“原子及近原子尺度制造”的思考与探讨.pdf
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1、 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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
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