應(yīng)用價(jià)值巨大
通俗來(lái)講，原子級(jí)制造是在原子尺度上進(jìn)行加工，形成具有原子級(jí)特定結(jié)構(gòu)特征的器件產(chǎn)品。原子級(jí)制造工藝產(chǎn)品，將實(shí)現(xiàn)前所未有的性能提升。
“原子級(jí)制造在材料與制造兩大領(lǐng)域中，都展現(xiàn)出前所未有的潛力和前景。”中國(guó)科學(xué)院院士、南京大學(xué)教授祝世寧介紹，在制造方面，原子級(jí)制造有望開(kāi)發(fā)出一系列具有超小尺度精度和卓越性能的新型產(chǎn)品。在材料方面，通過(guò)原子級(jí)設(shè)計(jì)和改造，可以實(shí)現(xiàn)材料系統(tǒng)的革新。這兩方面融合發(fā)展，將為人類(lèi)社會(huì)的進(jìn)步開(kāi)辟新的道路。
中國(guó)工程院院士、哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授譚久彬表示，在集成電路行業(yè)，如果能實(shí)現(xiàn)單原子特征的芯片，其尺寸、功耗將會(huì)降至當(dāng)前指標(biāo)的千分之一以下，同時(shí)可將計(jì)算能力提升千倍以上。
“原子級(jí)制造給了我們一個(gè)換道超車(chē)的機(jī)會(huì)?！敝袊?guó)科學(xué)院院士、國(guó)家納米科學(xué)中心主任唐智勇說(shuō)，原子級(jí)制造可以突破物質(zhì)底層，實(shí)現(xiàn)從原子出發(fā)任意創(chuàng)制新材料，獲得極限集成、極限性能新材料和器件，形成未來(lái)制造和新質(zhì)生產(chǎn)力，全面滲透、革新多門(mén)類(lèi)高新技術(shù)和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。
南京大學(xué)教授宋鳳麒贊同這個(gè)觀(guān)點(diǎn)?！霸谠匈惖郎希袊?guó)很難實(shí)現(xiàn)超越。而原子級(jí)制造為我國(guó)在制造產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)趕超提供了一個(gè)新的契機(jī)。”宋鳳麒認(rèn)為，原子級(jí)制造可以培育出一些新興產(chǎn)業(yè)，比如下一代信息技術(shù)、下一代醫(yī)藥技術(shù)、下一代電池等。
以芯片制造為例，想在國(guó)外已經(jīng)完善的領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)趕超非常困難。而原子級(jí)制造是一條國(guó)外尚未系統(tǒng)化實(shí)施的新技術(shù)路線(xiàn)，國(guó)內(nèi)已經(jīng)具備一定基礎(chǔ)。如果我國(guó)能集中力量進(jìn)行科研攻關(guān)，就有可能建立起一個(gè)獨(dú)特且世界領(lǐng)先的制造技術(shù)體系。
雖然原子級(jí)制造具有巨大應(yīng)用價(jià)值，但是目前并沒(méi)有全面開(kāi)展技術(shù)體系和工藝裝備的開(kāi)發(fā)。
面臨挑戰(zhàn)不小
從宏觀(guān)制造、微米制造再到當(dāng)前的納米制造，未來(lái)制造必將更進(jìn)一步走向原子尺度。然而，原子級(jí)制造面臨的挑戰(zhàn)不容小覷。它不僅是技術(shù)上的挑戰(zhàn)，更是科學(xué)上的挑戰(zhàn)。以切削操作為例，從10微米到1個(gè)原子層的精度提升，對(duì)技術(shù)控制能力提出了更高的要求，力的控制精度需要達(dá)到驚人的十萬(wàn)分之一！此外，即使在原子級(jí)切削上取得了技術(shù)突破，原子級(jí)光滑表面的物理穩(wěn)定性也可能成為一大難題，切削出的表面可能無(wú)法保持穩(wěn)定狀態(tài)。
“目前來(lái)看，原子級(jí)制造較難，國(guó)內(nèi)外都處于萌芽階段?！弊T久彬說(shuō)，原子級(jí)制造無(wú)論是科學(xué)原理，還是關(guān)鍵技術(shù)，無(wú)論是原理探索所需的科學(xué)儀器，還是制造過(guò)程所需的加工裝備，都極大地挑戰(zhàn)著我們現(xiàn)在的認(rèn)知和能力范疇，存在大量瓶頸問(wèn)題。
宋鳳麒認(rèn)為，原子級(jí)制造面對(duì)的挑戰(zhàn)中，最關(guān)鍵的還是基礎(chǔ)設(shè)施與裝備部分。目前大部分核心設(shè)備仍掌握在發(fā)達(dá)國(guó)家手中，國(guó)內(nèi)研究設(shè)備依賴(lài)進(jìn)口。我國(guó)需要發(fā)展自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的核心技術(shù)裝備，以及支撐原子級(jí)制造發(fā)展的特色核心技術(shù)裝備。
