在南京原子制造研究所（南京大學(xué)原子制造研究院）內(nèi)一個足球場大小的實(shí)驗(yàn)室中，一套能夠進(jìn)行原子規(guī)模化操控的原子極限微制造實(shí)驗(yàn)設(shè)施彎曲排列，宛如一條游龍。南京大學(xué)教授宋鳳麒正和團(tuán)隊(duì)成員對裝置各部分進(jìn)行測試、組裝，迎接即將到來的驗(yàn)收工作，他告訴記者，研制這臺原子極限微制造實(shí)驗(yàn)設(shè)施，是為將來研發(fā)全球第一臺原子級制造大科學(xué)裝置做預(yù)研。

原子是物質(zhì)世界最基本的組成單元。原子級制造顧名思義，就是將原子按需壘砌，構(gòu)筑原子級精準(zhǔn)、完美，且具備從物性上遠(yuǎn)超常規(guī)塊材的產(chǎn)品，被科技界視為人類改造物質(zhì)世界的終極能力之一。

原子級制造是一條全新賽道，國內(nèi)外同時起步、基礎(chǔ)相當(dāng)，組織得當(dāng)，有可能成為中國制造發(fā)展的一個引領(lǐng)機(jī)遇。

“國內(nèi)原子團(tuán)簇研究已經(jīng)有40多年的積淀，我們也做出了實(shí)驗(yàn)室原理樣機(jī)。2023年，我們開始制造原子極限微制造實(shí)驗(yàn)設(shè)施，跑通了一套‘團(tuán)簇束流+磁電雙聚焦質(zhì)量分離譜儀+Stark型結(jié)構(gòu)分離譜儀’的原子規(guī)模化精準(zhǔn)操控方案，目前可以演示器件的原子級加工，例如芯片的近零損傷加工與晶圓原子級拋光等，從長遠(yuǎn)看將沖擊科學(xué)前沿，直接從最底層用原子造分子、造材料，創(chuàng)造出自然界沒有的物質(zhì)。”宋鳳麒向《瞭望》新聞周刊記者介紹。

我國正加速推動以原子級制造為代表的未來產(chǎn)業(yè)，工業(yè)和信息化部原子級制造“揭榜掛帥”任務(wù)已啟動實(shí)施，原子級制造國家重點(diǎn)研發(fā)計劃呼之欲出。

“原子級制造面對的挑戰(zhàn)中，最關(guān)鍵在基礎(chǔ)設(shè)施與裝備部分，原子級制造大科學(xué)裝置是其中最核心的內(nèi)容。”宋鳳麒認(rèn)為，原子級制造大科學(xué)裝置將是束流流量最強(qiáng)、質(zhì)選范圍最寬、結(jié)構(gòu)控制最精的團(tuán)簇束流綜合系統(tǒng)，將加工能力從當(dāng)前的納米推向原子極限，從利用材料走向從原子批量創(chuàng)制材料。“原子極限微制造實(shí)驗(yàn)設(shè)施的成功建設(shè)，跑通了科學(xué)原理，獲得了三個能力——能造分子、能造材料、能加工器件，這些工作為建設(shè)原子級制造大科學(xué)裝置提供了可行性驗(yàn)證。”

原子極限微制造實(shí)驗(yàn)設(shè)施（2025年1月攝）   受訪者供圖

中國制造實(shí)現(xiàn)引領(lǐng)的一個戰(zhàn)略選擇

每年全球氮肥生產(chǎn)都要消耗大量化石能源，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，大豆能與根瘤菌形成共生關(guān)系，根瘤菌中的固氮酶負(fù)責(zé)將大氣中的氮?dú)廪D(zhuǎn)化為氨，供植物使用，如果能模仿固氮技術(shù)，氮肥生產(chǎn)將變得高效。科學(xué)家雖很早就開始理解固氮酶活性中心的組成，但如何合成具備活性的中心，困難重重。今天，原子級制造技術(shù)提供了可能性。

