原子級制造，讓“他”累了、慌了、怕了、認了！

聽說沒？上帝最近發了個朋友圈，就體現三個字：“我累了。”配圖是個工具箱，里面少了好幾樣寶貝。點贊列表里全是人類科學家，評論區一片“謝謝老板”的表情包。

這事兒得從頭說起！

告急——

上帝的工具箱，被人類“借”得快空了

第一次借東西，是人類想到了力學。那時候上帝正在天堂車庫修三輪車（別問我天堂為什么有三輪車），人類科學家牛頓敲門：“老板，能借個工具嗎？我們想搞點機械。上帝頭也沒抬，從工具箱里掏出一把扳手扔出去：“拿去，這叫機床和蒸汽機。”好家伙，人類拿著這扳手，直接開啟了工業革命。機器轟隆隆響，煙囪呼呼冒煙，上帝在天堂掏了掏耳朵：“嘖，動靜挺大。”

第二次借東西，是人類想到了電磁學。法拉第和麥克斯韋這幫人又來了：“老板，上次那個挺好用，這次我們想玩點帶電的。”上帝正在打游戲（天堂最新款《創世紀模擬器》），被打擾了有點煩，隨手扔出一卷電線：“給給給，電燈電話，別再來煩我！”結果人類搞出了電氣時代，晚上到處亮堂堂的，上帝晚上想看看星星，發現地上比天上還亮：“……我是不是給太多了？”

第三次，人類膽子更肥了，直接想到量子力學和半導體。這次他們不要工具了，他們想要源代碼。上帝從代碼堆里抬起頭（沒錯，我們這個世界可能是上帝寫的程序），嘆了口氣，扔出一個U盤：“里面是芯片設計和量子計算初步框架，自己琢磨去，別老問我。”這下可好，信息時代來了。人類天天刷手機，上帝發個朋友圈，三秒內收到一萬個贊。上帝看著自己99+的消息提醒，陷入沉思。

第四次，人類直接敲門要能源：“老板，電費太貴了，有沒有永久會員價？”上帝這回真急了：“你們是不是太過分了？我這開的是工具租賃店，不是自助餐廳！”但人類已經學會了死纏爛打：“就最后一次！我們保證這是最后一次！”上帝翻箱倒柜，找出壓箱底的兩件東西：“原子能和太陽能，拿走拿走，真沒了！”——說完趕緊在門上掛了牌子：“店主休假，無限期”。

第五次，上帝以為這下終于清靜了，但他聽見人類在門外嘀咕：“工具都借完了……要不，咱們要個原子吧？”上帝手里的天堂快樂水，啪嗒一聲掉在了地上。

原子級制造——

當人類開始拼上帝的樂高

現在，讓我們正經三分鐘。所謂原子級制造，就是說人類不滿足于用上帝給的現成工具了。我們要搞清楚工具是怎么造的——準確說，我們要搞清楚萬物是怎么用原子這塊樂高拼出來的。

現在的制造：像用錘子修手表今天的精密制造已經很牛了，牛到什么程度？能在頭發絲橫截面上蓋一棟百層大樓。但就算是這么牛，也有個問題：就像你用世界最精密的錘子去修手表，錘子再小，砸下去總會砸壞點東西。現在的離子束、激光拋光這些技術，就像納米級的小錘子。它們能在材料表面雕刻出不可思議的結構，但總會留下一層3-5納米的“內傷”。這厚度大概是多少呢？就是把你的頭發絲劈成兩萬層，取其中最薄的一層。聽起來很薄對吧？但在原子世界里，這相當于一場地震——幾十層原子被砸得東倒西歪，化學鍵斷得噼里啪啦。這就導致了一個尷尬的局面：你想造個完美芯片？這層內傷會讓電子撞墻。你想造個完美鏡片？這層內傷會把光線帶偏。就像你想畫世界上最細的線，但用的筆總會漏墨。

傳統制造：指令式制造

原子級制造：我們不砸了，我們“抓娃娃”。原子級制造的思路很清奇：既然用工具總會造成損傷，那我們不用工具了。我們直接上手抓。當然不是真用手——你的手對于原子來說，比珠穆朗瑪峰還大。我們是造出一種原子級別的“抓娃娃機”，用精確的能量場當操縱桿，用量子效應當抓手，把原子一批一批的轉運。

