近些年来,高质量、大面积的石墨烯因其优秀的力学、电学、光学等性能,在纳米科学领域备受关注,在纳米器件、生物医药、储能材料等方面都取得了突破性的进展,并开始从实验室测试转向实际应用。这些发展与应用从根本上得益于石墨烯完美的二维纳米结构,而材料自组装与结构密切相关。石墨烯的自组装研究开启了二维原子材料自组装的大门。如何利用石墨烯的自组装行为,制备具有特定结构和功能的石墨烯纳米工业器件,成为该领域的研究热点,它不仅为石墨烯自身的应用提供了新的思路,也为石墨烯与其它纳米或大分子材料的复合结构发展奠定了基础。目前,有关石墨烯的自组装研究已经有了一些发展,但大多数研究仅局限于制备工艺,对石墨烯在自组装过程中出现的微观结构、性能演变及驱动机理没有给予足够的重视,且对基于这种自组装行为的功能化应用的探索仍不够深入。本文结合了分子动力学和第一性原理两种计算模拟方法,以石墨烯在外来物质诱导下出现的自组装形貌演变为研究重点,系统地对石墨烯的自组装螺旋、解螺旋、和功能化应用进行了全面的研究。构建了从石墨烯自组装机理研究、行为调控到进一步模型设计的计算模拟思路,并展望了其在多个领域中的潜在应用前景。主要结论如下:(1)研究了石墨烯纳米带在碳纳米管诱导下发生的自组装螺旋与构型变换现象,并阐明了范德华力在其自组装动力学演变中起到的机理性作用。发现,多条石墨烯纳米带可以在范德华力的驱动下同步自组装进入到碳纳米管中,并在碳六元环π-π堆积的驱动下自发形成多层多螺旋构型。这种螺旋填充自组装有时伴随着纳米带自发的层间位置调整,而最终的螺旋构型是受三种结构因素——终态结构稳定性,纳米带初始排列情况和碳纳米管内部空间容量——综合影响的结果。在研究中,我们还提出了两个可用来预测石墨烯纳米带自组装螺旋结果的公式,并验证了其准确性。(2)在对自组装螺旋纳米带做进一步的行为调控时发现,向石墨烯纳米带中掺杂部分氮化硼片段可以帮助螺旋纳米带实现自组装解螺旋,当掺杂比例合适时,解螺旋展开的纳米带会再次自发螺旋,进而表现出明显的类简谐式“螺旋-解螺旋”周期变化。这种自组装螺旋振荡是拼接纳米带中石墨烯片段和氮化硼片段相互激烈竞争的结果,并伴随着体系的能量在弹性势能和非键合能之间的反复转移。纳米带的电子传输能力也会随着自组装螺旋振荡而发生变化,帮助将机械信号转换为谐波电信号。纳米带的尺寸、成分等因素都会影响螺旋振荡结果。(3)在自组装机理的基础上,将石墨烯在外来物质诱导下出现的自组装行为与生物仿生学理念相结合,通过功能化设计,提出了一种章鱼形的纳米石墨烯抓取器模型。它可以在较宽的温度范围内自主捕获多种常见的目标金属粒子,并将其限制在石墨烯笼中以运输到指定位置。体系中的范德华力驱动了这种自组装抓取,而石墨烯抓取器的抓取强度会根据目标粒子的结构和元素种类而发生改变,存在特定的目标元素抓取选择性。在圆形石墨烯衬底和高温回收环境的帮助下,石墨烯抓取器可以实现循环自组装使用,降低单次使用成本。总的来的,本文从原子层面深入探索了石墨烯在自组装形貌演变过程中的动力学细节和演变机理,对于实现其自组装功能化设计与应用具有着重要的意义,也为将来进一步优化现有石墨烯材料及相关纳米器件提供了理论指导。另外,本研究中提出的相关自组装应用前景,有希望为未来实现真正的石墨烯自组装应用提供思路,尤其是在低成本制备石墨烯相关纳米复合材料、药物/基因转运、纳米材料测试/筛选和精密表面清洁等方面。