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構或材料的制造技術。這種技術通過在原子尺度上精確控制材料的排列和組成，實現對材料的精確控制，進而創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，還包括構筑原子級細銳、精準、完美且具備超常規物性的新材料、新器件和新產品。

原子級制造的核心在于對原子的規模化精準操控，將制造的可控量推進到原子及原子基元的水平，逐步實現原子級精度制造、原子級結構制造，最終實現逐一原子的按需創制。這一技術將傳統制造的三要素進行全面革新：加工對象從連續材料變革為離散原子，加工精度從尺度變革為原子尺度，材料和結構決定產品性能變革為原子調控產品性能。

（二）原子級制造的技術特點

原子級制造具有以下幾個顯著的技術特點：

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定性。

可控性：原子級制造技術能夠按照預定的設計和規格制造出特定的結構。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，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品。

二、原子級制造的發展背景

（一）制造技術發展歷程

制造技術是社會、經濟和生產力發展的基礎，其發展歷程經歷了從早期以經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：在制造技術發展的早期階段，人們主要依靠經驗和技藝進行制造，產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、電氣化和數字化技術的發展，制造技術進入了微米量級和納米量級階段。這一階段的制造技術顯著提高了產品的精度和性能，推動了多個產業的發展。

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展的驅動下，制造技術必將進入原子及近原子尺度，即原子級制造的發展階段。原子級制造的出現，不僅在未來制造技術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的新路線，而且被認為是人類制造技術和物質創制的極限，也可能是人類改造物質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在以下幾個方面：

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

推動新興產業發展：原子級制造技術的發展將推動多個新興產業的快速發展。例如，在半導體制造領域，原子級芯片具有體積小、效率高、功耗低等優勢，有望取代傳統芯片，引領后摩爾時代的發展。此外，原子級制造還將在航空航天、國防軍工、量子科技、醫藥、超精密儀器等領域發揮重要作用。

提升國家競爭力：原子級制造是當前科學、技術和產業界共同關注的前沿研究熱點，也是世界主要大國戰略科技競爭和戰略布局的焦點之一。發展原子級制造技術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，國家可以在多個領域取得領先地位，推動經濟的高質量發展。

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

實現可持續發展：原子級制造技術有助于實現可持續發展。通過精確操控原子，可以制造出具有更高性能、更低能耗的產品，從而降低對環境的負面影響。此外，原子級制造技術還可以推動傳統產業的綠色化轉型，如能源、化工等領域，為實現可持續發展目標提供有力支持。

三、原子級制造的國內外發展現狀與趨勢

隨著全球科技競爭的日益激烈，原子級制造技術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外發展現狀與趨勢：

（一）國內發展現狀

政策支持：我國政府高度重視原子級制造技術的發展，出臺了多項政策措施支持其研發和應用。例如，工業和信息化部將推動科技創新和產業創新深度融合，加快培育發展原子級制造產業，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新發展聯盟。

科研投入：國內多所知名高校和科研院所積極投身于原子級制造技術的研發工作。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年建立了國內首個原子制造研究中心。

技術創新：在原子級制造技術的研發過程中，國內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，其體積不足傳統芯片的千分之一，同時還具有效率高、功耗低等優勢。此外，在材料科學、生物醫學、能源等領域，原子級制造技術也取得了顯著進展。

（二）國際發展現狀

美國：美國政府持續推出相關支持計劃，推動原子級制造技術的發展。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構的后摩爾時代芯片的發展。

歐洲：歐洲在原子級制造技術領域也取得了顯著進展。例如，英國曼徹斯特大學的安德烈·海姆等因發現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在制備原子層厚二維材料的發展。此外，歐洲的研究人員還針對電子產品與所處環境（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“從原子到產品的可靠性”研究。

日本：日本在原子級制造技術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研究。

（三）發展趨勢

技術融合：未來，原子級制造技術將與人工智能、機器學習等先進技術進行深度融合，實現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。

產業化發展：隨著原子級制造技術的不斷成熟和完善，其產業化進程將加快。通過構建高水平產業鏈和產業集群，推動原子級制造技術的產業化應用，將有力促進相關產業的發展和升級。

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