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原子级制造——面向未来 稳步发展

时间:2024-03-03 来源:龙门加工中心

详细介绍:

  2月24日至26日,2024(第一届)原子级制造论坛在北京举办。论坛由南京大学、浙江大学、清华大学、北京航空航天大学、西南交通大学等18家单位主办,来自中国科学院、高校、行业主管部门、产业界、投资界的400余位代表出席会议。

  南京大学教授宋凤麒介绍,原子级制造是将能量聚焦于物质世界的基本单元——原子或定量基元,实施规模化精准操控,实现原子尺度结构或原子精度加工,赋能产品获得逼近理论极限性能的一种变革性制造技术。

  这一概念大概于20世纪中期提出,20世纪90年代开始发展,随着纳米科技的兴起,很快就变成全球主要国家竞相布局的战略高地。“这让人们对未来制造业的发展有了更多期许。”宋凤麒说,“原子级制造瞄准未来技术,致力于将物质结构的控制精度全方面提升至原子极限水平,制造性能逼近极限的‘完美’产品;极大丰富新材料供应,推动人类实现‘材料按性能需求定制’;将芯片集成度提高至原子水平,推动芯片和算力的巨大提升,以核心材料的精细化和高性能化带动单个器件乃至总系统的性能飞跃,推动制造业走向未来时代。”

  如今,在高端芯片制造、新材料研发等领域,原子级制造慢慢的开始有所应用,但距离大面积推广使用,并形成规模与影响力还有非常长距离。中国科学院院士、南京大学教授祝世宁说:“我必须强调,原子级制造是人类在材料和制造领域的一项变革性甚至是颠覆性技术,仅靠单一学科是不可能做到的,必须依靠多学科的交叉和协同、政府的组织引导和市场的热情参加,长时间坚持,才能取得成效。”

  中国工程院院士、哈尔滨工业大学教授谭久彬说:“尽管原子级制造的优势非常显著,但目前来看,实现原子级制造非常难。这一技术在国内外都还处于萌芽阶段,无论是科学原理,还是关键技术,无论是探索原理所需的科学仪器,还是探索过程中所需的加工装备,都极大地挑战了我们现在的认知和能力范畴,大量瓶颈问题亟待解决。”

  他举例说,在传统制作的完整过程中,制造的精度、范围和效率是互为矛盾的三角,而对原子级制造而言,三者的矛盾更突出。在宏观工件上精准找到一个特定原子,难度堪比大海捞针;而原子级制造中,要求反复、精准实现“大海捞针”,即使成功,其效率可能也会非常低,“导致没办法实现规模化、产业化应用”。

  原子级制造有着非常强的交叉学科背景,涉及机械、材料、物理、化学、信息等多个学科领域,发展路径还不明晰,国内外都在探索过程中。中国科学院院士、清华大学教授雒建斌回忆,十几年前,国家自然科学基金委员会曾设立“纳米制造基础研究”重大研究计划,其中涉及很多原子层级的制造技术,结题时提出未来两个发展趋势:以碳基为主的制造技术和以原子级制造为主的技术。“后来,很多学者从不同方面、不一样的层次开展原子级制造的相关研究工作,希望找出一条适合中国发展的原子级制造技术路线,使我们也可以真正走到国际最前沿。”

  对我国而言,还有另一个比较突出的瓶颈问题——制造业整体水平有待提升。“就学术范围而言,我们的祖国与发达国家基本处于同一个起跑线,理论发现和技术储备上都有所长。”祝世宁说,“但制造业是一个产业,需要上下游的配合,我们的祖国是制造业大国,但还不是制造业强国。把学术储备转化成现实生产力,不仅需要科技界内部的开放和合作,也需要科技界和产业界的紧密合作。”

  在原子级制造方面,我们的祖国一直在发力。2018年,中国科学院推出了“功能导向的原子级制造前沿科学问题”先导计划,南京大学设立了全国首个原子制造创新研究中心。近年来,浙江大学、天津大学、北京航空航天大学、西南交通大学、东南大学等高校,华为等企业,都积极布局原子级制造研发。据祝世宁透露,南京、上海、杭州、成都和苏州等城市也提出了原子级制造基础设施的建设构想。

  宋凤麒认为,在原子级制造所面对的挑战中,最关键的还是基础设施与装备部分。“大部分核心设备仍掌握在发达国家手中,国内研究设备依赖进口。所以,我们应该发展自主知识产权保护的核心技术装备,和支撑原子级制造发展的特色核心技术装备。”

  谭久彬说,在原子级制造领域,能发挥新型制优势,整合全国优势研究资源协同攻关,实现“并跑”甚至“领跑”,为全面支撑我国高端制造能力跨越式发展提供关键技术基础和原始推动力。

  人才是最核心的问题之一。中国科学院院士、中国科学院国家纳米科学中心主任唐智勇提出,通过原子级制造,以科学技术创新和体制机制创新为动力,可以布局一批前沿科学中心和交叉学科中心,培育一批前沿科学中心,以前沿科学问题为牵引,培养一批富有创新精神的紧缺的国际型、复合型、实战型人才,构建从高端研发到产业化应用“全链条”的学科建设和人才支撑体系,在前瞻性、战略性基础研究领域,形成一批世界一流学科,这对于人才教育培训和学科建设等工作将产生积极有力的推动作用。

  祝世宁提醒,对“热”领域更要保持冷静。“人类的技术进步是一个逐步迭代的过程,每一点进步都建立在长时间的凝练与积累之上。单纯寄希望于短期的‘超车’可能会带来一时的突破,但长远来看,稳健、持续的步伐才是关键。因此,我期望原子级制造技术能够稳扎稳打,一步一个脚印踏踏实实向前推进。”

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