一文读懂原子级制造

原子级制造（Atomic-level manufacturing）是指通过对原子的规模化精准操控，将制造的可控量推进到原子及原子基元的水平，逐步实现原子级精度制造、原子级结构制造，最终实现逐一原子的按需创制。这种技术能够在原子尺度上精确控制材料的排列和组成，制造出具有特定属性和功能的纳米结构或材料。

通俗来讲，原子级制造是在原子尺度上进行加工，形成具有原子级特定结构特征的器件产品。如果把我们日常所见的物质比作一座宏大的建筑，那么原子就是构成这座建筑的最基本“砖块”。原子级制造，就是在原子尺度上对这些“砖块”进行精准的排列组合，从而创造出具有特定性能和功能的物质、材料或器件。这就好比用超级精细的镊子，将一个个原子如同搭建积木一般，搭建出我们想要的东西。

业内人士表示， 原子级制造与传统制造有着本质的区别。 “传统制造的切削、研磨、3D打印等制造技术的工具一般为刀具，其操控对象是块体连续材料， 而原子级制造的工具为光子、电子、声子等这一类基本粒子 。”中国工程院院士、浙江大学教授杨华勇说，原子级制造的机理不是经典力学所能描述的，而是量子力学的范畴，通过光、磁、电、热等多物理场的调控可以对原子定向去除、增加、迁移，从而实现材料构件的原子级制造，有望从根本上颠覆制造产品的精度和性能极限。

从核心环节看，实现原子级制造需要三个环节： 第一步 从认识原子、看到原子再到操纵原子，涉及了原子物理以及量子力学的相关研究； 第二步 是将原子、分子按照意愿组合成凝聚态材料，涉及了凝聚态物理以及材料科学与工程的相关研究，这一步主要在院校和科研院所里完成； 第三步 则是最终实现超越常规的性质、器件和产品，也就是产业化、商业化阶段。

原子级制造的概念可以追溯到20世纪中期 ，当时科学家们开始从理论上探讨在原子尺度上操控物质的可能性。但真正的突破，要等到20世纪90年代，随着纳米科技的兴起，原子级制造迎来了发展的契机。纳米技术的发展，让人们对微观世界的认识和操控能力大幅提升，为原子级制造提供了技术基础。

在这一时期，扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）等微观表征和操控工具的发明，让科学家们第一次能够“看”到原子，并尝试对其进行操作。这些工具就像是为科学家们配备了一双极其精细的“纳米之手”，开启了原子级制造的大门。

1989年，IBM的科学家利用扫描隧道显微镜，成功将30个氙原子排列成IBM的标志，证明了人类可在原子尺度上精确操控物质，为原子级制造发展奠定基础。

近年来，我国积极布局原子级制造研发，如2018年中科院推出“功能导向的原子级制造前沿科学问题”先导计划，南京大学设立全国首个原子制造创新研究中心等，且在液态金属制造高熵合金等方面取得成果。

当下，原子级制造正处于从理论创新与关键技术突破向产业化迈入的关键阶段，我国工信部等部门也在积极推动其科技创新和产业创新深度融合，加快培育发展原子级制造产业。

业内人士表示，原子级制造在未来制造、未来信息、未来材料、未来能源、未来空间和未来健康等方向有着丰富的应用场景，有望催生万亿规模新市场。

（一）电子领域

在电子领域，原子级制造正掀起一场变革风暴。以 集成电路 制造为例，随着电子产品不断向小型化、高性能化发展，对芯片的性能要求越来越高。 原子级制造技术能够精确控制芯片中原子的排列，减少杂质和缺陷，从而提升芯片的性能。 在集成电路行业，如果能实现单原子特征的芯片，其尺寸、功耗将会降至当前指标的千分之一以下，同时可将计算能力提升千倍以上。

比如，美国华裔攻克的原子级芯片技术，基于“二硫化钼（MoS2）的原子级薄晶体管”，利用二维材料取代传统硅材料制造芯片，进一步缩小芯片体积，提高晶体管密度，显著提升芯片的运算速度与降低能耗，让电子产品在性能大幅提升的同时，功耗更低、发热更少。这不仅意味着我们手中的手机、电脑等设备能够拥有更强大的处理能力，还将为人工智能、大数据处理等前沿领域的发展提供坚实的硬件基础。

（二）医疗领域

在医疗领域，原子级制造同样展现出巨大的潜力。在药物输送方面，科学家们可以利用原子级制造技术，制造出纳米级的药物载体。 这些微小的载体能够精确地将药物输送到体内特定的病变部位，提高药物的疗效，减少对健康组织的副作用。 想象一下，这些纳米级的“小飞船”，装载着药物精准地驶向身体里的“敌人”，大大提高了治疗效果。例如，利用纳米粒子作为药物载体，可以将抗癌药物精准地输送到肿瘤细胞，提高癌症治疗的效果。

