纳米流体是指受限于纳米空间中的流体,常见的纳米限域包括了纳米管、纳米孔、纳米通道以及其它更加复杂的纳米空间结构。根据受限空间的尺度又将其中的纳米流体分为“经典纳米流体”与“扩展纳米流体”。受限于纳米空间中的流体往往具有独特的纳米尺度效应,包括表面效应、小尺寸效应、量子效应等等。这些独特的效应使得纳米限域与纳米流体在离子分离、生物医学、纳米检测以及能源利用等领域都有着广泛的应用。特别是当水分子限制在纳米尺度的空间中时会表现出与宏观本体水不同的特性,如超快速的水输运、独特的水结构与介电性能等等。而纳米限域的结构、尺寸以及自身原子的属性均会对受限水分子的性质产生影响。比如尺寸较小的碳纳米管（CNT）结构规则、超疏水以及超光滑的内表面就是造成水分子快速输运的主要原因。在碳纳米管中存在滑移而在氮化硼纳米管中不存在滑移则证明了限域的界面原子的属性也是影响纳米流体的主要因素。而受限于碳纳米管与石墨烯层间通道中的水分子也能够表现出独特的单链水分子与二维“冰”结构。通道内壁与水分子偶极之间的相互作用,也会导致通道中水的介电性能发生变化。众所周知,溶液中的离子与水分子会形成独特的水合离子结构,但当受限空间的尺寸小于或接近于水合离子的尺寸时,则会发生脱水过程,即部分水壳层中的水分子会脱离离子的吸引导致出现残缺的水壳层结构。这种不完整的水壳层对离子的动力学性质起着决定性的作用,这种半脱水机制也正是离子选择性的基础。因此,充分理解纳米尺度下水分子和离子的输运性质,对纳米流器件的设计与应用以及实验研究都具有重要的指导意义。本文致力于研究在电场和压驱动下,水分子与离子相互拖动耦合穿越纳米通道的动力学性质。第一章我们首先对纳米流体力学做了简单的介绍。然后介绍了包括碳纳米管、纳米孔与纳米狭缝通道在内的几种常见纳米限域以及纳米流器件在膜科学、单分子检测与调控、能源利用以及生物传感器等领域的应用。最后,我们对水分子和离子的跨膜输运性质,纳米通道对离子的选择性,纳米通道中水和离子的特殊结构以及纳米水流驱动方案的发展做了简单的总结。第二章我们主要介绍了分子动力学的理论基础与计算方法。其中分子力场、分子运动方程与相互作用的求解,分子动力学模拟的流程以及最终数据的处理方法是核心。对于短程相互作用的截断处理以及长程相互作用的Ewald处理方法我们也做了详细的介绍。此外,我们还简单介绍了模拟中控温控压的方法,周期性边界条件以及模拟使用的Gromacs软件包。第三章我们致力于揭示压差驱动下水分子和离子耦合输运通过（10,10）CNT的性质。结果表明不同种类的阳离子对输运过程有着不同程度的阻碍作用,水分子和离子之间相似的动力学性质则表明二者的运动存在强力的耦合关系。此外,随着盐浓度增大,离子对输运过程同时存在促进与抑制作用,会导致水分子和离子的通量出现独特的变化行为。我们还发现不同的离子能够以单离子、离子对、三离子乃至更复杂的形式共同输运通过CNT通道。这些动态的离子结构与水和离子的动力学之间存在密切联系,这种内在联系将会给未来水和离子输运的研究提供新的思路。第四章我们介绍了一种基于不对称疏水-亲水表面上流动的离子驱动碳纳米管中单链水分子的新颖纳米水泵。电场驱动下带电表面上离子和水分子的耦合运动将会为这种水泵提供间接驱动力。外电场,表面电荷密度以及驱动离子的种类都与被驱动水的动力学与热力学性质存在密切关联。特别是带正电与负电表面上驱动离子通量的差异会导致被驱动的水的流量、通量以及输运时间存在显著差异。同时,由于表面电荷与上部区域内的水分子对管道中水的偶极取向存在竞争,导致带正电表面的系统中受限水分子表现出异常的三峰偶极取向分布以及高频率的偶极翻转事件。总之,模拟结果证明了我们利用不对称带电表面上运动的离子来驱动水分子通过纳米通道的方案是可行的,这或对未来纳米流器件的设计有重要的指导意义。第五章研究了水分子和离子输运通过一种新型石墨烯纳米通道的性质。结果表明在不同的通道高度、外电场强度以及离子浓度的条件下离子的通量总存在一个普适的顺序K+＞Cl-＞Na+≈Li+,且K+的通量几乎是Na+和Li+的两倍,因此也表明此类通道具有一定的离子选择性。通道内离子的结构与动力学性质表现出对通道高度的异常敏感,在低高度的通道中离子会形成独特的二维水壳层结构。水合离子在进入单层高度的通道时水壳层会发生从三维到二维的转变。在电场中,通道内离子的运动可以使用一维的Langevin方程进行描述。另外,通过一维的Poisson–Nernst–Planck方程也能很好的预测离子浓度与通量之间的关系。我们的结果为水和离子通过石墨烯纳米通道提供了新的见解,并为未来用于筛选离子的纳米流器件的设计提供了一定的指导。