探索物質(zhì)極限：原子級(jí)制造的崛起與未來(lái)

一、原子級(jí)制造的定義

（一）原子級(jí)制造的基本概念

原子級(jí)制造（Atomic-levelmanufacturing），又稱(chēng)為原子尺度制造，是一種在原子或分子層面上進(jìn)行精確操控，以制造出具有特定屬性和功能的納米結(jié)構(gòu)或材料的制造技術(shù)。這種技術(shù)通過(guò)在原子尺度上精確控制材料的排列和組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的精確控制，進(jìn)而創(chuàng)造出具有特定性能的新型材料和設(shè)備。原子級(jí)制造不僅涉及到在原子尺度上進(jìn)行加工，還包括構(gòu)筑原子級(jí)細(xì)銳、精準(zhǔn)、完美且具備超常規(guī)物性的新材料、新器件和新產(chǎn)品。

原子級(jí)制造的核心在于對(duì)原子的規(guī)模化精準(zhǔn)操控，將制造的可控量推進(jìn)到原子及原子基元的水平，逐步實(shí)現(xiàn)原子級(jí)精度制造、原子級(jí)結(jié)構(gòu)制造，最終實(shí)現(xiàn)逐一原子的按需創(chuàng)制。這一技術(shù)將傳統(tǒng)制造的三要素進(jìn)行全面革新：加工對(duì)象從連續(xù)材料變革為離散原子，加工精度從尺度變革為原子尺度，材料和結(jié)構(gòu)決定產(chǎn)品性能變革為原子調(diào)控產(chǎn)品性能。

（二）原子級(jí)制造的技術(shù)特點(diǎn)

原子級(jí)制造具有以下幾個(gè)顯著的技術(shù)特點(diǎn)：

精確性：原子級(jí)制造能夠在原子尺度上精確控制材料的排列和組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)分子和晶體的精準(zhǔn)操控。這種精確性使得制造出的材料和器件具有極高的性能和穩(wěn)定性。

可控性：原子級(jí)制造技術(shù)能夠按照預(yù)定的設(shè)計(jì)和規(guī)格制造出特定的結(jié)構(gòu)。通過(guò)精確操控原子的排列和組合，可以制造出具有特定性能的材料和器件。

多功能性：原子級(jí)制造可以制造出具有不同電子、光學(xué)、機(jī)械和化學(xué)特性的材料。這種多功能性使得原子級(jí)制造在多個(gè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。

高效率：理論上，原子級(jí)制造可以減少材料浪費(fèi)，因?yàn)橹圃爝^(guò)程非常精確，可以精確控制所需材料的數(shù)量和位置，從而提高制造效率。

極限尺寸：原子級(jí)制造是一種極限尺寸的制造技術(shù)，能夠微縮器件的特征尺寸并提高制造精度。通過(guò)精確操控原子，可以制造出具有超小尺度精度和卓越性能的新型產(chǎn)品。

二、原子級(jí)制造的發(fā)展背景

（一）制造技術(shù)發(fā)展歷程

制造技術(shù)是社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)力發(fā)展的基礎(chǔ)，其發(fā)展歷程經(jīng)歷了從早期以經(jīng)驗(yàn)和技藝為基礎(chǔ)的毫米量級(jí)和亞毫米量級(jí)，到以機(jī)械化、電氣化和數(shù)字化為特征的微米量級(jí)甚至納米量級(jí)，再到如今的原子級(jí)制造階段。

毫米量級(jí)和亞毫米量級(jí)：在制造技術(shù)發(fā)展的早期階段，人們主要依靠經(jīng)驗(yàn)和技藝進(jìn)行制造，產(chǎn)品的精度和性能受到較大限制。

微米量級(jí)和納米量級(jí)：隨著機(jī)械化、電氣化和數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，制造技術(shù)進(jìn)入了微米量級(jí)和納米量級(jí)階段。這一階段的制造技術(shù)顯著提高了產(chǎn)品的精度和性能，推動(dòng)了多個(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

