碳纳米管自1991年问世来,以其独特的结构及优异的性能引起了全世界范围内的研究热潮。一方面,由于具有优良的力学、热学、电学及光学特性,碳纳米管在纳米复合材料、光电纳米器件等领域有着广阔的应用前景。另一方面,碳纳米管独特的一维中空结构,使得外来物质的填充成为可能,并且通过填充赋予了碳纳米管更加新奇的特性,从而开辟了碳纳米管研究及其应用的一个全新领域。由于碳纳米管尺度非常小,实验研究碳纳米管的填充现象非常困难,因此,利用分子模拟技术研究碳纳米管具有独特的优势。本文旨在利用分子动力学模拟的方法研究不同物质在碳纳米管内的填充情况,对整个填充过程进行描述并对其机理进行解释,探索影响填充现象的因素,并提出一种基于碳纳米管填充的纳米释放系统。　　 首先,通过基于COMPASS力场的分子动力学模拟研究了聚合物分子短链在碳纳米管中的填充情况,主要研究了聚合物分子的极性和碳纳米管的修饰基团的极性对填充现象的影响。研究表明聚合物分子和碳纳米管的修饰基团的极性均对聚合物分子在碳纳米管中的填充有阻碍作用。一方面,通过比较聚乙烯,聚氯乙烯和聚乙烯醇分子在碳纳米管中的填充情况,发现强极性的聚合物分子如聚氯乙烯和聚乙烯醇分子不能填充进碳纳米管中,而非极性的聚乙烯分子则可以填充碳纳米管。另一方面,研究了修饰在碳纳米管外壁上的修饰基团的极性对聚合物分子在碳纳米管中的填充现象的影响。结果表明带苯环的聚苯乙烯和聚苯乙炔分子可以填充进未修饰和非极性基团修饰的碳纳米管中,但是却不能填充进极性基团修饰的碳纳米管。　　 其次,通过分子动力学模拟探索了聚合物分子长链在碳纳米管中的填充情况,并且研究了聚合物分子长链在碳纳米管腔内形成的结构及影响因素。模拟结果表明两条聚乙炔分子链在范德华作用下可以填充到碳纳米管腔内,并且在π-π堆积作用下自组装形成类似DNA分子的双螺旋结构。限域空间碳纳米管的直径对螺旋结构的形成有很大的影响,但是碳纳米管的手性对双螺旋结构的形成影响却很小。此外,模拟发现单条聚乙炔分子链填充进碳纳米管不能形成完美的螺旋结构,随后提出了一种促进螺旋结构形成的方法,即在碳纳米管腔内添加水团簇,水团簇对单条聚乙炔分子长链在碳纳米管内双螺旋结构的形成有引导促进作用。　　 最后,通过分子动力学模拟的方法提出了一种基于碳纳米管填充的纳米释放系统,报道了一种新的方法来释放碳纳米管内封装的物质,即通过在碳纳米管中填充新的物质来占据碳纳米管的腔内空间,从而释放碳纳米管腔内封装的物质。模拟结果表明碳纳米管中封装的分子如水、DNA或者药物吲哚美辛分子都可以通过一个置换过程由碳纳米管的新的填充物(C60或者金属纳米线)释放出来,其主要原因是碳纳米管和新的填充物之间的范德华结合能比碳纳米管与封装物质之间的范德华结合能要强很多。为了定量反映这个释放过程,计算了封装分子(或置换分子)与碳纳米管之间的质心距离。更进一步的,对各种能量的研究表明释放过程是一个自发的过程并且范德华力是整个释放过程的主导作用力。最后,讨论了几个影响释放过程的因素,例如碳纳米管的直径、长度。　　 本文通过分子动力学模拟得到的结论从微观上为碳纳米管在增强聚合物复合材料、纳米器件的设计、纳米通道等方面的应用提供了理论指导。分子动力学模拟的方法可以降低研究成本,缩短研究周期,并且显著减少实验工作量、有效定位实验研究的方向、更可以验证实验研究结果的准确度和精度。