“我們理論上能夠操控原子搭建出各種結(jié)構(gòu)，包括固氮酶中心，但效率低，而且要讓原子‘聽話’，挑戰(zhàn)很大。”宋鳳麒說，傳統(tǒng)制造中，制造的精度、范圍和效率是互為矛盾的三角，對原子級制造而言，三者的矛盾更加突出，操控原子本身難度非常大，批量操控特定原子合成分子難度更大。原子級制造大科學(xué)裝置有望突破這一難題，但其中大量瓶頸問題亟待解決。

要實(shí)現(xiàn)規(guī)模化的原子級制造，首先需要極致精巧的操控技術(shù)。單個原子直徑約為0.1～0.5納米，1納米相當(dāng)于一根頭發(fā)絲直徑的十萬分之一。在宏觀工件上定位一個原子，相當(dāng)于在4萬公里的地球赤道上找到一塊僅1厘米的糖。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。

其次要突破科學(xué)原理上的挑戰(zhàn)。從熱力學(xué)來看，壘砌100個原子，并不是線性的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。即在第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)品的可能性逼近零。

上世紀(jì)80年代開始，國內(nèi)外原子制造研究幾乎同時起步。但無論科學(xué)原理還是關(guān)鍵技術(shù)，都極大挑戰(zhàn)人類認(rèn)知和能力范疇，研究進(jìn)展緩慢。1984年，王廣厚院士最早開展了團(tuán)簇物理的基礎(chǔ)研究并研制相關(guān)儀器，宋鳳麒師從王廣厚院士，并于2008年出國留學(xué)學(xué)習(xí)原子操控技術(shù)。

“我留學(xué)的英國伯明翰大學(xué)，2016年時已經(jīng)實(shí)現(xiàn)當(dāng)時最大規(guī)模的成簇原子控制，每秒控制10億次原子。但這依然是實(shí)驗(yàn)室‘魔術(shù)’，是氣相物理不是固體物理，做不出成規(guī)模的材料與器件。”宋鳳麒說。

2010年宋鳳麒留學(xué)回國后繼續(xù)開展相關(guān)工作。2016年，國家重點(diǎn)研發(fā)計劃啟動“納米科技”專項(xiàng)，部分項(xiàng)目涉及原子尺度的材料設(shè)計與操控。2018年，南京市與南京大學(xué)共建了國內(nèi)首個原子制造研究中心。期間，宋鳳麒擔(dān)任某國家級課題組負(fù)責(zé)人，帶領(lǐng)課題組突破多個技術(shù)挑戰(zhàn)、數(shù)次迭代原子級制造裝備，在2019年大幅提高加工效率，實(shí)現(xiàn)幾分鐘內(nèi)將一張1英寸硅晶圓打上原子簇顆粒，用來制造傳感器。該原子級制造裝備入選國家“十三五”科技創(chuàng)新成就展。

在南京原子制造研究所內(nèi)，科研人員正在調(diào)試高強(qiáng)度團(tuán)簇束流源（2025年3月19日攝）   受訪者供圖

“沿途下蛋”迎來物質(zhì)“創(chuàng)造”曙光

宋鳳麒團(tuán)隊(duì)在預(yù)研原子極限微制造實(shí)驗(yàn)設(shè)施過程中，數(shù)個成果已經(jīng)產(chǎn)出商業(yè)應(yīng)用產(chǎn)品，達(dá)到了“沿途下蛋”效果。

“此前利用掃描隧道顯微鏡操縱原子，就是用一個微觀的手逐一追逐原子，但原子不聽話，無法規(guī)模化操控，更無法制造產(chǎn)品。原子級制造的核心是規(guī)模化操控原子。我們不追單原子，而是直接控制原子團(tuán)簇。在原子極限微制造實(shí)驗(yàn)設(shè)施，讓大量的原子凝聚碰撞，并設(shè)定一個微環(huán)境控制凝聚的尺寸，最終使原子數(shù)目、種類和結(jié)構(gòu)得以精準(zhǔn)操控。這一方法每秒操控原子可以突破萬億次，形成了真正的原子級制造能力。”宋鳳麒介紹。