你可以：給芯片做微整形：把一個多余的原子順走，造出一個水渠，讓電子跑得更順溜。給材料染個發：把一個不同顏色的原子（不同元素）挑染到特定位置，改變材料性能。玩原子版華容道：把一堆原子重新排列，組成自然界不存在的全新結構。

原子級制造：量子式自組裝

最關鍵的是，這個“抓娃娃機”手特別玄，原子會自己找位置。傳統制造是這樣的：我要在這里挖個坑，好，機器過來，精準挖坑。原子級制造是這樣的：我想在這里有個坑，于是我把能量場調成“這里適合挖坑”的模式，然后原子們自己商量：“哥幾個，這里能量低，舒服，咱們往這兒挪挪？”——然后它們就自己挪過去了。這叫量子自組織，聽起來很高級，其實就是原子界的“哪兒舒服去哪兒躺”。而且因為原子們這么“有主見”，導致了一個神奇現象：有時候你只改動一個原子，整個材料的性質就“砰”一下全變了。就像你給一首歌只改一個音符，結果流行歌變死亡金屬。

這不是夸張。在量子世界里，材料性質的變化不是漸進的，是跳臺階式的。加一個原子，絕緣體可能突然變成導體；挪一個原子，非磁性材料可能突然開始吸鐵。所以原子級制造，本質上是在編寫物質的“屬性代碼”。我們不再只是雕刻形狀，而是在設計物質內在的“人設”：你是導體還是絕緣體，是透明還是反光，是硬漢還是軟妹……都在原子排列的代碼里寫好了。

新四大神技——

上帝樂高，我們想怎么拼就怎么拼

掌握了抓原子的手藝后，除了繼續減材加工，人類可以像上帝學習，搭積木就是瘋狂的創作。介紹四種流行的玩法：

玩法一：原子五子棋——掃描探針的終極強迫癥。用一根世界上最細的針——細到針尖只有一個原子。你把它懟到材料表面，通上一點電，然后……用原子玩掃雷游戲。不，比掃雷更酷。你是用原子下五子棋。但五子棋不是目的，連成線才是。如果把原子精確地排列在平面上，形成一個完美的點陣，每個原子就是一個量子比特——量子計算機的基本單元。這些原子比特之間通過量子糾纏“手拉手”，可以同時處理海量信息。

玩法二：原子搓丸子——團簇束流技術。想象一個超級干凈的廚房（超高真空室），里面有個脾氣很大的廚師（激光），把金屬塊氣化成原子霧。然后這些原子霧被強迫通過一道道安檢門（電磁場篩選），只有特定數量、特定姿勢的原子才能組團出道。出來的就是一個個人工設計的“魔法丸子”（團簇）。比如13個鉑原子搓成的丸子，催化能力是普通鉑粉的幾百倍。我們這不是在發現催化劑，是在定制開掛版催化劑。

玩法三：單層餅疊疊樂——二維材料堆疊。石墨烯（單層碳原子）火了之后，科學家們發現：這玩意兒像薯片一樣薄，能不能像薯片一樣疊起來吃？于是他們真的開始疊了。一層石墨烯，一層氮化硼，再一層二硫化鉬……每層都只有原子厚度，靠微弱的分子間作用力粘著。疊出來的“千層餅”擁有各種神奇屬性，想導電就導電，想絕緣就絕緣，完全看你怎么疊。這相當于在給材料編輯基因，想表達什么性狀就編輯什么。

玩法四：智能拼圖自己動——原子基元自組裝。這是最炫酷的玩法：我們設計出有“腦子”的分子拼圖塊（比如一段特殊折疊的DNA），然后給它們下指令：“天黑了，下雨了，該拼成一個機器人了。”這些智能拼圖塊就會自己識別、自己結合、自己組裝成預定結構。是的，我們在編程物質，讓物質自己長成機器。這離《變形金剛》里的“火種源”只差……好吧，還差很多，但方向是對的！

三重暴擊——

為什么上帝開始慌了

擁有了這些神技后，人類產業將迎來三次暴擊式升級：

第一擊：極限強化——給現有產業開外掛。原子級技術首先會作為外掛模塊裝進現有產業。芯片行業：用原子層沉積（ALD）給晶體管穿上一層原子級秋褲，更保暖（絕緣）更貼身（均勻），芯片性能直接起飛。精密儀器：用原子級拋光把鏡面磨得比上帝的臉還光滑，激光陀螺精度突破天際。

