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纳米科技是二十世纪八十年代出现的新兴科学技术，从其诞生之日起，就在迅猛地发展着。时至今日，纳米科技已经对二十一世纪的科技发展具有举足轻重的影响。纳米材料学是纳米科技中的重要一隅。纳米材料在力学、电学、光学等方面具有非常优异的性质，因此得到了广泛关注和研究。
随着计算机技术的飞速发展，计算机数值模拟在物理学研究中也得到了越来越广泛的应用，并产生了一个新兴的物理学分支—计算物理。在计算凝聚态物理和材料设计中，第一性原理计算、经典和量子分子动力学模拟以及蒙特卡罗方法是三种基本的数值模拟手段。
本论文将介绍经典分子动力学的基本原理和方法，以及使用分子动力学模拟几个纳米结构材料或器件的实例和所得到的一些结果。内容安排如下：
第一章简要介绍纳米科技，同时简要介绍碳纳米管及其准一维约束效应。
第二章介绍分子动力学的基本原理和方法。首先简要介绍分子动力学模拟以及其现状和发展方向。然后比较详细地介绍分子动力学的几大要素：边界条件、动力学积分方法、统计物理学量、互作用势函数、模拟系综以及热力学控制。同时还介绍分子动力学的基本流程图和适用范围。最后简要介绍分子动力学的两个其他用途：结构优化和模拟退火。
第三章介绍运用分子动力学研究外场对一维热二极管模型的影响。首先简要介绍低维热导反常和热二极管的实验和理论模型。然后详细介绍我们运用分子动力学模拟研究一维热二极管模型中外场对其热流强度和热整流效率的影响。我们发现，在一维热二极管模型中，其热流强度和热整流效率对于外场周期非常敏感。外场的影响主要是改变界面处两边粒子的振动谱的匹配程度。因此实验上如果要得到高质量的热二极管，需要精确的控制外场周期。另外，通过给热二极管左右两段加上不同的外场周期和相应的幅度，我们得到了一个控制热二极管的热流强度和热整流效率的可能途径。
第四章介绍约束在碳管中的水的分子动力学模拟研究以及冰纳米管的铁电性问题。首先我们介绍水分子以及水/冰中的氢键等背景知识。然后介绍冰的铁电性这个历史问题以及制备纳米尺度的铁电材料的困难。最后介绍我们对约束于碳管中的水的分子动力学模拟结果及其在低温下形成的冰纳米管的铁电性讨论。我们发现具有奇数个侧面的冰纳米管具有铁电性，其极化沿着管轴方向，而具有偶数个侧面的冰纳米管则没有铁电性。这种纳米铁电性的微观机制是碳纳米管的准一维约束和冰中特有的氢键取向序相互作用而导致的。冰纳米管的顺电-铁电相变和液-固相变同时发生，是一种一级相变。冰纳米管的这种铁电性机制和顺电-铁电相变行为和传统的铁电材料完全不同，不仅本身可能在纳米机电装置、高灵敏探测器、非线性光学器件、高密度数据存储等领域具有应用价值，而且这种全新的铁电机制还为我们寻找新的纳米铁电材料和克服纳米尺度下传统铁电材料的退极化效应提供了新的线索。
第五章介绍运用分子动力学研究在准二维石墨片上的弹性起伏和准长程序问题。首先介绍维度和晶格排列长程序的一般关系。然后介绍石墨片以及其中弹性起伏和褶皱的背景知识。最后介绍我们的分子动力学模拟结果。我们发现：石墨片中的弹性起伏与系统的温度相关；此外，碳空位掺杂和同位素掺杂也都对其有影响；在双层石墨片中的弹性起伏相比单层石墨片中要小；三维情况下偏离平面的弹性起伏使得平面内的热振动得到抑制，这很可能是单层石墨片能够稳定存在的一个原因。