原子制造 未來(lái)在途

　　

　　智能化、數(shù)字化、自動(dòng)化……未來(lái)制造業(yè)會(huì)是什么樣？科學(xué)家們?nèi)缃裼辛艘粋�(gè)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(gòu)筑原子級(jí)細(xì)銳、精準(zhǔn)、完美而且具備超常規(guī)物性的產(chǎn)品。有人說(shuō)，這可能是人類改造物質(zhì)世界的終極能力之一。如今，這個(gè)聽(tīng)上去有些科幻的技術(shù)，正逐步照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。

　　構(gòu)筑原子級(jí)細(xì)銳、精準(zhǔn)、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(lái)被高度關(guān)注的原子級(jí)制造技術(shù)體系中的核心部分之一，將史無(wú)前例地實(shí)現(xiàn)對(duì)原子的逐一精確操控，將原子按需壘砌，構(gòu)筑原子級(jí)細(xì)銳、精準(zhǔn)、完美，而且具備從物理上遠(yuǎn)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(shù)，原子制造將會(huì)成為微納制造后人類制造技術(shù)繼續(xù)微縮發(fā)展的趨勢(shì)，也將成為新物質(zhì)創(chuàng)制中的極限。

　　我們需要強(qiáng)調(diào)的是，原子制造應(yīng)是原子級(jí)的通用化技術(shù)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(shù)的線性、體系化發(fā)展。

　　可以想象，原子制造有非常廣闊的應(yīng)用前景。比如以下兩個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景：

　　極限集成芯片與未來(lái)信息器件。當(dāng)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(shí)現(xiàn)量子計(jì)算。一方面，如果我們突破了原子制造技術(shù)，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(kāi)的數(shù)據(jù)，IBM的2納米工藝每平方毫米集成了3.33億個(gè)晶體管，也就是在100納米×100納米的面積上集成了3.3個(gè)晶體管。如果我們能實(shí)現(xiàn)單原子的壘砌、操控、存儲(chǔ)和計(jì)算，每個(gè)原子不到0.5納米，當(dāng)代芯片的集成度還有3-5個(gè)數(shù)量級(jí)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(yuǎn)遠(yuǎn)小于量子相干長(zhǎng)度。這將帶來(lái)一個(gè)重要的效果：在一個(gè)高相干的量子體積里面，有可能出現(xiàn)成百上千的高質(zhì)量的量子邏輯比特。很多人相信，50多個(gè)高質(zhì)量的量子邏輯比特就可以實(shí)現(xiàn)超越經(jīng)典的計(jì)算能力，實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的量子優(yōu)勢(shì)。我們知道，量子技術(shù)的比特?cái)?shù)實(shí)際上是一個(gè)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(jì)算能力的巨大上漲，這樣1毫米大的器件的計(jì)算能力，就有可能超過(guò)一個(gè)當(dāng)代的超算中心。

　　人工材料創(chuàng)制與未來(lái)機(jī)體定制。曾有測(cè)算，一種新材料從設(shè)計(jì)到應(yīng)用開(kāi)發(fā)需要18年；而以往的研究告訴我們，可能要上千個(gè)材料才有1個(gè)有應(yīng)用價(jià)值。很多化學(xué)家和材料學(xué)家可能終其一生都無(wú)法獲得真正具有應(yīng)用價(jià)值的新材料。但如果人類能實(shí)現(xiàn)原子制造，那就可以用原子壘砌，避開(kāi)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(zhì)和新材料的物理路線，工程化地加速新材料的開(kāi)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(xué)家們的精力！我們可以工程化地設(shè)計(jì)、合成，加上檢測(cè)相互迭代，每年都開(kāi)發(fā)出成千上萬(wàn)的新材料，使人類的材料進(jìn)入原子定制的時(shí)代。而類似的技術(shù)如果在尺度和效率上持續(xù)突破，人類甚至有可能實(shí)現(xiàn)器件和機(jī)體的定制。

　　從操控技術(shù)到科學(xué)原理，都面臨重大挑戰(zhàn)

　　從原子底層實(shí)現(xiàn)自由定制的未來(lái)非常美妙，然而，科學(xué)家們也不得不承認(rèn)，原子制造太難了，無(wú)論是操控技術(shù)、科學(xué)原理還是制度建設(shè)都面臨著重大的挑戰(zhàn)。我們僅以原子制造的一個(gè)典型動(dòng)作——原子的定位和壘砌來(lái)說(shuō)明其難度。

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

　　其次，科學(xué)原理上遇到挑戰(zhàn)。在一個(gè)自由體系中，壘砌100個(gè)原子，從熱力學(xué)來(lái)看，不是線性的100個(gè)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(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)，在第1個(gè)原子上壘砌第2個(gè)原子，壘砌位置從能量上看只有一個(gè)可能，但當(dāng)壘砌到第100個(gè)原子的時(shí)候，可能有數(shù)百萬(wàn)種相同能量?jī)?yōu)先級(jí)的壘砌方式，獲得所期待的加工原子構(gòu)型產(chǎn)品的可能性將逼近零！這就意味著原子制造對(duì)外界控制的巨大需求！更不要說(shuō)，尺寸更小以后，原子結(jié)構(gòu)的量子特征將帶來(lái)更多的科學(xué)挑戰(zhàn)了。

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

　　科學(xué)家們對(duì)原子制造的未來(lái)充滿信心。原子制造雖然是未來(lái)技術(shù)，但是我們可以將其劃分為多個(gè)階段，當(dāng)前就能找到幾個(gè)確定的路線初探原子制造，而且可能有用。以原子團(tuán)簇為例，雖然從控制原子團(tuán)簇的原子數(shù)目、控制原子結(jié)構(gòu)到最終的高效智能定制，整個(gè)技術(shù)的發(fā)展可能需要上百年，但探索過(guò)程中的進(jìn)步，哪怕是一些初級(jí)技術(shù)，都有巨大的價(jià)值和很好的產(chǎn)業(yè)化前景。舉幾個(gè)近年來(lái)或?qū)⒖赡艹跆降脑�子制造范例�?/p>