12家单位、16位专家联合综述：原子制造的物质科学基础 |《科学通报》

背景

近年来，原子制造技术备受关注，已成为各国积极追求的前沿制造技术领域。2023年3月，国家自然科学基金委员会召集举办了主题为“原子制造的物质科学基础”的战略研讨会，逾100位来自物理、化学、机械、材料、信息、生命和宏观政策等研究领域的国内知名学者参加了此次研讨，对原子制造的概念进行了阐释，对相关领域的发展现状与趋势进行了分析与梳理，并对原子制造技术的未来发展提出了规划与建议。本文为基于会议研讨内容的总结，供各位读者参阅。

原子制造的内涵意义

原子制造是指制造可控量达到原子极限水平，旨在以原子及其基本构建单元，构建按需设计的原子尺度功能微结构和产品。原子制造在制造技术和材料创制方面具有双重意义。一方面，原子制造是一种极限尺寸的制造技术。人类制造技术经历了宏观制造（毫米级）、介观制造（亚毫米特征尺度）、微米制造和纳米制造等阶段，特征尺寸不断缩小，器件的集成度和核心性能指标也随之不断提升，原子制造将成为制造技术进一步发展的必然趋势。另一方面，原子制造是人类未来物质科学的发展方向，制造技术本身的物性设计，依赖于物质科学。而原子作为常规物质世界中人类能操控的最小构建单元，原子制造所带来的原子级精准操控能力，将实现对分子和晶体的精准操控，进而实现对物质和材料彻底的再设计和批量创制，实现物质合成、材料制备乃至器件创制的底层创新，为物质科学的研究范式变革提供关键驱动力。

原子制造的发展态势

目前，原子制造正在逐渐成为世界大国间先进制造技术竞争的一个焦点，成为我国建设制造强国、争夺国际先进制造价值链主动权亟待攻克的关键技术之一。然而，原子制造技术的深入发展很大程度上依赖于原子尺度物质科学的基础研究。如何实现原子精准操控；如何突破原子制造中尺寸和效率两大瓶颈；如何通过原子制造实现物性的颠覆；如何理解原子尺度上制造与物质的融合，都是目前迫切需要解决的问题。针对上述问题，与会专家经过充分讨论，基于原子尺度操控和原子体系多维度多载流子复杂性，以及原子制造产品所体现出与常规材料截然不同的奇特物性等共同特点，提出了：1. 原子制造的物质科学基础理论；2. 高效原子精准操控/测量技术；3. 原子制造体系的奇特物性与效应等原子制造领域发展方向，对上述方向国内发展态势进行了分析，对国内已取得的具有领先性的技术积累进行了总结。同时，与会专家也对基于扫描隧道显微镜的单原子精准操控、类单原子中心和固态色心的操控开发、原子团簇束流及其尺寸控制合成、原子层及其叠层结构的操控制备、原子级精准组装等方面的未来技术发展路线，以及原子制造新材料与性能、新型电子器件、奇特的光传输效应、原子态的量子调控、原子制造与先进传感和仪表装备的应用前景进行了探讨和展望。

结语

原子制造是人类物质合成的一种极限，是一种成千上万原子任意支配的“自由”，而原子操控则是其中的关键核心技术。越是追求自由，越要在精准操控上练功，这样才能顺着精准操控、高效操控走向最终的智能操控或者自由操控。原子操控能力的探索，一方面以生长技术表现为材料的合成能力，另一方面则牵引着加工能力向极限化智能化演进，因此也是人类未来很长一段时间改造物质世界的一种终极能力。基于原子制造当前基础，原子制造的物质科学基础理论、原子制造的基元操控基础技术、面向实际应用的原子制造等方面将成为未来重点发展方向。我们应继续加强相关领域的更深入的基础研究，促进原子制造领域快速发展，真正推动人类制造技术进入原子时代。