随着新兴纳米技术的不断发展，纳米结构、纳米材料在解决能源危机与环境问题上发挥着越来越不可替代的作用。其中，纳米结构在传热传质领域的广泛应用为能源存储与转化提供了新的思路。因此，本文从纳米尺度的传热、传质两方面入手，通过分子动力学模拟研究了两种纳米结构产生的“反常”现象，并论述了它们在废热利用及水净化两个领域的实际应用。　　首先，本文探讨了如何构建纳米结构以实现对声子（热量的主要载流子之一）的有效调控，从而控制热量的传输。在能源空前匮乏的当代，低能源利用率及高废热排放率使得能源危机愈发严重。因此，可将废热直接转化为电能的热电技术成为了解决能源问题的关键。但是体块热电材料的热电转化效率极其低下，人们因此将目光转向了纳米技术。本文从声子输运角度出发，构建了一种特殊的硅纳米笼结构来抑制热输运，提高热电转化效率。通过平衡态分子动力学模拟研究了硅纳米笼的热导率。本文研究了温度及硅纳米线（纳米笼的组成单元）的尺寸对硅纳米笼热导率的影响，发现其热导率对纳米线长度以及直径十分敏感，但几乎不随温度变化。本文也探讨了硅纳米笼的对称性以及纳米线交结数目对于热导率的影响。结果显示，硅纳米笼的热导率与纯硅的热导率（~150W/m-K）相比低了3个数量级，仅为0.173W/m-K。同时，该结构对于电子的散射不强，具有良好的导电性质，因此是理想的热电材料。　　接下来，本文阐述了如何利用纳米棘轮效应加速水分子输运，促进水净化。近年来，为缓解淡水危机，人们对反渗透过滤、热蒸馏和低压蒸发等制取淡水的主要方法进行了细致的研究。但由于传统材料的局限性以及设备的高繁复度，这些方法的能量效率以及淡水产出速率均不甚理想。本文首次设计出了一种能够自发产生低压的石墨烯纳米棘轮用以加速水的净化。纳米棘轮的工作原理基于纳米棘轮效应，即在非对称体系中，通过输入均值为零的周期力产生净质量流。本文通过移除碳原子的方法，在多层石墨烯上构建不对称的锥形纳米孔，以实现纳米棘轮效应。通过非平衡态分子动力学模拟计算，发现在纳米棘轮的作用下，空气分子能自发地定向输运，并在石墨烯两侧形成显著的压差。此过程中，石墨烯纳米棘轮主要消耗低品位热能。基于所得压差，利用Hertz-Knudsen方程可计算水蒸发速率。结果表明与自然蒸发相比，石墨烯纳米棘轮作用下的蒸发速率可提高15倍以上。因此，石墨烯纳米棘轮将热蒸馏与低压蒸发相结合大大提高了水净化的速率，具有广阔的应用前景。随后，本文研究了纳米锥孔的几何尺寸以及环境温度对于结果的影响。通过对扩散输运的深入分析，本文探究了棘轮效应与Knudsen扩散对压差的影响。结果发现，相对于Knudsen扩散，棘轮效应总是能主导空气分子的输运。