目前由于世界淡水问题，纯水净化技术得到了广泛关注，过滤膜是这项技术中的重要部件。被约束在特定窄管径的纳米通道中(1～3nm)以及处于固液界面上的水分子会展现出了许多与宏观体相水(bulk water)不一样的特殊行为，比如流体在纳米管道中流速更快，是否通过纳米管道可以精确的被控制。由于纳米碳管的优异性能，常常被用作过滤膜上的孔道。因此研究水分子在纳米管道中的传输行为具有重要的意义和广泛的应用价值，比如可以为用于污水处理，海水淡化的纳米器件的设计提供理论预测和依据；可以为生物水通道中水分子传输机制提供理论解释。　　 如何精确的操控纳米管道中流体的传输是其中一个重要的问题。生物细胞膜上的蛋白水通道为我们提供了非常好的榜样，位于通道中的氨基酸残基上的电荷，对于水分子的通过率、有效排除质子的输运等功能起着非常重要的作用，其中位于通道壁上三个保守区域中的电荷尤其重要。近几十年来，利用分子动力学模拟方法(MolecularDynamics Simulations)，研究处于纳米尺度下，受限环境中的水分子行为引起了广泛的兴趣。在生物水通道结构的启发下，本文作者把三个电荷放入纳米碳管模型系统中，电荷根据碳管中线不对称放置，结果显示这个纳米通道展现出完美的水泵行为。在这种精心设计的模型系统的帮助下，本文作者定量地调控电荷对于单向流量的影响并清晰地揭示出这个十分有趣的现象背后的物理机制。　　 由于生物系统的复杂性，基于纳米碳管(CNT)的纳米通道，被广泛用于生物水通道蛋白的模型系统，来研究生物水通道蛋白的一些基本规律。位于水通道中部保守区域中的两个部分电荷是维持管内一维水分子链的双极性取向，不让质子通过同时容许水分子快速通过的必要条件。受到这一生物现象的启发，本文作者利用分子动力学模拟在单壁碳纳米管和管外2个部分电荷+0.5 e组成的系统中对水分子的选择行为进行研究。电荷的电量以及相对位置均与生物水通道中的保守区域NPA中的电荷一致。结果显示，与有一个+1 e电荷的系统比较，当两个+0.5 e电荷与碳管壁很接近时(距离小于0.5A)，两个部分电荷的碳管系统具有更好的水分子选择性。这个发现为将来的纳米器件中采取何种电荷的分布能达到高效控制水流提高了理论依据，并且能为生物水通道中NPA区域两个部分电荷功能重要性的研究提供简单的模型和合理机制。　　 在宏观管道中，管内水流速度几乎不受外界环境的影响，但是本文作者发现在纳米尺度下外界环境对纳米管内水流速度的影响不能像在宏观管道中那样被忽略不计。通过不断改变石墨板之间的位置来达到改变外界环境的目的，结果显示外界环境中分子与管内水分子相互作用越强，水流流速越慢。这个发现其实人们在高效纳米器件的设计中外界环境也需要被考虑。　　 水资源短缺的问题是中国未来中长期经济和社会发展无法回避的一个重大问题。污水处理和海水淡化是解决水问题的主要途径。微纳米通道中的流动特性是污水处理和海水净化的关键—过滤膜的主要部件。但是近十几年关于过滤膜的微纳米通道进展很小。本文作者上述的研究工作均显示出，设计出可操控的模型系统以及配合上合适的分析方法可以定量地调节某些因素对水分子行为的效果，并清楚地刻画出其中的分子机制。为本文作者设计高速输水的纳米器械提供理论预测以及依据。这种直接从分子动力学模拟的轨迹中进行探索的新的研究思路，也将会变得越来越重要。本论文从分子和纳米尺度，结合分子动力学模拟，分析纳米碳管中水分子的有别于宏观的特殊物理规律，包括电荷对水分子作用的特殊性和受限空间中水分子协同作用。特别强调新的物理规律的发掘和应用。同时，根据以上研究成果，并借鉴纳米生物分子的结构，希望从理论(包括模拟)上设计具有更高通透性微纳米水通道。本论文的成果还有利于其他很多纳米相关技术，包括生物传感器(需依赖微管道对分子疏运)、微流控生物芯片的发展。