智能化、數(shù)字化、自動化……未來制造業(yè)會是什么樣？科學(xué)家們?nèi)缃裼辛艘粋€新的選擇：原子制造。原子制造就是逐一精確地操控原子去制造產(chǎn)品，構(gòu)筑原子級細(xì)銳、精準(zhǔn)、完美而且具備超常規(guī)物性的產(chǎn)品。有人說，這可能是人類改造物質(zhì)世界的終極能力之一。如今，這個聽上去有些科幻的技術(shù)，正逐步照進(jìn)現(xiàn)實。
構(gòu)筑原子級細(xì)銳、精準(zhǔn)、完美，且具備超常規(guī)物性的產(chǎn)品
什么是原子制造？顧名思義，就是以原子為原料制造所需的材料和器件產(chǎn)品。它是近來被高度關(guān)注的原子級制造技術(shù)體系中的核心部分之一，將史無前例地實現(xiàn)對原子的逐一精確操控，將原子按需壘砌，構(gòu)筑原子級細(xì)銳、精準(zhǔn)、完美，而且具備從物理上遠(yuǎn)超常規(guī)塊材物性的產(chǎn)品。微納制造已成為耳熟能詳?shù)母咝录夹g(shù)，原子制造將會成為微納制造后人類制造技術(shù)繼續(xù)微縮發(fā)展的趨勢，也將成為新物質(zhì)創(chuàng)制中的極限。
我們需要強(qiáng)調(diào)的是，原子制造應(yīng)是原子級的通用化技術(shù)體系，具有顛覆性意義。絕非是傳統(tǒng)的納米化制造，也不是現(xiàn)在制造技術(shù)的線性、體系化發(fā)展。
可以想象，原子制造有非常廣闊的應(yīng)用前景。比如以下兩個應(yīng)用場景：
極限集成芯片與未來信息器件。當(dāng)今微納制造的芯片能力正在趨于極限，而原子制造能夠突破這一極限，甚至有可能在集成電路中實現(xiàn)量子計算。一方面，如果我們突破了原子制造技術(shù)，讓芯片特征尺度沿著微納制造的路線繼續(xù)縮小，就可以獲得器件性能的千百倍提高。根據(jù)公開的數(shù)據(jù)，IBM的2納米工藝每平方毫米集成了3.33億個晶體管，也就是在100納米×100納米的面積上集成了3.3個晶體管。如果我們能實現(xiàn)單原子的壘砌、操控、存儲和計算，每個原子不到0.5納米，當(dāng)代芯片的集成度還有3-5個數(shù)量級的提升空間，業(yè)已證明，這種芯片還是存算一體的智能芯片。另一方面，單原子器件量子相干性特別好，有可能讓器件尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于量子相干長度。這將帶來一個重要的效果：在一個高相干的量子體積里面，有可能出現(xiàn)成百上千的高質(zhì)量的量子邏輯比特。很多人相信，50多個高質(zhì)量的量子邏輯比特就可以實現(xiàn)超越經(jīng)典的計算能力，實現(xiàn)量子計算機(jī)對傳統(tǒng)計算機(jī)的量子優(yōu)勢。我們知道，量子技術(shù)的比特數(shù)實際上是一個維度，所以從50位到上千位不是信息量增加了20倍，而是維度上的增加，因而有可能出現(xiàn)計算能力的巨大上漲，這樣1毫米大的器件的計算能力，就有可能超過一個當(dāng)代的超算中心。
人工材料創(chuàng)制與未來機(jī)體定制。曾有測算，一種新材料從設(shè)計到應(yīng)用開發(fā)需要18年；而以往的研究告訴我們，可能要上千個材料才有1個有應(yīng)用價值。很多化學(xué)家和材料學(xué)家可能終其一生都無法獲得真正具有應(yīng)用價值的新材料。但如果人類能實現(xiàn)原子制造，那就可以用原子壘砌，避開部分困難的合成路徑，直接搭建分子和材料，從而形成一種快速制備新物質(zhì)和新材料的物理路線，工程化地加速新材料的開發(fā)。這最起碼可以讓研究人員在高效合成探索之前就可以知道這些材料的基本物性，這將極大地節(jié)約科學(xué)家們的精力！我們可以工程化地設(shè)計、合成，加上檢測相互迭代，每年都開發(fā)出成千上萬的新材料，使人類的材料進(jìn)入原子定制的時代。而類似的技術(shù)如果在尺度和效率上持續(xù)突破，人類甚至有可能實現(xiàn)器件和機(jī)體的定制。
