瞭望 | 原子级制造驱动未来产业

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，做不出成规模的材料与器件。”宋凤麒说。

2010年宋凤麒留学回国后继续开展相关工作。2016年，国家重点研发计划启动“纳米科技”专项，部分项目涉及原子尺度的材料设计与操控。2018年，南京市与南京大学共建了国内首个原子制造研究中心。期间，宋凤麒担任某国家级课题组负责人，带领课题组突破多个技术挑战、数次迭代原子级制造装备，在2019年大幅提高加工效率，实现几分钟内将一张1英寸硅晶圆打上原子簇颗粒，用来制造传感器。该原子级制造装备入选国家“十三五”科技创新成就展。

在南京原子制造研究所内，科研人员正在调试高强度团簇束流源（2025年3月19日摄）   受访者供图

“沿途下蛋”迎来物质“创造”曙光

宋凤麒团队在预研原子极限微制造实验设施过程中，数个成果已经产出商业应用产品，达到了“沿途下蛋”效果。

“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。在原子极限微制造实验设施，让大量的原子凝聚碰撞，并设定一个微环境控制凝聚的尺寸，最终使原子数目、种类和结构得以精准操控。这一方法每秒操控原子可以突破万亿次，形成了真正的原子级制造能力。”宋凤麒介绍。

原子极限微制造实验设施有三个组成部分，分别是高强度团簇束流源、磁电双聚焦质量选择谱仪、Stark型结构分离谱仪。这一整套支撑原子级制造发展的特色核心技术方案均由我国科研团队首次提出和攻关完成，并均已通过预研设备证明了方案可行性。

“高强度团簇束流源是原子的产生端，它能够将金属蒸发，产生很高浓度受控原子蒸汽，最终凝结成能被控制、处理的有能量质量的带电团簇，就像冬天哈一口气凝结成水珠，我们是把金属蒸汽凝结成固体。”该项目负责人胡国睿介绍，类比大型粒子加速器对撞电子，对撞产生的能量转化为新粒子，高强度团簇束流源也要使原子对撞，让原本被打散的原子再次按人们的需要“粘”在一起，形成3个至数百个原子聚合的团簇。

高强度团簇束流源是目前世界上体量最大的束流源，研制过程中，团队攻克了产生高浓度受控原子蒸汽的系列难题，并与中国科学院近代物理研究所合作进行了磁铁束流线技术攻关与设备建设，解决了束流凝结操控难题。

在实验室，记者见到了高强度团簇束流源预研装置产出的成果——原子级尺寸的镍粉体。镍是通过金属键形成的晶体结构，由大量镍原子通过金属键无限延伸排列形成，因此镍晶体本身是一个巨型结构。而镍原子级粉体只有几百个原子，这一原子级尺寸控制可以大幅降低熔点和材料处理的温度。例如发动机机匣的修复需要达到1200℃，而使用原子级尺寸的镍粉体，可在1000℃以下完成修复。

由于镍原子级粉体只需注意原子数量，凝结几百个原子的镍晶体就能产生特异性，不需要精确地控制原子排列结构，因此只需高强度团簇束流源这一部分设备即可生产镍原子级粉体。

磁电双聚焦质量选择谱仪、Stark型结构分离谱仪具备挑选原子团簇质量、结构的功能，把“粘”在一起的原子分别送入这两个部分，将符合要求的原子团簇留下，不符合要求的剔除。宋凤麒团队与中国科学院化学研究所、吉林大学、同济大学、上海交通大学等团队合作，共同攻克了离子漏斗技术、分子筛选技术中的诸多难题，得以精确质量筛选确定原子团簇中原子数量、选择原子团簇中原子排列结构。这就将当代化学从分子到分子的合成，转变为从原子到分子的创造。

此外，在预研原子极限微制造实验设施的过程中，宋凤麒团队发现设施产生的原子团簇可以精确载能，由此具备了进行原子级加工能力。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。

他们据此研制了一台晶圆加工样机，记者在一块晶圆上看到，经单原子层无损伤加工后的一半晶圆明显比另一半未经原子级处理的晶圆亮度高。“这些成果已经证实了原子极限微制造实验设施驱动未来产业的潜力。”宋凤麒说。

有组织科研建设大科学装置

在南京原子制造研究所的周边，南京市政府预留出了空地，为将来建设原子级制造大科学装置提供场地，届时总占地面积将达到30亩。

聚焦江苏打造具有全球影响力的产业科技创新中心的目标，2023年，南京市政府和南京大学共同启动原子极限微制造实验设施建设，希望通过成功预研，为将来启动大科学装置建设提供理论与技术基础。

宋凤麒认为，原子级制造效率提升难，大科学装置是突破核心技术的关键条件。从当前技术来看，原子操控的数目需要再突破3个量级，效率需要再突破5个量级，才能满足产业需求，而这只有大科学装置能够办到。如果将原子极限微制造实验设施比作一辆实验室模拟样车，那么原子级制造大科学装置就是一辆豪华大巴车，载客量、动力、功能都会有极大提升。

原子级制造是物理、材料学等多学科交叉的前沿领域，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。

南京大学前沿科学学院院长姜田介绍，南京大学本着聚焦国家重大战略、集中力量办大事思路，按需设计体制推进任务，建设有组织科研示范区。“原子极限微制造实验设施的规模、人才结构需求不同于常规科研。学校在前沿科学学院下设原子制造研究院，学校提供50个编制名额。前沿科学学院则像是一个孵化器，为原子制造研究院提供资产管理等基础保障。”姜田告诉记者，此外南京市政府也依托宋凤麒团队成立了南京原子制造研究所，同样提供50个编制名额。南京原子制造研究所、南京大学原子制造研究院都由宋凤麒担任所长、院长，由其带领团队开展科研攻关。

作为有组织科研示范区，南京大学原子制造研究院在人才培养机制方面打破常规，例如负责建设处理晶圆加工样机的博士研究生卫长正，将来毕业时研究院只需对其装备研发、产业化情况进行考核，不看论文发表情况。不同梯次的人才，构建出从高端研发到产业化应用“全链条”的学科建设和人才支撑体系，成为攻坚原子级制造的生力军。

“未来原子级制造产业需要技术和产业的双重开发，建议加快布局原子级制造大科学装置，并配套建设产业先导示范区，深入推进技术研发和产业开发，发展相关高端产业，加快打造引领全球的产业技术集群和先进制造业集群。”宋凤麒说。

标签：