新型纳米通道如碳纳米管（CNT）、多孔石墨烯和层状石墨烯通道等在海水脱盐、离子分离、药物输运及海水的能量富集（蓝色能源）等领域有着广阔的应用前景。水在纳米尺度中表现出与宏观尺度中许多不一样的特性,如超快的水输运、有序的水结构等。纳米通道表面的超疏水、低摩擦（超光滑）特性导致水在固-液表面具有超长的滑移长度,是纳米通道中超快水输运现象的主要原因。大量实验和理论模拟研究已经证明水在CNT中的输运速率比经典流体力学Hagen-Poiseuille方程预测的高几个数量级。众所周知,溶液中水合离子的水壳层半径大于水分子的半径,因此尺寸大小合适的纳米通道可以用于海水脱盐。不同离子的水壳层半径、水配位数以及水与离子结合能均不同。通过设计官能化的纳米通道可以实现水分子和离子的有效分离。另外,空间位阻效应、库伦相互作用和外部驱动力等都能影响水分子和水合离子在纳米通道中的动力学表现、输运速率及选择性。充分理解纳米尺度下水与水合离子的输运和分离的物理机制,对纳米流器件的工业化应用有重大的意义。第一章首先详细阐述了纳米通道中的水的动力学表现与输运性质,以及纳米通道中水合离子的动力学表现、输运性质及水合离子进入纳米通道时的脱水过程。接着简述了几种新型的纳米通道材料。最后详细介绍了纳米通道在能源环境领域的重要应用,如海水脱盐、离子分离和海水能量收集。第二章简要介绍了分子动力学的理论基础和计算方法,包括运动方程、力场、周期性边界条件以及控温控压的方法等。本章还介绍了伞形取样计算水合离子跨膜能垒的原理与方法、几种分析处理数据的方法及计算流体传输性质的方法、基于文丘里效应设计纳米水泵的原理。第三章研究了单层多孔六方硼氮膜材料（h-BN）在海水淡化中的潜在应用。研究表明,孔径大小合适的h-BN膜在实现100%脱盐率的同时具有超高的水渗透性。相同条件（脱盐率均为100%）下N4孔隙的h-BN膜的水渗透性高于多孔石墨烯。由于多孔h-BN膜独特的电子结构,使得h-BN膜表现出优于石墨烯的水渗透性。本章还进一步研究了单层多孔膜的孔极性对水输运的影响及其内在的物理机制。研究发现,当孔边缘N原子的部分电荷显负电性时,水通量随着极性强度的增强而升高,当原子电荷达到|q|=0.4 e/atom,水通量达到极大值（刚性膜）,之后随着极性继续增强水通量开始降低。水通量的极大值是未考虑孔极性时的两倍。相反,对于B边缘的h-BN膜,水通量在极性强度较弱时略微降低水通量,而在极性强度很大时,没有出现孔道堵塞的现象,这是由于孔边缘次近邻N原子作用的结果。这一发现可以帮助我们设计出更加高效合理的单层多孔膜用于水脱盐等应用领域。第四章主要研究了压强和电场分别驱动离子跨膜输运时,Na+/K+水合离子的脱水、输运和选择性机制,及其在CNT中输运时的微观动力学过程。通过系统的动力学模拟研究,我们首次提出了两种不同离子脱水与输运机制,解决了目前在尺寸效应决定离子选择性时的争议性观点。压强驱动时,离子在周围水壳中的水的裹挟下通过限域的纳米通道,水合半径小并且水壳层更稳定的Na+离子更容易通过CNT。而当电场驱动离子跨膜输运时,离子将不断从水壳层中逃离出并与周围的水分子形成新的水结构,水合半径较大并且水壳层更松散的K+离子将更容易打破水壳层脱去水分子进入纳米通道。第五章基于文丘里效应设计了一种简单但在工业领域内有巨大应用潜力的纳米泵。纳米通道两端分别连接定向流动的液体和相对静止的两个水槽。由于流动的液体压强降低,水分子将从相对静止的水槽中被吮吸到流动的水溶液槽中。我们首次将宏观中的文丘里效应应用于纳米尺度的纳米流器件。此外,基于最新的实验成果,通过分子动力学系统研究了极限限域层间石墨烯通道内流体的性质。模拟结果发现,当层间高度h≤0.78 nm时通道内的扩散系数均小于体相溶液中水的自扩散系数,且通道内水的扩散系数与层间距正相关。而通道中的水的粘性均高于体相溶液中水的粘性,并与层间距负相关。虽然极限限域通道内水的粘性远高于体相溶液中水的粘性,但是极限限域通道仍然表现出超快的水输运现象。