碳纳米管(carbon nanotube, CNT)具有卓越的电学、机械和结构特性,在基因运载、生物成像等领域具有广泛的应用价值。但是,CNT难溶于水和普通的有机溶剂,极大地限制了其在分子水平上的进一步操控和应用。CNT非共价功能化既能够克服CNT水溶性和分散性差的缺陷,又不破坏其独特的π电子体系。此外,结合生物分子功能化还能增加CNT的生物兼容性,从而降低CNT的生理毒性。然而,CNT非共价功能化过程中许多微观细节诸如结构、作用机制及能量等尚不清楚。因此,本论文采用分子模拟方法从本质上理解CNT非共价功能化体系的自组装机制,旨在为新型CNT复合材料的设计提供理论依据与指导。主要内容如下：(1)多糖缠绕CNT是一种新兴的非共价功能化方式,借助分子动力学和自由能计算分别对海藻酸、壳聚糖和淀粉三种多糖缠绕CNT的动力学行为进行了系统地研究。结果表明,在范德华吸引作用和疏水作用的驱动下,三种多糖在水环境中均能自发地缠绕在CNT表面。其中,海藻酸和壳聚糖因骨架结构张力较大,形成疏松的螺旋结构,而淀粉则形成紧密的螺旋结构,分子内氢键是稳定紧密螺旋结构的主要因素。同时,海藻酸在模拟中重现了“长城”式结构重排的典型特征。两条海藻酸长链在Ca2+交联下通过静电吸引作用能够形成稳定的双螺旋结构,从而解释了可逆缠绕现象。另外,计算了壳聚糖缠绕过程的自由能变化曲线,得到了两个自由能最优的螺旋结构及相应的螺距,并预测了缠绕结构的稳定性,为设计功能化缠绕剂提供了一个潜在途径。最后,证实了CNT的末端效应,即CNT末端能够诱导淀粉发生缠绕行为,而CNT中端则不具有类似的效应,揭示了超短CNT在合成新型纳米材料领域的良好应用前景。(2)疏水蛋白HFBI吸附CNT表面能够有效地改善CNT的水溶性,并形成三维有序的纳米复合材料。通过分子动力学模拟和自由能计算研究了HFBI在3种取向下吸附CNT表面的动力学行为。结果表明,由于HFBI含有4个二硫键,在吸附过程中自身结构变化不大,主要的二级结构均得以保留。在不同的吸附取向下,分别得到了不同的吸附模式。其中,当HFBI的直接与CNT表面相互作用且最大限度地被掩埋时,形成了最稳定的吸附结构,结合自由能最为有利；反之,当疏水端完全暴露在水溶液环境中,吸附模式最为不利。溶剂化作用是吸附的主要驱动力。另外,比较了HFBI在聚二甲基硅氧烷固体基底上的吸附行为,得到了同样的吸附机制,残基Leu12、Leu24、Leu26、Ile27、Ala66及Leu68是导致疏水蛋白能够吸附在不同疏水表面上的关键残基。该研究合理地解释了实验现象,为设计新型生物活性表面提供了理论基础。(3)Smith-Lemli-Opitz综合症是一种由7-脱氢胆固醇-△7还原酶缺陷导致的胆固醇代谢异常的遗传性疾病,具体表现为患者体内血浆中低胆固醇及高7-脱氢胆固醇浓度。采用分子动力学模拟结合两种分子力场探索了不同浓度下胆固醇及7-脱氢胆固醇对细胞膜结构性质的影响,旨在从理论计算的角度阐述该综合症的病因,进而开展基于CNT功能化体系的基因运载研究。结果表明,两种固醇的浓缩效应与有序效应主要取决于浓度,即浓度越大,效应越明显。然而,在相同浓度下,两种固醇在对细胞膜的浓缩和有序能力上并无显著差异。