随着科技的发展,研究对象的微型化是近二十年来自然科学和工程技术发展的一个重要趋势。在微纳器件发展过程中,比较注重加工技术,而对其内部的非常规物理机制却重视不够,导致目前加工技术的发展大大超前于微纳尺度下非常规物理现象的研究,这已成为限制微纳器件的设计、制造、优化和应用水平提高的瓶颈,所以,加强微纳尺度非常规物理问题的基础研究已成为共识。在微纳尺度非常规物理问题中,分子、离子的扩散是其中非常关键的问题,也是其它相关技术的基础。与常规尺度通道内的扩散问题相比,微纳尺度受限空间内的粒子扩散会出现与常规尺度下的扩散明显不同的现象,当孔道的特征尺寸与流体粒子的平均自由程相当时,连续介质假定将不再适用。此外,在微纳尺度中,影响扩散的各种作用力的相对重要性将发生变化。本论文基于当前微纳受限空间粒子扩散问题研究的不足,立足于本课题组的理论研究特长和我们的合作者日本北海道大学的Murakoshi课题组的实验研究基础,提出了一种基于随机行走原理的研究微纳尺度受限空间内粒子扩散的新方法。通过自主编程开发了大型随机行走模拟软件RWS-C系统,并基于该软件平台,对以下几种类型的微纳受限空间的粒子扩散行为展开了研究。1.对微纳分子操纵系统中荧光标记分子在自铺展脂质双分子层膜中的扩散行为进行了研究,通过改变微纳金属势垒模型的结构参数发现当势垒的狭缝间隙较小时,粒子的扩散受限特征明显,粒子由自由扩散转变为受限扩散,且粒子的长程扩散系数受势垒狭缝宽度影响较大。此外,通过和Murakoshi课题组实验的对比,我们还进一步提出了势垒和脂质双分子膜中扩散粒子的相互作用模型,并采用该模型对Murakoshi课题组的标记分子扩散实验进行了模拟,结果表明,该模型可以用于描述粒子在微纳受限通道中所受到的相互作用。2.对三种不同的结构势垒为基底的微纳分离通道中粒子的扩散行为进行了模拟研究,分别讨论了定向铺展速度、势垒模型结构以及模拟统计的步数等条件对多粒子分离角分布的影响。通过和实验的对比结果表明该随机行走方法可以为微纳超小分离器件的设计和优化提供理论参考。3.对具有分形结构的微纳膜孔道中的粒子扩散行为进行了模拟研究,讨论了具有Voronoi结构的微纳膜孔道中膜的不同孔隙率、平均孔径、不规则度以及膜骨架与粒子之间的相互作用等因素对粒子扩散行为的影响。研究表明平均孔径、孔隙率以及粒子与膜骨架之间的相互作用对粒子扩散行为影响较大,而膜孔道的不规则度对粒子扩散基本没有影响。4.对纳滤膜微纳孔道中水合离子的扩散行为进行了研究,考虑了阳离子的水合作用,建立了水合离子在穿越微纳膜孔时的概率模型,讨论了膜孔平均孔径、离子的水合直径、脱水能、膜的致密程度等因素对水合离子扩散能力的影响。模拟的结果表明金属阳离子的水合作用对阳离子在纳滤膜中的扩散行为影响不容忽视。