沿着延展的线性轨道定向运输分子货物的纳米马达是近年来兴起的一个研究热点。这种基于轨道的纳米马达将实现高定位精度，高效率的纳米运输，具有广阔的应用前景。目前实验上实现的马达一轨道系统全部是采用生物分子特别是DNA分子构造而成，并利用自然存在的生物催化剂实现对马达的调控。这些DNA马达在定向运动的机理方面处于原始的水平，依赖于特殊的生物分子，而且制备和运行操作上也有诸多限制。因而离实际应用尚远。更先进的马达一轨道系统的发展面临两大瓶颈性难题：一是缺乏热力学概念上有创新，实现线路明确的定向运动机理，二是缺乏适用丁多种马达一轨道体系的调控技术。本论文的目的是发展超出已有DNA马达的定向机理和以光吸收引发的分子结构变化为基础的马达调控机制，为发展原理先进，激光驱动的新一代马达一轨道系统准备理论基础。本论文主要包括以下三个方面的研究工作。 1．在仔细考虑马达．轨道体系分子细节的基础上，我们提出三种普遍的纳米马达工作机制。我们引入了能级图的分析方法，具体确定了马达工作循环中的能量流路径。并以能级图分析为基础发展出马达机制的解析理论。对马达运动的动力学模拟研究发现马达的方向性，持续行走长度和速度都取决于马达一轨道体系几个关键参数的选取。更有趣的是，马达的性能随着轨道结合点间距的变化呈现出多峰多谷的震荡型关系。我们的解析理论揭示了震荡的分子机制，并定量的再现了变化曲线的峰值。这些发现提供了一个可靠的理论基础，可用于定量的分析并最优化马达的性能，为实验研究确定具体分子参数。马达性能的大幅度振荡现象的发现还表明了从系统控制角度研究纳米马达的必要性，值得在未来研究中进一步探讨。 2．作为上述普遍机制的一个具体实现，我们提出了一类新型的沿延展轨道定向行走的环．桥一环型分子马达。该马达基于实验上已经实现的分子穿梭机的纳米机制，并以六元环生物马达helicases佐证。当互斥的双环都被平行锁在轨道上时，环的平动对称性被打破。在对称破缺的基础上产生了偏向性。以此为基础，我们所建议的机制将双环之间的距离变化调整为马达整体沿着延展轨道的定向运动。对马达的操作被简化为三步光致分子异构化操作。应用实际参数对马达体系的数值模拟，进一步验证了该马达的工作机制。该纳米马达的一个突出优点是它的运行将具有超乎寻常的稳定性。一旦实现，它将非常适合在苛刻环境下的长程分子货物输运。 3．对激光驱动的纳米马达体系的热力学性质进行了定量研究，建立了相应的单分子散热理论。由于考虑了足够的分子细节，通过该理论我们可以定量估计分子马达在溶液中的散热效率，并提出提高散热效率的可能途径。我们发现，在水溶液中光控分子马达能够在比其自身工作循环周期快几个数量级的时间内(～100ps)迅速的驰豫到室温，从而避免马达过热，以及过热对其运行稳定性和光吸收性能的相应影响。但是，对于非水溶液环境中，在激光周期内多余的热量会可能积累，因而马达自身有效温度出现周期性升降的现象。这种周期性热力学是光动纳米马达的普遍性质，它对马达性能的影响值得进一步研究。