水,被誉为生命之源,把握着地球上的生命脉动。在日常生活与工业生产实践中,水以体相水的形式普遍存在,同时又都受制于所处的环境,继而形成受限程度不一的受限水。近年来,随着纳米技术的发展与认知水平的提高,人们对纳米受限水的研究越发着迷,究其原因,主要是随着人们的生产实践与科学研究逐步深入到纳米尺度,表面/界面力的影响凸显,体相水与受限水在结构、热力学、动力学、电子科学以及材料科学等方面存在差异,继而产生一些新问题、新现象,需要用新的视角去研究。本文将研究的尺寸范围控制在0.3-100 nm之间,从纳米受限水不同的加载形式出发(“拉”,“剪”,“推”),针对纳米受限水的粘附、剪切及输运三个科学问题,采用理论分析与分子动力学模拟方法,系统深入地研究了纳米受限水的结构、热力学以及动力学特征,从而探索其在物理、化学、生物、能源等领域的影响。本文的主要研究内容概括如下:(1)考虑毛细力与范德华(van der Waals)力对粘附剥离行为的共同影响,建立了一种连续力学模型来揭示湿润条件下纳米线从基底剥离行为的机理。当液桥处于热力学平衡状态时,通过联合Kelvin方程与Young-Laplace方程进行求解毛细力。当液桥处于热力学非平衡状态时,通过联合Young-Laplace方程与体积方程进行求解毛细力。范德华力是通过对纳米线与基底之间粘聚能求对距离的一次导数得到。通过改进的Kendall模型分析表明,纳米线从基底的剥离行为强烈依赖于剥离的角度、纳米线的预应力、纳米线的半径尺寸、纳米线的杨氏模量、液桥的相对位置以及纳米线弯曲。(2)考虑固-液界面与固-液-气边界对动态润湿的共同影响,提出了一种修正的分子动理论(Molecular-kinetic theory,MKT)来解释液桥剪切中的移动接触线问题。同时,利用大规模分子动力学(large-scale molecular dynamics,MD)模拟研究了在两层石墨烯膜之间受限液桥的整个剪切过程。结果表明,固-液-气边界处产生的剪切应力与固-液界面处产生的剪切应力在一个数量级上。固-液之间的Lennard-Jones(LJ)势能越强,液桥在石墨烯膜上的静态或者动态接触角就越小,但是界面间的摩擦系数以及粘附强度会增大。三维(3D)液桥与石墨烯膜之间的剪切应力会随着石墨烯膜的移动速度在一定范围内的增大而增强。液桥的尺寸大小会影响整体的固液剪切应力,但对液桥与石墨烯膜之间静态或者动态接触角的影响不大。通过分子动力学模拟以及与已有的理论结果对比发现,本文发展的分子动理论具有更高的精度。(3)采用全原子(Full-atom)分子动力学模拟研究了多层石墨烯离面方向不同孔径(0.82-3.4 nm)内受限水的结构及动态性能,包括密度、偶极角取向、扩散系数、摩擦系数以及剪切粘度等。发现当孔径小于等于临界孔径D_c=1.36 nm时,受限水呈现出明显的层状结构以及异常的动态特性。通过对受限水的流量以及流量加强因子的计算,并将本文计算结果与相近直径碳管中受限水的结果进行对比,进一步揭示了多层石墨烯纳米孔中受限水的动态特性。