研究领域包括：低维凝聚态物理；材料辐照效应；分子晶体与含能材料。主要学术贡献包括：

1. 提出了过渡金属团簇电磁特性的有效配位数模型，以第三完成人获国家自然科学二等奖；开发了团簇结构优化程序包CGA，获软件著作权；揭示了B80团簇的壳层结构，法国科学家以本人的名字命名该结构，美国化学学会新闻周刊予以专评报道。

2. 在科学杂志子刊Science Advances上预测了水分子形成低密度笼形冰相，有可能成为冰的第18相，在气体存储方面具有潜在应用前景，被英国《每日邮报》、Science Daily、美国NSF网站等报道。

3. 揭示了掺杂、功能化、晶界对碳纳米管和石墨烯的物性调控规律，被国际同行两次誉为先驱计算，论文被诺贝尔奖获得者Novoselov和Geim等科学家大量引用，最高单篇引用超过740次，为Springer出版社撰写了首部关于氧化石墨烯的英文专著。

4. 建立了石墨烯、硅烯、硼烯在金属衬底上的生长模型，给出了金属衬底的选择判据，成功预测了贵金属衬底上的硼烯合成；通过氧化插层双层硅烯获得了具有狄拉克电子特性的准自由硅烯单层，被Phys.Org、IEEE Spectrum报道。

5. 针对核聚变堆结构材料的基础物性与辐照损伤效应，发展了固体三阶弹性系数和固溶体合金理想强度的计算方法，研究了氢/氦与缺陷的协同效应，开展了基于真实材料参数的相场模拟。