原子級(jí)制造：在科學(xué)探索、大科學(xué)裝置、先進(jìn)光學(xué)及下一代核心元器件等領(lǐng)域發(fā)展的驅(qū)動(dòng)下，制造技術(shù)必將進(jìn)入原子及近原子尺度，即原子級(jí)制造的發(fā)展階段。原子級(jí)制造的出現(xiàn)，不僅在未來(lái)制造技術(shù)和理論方面形成顛覆性變革，為解決“未來(lái)制造”提供了一條從基礎(chǔ)研究出發(fā)的新路線(xiàn)，而且被認(rèn)為是人類(lèi)制造技術(shù)和物質(zhì)創(chuàng)制的極限，也可能是人類(lèi)改造物質(zhì)世界的終極能力之一。

（二）原子級(jí)制造的必要性與重要性

原子級(jí)制造的必要性和重要性主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

突破傳統(tǒng)制造瓶頸：傳統(tǒng)制造技術(shù)面臨著諸多瓶頸問(wèn)題，如材料浪費(fèi)、加工精度限制、產(chǎn)品性能不足等。原子級(jí)制造通過(guò)精確操控原子，能夠突破這些瓶頸，實(shí)現(xiàn)更高效、更精確的制造。

推動(dòng)新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展：原子級(jí)制造技術(shù)的發(fā)展將推動(dòng)多個(gè)新興產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。例如，在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，原子級(jí)芯片具有體積小、效率高、功耗低等優(yōu)勢(shì)，有望取代傳統(tǒng)芯片，引領(lǐng)后摩爾時(shí)代的發(fā)展。此外，原子級(jí)制造還將在航空航天、國(guó)防軍工、量子科技、醫(yī)藥、超精密儀器等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

提升國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力：原子級(jí)制造是當(dāng)前科學(xué)、技術(shù)和產(chǎn)業(yè)界共同關(guān)注的前沿研究熱點(diǎn)，也是世界主要大國(guó)戰(zhàn)略科技競(jìng)爭(zhēng)和戰(zhàn)略布局的焦點(diǎn)之一。發(fā)展原子級(jí)制造技術(shù)對(duì)于提升國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。通過(guò)掌握原子級(jí)制造技術(shù)，國(guó)家可以在多個(gè)領(lǐng)域取得領(lǐng)先地位，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)的高質(zhì)量發(fā)展。

促進(jìn)科技創(chuàng)新：原子級(jí)制造技術(shù)的發(fā)展將促進(jìn)科技創(chuàng)新的深入發(fā)展。通過(guò)探索不同尺度和維度的原子結(jié)構(gòu)之間的相互作用和耦合機(jī)制，科學(xué)家可以開(kāi)發(fā)出更多具有優(yōu)異性能的新材料和器件。同時(shí)，原子級(jí)制造技術(shù)的發(fā)展還將推動(dòng)其他相關(guān)領(lǐng)域的科技創(chuàng)新，如量子計(jì)算、生命科學(xué)等。

實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展：原子級(jí)制造技術(shù)有助于實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。通過(guò)精確操控原子，可以制造出具有更高性能、更低能耗的產(chǎn)品，從而降低對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。此外，原子級(jí)制造技術(shù)還可以推動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的綠色化轉(zhuǎn)型，如能源、化工等領(lǐng)域，為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)提供有力支持。

三、原子級(jí)制造的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

隨著全球科技競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，原子級(jí)制造技術(shù)已成為各國(guó)競(jìng)相布局的先進(jìn)制造“未來(lái)域”。以下是原子級(jí)制造的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)：

（一）國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

政策支持：我國(guó)政府高度重視原子級(jí)制造技術(shù)的發(fā)展，出臺(tái)了多項(xiàng)政策措施支持其研發(fā)和應(yīng)用。例如，工業(yè)和信息化部將推動(dòng)科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新深度融合，加快培育發(fā)展原子級(jí)制造產(chǎn)業(yè)，并圍繞重點(diǎn)領(lǐng)域謀劃“揭榜掛帥”任務(wù)，支持建立原子級(jí)制造創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)盟。

