編者按

納米制造技術(shù)涉及信息、材料、環(huán)境、能源、生物醫學(xué)、農業(yè)、航空航天和國防安全等眾多領(lǐng)域核心產(chǎn)品的制造，對未來(lái)國家戰略新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到重要的支撐作用。納米制造已成為世界發(fā)達國家技術(shù)競爭的制高點(diǎn)。

為提升我國納米制造領(lǐng)域的源頭創(chuàng )新能力，國家自然科學(xué)基金委員會(huì )（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“自然科學(xué)基金委”）于2009年正式啟動(dòng)了“納米制造的基礎研究”重大研究計劃，以解決國家重大需求為導向，發(fā)展原創(chuàng )的納米制造新原理與新方法，致力于解決我國納米制造的瓶頸問(wèn)題與“卡脖子”技術(shù)難題。

經(jīng)過(guò)8年的通力協(xié)作與奮斗，納米制造過(guò)程的尺度、精度與批量制造相關(guān)的若干關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題與技術(shù)難題得到解決，納米制造工藝與裝備的理論體系與技術(shù)基礎初步建立，為納米制造的一致性和批量化提供了理論基礎和技術(shù)裝備支持——中國制造開(kāi)啟了納米精度時(shí)代！

本期自然科學(xué)基金版將總結該重大研究計劃取得的研究進(jìn)展，展示該計劃取得的研究成果。

“精度”上的創(chuàng )新

“明確我國科技創(chuàng )新主攻方向和突破口，努力實(shí)現優(yōu)勢領(lǐng)域、關(guān)鍵技術(shù)重大突破，主要創(chuàng )新指標進(jìn)入世界前列?！?018年5月，習近平總書(shū)記在兩院院士大會(huì )上對“創(chuàng )新”提出了新要求。這也是半年來(lái)科學(xué)家在為自然科學(xué)基金委重大研究計劃“納米制造的基礎研究”梳理總結成果時(shí)，不斷對照的標準。

“什么是創(chuàng )新？創(chuàng )新，就是把好的點(diǎn)子做出來(lái)?！?019年1月，該重大研究計劃畫(huà)上圓滿(mǎn)句號時(shí)，中國工程院院士、該重大研究計劃專(zhuān)家指導組組長(cháng)、西安交通大學(xué)教授盧秉恒對《中國科學(xué)報》這樣闡述他心中的“創(chuàng )新”。

時(shí)間回溯至20世紀初，美國國家納米技術(shù)計劃（NNI）的啟動(dòng)，掀起了納米科學(xué)和技術(shù)的熱潮。隨后，包括生物分子馬達、納米機器人、納米傳感器、納米智能器件等在內的一系列納米科學(xué)研究成果不斷在實(shí)驗室涌現。

當時(shí)，我國機械制造領(lǐng)域的專(zhuān)家敏銳地意識到，作為納米科學(xué)走向納米技術(shù)的橋梁，納米制造將成為世界發(fā)達國家技術(shù)競爭的制高點(diǎn)。2009年，該重大研究計劃的資助下，中國制造領(lǐng)域的專(zhuān)家聯(lián)合相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)家開(kāi)始探討如何布局中國納米制造未來(lái)發(fā)展。

“納米制造的基礎研究”重大研究計劃亦在彼時(shí)啟動(dòng)醞釀。專(zhuān)家們將“納米制造”定義為“通過(guò)納米精度制造、納米尺度制造、跨尺度制造為產(chǎn)品和器件提供一定功能的過(guò)程”。

盧秉恒和現任清華大學(xué)機械學(xué)院院長(cháng)、中科院院士雒建斌分別出任該重大研究計劃專(zhuān)家組正副組長(cháng)?！拔覀兊目紤]是，通過(guò)這個(gè)重大研究計劃，面向我國重大戰略需求，引領(lǐng)中國制造精度水平的提升”——他們提出了這樣的目標。

2019年1月，該重大研究計劃順利通過(guò)評估。8年來(lái)，在該重大研究計劃支持下，科學(xué)家們取得的多項成果帶動(dòng)制造學(xué)科取得跨越發(fā)展。評估會(huì )上，專(zhuān)家組自豪地評價(jià)：“中國制造開(kāi)啟了納米精度時(shí)代！”

