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纳米受限空间的物质输运和构象变化等动力学行为涉及复杂的物理、化学和生物学过程，是分子物理力学研究的前沿热点问题。虽然纳米受限空间的拓扑构型种类有很多，但从维度上看，主要可分为一维和二维受限空间两大类。其中，一维受限体系的两个平动自由度受到约束，而二维受限体系中只有一个平动自由度被约束。作为一维受限空间的典型代表，离子通道等膜蛋白的直径为纳米级的一维传输孔道承担着特定离子和小分子的跨越细胞膜的输运等重要功能，是神经信号传递的分子基础。随着纳米科技的发展，各种人工合成的具有一维中空结构的纳米材料不断涌现，包括碳纳米管和氮化硼纳米管等，为研究一维纳米孔道中受限分子、离子的动力学行为提供了简化模型，也为人们从仿生的角度出发在人造通道中实现生物通道的快速输运等特性提供了可能。基于这些体系广泛开展受限系统的研究除了有助于揭示生物通道的结构-功能关联机制外，在新型纳米流体器件设计和高效海水脱盐过滤膜等方面也具有广阔的应用前景。此外，当一维受限空间的自由方向被压缩到单个原子厚度时，便产生一种独特的纳米受限空间，例如单层石墨烯和六方氮化硼片层上的纳米级孔洞。这一受限体系的出现为大幅度提高单分子检测技术的分辨率提供了可能。二维受限空间有两个主要的类型：可供液体吸附的平整固体表面以及间隔距离为纳米级的两个固体表面之间的受限区域。二维受限空间中液体的流动性、相行为等动力学特性一直是纳米摩擦学等研究领域的关注焦点。本文采用分子动力学模拟方法，以几种典型的生物和纳米系统的一维和二维受限空间为例，研究其中的分子、离子的特异动力学行为以及在外场作用下的调控，并结合第一原理计算，探索其中蕴含的物理力学机制。本文的主要内容概括如下：（1）钠离子通道的一维传输孔道中受限离子的水合特性和离子通道蛋白结构的稳定性研究。钠通道蛋白调节钠离子的跨膜输运，在生命活动中扮演着重要的角色。与钾通道和NaK通道相比，细菌Arcobacter butzleri的钠通道NavAb的选择性过滤器显得“短而粗”，受限在其中的离子几乎处于完全水合状态下。我们通过分子动力学模拟分析了钠离子在过滤器不同位置处的配位状态，发现钠离子在过滤器中大部分区域的水合状态都与溶液中的相同。而在绑定位点处，钠离子偶尔会与通道蛋白进行配位，但是配位的对象仅为组成过滤器的四条肽链中的一条或两条上的残基。例如在HFS绑定位点处，钠离子仅能同时与一个或者两个Glu177残基的侧链进行配位，导致残基侧链发生大幅度偏转，从而使四个Glu177变得不再对称，这一变化可以在过滤器的RMSD曲线中反映出来。此外，我们通过RMSD分析还发现所有不同的初始离子构型的模拟中，包含一个通道中不含任何离子的模拟，NavAb通道蛋白都表现得非常稳定，这与钾通道和NaK通道只能稳定于某些特定的离子构型截然不同。此外，离子传导的一维平均力势自由能分析表明离子在钠通道过滤器中不同位点之间移动所需跨越的能垒较小。（2）振动碳纳米管中一维受限水链的单向输运。纳米尺度流体输运的研究有着很多潜在的意义和应用前景，包括设计新颖的流动传感器件和新型过滤膜等。然而，尺度的限制使人们很难将宏观的流体输运所用的水泵等器械的工作原理直接应用于纳米流体的驱动。我们的分子动力学模拟研究发现振动的碳纳米管可以作为一个高效水分子输运器件。当碳纳米管中的受限水链与纳米管一起振动时，水链的连续性几乎不受影响。振动幅值的增大能明显增加水传导的速率，而振动频率只有在增大到一定程度时才会引起流速的降低。此外，这一基于振动碳纳米管的单向输运现象不仅适用于较窄碳纳米管中的受限水单链，还适用于更粗管径碳纳米管中的水柱。前人的报道发现，碳纳米管振动可以由周围环境中的热起伏、噪声和外场等能量进行驱动，我们的这一发现为利用这些环境能提供了一个新颖的途径。（3）基于石墨烯纳米孔的单个核苷酸分辨率的DNA检测。传统的用于DNA测序的纳米孔的厚度为几个纳米，会同时被1015个核苷酸所占据，因此难以实现单个核苷酸分辨率的测序。石墨烯纳米孔的出现为纳米孔DNA测序分辨率的大幅度提高提供了可能，因为它的厚度仅为单个原子直径。我们的模拟研究发现当用外力拖动DNA单链分子通过直径约为1nm的石墨烯纳米孔时，DNA分子的运动会呈现棘齿状特征。通过监测所得力谱信号峰值的高低，能够实现单个核苷酸分辨率的碱基识别。而通过较大孔径的纳米孔时，受到的阻碍非常小，因而无法获得可分辨的力谱信号。这一发现表明，尺寸选择对纳米孔的测序分辨率影响非常大。（4）外电场作用下两平行平板间二维受限单层冰的融化。我们用分子动力学模拟研究了电场对二维受限单层冰的结构和动力学特征的影响，发现超过3.8V/nm的垂直电场能够促使单层冰转化为液态水，我们将之命名为电致融化（electromelting）。这一明显不同于“电场总是能促使水固化”（electrofreezing）的主流观点的反常电致相变，是由于单层冰的有序氢键网络被外电场破坏而造成的。我们的模拟还发现融化温度会随着电场强度的升高而逐渐降低。当电场超过30V/nm时，系统再次转变成了具有极强有序性的晶体状结构。我们发现的这一系列电场作用下的相变行为丰富了人们对受限水在外场作用下复杂相行为的认识。