《三體》中的“水滴”來(lái)了？全球原子科學(xué)家齊聚南京定義下一代制造革命
來(lái)源： 紫牛新聞
2025-11-14 21:08:00
在《三體》中，科學(xué)家汪淼研制的“飛刃”納米絲，能于無(wú)形中將巨輪切割為碎片。“飛刃”強(qiáng)度逆天、鋒利無(wú)比，因?yàn)槠浼{米級(jí)的結(jié)構(gòu)被精確排列，展現(xiàn)了微觀制造所能帶來(lái)的宏觀奇跡。曾經(jīng)，這只是科幻作家狂野的想象。但在11月的南京，一場(chǎng)名為“原子級(jí)制造：前沿與應(yīng)用”的國(guó)際會(huì)議正在告訴大家：人類(lèi)，已經(jīng)開(kāi)始學(xué)習(xí)如何像擺弄積木一樣，為一個(gè)一個(gè)原子“排兵布陣”，試圖將這種“神跡”帶入現(xiàn)實(shí)。
會(huì)議由南京大學(xué)與施普林格·自然集團(tuán)聯(lián)合主辦、固體微結(jié)構(gòu)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與南京原子制造研究所承辦，東南大學(xué)、蘇州大學(xué)等多家省內(nèi)科研機(jī)構(gòu)共同組織，吸引了來(lái)自全球多個(gè)國(guó)家和地區(qū)的500余位學(xué)者、專(zhuān)家及產(chǎn)業(yè)代表參加。
原子級(jí)制造是什么？
所謂原子級(jí)制造，可以理解為物質(zhì)世界的“極限樂(lè)高”或“原子刺繡”。
原子是構(gòu)成物質(zhì)世界的基本組成單元，直徑通常在埃米（納米的十分之一）量級(jí)，不到人類(lèi)頭發(fā)絲的100萬(wàn)分之一。
傳統(tǒng)制造，像是在用斧頭劈砍木料，成就宏大，但細(xì)節(jié)粗糙?，F(xiàn)代納米技術(shù)，像是在用精良的刻刀雕刻，能創(chuàng)造出微小的芯片，但依然是在“批量處理”原子。而原子級(jí)制造，則意味著我們手持一把“原子鑷子”和“原子畫(huà)筆”，能夠精準(zhǔn)地拾起、移動(dòng)、放置每一個(gè)特定的原子，從而優(yōu)化整個(gè)物體的性能，甚則從最基礎(chǔ)的層面構(gòu)建出自然界不存在的全新材料和器件。
以集成電路行業(yè)為例，如果能實(shí)現(xiàn)單原子特征的芯片，其尺寸、功耗可降低至當(dāng)前的千分之一以下，計(jì)算能力則提升千倍以上。
原子級(jí)制造概念早在20世紀(jì)中期就已提出，近年來(lái)隨著納米科技興起，成為世界主要國(guó)家競(jìng)相布局的戰(zhàn)略高地。1984年，南京大學(xué)王廣厚院士率先開(kāi)展原子團(tuán)簇物理技術(shù)研究，是國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域的先驅(qū)科學(xué)家。（所謂原子團(tuán)簇，指的是由幾個(gè)至幾百個(gè)原子通過(guò)化學(xué)鍵或弱相互作用結(jié)合形成的、尺寸介于單個(gè)原子與宏觀固體之間的微觀集合體。）
這場(chǎng)全球競(jìng)速為何在今日白熱化？
原子從“可觀測(cè)”，發(fā)展到“可操控”
隨著“看到三維原子”的定性技術(shù)發(fā)展成為“確定原子坐標(biāo)”的定量技術(shù)，“原子級(jí)制造”正在成為熱詞。目前工信部已將其列為破解集成電路瓶頸的'根技術(shù)'，2025年國(guó)家自然科學(xué)基金啟動(dòng)專(zhuān)項(xiàng)攻關(guān)。會(huì)議現(xiàn)場(chǎng)，記者采訪了多位來(lái)自全球的科學(xué)家。
