水对生命有着重要的意义,它不仅是生命所必需的环境,更是许多生物过程的主动参与者。这种十分寻常的物质有着不同寻常的性质,这让水在生命中所扮演的角色不可替代。这些奇特性质中许多要归功于水分子间广泛连接、同时又在不断变化和动态重排的氢键网络。而氢键的动态重排的主要方式,是水分子通过大角度跳跃进行的转动运动。这种跳跃性转动不仅是水分子自身性质的一个重要方面,也在离子输运、蛋白质折叠、溶液中的化学反应等过程中发挥了重要的作用。水分子的这类动力学性质吸引了人们的研究兴趣,同时也将许多有待回答的问题展现在人们面前。在本论文中,我们使用分子动力学模拟的方法,探索研究了这一领域中的一些尚不清楚的地方,主要包括水分子的跳跃性转动之间的关联性质,以及跳跃性转动与水分子平动扩散之间的关联性质。这些在分子层面上对水分子动力学关联效应的细致研究,不仅增进了我们对水自身微观性质的认识,也有助于我们对一些生物过程、特别是其中一些协同性现象进行更深刻的理解。本论文的主要内容概括如下:（1）体相水中水分子跳跃性转动的关联性的研究。我们细致地刻画了水分子跳跃性转动运动的时间关联性和空间关联性,发现水分子大角度跳跃性转动会不同程度地增强其自身以及周围水分子的后续跳跃性转动。这种转动-转动关联效应能达到大约两层水分子的距离,其关联长度约为5-7 A。水分子跳跃性转动的概率在空间上呈现出峰-谷状分布,恰与水分子径向分布函数的峰-谷交错开,通过对这个有趣现象以及水分子周围氢键网络扰动情况的综合分析,我们发现跳跃性转动的关联效应是通过局域氢键网络的扰动进行传播的。我们还给出了这种关联效应传播的分子图像,其中水分子的过饱和缺陷起到了重要作用。（2）水分子跳跃性转动与其平动扩散的关联性的研究。我们以一种转动-平动关联的视角探索了水分子平动扩散的物理机制,发现跳跃性转动能够增强参与其中的水分子的平动运动,由此产生的短时间的快速运动贡献了水分子平动位移中的大部分,而所用的时间只占了总时间的少部分。同时,连续的跳跃性转动对于水分子平动的促进作用更加显著,反映出它们是伴随着局域氢键网络大幅涨落的相互关联的运动,而非单次转动的简单叠加。我们还通过改变模拟体系水分子所带的电荷并研究其转动和平动扩散的性质,进一步发现水分子的扩散速率很大程度上依赖于其跳跃性转动的频率。这些不仅体现了水分子转动与平动之间的关联性,更反映出水分子的平动扩散是伴随着转动同时进行的,它像转动一样快-慢交替,体现出动力学的异质性。（3）这些结果综合起来,向我们揭示了这样一幅水分子的运动图像:当水分子处在标准的四配位状态时,受到氢键的限制,水分子的转动、平动都很慢,主要受热涨落等的影响在稳定状态附近运动,而非四配位缺陷会加速这种运动;当局域水分子的缓慢运动积累到一定程度时,该水分子有机会在短时间（约250fs）内进行一个快速的、大角度的转动,伴随着它与一个氢键受体水分子间氢键的断裂以及与新的受体间氢键的形成,即完成一次跳跃性转动;与此同时,在跳跃性转动的前后的总共约400 fs时间内,该水分子与它临近的水分子也经历了快速的平动,这样的平动和它的大角度转动一起,使水分子从原来的稳定状态过渡到新的稳定状态,随后转动和平动又慢下来。这个过程传播了非四配位缺陷,给局域的氢键网络带来了较大扰动,于是让周围的水分子有更大机会经历这一过程,也就产生了关联效应。这个过程循环下去,于是水分子就这样快-慢交替地进行着转动和平动,而转动与平动又相互关联、相互促进。本文的主要创新性成果是:我们第一次揭示了水分子大角度转动的关联性质及其分子机制,显示了液态水中氢键结构的缺陷对水分子动力学行为的促进作用;我们第一次给出了水分子的转动对平动扩散的贡献程度,并发现水分子的平动和转动表现出相互耦合的动力学非均匀性,进一步我们提出了水分子平动扩散可能的微观机制。本论文的内容安排如下:第一章介绍了研究工作的背景和意义,以及我们采用的研究方法;第二章呈现了我们对体相水中水分子跳跃性转动的关联性的研究;第三章展示了我们对水分子跳跃性转动与其平动扩散的关联性的研究;在第四章中我们对全文进行了总结。