原子制造 未來在途

　　

　　智能化、數(shù)字化、自動化……未來制造業(yè)會是什么樣？科學家們如今有了一個新的選擇：原子制造。原子制造就是逐一精確地操控原子去制造產(chǎn)品，構筑原子級細銳、精準、完美而且具備超常規(guī)物性的產(chǎn)品。有人說，這可能是人類改造物質世界的終極能力之一。如今，這個聽上去有些科幻的技術，正逐步照進現(xiàn)實。

　　構筑原子級細銳、精準、完美，且具備超常規(guī)物性的產(chǎn)品

　　什么是原子制造？顧名思義，就是以原子為原料制造所需的材料和器件產(chǎn)品。它是近來被高度關注的原子級制造技術體系中的核心部分之一，將史無前例地實現(xiàn)對原子的逐一精確操控，將原子按需壘砌，構筑原子級細銳、精準、完美，而且具備從物理上遠超常規(guī)塊材物性的產(chǎn)品。微納制造已成為耳熟能詳?shù)母咝录夹g，原子制造將會成為微納制造后人類制造技術繼續(xù)微縮發(fā)展的趨勢，也將成為新物質創(chuàng)制中的極限。

　　我們需要強調的是，原子制造應是原子級的通用化技術體系，具有顛覆性意義。絕非是傳統(tǒng)的納米化制造，也不是現(xiàn)在制造技術的線性、體系化發(fā)展。

　　可以想象，原子制造有非常廣闊的應用前景。比如以下兩個應用場景：

　　極限集成芯片與未來信息器件。當今微納制造的芯片能力正在趨于極限，而原子制造能夠突破這一極限，甚至有可能在集成電路中實現(xiàn)量子計算。一方面，如果我們突破了原子制造技術，讓芯片特征尺度沿著微納制造的路線繼續(xù)縮小，就可以獲得器件性能的千百倍提高。根據(jù)公開的數(shù)據(jù)，IBM的2納米工藝每平方毫米集成了3.33億個晶體管，也就是在100納米×100納米的面積上集成了3.3個晶體管。如果我們能實現(xiàn)單原子的壘砌、操控、存儲和計算，每個原子不到0.5納米，當代芯片的集成度還有3-5個數(shù)量級的提升空間，業(yè)已證明，這種芯片還是存算一體的智能芯片。另一方面，單原子器件量子相干性特別好，有可能讓器件尺寸遠遠小于量子相干長度。這將帶來一個重要的效果：在一個高相干的量子體積里面，有可能出現(xiàn)成百上千的高質量的量子邏輯比特。很多人相信，50多個高質量的量子邏輯比特就可以實現(xiàn)超越經(jīng)典的計算能力，實現(xiàn)量子計算機對傳統(tǒng)計算機的量子優(yōu)勢。我們知道，量子技術的比特數(shù)實際上是一個維度，所以從50位到上千位不是信息量增加了20倍，而是維度上的增加，因而有可能出現(xiàn)計算能力的巨大上漲，這樣1毫米大的器件的計算能力，就有可能超過一個當代的超算中心。

　　人工材料創(chuàng)制與未來機體定制。曾有測算，一種新材料從設計到應用開發(fā)需要18年；而以往的研究告訴我們，可能要上千個材料才有1個有應用價值。很多化學家和材料學家可能終其一生都無法獲得真正具有應用價值的新材料。但如果人類能實現(xiàn)原子制造，那就可以用原子壘砌，避開部分困難的合成路徑，直接搭建分子和材料，從而形成一種快速制備新物質和新材料的物理路線，工程化地加速新材料的開發(fā)。這最起碼可以讓研究人員在高效合成探索之前就可以知道這些材料的基本物性，這將極大地節(jié)約科學家們的精力！我們可以工程化地設計、合成，加上檢測相互迭代，每年都開發(fā)出成千上萬的新材料，使人類的材料進入原子定制的時代。而類似的技術如果在尺度和效率上持續(xù)突破，人類甚至有可能實現(xiàn)器件和機體的定制。

　　從操控技術到科學原理，都面臨重大挑戰(zhàn)

　　從原子底層實現(xiàn)自由定制的未來非常美妙，然而，科學家們也不得不承認，原子制造太難了，無論是操控技術、科學原理還是制度建設都面臨著重大的挑戰(zhàn)。我們僅以原子制造的一個典型動作——原子的定位和壘砌來說明其難度。

　　首先，操控技術上需要極致精巧。在宏觀的工件上定位一個原子，相當于在地球赤道上找到一塊糖；逐個壘砌原子，相當于反復多次找到這塊糖，并且在這個位置上面精確地逐個放糖。要分清壘砌了一個原子還是兩個原子，就相當于達到分辨約為10-25千克質量的精巧控制能力。這談何容易！更不要說，壘砌一個原子根本不夠，我們需要一個線程甚至多個線程壘砌原子，實現(xiàn)效率、規(guī)模更是難上加難！

　　其次，科學原理上遇到挑戰(zhàn)。在一個自由體系中，壘砌100個原子，從熱力學來看，不是線性的100個原子累加，而是隨著原子數(shù)的增加，面臨著體系熵非線性急劇上漲。簡單點說，在第1個原子上壘砌第2個原子，壘砌位置從能量上看只有一個可能，但當壘砌到第100個原子的時候，可能有數(shù)百萬種相同能量優(yōu)先級的壘砌方式，獲得所期待的加工原子構型產(chǎn)品的可能性將逼近零！這就意味著原子制造對外界控制的巨大需求！更不要說，尺寸更小以后，原子結構的量子特征將帶來更多的科學挑戰(zhàn)了。

　　初探原子制造的基礎已經(jīng)具備，并有望支撐產(chǎn)業(yè)

　　科學家們對原子制造的未來充滿信心。原子制造雖然是未來技術，但是我們可以將其劃分為多個階段，當前就能找到幾個確定的路線初探原子制造，而且可能有用。以原子團簇為例，雖然從控制原子團簇的原子數(shù)目、控制原子結構到最終的高效智能定制，整個技術的發(fā)展可能需要上百年，但探索過程中的進步，哪怕是一些初級技術，都有巨大的價值和很好的產(chǎn)業(yè)化前景。舉幾個近年來或將可能初探的原子制造范例。