原子级制造，到底有多“极限”？

从德谟克利特的“原子”哲思到费曼1959年的“造物”畅想，人类对物质终极操控的追寻跨越千年，如今，原子级制造正将这一梦想拉入现实。作为我国制造业换道超车的重要战略抓手，原子级制造如何从实验室走向产业？

2026年全国科普月，中国科协之声邀您共同走进国家科技传播中心学术发展讲堂，听原子制造领域专家宋凤麒一探究竟。

人物简介

宋凤麒，原子制造领域专家。南京大学物理学院教授，原子制造研究院院长，中国物理学会原子分子物理专业委员会委员。主要从事原子制造物理与技术、人工智能赋能原子制造与物质大数据等方向的研究。

两千多年前，古希腊哲学家德谟克利特提出“原子”概念——物质存在一个不可分的最小的单元；我国《中庸》以“莫破”道出同样的洞见。1959年诺奖得主费曼发表演讲，首次提出原子级制造的终极构想，畅想人类可在原子尺度完成造分子、超精密加工、构筑微型器件等一系列突破，为现代原子级制造发展埋下理论伏笔。时至今日，历经数十年技术迭代，原子级制造从纯粹的科学畅想逐步走向实验验证与初步产业探索，正推动人类制造从宏观、微观、纳米制造，开始探索原子级制造的全新时代，有望掀起覆盖材料研发、精密加工、器件制造的全新技术与产业变革。

从“费曼1959畅想”看：原子级制造已迈出坚定步伐

回望费曼的四大经典畅想，当前原子级制造已实现阶段性进展，找到一批技术发展路径，逐步破解传统材料研发与精密制造的核心瓶颈。

在分子合成领域，传统合成存在极强的不确定性，遵循“一物一方”的研发规律，往往需要漫长试错，部分新材料研发耗时数年乃至数十年，是产业发展的核心瓶颈。

早期技术路径为探针操控法，依托扫描隧道显微镜可实现单原子搬运、人工分子合成与原子结构重塑，甚至完成分子级“手术”，但存在致命短板：操控效率极低，单小时仅能操控数十个原子，且人工排布的原子结构仅能在极低温下稳定存在，室温环境下原子会自发团聚变形，无法实现大规模一致性的分子“制造”。

第二种路径为团簇束流法，由诺奖得主Smalley提出，通过将材料气化为原子，依靠原子随机碰撞重组实现分子合成，依托该技术成功合成自然界原本不存在的C60富勒烯，开辟了人工分子创制的全新方向。但该技术精度仅有1%，人工分子的产出流量极低，无法实现大批量、一致性的分子制造，难以落地产业化。

原子创制分子（示意）

近年来，南京大学联合国内相关力量共同搭建的原子极限微制造实验设施，初步探明了原子创制人工分子的路径，已能驱动多种原子组合重构，5分钟内可生成上千种全新人工分子物种，为全新物质创制提供了坚实的技术支撑。

在精密加工领域：一是传统超精密加工后硅片表面常会形成厚度两三个纳米的损伤层，导电性能会大幅衰减，而基于团簇的无损加工技术完美破解难题。利用千原子团簇精准调控加工能量，介于杂质吸附能与材料化学键能之间，清理石墨烯表面杂质却不破坏本体，使其电子迁移率大幅提升；对芯片氧化层进行原子级修补，漏电流降至皮安级，解决芯片漏电难题。二是针对进一步提高表面抛光的精度，西南交大和清华大学合作借助键桥分子“原子面膜”抛光工艺，可实现极致光滑表面，为光学、集成电路装备打开全新空间。

在材料器件方面：北京大学单原子层二维材料光转换效率远超传统重型激光晶体，微米级薄膜即可替代厘米级光学器件；北京航空航天大学原子层柔性传感器达到极高灵敏度，让医疗、工业机器人轻柔抓取鸡蛋而不碎裂；上海交通大学原子级构筑的特殊钨晶面电子发射亮度提升上千倍，赋能高端电子源。

在电路设计方面：82个碳原子和1个镓原子已实现原子存储器的读写功能。更具颠覆性的是，一个仅含92个原子的团簇可在四个稳定阻态间随机切换，构成天然的四态马尔可夫链。单个纳米尺度晶体管就能完成传统数百个芯片的矩阵运算，为量子智能计算提供全新架构。同时，DNA自组装技术可实现亚纳米精度三维原子结构搭建，上海交通大学已经取得领先进展，北京大学等已用于碳纳米管晶体管和芯片的初步制造，为绕开传统光刻成本与尺度双重瓶颈提供了自下而上的新路线。

原子级制造的核心特质：极限、量子、创造三重变革

原子级制造不同于“由大到小”的切削加工，其底层逻辑根植于三种独特属性。

极限性。原子尺度已是物质可操控的物理边界，单个原子约0.14纳米，不存在“半个原子”的连续微缩，原子核内部粒子处于不停运动中，无法作为稳定制造单元。原子是人类改造物质世界所能掌控的最小抓手，原子级制造因而触达了制造技术的尺度终点。

