原子级制造：中国科技新赛道上的引领之路

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，一条宛如游龙的原子极限微制造实验设施正蜿蜒排列。南京大学教授宋凤麒与他的团队正紧锣密鼓地对装置各部分进行测试、组装，为即将到来的验收工作做着最后的准备。这台实验设施，是为将来研发全球第一台原子级制造大科学装置所做的预研，标志着中国在原子级制造这一全新赛道上的奋力探索。

原子，作为物质世界最基本的组成单元，其按需垒砌、构筑原子级精准且完美的产品，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，正是这样一条充满挑战与机遇的新赛道，国内外同时起步、基础相当，谁组织得当，谁就有可能成为引领中国制造发展的先锋。

经过40多年的积淀，国内原子团簇研究已经取得了显著进展。宋凤麒团队在实验室原理样机的基础上，于2023年开始制造原子极限微制造实验设施，并成功跑通了一套“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，该设施已经能够演示器件的原子级加工，如芯片的近零损伤加工与晶圆原子级抛光等，长远来看，更将冲击科学前沿，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。

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也呼之欲出。宋凤麒认为，原子级制造大科学装置是其中的核心，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。

原子级制造面临的挑战巨大，其中最关键的是基础设施与装备部分。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。单个原子直径极小，要在宏观工件上定位一个原子，其难度堪比在4万公里的地球赤道上找到一块仅1厘米的糖，并且还要在这个位置上面精确地逐个放糖。此外，随着原子数的增加，体系熵非线性急剧上涨，获得所期待的加工原子构型产品的可能性逼近零，这是科学原理上的巨大挑战。

然而，中国科学家并没有退缩。自上世纪80年代开始，国内外原子制造研究几乎同时起步，但研究进展缓慢。宋凤麒师从王广厚院士，于2008年出国留学学习原子操控技术，回国后继续开展相关工作。在国家重点研发计划的支持下，宋凤麒团队突破多个技术挑战，数次迭代原子级制造装备，大幅提高了加工效率。

在预研原子极限微制造实验设施的过程中，宋凤麒团队已经产出了数个商业应用产品，达到了“沿途下蛋”的效果。他们不追单原子，而是直接控制原子团簇，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。

原子极限微制造实验设施由高强度团簇束流源、磁电双聚焦质量选择谱仪、Stark型结构分离谱仪三个部分组成，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。其中，高强度团簇束流源是目前世界上体量最大的束流源，能够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。

在实验室里，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。这种镍粉体只有几百个原子，可以大幅降低熔点和材料处理的温度，具有广泛的应用前景。此外，宋凤麒团队还发现设施产生的原子团簇可以精确载能，具备进行原子级加工的能力，他们据此研制了一台晶圆加工样机，实现了单原子层无损伤加工。

为了建设原子级制造大科学装置，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，学校本着聚焦国家重大战略、集中力量办大事的思路，按需设计体制推进任务，建设有组织科研示范区。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，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。

展望未来，宋凤麒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。原子级制造，这条充满挑战与机遇的新赛道，正引领着中国制造走向更加辉煌的未来。