中文摘要：

长期从事从宏观到微纳米的理论物理和其他领域的交叉学科研究，主要研究领域集中在生物体系中水的作用和功能，建立了相关独立研究组。较系统地建立了数值模拟平台，并在符号动力学、基于小波网络的非线性预测方法和应用方面取得了一定的成果，是国际上最早将晶格玻尔兹曼方法用于研究血液流的研究者之一；近年来开展了纳米尺度水的生物效应的理论研究和仿生应用这一新的前沿领域，并取得进展。系列工作已在《自然o纳米技术》（Nature Nanotechnology）、《美国科学院院刊》(PNAS)、《美国化学会志》（JACS）等发表，并获《自然o纳米技术》专题评论、《自然o中国》等国际网站和国际著名学术期刊综述文章特别评论。研究工作入选科技部《基础科学研究快报》、"2005年上海科技进步报告"。获邀在国际学术期刊J. Phys. D上写主题综述（Topical Review）。

结论摘要：

项目按照计划顺利进行。考虑到水和苯环是生物体系中两个最关键的组成部分，本项目研究围绕受限空间中水特性和苯环与离子、水的作用的一些问题展开。取得主要成果如下 表面亲疏水导致的相互作用是生物分子间的主要相互作用之一，而近期的研究发现生物分子表面的水可能是有序的。针对这两个方面，我们开展相应研究，发现表面的亲疏水还受制于表面极性分子的偶极长度，小于临界长度的表面呈现疏水特性；我们通过理论模型和分子动力学模拟证明常温下存在有序的纳米水层，这样的有序水表现出不亲水特性，并且有利于稳定某些蛋白质的自然态。此外，考虑到生物系统中分子信号传递的复杂性，我们利用特定纳米管道内水分子链具有微弱信号的特性，设计了水分子倍增器；利用受限水对电荷的强作用，纳米管外的电荷可以操控纳米管内的水滴，从而达到操控水滴内生物分子位置的目的。该成果将成为实现纳米管中的实验室（lab-in-nanotube）构想的关键技术。设计了具有开关特性的质子通道，即在纳米碳管内表面修饰一个乙酸分子，将质子转移至碳纳米管另一侧，同时仅仅有少量水分子转移过来。 对于阳离子、苯环与水的作用，我们提出Cation？3π相互作用，即一个阳离子可以与三个苯环结构同时相互作用，其作用强度随离子直径的增大而增大，并且可以与水作用相竞争。该成果为进一步理解生物分子的结构与功能、新型碳基材料与器件提供了新的视角。我们还发展专业软件来研究“离子-芳香环（含π）作用对表面浸润性质的影响”，考虑到生物分子中有大量芳香环的存在，该软件有望应用于溶液中生物分子的行为和相互作用的研究。 通过分子动力学模拟开展了纳米结构与生物膜和生物分子的作用，发现单壁碳纳米管可以通过与WW结构域的相互作用来阻碍配体与蛋白质相结合，提出这可能是疏水纳米颗粒产生生物毒性的一种可能机制。 近年来发现生物分子的一些行为与棘轮效应相关，本项目还通过理论分析发现在微观尺度下热涨落不能再被作为白噪声处理，并通过简单模型阐明热噪声驱动的棘轮效应。