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編者按

納米制造技術(shù)涉及信息、材料、環(huán)境、能源、生物醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、航空航天和國防安全等眾多領(lǐng)域核心產(chǎn)品的制造，對未來國家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到重要的支撐作用。納米制造已成為世界發(fā)達國家技術(shù)競爭的制高點。

為提升我國納米制造領(lǐng)域的源頭創(chuàng)新能力，國家自然科學(xué)基金委員會（以下簡稱“自然科學(xué)基金委”）于2009年正式啟動了“納米制造的基礎(chǔ)研究”重大研究計劃，以解決國家重大需求為導(dǎo)向，發(fā)展原創(chuàng)的納米制造新原理與新方法，致力于解決我國納米制造的瓶頸問題與“卡脖子”技術(shù)難題。

經(jīng)過8年的通力協(xié)作與奮斗，納米制造過程的尺度、精度與批量制造相關(guān)的若干關(guān)鍵科學(xué)問題與技術(shù)難題得到解決，納米制造工藝與裝備的理論體系與技術(shù)基礎(chǔ)初步建立，為納米制造的一致性和批量化提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)裝備支持——中國制造開啟了納米精度時代！

本期自然科學(xué)基金版將總結(jié)該重大研究計劃取得的研究進展，展示該計劃取得的研究成果。

“精度”上的創(chuàng)新

“明確我國科技創(chuàng)新主攻方向和突破口，努力實現(xiàn)優(yōu)勢領(lǐng)域、關(guān)鍵技術(shù)重大突破，主要創(chuàng)新指標(biāo)進入世界前列。”2018年5月，習(xí)近平總書記在兩院院士大會上對“創(chuàng)新”提出了新要求。這也是半年來科學(xué)家在為自然科學(xué)基金委重大研究計劃“納米制造的基礎(chǔ)研究”梳理總結(jié)成果時，不斷對照的標(biāo)準(zhǔn)。

“什么是創(chuàng)新？創(chuàng)新，就是把好的點子做出來。”2019年1月，該重大研究計劃畫上圓滿句號時，中國工程院院士、該重大研究計劃專家指導(dǎo)組組長、西安交通大學(xué)教授盧秉恒對《中國科學(xué)報》這樣闡述他心中的“創(chuàng)新”。

時間回溯至20世紀初，美國國家納米技術(shù)計劃（NNI）的啟動，掀起了納米科學(xué)和技術(shù)的熱潮。隨后，包括生物分子馬達、納米機器人、納米傳感器、納米智能器件等在內(nèi)的一系列納米科學(xué)研究成果不斷在實驗室涌現(xiàn)。

當(dāng)時，我國機械制造領(lǐng)域的專家敏銳地意識到，作為納米科學(xué)走向納米技術(shù)的橋梁，納米制造將成為世界發(fā)達國家技術(shù)競爭的制高點。2009年，該重大研究計劃的資助下，中國制造領(lǐng)域的專家聯(lián)合相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)家開始探討如何布局中國納米制造未來發(fā)展。

“納米制造的基礎(chǔ)研究”重大研究計劃亦在彼時啟動醞釀。專家們將“納米制造”定義為“通過納米精度制造、納米尺度制造、跨尺度制造為產(chǎn)品和器件提供一定功能的過程”。

盧秉恒和現(xiàn)任清華大學(xué)機械學(xué)院院長、中科院院士雒建斌分別出任該重大研究計劃專家組正副組長。“我們的考慮是，通過這個重大研究計劃，面向我國重大戰(zhàn)略需求，引領(lǐng)中國制造精度水平的提升”——他們提出了這樣的目標(biāo)。

2019年1月，該重大研究計劃順利通過評估。8年來，在該重大研究計劃支持下，科學(xué)家們?nèi)〉玫亩囗棾晒麕又圃鞂W(xué)科取得跨越發(fā)展。評估會上，專家組自豪地評價：“中國制造開啟了納米精度時代！”

把論文寫在生產(chǎn)線上

近年來，有關(guān)“卡脖子”技術(shù)的議題在國內(nèi)備受關(guān)注。科學(xué)家們認識到，只有突破關(guān)鍵領(lǐng)域的核心技術(shù)，才能徹底消除“卡脖子”的隱憂。而要實現(xiàn)關(guān)鍵領(lǐng)域核心技術(shù)的突破，首先要有好的點子——要從中國自己的基礎(chǔ)研究做起。

“中國在芯片制造裝備方面起步很晚，初始階段主要是電子學(xué)專家研究集成電路，幾乎沒有裝備領(lǐng)域的大團隊從事芯片裝備的研發(fā)。”雒建斌坦言。直到2000年，我國高校和研究院所才逐步形成了相關(guān)的研究團隊，陸續(xù)開展芯片制造理論、工藝和裝備研發(fā)。

慶幸的是，作為我國資助基礎(chǔ)研究的主渠道，自然科學(xué)基金委在2009年啟動該重大研究計劃時，布局了突破芯片制造相關(guān)核心技術(shù)的基礎(chǔ)研究。

8年里，科學(xué)家們從基礎(chǔ)理論的“好點子”開始，揭示了納米尺度與納米精度下加工、成形、改性和跨尺度制造中的尺度效應(yīng)、表面/界面效應(yīng)等規(guī)律，建立了納米制造理論基礎(chǔ)及工藝與裝備原理，為實現(xiàn)納米制造的一致性與批量化提供了理論基礎(chǔ)。

