原子级制造离我们有多远

人们经常谈论纳米技术，可是，比纳米还小的原子级制造技术是什么？有哪些应用？日前，第一届原子级制造论坛在北京举行，与会专家学者围绕“加快原子级制造技术发展，推动未来产业创新”主题进行了深入探讨，他们认为原子级制造是颠覆性技术和前沿技术的代表，也是推进新型工业化、建设制造强国的关键“根技术”之一。

  应用价值巨大

  通俗来讲，原子级制造是在原子尺度上进行加工，形成具有原子级特定结构特征的器件产品。原子级制造工艺产品，将实现前所未有的性能提升。

  “原子级制造在材料与制造两大领域中，都展现出前所未有的潜力和前景。”中国科学院院士、南京大学教授祝世宁介绍，在制造方面，原子级制造有望开发出一系列具有超小尺度精度和卓越性能的新型产品。在材料方面，通过原子级设计和改造，可以实现材料系统的革新。这两方面融合发展，将为人类社会的进步开辟新的道路。

  中国工程院院士、哈尔滨工业大学教授谭久彬表示，在集成电路行业，如果能实现单原子特征的芯片，其尺寸、功耗将会降至当前指标的千分之一以下，同时可将计算能力提升千倍以上。

  “原子级制造给了我们一个换道超车的机会。”中国科学院院士、国家纳米科学中心主任唐智勇说，原子级制造可以突破物质底层，实现从原子出发任意创制新材料，获得极限集成、极限性能新材料和器件，形成未来制造和新质生产力，全面渗透、革新多门类高新技术和战略性新兴产业。

  南京大学教授宋凤麒赞同这个观点。“在原有赛道上，中国很难实现超越。而原子级制造为我国在制造产业实现赶超提供了一个新的契机。”宋凤麒认为，原子级制造可以培育出一些新兴产业，比如下一代信息技术、下一代医药技术、下一代电池等。

  以芯片制造为例，想在国外已经完善的领域实现赶超非常困难。而原子级制造是一条国外尚未系统化实施的新技术路线，国内已经具备一定基础。如果我国能集中力量进行科研攻关，就有可能建立起一个独特且世界领先的制造技术体系。

  虽然原子级制造具有巨大应用价值，但是目前并没有全面开展技术体系和工艺装备的开发。

  面临挑战不小

  从宏观制造、微米制造再到当前的纳米制造，未来制造必将更进一步走向原子尺度。然而，原子级制造面临的挑战不容小觑。它不仅是技术上的挑战，更是科学上的挑战。以切削操作为例，从10微米到1个原子层的精度提升，对技术控制能力提出了更高的要求，力的控制精度需要达到惊人的十万分之一！此外，即使在原子级切削上取得了技术突破，原子级光滑表面的物理稳定性也可能成为一大难题，切削出的表面可能无法保持稳定状态。

  “目前来看，原子级制造较难，国内外都处于萌芽阶段。”谭久彬说，原子级制造无论是科学原理，还是关键技术，无论是原理探索所需的科学仪器，还是制造过程所需的加工装备，都极大地挑战着我们现在的认知和能力范畴，存在大量瓶颈问题。

  宋凤麒认为，原子级制造面对的挑战中，最关键的还是基础设施与装备部分。目前大部分核心设备仍掌握在发达国家手中，国内研究设备依赖进口。我国需要发展自主知识产权保护的核心技术装备，以及支撑原子级制造发展的特色核心技术装备。

  例如，在传统制造过程中，制造的精度、范围和效率是互为矛盾的三角，而对原子级制造而言，三者矛盾更加突出。在宏观工件上精准找到一个特定原子，难度堪比大海捞针；而在原子级制造中要求反复、精准实现大海捞针，即使成功，其效率也可能低到无法实现规模化、产业化应用。

  祝世宁介绍，国外在原子级制造领域的研究起步较早，并且由于其在微纳制造产业的先进性，预计未来在该领域将继续有着出色表现。目前，美国国防部高级研究计划局（DARPA）和能源部先进制造办公室已投入数亿美元进行研究；我国也在原子级制造方面进行了同期布局，与国外的研究基础相近，有潜力实现重大突破并在某些方面与国外竞争。

  中国科学院院士、松山湖材料实验室主任汪卫华表示，希望越来越多的科研人员参与进来，集中力量进行科研攻关，不断突破从技术研究到实现产业应用的壁垒，抢占原子级制造科学高地。

  发展前景广阔

  未来，我国应该如何发展原子级制造？第一届原子级制造论坛上，论坛组委会发布了《原子级制造发展倡议书》，提出了系统推进科学研究、全面强化技术开发、前瞻布局产业应用、共建专业人才队伍等倡议。

  中国工程院院士、大连理工大学教授郭东明建议，抢占原子级制造发展先机，要整合资源协同攻关，由过去单点、散发的自由探索，转变成为有组织、有计划的探索，瞄准一定目标、围绕明确方向进行研究。

  “发展自主可控的原子级制造理论、关键技术及装备，满足我国高端制造急需，为实施制造强国战略提供强有力支持，是历史赋予我们科技工作者的重要使命。”谭久彬建议，原子级制造研究要深入调研应用场景并抽取真需求和真科学问题，解决挑战性难题；快速推进基础研究、技术突破及成果转化，与国家重点领域发展规划无缝衔接；要发展举国体制优势，整合全国各地优势资源协同研究，实现“并跑”甚至“领跑”。

  祝世宁表示，原子级制造领域的研究需要多学科领域的合作，包括物理化学、机械电子等。为推动我国在原子级制造领域的进步，国家应从基础研究、技术开发、产业培育和人才培养等多方面提供支持。“人类的技术进步是一个逐步迭代的过程，每次进步都建立在长时间的凝练与积累之上。单纯寄希望于短期的‘超车’可能会带来一时的突破，但从长远来看，稳健、持续的步伐才是关键。只有长期稳定的投入和努力，我们才能真正突破这一领域的技术瓶颈。”祝世宁说。

  唐智勇表示，原子级制造立足于已有的先进制造等其他专项基础上，发展颠覆性技术，通过原子级制造项目的推进，培养出一批国际领军科学家，形成相关专业国际化研究中心，引领国际原子级制造领域发展方向，实现重点突破。（记者 佘惠敏）