在疾病诊断方面，原子级制造还可以用于制造高灵敏度的生物传感器，用于疾病的早期诊断和监测。这些传感器能够在分子水平上检测生物标志物的变化，实现疾病的早期发现和及时治疗。此外，原子级制造技术还有助于开发新型的生物材料，用于组织工程和再生医学，为修复受损组织和器官提供了新的途径。

（三）能源领域

能源领域也因原子级制造技术看到了新的曙光。在电池材料开发方面，通过原子级制造可以精确设计和调控电池电极材料的原子结构，从而 开发出能量密度更高、充放电速度更快、循环寿命更长的新型电池。 比如，可以制造出具有更高能量密度的锂离子电池电极材料，让电动汽车的续航里程大幅提升。

在太阳能电池领域，原子级制造技术有助于提高太阳能电池的光电转换效率。通过精确控制太阳能电池材料的原子结构和界面特性，减少光生载流子的复合，从而提高太阳能的利用效率，让太阳能这种清洁能源更加高效地为我们所用 。像澳大利亚科学家利用氢原子来改善钝化接触太阳能电池掺磷多晶硅薄膜的性能，通过操纵氢原子提高了钝化接触结构的质量，提升了电池性能。

此外，在能源存储和转换领域，原子级制造技术还有望开发出新型的超级电容器和燃料电池，为未来的能源体系带来革命性的变革。

（四）材料领域

原子级制造为材料科学带来了一场前所未有的变革。 它能够精确地设计和制造出具有特定原子结构和性能的材料，从根本上改变材料的性质。 例如，通过控制原子的排列方式，可以制造出具有超强强度和韧性的金属材料，这些材料在航空航天、汽车制造等领域具有巨大的应用潜力。在陶瓷材料方面，原子级制造能够制备出更加致密、耐高温、耐腐蚀的陶瓷，广泛应用于高温工业设备、电子封装等领域。此外，原子级制造还可以创造出新型的智能材料，这些材料能够根据外界环境的变化自动调整自身的性能，如形状记忆合金、自修复材料等，为未来的科技发展开辟了广阔的空间。

（五）光学领域

在光学领域，原子级制造技术带来了革命性的变化。通过精确控制原子的排列和结构，可以制造出具有特殊光学性能的材料和器件。例如，超材料的诞生就是原子级制造在光学领域的杰出成果。这些超材料能够实现对光的任意调控，突破传统光学材料的限制，实现负折射率、完美透镜等奇特的光学现象。这将极大地 推动光学成像技术的发展 ，有望实现更高分辨率、更清晰的光学显微镜和望远镜，为生物医学研究、天文学观测等领域带来前所未有的机遇。此外，在光通信领域，基于原子级制造的新型光导纤维和光电器件，能够实现更高速、更稳定的光信号传输，满足日益增长的互联网数据传输需求。

（七）超精密仪器领域

超精密仪器对于精度有着极高要求，原子级制造技术在此领域发挥着不可替代的作用。在制造高精度的原子力显微镜探针时，原子级制造能够确保探针针尖的原子排列完美，使其具备极高的分辨率，能够探测到样品表面原子级别的起伏，从而为材料表面微观结构的研究提供了有力工具。对于 高端电子显微 镜的制造，通过原子级制造技术对其关键部件的原子结构进行优化，可显著提升成像的清晰度和稳定性，帮助科研人员更清晰地观察生物大分子、纳米材料等微观物质的精细结构，极大地推动了生命科学、材料科学等领域的研究进展。

（八）量子制造领域

在量子制造中，原子级制造是实现量子器件精确制备的关键。量子比特是量子计算的核心单元，原子级制造技术能够精确控制量子比特的原子尺度结构和环境，减少量子比特与外界环境的相互作用导致的量子退相干，从而提高量子比特的稳定性和相干时间。利用原子级制造，可以构建出基于单原子、量子点等的量子比特系统，为实现大规模、稳定的量子计算奠定基础。在量子通信领域， 原子级制造有助于制备出具有特定量子态的光子源 ，保障量子密钥分发的安全性和高效性，让信息传递在量子层面实现绝对安全。

如今，在高端芯片制造、新材料研发等领域，原子级制造已经开始有所应用，但距离大面积推广使用，并形成规模和影响力还有很长距离。

（一）国外发展

在原子级制造的国际赛道上，美国一直走在前列。 美国