2010年,首例“汪克尔”分子马达B^-₁₉团簇的发现揭开了硼基团簇分子机器的研究序幕,随后设计、合成、表征具有动力学流变性的硼基团簇受到相关领域研究人员的密切关注。本论文在文献报道的Mg₂B₈纳米团簇“指南仪”研究基础上,通过对部件（指针、表盘）改造,理论设计了系列新型硼合金纳米团簇“指南仪”M₂B₇^-（M=Zn,Cd）及Mg₂BeB₈;通过引入过渡金属钨原子,降低了B₁₀团簇内外环间的转动势垒,设计了新型硼合金汪克尔分子马达WB₁₀。在理性设计基础上,本论文运用密度泛函理论（density functional theory,DFT）系统研究了这些新颖纳米团簇的几何结构、化学成键、芳香性及动力学流变性,相关结果进一步丰富、拓展了硼基团簇分子机器研究领域。本论文主要研究内容及结论如下:1.二元硼合金纳米“指南仪”M₂B₇^-（M=Zn,Cd）文献报道的Mg₂B₈纳米团簇指南仪中,Mg₂为指针,含七配位硼的B₈（B?B₇）分子轮为表盘,我们采用过渡金属Zn、Cd替代纳米“指南仪”Mg₂B₈的Mg原子,同时采用几何尺寸略小、含平面六配位硼的B₇（B?B₆）分子轮作为表盘,设计了二元硼合金纳米“指南仪”M₂B₇^-（M=Zn,Cd）。系统的异构体搜索及高水平量化计算表明,硼合金纳米“指南仪”M₂B₇^-（M=Zn,Cd）为体系势能面上的全局极小,具有良好的热力学稳定性。玻恩-奥本海默分子动力学（BOMD）模拟揭示:600K时,M₂B₇^-（M=Zn,Cd）团簇具有新颖的动力学流变性,悬浮在B₇表盘正上方的Zn₂/Cd₂指针可自如转动,整体如同“指南仪”。成键分析表明M₂B₇^-（M=Zn,Cd）二元硼合金团簇中Zn₂/Cd₂单元与B₇表盘间既有离子键作用,同时又有共价键作用,M₂B₇^-（M=Zn,Cd）整体具有6p和6s电子,满足Hückel（4n+2,n=1）电子数规则,即具有6p/6s双重芳香性。M₂B₇^-（M=Zn,Cd）新型“指南仪”的设计表明,改变表盘、指针是设计和丰富硼合金纳米“指南仪”家族的有效途径。2.三元硼合金纳米“指南仪”Mg₂BeB₈。在Mg₂B₈二元纳米团簇“指南仪”基础上,通过掺杂Be原子,理论设计了首例三元硼合金纳米“指南仪”Mg₂BeB₈,其中Mg₂单元为指针,BeB₈八元环分子轮为表盘,整体呈半三明治状结构。全局结构搜索表明,Mg₂BeB₈纳米“指南仪”为体系势能面上的全局极小结构,稳定性良好。动力学模拟显示300K时Mg₂指针可悬浮在BeB₈表盘上方自由转动,转动能垒仅为0.1 kcal·mol^-1。化学成键分析表明Mg₂BeB₈三元硼合金团簇本质上看作电荷转移复合物[Mg₂]²⁺[BeB₈]^2-,指针[Mg₂]²⁺上Mg原子间为定域共价键,表盘[BeB₈]^2-有三个离域p键和三个离域s键,使其具有6p+6s双重芳香性。[Mg₂]²⁺指针与表盘[BeB₈]^2-之间的离子键及连续离域的电子云,使得Mg₂BeB₈团簇具有良好的动力学流变性。与七元环表盘的Mg₂B₈纳米“指南仪”相比,八元环表盘的Mg₂BeB₈具有更好的指向性。3.硼合金汪克尔分子马达WB₁₀在拉长的B₁₀裸硼团簇基础上,通过引入过渡金属W（钨）原子,我们理论设计了硼合金汪克尔分子马达WB₁₀。全局搜索表明,汪克尔分子马达WB₁₀为体系势能面上的全局极小结构,整体呈C_2v对称性的碗状半夹心结构,其中钨原子位于碗状B₁₀单元的凹面上方。振动频率分析表明WB₁₀团簇有一个204.3cm^-1的振动软模,与分子内转动相关,沿着该振动软模可找到其过渡态（transition state,TS）结构。W原子的引入,显著地降低了B₁₀单元内外环相对转动的势垒,在CCSD（T）/def2-TZVP//PBE0/def2-TZVP水平上转动能垒仅为1.56kcal·mol^-1。分子动力学模拟表明,较高温度600 K时,WB₁₀团簇外围B₈环可围绕B₂内核自如转动。成键分析表明WB₁₀团簇中,18个电子用于外围B₈环上的8个B-B键及B₂内核上的一个B-B键,其余18个价电子参与形成了6个离域s和3个离域p键,依据休克尔电子数规则,其具有6p芳香性及12s反芳香性。