近年来,纳米流体器件由于其在工业、生物学及医学等领域有着潜在的应用价值而备受关注。实现在纳米孔道中的流体输运是设计并应用纳米流体器件或纳米传感器等纳米器件的关键一步。尽管在宏观上有着各种各样的流体泵,但是在纳米尺度下要获得流体的定向输运却是非常困难的,原因在于纳米尺度下的孔道,其表面积与体积的比值非常大,导致流体要穿出管口必须克服一个较大的耗散势垒。因此实现在纳米孔道中的持续而稳定的定向流既困难又重要。我们根据热力学非平衡理论设计出基于碳纳米管的简单纳米水泵模型,重点研究在这些纳米水泵中的水形成定向流及该定向流受各种因素影响的物理机制,包括水在带电碳纳米管中的扩散行为的研究、碳纳米管的形变对管中定向流形成起的作用、水在碳纳米管中与外部激励因素(如电荷扰动,机械振动等作用)达到共振现象的研究和纳米水泵中的定向流出现反转的原因探索。我们用分子动力学模拟研究了管壁上有电荷分布的单壁碳纳米管中水的扩散行为,通常我们认为由于管壁带电荷,使得纳米管更显亲水性,随着电荷电量的增加,管内水的扩散系数应该减小,但是我们发现电荷电量存在一个临界值q_c,当电荷电量小于q_c,随着电量的增加,水的扩散系数减小；一旦电荷电量大于q_c,水的扩散系数随着电量的增加反而增加!通过详细计算管中水的分布特点及水与水之间的氢键网络结构,我们发现当电量达到临界值后在纳米管壁附近的水形成了一层非常有序的单层水,由于这一有序水层的出现使得氢键网络结构发生变化,这就是管中水出现反常扩散行为的原因。为了实现在纳米管中形成定向流,我们根据非平衡热力学理论设计出了基于碳纳米管的纳米水泵模型,我们引进一个周期性扰动的电荷,使系统处在非平衡态,通过使碳纳米管发生形变来达到空间不对称。在维持电荷扰动的频率不变,随着碳纳米管的形变程度的增加,管中定向流几乎线性增加,直到形变量达到一临界值δ_c=1.9(?),形变量超过该值后,定向流迅速减小为零。定向流的形成是由管内水分子跟外部扰动电荷及碳纳米管的平均相互作用力决定的。在研究纳米水泵的定向流的过程中,我们发现了有趣的共振现象。维持碳纳米管不变,而改变外部扰动电荷的频率,我们研究了定向流随频率的变化规律,发现存在一个共振频率范围,在该范围内定向流在某些特定的频率下会出现峰值。这些峰值所对应的频率值恰好落在碳纳米管中氢键共振频率的经典理论值的范围内。我们进一步注意到纳米水泵中的定向流会出现反转现象。为了系统研究定向流出现反转的物理机制,我们用分子动力学模拟了3个不同尺寸的由机械振动驱动的纳米水泵系统,结果发现在系统中的定向流随着外部机械扰动频率的改变都会出现流的反转,而且会出现定向流的峰值。首先我们得出要使碳纳米管中形成很大的定向流必须同时满足两个条件：第一,机械扰动的频率必须落在管内水分子的共振频率范围内；第二,外部机械振动在碳纳米管激发出的表面波往纳米管左右两侧传播过程中其波幅存在明显的差异。其次,我们发现定向流的方向由往左右两边传播表面波的波幅决定,若往左侧传播的机械波的波幅比右侧大,那么左侧的碳纳米管内的水密度比右侧的碳纳米管中的水的密度要小,导致往左的定向流。我们的研究工作有助于人们进一步理解水在纳米通道中的输运规律,而且,对设计出有效的纳米流体器件等有重要的理论参考价值。