原子級製造離我們有多遠

人們經常談論納米技術，可是，比納米還小的原子級製造技術是什麼？有哪些應用？日前，第一屆原子級製造論壇在北京舉行，與會專家學者圍繞“加快原子級製造技術發展，推動未來產業創新”主題進行了深入探討，他們認爲原子級製造是顛覆性技術和前沿技術的代表，也是推進新型工業化、建設製造強國的關鍵“根技術”之一。

應用價值巨大

通俗來講，原子級製造是在原子尺度上進行加工，形成具有原子級特定結構特徵的器件產品。原子級製造工藝產品，將實現前所未有的性能提升。

“原子級製造在材料與製造兩大領域中，都展現出前所未有的潛力和前景。”中國科學院院士、南京大學教授祝世寧介紹，在製造方面，原子級製造有望開發出一系列具有超小尺度精度和卓越性能的新型產品。在材料方面，通過原子級設計和改造，可以實現材料系統的革新。這兩方面融合發展，將爲人類社會的進步開闢新的道路。

中國工程院院士、哈爾濱工業大學教授譚久彬表示，在集成電路行業，如果能實現單原子特徵的芯片，其尺寸、功耗將會降至當前指標的千分之一以下，同時可將計算能力提升千倍以上。

“原子級製造給了我們一個換道超車的機會。”中國科學院院士、國家納米科學中心主任唐智勇說，原子級製造可以突破物質底層，實現從原子出發任意創制新材料，獲得極限集成、極限性能新材料和器件，形成未來製造和新質生產力，全面滲透、革新多門類高新技術和戰略性新興產業。

南京大學教授宋鳳麒贊同這個觀點。“在原有賽道上，中國很難實現超越。而原子級製造爲我國在製造產業實現趕超提供了一個新的契機。”宋鳳麒認爲，原子級製造可以培育出一些新興產業，比如下一代信息技術、下一代醫藥技術、下一代電池等。

以芯片製造爲例，想在國外已經完善的領域實現趕超非常困難。而原子級製造是一條國外尚未系統化實施的新技術路線，國內已經具備一定基礎。如果我國能集中力量進行科研攻關，就有可能建立起一個獨特且世界領先的製造技術體系。

雖然原子級製造具有巨大應用價值，但是目前並沒有全面開展技術體系和工藝裝備的開發。

面臨挑戰不小

從宏觀製造、微米制造再到當前的納米制造，未來製造必將更進一步走向原子尺度。然而，原子級製造面臨的挑戰不容小覷。它不僅是技術上的挑戰，更是科學上的挑戰。以切削操作爲例，從10微米到1個原子層的精度提升，對技術控制能力提出了更高的要求，力的控制精度需要達到驚人的十萬分之一！此外，即使在原子級切削上取得了技術突破，原子級光滑表面的物理穩定性也可能成爲一大難題，切削出的表面可能無法保持穩定狀態。

“目前來看，原子級製造較難，國內外都處於萌芽階段。”譚久彬說，原子級製造無論是科學原理，還是關鍵技術，無論是原理探索所需的科學儀器，還是製造過程所需的加工裝備，都極大地挑戰着我們現在的認知和能力範疇，存在大量瓶頸問題。

宋鳳麒認爲，原子級製造面對的挑戰中，最關鍵的還是基礎設施與裝備部分。目前大部分核心設備仍掌握在發達國家手中，國內研究設備依賴進口。我國需要發展自主知識產權保護的核心技術裝備，以及支撐原子級製造發展的特色核心技術裝備。

例如，在傳統制造過程中，製造的精度、範圍和效率是互爲矛盾的三角，而對原子級製造而言，三者矛盾更加突出。在宏觀工件上精準找到一個特定原子，難度堪比大海撈針；而在原子級製造中要求反覆、精準實現大海撈針，即使成功，其效率也可能低到無法實現規模化、產業化應用。

祝世寧介紹，國外在原子級製造領域的研究起步較早，並且由於其在微納製造產業的先進性，預計未來在該領域將繼續有着出色表現。目前，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）和能源部先進製造辦公室已投入數億美元進行研究；我國也在原子級製造方面進行了同期佈局，與國外的研究基礎相近，有潛力實現重大突破並在某些方面與國外競爭。

中國科學院院士、松山湖材料實驗室主任汪衛華表示，希望越來越多的科研人員參與進來，集中力量進行科研攻關，不斷突破從技術研究到實現產業應用的壁壘，搶佔原子級製造科學高地。

發展前景廣闊

未來，我國應該如何發展原子級製造？第一屆原子級製造論壇上，論壇組委會發布了《原子級製造發展倡議書》，提出了系統推進科學研究、全面強化技術開發、前瞻佈局產業應用、共建專業人才隊伍等倡議。

中國工程院院士、大連理工大學教授郭東明建議，搶佔原子級製造發展先機，要整合資源協同攻關，由過去單點、散發的自由探索，轉變成爲有組織、有計劃的探索，瞄準一定目標、圍繞明確方向進行研究。

“發展自主可控的原子級製造理論、關鍵技術及裝備，滿足我國高端製造急需，爲實施製造強國戰略提供強有力支持，是歷史賦予我們科技工作者的重要使命。”譚久彬建議，原子級製造研究要深入調研應用場景並抽取真需求和真科學問題，解決挑戰性難題；快速推進基礎研究、技術突破及成果轉化，與國家重點領域發展規劃無縫銜接；要發展舉國體制優勢，整合全國各地優勢資源協同研究，實現“並跑”甚至“領跑”。

祝世寧表示，原子級製造領域的研究需要多學科領域的合作，包括物理化學、機械電子等。爲推動我國在原子級製造領域的進步，國家應從基礎研究、技術開發、產業培育和人才培養等多方面提供支持。“人類的技術進步是一個逐步迭代的過程，每次進步都建立在長時間的凝練與積累之上。單純寄希望於短期的‘超車’可能會帶來一時的突破，但從長遠來看，穩健、持續的步伐纔是關鍵。只有長期穩定的投入和努力，我們才能真正突破這一領域的技術瓶頸。”祝世寧說。

唐智勇表示，原子級製造立足於已有的先進製造等其他專項基礎上，發展顛覆性技術，通過原子級製造項目的推進，培養出一批國際領軍科學家，形成相關專業國際化研究中心，引領國際原子級製造領域發展方向，實現重點突破。 （經濟日報記者 佘惠敏）