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膜技术是先进的环境治理技术，已经在废水、废气处理等领域发挥着关键的作用。膜技术还是解决世界范围缺水，提高用水水质的重要技术。膜分离技术虽然在近几年取得了许多重要的进步，也在工业上得到了大规模应用，但是其效率、成本和功能都还未能达到人类所期待的目标，尤其是其在分离效率和能耗方面与生物通道相比是相去甚远。 提高膜分离速率的传统方式是增加推动力，而非平衡热力学指出:推动力的增加使得系统的不可逆程度增加，此时系统的能量效率降低，将导致速率和能量效率的博弈。绕过这种博弈、应对问题的新思路是采用非平衡热力学原理进行分析:过程速率的增加还可通过外加一个体系，这个体系可以是物质、界面或外场。生物孔道借助于其孔道壁面性质的作用对流体的传输体现出了高通量、高选择性和低能耗。纳米孔道内的界面性质影响了流体的微观结构，使得流体表现出与体相中不同的性质，如水在碳纳米管内极高的传递速率与碳管极度惰性的壁面有关。 当前大多数流体在膜孔道内的传递机理都是以经验为主，不能用于高效膜材料的设计。分子模拟手段可以从分子层面考察流体的传递行为，以碳纳米管为膜孔道模型，分析流体与界面的相互作用，与生物通道内流体的传递行为相比较，抽提流体在界面性质影响下的膜孔道内的传递机制，指导新型高性能膜材料的设计。 本文以分子动力学模拟为手段，以碳纳米管为孔道模型，考虑孔道内界面性质的影响，以电场作为推动力，即非平衡的条件，研究水以及离子的传递行为，探索流体在界面性质影响下的传递机制。 考虑到电场对水分子偶极的改变会对水分子在纳米孔道的传递行为产生影响，分析了不同电场强度下，修饰与未修饰碳管内水结构的变化。外加电场使碳管内水分子的偶极夹角沿轴向均匀分布，电场越强，水分子的偶极夹角越小。电场引起的不同偶极夹角导致了水分子轴向密度分布（平均势能分布）曲线中不同的峰，也意味着不同的水分子势能。水分子氢键数随着电场的增强而减小，但是也沿碳管轴向分布均匀。水分子的偶极夹角和氢键数沿碳管轴向的均匀分布说明电场作用能够让碳管内水的结构变得更有序。与电场相比，羰基使得水分子密度分布和氢键分布沿轴向有很大的波动。在水分子的偶极夹角、密度以及氢键沿轴向的分布中，都有很明显的峰值。此外，羰基还能对与其距离比较远的水分子产生影响。当体系中同时有羰基和电场时，水分子与结构有关的性质更易受羰基的影响。这主要是因为羰基氧原子自身产生的电场在其附近的强度要远远大于最大的外加电场强度（1.0 V/nm）。 离子水化的状态能够影响离子在纳米孔道内的稳定性及传递行为，电场能够改变纳米孔道内水分子的取向，其同样也能够改变离子周围的水分子取向，即改变了离子水化的状态。因此本文考察了不同强度的电场对受限于碳纳米管内的Na+水化的影响。Na+-Ow和Na+-Hw的RDF显示rmax和rmin不随电场强度的变化而变化。RDF的峰值都随着电场强度的增强而增强，这是因为外加电场能够使碳管内水分子的密度增加，从而使得Na+的水化数Nc增加。Na+和水的相互作用能和水化因子随着电场的变化而变化:相互作用能和水化因子在0.01 V/nm的电场下分别有最低值和最高值。cosα（α为水分子相对于离子的取向角）的二维分布变化显示，当外加电场方向和Na+产生的电场方向一致时，Na+的水化加强，当这两种电场的方向相反时，Na+的水化减弱。在0.01 V/nm的电场下，Na+右边水化因子增强的值要比左边水化因子减弱的值大，而在0.0333和0.1 V/nm的电场下，与0.01 V/nm电场条件下的结果相反，水化因子增强的值都要比减弱的值小。这使得在0.01 V/nm的电场下，Na+的水化在能量上是最稳定的。 模仿生物离子通道，以羰基作为K+和Na+选择性的关键因素，考察了电场对羰基结构影响，以及这种影响导致的碳管对K+/Na+选择性的改变。结果显示，K+/Na+选择性随着电场强度的增强而增大。与Na+相比，K+的第一水化层较大，且其能量补偿区域也较大，这两个差别使得K+比Na+更容易受到来自羰基氧原子的能量补偿。所以当电场强度增强时，K+的阻力增加的要比Na+小，由于这两种离子受到的推动力大小一样，K+/Na+的选择性增大。该碳纳米管通道的K+/Na+选择性随电场强度的不同而不同，体现了对电场的响应，可被视作为是一种新型的电场响应的K+/Na+选择性通道。结果还发现，增强流体运动的推动力——电场，离子的通量随之增加，同时通道对离子的选择性也增加，并没有出现通量增加，通道选择性减弱的情况(Robeson上限)，这主要是与羰基对离子选择的特殊作用机制相关。