慕尼黑大學(xué)蒂姆?利德?tīng)柦淌谡故玖似渫黄菩匝芯浚簩NA作為一種編程語(yǔ)言，來(lái)驅(qū)動(dòng)原子級(jí)結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)構(gòu)建。“我們實(shí)現(xiàn)了對(duì)單個(gè)原子的基礎(chǔ)控制，而DNA鏈則作為指令集，引導(dǎo)它們自組裝成我們?cè)O(shè)計(jì)的任何形態(tài)?！崩?tīng)枏?qiáng)調(diào)，這完全跳出了DNA的生物學(xué)范疇，將其革新為一種在納米尺度上通用的“構(gòu)建材料”。
北京大學(xué)研究員周繼寒告訴記者，他和團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了原子級(jí)別催化劑活性變化的全生命周期跟蹤，可為能源產(chǎn)業(yè)升級(jí)中的催化劑設(shè)計(jì)提供核心支撐。也就是說(shuō)，構(gòu)成我們?nèi)梭w的原子由于消耗太大而讓人感到不適的時(shí)候，可以有一種方法，讓原子減少消耗，從而讓我們的身體更舒服，生活質(zhì)量變得更高。
南京原子制造研究所也已初步建成30米長(zhǎng)的原子極微制造實(shí)驗(yàn)設(shè)施?！皢蝹€(gè)原子直徑只有0.1-0.5納米，在宏觀工件上定位原子相當(dāng)于在4萬(wàn)公里地球赤道上找一塊1厘米的糖。 ”南京原子制造研究所所長(zhǎng)宋鳳麒教授比喻說(shuō)，壘砌100個(gè)原子時(shí)，可能出現(xiàn)數(shù)百萬(wàn)種相同能量?jī)?yōu)先級(jí)的排列方式，獲得目標(biāo)結(jié)構(gòu)的概率逼近零。而南京大學(xué)原子制造研究院的“原子極限微制造實(shí)驗(yàn)設(shè)施”采用團(tuán)簇束流技術(shù)，直接控制原子團(tuán)簇而非單個(gè)原子，每秒操控次數(shù)突破萬(wàn)億次。 這套系統(tǒng)由高強(qiáng)度團(tuán)簇束流源、磁電雙聚焦質(zhì)量選擇譜儀和Stark型結(jié)構(gòu)分離譜儀組成，全是自主研發(fā)。形成了真正的原子級(jí)制造能力。
比利時(shí)魯汶大學(xué)副校長(zhǎng)彼得?利文斯贊賞道：“這套設(shè)施擁有將夢(mèng)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的巨大潛力?！?/p>
在閉幕式上，由《Nature Communications》高級(jí)編輯 Christian Kuttner 宣布了通過(guò)全體與會(huì)代表投票產(chǎn)生的、以How can scalable and precise selection of cluster/molecule isomers be achieved, and how can they be effectively integrated into atomic-level manufacturing processes?(如何實(shí)現(xiàn)成規(guī)模、精準(zhǔn)化的原子團(tuán)簇的異構(gòu)體篩選，并將其集成到原子制造流程中？)為代表的原子級(jí)制造十大科學(xué)問(wèn)題。十大科學(xué)問(wèn)題集中反映了學(xué)術(shù)界對(duì)原子級(jí)制造基礎(chǔ)科學(xué)、關(guān)鍵技術(shù)與未來(lái)產(chǎn)業(yè)方向的共同關(guān)切，為未來(lái)十年該領(lǐng)域的發(fā)展提供了戰(zhàn)略指引和科學(xué)坐標(biāo)。
目前有哪些落地成果？
“江蘇制造”正在嶄露頭角