科研投入：國(guó)內(nèi)多所知名高校和科研院所積極投身于原子級(jí)制造技術(shù)的研發(fā)工作。例如，浙江大學(xué)、天津大學(xué)、南京大學(xué)、西南交通大學(xué)、東南大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等院校均設(shè)立了原子制造研究中心。其中，南京大學(xué)于2018年建立了國(guó)內(nèi)首個(gè)原子制造研究中心。

技術(shù)創(chuàng)新：在原子級(jí)制造技術(shù)的研發(fā)過(guò)程中，國(guó)內(nèi)科研團(tuán)隊(duì)取得了一系列重要成果。例如，在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，我國(guó)科學(xué)家成功研制出原子級(jí)芯片，其體積不足傳統(tǒng)芯片的千分之一，同時(shí)還具有效率高、功耗低等優(yōu)勢(shì)。此外，在材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、能源等領(lǐng)域，原子級(jí)制造技術(shù)也取得了顯著進(jìn)展。

（二）國(guó)際發(fā)展現(xiàn)狀

美國(guó)：美國(guó)政府持續(xù)推出相關(guān)支持計(jì)劃，推動(dòng)原子級(jí)制造技術(shù)的發(fā)展。例如，2015年，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）啟動(dòng)了“從原子到產(chǎn)品”（AtomtoProducts）的研究計(jì)劃，旨在研制有效的裝配方法使制造出的大尺度組件和系統(tǒng)能夠保留材料原子級(jí)效應(yīng)和性能。此外，美國(guó)能源部先進(jìn)制造辦公室也啟動(dòng)了原子精密制造計(jì)劃，推進(jìn)具有原子級(jí)特征結(jié)構(gòu)的后摩爾時(shí)代芯片的發(fā)展。

歐洲：歐洲在原子級(jí)制造技術(shù)領(lǐng)域也取得了顯著進(jìn)展。例如，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的安德烈·海姆等因發(fā)現(xiàn)原子層厚度的石墨烯而獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)，推動(dòng)了氣相法和分子束外延技術(shù)在制備原子層厚二維材料的發(fā)展。此外，歐洲的研究人員還針對(duì)電子產(chǎn)品與所處環(huán)境（溫度/濕度、氣氛、輻射、應(yīng)力等）長(zhǎng)期相互作用引起的可靠性問(wèn)題，開(kāi)展了“從原子到產(chǎn)品的可靠性”研究。

日本：日本在原子級(jí)制造技術(shù)領(lǐng)域也具有較高的研究水平。例如，2018年，日本提出“皮米制造”理念，旨在將光學(xué)元件表面加工精度由納米級(jí)進(jìn)一步提升到皮米級(jí)水平。此外，日本東北大學(xué)、日本理化所、大阪大學(xué)等團(tuán)隊(duì)也相繼開(kāi)展了皮米級(jí)制造相關(guān)研究。

（三）發(fā)展趨勢(shì)

技術(shù)融合：未來(lái)，原子級(jí)制造技術(shù)將與人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行深度融合，實(shí)現(xiàn)對(duì)原子制造的可編程化控制。這將極大地提高原子級(jí)制造的效率和精度，推動(dòng)其在更多領(lǐng)域的應(yīng)用。

產(chǎn)業(yè)化發(fā)展：隨著原子級(jí)制造技術(shù)的不斷成熟和完善，其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程將加快。通過(guò)構(gòu)建高水平產(chǎn)業(yè)鏈和產(chǎn)業(yè)集群，推動(dòng)原子級(jí)制造技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，將有力促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和升級(jí)。

國(guó)際合作：原子級(jí)制造技術(shù)的發(fā)展需要全球范圍內(nèi)的合作與交流。通過(guò)深化國(guó)際交流合作，共同推動(dòng)原子級(jí)制造技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，將有助于加快這一技術(shù)的全球普及和發(fā)展。