众所周知,许多物理、化学、生物演化过程都是由原子与分子的热运动所支配的。在这种意义上可以说原子的热运动是最值得关注的自然过程。在历史上人类较早地认识到化学反应的热运动本质,而随着现代科学技术的发展,原子的热运动规律引起了科学家更多地关注。这不仅因为在目前的各种纳米器件(量子点、纳米线等)的制备中存在热稳定性问题,更因为人们需要设计具有奇特物理化学特性的新分子和新材料。关键的问题是如何从理论上预测上述热驱动演化过程进行的速率。虽然现代物理学理论(如量子场论)已有了长足发展,但是预测热反应速率是一个长期存在的挑战性问题。继1889年Arrhenius提出化学反应速率随温度变化的经验规律之后,到目前为止已经发展出许多热反应速率理论,其中最著名的应是1935年提出的过渡态理论。然而数十年来的研究表明,传统过渡态理论与实验观测的速率往往有较大偏差,有时甚至产生数量级的差别。虽然现代过渡态理论已发展成为一系列复杂的模型,但仍然不能有效地改变与实验结果的偏差。上个世纪五十年代建立的分子反应动力学,继承了过去的碰撞理论,目前已深入到态态反应的细节。但由于其关注的细节过于复杂,而无法建立起模型化的速率理论。除此之外,人们还发展了如RRKM理论等其他的热反应速率理论,但其结果都与实验数据有着或多或少的偏差。在这种情况下,虽然面对给定的实验结果我们可以从众多的理论模型中选出一种与之吻合,但很难找到一个普适的物理模型。这使得现代的纳米材料、纳米器件设计缺乏基本的理论预测手段,例如我们无法预知所设计的纳米体系的寿命随温度如何变化,等等。近几年来,二维单层石墨烯的发现引起了研究者的广泛关注。作为历史上首次发现的二维材料,由于它具有一般体材料所不具备的一些特殊物理性质,被认为是能够替代目前的硅基集成电路的新一代材料。我们在理论上提出了从石墨烯中制备一维单原子碳链的方案,与此同时碳链在实验上被发现。在此基础上,我们希望设计出基于一维和二维晶体的更小尺度的纳米器件,例如基于碳链的的整流器件,以突破目前集成电路小型化受到的量子效应瓶颈。然而,尚没有精确的理论模型能够预测基于碳链和石墨烯器件的稳定性(寿命),这容易导致相关实验设计制备的盲目性。本文的工作试图解决上述问题,提出了一个能够预测各种热驱动的基元过程速率的统计力学模型。首先,我们论证了凝聚态物质中的原子热运动速率分布也是麦克斯韦分布,并在此基础上建立了一个基于单原子而不是整个体系的热力学统计模型以克服过渡态理论的不足。事实证明,该模型的操作简便易行,可方便地在第一性原理计算中实现。通过与分子动力学模拟和一系列实验数据比较,我们验证了该模型的可靠性。在此基础上,我们提出了基于单原子碳链的一系列器件的制备方法,分析了其寿命及相关基本物理问题,具体内容有：1、理论上提出了一种从单层石墨烯中通过机械拉伸制备出单原子碳链的方案,并预测了单原子链与石墨烯相关结构的寿命,结果表明1cm长的碳链在室温下的寿命长达6×1043年,而金属原子链却不具备这样的稳定性。以上结果均得到了分子动力学模拟和已知实验结果的检验。2、理论上模拟了在单原子碳链中掺杂一两种原子的方法,预测了掺杂后的碳链在室温下的稳定性,结果表明掺杂链与纯碳链同样是非常稳定的。在此基础上提出了由BN分子掺杂的碳链构成的整流器件。3、关于一维晶体中存在的大尺度的离域量子态,可在体系的一端施加局域作用以实现从基态到激发态的跃迁。按照量子理论的基本诠释,如果该量子跃迁发生,则体系各处的量子状态将瞬间改变,但这违反了相对论因果律。也就是说这种离域量子态跃迁的局域激发似乎是不可能的。本工作从光与碳链的相互作用的角度探讨了这个基本物理问题,表明局域激发离域量子态跃迁是可行的,并解释了与相对论因果律之间的“矛盾”。在此基础上,设计了一种基于单原子碳链的可连续调谐的红外激光器,其调谐范围覆盖了当今激光器调谐范围的盲区,并且这种可调谐激光器的泵浦方法十分简单,只需通电即可具有高的电光转换效率4、纳米团簇的性质与其结构有着密切关系。纳米团簇结构的微小的变化将大大改变其性质,而目前实验技术尚无法精确地测量纳米团簇的结构,因而理论预测是十分重要的。目前自由能(或势能)判据被普遍应用于团簇生长过程异构体形成预测。然而我们的研究表明自由能判据是不可靠的。本工作中将单原子模型用于团簇的异构化过程,提出了判断团簇异构体形成几率的理论模型。结果表明,单原子模型能够很好地预测团簇异构化速率及异构体寿命。5、将单原子模型应用于单分子化学反应速率的预测,并将其扩展到了双分子反应。为了能够将单原子模型与过渡态理论进行严格比较,我们选择了若干已有大量实验观测数据的反应,特别是其静态反应势垒已用严格的实验方法(如光解离)所确定。结果表明单原子模型与实验数据符合较好,而过渡态理论则存在较大偏差。除此之外,我们还采用了分子动力学模拟更严格地检验了单原子模型。在分子动力学模拟中,通过其相互作用势可获得准确的反应势垒,更重要的是,分子动力学模拟不包含任何原子运动的量子效应,为严格地检验单原子模型提供了更可靠的数据。结果表明,单原子模型确实比过渡态理论更准确、更实用。此外,在此期间还完成了通过强激光从高电荷态离子中产生共振超高次谐波发射的理论工作,以及燃料电池中铂和镍纳米颗粒表面结构的理论预测模型。后者的模型简单实用,普遍适用于判断各种物质形成单晶体的能力、以及纳米晶粒各种表面的形成能力。