原子级制造：用原子“垒砌”未来产业，原子极限微制造实验设施：为大科学装置奠基

本文围绕原子级制造展开，介绍了其概念、意义和发展情况。阐述了原子极限微制造实验设施的研制，以及该设施在技术突破、商业应用等方面的成果，还提及了为建设原子级制造大科学装置所做的努力和规划。

原子级制造实现了当代化学领域的重大转变，它把以往从分子到分子的合成，直接提升为从原子到分子的创造。

过去，利用扫描隧道显微镜操纵原子，就如同用微观的手逐一去追逐原子，然而原子十分“调皮”，难以对其进行规模化操控，更无法实现产品制造。而原子级制造的核心就在于能够规模化地操控原子。科研人员另辟蹊径，不再追逐单个原子，而是直接控制原子团簇。

当代离子束加工主要依靠物理式轰击，这种方式不可避免地会产生3 – 5纳米的损伤。而借助精准的原子操控技术，在超精密加工过程中能够实现单原子级的低损伤和粗糙度的极限。

南京市与南京大学将目光瞄准建设原子级制造大科学装置这一长期目标，在原子极限微制造实验设施预研阶段，就积极打破机制壁垒，解决人才短缺的瓶颈问题，集中多方优势力量开展科研攻关。

在南京原子制造研究所（南京大学原子制造研究院）内，有一个足球场大小的实验室。在这个实验室中，一套能够进行原子规模化操控的原子极限微制造实验设施弯曲排列，宛如一条灵动的游龙。南京大学教授宋凤麒正和团队成员对装置的各个部分进行着细致的测试和组装，以迎接即将到来的验收工作。宋凤麒教授告诉记者，研制这台原子极限微制造实验设施，是为将来研发全球第一台原子级制造大科学装置做前期预研。

原子是物质世界最基本的组成单元。原子级制造，简单来说，就是按照需求将原子进行垒砌，构筑出原子级精准、完美的产品，并且这些产品在物性上远超常规块材。因此，原子级制造被科技界视为人类改造物质世界的终极能力之一。

原子级制造是一条全新的赛道，国内外在这一领域几乎同时起步，基础也大致相当。如果组织得当，这有可能成为中国制造发展的一个引领性机遇。

宋凤麒教授向记者介绍：“国内原子团簇研究已经有40多年的积淀，我们也成功做出了实验室原理样机。2023年，我们开始制造原子极限微制造实验设施，并且跑通了一套‘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，我们已经可以演示器件的原子级加工，例如芯片的近零损伤加工与晶圆原子级抛光等。从长远来看，这一技术将冲击科学前沿，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。工业和信息化部的原子级制造“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。

宋凤麒教授认为：“原子级制造所面临的挑战中，最关键的在于基础设施与装备部分，而原子级制造大科学装置则是其中最核心的内容。”原子级制造大科学装置将是束流流量最强、质选范围最宽、结构控制最精的团簇束流综合系统，它将把加工能力从当前的纳米级别推向原子极限，实现从利用材料到从原子批量创制材料的转变。“原子极限微制造实验设施的成功建设，跑通了科学原理，让我们获得了三个重要能力——能造分子、能造材料、能加工器件。这些工作为建设原子级制造大科学装置提供了可行性验证。”

在南京原子制造研究所内，科研人员正在调试高强度团簇束流源（2025年3月19日摄） 受访者供图

“沿途下蛋”迎来物质“创造”曙光

宋凤麒团队在预研原子极限微制造实验设施的过程中，已经有多个成果转化为商业应用产品，达到了“沿途下蛋”的良好效果。

宋凤麒教授介绍道：“之前利用扫描隧道显微镜操纵原子，就像用微观的手去逐个追逐原子，原子难以被掌控，无法进行规模化操控，更无法制造产品。而原子级制造的核心是规模化操控原子。我们不追逐单个原子，而是直接控制原子团簇。在原子极限微制造实验设施中，让大量的原子凝聚碰撞，并设定一个微环境来控制凝聚的尺寸，最终实现对原子数目、种类和结构的精准操控。这一方法每秒操控原子可以突破万亿次，真正形成了原子级制造能力。”

原子极限微制造实验设施由三个部分组成，分别是高强度团簇束流源、磁电双聚焦质量选择谱仪、Stark型结构分离谱仪。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并进行攻关完成，并且都已通过预研设备证明了方案的可行性。

