在《三体》中，科学家汪淼研制的“飞刃”纳米丝，能于无形中将巨轮切割为碎片。“飞刃”强度逆天、锋利无比，因为其纳米级的结构被精确排列，展现了微观制造所能带来的宏观奇迹。曾经，这只是科幻作家狂野的想象。但在11月的南京，一场名为“原子级制造：前沿与应用”的国际会议正在告诉大家：人类，已经开始学习如何像摆弄积木一样，为一个一个原子“排兵布阵”，试图将这种“神迹”带入现实。

会议由南京大学与施普林格·自然集团联合主办、固体微结构物理国家重点实验室与南京原子制造研究所承办，东南大学、苏州大学等多家省内科研机构共同组织，吸引了来自全球多个国家和地区的500余位学者、专家及产业代表参加。

原子级制造是什么？

所谓原子级制造，可以理解为物质世界的“极限乐高”或“原子刺绣”。

原子是构成物质世界的基本组成单元，直径通常在埃米（纳米的十分之一）量级，不到人类头发丝的100万分之一。

传统制造，像是在用斧头劈砍木料，成就宏大，但细节粗糙。现代纳米技术，像是在用精良的刻刀雕刻，能创造出微小的芯片，但依然是在“批量处理”原子。而原子级制造，则意味着我们手持一把“原子镊子”和“原子画笔”，能够精准地拾起、移动、放置每一个特定的原子，从而优化整个物体的性能，甚则从最基础的层面构建出自然界不存在的全新材料和器件。

以集成电路行业为例，如果能实现单原子特征的芯片，其尺寸、功耗可降低至当前的千分之一以下，计算能力则提升千倍以上。

原子级制造概念早在20世纪中期就已提出，近年来随着纳米科技兴起，成为世界主要国家竞相布局的战略高地。1984年，南京大学王广厚院士率先开展原子团簇物理技术研究，是国内该领域的先驱科学家。（所谓原子团簇，指的是由几个至几百个原子通过化学键或弱相互作用结合形成的、尺寸介于单个原子与宏观固体之间的微观集合体。）

这场全球竞速为何在今日白热化？

原子从“可观测”，发展到“可操控”

随着“看到三维原子”的定性技术发展成为“确定原子坐标”的定量技术，“原子级制造”正在成为热词。目前工信部已将其列为破解集成电路瓶颈的'根技术'，2025年国家自然科学基金启动专项攻关。会议现场，记者采访了多位来自全球的科学家。

慕尼黑大学蒂姆・利德尔教授展示了其突破性研究：将DNA作为一种编程语言，来驱动原子级结构的精准构建。“我们实现了对单个原子的基础控制，而DNA链则作为指令集，引导它们自组装成我们设计的任何形态。”利德尔强调，这完全跳出了DNA的生物学范畴，将其革新为一种在纳米尺度上通用的“构建材料”。

北京大学研究员周继寒告诉记者，他和团队实现了原子级别催化剂活性变化的全生命周期跟踪，可为能源产业升级中的催化剂设计提供核心支撑。也就是说，构成我们人体的原子由于消耗太大而让人感到不适的时候，可以有一种方法，让原子减少消耗，从而让我们的身体更舒服，生活质量变得更高。

南京原子制造研究所也已初步建成30米长的原子极微制造实验设施。“单个原子直径只有0.1-0.5纳米，在宏观工件上定位原子相当于在4万公里地球赤道上找一块1厘米的糖。 ”南京原子制造研究所所长宋凤麒教授比喻说，垒砌100个原子时，可能出现数百万种相同能量优先级的排列方式，获得目标结构的概率逼近零。而南京大学原子制造研究院的“原子极限微制造实验设施”采用团簇束流技术，直接控制原子团簇而非单个原子，每秒操控次数突破万亿次。 这套系统由高强度团簇束流源、磁电双聚焦质量选择谱仪和Stark型结构分离谱仪组成，全是自主研发。形成了真正的原子级制造能力。

比利时鲁汶大学副校长彼得・利文斯赞赏道：“这套设施拥有将梦想变为现实的巨大潜力。”

在闭幕式上，由《Nature Communications》高级编辑 Christian Kuttner 宣布了通过全体与会代表投票产生的、以How can scalable and precise selection of cluster/molecule isomers be achieved, and how can they be effectively integrated into atomic-level manufacturing processes?(如何实现成规模、精准化的原子团簇的异构体筛选，并将其集成到原子制造流程中？)为代表的原子级制造十大科学问题。十大科学问题集中反映了学术界对原子级制造基础科学、关键技术与未来产业方向的共同关切，为未来十年该领域的发展提供了战略指引和科学坐标。

目前有哪些落地成果？

“江苏制造”正在崭露头角

近日，在深圳，一台被称为“现实模拟器”的机器正在改变科研的范式。由研究员贺煜领衔打造的全球首台半导体逻辑量子计算机，凭借其原子级精准的控制，已能精确求解水分子的基态能量，为解锁生命奥秘和创造全新材料提供了可能。“但目前我们精雕细琢，一周才能完成一枚芯片，”贺煜坦言。要将这实验室的奇迹变为推动产业革命的引擎，他们正将目光投向能实现量子芯片高效、批量化生产的原子级制造。

与此同时，一批江苏企业也在尝试“破冰”。透射电镜设备是原子级制造的重要观察分析仪器之一。苏州博众仪器科技有限公司经过5年研发，突破电子光学系统设计与仿真、高压超稳定电源等一批核心技术，开发完成200kV透射电镜。

华海清科的CMP设备不仅精度达0.1纳米，还拿下了国内主流晶圆厂批量订单。 2024年华海清科营收飙到34亿元，净利润超10亿，还在昆山投资5亿扩产。无锡微导纳米公司2015年成立时就瞄准原子层沉积（ALD）技术，他们的设备像给物体表面“原子级盖楼”，一层层堆叠原子级薄膜。 2018年推出的“夸父”系列让太阳能电池效率反超国外设备，通威、隆基这些光伏巨头都成了客户。

原子级制造将如何重塑我们的世界？

一切皆有可能

原子级制造，就是我们这个时代面对的“技术奇点”。它既可能是我们打破“智子”封锁、走向星辰大海的钥匙，也可能像“二向箔”一样，彻底重塑我们对现实世界的认知。这正如《三体》所展现的：当基础物理被突破，其带来的技术爆炸将彻底颠覆我们对世界的认知。

《自然・通讯》高级编辑克里斯蒂安・库特纳告诉扬子晚报记者，当下探讨原子制造议题“时机格外合适”。因为一旦跨越可控与可重复的临界点，相关技术将迅速规模化，重塑一切。比如——

能源革命： 我们或许能造出模拟光合作用的“人工树叶”，直接将阳光、水和二氧化碳转化为清洁能源与食物，从根本上解决能源和气候危机。

计算飞跃： 诞生于原子尺度的量子计算机，运算能力将呈指数级提升，让药物研发、天气预测变得轻而易举。

医疗奇迹： 可精准识别并摧毁癌细胞的“纳米机器人”，或能完美修复组织器官的生物支架，都将成为可能。

正如“面壁计划”需要最顶尖的大脑和最宏大的工程，原子级制造的实现，也依赖于全球合作与大国重器。宋凤麒建议，原子级制造涉及机械、材料、物理、化学等多个学科领域，要提前布局，多方合作，借鉴已成熟的产业培育模式，强化原子级制造战略力量建设，培养跨学科的交叉复合型人才和工程型人才，推进校企融合发展。

扬子晚报/紫牛新闻记者 徐媛园

视频 徐媛园

校对 胡妍璐