《三體》中的“水滴”來了？全球原子科學(xué)家齊聚南京定義下一代制造革命
來源： 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，能于無形中將巨輪切割為碎片?！帮w刃”強度逆天、鋒利無比，因為其納米級的結(jié)構(gòu)被精確排列，展現(xiàn)了微觀制造所能帶來的宏觀奇跡。曾經(jīng)，這只是科幻作家狂野的想象。但在11月的南京，一場名為“原子級制造：前沿與應(yīng)用”的國際會議正在告訴大家：人類，已經(jīng)開始學(xué)習(xí)如何像擺弄積木一樣，為一個一個原子“排兵布陣”，試圖將這種“神跡”帶入現(xiàn)實。
會議由南京大學(xué)與施普林格·自然集團聯(lián)合主辦、固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點實驗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)科研機構(gòu)共同組織，吸引了來自全球多個國家和地區(qū)的500余位學(xué)者、專家及產(chǎn)業(yè)代表參加。
原子級制造是什么？
所謂原子級制造，可以理解為物質(zhì)世界的“極限樂高”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，不到人類頭發(fā)絲的100萬分之一。
傳統(tǒng)制造，像是在用斧頭劈砍木料，成就宏大，但細節(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。而原子級制造，則意味著我們手持一把“原子鑷子”和“原子畫筆”，能夠精準(zhǔn)地拾起、移動、放置每一個特定的原子，從而優(yōu)化整個物體的性能，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，計算能力則提升千倍以上。
原子級制造概念早在20世紀(jì)中期就已提出，近年來隨著納米科技興起，成為世界主要國家競相布局的戰(zhàn)略高地。1984年，南京大學(xué)王廣厚院士率先開展原子團簇物理技術(shù)研究，是國內(nèi)該領(lǐng)域的先驅(qū)科學(xué)家。（所謂原子團簇，指的是由幾個至幾百個原子通過化學(xué)鍵或弱相互作用結(jié)合形成的、尺寸介于單個原子與宏觀固體之間的微觀集合體。）
這場全球競速為何在今日白熱化？
原子從“可觀測”，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年國家自然科學(xué)基金啟動專項攻關(guān)。會議現(xiàn)場，記者采訪了多位來自全球的科學(xué)家。
慕尼黑大學(xué)蒂姆?利德爾教授展示了其突破性研究：將DNA作為一種編程語言，來驅(qū)動原子級結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)構(gòu)建。“我們實現(xiàn)了對單個原子的基礎(chǔ)控制，而DNA鏈則作為指令集，引導(dǎo)它們自組裝成我們設(shè)計的任何形態(tài)。”利德爾強調(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，他和團隊實現(xiàn)了原子級別催化劑活性變化的全生命周期跟蹤，可為能源產(chǎn)業(yè)升級中的催化劑設(shè)計提供核心支撐。也就是說，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米長的原子極微制造實驗設(shè)施。“單個原子直徑只有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宋鳳麒教授比喻說，壘砌100個原子時，可能出現(xiàn)數(shù)百萬種相同能量優(yōu)先級的排列方式，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“原子極限微制造實驗設(shè)施”采用團簇束流技術(shù)，直接控制原子團簇而非單個原子，每秒操控次數(shù)突破萬億次。 這套系統(tǒng)由高強度團簇束流源、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制造能力。
比利時魯汶大學(xué)副校長彼得?利文斯贊賞道：“這套設(shè)施擁有將夢想變?yōu)楝F(xiàn)實的巨大潛力?！?/p>
在閉幕式上，由《Nature Communications》高級編輯 Christian Kuttner 宣布了通過全體與會代表投票產(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?(如何實現(xiàn)成規(guī)模、精準(zhǔn)化的原子團簇的異構(gòu)體篩選，并將其集成到原子制造流程中？)為代表的原子級制造十大科學(xué)問題。十大科學(xué)問題集中反映了學(xué)術(shù)界對原子級制造基礎(chǔ)科學(xué)、關(guān)鍵技術(shù)與未來產(chǎn)業(yè)方向的共同關(guān)切，為未來十年該領(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，一臺被稱為“現(xiàn)實模擬器”的機器正在改變科研的范式。由研究員賀煜領(lǐng)銜打造的全球首臺半導(dǎo)體邏輯量子計算機，憑借其原子級精準(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?！暗壳拔覀兙窦氉粒恢懿拍芡瓿梢幻缎酒?，”賀煜坦言。要將這實驗室的奇跡變?yōu)橥苿赢a(chǎn)業(yè)革命的引擎，他們正將目光投向能實現(xiàn)量子芯片高效、批量化生產(chǎn)的原子級制造。
與此同時，一批江蘇企業(yè)也在嘗試“破冰”。透射電鏡設(shè)備是原子級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5年研發(fā)，突破電子光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計與仿真、高壓超穩(wěn)定電源等一批核心技術(shù)，開發(fā)完成200kV透射電鏡。
華海清科的CMP設(shè)備不僅精度達0.1納米，還拿下了國內(nèi)主流晶圓廠批量訂單。 2024年華海清科營收飆到34億元，凈利潤超10億，還在昆山投資5億擴產(chǎn)。無錫微導(dǎo)納米公司2015年成立時就瞄準(zhǔn)原子層沉積（ALD）技術(shù)，他們的設(shè)備像給物體表面“原子級蓋樓”，一層層堆疊原子級薄膜。 2018年推出的“夸父”系列讓太陽能電池效率反超國外設(shè)備，通威、隆基這些光伏巨頭都成了客戶。
原子級制造將如何重塑我們的世界？
一切皆有可能
原子級制造，就是我們這個時代面對的“技術(shù)奇點”。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，徹底重塑我們對現(xiàn)實世界的認(rèn)知。這正如《三體》所展現(xiàn)的：當(dāng)基礎(chǔ)物理被突破，其帶來的技術(shù)爆炸將徹底顛覆我們對世界的認(rèn)知。
《自然?通訊》高級編輯克里斯蒂安?庫特納告訴揚子晚報記者，當(dāng)下探討原子制造議題“時機格外合適”。因為一旦跨越可控與可重復(fù)的臨界點，相關(guān)技術(shù)將迅速規(guī)模化，重塑一切。比如——
能源革命： 我們或許能造出模擬光合作用的“人工樹葉”，直接將陽光、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。
計算飛躍： 誕生于原子尺度的量子計算機，運算能力將呈指數(shù)級提升，讓藥物研發(fā)、天氣預(yù)測變得輕而易舉。
醫(yī)療奇跡： 可精準(zhǔn)識別并摧毀癌細胞的“納米機器人”，或能完美修復(fù)組織器官的生物支架，都將成為可能。
正如“面壁計劃”需要最頂尖的大腦和最宏大的工程，原子級制造的實現(xiàn)，也依賴于全球合作與大國重器。宋鳳麒建議，原子級制造涉及機械、材料、物理、化學(xué)等多個學(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，強化原子級制造戰(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，推進校企融合發(fā)展。
揚子晚報/紫牛新聞記者 徐媛園
視頻 徐媛園
校對 胡妍璐