原子级制造因原子特性而触达制造技术的尺度终点

量子性。原子无法像金属、塑料一样简单切割，必须依靠能场调控、原子自主排布两步实现最终的制造。更重要的是，当材料缩减至可数原子规模时，其物性不再遵循宏观规律，而是呈现非线性量子效应：以铝为例，熔点约660°C，10纳米时约580°C，2至3纳米（约100个原子）时可降至200°C，但到60个原子时又跃升至600°C。这种颠覆性的物性跳跃，为材料性能调控打开了指数级的可能性空间。

创造性。传统制造只是改造现有材料形态，原子级制造可以拆解、重组所有元素，批量创造自然界不存在的全新物质。依托原子极限微制造实验设施每年千万级新分子产出能力，结合人工智能搭建原子结构与材料性能的关联模型，摆脱传统材料研发试错模式，定向设计目标功能物质，真正实现自主创造全新材料。

四大时代条件共同催生原子级制造产业化浪潮：单原子、团簇、原子层等操控技术突破规模化和精准的极限；先进芯片、高端装备对原子尺度精度产生刚性需求；算力提升让原子精准设计成为现实；国家战略正需要引领性制造技术。多重因素叠加，未来十年或将迎来原子级制造产业化发展新浪潮。

贯通千行百业：原子级制造重塑产业发展格局

原子是构成万物的基础，原子级制造作为底层前沿技术，可广泛赋能新一代信息技术、高端装备制造、节能环保等产业领域，重塑现有产业发展模式。在高端芯片领域，原子级精密加工工艺能够有效改善器件损伤问题，提升芯片加工精度与器件性能，为先进制程突破提供全新技术路径。在高端装备领域，依托原子级表面优化、材料改性等技术，可显著提升精密器件的稳定性与服役寿命，解决极端工况下的材料应用难题。

相较于传统材料研发依赖海量试错、周期漫长、成本高昂的短板，原子级制造可批量创制新型分子与团簇结构，结合智能匹配方式快速筛选目标性能材料，摆脱传统“一物一方”的低效研发模式，初步建立材料按需定制的全新研发体系。纵观工业迭代规律，每一次底层物理技术的突破，都会带动全域产业变革，原子尺度技术革新，也必将推动材料、器件、装备系统实现全方位升级。

原子级制造根技术辐射支撑的产业领域

立足国家战略：原子级制造是制造强国的核心支撑

原子级制造不仅是前沿科学研究方向，更是我国制造业转型升级、实现制造强国目标的重要战略抓手。工业发展依托关键基础材料、核心元器件、先进工艺与高端装备四大根基，原子级制造直击工业底层技术极限，能够持续补齐我国高端制造短板，掌握未来产业发展主动权。

在国际竞争层面，我国制造业体量稳居全球首位，原子级制造作为国家重点前瞻布局的未来赛道，开辟了区别于传统芯片技术的全新发展路径，为我国高端制造实现换道超车提供重要机遇。从发展价值来看，原子级制造与通用人工智能一同，是重塑未来社会发展的关键技术。它打通多学科技术壁垒，形成支撑所有硬科技发展的底层平台，代表人类改造物质世界能力的全新突破。

面向未来，科研与产业领域需立足当下技术现状，稳步攻克原子批量精准操控、无损精密加工、新材料量产落地等关键难题。持续深耕原子级制造前沿赛道，既能夯实我国制造强国的产业根基，补齐高端技术短板，也能推动人类真正迈入自主造物的全新发展阶段，兑现千年物质创造的科学梦想。

对谈环节，由西南交通大学教授钱林茂担任学术主持人，与清华大学机械工程系长聘教授解国新、上海交通大学材料科学与工程学院特聘教授戴庆、北京航空航天大学蓝天杰出教授潘曹峰、华南师范大学物理学院教授赵纪军、南京大学物理学院教授宋凤麒一起，围绕原子级制造技术突破路径、产业化瓶颈、AI融合创新与产业落地节奏等热点议题展开深度对谈。

解国新：原子级制造的产业化路径，应以极限性能材料和超精密传感为先导

装备与工艺是现阶段产业化核心瓶颈，基础研究、装备研制和工艺验证三者是相互配合、循环迭代的关系。关于产业化赛道，可将其分为两个层次：第一层次是极限性能材料和超精密传感，因其能较快与现有产业基础融合，有望率先落地，例如能大幅提升承载能力的超滑润滑材料和高灵敏度的金刚石NV色心传感器。第二层次是量子器件和下一代芯片，尚需时日。展望未来，原子级制造将首先赋能高端专用市场，如提升芯片能效、延长电池寿命、改善植入式医疗器械的生物兼容性等，预计“十五五”末技术趋于成熟并实现示范应用，“十六五”期间高端手机芯片、电动车电池和部分医疗器械有望落地。