例如，在傳統(tǒng)制造過(guò)程中，制造的精度、范圍和效率是互為矛盾的三角，而對(duì)原子級(jí)制造而言，三者矛盾更加突出。在宏觀(guān)工件上精準(zhǔn)找到一個(gè)特定原子，難度堪比大海撈針；而在原子級(jí)制造中要求反復(fù)、精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)大海撈針，即使成功，其效率也可能低到無(wú)法實(shí)現(xiàn)規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
祝世寧介紹，國(guó)外在原子級(jí)制造領(lǐng)域的研究起步較早，并且由于其在微納制造產(chǎn)業(yè)的先進(jìn)性，預(yù)計(jì)未來(lái)在該領(lǐng)域?qū)⒗^續(xù)有著出色表現(xiàn)。目前，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）和能源部先進(jìn)制造辦公室已投入數(shù)億美元進(jìn)行研究；我國(guó)也在原子級(jí)制造方面進(jìn)行了同期布局，與國(guó)外的研究基礎(chǔ)相近，有潛力實(shí)現(xiàn)重大突破并在某些方面與國(guó)外競(jìng)爭(zhēng)。
中國(guó)科學(xué)院院士、松山湖材料實(shí)驗(yàn)室主任汪衛(wèi)華表示，希望越來(lái)越多的科研人員參與進(jìn)來(lái)，集中力量進(jìn)行科研攻關(guān)，不斷突破從技術(shù)研究到實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的壁壘，搶占原子級(jí)制造科學(xué)高地。
發(fā)展前景廣闊
未來(lái)，我國(guó)應(yīng)該如何發(fā)展原子級(jí)制造？第一屆原子級(jí)制造論壇上，論壇組委會(huì)發(fā)布了《原子級(jí)制造發(fā)展倡議書(shū)》，提出了系統(tǒng)推進(jìn)科學(xué)研究、全面強(qiáng)化技術(shù)開(kāi)發(fā)、前瞻布局產(chǎn)業(yè)應(yīng)用、共建專(zhuān)業(yè)人才隊(duì)伍等倡議。
中國(guó)工程院院士、大連理工大學(xué)教授郭東明建議，搶占原子級(jí)制造發(fā)展先機(jī)，要整合資源協(xié)同攻關(guān)，由過(guò)去單點(diǎn)、散發(fā)的自由探索，轉(zhuǎn)變成為有組織、有計(jì)劃的探索，瞄準(zhǔn)一定目標(biāo)、圍繞明確方向進(jìn)行研究。
“發(fā)展自主可控的原子級(jí)制造理論、關(guān)鍵技術(shù)及裝備，滿(mǎn)足我國(guó)高端制造急需，為實(shí)施制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略提供強(qiáng)有力支持，是歷史賦予我們科技工作者的重要使命?！弊T久彬建議，原子級(jí)制造研究要深入調(diào)研應(yīng)用場(chǎng)景并抽取真需求和真科學(xué)問(wèn)題，解決挑戰(zhàn)性難題；快速推進(jìn)基礎(chǔ)研究、技術(shù)突破及成果轉(zhuǎn)化，與國(guó)家重點(diǎn)領(lǐng)域發(fā)展規(guī)劃無(wú)縫銜接；要發(fā)展舉國(guó)體制優(yōu)勢(shì)，整合全國(guó)各地優(yōu)勢(shì)資源協(xié)同研究，實(shí)現(xiàn)“并跑”甚至“領(lǐng)跑”。
祝世寧表示，原子級(jí)制造領(lǐng)域的研究需要多學(xué)科領(lǐng)域的合作，包括物理化學(xué)、機(jī)械電子等。為推動(dòng)我國(guó)在原子級(jí)制造領(lǐng)域的進(jìn)步，國(guó)家應(yīng)從基礎(chǔ)研究、技術(shù)開(kāi)發(fā)、產(chǎn)業(yè)培育和人才培養(yǎng)等多方面提供支持。“人類(lèi)的技術(shù)進(jìn)步是一個(gè)逐步迭代的過(guò)程，每次進(jìn)步都建立在長(zhǎng)時(shí)間的凝練與積累之上。單純寄希望于短期的‘超車(chē)’可能會(huì)帶來(lái)一時(shí)的突破，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，穩(wěn)健、持續(xù)的步伐才是關(guān)鍵。只有長(zhǎng)期穩(wěn)定的投入和努力，我們才能真正突破這一領(lǐng)域的技術(shù)瓶頸?！弊Ｊ缹幷f(shuō)。
唐智勇表示，原子級(jí)制造立足于已有的先進(jìn)制造等其他專(zhuān)項(xiàng)基礎(chǔ)上，發(fā)展顛覆性技術(shù)，通過(guò)原子級(jí)制造項(xiàng)目的推進(jìn)，培養(yǎng)出一批國(guó)際領(lǐng)軍科學(xué)家，形成相關(guān)專(zhuān)業(yè)國(guó)際化研究中心，引領(lǐng)國(guó)際原子級(jí)制造領(lǐng)域發(fā)展方向，實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)突破。
