碳纳米管内不同密度金纳米线结构
碳纳米管中填充各种材料形成奇特的结构，引起了人们普遍的关注, 通过填充碳纳米管的一维空腔，可有效调控碳纳米管的电性、磁性、热传导性、光学及力学性能, 碳纳米管中填充各种金属制成新奇的材料成为开发一维纳米导线的有效途径, 在碳纳米管的一维限域空腔内，填充物原子在碳纳米管内部的排列方式不同，金属纳米导线将具有奇异的电性质, 利用碳纳米管的纳米级空腔作为模板制备一维金属纳米线，可以制作纳米电路和纳米电子元器件, 这种碳纳米管包裹着的金属线由于有碳外壳抗氧化的保护而有长期稳定的金属芯, 人们使用不同的方法已经成功地将各种金属或金属复合材料填充到碳纳米管中。1992年Broughton等利用计算机模拟从理论上验证了物质填入碳纳米管的可行性。1993年Ajayan和Iijima将碳纳米管与Pb一起高温退火，熔融的Pb因毛细管作用而填充进管内，得到了填充有Pb的多壁碳纳米管, 碳纳米管的填充方法主要有固相熔融法、液相湿化学法、电弧放电法、催化热解法等, 依据不同的填充机理，纳米管填充方法可以分两大类,第一类，最初碳纳米管两端是开口的，随后熔化的金属通过毛细管作用或者金属氧化物通过湿化学法填充到碳纳米管中，比如固相熔融法、液相湿化学法, 第二类，是原位填充方法，碳纳米管的填充过程和生长过程同步进行，即直接制备碳纳米管包裹金属或金属复合材料，比如电弧放电法、催化热解法。
独立的纳米线已经得到广泛的计算模拟研究。Tosatti等人采用分子动力学模拟研究超细Al和Pb纳米线的非晶结构，发现当纳米线直径减小到一个临界值后，纳米线为一种新颖的壳层螺旋结构, 由于Au良好的化学稳定性，Au纳米线的结构得到广泛的研究。Bilalbegovic通过分子动力学模拟发现超细Au纳米线在室温下也有稳定的壳层螺旋结构。Kondo和Takayanagi在超高真空环境下，用电子束辐射在Au薄膜上，制备出直径在0.6nm至1.3nm之间，长度为3至 15nm的Au纳米线，并观测到这些纳米线为壳层螺旋结构。Wang等人计算模拟了无限长Au纳米线的结构，发现不同直径D的Au纳米线有不同的结构类型，D<0.6nm为螺旋结构，1.0nm<D<2.2nm为壳层圆柱体结构，而D>2.2nm为类面心体结构。Wang等人和Bilalbegovic分别利用分子动力学模拟研究了多层圆柱体Au纳米线的热稳定性，发现Au纳米线熔化温度低于Au块体的熔化温度但高于Au纳米颗粒的熔化温度，他们的分子动力学模拟结果得出Au纳米线的熔化温度为1000±100K。而块体Au晶体的熔化温度为1357K, 纳米管填充各种金属材料的计算模拟研究也引起人们广泛的重视。Poilikakos等人通过分子动力学模拟研究了Au纳米颗粒在碳纳米管中的凝固及其结构，发现碳纳米管中的Au纳米颗粒也为壳层螺旋结构，Au纳米颗粒的凝固温度大于独立的Au纳米颗粒的熔化温度但小于块体的Au晶体的熔化温度，碳纳米管中的Au纳米颗粒的凝固温度依赖于Au纳米颗粒的长度，长度越大凝固温度越高。
对于纳米材料微观结构的研究，第一性原理计算只能限于一些简单的系统，而无序纳米材料的短程结构及其冷却过程中的结构演化信息又很难由实验直接获得。这样，分子动力学模拟便成为一种在原子尺度上理解和预测纳米材料性质的重要辅助手段。
湘潭大学物理系张凯旺等人采用分子动力学模拟方法，研究了填充在(8,8)单壁碳纳米管内的 Au纳米线的结构和热稳定性, 研究表明，经高温退火至室温，Au在碳纳米管内能生成多样而稳定的结构上明显区别于自由状态Au纳米线的壳层螺旋结构Au纳米线，其螺旋结构会随着温度的变化而转变, 束缚在碳纳米管内的壳层螺旋结构Au纳米线有非常好的热稳定性，稳定温度高于块体Au晶体的熔化温度。