戴庆：“干中学、以赛代练”是拥抱未来产业的唯一路径

实现原子级制造需要构建“理论指导、手眼协调、工艺窗口”的逻辑闭环。首先，基础研究必须清晰地认知原子在量子尺度下的行为法则，这是精准操控的前提。其次，需要“手眼协同”的装备能力，即能“看清”原子的动态过程，并能用光、电、磁等物理场精准“操控”原子。最后，工艺验证环节决定了能否实现从0到1再到N的规模化放大。对于基础研究与工程装备的瓶颈之争，在产业化路径上，“干中学、以赛代练”是拥抱未来产业的唯一路径，应借鉴“贸工技”的发展路径，通过科研与产业的闭环互动，在实践中解决理论和技术问题。

潘曹峰：原子级制造当前产业化的最大瓶颈，已从基础科学原理转向国产高端装备自主可控与工艺工程化能力

原子级制造要实现产业化，当前的最大瓶颈在于国产高端装备的自研能力和工艺工程化能力。基础科学原理已有相当积累，但产业化的核心是从“做一次”到“稳定地做一万次”，这对装备的稳定性、工艺的均匀性和一致性提出了极高要求。自主可控的装备是形成自主工艺和产业能力的底座。展望未来应用，原子级制造的价值在于提升器件在微缩尺度下的性能和界面控制能力，例如让手机芯片算力更强、功耗更低，提升电池的循环寿命和安全性，以及通过表面功能层减少植入式器件的生物排异反应。超精密陀螺等航空航天应用3至5年内可实现，高端消费电子需10至15年，原子级制造不会替代现有技术，而是以“在关键功能层慢慢渗透”的方式实现性能跃升。

赵纪军：原子级制造要全面支撑未来产业，必须拥有自主可控的理论框架与设计软件

原子级制造面临的最大挑战是“原子不听话”，这源于微观世界的物理本质，决定了其缺乏宏观制造的确定性和一致性。这是一场从“统计平均”到“确定性操纵”的范式革命，需要在狂风暴雨中驯服每一粒“沙子”（原子）。原子级制造目前仍缺少类似传统工业的底层设计软件，其根源在于对量子世界物理规律的认知尚不充分——没有从底层发展起来的工业设计软件，物质科学的底层原理尚不够清晰，量子力学虽已百年，如何利用量子规律让原子听话仍是未解难题。个别点的产业化固然令人振奋，但原子级制造要全面支撑未来产业，必须拥有自主可控的理论框架与设计软件——这恰恰是当前最本质的瓶颈所在。

活动现场还有百余名来自相关高校、院所的大学生、研究生和中国科协青培工程入选者参加，并与嘉宾进行了热烈交流。

问题一：极致精密的原子制造，是否必然伴随高成本、高能耗？

宋凤麒：大众普遍认为精密加工能耗更高，但原子存在自发成型特性，无需持续高能耗输入也能制备优质样品，存在低成本、低能耗的实现路径，不能一概而论判定原子制造一定高消耗。

钱林茂：依托原子级工艺创新，仅小幅增加成本，就能将工件粗糙度提升1-2个数量级；行业发展目标是在成本可控前提下，实现器件性能颠覆性升级。

问题二：AI依赖海量实验数据，原子制造高质量实测数据稀缺，模拟数据能否作为有效补充？

赵纪军：理论模拟存在不可避免的系统误差，无法完全替代高精度实验数据，必须理论与实验结合；原子制造大科学装置可批量生成新物质并同步采集物性、结构实测数据，持续扩充数据库，为AI材料大模型提供训练素材，形成物质创制、数据产出、智能设计的完整闭环。

问题三：ALD、MBE 薄膜工艺是否属于原子级制造？高温熔融玻璃这类传统无机材料，如何落地原子调控思路？

宋凤麒：ALD、MBE是原子级制造的早期雏形，二者核心区分标准是能否依靠逐层生长创造全新物质，普通薄膜仅简单堆叠，不具备原子级制造的创造性。

潘曹峰：ALD具备自限制、保形生长特点，是标准原子级制造工艺；MBE无自限制机制，仅在特定单晶场景可实现准原子层生长，难以适配玻璃带孔非晶衬底加工。

戴庆：TGV玻璃的热膨胀、脆性等性能由元素掺杂配比决定，原子级制造可精准调控元素组分，同时搭配ALD表层镀膜优化通孔、布线性能，实现传统高温熔制工艺与原子精准调控融合。

国家科技传播中心学术发展讲堂

国家科技传播中心学术发展讲堂是中国科协着力打造的一档学术栏目，突出前沿性、思辨性和传播性，面向科技工作者尤其是青年科技工作者，联动高端学术组织机构，邀请战略科学家、一流科技领军人才和卓越工程师，围绕学术前沿、学科交叉和产业融合领域的最新成果和探索实践，向科技工作者分享前沿探索、创新理论及最新研究成果，传播科学精神与科学家精神。

来源：中国科协之声微信公众号