從操控技術(shù)到科學(xué)原理，都面臨重大挑戰(zhàn)
從原子底層實現(xiàn)自由定制的未來非常美妙，然而，科學(xué)家們也不得不承認(rèn)，原子制造太難了，無論是操控技術(shù)、科學(xué)原理還是制度建設(shè)都面臨著重大的挑戰(zhàn)。我們僅以原子制造的一個典型動作——原子的定位和壘砌來說明其難度。
首先，操控技術(shù)上需要極致精巧。在宏觀的工件上定位一個原子，相當(dāng)于在地球赤道上找到一塊糖；逐個壘砌原子，相當(dāng)于反復(fù)多次找到這塊糖，并且在這個位置上面精確地逐個放糖。要分清壘砌了一個原子還是兩個原子，就相當(dāng)于達(dá)到分辨約為10-25千克質(zhì)量的精巧控制能力。這談何容易！更不要說，壘砌一個原子根本不夠，我們需要一個線程甚至多個線程壘砌原子，實現(xiàn)效率、規(guī)模更是難上加難！
??其次，科學(xué)原理上遇到挑戰(zhàn)。在一個自由體系中，壘砌100個原子，從熱力學(xué)來看，不是線性的100個原子累加，而是隨著原子數(shù)的增加，面臨著體系熵非線性急劇上漲。簡單點說，在第1個原子上壘砌第2個原子，壘砌位置從能量上看只有一個可能，但當(dāng)壘砌到第100個原子的時候，可能有數(shù)百萬種相同能量優(yōu)先級的壘砌方式，獲得所期待的加工原子構(gòu)型產(chǎn)品的可能性將逼近零！這就意味著原子制造對外界控制的巨大需求！更不要說，尺寸更小以后，原子結(jié)構(gòu)的量子特征將帶來更多的科學(xué)挑戰(zhàn)了。
初探原子制造的基礎(chǔ)已經(jīng)具備，并有望支撐產(chǎn)業(yè)
科學(xué)家們對原子制造的未來充滿信心。原子制造雖然是未來技術(shù)，但是我們可以將其劃分為多個階段，當(dāng)前就能找到幾個確定的路線初探原子制造，而且可能有用。以原子團(tuán)簇為例，雖然從控制原子團(tuán)簇的原子數(shù)目、控制原子結(jié)構(gòu)到最終的高效智能定制，整個技術(shù)的發(fā)展可能需要上百年，但探索過程中的進(jìn)步，哪怕是一些初級技術(shù)，都有巨大的價值和很好的產(chǎn)業(yè)化前景。舉幾個近年來或?qū)⒖赡艹跆降脑又圃旆独?/p>
——原子操縱與分子手術(shù)。1990年，IBM公司的科學(xué)家利用掃描隧道顯微鏡（STM）操縱原子撰寫了“IBM”字形，我國很快也撰寫出了“中國”字形。到今天，中國科學(xué)院和很多大學(xué)的實驗室已經(jīng)在大批量地開展原子操控，修整和制備全新的分子，已經(jīng)可以操控冷原子制備冷分子。2022年，美國科技公司已經(jīng)實現(xiàn)原子精度圖案的批量制備，圖案分辨率可達(dá)0.768納米。
——原子團(tuán)簇材料與裝備。當(dāng)代初級階段的原子數(shù)控制就有很大的價值：人類發(fā)現(xiàn)的C60已經(jīng)成為當(dāng)今光伏產(chǎn)業(yè)中的一個核心材料；南京原子制造研究所能讓硅、鎳等團(tuán)簇粉體的焊接、燒結(jié)溫度從1400攝氏度下降到400攝氏度甚至更低；實現(xiàn)半導(dǎo)體注入深度降到5納米以下；實現(xiàn)選鍵式的表面處理等等，這些已經(jīng)部分開始產(chǎn)業(yè)化。
——單原子晶體管。2002年美國康奈爾大學(xué)報道了第一個單原子晶體管的原型器件；同年美國哈佛大學(xué)等單位報道了類似的器件工作；2012年，澳大利亞新南威爾士大學(xué)宣布基于STM技術(shù)制造出硅基磷單原子晶體管；2022年，他們又制造出世界上第一個原子級量子集成電路，利用10個量子點（每個量子點約含25個磷原子）為核心的電路進(jìn)行了量子模擬。2020年，我國南京大學(xué)等單位也報道了基于三端晶體管架構(gòu)的單原子存儲晶體管，其中利用柵壓調(diào)控單個Gd原子的位置；2022年，同樣的思路廈門大學(xué)等單位又演示了室溫的14種布爾邏輯操作；最近南方科技大學(xué)等單位在沿著澳大利亞團(tuán)隊的路線開拓，并正在探索集成的可能。
