原子级制造将当代化学从分子到分子的合成,直接转变为从原子到分子的创造图片来源于网络,如有侵权,请联系删除 “此前利用扫描隧道显微镜操纵原子,就是用一个微观的手逐一追逐原子,但原子不听话,无法规模化操控,更无法制造产品。原子级制造的核心是规模化操控原子。我们不追单原子,而是直接控制原子团簇。”图片来源于网络,如有侵权,请联系删除 当代离子束加工是靠物理式轰击,不可避免地产生3~5纳米损伤,而利用精准的原子操控,可以在超精密加工过程中实现单原子级低损伤和粗糙度的极限 瞄准建设原子级制造大科学装置的长期目标,南京市与南京大学在原子极限微制造实验设施预研阶段就已打破机制壁垒,解决人才短缺瓶颈,集中多方优势力量进行科研攻关 文 |《瞭望》新闻周刊记者 扈永顺 在南京原子制造研究所(南京大学原子制造研究院)内一个足球场大小的实验室中,一套能够进行原子规模化操控的原子极限微制造实验设施弯曲排列,宛如一条游龙。南京大学教授宋凤麒正和团队成员对装置各部分进行测试、组装,迎接即将到来的验收工作,他告诉记者,研制这台原子极限微制造实验设施,是为将来研发全球第一台原子级制造大科学装置做预研。 原子是物质世界最基本的组成单元。原子级制造顾名思义,就是将原子按需垒砌,构筑原子级精准、完美,且具备从物性上远超常规块材的产品,被科技界视为人类改造物质世界的终极能力之一。 原子级制造是一条全新赛道,国内外同时起步、基础相当,组织得当,有可能成为中国制造发展的一个引领机遇。 “国内原子团簇研究已经有40多年的积淀,我们也做出了实验室原理样机。2023年,我们开始制造原子极限微制造实验设施,跑通了一套‘团簇束流+磁电双聚焦质量分离谱仪+Stark型结构分离谱仪’的原子规模化精准操控方案,目前可以演示器件的原子级加工,例如芯片的近零损伤加工与晶圆原子级抛光等,从长远看将冲击科学前沿,直接从最底层用原子造分子、造材料,创造出自然界没有的物质。”宋凤麒向《瞭望》新闻周刊记者介绍。 我国正加速推动以原子级制造为代表的未来产业,工业和信息化部原子级制造“揭榜挂帅”任务已启动实施,原子级制造国家重点研发计划呼之欲出。 “原子级制造面对的挑战中,最关键在基础设施与装备部分,原子级制造大科学装置是其中最核心的内容。”宋凤麒认为,原子级制造大科学装置将是束流流量最强、质选范围最宽、结构控制最精的团簇束流综合系统,将加工能力从当前的纳米推向原子极限,从利用材料走向从原子批量创制材料。“原子极限微制造实验设施的成功建设,跑通了科学原理,获得了三个能力——能造分子、能造材料、能加工器件,这些工作为建设原子级制造大科学装置提供了可行性验证。”原子极限微制造实验设施(2025年1月摄) 受访者供图 中国制造实现引领的一个战略选择 每年全球氮肥生产都要消耗大量化石能源,科学家发现,大豆能与根瘤菌形成共生关系,根瘤菌中的固氮酶负责将大气中的氮气转化为氨,供植物使用,如果能模仿固氮技术,氮肥生产将变得高效。科学家虽很早就开始理解固氮酶活性中心的组成,但如何合成具备活性的中心,困难重重。今天,原子级制造技术提供了可能性。 “我们理论上能够操控原子搭建出各种结构,包括固氮酶中心,但效率低,而且要让原子‘听话’,挑战很大。”宋凤麒说,传统制造中,制造的精度、范围和效率是互为矛盾的三角,对原子级制造而言,三者的矛盾更加突出,操控原子本身难度非常大,批量操控特定原子合成分子难度更大。原子级制造大科学装置有望突破这一难题,但其中大量瓶颈问题亟待解决。 要实现规模化的原子级制造,首先需要极致精巧的操控技术。单个原子直径约为0.1~0.5纳米,1纳米相当于一根头发丝直径的十万分之一。在宏观工件上定位一个原子,相当于在4万公里的地球赤道上找到一块仅1厘米的糖。逐个垒砌原子,相当于反复多次找到这块糖,并且在这个位置上面精确地逐个放糖。 其次要突破科学原理上的挑战。从热力学来看,垒砌100个原子,并不是线性的100个原子累加,而是随着原子数的增加,面临着体系熵非线性急剧上涨。即在第1个原子上垒砌第2个原子,垒砌位置从能量上看只有一个可能,但当垒砌到第100个原子的时候,可能有数百万种相同能量优先级的垒砌方式,获得所期待的加工原子构型产品的可能性逼近零。 上世纪80年代开始,国内外原子制造研究几乎同时起步。但无论科学原理还是关键技术,都极大挑战人类认知和能力范畴,研究进展缓慢。1984年,王广厚院士最早开展了团簇物理的基础研究并研制相关仪器,宋凤麒师从王广厚院士,并于2008年出国留学学习原子操控技术。 “我留学的英国伯明翰大学,2016年时已经实现当时最大规模的成簇原子控制,每秒控制10亿次原子。但这依然是实验室‘魔术’,是气相物理不是固体物理,做不出成规模...