在工程和材料领域,已经有巨大商业市场的人工膜技术依然保持着迅猛发展的势头:反渗透(RO)、纳滤(NF)等成熟膜技术在废水处理、海水淡化等领域被广泛应用并继续优化;正渗透、压力延滞渗透等新技术不断进步并且开始商业化尝试;碳纳米管、石墨烯等纳米材料被引进膜技术领域,以期望提高膜的性能。在生物领域,水既是物质输送的载体,又参与各种生化并提供反应的溶液环境,因此生物体内的水平衡对其生理健康至关重要。近年来众多天然纳米尺度水通道(包括水通道蛋白AQP和对水分子有通透性的尿素通道蛋白UT-B)被发现和研究,弄清楚这些水通道在细胞、组织和生物体水平上的功能和生理意义,并开发新的医疗手段和药物是当前及未来一段时间内的重要课题。上述分属工程和生物两个领域的课题的核心都是纳米尺度渗透。描述这一问题的现有理论以K-K方程为代表的唯象模型为主,此类模型的缺陷和不足被新的实验数据和应用需求暴露出来。克服现有理论的缺陷和不足,从更深层次理解纳米尺度渗透过程的重要性不断凸显。因此,我们利用理论和实验相结合的手段,对纳米尺度渗透过程机理进行了研究,主要内容如下:1.纳米尺度渗透的动力学的理论和实验研究。在McMillan-Mayer溶液理论基础上,使用分子动力学的方法分析了纳米尺度下,溶质分子尺寸对渗透过程的影响。引入动力学渗透压系数和溶质通过率,对K-K方程进行了修正。前者主要受纳米通道的入口效应影响,后者则由入口效应和通道内部结构共同决定。与文献中关于AQP渗透实验数据对比后,新模型被发现有较高的精度,并能定量解释困扰膜生理学界的Solomon-Hill效应(完全不可渗透溶质反射系数小于1并与分子大小正相关)。为了排除红细胞渗透实验中尿素通道蛋白UT-B造成的可能干扰,我们使用UT-B基因敲除小鼠的红细胞进行了纳米尺度传质实验。红细胞上表达有一种丰富的天然的纳米通道AQP1,是纳米尺度渗透实验的理想材料。使用停流法,实验更精确地测量了 AQP1渗透中,两种完全不可渗透溶质(较大的葡萄糖分子与较小盼尿素分子)之间的动力学渗透压系数的差异,证明UT-B造成的干扰影响有限。2.纳米尺度传质的非平衡热力学研究。在研究AQP1渗透过程的非平衡热力学时发现Solomon-Hill效应会导致一个很棘手的问题:在一些情形下,Solomon-Hill效应使得水分子可以逆着化学势差通过AQP1输运——这是一个违反热力学第二定律的熵减过程。AQP1特殊的钟漏形结构被发现可以使其具有读取溶质分子大小这一信息的能力。在水分子逆化学势通过AQP1输运的过程中此信息不断被消耗,根据朗道尔法则,这会导致额外的熵增。将此额外的熵增考虑进去后,过程的总熵增将大于0,热力学第二定律依然成立。这意味着一些情形下,AQP1可以成为生物体内的一种麦克斯韦妖(AQPl-Demon)。随后,AQPl-Dmon机制的可能的生理学意义和理论意义被探讨。在此项工作的基础上,我们提出了“信息可用性”的概念。将系统边界处的信息和关于系统微观可逆的信息考虑进去后,“孤立系熵增原理”被推广为“任意系统可用信息衰减”。我们从可用信息角度分析了经典卡诺热机中两个循环过程(正向循环时的的热功转换,逆向循环时的制冷),不仅得到了与传统热力学自洽的结果,还揭示了卡诺效率与Szilard信息引擎之间的内在联系。另外我们也从信息角度分析了吉布斯悖论、量子纠缠中“鬼魅般的超距作用”、压力延滞渗透系统的热力学、肾脏中尿素逆浓度梯度转运问题、以及黑洞信息悖论等问题,得到一些新的可能会促进相关领域发展的结论。