原子極限微制造實(shí)驗(yàn)設(shè)施有三個組成部分，分別是高強(qiáng)度團(tuán)簇束流源、磁電雙聚焦質(zhì)量選擇譜儀、Stark型結(jié)構(gòu)分離譜儀。這一整套支撐原子級制造發(fā)展的特色核心技術(shù)方案均由我國科研團(tuán)隊(duì)首次提出和攻關(guān)完成，并均已通過預(yù)研設(shè)備證明了方案可行性。

“高強(qiáng)度團(tuán)簇束流源是原子的產(chǎn)生端，它能夠?qū)⒔饘僬舭l(fā)，產(chǎn)生很高濃度受控原子蒸汽，最終凝結(jié)成能被控制、處理的有能量質(zhì)量的帶電團(tuán)簇，就像冬天哈一口氣凝結(jié)成水珠，我們是把金屬蒸汽凝結(jié)成固體。”該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人胡國睿介紹，類比大型粒子加速器對撞電子，對撞產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為新粒子，高強(qiáng)度團(tuán)簇束流源也要使原子對撞，讓原本被打散的原子再次按人們的需要“粘”在一起，形成3個至數(shù)百個原子聚合的團(tuán)簇。

高強(qiáng)度團(tuán)簇束流源是目前世界上體量最大的束流源，研制過程中，團(tuán)隊(duì)攻克了產(chǎn)生高濃度受控原子蒸汽的系列難題，并與中國科學(xué)院近代物理研究所合作進(jìn)行了磁鐵束流線技術(shù)攻關(guān)與設(shè)備建設(shè)，解決了束流凝結(jié)操控難題。

在實(shí)驗(yàn)室，記者見到了高強(qiáng)度團(tuán)簇束流源預(yù)研裝置產(chǎn)出的成果——原子級尺寸的鎳粉體。鎳是通過金屬鍵形成的晶體結(jié)構(gòu)，由大量鎳原子通過金屬鍵無限延伸排列形成，因此鎳晶體本身是一個巨型結(jié)構(gòu)。而鎳原子級粉體只有幾百個原子，這一原子級尺寸控制可以大幅降低熔點(diǎn)和材料處理的溫度。例如發(fā)動機(jī)機(jī)匣的修復(fù)需要達(dá)到1200℃，而使用原子級尺寸的鎳粉體，可在1000℃以下完成修復(fù)。

由于鎳原子級粉體只需注意原子數(shù)量，凝結(jié)幾百個原子的鎳晶體就能產(chǎn)生特異性，不需要精確地控制原子排列結(jié)構(gòu)，因此只需高強(qiáng)度團(tuán)簇束流源這一部分設(shè)備即可生產(chǎn)鎳原子級粉體。

磁電雙聚焦質(zhì)量選擇譜儀、Stark型結(jié)構(gòu)分離譜儀具備挑選原子團(tuán)簇質(zhì)量、結(jié)構(gòu)的功能，把“粘”在一起的原子分別送入這兩個部分，將符合要求的原子團(tuán)簇留下，不符合要求的剔除。宋鳳麒團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)院化學(xué)研究所、吉林大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、上海交通大學(xué)等團(tuán)隊(duì)合作，共同攻克了離子漏斗技術(shù)、分子篩選技術(shù)中的諸多難題，得以精確質(zhì)量篩選確定原子團(tuán)簇中原子數(shù)量、選擇原子團(tuán)簇中原子排列結(jié)構(gòu)。這就將當(dāng)代化學(xué)從分子到分子的合成，轉(zhuǎn)變?yōu)閺脑拥椒肿拥膭?chuàng)造。

此外，在預(yù)研原子極限微制造實(shí)驗(yàn)設(shè)施的過程中，宋鳳麒團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)設(shè)施產(chǎn)生的原子團(tuán)簇可以精確載能，由此具備了進(jìn)行原子級加工能力。當(dāng)代離子束加工是靠物理式轟擊，不可避免地產(chǎn)生3～5納米損傷，而利用精準(zhǔn)的原子操控，可以在超精密加工過程中實(shí)現(xiàn)單原子級低損傷和粗糙度的極限。

