从原子“出发”制造万物还有多远？

也许有一天，人类可以精确地操控原子，让物质和材料合成摆脱对体系和配方的依赖，从而按照需求自由定制。这项听上去有些科幻的技术，正一步步向现实迈进。

“原子级制造不仅是材料科学与制造工程的交汇点，更是人类认识和重构物质的全新方式。”11月11日至14日，南京大学与施普林格·自然出版集团联合主办的“原子级制造：前沿与应用”国际会议在南京大学举行。会议发起人之一、南京大学原子制造研究院院长宋凤麒教授介绍，如何将原子垒砌成“人工分子”，继而制造出新材料、新结构、新产品，正在成为全球科学家改造物质世界的热门探索。

此次会议吸引了来自全球的500余位学者、专家及产业代表参加。多位与会学者表示，原子级制造作为面向未来的重要战略技术，正在重塑材料科学、器件物理与制造工程的基础范式，有望引领新一轮产业革命。

将重塑材料、器件与信息体系的根基

原子级制造，就是以原子为原料，制造所需的材料和器件产品。“原子级制造是通过对原子的规模化精准操控，实现原子尺度结构或原子精度加工。它的独特价值在于，‘原子’成为可编程的制造单元。”会议召集人之一、华南师范大学教授赵纪军表示，原子级制造是先进制造技术向极微观深入发展的必然趋势，也是我国构筑未来产业竞争优势的重要战略选择。

“原子级制造所追求的，不仅是原子尺度的制造，而且是以原子为基本单元进行创造。”宋凤麒举例称，“不同的原子在科学仪器中‘相撞’，有可能‘撞击’出大量的原子组合，从而形成各种分子。科学家可以在此基础上研制新材料、新结构，继而生产新型催化剂、筛选候选药物。而通过对原子排列的精准调控、超精密抛光，还可以为光学镜片加工提供新思路。”

原子级制造的潜力并非停留于天马行空的科学猜想。深圳国际量子研究院研究员贺煜，此前已经用高精度微纳加工方式，将两个磷原子构成的量子点分别放置在相距13纳米的位置上，实现了第一个硅基量子计算的高速两比特门。

“最近，我们用基于原子级制造技术研制硅基量子计算芯片，在此基础上，用逻辑量子计算机求解出水分子的基态能量。”贺煜告诉科技日报记者。

而在更广阔的物质世界，原子级制造也为科研人员带来意外惊喜。南京原子制造研究所副所长张春峰介绍：“我们用原子级制造技术研发出的钨铜合金试制品，可以形成钨铜分子有序排布的晶格，钨铜合金强度比传统技术路径提高3倍。”

在会议召集人之一、东南大学副校长孙立涛看来，“原子级制造是一场由基础科学驱动的制造革命，它将重塑材料、器件与信息体系的根基”。

操控技术、科学原理、生产装备尚面临诸多挑战

作为一项未来技术，原子级制造或将创造一个颇具颠覆性的制造业。但多位科学家坦言，原子级制造在操控技术和科学原理等方面仍面临重大挑战。

芬兰阿尔托大学应用物理系教授亚当·S·福斯特接受记者采访时表示：“每次我们用原子级制造技术处理金属表面时，结果都不一样，试验的可重复性差，主要原因在于我们无法精确控制原子的运动轨迹或相关参数。”

“现在面临的挑战是，如何找到方法使它们具有特定的材料特性。”比利时鲁汶大学副校长彼得·列文斯正在研究通过改变原子团簇的尺寸或成分，进而设计和创造材料的功能与性质。

工欲善其事，必先利其器。江苏蚩煜科技有限公司总经理邵玮介绍：“目前产业界还需要提高原子级制造设备的离子束操控技术，宽波段激光场、微波场构建及精确控制等技术，以提高对原子的控制精度、方法、效率，从而获得更多理想的分子。”

面对诸多科技前沿问题，2023年，南京大学与南京市共建原子极限微制造实验设施。

“基于团簇束流路线，目前我们已经基本实现了原子规模化操控制造人工分子的理论验证。”宋凤麒介绍，经过不断调试，该设施现在每秒最多可以产生100亿个原子，可以在10个原子构成的团簇中，控制组成原子的同位素，这提高了原子形成特定分子的成功率。

不过，他并不讳言，要提升制造效率，还需不断摸索制造过程中的微波、激光强度，以及温度、气压等参数，原子操控的数目、效率需要再突破2—3个量级，而且要兼顾产量与成本的平衡。

“从原子层面实现自由定制的未来非常美妙，这不仅是一项技术革命，也将吸引我们探索如何‘从原子出发制造万物’。”宋凤麒说。