近日，在深圳，一臺(tái)被稱(chēng)為“現(xiàn)實(shí)模擬器”的機(jī)器正在改變科研的范式。由研究員賀煜領(lǐng)銜打造的全球首臺(tái)半導(dǎo)體邏輯量子計(jì)算機(jī)，憑借其原子級(jí)精準(zhǔn)的控制，已能精確求解水分子的基態(tài)能量，為解鎖生命奧秘和創(chuàng)造全新材料提供了可能?！暗壳拔覀兙窦?xì)琢，一周才能完成一枚芯片，”賀煜坦言。要將這實(shí)驗(yàn)室的奇跡變?yōu)橥苿?dòng)產(chǎn)業(yè)革命的引擎，他們正將目光投向能實(shí)現(xiàn)量子芯片高效、批量化生產(chǎn)的原子級(jí)制造。
與此同時(shí)，一批江蘇企業(yè)也在嘗試“破冰”。透射電鏡設(shè)備是原子級(jí)制造的重要觀察分析儀器之一。蘇州博眾儀器科技有限公司經(jīng)過(guò)5年研發(fā)，突破電子光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真、高壓超穩(wěn)定電源等一批核心技術(shù)，開(kāi)發(fā)完成200kV透射電鏡。
華海清科的CMP設(shè)備不僅精度達(dá)0.1納米，還拿下了國(guó)內(nèi)主流晶圓廠批量訂單。 2024年華海清科營(yíng)收飆到34億元，凈利潤(rùn)超10億，還在昆山投資5億擴(kuò)產(chǎn)。無(wú)錫微導(dǎo)納米公司2015年成立時(shí)就瞄準(zhǔn)原子層沉積（ALD）技術(shù)，他們的設(shè)備像給物體表面“原子級(jí)蓋樓”，一層層堆疊原子級(jí)薄膜。 2018年推出的“夸父”系列讓太陽(yáng)能電池效率反超國(guó)外設(shè)備，通威、隆基這些光伏巨頭都成了客戶。
原子級(jí)制造將如何重塑我們的世界？
一切皆有可能
原子級(jí)制造，就是我們這個(gè)時(shí)代面對(duì)的“技術(shù)奇點(diǎn)”。它既可能是我們打破“智子”封鎖、走向星辰大海的鑰匙，也可能像“二向箔”一樣，徹底重塑我們對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的認(rèn)知。這正如《三體》所展現(xiàn)的：當(dāng)基礎(chǔ)物理被突破，其帶來(lái)的技術(shù)爆炸將徹底顛覆我們對(duì)世界的認(rèn)知。
《自然?通訊》高級(jí)編輯克里斯蒂安?庫(kù)特納告訴揚(yáng)子晚報(bào)記者，當(dāng)下探討原子制造議題“時(shí)機(jī)格外合適”。因?yàn)橐坏┛缭娇煽嘏c可重復(fù)的臨界點(diǎn)，相關(guān)技術(shù)將迅速規(guī)?；?，重塑一切。比如——
能源革命： 我們或許能造出模擬光合作用的“人工樹(shù)葉”，直接將陽(yáng)光、水和二氧化碳轉(zhuǎn)化為清潔能源與食物，從根本上解決能源和氣候危機(jī)。
計(jì)算飛躍： 誕生于原子尺度的量子計(jì)算機(jī)，運(yùn)算能力將呈指數(shù)級(jí)提升，讓藥物研發(fā)、天氣預(yù)測(cè)變得輕而易舉。
醫(yī)療奇跡： 可精準(zhǔn)識(shí)別并摧毀癌細(xì)胞的“納米機(jī)器人”，或能完美修復(fù)組織器官的生物支架，都將成為可能。
正如“面壁計(jì)劃”需要最頂尖的大腦和最宏大的工程，原子級(jí)制造的實(shí)現(xiàn)，也依賴于全球合作與大國(guó)重器。宋鳳麒建議，原子級(jí)制造涉及機(jī)械、材料、物理、化學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，要提前布局，多方合作，借鑒已成熟的產(chǎn)業(yè)培育模式，強(qiáng)化原子級(jí)制造戰(zhàn)略力量建設(shè)，培養(yǎng)跨學(xué)科的交叉復(fù)合型人才和工程型人才，推進(jìn)校企融合發(fā)展。
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校對(duì) 胡妍璐