“原子及近原子尺度制造”的思考与探讨.pdf

1000 天津大学学报(自然科学与工程技术版)第 56 卷 第 10 期 中国科协“原子及近原子尺度制造青年科学家沙龙”主题发言 “原子及近原子尺度制造”的思考与探讨 房丰洲（2021 年 12 月 5 日）各位青年科学家：早上好！在讨论开始之前，我想先谈一下我的想法。早在上大学甚至更早的时候，我就对沙龙特别感兴趣。为什么感兴趣呢？那时我脑海中有一个印象，有个哥本哈根学派，他们当年组织了一个沙龙，大家围绕一个主题畅所欲言，无拘无束地自由讨论。我们这个论坛前两天还是以报告为主，每一个报告都很精彩。有这样成功的论坛，一方面感谢我们青年科学家有这么好的研究成果一起分享，同时也特别感谢中国科协主办这个青年科学家论坛。今天我们想回归到沙龙本意，大家畅谈自己的想法。其实我也希望接下来我们能够定期地开展这样一个沙龙活动，大家畅所欲言、各抒己见。今天的沙龙主题是“原子及近原子尺度制造”(Atomic and Close-to-atomic Scale Manufacturing，ACSM)。首先我想说怎么会想起思考原子及近原子尺度制造，出发点是什么？这些年，申请项目时要求有创新，如果新东西想不出来，那怎么办呢，一些人就在词汇上下功夫。举一个例子，大家别对号入座，以“空间”为例，空间这个词，英文叫 Space。如果我说解决一个空间问题，好像太普通了，创新性不够。既然“空间”的英文叫 Space，那干脆就按中文音译叫史贝斯，这样一来，研究的对象就成了“史贝斯”问题。我个人对这种做法是抵触的，提出“原子及近原子尺度制造”不是类似上述概念炒作，那为什么提出这个新概念呢？2011 年底到 2012 年初的时候，德国提出了“工业 4.0”。这个概念提出之后，一位德国教授朋友问我：你对“工业 4.0”是一个什么看法，或者你怎么理解“工业 4.0”？当时我还不了解“工业 4.0”，于是我就仔细查了一下，并开始关注。这之后，也听说过把“工业 4.0”与第四次工业革命相关联的说法。所以我就想弄清楚来龙去脉，同时也想进一步理解第三次、第二次、第一次的工业革命。就这样为了弄清楚“工业 4.0”的意义，我大概前后至少是花了三、四年的时间，读了很多相关的书和文章。另外，有一次到日本参加日本学术振兴会组织的研讨会，讨论未来的制造发展方向。研讨会第一天请了一位杰出的物理学教授做特邀报告，报告非常精彩，我听了很受启发，其中他的一句话，给我留下的印象特别深刻。他研究一维材料，并获诺贝尔奖提名，是位非常有成就的科学家。他介绍的时候提到，他能产生想法，但实验条件有限，经费也有限，可喜的是中国经费充足、设备条件好，人又勤奋努力，所以这位教授的研究发表后，中国的很多科研机构及高校都陆续开展相关研究。结果证明，这个一维材料的提出很有先见性和前瞻性。这个事情本身很正常，教授也是以很客观的语气在阐述一个事情。但引起我更深入思考的是，既然我们国家科研条件越来越好，为什么我们没有更多地提出这样引领性的新领域或原创性的新概念？如何才能提出前瞻性的领域呢？我的一点粗浅想法是，如果想提出有前瞻性的新领域，必须深入地了解其内在规律。有了这个想法，我开始跟朋友们聊这个事情，大家普遍的观点是：这个想法很好，但是实现起来会很遥远。不过我有些固执，不断思考后发现这里面实际上是有规律的。有什么规律呢？可以举两个例子来解释。一个就是计算机核心元器件的更新换代。从早期的电子管到晶体管，再到现在用的芯片，这是一个每个人都可以看到的变化。最切身的体会就是收音机：我这一代人小时候看到的收音机非常大，但是其功能非常简单，只能收到几个台，而且噪声特别大。为什么呢？那时收音机里用的器件叫电子管，体积很大。但是在那个时候，人们认为它是工业化的核心元器件，所以从政府、研究机构到产业，都投入很大的力量来发展电子管。我们国家在这个领域的进展很快，与发达国家的差距越来越小。可是当距离拉近的时候，出现了另一类器件晶体管。