操控原子，“按需造物”的時代來了？

在中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所的實驗樓內，一條規模化的銀色超高真空管道貫穿其間，將50余臺大型科研設備連成整體。精密儀器星羅棋布，各種管線交錯互聯。這就是全球規模最大、性能最優、共享程度最高的真空互聯綜合實驗裝置——納米真空互聯實驗站（NANO-X）。科研人員身著白大褂，專注操作設備系統。在這充滿未來感的實驗現場，他們正潛心探索著一項前沿技術——原子級制造。

如何讓這一重大科學裝置發揮最大效用？近日，物理、化學、材料、人工智能、精密儀器等領域專家匯聚蘇州，召開題為“‘信息器件原子級制造實驗裝置’關鍵科學技術”的香山科學會議，探討原子級制造關鍵科學問題與技術挑戰。

“推動原子級制造領域的原始創新，具有重要戰略意義。當前的一個探索方向是，如何在原子尺度實現信息器件的精準制造，并建設出一個既蘊含普遍科學意義，又提升國家競爭力的重大科學裝置。”本次會議上，會議執行主席、中國科學院院士薛其坤表示，原子級制造涉及學科交叉，不僅體現共性科學問題的探索，也反映了實驗技術的水平，需要科研人員的集體智慧。同時，必須緊密對接和凝練未來信息技術的實際需求，將前沿基礎研究能力轉化為產業優勢，形成具有中國特色的技術路徑和核心競爭力。

原子為“磚”建“房屋”

原子是構成物質世界的基本組成單元。原子級制造，顧名思義，就是通過對原子的規模化精準操控，以能量作用于原子或原子級基元，創制出具有特定功能的材料或器件。

傳統材料如同樂高積木，只能按固定形狀拼接；而原子級制造尺寸小，精度高，可以自由組合，按需壘砌，創造出性能逼近極限的“完美產品”甚至自然界沒有的物質，被認為是制造技術的終極形態。

“這是一件非常美妙、神奇的事情。”NANO-X主任張珽介紹，1989年，國際商業機器公司（IBM）的科研人員利用掃描隧道顯微鏡操作原子，用35個氙原子在鎳表面寫出了“IBM”字樣。我國科學家也于1993年操縱硅原子，寫出了“中國”兩個字。

以原子為“磚石”構筑理想物質世界，聽起來很美，但要讓原子“聽話”地接受規模化操控和組裝，挑戰卻很大。“我們不能像壘磚那樣，用串聯的方式去一個個搬原子，而是用并聯的方式實現批量精準操控，這就要突破經典制造極限。”中國科學院院士、NANO-X學術委員會主任遲力峰說。

“目前該領域研究已從單原子操控進一步提升到幾十萬原子的宏量操控。”張珽說，“原子級制造能創造前所未有的新物態、新材料和新器件，并可以應用于集成電路、量子計算、人工智能、高溫超導等諸多重要領域，已成為全球競爭的新科技制高點。因此，各國都非常重視，競相制定相關戰略計劃。”

當前，原子尺度的相關產品處于萌芽階段，更多技術路線正在不斷研發中。中國正在加速布局“未來域”，并將原子級制造納入未來產業。

與會專家一致認為，原子級制造是一條全新賽道，國內外研究和布局基本上同時起步，基礎相當；如果我國組織得當，統籌有力，有可能使其成為中國制造躍升發展的重要機遇。

通用大國重器呼之欲出

“從早期實驗室里原子操控的科學研究到原子級器件產品的制造，還存在理論、關鍵技術、設備等方面的巨大鴻溝，需要一個綜合性的大科學基礎設施從根本上來解決共性科學問題，從而提升原子級精度操控的規模和效率。”張珽說。

“原子級精度操控需要完全排除外界環境因素的干擾。”遲力峰說，大氣環境是有雜質的，特別是氧、碳、水氣分子等會對原子級材料和器件性能帶來不利影響，這就需要防止原子/分子級污染的超高真空環境，以抑制在制造過程中化學吸附和氧化反應等帶來的材料和器件缺陷、位錯等。

“國內外缺少針對原子級制造的系統性基礎設施，難以體現核心優勢。”會議執行主席、中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所所長王強斌介紹，研究所建設的真空互聯綜合實驗裝置集材料生長、器件加工、測試分析于一體，極大地提升了納米級器件研發和制造的效率。

筆者了解到，該裝置主要針對集成電路信息器件中的三個關鍵科學問題展開研究。第一是原子級材料按需創制，就是讓原子“聽話組裝”；第二是原子級器件精準加工，這好比對芯片等器件進行“原子微雕”；第三是原子級高時空分辨動態表征，就像是給制造過程“拍原子電影”。概括地講，就是讓原子級制造“造得準”“制得精”“看得清”。

“我們通過構建信息材料與器件原子級操控新機理，發展出一條集成電路信息器件原子級加工制造路線。”張珽說，“這是變革性的，將實現信息器件極限性能。”

AI賦能“制造”變“智造”

在中國科學技術大學化學與材料科學學院教授羅毅看來，原子級制造的諸多技術挑戰中，超大規模材料結構、組分精準構筑與功能優化將成為新材料創制的關鍵瓶頸，而人工智能機器化學家系統可為此提供數據比特驅動的解決方案。

那么，在原子級制造中，AI如何賦能新材料創制和器件模擬？

“我們可以通過標準化的數據收集，建立全世界最大最領先的開源單原子催化劑數據庫及譜構效智能模型，助力我國在原子比特智造領域領跑。”羅毅說。

中國人民大學物理學院教授季威認為，就近期實踐而言，基于人工設計思路或融合生成模型的高通量計算仍是發現和創制新材料的主要驅動力，再輔以實驗結果的主動學習，有望系統回答特性新材料創制中“為何選”“如何制”“有何用”這三個核心問題。

因此，NANO-X除了原子級材料創制平臺、原子級器件加工平臺和原子級高分辨分析檢測平臺之外，還將搭建原子級制造數據與智能化平臺。“我們目前已經積累了很多高質量的可靠數據，未來將打造數據庫，再結合專用大模型實現新材料創制、器件模擬以及標準測試等工作。”張珽透露。