和宏观的水体相比,受限在纳米通道中的水表现出新的行为,其微观运动规律和机制引起了人们的广泛的兴趣。在这篇论文中,我们采用分子动力学模拟,研究关于在碳纳米管中的水分子在非均匀电场中的行为的一些有趣的问题,例如：分子水泵,分子水探头,分子双稳态触发器和分子水开关。在一个碳纳米管中实现一个快速的单向的单列水分子流,对于基于渗透膜的污水净化和海水脱盐是非常重要的。为了这个目的,电渗透方法被认为是一个有希望的方法,已经在文献中被广泛讨论过。我们采用分子动力学模拟提出一种分子水泵的设计,这种设计通过沿着一个单壁碳纳米管的管轴方向加上一个线性的梯度电场来实现水泵的效果。设计这样的梯度电场是受到了邻近生物膜水通道的离子所产生的梯度电场的启发,这样的离子梯度电场能使水分子进出生物膜通道。在实验中,这样级别的梯度电场能够被原子力显微镜带电探头产生。我们发现,梯度电场所驱动的单向水分子流的速度要比匀强电场的快一到二个数量级。相反的水流在匀强电场中能被观察到,在梯度电场中不会发生,这使得梯度电场比匀强电场更加有效。这个高效的梯度电场水泵的物理机制是：水分子是个电偶极矩分子,在梯度电场中能产生一个非零的净力。我们的研究对于设计纳米尺度高效可控的净水装置具有重要的意义。高分子构象的探测在许多物理和生物应用中有特别重要的地位。这里,我们从理论上提出一种探测高分子链电荷序列的方法。我们的分析基于分子动力学,研究在一个一端有碳帽的单壁碳纳米管中的一列水分子在外电荷+e或-e (e：基本电荷)下的反应.电荷位于碳帽顶端附近。当-e→+e或+e→-e,我们揭示了皮秒级别的水分子链偶极矩方向的转变,我们的结果能够通过水分子-电荷之间的相互作用和水分子-水分子之间的相互作用来解释。因为,Tu YS.[2009Proc. Natl. Acad. Sci. USA10618120]等研究者的研究表明：这样的水信号能够被放大,所以这种高分子“电荷指纹”序列的探测具有潜在的应用价值。基于分子动力学模拟,我们研究一种电荷驱动的分子双稳态触发器,这种器件把几个水分子放入一个一端有碳帽的单壁碳纳米管中。这种双稳态触发器有两个状态,能够存储信启、,并且这两个状态可以在2.5-3.5ps(286GHz-400GHz)这么短的时间内发生触发转变。这种器件的物理机制是：水分子和点电荷产生的非均匀电场之间的相互作用,即,每个水分子都会朝着静电能最低和电场强度最大的位置运动。这种双稳态触发器对分子计算领域有一定的价值。基于分子动力学模拟,我们研究水分子通过一个单壁碳纳米管,在管子的外侧放置了四个半环氟化锂分子,每个半环有六个氟化锂。氟化锂分子的锂原子朝着管的轴心,锂原子到轴心的距离为R。当R<0.944nm,水不能在管内流动；当0.944nm<R<1.562nm,随着R的增加,管内的水分子流量越来越大；当R>1.562nm时,管内的水分子流量不依赖R的变化。在极性分子的诱导下,这个模型显示了水流的开和关效应。有限元分析表明,氟化锂分子产生的静电场在这个开关过程中扮演了重要的角色,即,每个水分子都会朝着静电能最低和电场强度最大的位置运动。我们的发现对设计基于极性分子和碳纳米管的纳米器件有重要的意义。