为了解释方便，我们暂且把电子管叫第一代核心元器件，晶体管叫第二代核心元器件。有了晶体管之后，收音机体积立刻变小，如砖头大小，而且性能提升，功能也多了，2023 年 10 月 房丰洲：“原子及近原子尺度制造”的思考与探讨 1001 所以大家都开始使用晶体管收音机。同样在产业界，很少再用电子管，都在使用晶体管。可是这之后，同样的事情又发生了，就是当我们付出了很多努力，在晶体管制造方面和发达国家的差距拉近的时候，出现了芯片(即集成电路)，所以只好重新组织力量，投入很多努力和资源做芯片，也就是所谓第三代核心元器件。我们要把现代的芯片做好，并缩小这个差距，这是当下不得不做的事情。同时，我们能不能抽出一部分力量，预判未来有什么新的核心元器件出来，并提前进行布局和投入，而不是一味地追赶，当时就产生上述的想法。芯片是目前的一种核心元器件，根据前面的两次经历，未来一定会出现新的核心元器件，我们称其为第四代或者下一代核心元器件。那这下一代核心元器件应该是什么呢，我们能否现在就投入力量去研究它？我开始阅读相关的文献，同时也请教了从事物理、化学、生物的科学家们。尽管他们从各自领域出发，见解不尽相同，但在询问的过程中，我最大的收获就是：下一代核心元器件是什么尚有争论，但其产品的实现都需要制造环节。面向下一代核心元器件的制造技术，一定是原子及近原子尺度制造，这是当时得出的一个结论。另外一个例子是加工技术的不断升级。1982 年参加工作后，教研室安排我带学生去沈阳机床厂和长春汽车厂这样的大厂实习，每天都在车间生产实践。那个年代特别有经验的老师傅做出来的工件，其精度大概在二三十微米；再往后提高到十几微米，甚至微米、亚微米，精度不断提高，直至达到现在的纳米量级。制造技术一直在发展，直到今天我们常提起的微纳制造或纳米制造，但其基础理论并没有发生变化，其根基并没有变。可是从纳米再往前走一步的话，就接近了“原子”这个尺度，传统的理论就不完全适用了。在这个尺度下，因为制造的对象变化了，每个原子都是离散的，基础理论也就不同了。换句话说，从理论基础来看，过去的精密或超精密制造有同一个基础，进入原子及近原子尺度制造后，就要有另一个基础了。因为制造技术的发展，精密超精密制造与原子及近原子尺度制造实际上其“根基”是不一样的，这是我当时的又一个体会。刚才我举芯片作为一个典型产品的例子，但不希望造成一个误导：认为只有芯片需要原子及近原子尺度制造。在和一个朋友讨论时，他误以为我要开始研究芯片，其实不然，我们讨论的核心是其制造技术。很多时候，科学、技术先行，从而带动了需求，如扫描隧道显微技术带动了纳米技术的发展，石墨烯的出现带动了低维材料领域的迅速发展。现在，需要原子及近原子尺度制造技术的领域越来越多。几年前大家觉得这个需求可能尚远，我自己也认为得若干年之后需求才会逐渐显现出来。但现实情况远超我们当时的预期，近几年一些应用已经被逐一提出，而且分布在各个领域，从国家的重大需求到产业的核心元器件。所以我们的想象还没有实际到来的速度快，感觉一个新的时代很快就要开始了。回过头来，我们理一下制造的发展脉络，发现制造发展是有规律的，有一条主线。把这个主线理清之前，有一个事情得先搞清楚：什么是制造？这个词贯穿我们日常生活，大家认为很普通，毫无疑问也很重要。制造的概念是非常明确、清晰的：制造是从原材料到最终产品的整个生产过程。在讨论制造的时候，有两个关键词：一是功能，二是性能。就是要做什么产品首先这功能是明确的，做一台电脑还是做一个反射镜，它的功能也是特定的。这个功能确定之后，接下来就有性能的要求，这个性能是通过精度、特征结构以及材料性能等多方面要求来保证的。如果把原子及近原子尺度制造仅仅理解成原子及近原子精度，或者原子及近原子结构尺寸，都不够准确。它涵盖这些，但也还要涵盖材料去除、迁移、增加的维度，以及由于制造对表面及界面造成的损伤。只有达到了这个要求，才是一个完整的制造，否则就不是。例如，一提到原子及近原子尺度制造，有人会说，原子制造早就有，IBM 很早就可以拿探针搬迁原子。但这个原子级操作是不是制造呢？