凝聚态物质结构的理论预测是材料、物理和化学等学科长期关注的挑战性课题.论文作者和课题组其他成员合作，基于粒子群多目标优化算法,引入结构表征的成键特征矩阵,提出并发展了卡里普索(CALYPSO)结构预测方法,编制了具有自主知识产权的CALYPSO结构预测软件,现已成为国际结构预测领域的重要方法和工具.在此基础上,论文对材料和行星科学的典型体系进行了示范性的研究,获得了如下创新性结果:1.三碲化二铋(Bi2Te3)在常压下是一种性能优良的热电材料，也是一种典型的拓扑绝缘体，其研究备受关注.自1972年以来,实验就发现Bi2Te3在高压下存在两个结构相变，并伴随着超导电性的出现.对超导电性产生根源的理解，必须弄清高压新相的结构.论文利用自主发展的CALYPSO结构预测方法预言Bi2Te3的两个高压相是分别具有7配位铋和8配位铋的单斜结构，并得到了高压X射线衍射实验的证实，研究工作解决了困扰近40年的Bi2Te3高压结构的难题.同时在14.4万大气压以上,论文发现Bi2Te3竟然转变为一个具有无序体心立方结构的Bi-–Te替代合金.2.作为物理、化学以及行星科学研究领域的长期主题，双原子分子固体的压致分子解离是人们长期关注的主题.论文利用CALYPSO结构预测方法,首次在1900万大气压下从理论上实现了固态氧的双原子分子解离，固态氧转变为螺旋链状的原子相结构.令人意外的是，固态氧的分子解离导致了固态氧从金属相到绝缘相的转变,违背了高压金属化的传统理念.3.研究表明,在地球大气层中90%的氙气(Xe)不知去向,这就是行星学中著名的“Missing Xe Paradox”，即“氙气消失之谜”.人们普遍认为Xe存储在地球内部，但存在的位置和形态是地学领域长期争议的课题.1997年《科学》期刊发表了理论和实验合作论文，认为Xe和铁（地核的主要构成元素）无法反应形成稳定的化合物，排除了Xe存储在地核内部的可能性.论文利用CALYPSO结构预测方法，首次从理论上提出Xe可以与铁和镍在地核的压力和温度条件下发生化学反应，形成一系列稳定的化合物(例如, XeFe3, XeFe5, XeNi3, XeNi5等等).论文研究结果推翻了前期Xe和铁无法反应的论断,认为地核可以是氙气的藏身之所,很可能为“氙气消失之谜”提供了答案.4.地球内部的地核是由85%的铁元素，5%的镍元素和10%的轻质元素构成，氧也是地核中主要存在的轻质元素之一.长期以来,人们普遍认为在内地核中稳定存在的铁氧化合物为FeO.然而,在内地核的环境下,铁氧化合物究竟以什么形式存在仍然有待探索.我们利用CALYPSO结构预测方法研究了元素氧在内地核的富铁环境中可能的存在形式.研究发现在内地核中稳定存在的铁氧化合物并不是普遍认为的FeO,而应该是Fe3O.此研究工作为人们理解地球内核的结构提供了重要的理论依据.