例如，清華大學(xué)的納米制造團隊提出了化學(xué)機械去除理論，實現(xiàn)了單晶硅原子層的可控去除，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在《自然—通訊》上。美國科學(xué)促進會曾評價：“該發(fā)現(xiàn)開創(chuàng)了在原子精度實現(xiàn)電子材料加工的新方法，這將是未來電路元器件加工精度進一步提升至原子尺度控制水平的關(guān)鍵。”關(guān)于拋光顆粒的研究作為成果“摩擦過程的微粒行為和作用機制”的主要內(nèi)容獲得2018年度國家自然科學(xué)獎二等獎。

隨后，科學(xué)家將基礎(chǔ)研究成果拓展至工程應(yīng)用。2015年10月，國產(chǎn)首臺12英寸拋光設(shè)備進入芯片制造大生產(chǎn)線，其主要技術(shù)指標(biāo)達到或優(yōu)于國際先進水平，有效實現(xiàn)了關(guān)鍵裝備國產(chǎn)化。

沒有該重大研究計劃支持下的基礎(chǔ)研究原理創(chuàng)新，就沒有生產(chǎn)線上的高端機器。不過，在科學(xué)家看來，該重大研究計劃形成的新原理依然有許多未實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用，對“卡脖子”技術(shù)的貢獻還有待進一步提升。

學(xué)科交叉共融

回顧8年來的研發(fā)經(jīng)歷，雒建斌對學(xué)科交叉共融感觸頗深。“裝備本身是個大型機械，各個機構(gòu)的設(shè)計離不開機械原理學(xué)科，運動系統(tǒng)的控制離不開自動化學(xué)科，而拋光過程則需要物理和化學(xué)知識。”他告訴《中國科學(xué)報》。

據(jù)了解，在強調(diào)學(xué)科交叉共融方面，該重大研究計劃突破傳統(tǒng)的一級學(xué)科交叉，實現(xiàn)跨學(xué)部交叉。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，8年來，在該重大研究計劃資助的項目中，交叉項目資助金額占比18.5%，資助項目論文成果涉及28個學(xué)科。

難能可貴的是，這些交叉學(xué)科又在主要的科學(xué)問題上得到共融。例如，不同學(xué)科的科學(xué)問題都具有明顯的“制造”屬性，即如何保證納米制造過程的高精度、批量化和一致性。

西安交通大學(xué)納米制造研究團隊自2001年起從事納米壓印方面的研究，如今已將壓印工藝的精度提高到納米量級。壓印工藝采用機械制造領(lǐng)域模板復(fù)形的概念制造納米結(jié)構(gòu)，可以形象地理解為用“月餅印”在月餅表面印出花紋。

據(jù)該團隊青年科學(xué)家邵金友介紹，在傳統(tǒng)壓印技術(shù)難以走向工程應(yīng)用的現(xiàn)實情況下，2008年后，團隊發(fā)明了界面電荷調(diào)控的納米壓印技術(shù)，突破了尺度效應(yīng)，使壓印力和脫模力都得到大幅降低，這一技術(shù)就是制造學(xué)科與物理學(xué)科交叉融合的結(jié)果。

另外，在該重大研究計劃集成項目支持下，制造專家也與化學(xué)家的思想碰撞出火花。將電化學(xué)反應(yīng)原理與模板約束成形技術(shù)相結(jié)合，廈門大學(xué)田中群院士研究團隊發(fā)明了以約束刻蝕劑層技術(shù)（CELT）為支撐的納米結(jié)構(gòu)模板調(diào)制成形新方法，以接觸電勢誘導(dǎo)腐蝕的去除方式實現(xiàn)了半導(dǎo)體材料的電化學(xué)直接壓印成形，縮短了半導(dǎo)體材料成形的工藝鏈。業(yè)內(nèi)專家認為，這種化學(xué)腐蝕和壓印相結(jié)合的方法，擴大了壓印材料的種類。

凝聚人才隊伍

在盧秉恒看來，凝聚全國范圍內(nèi)的微納制造人才，是該重大研究計劃重要貢獻之一。“8年前，我國制造行業(yè)以傳統(tǒng)制造為主，大家著重于研究討論鍛造、焊接、沖壓等傳統(tǒng)方法。”他回憶。

該重大研究計劃實施的8年，逐漸形成了我國微納制造領(lǐng)域的“國家隊”。許多年輕科研人員的科研生涯深受該重大研究計劃的影響，從參與者逐漸成為科研骨干人才。

“自然科學(xué)基金委組織的重大研究計劃提供了一個平臺，把人才聚集起來。”一名重大研究計劃科學(xué)家告訴《中國科學(xué)報》，“在參與重大研究計劃的過程中，我認識了許多同行，在各類交流中互相啟發(fā)和幫助。”

據(jù)統(tǒng)計，該重大研究計劃實施期間，8位科研人員當(dāng)選中國科學(xué)院或中國工程院院士，18位科研人員獲得國家杰出青年基金資助，另培養(yǎng)了974名博士后、碩士、博士。在科學(xué)家們看來，這都是該重大研究計劃在人才凝聚方面交出的優(yōu)異成績單。

面向未來，盧秉恒指出，科學(xué)家們正在爭取新一期重大研究計劃的支持。“希望能將精度從原子層級做到原子級，為發(fā)展人工智能、生命科學(xué)等科學(xué)前沿應(yīng)用，制造三維芯片提供支持。”他憧憬著。

摘自《中國科學(xué)報》