纳米碳管和石墨烯是两种非常有名的碳基材料。由于它们优异的性质,如高强度、高导热率、超疏水以及独特的电学性质等等,它们有很多潜在的应用,如构造高强度材料、构造导线、水处理、生物医药等。特别的,由于纳米碳管内壁非常光滑,当把纳米碳管放入水中并在两侧加上压力差时,在其内部会形成高速的水流。所以,现在有很多关于纳米碳管内的水流机制和利用纳米碳管进行纳米器件构造方面的研究。而本论文也主要集中在研究纳米碳管内部的水和离子的输运性质上。此外我们还将简单讨论石墨烯的构象在不同环境下的变化。在第一章中,我们简要介绍了纳米碳管的结构和性质。然后我们描述了水分子在碳管内的结构以及其在碳管内的输运性质。接下来我们讨论了如何控制纳米碳管内水流的大小和方向,并总结了最近的研究成果。最后,我们讨论了离子在纳米碳管内的水化层结构和离子在碳管内的输运性质。在第二章中,我们介绍了研究中使用的分子动力学模拟方法。我们首先说明了分子动力学模拟背后的基础理论和数学模型,然后我们介绍了进行一个完整的分子动力学模拟的基本步骤和一些重要的算法。其中,我选择了一些常用的力场进行介绍。最后,我详细说明了构建一个纳米碳管的结构的过程。在第三章中,我们使用分子模拟系统地研究了一个嵌入在磷脂双分子层中的碳管内的水流性质(即水流大小)。我们的结果显示碳管的亲疏水性和磷脂的厚度对碳管内部的水流大小影响很大。有意思的是,由于磷脂的厚度是和温度相关的,所以水流大小可以通过温度来调控。此外,我们还研究了纳米碳管对周围磷脂膜结构的影响。我们发现,在320 K下,纳米碳管可以显著地提高周围磷脂的尾部有序度,并且增大周围磷脂的厚度。然而,这些效应在290 K下并不明显。重要的是,我们发现一种特殊亲疏水性的纳米碳管,这种纳米碳管对磷脂结构的影响很小。在第四章中,我们研究了一个旋转的手性纳米碳管的泵水效应(即产生单向水流)。我们发现手性和旋转是在碳管内产生单向水流的必要条件。此外,水流大小与碳管的转速大约呈对数关系,与碳管的长度关系不大,与碳管的内径呈线性关系。需要说明的是,这些关系在一定范围内才有效。最后,我们利用拖拽理论来描述我们观察到的现象,而且理论得到的结果与模拟符合得很好。在第五章中,我们提出了一种新的使用纳米碳管进行海水淡化的模型。我们把纳米碳管两侧修饰上电荷量随时间变化的电荷,结果显示当电荷振幅的大小在0.04 e,且其振荡频率在10 THz到20 THz之间时,纳米碳管可以完全阻碍离子的通过。我们测量了离子通过碳管时的平均力势,确实发现当离子通过纳米碳管时存在一个很高的势垒。当我们的电荷量逐步降低或振荡频率偏移最佳的频率范围,则碳管内的离子通过速率会逐渐升高。这个现象可以通过振荡电场与碳管内的水分子间氢键的共振来解释。当电荷量足够大,且电荷的振动频率和水分子间氢键的固有频率一致时,共振会打破氢键,从而扰乱碳管内的离子水化层,使得离子的自由能升高,达到阻碍离子通过的目的。最后,我们还尝试使用其它不同大小和不同电荷量的离子,发现这种机制同样存在。在第六章中,我们研究了富勒烯(直径从0.7到2.3 nm)与石墨烯在室温下的自组装。我们发现通过范德华相互作用,单个富勒烯可以自发地被石墨烯带包裹。但是,如果石墨烯带的宽度太大,则富勒烯就仅仅会吸附在其表面。为了克服石墨烯的弯曲能,我们尝试使用多个富勒烯,我们发现它们可以自发组装成更复杂的结构。重要的是,当富勒烯的大小变化时,多个富勒烯表现出非常不一样的行为。巨型的富勒烯可以协同卷起一个很大的石墨烯,而较小的富勒烯之间的协同效应就要弱一点,甚至完全消失。最后,我们发现如果在石墨烯下加上底板,可以完全阻碍这种自发包裹的行为。在最后一章中,我们将简单地总结本篇论文,并展望今后在碳基材料方向的工作。