自古以来自然界就是人类各种设计原理和发明创造的灵感源泉。生物体细胞膜中存在各种各样的纳米通道,这些通道大都具有选择性、环境响应性等功能特点,在调控细胞内外物质及能量交换过程中发挥着重要作用。根据生物膜中纳米通道的结构与功能关系仿生设计功能化的人工纳米通道,在调控纳米尺度流体输运行为和设计功能化纳米流体器件中具有巨大的应用潜力。然而受限于目前实验制备技术,仿生设计的纳米通道尺寸通常较大(直径大于5 nm),而生物膜中生物通道的尺寸大都处于亚纳米级别(直径小于2 nm)。因此,研究亚纳米尺度通道的仿生设计以及流体在亚纳米尺度通道内的输运行为,对于完善纳米流体学相关理论和拓展纳米流体学应用都具有重要的理论意义和实际价值。本论文采用分子模拟的方法,以碳纳米材料为模板,根据生物水通道以及离子通道的结构与功能关系,开展了有关亚纳米尺度通道的仿生设计,并研究了流体在所设计通道内的输运行为。本研究工作为功能性人工纳米流体通道的设计开发提供了重要的理论指导,具体研究内容如下:生物膜中水通道具有锥形的通道结构,能够实现水分子的高效跨膜输运。本论文根据生物水通道的这一结构与功能关系:首先,研究了裁剪诱导石墨烯的卷曲行为,提出了一种通过石墨烯卷曲形成锥形纳米通道的方法;其次,研究了锥形碳纳米通道内水分子的输运行为,明确了锥形通道结构对水分子输运行为的调控能力;最后,对锥形碳纳米通道结构进行了进一步设计,探索了锥形碳纳米通道在盐/水分离中的应用。生物膜中离子通道具有离子电流整流功能,能够实现离子的单向传输。研究发现,生物离子通道的离子电流整流功能是其锥形通道结构与带电通道内表面共同作用的结果。本论文根据生物离子通道的这一结构与功能关系,仿生设计了一种具有离子电流整流功能的锥形碳纳米通道,研究发现所设计的锥形碳纳米通道内离子电流的导通方向与目前实验上仿生设计的锥形纳米通道内离子电流的导通方向相反。通过与实验研究对比,我们推测尺寸效应是产生这一现象的主要原因。此外,通过观察离子在所设计通道内的微观输运过程,发现了一种与生物离子通道内离子传输机制类似的库伦敲击传输模式。生物通道内部结构复杂,大都具有三维的结构特点,而这种复杂的三维通道结构对通道内分子的传输具有一定的调控能力,与此同时,生物膜中通道大都镶嵌于磷脂双分子层中,而磷脂双分子层在细胞的整个生命过程中不停运动,从而带动镶嵌其中的通道的振动,进而影响通道内分子的传输。本论文根据生物通道的这一结构与功能关系,仿生设计了一种螺旋形石墨烯纳米通道结构,并在研究过程中对所设计通道的振动性质进行控制,研究了通道振动对分子传输行为的影响。研究发现通道振动能够加速通道内分子的传输,而螺旋形的通道由于有效孔径减小,分子传输路径增长,其分子传输效率较低,但研究发现螺旋形通道具有手性分子分离的功能。此外,还研究了石墨烯纳米通道长度以及通道孔径对离子以及水分子输运行为的影响。研究发现在较长的石墨烯纳米通道内存在离子库伦阻塞效应,该效应的存在能够有效抑制水分子的传输,而外加电场可以调控离子库伦阻塞效应,从而实现了电场对石墨烯纳米通道内水分子输运行为的调控。