高压能够显著改变凝聚态物质的原子排列、电子结构和化学键合，是调控物质结构与性质、拓展材料空间的重要手段。晶体结构预测能够仅从化学组分出发，预测不同压强条件下的晶体结构，是发现高压新相和解析极端物态的关键理论手段。围绕压强约束下高维势能面/焓面的全局优化问题，系统综述了传统晶体结构预测方法，以及机器学习势和晶体生成模型在高压晶体结构预测中的应用；并按实验可达压强与超高压区间，归纳了富氢化合物和硼碳体系高温超导、地球及冰巨行星内部物质等理论引导的代表性进展；最后对领域的发展前景进行了展望。

含水硅酸镁作为早期地球内部极可能存在的富水储库，研究其在超高温高压条件下的赋存形式，对于了解超级地球内部结构模型和含水可能性具有重要意义。基于第一性原理分子动力学模拟，系统探究了β-Mg₂SiO₅H₂在2000～6000 K、500～900 GPa温压范围内的稳定性和弹性特征。结果表明，体系在规定温度、压力区间内保持热力学稳定。均方位移计算明确了超离子态转变区间：在2000 K和500 GPa、3000 K和700 GPa、3100 K和900 GPa的温压条件下，所有原子被束缚在晶格内，体系处于正常态；当温压分别升至4000 K和500 GPa、5000 K和700 GPa、6000 K和900 GPa时，H原子均方位移呈线性增长，Mg、Si、O骨架原子保持局域化，H质子轨迹形成弥散网络，呈现“固态骨架+液态离子”的超离子态特征。模拟结果显示，β-Mg₂SiO₅H₂的密度随压力的升高呈线性增加，剪切模量随温度升高近似线性下降，体积模量在900 GPa、6000 K时显著降低，可能影响超离子态转变。剪切波速和压缩波速的变化趋势主要受温压控制，即随着压力的升高而增加，随着温度的升高而降低；而900 GPa压力下超离子态使得β-Mg₂SiO₅H₂的压缩波速明显降低，推测超离子态转变导致结构软化。研究结果表明，β-Mg₂SiO₅H₂在符合5～8 倍地球质量的超级地球地幔深部条件下可以稳定存在，并在一定的温压条件下转变为超离子态，其高达11.4%的含水量与高效质子输运能力对类地行星深部水循环与宜居性具有潜在的重要影响，为理解行星内部动力学提供了关键的理论依据。

高压盐水体系中的相变行为是理解冰卫星深部水圈、富水行星冰幔以及高压冰物理的重要基础。与纯H₂O体系相比，盐离子不仅改变冰Ⅵ、冰Ⅶ等高压冰相的形成路径，也可能通过盐水合物和盐影响冰Ⅶ或残余卤水等形式的重新分配。围绕“盐离子在高压水体系中去向何处”这一问题，从相变路径控制因素和证据判读维度两个层面建立比较框架。其中，浓度、水活度、压力-温度路径、前驱体状态和水合物稳定性主要影响盐离子在冰相、水合物和残余流体之间的分配路径；证据类型和证据强度则用于限定不同结论的可靠性和表述边界。在此基础上，重点综述LiCl、NaCl、KCl、KBr、CaCl₂和MgCl₂等体系的研究进展。现有结果表明：LiCl体系提供了非平衡路径下盐影响冰Ⅶ的代表性证据；NaCl体系表现出明显的条件依赖和争议性；KCl/KBr及部分NaCl体系更倾向于形成盐水合物；CaCl₂体系揭示了水合物形成、分解并进一步影响冰Ⅶ的阶段性机制；MgCl₂体系则显示多水合物与潜在MgCl₂-冰Ⅶ之间的关系仍需连续原位实验证实。需要说明的是，本综述重点关注已有高压实验资料较为系统的代表性氯盐和卤盐体系，硫酸盐、碳酸盐及多离子复盐体系仅在行星背景和未来研究方向中作有限讨论。

采用第一性原理方法，系统研究了UH₅在30.0 GPa内的热力学、力学、动力学稳定性以及电子性质。研究发现，实验合成的正交、六角、立方相均为磁性材料，自旋极化率分别达到82%、100%、100%，热力学稳定性依次降低。弹性与声子模拟表明，3个相均具备力学与动力学稳定性，化学键分析表明，这主要源于晶格中普遍存在共价性较强的U-H相互作用。此外，预测了实验上截留至1.0 GPa的正交相在1200 K转变为H离子在U亚晶格间隙中快速扩散的超离子态，扩散系数达到1.2×10^–4 cm²/s。

采用CALYPSO结构预测方法结合第一性原理计算，对Li-N-H体系在100～300 GPa高压条件下的晶体结构稳定性、电子结构和超导性质进行系统研究，提出了6个热力学稳定或亚稳定的富锂氮氢化合物，包括C2 Li₂NH、P2₁2₁2₁ Li₂NH、I4/mmm Li₃NH、Imm2 Li₈NH、Cm Li₉NH、P2/c Li₁₀NH。结果表明，氢元素在不同锂化程度下呈现出显著差异的化学角色演化：在低锂含量化合物中，H 原子倾向与 N 原子形成共价键，以达到稳定的满壳层电子构型；随着锂含量的增加，H 逐渐从配位成键状态转变为占据晶格间隙位点，并作为电子受体捕获多余的间隙电子，从而有效调控体系中间隙电子数量、局域性与空间拓扑结构。相应地，C2 Li₂NH、P2₁2₁2₁ Li₂NH和 I4/mmm Li₃NH为绝缘性的非电子化合物，而Imm2 Li₈NH、Cm Li₉NH及P2/c Li₁₀NH则表现出典型的金属性和电子化合物特征。其中，P2/c Li₁₀NH在100 GPa下具有约4.8 K的超导转变温度，其超导电性主要来源于H的p轨道电子与Li原子主导的低频晶格振动之间的强电子-声子耦合。该工作揭示了H在高压Li-N-H体系中由共价配位向间隙电子捕获的双重功能机制，为高压条件下新型电子化合物及超导材料的理性设计提供了理论依据。

