一、原子級制造的定義

（一）原子級制造的基本概念

原子級制造（Atomic-levelmanufacturing），又稱為原子尺度制造，是一種在原子或分子層面上進行精確操控，以制造出具有特定屬性和功能的納米結(jié)構(gòu)或材料的制造技術(shù)。這種技術(shù)通過在原子尺度上精確控制材料的排列和組成，實現(xiàn)對材料的精確控制，進而創(chuàng)造出具有特定性能的新型材料和設備。原子級制造不僅涉及到在原子尺度上進行加工，還包括構(gòu)筑原子級細銳、精準、完美且具備超常規(guī)物性的新材料、新器件和新產(chǎn)品。

原子級制造的核心在于對原子的規(guī)模化精準操控，將制造的可控量推進到原子及原子基元的水平，逐步實現(xiàn)原子級精度制造、原子級結(jié)構(gòu)制造，最終實現(xiàn)逐一原子的按需創(chuàng)制。這一技術(shù)將傳統(tǒng)制造的三要素進行全面革新：加工對象從連續(xù)材料變革為離散原子，加工精度從尺度變革為原子尺度，材料和結(jié)構(gòu)決定產(chǎn)品性能變革為原子調(diào)控產(chǎn)品性能。

（二）原子級制造的技術(shù)特點

原子級制造具有以下幾個顯著的技術(shù)特點：

精確性：原子級制造能夠在原子尺度上精確控制材料的排列和組成，實現(xiàn)對分子和晶體的精準操控。這種精確性使得制造出的材料和器件具有極高的性能和穩(wěn)定性。

可控性：原子級制造技術(shù)能夠按照預定的設計和規(guī)格制造出特定的結(jié)構(gòu)。通過精確操控原子的排列和組合，可以制造出具有特定性能的材料和器件。

多功能性：原子級制造可以制造出具有不同電子、光學、機械和化學特性的材料。這種多功能性使得原子級制造在多個領域具有廣泛的應用潛力。

高效率：理論上，原子級制造可以減少材料浪費，因為制造過程非常精確，可以精確控制所需材料的數(shù)量和位置，從而提高制造效率。

極限尺寸：原子級制造是一種極限尺寸的制造技術(shù)，能夠微縮器件的特征尺寸并提高制造精度。通過精確操控原子，可以制造出具有超小尺度精度和卓越性能的新型產(chǎn)品。

二、原子級制造的發(fā)展背景

（一）制造技術(shù)發(fā)展歷程

制造技術(shù)是社會、經(jīng)濟和生產(chǎn)力發(fā)展的基礎，其發(fā)展歷程經(jīng)歷了從早期以經(jīng)驗和技藝為基礎的毫米量級和亞毫米量級，到以機械化、電氣化和數(shù)字化為特征的微米量級甚至納米量級，再到如今的原子級制造階段。

毫米量級和亞毫米量級：在制造技術(shù)發(fā)展的早期階段，人們主要依靠經(jīng)驗和技藝進行制造，產(chǎn)品的精度和性能受到較大限制。

微米量級和納米量級：隨著機械化、電氣化和數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，制造技術(shù)進入了微米量級和納米量級階段。這一階段的制造技術(shù)顯著提高了產(chǎn)品的精度和性能，推動了多個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

原子級制造：在科學探索、大科學裝置、先進光學及下一代核心元器件等領域發(fā)展的驅(qū)動下，制造技術(shù)必將進入原子及近原子尺度，即原子級制造的發(fā)展階段。原子級制造的出現(xiàn)，不僅在未來制造技術(shù)和理論方面形成顛覆性變革，為解決“未來制造”提供了一條從基礎研究出發(fā)的新路線，而且被認為是人類制造技術(shù)和物質(zhì)創(chuàng)制的極限，也可能是人類改造物質(zhì)世界的終極能力之一。

（二）原子級制造的必要性與重要性

原子級制造的必要性和重要性主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

突破傳統(tǒng)制造瓶頸：傳統(tǒng)制造技術(shù)面臨著諸多瓶頸問題，如材料浪費、加工精度限制、產(chǎn)品性能不足等。原子級制造通過精確操控原子，能夠突破這些瓶頸，實現(xiàn)更高效、更精確的制造。

推動新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展：原子級制造技術(shù)的發(fā)展將推動多個新興產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。例如，在半導體制造領域，原子級芯片具有體積小、效率高、功耗低等優(yōu)勢，有望取代傳統(tǒng)芯片，引領后摩爾時代的發(fā)展。此外，原子級制造還將在航空航天、國防軍工、量子科技、醫(yī)藥、超精密儀器等領域發(fā)揮重要作用。

