基于纳米孔的二维膜分离技术和单分子检测技术被广泛运用于个性化医疗、新能源、遗传工程和环境工程等与人类未来息息相关的领域。随着微纳加工技术的发展,减小纳米孔的尺寸不仅可以提高纳米孔相关器件的性能,还为研究纳米尺度下离子和单分子的行为提供了有效的途径。本文从纳米孔内离子和DNA分子输运的基础理论出发,逐步建立了从连续体到亚连续体再到多体的离子输运理论体系,并进一步完善了DNA分子在场力（包括电场和流场）和随机力（包括分子间和壁面）共同作用下的分子输运理论。在研究过程中率先掌握了纳米孔领域的三大关键技术,包括纳米孔加工与测试技术、高纯度离子分离技术和DNA检测与控制技术,增强了我国在微纳制造业的自主知识产权和核心竞争力。在基础理论方面:（1）完善了经典连续体输运理论模型,探索并实验界定了经典流体动力学的适用范围,提出了影响纳米孔周围局部电势的主要因素,求解出壁面电离平衡反应移动情况下的孔内离子浓度,为后续建立多体输运理论模型打下了坚实的基础。（2）建立多体输运理论系统,通过分子动力学模拟溶质-溶剂、溶质-溶质直接相互作用的复杂体系,揭示了离子水合层剥离、迁移率下降和离子选择性等物理现象形成的内在机理,拓展了经典流体动力学的研究深度和广度。（3）进一步探究固体壁面效应,包括纳尺度受限空间内的介电常数减小、黏度增大、电场增强、电荷倒置和壁面捕获等条件对物质输运的影响,对固液界面双电层内离子、水分子及生物大分子的行为进行了系统性研究,发展和丰富了流体动力学在微观层次的认知。（4）完成生物大分子在纳米受限空间内的输运理论,包括生物分子的扩散（热）运动、被纳米孔捕获的动力学过程和进入纳米孔后的空间构象,为单分子检测器件的设计与大规模集成制造提供了基本物理参数。在关键技术方面:（1）完成了纳米孔的加工与其性能测试:探索介电穿孔法实现纳米孔的低成本、快速、高精度加工;利用高能粒子束加工了直径从1.8 nm到26 nm的一系列纳米孔,并通过膜片钳技术完成了从10-7 M到4 M全浓度范围内的离子电导的测量,发现了连续体输运理论在直径4.5 nm以下纳米孔内逐渐失效的临界点;通过进一步对Na Cl、KI、Li I、HCl和KF等不同的电解质溶液的测量,揭示出离子对形成是导致更小的纳米孔内离子迁移率剧烈下降的重要机理。（2）设计研发了高选择性和渗透性相结合的离子选择性膜:通过密度泛函理论（DFT）计算发现拉伸后的石墨烯在致密的电子云中出现尺寸统一、形状均匀的孔阵列,从而在最小的膜厚度下获得最大可能的孔密度;采用分子动力学（MD）模拟方法,系统地研究了Li+、Na+和K+在不同膜电荷密度下的渗透过程和选择性机理;根据模拟参数设计出可调应变和表面电荷的石墨烯离子筛,可以实现低能耗和高生产率的膜分离系统,并为未来二维膜分离技术的发展提出一系列设计准则。（3）实现了生物分子的检测与操控:采用固态纳米孔对λ-DNA以及20 kbp DNA进行了检测;为了简化生物分子的过孔情况,进而发现一般性规律,通过分析过孔事件的ECD（阻塞电荷积分）分布揭示了潜在的物理图景;施加反向流场操控DNA过孔过程并降低DNA的定向迁移速度,从而提高了膜片钳捕捉到的过孔信号,为生物分子检测和研究提供了简便有效的控制手段。