他們據(jù)此研制了一臺晶圓加工樣機(jī)，記者在一塊晶圓上看到，經(jīng)單原子層無損傷加工后的一半晶圓明顯比另一半未經(jīng)原子級處理的晶圓亮度高。“這些成果已經(jīng)證實(shí)了原子極限微制造實(shí)驗(yàn)設(shè)施驅(qū)動未來產(chǎn)業(yè)的潛力。”宋鳳麒說。

有組織科研建設(shè)大科學(xué)裝置

在南京原子制造研究所的周邊，南京市政府預(yù)留出了空地，為將來建設(shè)原子級制造大科學(xué)裝置提供場地，屆時總占地面積將達(dá)到30畝。

聚焦江蘇打造具有全球影響力的產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新中心的目標(biāo)，2023年，南京市政府和南京大學(xué)共同啟動原子極限微制造實(shí)驗(yàn)設(shè)施建設(shè)，希望通過成功預(yù)研，為將來啟動大科學(xué)裝置建設(shè)提供理論與技術(shù)基礎(chǔ)。

宋鳳麒認(rèn)為，原子級制造效率提升難，大科學(xué)裝置是突破核心技術(shù)的關(guān)鍵條件。從當(dāng)前技術(shù)來看，原子操控的數(shù)目需要再突破3個量級，效率需要再突破5個量級，才能滿足產(chǎn)業(yè)需求，而這只有大科學(xué)裝置能夠辦到。如果將原子極限微制造實(shí)驗(yàn)設(shè)施比作一輛實(shí)驗(yàn)室模擬樣車，那么原子級制造大科學(xué)裝置就是一輛豪華大巴車，載客量、動力、功能都會有極大提升。

原子級制造是物理、材料學(xué)等多學(xué)科交叉的前沿領(lǐng)域，瞄準(zhǔn)建設(shè)原子級制造大科學(xué)裝置的長期目標(biāo)，南京市與南京大學(xué)在原子極限微制造實(shí)驗(yàn)設(shè)施預(yù)研階段就已打破機(jī)制壁壘，解決人才短缺瓶頸，集中多方優(yōu)勢力量進(jìn)行科研攻關(guān)。

南京大學(xué)前沿科學(xué)學(xué)院院長姜田介紹，南京大學(xué)本著聚焦國家重大戰(zhàn)略、集中力量辦大事思路，按需設(shè)計體制推進(jìn)任務(wù)，建設(shè)有組織科研示范區(qū)。“原子極限微制造實(shí)驗(yàn)設(shè)施的規(guī)模、人才結(jié)構(gòu)需求不同于常規(guī)科研。學(xué)校在前沿科學(xué)學(xué)院下設(shè)原子制造研究院，學(xué)校提供50個編制名額。前沿科學(xué)學(xué)院則像是一個孵化器，為原子制造研究院提供資產(chǎn)管理等基礎(chǔ)保障。”姜田告訴記者，此外南京市政府也依托宋鳳麒團(tuán)隊(duì)成立了南京原子制造研究所，同樣提供50個編制名額。南京原子制造研究所、南京大學(xué)原子制造研究院都由宋鳳麒擔(dān)任所長、院長，由其帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開展科研攻關(guān)。

作為有組織科研示范區(qū)，南京大學(xué)原子制造研究院在人才培養(yǎng)機(jī)制方面打破常規(guī)，例如負(fù)責(zé)建設(shè)處理晶圓加工樣機(jī)的博士研究生衛(wèi)長正，將來畢業(yè)時研究院只需對其裝備研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化情況進(jìn)行考核，不看論文發(fā)表情況。不同梯次的人才，構(gòu)建出從高端研發(fā)到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用“全鏈條”的學(xué)科建設(shè)和人才支撐體系，成為攻堅(jiān)原子級制造的生力軍。

“未來原子級制造產(chǎn)業(yè)需要技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的雙重開發(fā)，建議加快布局原子級制造大科學(xué)裝置，并配套建設(shè)產(chǎn)業(yè)先導(dǎo)示范區(qū)，深入推進(jìn)技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)開發(fā)，發(fā)展相關(guān)高端產(chǎn)業(yè)，加快打造引領(lǐng)全球的產(chǎn)業(yè)技術(shù)集群和先進(jìn)制造業(yè)集群。”宋鳳麒說。

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