随着纳米科技的发展,生产工艺精细化,器件不断微小化,界面的重要性就愈发显得突出。典型纳米与生物界面的结构和性能与众多物理、化学和生物过程息息相关,是分子物理力学研究的前沿热点。在过去的十几年中,典型纳米界面如微纳流体器件研究由于其在多个领域的广泛应用而备受关注。离子溶液和各种固体界面的相互作用涉及到许多的物理化学现象和工艺过程,如腐蚀、润滑、多相催化,纳米粒子自组装和电化学等。而碳纳米材料结构多样,界面光滑疏水又易于修饰,为研究纳米界面离子液体的结构和行为提供了一个非常理想的环境。在纳米尺度下,这些液体在固体的界面往往有多种不同于体相的结构和有趣的性质。获得微纳尺度下水和离子液体同固态界面的分子结构图像和作用机理,对设计和发展海水淡化膜、仿生功能纳米通道等有重要的指导意义。典型生物界面则以生物体中最普遍存在的两亲膜脂质组成的双分子层为代表。生物体内信号传递、物质输运等重要的过程与磷脂膜密不可分。人工合成的纳米物质可能对生命体表现出毒性,而另一方面,部分人工纳米分子则可以用于靶向药物输运、生物制药等来为人们服务。探索柔性生物界面的分子动力学行为对设计药物输运、生物成像、组分分析等工具具有重要意义,在生物医药、化学分析等方面具有广阔前景。本文的主要内容概括如下:(1)单层石墨炔多孔材料彻底脱盐快速淡化海水的研究:海水淡化是解决淡水资源稀缺的重要途径,而碳纳米材料的快速发展有望提供完全不同于工业中传统方式的淡化手段。石墨炔(Graphyne)材料具有单层多孔的特征,是用于海水快速淡化的理想材料。我们通过系统的分子动力学模拟和第一性原理模拟,验证提出采用石墨炔进行百分百脱盐快速淡化海水的全新方法。采用石墨炔进行海水淡化,获得淡水的水通量是传统方法的百倍之多;同时,α-石墨炔、β-石墨炔和石墨三炔均具有百分百阻隔包括钠、钾、镁、钙和氯等离子的作用。通过分析垂直材料界面的水分子密度分布和过孔溶液结构发现,孔中的水分子以单链形式传输。进一步采用伞形抽样获得平均力势,发现石墨炔的这种特性源自于它本身独特的多孔结构,离子通过这些孔必须要克服比水分子高得多的能垒。利用石墨炔过滤盐水为未来的海水淡化提供了一条独特而富有希望的途径。(2)二维固-液界面水结构的调控研究:界面水在纳米和生命体系都具有非常重要的媒介作用,甚至直接参与界面功能的调控。固体界面的几何特征和亲疏水特性决定了界面水的结构。在这里,我们通过系统的分子动力学模拟,改变水分子同基底相互作用的Lennard-Jones势参数和水模型来研究界面水的结构。我们发现,疏水界面水滴接触角和亲水界面的表面水层结构均同水模型的选择有关。对TIP4P水模型,低温下在界面从疏水转变为亲水的过程中,水滴首先变为双层六元环水膜,进一步变为单层不规则水膜。对常用的经验势水模型在亲水界面结构进行比较,我们发现三点位水模型倾向于形成平面四方结构,包括亚稳态四方结构;而四、五点位模型形成无序结构,其局部存在四方和六方结构。这些结果说明界面水的结构对势参数和水模型的选择非常敏感,不同模型和参数对疏水相互作用的描述相对更加一致;三点位的水模型趋向于形成四方结构,四、五点位的模型比三点位的模型更易形成六方结构。(3)纳米尺度多维度受限水合离子结构与动力学性质研究:纳米尺度离子水合和许多生命过程紧密相关,例如膜通道蛋白的离子传导。同样,这些过程对于海水淡化,生物传感和能量转化等技术应用具有指导意义。然而,纳米尺度空间内的离子水合并没有被完全揭示,许多疑问还亟待解决。我们采用分子动力学模拟研究了多种纳米维度下受限空间对离子水合的影响,发现当特征长度不超过1.5 nm时,受限空间对水合离子结构有明显的调控,同时能减缓水合层内水分子的运动。这种现象的产生跟离子与约束壁面的相互作用以及约束壁面附近水分子的有序排列密不可分。对不同维度下水合离子的结构与动力学行为比较发现,水合离子在受限空间内自由度越低,受到的影响越大。进一步分析表明,该影响本质上同水合离子与壁垒接触的概率呈正相关。这些发现能够帮助功能微纳流器件的设计,同时也有助于人们对生命系统中相关过程的理解。(4)苯乙烯马来酸酐无定型共聚物提取纳米脂质盘的机制研究:膜蛋白的实验表征通常需要一个蛋白质溶解于溶剂的过程。近年来,苯乙烯-马来酸酐无定型共聚物(styrene-maleic acid copolymer,SMA)在膜蛋白表征中的应用使其受到广泛关注。这种无定型共聚物能够提取膜蛋白及其周围天然的磷脂双分子层环境,形成尺寸均匀分布的苯乙烯-马来酸酐纳米脂质盘(styrene-maleic acid lipid particle,SMALP),非常便于进行蛋白质结构与功能特性的后续研究。该方法对膜蛋白及其周围环境的直接提取,保持了天然的磷脂环境,避免了蛋白质的聚合和变性。虽然近年SMALP的应用正在不断增加,但人们对于其背后的分子机制却仍然知之甚少。我们采用粗粒化分子动力学方法模拟,揭开纳米脂质盘的形成机制及其动力学过程。研究结果表明,疏水特性使这种无定型共聚物能非常容易绑定在磷脂双分子层的表面。提高聚合物的浓度之后,绑定在磷脂双分子层表面的多条聚合物能够协同作用使磷脂膜产生缺陷,随时间演化为跨膜水孔。这些两亲共聚物能够嵌在这些孔的边缘,使得孔能不断扩展增大,从而完全解离磷脂膜。由于周期性边界条件限制未能得到最终形态的纳米盘,分子动力学模拟的混合物自组装过程表明纳米盘形态是最终的热力学稳定态。我们的研究结果阐明了纳米脂质盘的形成机制,为该方法在膜蛋白研究领域的应用提供了共聚物结构设计与膜蛋白提取条件的参考。