由于计算机性能跟分子模拟技术的迅速发展,采用理论设计指导新型功能纳米材料的合成策略已成为当前药物设计、化学工程、材料科学、能源以及环境等领域的研究热点,具有重要的理论及应用价值。本论文采用第一性原理计算与分子模拟相结合的方法,设计出一系列新型纳米材料,并对它们的电子性能,力学强度以及气体吸附性能进行了系统研究,主要内容与创新点如下：(1)基于金刚石的正四面体结构,通过炔键(-C三C-)替换其所有碳碳单键(连接体替换法),设计出一种新型碳同素异形体—金刚炔。这种结构是一种由sp和sp3碳原子杂化形成的全新的碳同素异形体,其比表面积大小为684m2/g,与沸石相当,孔径约为8A,是一种全新的多孔框架材料。采用第一性原理计算与分子模拟相结合的方法研究了金刚炔的电子性能,力学强度以及甲烷吸附性能。金刚炔由于其结构中每个碳原子都饱和成键,表现出与金刚石相同的绝缘体性能(带隙4.8eV)；在力学强度方面金刚炔则体现了远远高于其他多孔材料的体模量;由于其特殊的孔径,在298K、35bar下金刚炔对甲烷的吸附量达到了255v(STP)/v,不仅高于美国能源部提出的标准,而且远远超过了其他多孔材料。这些研究都能够为金刚炔的实际应用提供了可靠的理论依据。(2)采用GCMC模拟方法研究了类金刚石框架的材料—金刚炔与PAFs材料对烯烷烃混合物的吸附分离性能。选择性主要受以下三方面因素的共同影响,1)气体分子大小,2)气体分子与材料之间相互作用的强弱,3)材料自身的骨架结构特点。计算结果表明,金刚炔与MOFs材料相似,偏向于选择吸附烯烃；而PAFs材料选择吸附烷烃。金刚炔的孔径较PAFs材料小,所以在对烯烷烃的选择方面倾向于吸附较小分子直径的烯烃,而PAF-302的孔尺寸对于烯烃,烷烃的吸附过程在分子直径相对大小方面要求不高,主要决定于其自身的骨架结构特点与相互作用力(气体-气体,气体-材料)的强弱。(3)采用节点替换的方法,通过炔键四面体(C12)分别替换金刚炔与金刚石中四面体碳原子节点的方式得到了两种新型的碳同素异形体—TND-1与TND-2。两种结构具有高比表面积与大孔径的特性,尤其是TND-1材料,孔径约为17A,比表面积达到6250m2/g,预示着该材料具有优良的气体吸附性能,GCMC模拟计算的结果表明,TND-1对气体(CO2, CH4, N2, H2)的吸附能量高于TND-2,体现了其大孔以及高比表面积的优势。另一方面,TND-2因孔径较小在二元混合物的选择性分离过程中则表现更好,两种材料对二元混合物CO2/H2, CO2/N2, CO2/CH4和CH4/H2的选择性都依次减小,主要受气体分子直径之间相对大小以及吸附热的差异这两方面影响,共同决定气体在材料中的选择性。(4)设计出12种一维多边形(三边形,四边形,五边形,六边形)纳米管,并采用第一性原理计算研究了一维多边形纳米管材料的导电性质。结果表明,这些多边形纳米管都呈现出半导体性质,向这些材料中引入单层缺陷后,仅仅只有四边形纳米管出现了导电性变化,由半导体转为导体,而其他纳米管则仍然是半导体,所以继续对四边形纳米管引入连续双层与连续三层缺陷,发现也会发生导电性质的切换,双层缺陷导致了半导体,三层缺陷又引发导体性质。这种通过调节缺陷层数的方式可以对材料的导电性质进行有效控制,避免了以往所报道的因为化学改性的不可控掺杂,可为实际的合成提供基础和参考。(5)采用分子模拟较全面地研究了多边形(三边形,四边形,五边形,六边形,八边形)碳纳米管的轴向拉伸性能。Lammps动力学计算结果表明多边形碳纳米管的应力强度低于同等管径的圆形碳纳米管,随着多边形碳纳米管边数的增加,其杨氏模量也渐渐接近相应的外接圆形碳纳米管。因为纳米管的力学强度很大程度上受管壁曲率的影响,曲率越小,受力在管子周围分布越均匀,不会造成局部受力过大,体现出较高的力学强度。此外,纳米管的力学特性也受温度以及应变速率的影响,随着温度升高,纳米管的原子获取足够能量跨越活化能垒,完成管子构型重整,从而加速弹性形变的发生,导致临界应变的提前出现；随着应变速率的加快,管子来不及实现构型重整,虽然可能造成局部区域受力过大但是也不至于引起严重形变,所以相对较慢的应变速率而言,临界应变会比较大。总的来说,临界应变随温度上升而降低,却随应变速率加快而升高。并采用过渡态理论模型,对这些多边形碳纳米管的力学相关参数进行拟合,为研究任意实验温度下的应力数值提供理论依据。