——原子層后摩爾芯片。原子層器件具有天生的原子級銳利，因為沒有粗糙度的影響，所以可以保持理想的電子遷移率，非常適于疊層，可以進(jìn)一步提高器件的集成度。這一路線近年來受到了英特爾、臺積電和國際微電子中心等業(yè)界單位的關(guān)注，已經(jīng)演示了萬門級晶體管電路，我國在這一領(lǐng)域也取得很多的進(jìn)展。
應(yīng)該說，在探索原子制造的過程中，我們會不斷探索“完美工件、定制材料、量子信息、機(jī)體制造”的極限，每一個階段都有全新的應(yīng)用場景，通過持續(xù)的技術(shù)革新，源源不斷地獲得更高性能的產(chǎn)品。
在原子制造新賽道上，各國站在同一起點
其實，對科技界而言，原子制造并不是新事物——1986年，美國科技智庫就提出，原子制造技術(shù)與人工智能可以并稱為對人類未來具有根本意義的兩大技術(shù)。但其時，人類還并不具備這樣的能力。到了21世紀(jì)，科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展讓科學(xué)家們看到了發(fā)展原子制造的可能和契機(jī)。
筆者認(rèn)為，原子制造將是所有國家的必然選擇。它史無前例地實現(xiàn)對原子的逐一精確操控來構(gòu)筑超常規(guī)塊材物性的產(chǎn)品，會是人類未來上百年致力開發(fā)的技術(shù)，也是長期保障國家安全的必爭之地。
如今，在原子制造這個新賽道，所有國家站在同一起點。
我國在這方面有很好的基礎(chǔ)和積累。我國物質(zhì)科學(xué)界從20世紀(jì)80年代起就開始關(guān)注這些基礎(chǔ)方向，包括STM原子操控、原子團(tuán)簇、原子層器件、色心、單原子器件、原子級裝配等方向。最近幾年，這些方向快速發(fā)展，開始具備與國外接近的基礎(chǔ)研究能力。90年代，機(jī)械學(xué)科的學(xué)者就開始思考將這些能力推向加工制造，并取得初步進(jìn)展。
近年來，我國在原子制造方面持續(xù)布局。2016年，原子制造就得到國家層面的關(guān)注；2018年，中科院推出了“功能導(dǎo)向的原子制造前沿科學(xué)問題”先導(dǎo)計劃，南京大學(xué)成立了全國第一個原子制造創(chuàng)新研究中心；2019年，華為成立了戰(zhàn)略研究院，其三大科學(xué)問題之一就是原子制造；2021年浙江大學(xué)成立了原子精度制造平臺，之后，天津大學(xué)、北京航空航天大學(xué)和西南交通大學(xué)等單位相繼成立專門的研究機(jī)構(gòu)；2022年，兩院院士選出的十大科學(xué)問題，關(guān)注了原子制造；2023年3月，國家自然科學(xué)基金委員會兩個學(xué)部連續(xù)召開兩次高端論壇，分別討論了“原子級制造的基礎(chǔ)科學(xué)問題”與“原子制造的物質(zhì)科學(xué)基礎(chǔ)”；不久前，在以“高端制造”為題的中科院雁棲湖論壇上，與會的國內(nèi)外專家票選了高端制造前沿十大科學(xué)問題，原子制造位列其中。
發(fā)展原子制造，沒有可供參考的路線圖，沒人能回答哪條技術(shù)路線能成功，需要我們自主探路。這對科技工作者和管理者都提出了更高的要求：需要我們鼓起勇氣，直面物質(zhì)科學(xué)的核心難題；需要我們謹(jǐn)守學(xué)術(shù)理念，謹(jǐn)守人們對于制造的期待，不能把一些沒有進(jìn)入原子尺度的工作簡單改個名字；需要我們進(jìn)一步夯實原子尺度物質(zhì)科學(xué)的基礎(chǔ)研究，從中深刻挖掘，集合物質(zhì)科學(xué)、制造科學(xué)等領(lǐng)域的科研力量；需要我們從制度上創(chuàng)新，鼓勵探索、允許失敗、摸索前行，在原子制造新賽道實現(xiàn)先進(jìn)制造技術(shù)的創(chuàng)新超越。
來源：《光明日報》
