状/板状转变为细纤维状/蠕虫状，机制是 Sr 吸附改变 Si 生长界面能，抑制其优先生长方向。砂型铸造中型砂强度来源于水分在砂粒间形成的液桥，最佳水分约 3%~8%，浇注系统满足
$$ Q=A_{\text{浇口}}v_{\text{浇口}}=A_{\text{横浇道}}v_{\text{横}},\qquad v=\sqrt{2gH_{\text{p}}} $$
实验铸出完整仿古铜钱铸件；分析指出每次造型前需调整型砂成分，因高温使粘土相变失活、有机粘结剂分解，同时应避免大平面以防气泡聚集形成气孔。质量评价部分通过切割→镶嵌→打磨→抛光→腐蚀制备金相试样，打磨由粗到细且每级旋转 90°，抛光用约 1 μm 金刚石抛光液，腐蚀用稀 NaOH；结果显示未精炼未变质时存在大型气孔、夹杂和针状 Si，已精炼未变质时气孔显著减少但 Si 仍呈针状，已精炼已变质时 Si 圆钝化并呈细小纤维状，Sr 偏析边界清晰，说明精炼有效降低气孔率，变质则通过提高小晶面生长能垒
$$ \Delta G_{\text{faceted}}^{\text{with Sr}}>\Delta G_{\text{non-faceted}} $$
促使 Si 转为非小晶面生长，从而提升塑韧性。
本实验报告包含三个部分：球磨法制备 SiO₂ 粉体、制粒与压制成型、粉体和烧结体基本性能评测。球磨实验比较滚筒与行星球磨在 200 rpm 和 400 rpm 下球磨 10 min 的效果，临界转速为
$$ n_{\text{临界}}=\frac{42.4}{\sqrt{D}} $$
行星球磨的 Froude 数为
$$ Fr=\frac{\omega^2R}{g} $$
结果表明行星球磨 400 rpm 效果最佳，40 目以上粗粉降至 40.4%，200 目以下细粉占 22.1%，而滚筒球磨几乎无粉碎效果，行星球磨 200 rpm 也因能量不足而粉碎有限。压制成型实验以 ZrO₂ 粉体和石蜡为成型剂，比较未加成型剂未过筛、加成型剂未过筛、加成型剂已过筛三组压坯，发现加入粘结剂可显著提高生坯强度，但 C 组因石蜡颗粒偏粗、过筛后有效石蜡量减少而强度略降；工业上针对不同收缩率材料推荐采用冷等静压。性能评测实验测定了烧结体密度、维氏硬度、断裂韧性和粉体流动性：阿基米德法得实际密度 6.25 g/mL、相对密度 93.42%；维氏硬度均值 572.84 HV，断裂韧性均值 4.265 MPa·m^{1/2}；粉体流动性方面，滚筒 200 rpm 的 Hausner 比 1.067、Carr 指数 6.25%、休止角 26°，流动性好，而行星 400 rpm 因颗粒细化至超细粉、范德华力增强导致团聚，HR 1.400、CI 28.57%、休止角 42°，流动性差。报告还指出烧结体约 6.58% 孔隙和硬度波动反映微观结构不均匀。
本实验以仿生材料聚多巴胺（PDA）的构建为核心，基于“氧化自聚—成核生长—结构调控”路径制备功能性纳米颗粒，其设计源于贻贝足丝蛋白中 DOPA 与赖氨酸的湿态粘附机制，选用同时含儿茶酚基团与氨基的多巴胺（DA）作为仿生单体。在碱性有氧条件下，多巴胺经氧化、环化、重排与聚合形成 PDA，主要路径为
$$ \mathrm{Dopamine}\rightarrow\mathrm{Dopaminequinone}\rightarrow\mathrm{Leucodopaminechrome}\rightarrow\mathrm{DHI}\rightarrow\mathrm{PDA} $$
其中邻苯二酚氧化为醌的过程可表示为
$$ \mathrm{Dopamine}+\tfrac12\mathrm{O_2}\xrightarrow{\mathrm{pH}>7}\mathrm{Dopaminequinone}+\mathrm{H_2O} $$
碱性环境通过中和生成的 $\mathrm{H^+}$ 推动平衡
$$ \mathrm{Catechol}\rightleftharpoons\mathrm{Quinone}+2\mathrm{H^+}+2\mathrm{e^-} $$
向氧化方向移动，从而加快聚合。PDA 纳米颗粒具有两性表面，等电点约为 $\mathrm{pI}\approx4.5$，在生理 pH 7.4 下带负电，胶体稳定性良好；其内部存在高度离域的 $\pi$ 共轭网络，在紫外至近红外区呈宽频连续吸收，吸光度随波长增加单调递减且无明显特征峰，源于苯环及吲哚结构中 $\mathrm{C=C}$、$\mathrm{C=N}$ 的 $\pi\rightarrow\pi^*$ 跃迁，离域共轭还降低了 HOMO-LUMO 能隙，使其能有效吸收 808 nm 光子并通过非辐射弛豫将光能转化为热能，表现出显著光热效应，而纯水对照几乎无响应。成核生长在“水/乙醇/氨水”体系中进行，氨水提供碱性环境，乙醇调节介电常数与表面张力，反应约 24 h 后可获得粒径约 200 nm、分散性良好的单分散纳米颗粒。该体系体现了从分子反应路径调控到纳米尺度结构构筑的仿生材料设计思想，在光热治疗、表面修饰与药物载体平台等方面具有应用潜力。
本实验基于丝素蛋白的结构特性，采用“脱胶—溶解—再生—自组装”路径构建功能性纳米载药体系：利用稀 $\mathrm{Na_2CO_3}$ 在加热条件下脱胶，通过
$$ \mathrm{CO_3^{2-}+H_2O\rightleftharpoons HCO_3^-+OH^-} $$
破坏丝胶并部分水解肽键，再以 $\mathrm{CaCl_2:C_2H_5OH:H_2O}$ 三元溶剂破坏丝素 $\beta$-折叠结构，经透析获得再生丝素蛋白溶液。随后加入丙酮等水混溶性有机溶剂，降低体系介电常数并引发去溶剂化，使疏水链段内聚成核、亲水链段形成外壳，构象逐步转变为 $\beta$-折叠，并作为物理交联点稳定纳米颗粒；通过磁力搅拌使丙酮（沸点 $56.08^\circ\mathrm{C}$）挥发，颗粒收缩固化。模型药物吲哚菁绿（ICG）通过疏水作用、磺酸基与丝素正电残基的静电吸引及三维网络的空间限域被负载。UV-Vis 光谱显示，紫外区 $227\ \mathrm{nm}$ 强吸收源于肽键 $n\to\pi^*$ 与 $\pi\to\pi^*$ 跃迁，$275\ \mathrm{nm}$ 附近肩峰来自 Tyr、Trp、Phe 芳香侧链；可见-近红外区 ICG 最大吸收位于 $795\text{–}798\ \mathrm{nm}$，较游离态 $780\ \mathrm{nm}$ 红移约 $15\text{–}20\ \mathrm{nm}$，由
$$ E=\frac{hc}{\lambda} $$
可知电子跃迁能级降低，证明 ICG 进入丝素疏水微环境。$790\text{–}800\ \mathrm{nm}$ 处吸光度约 $2.51$，超出仪器线性范围 $0.1