该项目负责人胡国睿介绍说：“高强度团簇束流源是原子的产生端，它能够将金属蒸发，产生很高浓度的受控原子蒸汽，最终凝结成能被控制、处理的有能量质量的带电团簇。这就好比冬天哈一口气会凝结成水珠，我们是把金属蒸汽凝结成固体。”类比大型粒子加速器对撞电子，对撞产生的能量转化为新粒子，高强度团簇束流源也要使原子对撞，让原本被打散的原子再次按照人们的需要“粘”在一起，形成3个至数百个原子聚合的团簇。

高强度团簇束流源是目前世界上体量最大的束流源。在研制过程中，团队攻克了产生高浓度受控原子蒸汽的一系列难题，并与中国科学院近代物理研究所合作进行了磁铁束流线技术攻关与设备建设，解决了束流凝结操控的难题。

在实验室中，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。镍是通过金属键形成的晶体结构，由大量镍原子通过金属键无限延伸排列形成，因此镍晶体本身是一个巨型结构。而镍原子级粉体只有几百个原子，这种原子级尺寸控制可以大幅降低熔点和材料处理的温度。例如，发动机机匣的修复通常需要达到1200℃，而使用原子级尺寸的镍粉体，可在1000℃以下完成修复。

由于镍原子级粉体只需关注原子数量，凝结几百个原子的镍晶体就能产生特异性，不需要精确地控制原子排列结构，因此只需高强度团簇束流源这一部分设备即可生产镍原子级粉体。

磁电双聚焦质量选择谱仪、Stark型结构分离谱仪具备挑选原子团簇质量、结构的功能。把“粘”在一起的原子分别送入这两个部分，将符合要求的原子团簇留下，不符合要求的剔除。宋凤麒团队与中国科学院化学研究所、吉林大学、同济大学、上海交通大学等团队合作，共同攻克了离子漏斗技术、分子筛选技术中的诸多难题，得以精确质量筛选确定原子团簇中原子数量、选择原子团簇中原子排列结构。这就将当代化学从分子到分子的合成，转变为从原子到分子的创造。

此外，在预研原子极限微制造实验设施的过程中，宋凤麒团队发现设施产生的原子团簇可以精确载能，由此具备了进行原子级加工的能力。当代离子束加工依靠物理式轰击，不可避免地会产生3 – 5纳米的损伤，而利用精准的原子操控，可以在超精密加工过程中实现单原子级低损伤和粗糙度的极限。

他们据此研制了一台晶圆加工样机。记者在一块晶圆上看到，经单原子层无损伤加工后的一半晶圆明显比另一半未经原子级处理的晶圆亮度高。“这些成果已经证实了原子极限微制造实验设施驱动未来产业的潜力。”宋凤麒说。

有组织科研建设大科学装置

在南京原子制造研究所的周边，南京市政府预留出了空地，为将来建设原子级制造大科学装置提供场地，届时总占地面积将达到30亩。

2023年，为了聚焦江苏打造具有全球影响力的产业科技创新中心的目标，南京市政府和南京大学共同启动了原子极限微制造实验设施建设，希望通过成功预研，为将来启动大科学装置建设提供理论与技术基础。

宋凤麒教授认为，原子级制造效率提升困难，大科学装置是突破核心技术的关键条件。从当前技术来看，原子操控的数目需要再突破3个量级，效率需要再突破5个量级，才能满足产业需求，而这只有大科学装置才能够办到。如果将原子极限微制造实验设施比作一辆实验室模拟样车，那么原子级制造大科学装置就是一辆豪华大巴车，载客量、动力、功能都会有极大提升。

原子级制造是物理、材料学等多学科交叉的前沿领域。南京市与南京大学瞄准建设原子级制造大科学装置的长期目标，在原子极限微制造实验设施预研阶段就积极打破机制壁垒，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，南京大学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。“原子极限微制造实验设施的规模、人才结构需求不同于常规科研。学校在前沿科学学院下设原子制造研究院，学校提供50个编制名额。前沿科学学院则像是一个孵化器，为原子制造研究院提供资产管理等基础保障。”姜田告诉记者，此外南京市政府也依托宋凤麒团队成立了南京原子制造研究所，同样提供50个编制名额。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。例如负责建设处理晶圆加工样机的博士研究生卫长正，将来毕业时研究院只需对其装备研发、产业化情况进行考核，不看论文发表情况。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。

宋凤麒教授建议：“未来原子级制造产业需要技术和产业的双重开发，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。”

本文详细介绍了原子级制造这一前沿科技领域。从原子级制造的概念和意义出发，阐述了原子极限微制造实验设施的研制情况，包括其技术突破、商业应用成果等。同时，也提及了为建设原子级制造大科学装置所做的努力，如打破机制壁垒、解决人才问题等。原子级制造作为全新赛道，有望成为中国制造发展的引领机遇，我国应加快布局相关大科学装置，推动产业发展。