再比如，材料领域很早就讨论原子，化学领域更早就讨论原子，但是如果我们理解了上述概念之后再去反思一下，就更有利于对制造技术的澄清。在原子及近原子尺度制造新领域里所说的材料，已经是物质的基本组成单元(即原子)，也就是说在这个新领域，传统制造与材料制备已自然融合。如果我们从历史进行追溯，制造的发展实际上是有一个时间点的，即在 18 世纪 60 年代。在此之前，其实制造早就存在，制造并不是一个什么新的概念，所以有些人说制造早就有啊，制造的概念有什么值得研究的？但正因其历史悠久，且彼时的制造和现在的制造也并不完全相同，因此有必要进行梳理。怎么不相同呢？工业革命以前的制造是基于个人经验和技能的，所制造的产品在某种程度上是艺术品。为什么这么说呢，以达芬奇当时设计的机器为例，用现在的观点来评价，依然是一个非常完整的精密机器，但是他能做，别人做不了，就像我们看到那个大卫雕 1002 天津大学学报(自然科学与工程技术版)第 56 卷 第 10 期 像，一位艺术家能雕出来的作品，换一个人就无法完成。所以那是个艺术阶段，我们把它划分为制造发展的第一个阶段。此后有了机器，做的东西就可以重复，一个人能做，另一个人也能做，这个时候制造就变成了技术。随着各种相关技术的发展，制造精度就会越来越高，从过去的经典制造到精密制造，一直到纳米制造。但是前面提到，不管它怎么提升，实际上还是量变，基础理论并没有发生根本性的变化。从纳米制造再往前走，就出现了刚才我们说的，核心的基础理论发生了变化。这样划分就很清楚，实际上是这些制造技术在三个不同阶段出现，但它们并非替代的关系，而是并存的。换句话说，是三种制造范式，都有它各自巨大的应用领域。比如说到第三阶段的时候，第二阶段的数字制造、智能制造、增材制造也好，表征、检测也好，在新的阶段依然同样存在，但是基础理论不一样了。譬如，我们可以用 1 和 0 的关系来理解产品的制造，“1”为产品生产的核心考量，即上述所说的满足其功能与性能的精度，结构尺寸，材料的去除、迁移与增加；“0”为提升产品生产的增益考量，例如数字制造、智能制造和可持续制造，在实现产品核心功能与性能基础上进一步管控成本、提升效率。但如果“1”没有满足，“0”再多，其产品也是不合格的，即这不是一个完整的制造过程。所以这样三个范式的内涵实际上就清楚了，而“原子及近原子尺度制造”在“制造范式”中，是一个全新的领域，因其承担“1”的角色，我们称其为“制造范式”的核心使能技术。在制造的第二个阶段，发生了所谓的第四次工业革命。但到目前为止，要是看它的“根基”还是一样的，就是我们常说的核心基础是一样的，而我们说的原子和近原子尺度制造，它是“制造范式”的核心。有了这个新的制造范式后，将来的产品是不是都会做成原子尺度的？并非如此。实际上制造的三个范式是并存的，甚至在未来可预见的相当长的一段时期内，“制造范式”依然起主导作用，但是更多高性能的大科学工程的需求，以及下一代芯片的需求，要依赖于这个“制造范式”。以上就是提出制造三个范式以及原子及近原子尺度制造概念的背景，在本次沙龙上以及未来的论坛中，非常高兴和年轻科学家们一起讨论，使我们的思路越来越清晰，并且梳理出一些我们自己的新的东西。我真的希望在那个阶段(制造范式)，我们国家在这一重要的战略领域走在世界前面。(邓辉、胡春光、于楠 记录整理)房丰洲，天津大学教授，国家重点基础研究发展计划(973 计划)首席科学家，教育部“长江学者奖励计划”特聘教授。主要研究领域包括光学设计与制造、超精密加工与测量、原子及近原子尺度制造。基于制 造发展的内在规律，2012 年提出制造发展的三个范式，指出“原子及近原子尺度制造”是“制造范式”的核心使能技术，于 2014 年起先后在主要会议及相关期刊发表，并曾先后向国家相关部门提出发展原子及近原子尺度制造计划的建议。2020 年，所提原子及近原子尺度制造的相关建议被中国机械工程学会列为“机械工程重大科学问题”。房丰洲教授是国际生产工程院(CIRP)主席(202