原子級制造離我們有多遠

人們經(jīng)常談論納米技術，可是，比納米還小的原子級制造技術是什么？有哪些應用？日前，第一屆原子級制造論壇在北京舉行，與會專家學者圍繞“加快原子級制造技術發(fā)展，推動未來產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新”主題進行了深入探討，他們認為原子級制造是顛覆性技術和前沿技術的代表，也是推進新型工業(yè)化、建設制造強國的關鍵“根技術”之一。

  應用價值巨大

  通俗來講，原子級制造是在原子尺度上進行加工，形成具有原子級特定結構特征的器件產(chǎn)品。原子級制造工藝產(chǎn)品，將實現(xiàn)前所未有的性能提升。

  “原子級制造在材料與制造兩大領域中，都展現(xiàn)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，在制造方面，原子級制造有望開發(fā)出一系列具有超小尺度精度和卓越性能的新型產(chǎn)品。在材料方面，通過原子級設計和改造，可以實現(xiàn)材料系統(tǒng)的革新。這兩方面融合發(fā)展，將為人類社會的進步開辟新的道路。

  中國工程院院士、哈爾濱工業(yè)大學教授譚久彬表示，在集成電路行業(yè)，如果能實現(xiàn)單原子特征的芯片，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。

  “原子級制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，原子級制造可以突破物質底層，實現(xiàn)從原子出發(fā)任意創(chuàng)制新材料，獲得極限集成、極限性能新材料和器件，形成未來制造和新質生產(chǎn)力，全面滲透、革新多門類高新技術和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。

  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(xiàn)超越。而原子級制造為我國在制造產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)趕超提供了一個新的契機。”宋鳳麒認為，原子級制造可以培育出一些新興產(chǎn)業(yè)，比如下一代信息技術、下一代醫(yī)藥技術、下一代電池等。

  以芯片制造為例，想在國外已經(jīng)完善的領域實現(xiàn)趕超非常困難。而原子級制造是一條國外尚未系統(tǒng)化實施的新技術路線，國內(nèi)已經(jīng)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制造技術體系。

  雖然原子級制造具有巨大應用價值，但是目前并沒有全面開展技術體系和工藝裝備的開發(fā)。

  面臨挑戰(zhàn)不小

  從宏觀制造、微米制造再到當前的納米制造，未來制造必將更進一步走向原子尺度。然而，原子級制造面臨的挑戰(zhàn)不容小覷。它不僅是技術上的挑戰(zhàn)，更是科學上的挑戰(zhàn)。以切削操作為例，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(wěn)定性也可能成為一大難題，切削出的表面可能無法保持穩(wěn)定狀態(tài)。

  “目前來看，原子級制造較難，國內(nèi)外都處于萌芽階段。”譚久彬說，原子級制造無論是科學原理，還是關鍵技術，無論是原理探索所需的科學儀器，還是制造過程所需的加工裝備，都極大地挑戰(zhàn)著我們現(xiàn)在的認知和能力范疇，存在大量瓶頸問題。

  宋鳳麒認為，原子級制造面對的挑戰(zhàn)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(fā)達國家手中，國內(nèi)研究設備依賴進口。我國需要發(fā)展自主知識產(chǎn)權保護的核心技術裝備，以及支撐原子級制造發(fā)展的特色核心技術裝備。

  例如，在傳統(tǒng)制造過程中，制造的精度、范圍和效率是互為矛盾的三角，而對原子級制造而言，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；而在原子級制造中要求反復、精準實現(xiàn)大海撈針，即使成功，其效率也可能低到無法實現(xiàn)規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化應用。

  祝世寧介紹，國外在原子級制造領域的研究起步較早，并且由于其在微納制造產(chǎn)業(yè)的先進性，預計未來在該領域將繼續(xù)有著出色表現(xiàn)。目前，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）和能源部先進制造辦公室已投入數(shù)億美元進行研究；我國也在原子級制造方面進行了同期布局，與國外的研究基礎相近，有潛力實現(xiàn)重大突破并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(wèi)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(xiàn)產(chǎn)業(yè)應用的壁壘，搶占原子級制造科學高地。

  發(fā)展前景廣闊

  未來，我國應該如何發(fā)展原子級制造？第一屆原子級制造論壇上，論壇組委會發(fā)布了《原子級制造發(fā)展倡議書》，提出了系統(tǒng)推進科學研究、全面強化技術開發(fā)、前瞻布局產(chǎn)業(yè)應用、共建專業(yè)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，搶占原子級制造發(fā)展先機，要整合資源協(xié)同攻關，由過去單點、散發(fā)的自由探索，轉變成為有組織、有計劃的探索，瞄準一定目標、圍繞明確方向進行研究。

  “發(fā)展自主可控的原子級制造理論、關鍵技術及裝備，滿足我國高端制造急需，為實施制造強國戰(zhàn)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，原子級制造研究要深入調(diào)研應用場景并抽取真需求和真科學問題，解決挑戰(zhàn)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(fā)展規(guī)劃無縫銜接；要發(fā)展舉國體制優(yōu)勢，整合全國各地優(yōu)勢資源協(xié)同研究，實現(xiàn)“并跑”甚至“領跑”。

  祝世寧表示，原子級制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。為推動我國在原子級制造領域的進步，國家應從基礎研究、技術開發(fā)、產(chǎn)業(yè)培育和人才培養(yǎng)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。單純寄希望于短期的‘超車’可能會帶來一時的突破，但從長遠來看，穩(wěn)健、持續(xù)的步伐才是關鍵。只有長期穩(wěn)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，原子級制造立足于已有的先進制造等其他專項基礎上，發(fā)展顛覆性技術，通過原子級制造項目的推進，培養(yǎng)出一批國際領軍科學家，形成相關專業(yè)國際化研究中心，引領國際原子級制造領域發(fā)展方向，實現(xiàn)重點突破。（記者 佘惠敏）