碳的低维结构,通常在纳米尺度上展现出奇特的物理和化学性质。其中,p电子的杂化特性和自旋极化效应在磁学领域所展现的潜在价值是尤为重要的。此外,锕系元素具有活泼的化学性质和奇特的电子结构,使得它所含有的f价壳层电子与碳的p电子之间的作用,包含了微观体系中复杂的多体和相对论效应,既是当今原子层次理论基础研究的重要挑战,同时在物理学与材料学、生命科学等的交叉领域研究中具有重要价值。这些均引起了科学界的极大兴趣。本文使用第一性原理密度泛函理论方法,对碳的p电子自旋极化诱导石墨烯纳米片段间的堆垛滑移,以及涉及p电子与f价壳层电子关联的内嵌金属富勒烯中稀有气体分子的稳定性进行了研究。自旋极化与构象堆垛是复杂分子系统中的常见效应,两者均可以基于碳的二维石墨烯结构予以体现。它们紧密相关于碳p电子的效应,并且两者结合可以为理解分子间相互作用特性提供一个新视角。已有研究报道带有锯齿边的纳米尺度石墨烯片段能够展现出p电子自旋极化的基态电子结构。我们结合宏观指南针现象的启发,猜想两片这样的石墨烯片段间堆垛吸附,可能体现出与非自旋极化吸附的明显区别。在本部分工作中,借助第一性原理密度泛函理论方法,我们首次发现了菱形锯齿边石墨烯纳米片段边缘自旋极化诱导堆垛结构出现层间滑移现象。这一堆垛体系与电子自旋闭壳堆垛构象相比,存在总自旋为零的能量最低自旋极化构象。其效果为,电子自旋闭壳堆垛构象沿着平行于纳米片段平面的方向进一步出现距离为0.1埃量级的的层间滑移。这一结果凸显了,除去被唯象解释的范德华力,一种取决于单体自旋极化的特定机制会在一些分子间相互作用系统中展现出明显的力学效应。以碳的p电子与锕系的f价壳层电子关联为机制,可形成典型的低维纳米结构——内嵌金属富勒烯(endohedral metallofullerenes,EMFs)。虽然稀有气体分子具有原子结构稳定、化学活性低等特点,常被用作制备富勒烯乃至内嵌金属富勒烯的保护气,但实际上至今没有EMFs内嵌稀有气体小分子的理论机制研究报道。本部分工作,通过第一性原理密度泛函理论研究,对典型的锕系EMF结构U@C60嵌入He、Ne、Ar等稀有气体分子形成的UNg@C60(Ng=He,Ne,Ar)系统特性进行了研究。首先,对于UHe@C60系统,电子密度分析清晰的表明He同U以及碳笼之间没有显著的电子云重叠。进一步通过分子轨道成份分析,发现系统中He贡献大于1%的轨道仅有3条,具体为HOMOα-99、HOMOα-98和HOMOα-94。我们还发现He原子对U@C60紫外可见光谱,红外振动谱以及拉曼光谱的调节作用也是可忽略的。这一工作,凸显出He原子在内嵌锕系金属富勒烯中的稳定性,同时有助于理解实验上EMFs的产生过程及锕系原子裂变产物之间的相互作用。其次,我们将研究系统扩展到U@C60内嵌原子序数更大的稀有气体分子Ne和Ar。电荷分析分析表明,U和这两种原子均体现失去电子,而碳笼则得到电子。态密度分析显示,随着内嵌稀有气体的原子序数和核电荷数逐渐增大,核对外层电子的束缚能力逐渐减弱,稀有气体与U@C60对整个系统的分子轨道贡献逐渐增加。这些分析不仅有助于理解序数较大的稀有气体原子与锕系物质的相互作用物理机制,还对相关的材料学和核科学应用具有参考意义。