众所周知,将纳米尺度颗粒填充到碳纳米管的受限空间中能够形成奇特的一维纳米复合材料。这种纳米复合材料由于其在力学、化学、物理、光电学甚至生物和医学领域所呈现出的独特的性质和优良的性能,近些年来已经引起人们的广泛关注,表现出广阔的应用前景。目前,人们已成功将C60、金属纳米颗粒(如金属纳米线等)、水分子及各种化合物填充到碳纳米管中。研究表明,填充后的纳米管基复合材料在力学上与原来的纳米颗粒或者碳纳米管相比性质会发生很大变化。因此,了解被填充纳米颗粒与碳纳米管之间的相互作用模式以及控制填充后碳纳米管复合材料的性质对于进一步构建纳米尺度装,使其独特性质得到充分利用具有重要意义。本文对石墨烯纳米带、离子液体自发填充碳纳米管的行为以及铁熔体在碳纳米管受限空间中快速冷却情况下的相变行为进行了系统的分子动力学模拟计算研究。本研究发现了石墨烯纳米带能够自发填充进入碳纳米管中并且形成完美的螺旋结构这一奇特现象。通过计算证实,范德瓦尔斯力能够将石墨烯纳米带吸引并且束缚在碳纳米管受限空间中,而石墨烯纳米带螺旋结构的形成则主要归因于六元环之间的π-π堆积作用。当两根石墨烯纳米带从两端分别进入碳纳米管时,能够形成类似于DNA的反向双螺旋结构。水团簇的存在对于石墨烯纳米带的填充过程有着重要的影响。与此同时,我们还发现了石墨烯纳米带／碳纳米管复合体系在药物传输方面的巨大潜质。离子液体[Bmim][Cl]分子自发填充行为主要与范德瓦尔斯力和π-π堆积作用有关。在填充过程中体系表现出明显的尺寸效应。同时,我们也发现温度的升高对这种自发填充行为有着不利的影响。当石墨烯与离子液体共存时,石墨烯在自发进入碳纳米管中的同时也阻止了离子液体进入到管中,但是石墨烯在管外的自发包覆行为却有助于离子液体向管中运动。另外,离子液体能够将水分子排出到管外,将有助于我们根据需要调节纳米材料的性质。当我们将铁原子填充到碳纳米管受限空间中时,管内铁原子在不同温度下的排列形态都是呈同轴壳层状的,而且随着温度的降低,呈现出越来越清晰的螺旋多壳共轴圆柱结构。在相变过程中我们还发现铁纳米线／碳纳米管体系在循环相变过程中存在记忆效应。冷却后,铁纳米线的形貌和双体分布曲线的形状与目标温度和碳纳米管的几何尺寸有关。尺寸效应对凝固的影响明显,随着管径的增加,管内原子受管的影响越来越弱,内部同轴螺旋壳层结构的有序性越来越差。本论文的研究结果对于在原子层次上深入理解被填充纳米颗粒与碳纳米管之间的相互作用模式以及控制填充后碳纳米管复合材料的性质具有重要意义,并对开发利用石墨烯纳米带、离子液体和金属纳米颗粒与纳米颗粒形成的复合材料提供了重要的理论指导。