采用密度泛函理论框架下的第一性原理计算与CALYPSO晶体结构预测方法相结合，系统探究了惰性元素氦（He）与碱土金属的化合物在高压条件下的结构稳定性。研究发现，在碱土金属中，锶（Sr）与 He 形成的化合物具有相对较低的能量。为此，对400 GPa下Sr₂He的晶体结构进行了预测。电子定域函数和态密度分析表明，Sr与He原子之间不存在形成共价键的趋势。此外，Bader电荷分析显示，Sr原子与He原子之间存在离子键作用，电荷从He转移至Sr，从而为阐明Sr₂He的成键机制提供了关键见解。研究结果揭示了Sr₂He的晶体结构、成键性质及电子特性，为理解此类亚稳材料的稳定性和物理性质提供了理论支撑，并为其实验合成提供了重要指导。

洋岛玄武岩中高比值的³He/⁴He指示地球深部存在原始氦储库，而地球深部的物质组成和波速异常同样也是当前研究的热点。然而，关于地球深部稳定含氦化合物的了解知之甚少。为此，采用基于密度泛函理论的第一性原理方法，系统计算了30～150 GPa压力条件下FeO₂H₂He的晶体结构和弹性性质。声子色散和弹性常数计算结果表明， FeO₂H₂He的R3m三方晶系结构在所计算的静态高压条件下表现出良好的局部动力学稳定性和力学稳定性。泊松比与Pugh比分析显示，FeO₂H₂He在所研究的压力范围内均表现为延性状态。密度和波速特征综合揭示了FeO₂H₂He具有作为核幔边界附近候选含氦相的可能性，并且可能是解释超低速区（ultra-low velocity zones, ULVZs）波速异常的潜在矿物组成。研究结果丰富了核幔边界的物质组成，为地球深部氦的赋存与分布提供了新的矿物学约束。

采用基于粒子群优化算法的晶体结构搜索方法，结合第一性原理计算，对富硼过渡金属硼化物TaB₄在高压下的晶体结构、稳定性、电子性质、力学性质及超导电性进行了系统研究，并探讨了其结构与超导电性之间的内在关联。研究结果表明，常压下稳定的C2/m-Ⅰ相在约2.5 GPa发生结构转变，形成一种新的单斜C2/m-Ⅱ相。声子谱计算表明，该新相卸压至常压后仍保持动力学稳定性，说明其有望以亚稳相形式在常压下保留。电子结构计算表明，C2/m-Ⅱ-TaB₄具有金属导电特征，其常压超导转变温度可达13.5 K，超导电性主要源于Ta原子低频振动与B原子相关振动模式共同贡献的电子-声子耦合作用。此外，力学性质计算表明，该新相的理论维氏硬度约为14.5 GPa，表现出一定的抗塑性变形能力。本研究丰富了Ta-B体系富硼化合物的晶体结构类型，并为深入理解过渡金属硼化物中晶体结构、晶格振动与超导电性之间的内在联系提供了理论参考。

由于B、C和O等轻元素之间易形成较强的共价键，B-C-O化合物被认为是探索和设计新型超硬材料的理想体系之一。采用CALYPSO结构预测方法，结合第一性原理计算，系统探究了高压下B-C-O三元体系的稳定性，发现了2个新型亚稳态化合物B₂CO₅和B₃CO₃。其中，B₂CO₅的形成能距热力学凸包仅6 meV/atom。B₂CO₅和B₃CO₃属于非金刚石等电子化合物，并具有新型成键方式：B₂CO₅晶体结构由sp²杂化的CO₃平面三角单元和sp³杂化的BO₄四面体通过O原子共享的方式构成；而B₃CO₃晶体结构中包含sp³杂化的BCO₃四面体。力学性能分析表明，B₂CO₅在不同晶面上表现出明显的弹性各向异性，而B₃CO₃则在(001)面保持弹性各向同性。硬度计算结果显示，在0 GPa压强下，B₃CO₃的维氏硬度约为36.4 GPa，具有潜在的超硬材料应用价值。电子结构计算表明，在25 GPa压强下，B₂CO₅和B₃CO₃均表现出宽带隙半导体特征，Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）泛函计算得到的带隙分别为4.49和5.46 eV，Heyd-Scuseria-Ernzerhof 2006（HSE06）杂化泛函结果分别为6.77和7.07 eV。本研究丰富了B-C-O化合物的成键类型，并为高压条件下设计新型超硬材料提供了理论数据。

矿物的晶格热导率对地球内部的热流和温度分布具有重要影响。方解石的主要成分为碳酸钙（CaCO₃），其可以随俯冲进入地球深部，是地球深部重要的碳来源。随着地球深度的变化，CaCO₃发生相变和热分解，其物理性质也会受到影响。采用第一性原理结合晶格动力学方法研究了方解石相变及热分解前后的热导率变化。计算结果表明：发生方解石Ⅰ至方解石Ⅱ相变时，热导率减小，而在更高压力下发生相变时，热导率均有不同程度的增大；文石及后文石的热导率随压力的升高接近线性增加，其中后文石随压力变化更为明显；热分解产物CaO的热导率明显高于方解石的热导率，会加速局部区域的热传导。对相关热力学参数进行分析，发现声子群速度与非谐散射率共同决定了相变和分解导致的热导率变化。