课题组通过前线轨道理论分析、优化建模并利用高水平多参考方法解析了π共轭自由基分子间的相互作用机理，提出了有效的弱相互作用力分解公式及势能分解策略，明确了这类晶体材料的内部驱动力以及独特堆积方式的成因。通过该系列研究有望为π-π弱相互作用方向拓展新的理论视野，为实验室获得新一代功能性光电磁材料提供重要的理论线索。另一方面，课题组在总结原有理论和电子设计策略的基础上发展了独特的π电子设计策略，并深入地探讨了新型原子间相互作用的稳定化机制，把“定域和离域”π电子稳定策略移植到新奇的原子团簇中来。这些研究成果不仅打破了人们对原子团簇传统电子和几何结构的束缚，而且拓展了原子的成键能力和丰富了人们对原子间相互作用的认知，为分子科学中新奇原子团簇的获得提供了重要的理论视野。
课题组基于第一性原理计算与高通量筛选策略，系统开展了多类二维材料中本征超导性的理论研究，通过对能带结构、费米面特征及电子-声子耦合的深入分析，获得了一系列高温二维超导体，明确了轻元素体系中增强电子-声子耦合以实现高临界温度的关键结构因素。进一步地，通过对轨道成分与晶体对称性的系统研究，考察了拓扑电子态与超导性质在同一体系中出现的可能性，在硼基二维体系中构建了几例兼具Dirac电子态与声子介导超导特征的新型二维材料。通过该系列研究，有望在轻元素低维体系中实现超导与拓扑性质的协同调控，为探索新型拓扑超导体提供重要的理论依据。
课题组以非那烯二聚体来建立最优化的相互作用模型，利用有良好对角化方法且尺寸一致性等诸多特征的多组态平均二次耦合簇（MR-AQCC）方法来进行理论模拟。系统地提出了一套有效的弱相互作用能拆分公式以及分解策略，并利用其解析了该类π共轭自由基分子间作用力，明确了体系稳定化机理、分子间独特堆积方式及弱相互作用机制。同时，以数据库中56个非那烯分子晶体为研究对象，构建了结构分布图，并探讨了离域π自由基分子电子结构与分子间相互作用力、堆积方式及稳定机制的关联，为获得更多π自由基分子功能性体系提供了理论依据。
π电子共轭模式为原子和分子间相互作用的多样化和丰富性提供了重要的保障，而探究新型原子间相互作用及稳定新奇原子团簇一直是分子科学研究的重要课题。该方向的突破不仅需要打破对原有原子间相互作用及稳定模式的束缚和原子团簇电子结构的设想，而且需要探究新型相互作用的稳定化机制，这是非常有挑战性的。我们利用π共轭体系发现了几类π共轭超配位原子团簇的稳定化机理，并以团簇型平面分子为建筑单元设计了具有奇特物理特性的平面超配位二维体系。
硼原子缺电子特性使其倾向形成多中心键及离域π电子共轭模式，这是硼原子形成低维纳米材料的关键因素之一。利用多金属掺杂，对硼团簇几何、电子结构及稳定性展开系统理论研究，获得多个新型的硼团簇体系以及进一步加深对硼团簇的几何和电子结构、生长规律、稳定化机制的理解。
二维材料因其量子局域效应、尺寸效应、表面效应和量子隧穿效应等，展现出不同于体相材料的特性，因此成为凝聚态物理研究的焦点。课题组利用第一性原理计算，对二维材料的几何结构、电子结构及电子-声子耦合展开研究，通过深入分析层间成键、电荷转移与轨道杂化特征，阐明其电子结构特征与稳定性机制，重点探索其中可能存在的拓扑电子态及超导性质，获得了若干潜在的高温二维拓扑超导体，阐明了此类材料的结构-性能关系，为其物性调控及实验可控制备提供重要的理论依据。