提升國家競爭力：原子級制造是當前科學、技術(shù)和產(chǎn)業(yè)界共同關(guān)注的前沿研究熱點，也是世界主要大國戰(zhàn)略科技競爭和戰(zhàn)略布局的焦點之一。發(fā)展原子級制造技術(shù)對于提升國家競爭力具有重要意義。通過掌握原子級制造技術(shù)，國家可以在多個領域取得領先地位，推動經(jīng)濟的高質(zhì)量發(fā)展。

促進科技創(chuàng)新：原子級制造技術(shù)的發(fā)展將促進科技創(chuàng)新的深入發(fā)展。通過探索不同尺度和維度的原子結(jié)構(gòu)之間的相互作用和耦合機制，科學家可以開發(fā)出更多具有優(yōu)異性能的新材料和器件。同時，原子級制造技術(shù)的發(fā)展還將推動其他相關(guān)領域的科技創(chuàng)新，如量子計算、生命科學等。

實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展：原子級制造技術(shù)有助于實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。通過精確操控原子，可以制造出具有更高性能、更低能耗的產(chǎn)品，從而降低對環(huán)境的負面影響。此外，原子級制造技術(shù)還可以推動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的綠色化轉(zhuǎn)型，如能源、化工等領域，為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標提供有力支持。

三、原子級制造的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

隨著全球科技競爭的日益激烈，原子級制造技術(shù)已成為各國競相布局的先進制造“未來域”。以下是原子級制造的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢：

（一）國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

政策支持：我國政府高度重視原子級制造技術(shù)的發(fā)展，出臺了多項政策措施支持其研發(fā)和應用。例如，工業(yè)和信息化部將推動科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新深度融合，加快培育發(fā)展原子級制造產(chǎn)業(yè)，并圍繞重點領域謀劃“揭榜掛帥”任務，支持建立原子級制造創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)盟。

科研投入：國內(nèi)多所知名高校和科研院所積極投身于原子級制造技術(shù)的研發(fā)工作。例如，浙江大學、天津大學、南京大學、西南交通大學、東南大學、北京航空航天大學等院校均設立了原子制造研究中心。其中，南京大學于2018年建立了國內(nèi)首個原子制造研究中心。

技術(shù)創(chuàng)新：在原子級制造技術(shù)的研發(fā)過程中，國內(nèi)科研團隊取得了一系列重要成果。例如，在半導體制造領域，我國科學家成功研制出原子級芯片，其體積不足傳統(tǒng)芯片的千分之一，同時還具有效率高、功耗低等優(yōu)勢。此外，在材料科學、生物醫(yī)學、能源等領域，原子級制造技術(shù)也取得了顯著進展。

（二）國際發(fā)展現(xiàn)狀

美國：美國政府持續(xù)推出相關(guān)支持計劃，推動原子級制造技術(shù)的發(fā)展。例如，2015年，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）啟動了“從原子到產(chǎn)品”（AtomtoProducts）的研究計劃，旨在研制有效的裝配方法使制造出的大尺度組件和系統(tǒng)能夠保留材料原子級效應和性能。此外，美國能源部先進制造辦公室也啟動了原子精密制造計劃，推進具有原子級特征結(jié)構(gòu)的后摩爾時代芯片的發(fā)展。

歐洲：歐洲在原子級制造技術(shù)領域也取得了顯著進展。例如，英國曼徹斯特大學的安德烈·海姆等因發(fā)現(xiàn)原子層厚度的石墨烯而獲得諾貝爾物理獎，推動了氣相法和分子束外延技術(shù)在制備原子層厚二維材料的發(fā)展。此外，歐洲的研究人員還針對電子產(chǎn)品與所處環(huán)境（溫度/濕度、氣氛、輻射、應力等）長期相互作用引起的可靠性問題，開展了“從原子到產(chǎn)品的可靠性”研究。

日本：日本在原子級制造技術(shù)領域也具有較高的研究水平。例如，2018年，日本提出“皮米制造”理念，旨在將光學元件表面加工精度由納米級進一步提升到皮米級水平。此外，日本東北大學、日本理化所、大阪大學等團隊也相繼開展了皮米級制造相關(guān)研究。

（三）發(fā)展趨勢

技術(shù)融合：未來，原子級制造技術(shù)將與人工智能、機器學習等先進技術(shù)進行深度融合，實現(xiàn)對原子制造的可編程化控制。這將極大地提高原子級制造的效率和精度，推動其在更多領域的應用。

產(chǎn)業(yè)化發(fā)展：隨著原子級制造技術(shù)的不斷成熟和完善，其產(chǎn)業(yè)化進程將加快。通過構(gòu)建高水平產(chǎn)業(yè)鏈和產(chǎn)業(yè)集群，推動原子級制造技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應用，將有力促進相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和升級。

國際合作：原子級制造技術(shù)的發(fā)展需要全球范圍內(nèi)的合作與交流。通過深化國際交流合作，共同推動原子級制造技術(shù)的研發(fā)和應用，將有助于加快這一技術(shù)的全球普及和發(fā)展。