第二擊：無中生有——創造全新產業。然后，真正的新物種會出現。化工行業：以后催化劑可能是單原子VIP座位，只讓特定反應物坐下，效率百倍提升，還沒有副產物這種“垃圾食品”。通信行業：幾個原子厚度的器件能讓手機薄如紙片，網速快到你剛想刷視頻，視頻已經放完了。

第三擊：修改規則——重寫游戲說明書。這是最狠的一招：改變人類發明新東西的根本邏輯。以前發現新材料靠什么？靠運氣和試錯。愛迪生找燈絲試了1600種材料，跟抽卡游戲一樣肝。以后呢？科學家在電腦上用量子力學模擬設計出理想材料的結構，然后像3D打印一樣，用原子抓娃娃機把它拼出來。從“抽卡看臉”到“自定義角色”，這簡直是游戲玩家夢寐以求的版本更新。

跨越鴻溝——

中國的原子級制造工廠

當然，從實驗室里抓幾個原子玩，到工廠里穩定量產原子級產品，中間隔著一道馬里亞納海溝。在中國南京，一群人正在造一座跨越這道海溝的橋——南京大學原子制造大科學裝置，全名叫原子級制造重大科技基礎設施。

你可以把它想象成一個原子樂高超級工廠：

1.原子丸子生產線：穩定生產特定大小、特定形狀的魔法丸子（團簇）。

2.丸子質量檢測站：每個丸子都要過安檢，形狀不對的別想混進去。

3.自動拼裝車間：丸子們被精確地噴到底座上，拼出預定圖案。

4.實時監控探頭：整個拼裝過程被實時直播，哪里拼錯了馬上調整。

這座工廠的目標，是成為原子級制造的母機和標準制定者。它不生產具體產品，它生產“生產產品的能力”。

終章——

所以上帝到底在怕什么？

現在你明白上帝在怕什么了嗎？人類以前是好學生，認真學習自然規律（物理），然后拿高分（技術）。后來是高級用戶，不僅會用自然規律，還會找規律漏洞（比如量子隧穿）來卡bug。現在，人類正在嘗試成為管理員——不僅要理解世界這套系統的運行規則，還想拿到修改物質底層代碼的權限。上帝怕的不是人類能力變強，而是人類開始觸碰創造本身的權限。

以前我們問：“世界為什么是這樣？”后來我們問：“我們能用世界做什么？”現在我們問：“如果我們重寫世界的這一行代碼，會怎樣？”這就像你家的貓，以前只會玩毛線球，后來學會了開罐頭，現在它在你電腦前敲代碼，還問你：“主人，你覺得我把你的操作系統改成貓爪友好版怎么樣？”你怕不怕？

但話又說回來——如果貓真的能寫出更好用的操作系統，那……好像也不錯？上帝或許也是這么想的。所以他在朋友圈發完“我累了”之后，又默默補了一條：“但還挺期待的”畢竟，一個只會借用工具的文明，終究是客人。而一個開始制造工具、甚至制造工具原材料的文明——才有資格成為宇宙工作坊里的，下一個合伙人。

（ 全文完 ）

上帝表示需要續杯咖啡，

并開始考慮收人類版權費的問題！

本文轉自： 南京原子制造研究所微信公眾號。 供稿：南京大學原子制造研究院院長、南京原子制造研究所所長 宋鳳麒。

原子制造科學與技術

宋鳳麒 等著

北京 : 科學出版社, 2026. 3.

責任編輯：許 蕾

原子制造是未來制造技術的重要方向，更是人類制造能力演進的自然趨勢。本書從原子級精準操控能力的角度切入，系統介紹掃描探針技術、原子團簇技術、基元配合與自組裝技術、固體功能原子(缺陷)中心(如色心)技術、原子態極端操控技術、冷原子分子技術、二維原子層材料技術、分子束外延技術以及原子級機械制造技術等多個前沿方向，力求梳理和呈現近年來具有代表性和示范意義的重要進展，嘗試厘清從原子操控邁向原子制造的技術路徑與發展脈絡，并對原子制造的學科構建進行前瞻性思考與探索。

本書可供從事以及有志于加入原子制造領域研究的科研人員、教師、學生閱讀。

（本文編輯：劉四旦）

專業品質 學術價值

原創好讀 科學品位

一起閱讀科學