随着我国经济的逐步上升,我国能源消耗的对外依存度也随着提高。以油气为例,每年的进口量占我国油气总消耗量的70%。当前,我国的能源消费方式还相对单一,清洁能源的利用率较低。此外,常规能源开发已进入后期,而非常规油气的开发将成为调整能源结构的有效手段。以页岩气为主的非常规天然气就成为世界上新的化石能源供应的主力军,而且我国页岩气的可采储量位居世界前列。但页岩气的高效开发还存在着很多基础性科学问题。页岩富含丰富的机纳米孔隙,页岩气主要存在于纳米孔中。甲烷是页岩气的主要成分,且页岩气的开采过程大多伴随在水环境中,因此研究有机纳米孔中水与甲烷的相互作用是一个重要的课题。本文中,我们使用分子动力学模拟来研究有机纳米通道中气体与水之间的相互作用。发现纳米通道中的水分子可以自发地被甲烷分子取代,该现象归因于纳米通道中甲烷分子的平均势能低于水分子的平均势能,这也是有机纳米通道中甲烷分子可以置换出水分子的根本原因。此外,进入不同宽度纳米通道的甲烷分子还表现出了多种不同的分布形式。这一系列研究为理解有机纳米通道中水分子和甲烷分子之间的相互作用提供了思路,在页岩气开发中提供基础性认识。如何使赋存在纳米孔隙中的气体分子解吸,在页岩气开采过程中至关重要。我们使用分子动力学模拟方法,通过施加不同方向的静电场,研究了电场对纳米通道中甲烷气体和水分子吸附行为的影响。发现在施加平行于夹缝的电场时,纳米通道外部的水分子会进入通道并形成冰相,而甲烷分子会从孔隙中的积聚态变为游离态,溶解在孔隙外围的水中。这是因为在电场的作用下,水分子的排列结构发生了改变,纳米通道中的水分子之间形成了高度有序的氢键网络,占据了整个纳米通道。另外,甲烷是非极性分子,运动状态不受电场的影响。纳米通道内水分子高度有序的排列方式使得最初吸附在纳米通道中的甲烷被挤出纳米通道,成为自由分子,进入了宏观水相。在施加垂直于夹缝方向的电场时,发现处于通道内的水分子全部退出通道,夹缝中的甲烷分子继续赋存在夹缝中,成为了自由分子。这是因为电场对纳米通道内、外水分子偶极趋向对电场的响应速度不同。相对于纳米通道内,通道外侧水分子偶极对电场的响应时间短和程度高,形成稳定的排布形态。垂直电场的施加打破了通道内水分子原有的氢键网络,水分子处于不稳定状态,通道内水分子为了达到稳定状态会退出通道而与体相水形成稳定的氢键网络。