把論文寫(xiě)在生產(chǎn)線(xiàn)上

近年來(lái)，有關(guān)“卡脖子”技術(shù)的議題在國內備受關(guān)注?？茖W(xué)家們認識到，只有突破關(guān)鍵領(lǐng)域的核心技術(shù)，才能徹底消除“卡脖子”的隱憂(yōu)。而要實(shí)現關(guān)鍵領(lǐng)域核心技術(shù)的突破，首先要有好的點(diǎn)子——要從中國自己的基礎研究做起。

“中國在芯片制造裝備方面起步很晚，初始階段主要是電子學(xué)專(zhuān)家研究集成電路，幾乎沒(méi)有裝備領(lǐng)域的大團隊從事芯片裝備的研發(fā)?！宾媒ū筇寡?。直到2000年，我國高校和研究院所才逐步形成了相關(guān)的研究團隊，陸續開(kāi)展芯片制造理論、工藝和裝備研發(fā)。

慶幸的是，作為我國資助基礎研究的主渠道，自然科學(xué)基金委在2009年啟動(dòng)該重大研究計劃時(shí)，布局了突破芯片制造相關(guān)核心技術(shù)的基礎研究。

8年里，科學(xué)家們從基礎理論的“好點(diǎn)子”開(kāi)始，揭示了納米尺度與納米精度下加工、成形、改性和跨尺度制造中的尺度效應、表面/界面效應等規律，建立了納米制造理論基礎及工藝與裝備原理，為實(shí)現納米制造的一致性與批量化提供了理論基礎。

例如，清華大學(xué)的納米制造團隊提出了化學(xué)機械去除理論，實(shí)現了單晶硅原子層的可控去除，相關(guān)結果發(fā)表在《自然—通訊》上。美國科學(xué)促進(jìn)會(huì )曾評價(jià)：“該發(fā)現開(kāi)創(chuàng )了在原子精度實(shí)現電子材料加工的新方法，這將是未來(lái)電路元器件加工精度進(jìn)一步提升至原子尺度控制水平的關(guān)鍵?！标P(guān)于拋光顆粒的研究作為成果“摩擦過(guò)程的微粒行為和作用機制”的主要內容獲得2018年度國家自然科學(xué)獎二等獎。

隨后，科學(xué)家將基礎研究成果拓展至工程應用。2015年10月，國產(chǎn)首臺12英寸拋光設備進(jìn)入芯片制造大生產(chǎn)線(xiàn)，其主要技術(shù)指標達到或優(yōu)于國際先進(jìn)水平，有效實(shí)現了關(guān)鍵裝備國產(chǎn)化。

沒(méi)有該重大研究計劃支持下的基礎研究原理創(chuàng )新，就沒(méi)有生產(chǎn)線(xiàn)上的高端機器。不過(guò)，在科學(xué)家看來(lái)，該重大研究計劃形成的新原理依然有許多未實(shí)現工業(yè)應用，對“卡脖子”技術(shù)的貢獻還有待進(jìn)一步提升。

學(xué)科交叉共融

回顧8年來(lái)的研發(fā)經(jīng)歷，雒建斌對學(xué)科交叉共融感觸頗深?！把b備本身是個(gè)大型機械，各個(gè)機構的設計離不開(kāi)機械原理學(xué)科，運動(dòng)系統的控制離不開(kāi)自動(dòng)化學(xué)科，而拋光過(guò)程則需要物理和化學(xué)知識?！彼嬖V《中國科學(xué)報》。

據了解，在強調學(xué)科交叉共融方面，該重大研究計劃突破傳統的一級學(xué)科交叉，實(shí)現跨學(xué)部交叉。統計數據顯示，8年來(lái)，在該重大研究計劃資助的項目中，交叉項目資助金額占比18.5%，資助項目論文成果涉及28個(gè)學(xué)科。

難能可貴的是，這些交叉學(xué)科又在主要的科學(xué)問(wèn)題上得到共融。例如，不同學(xué)科的科學(xué)問(wèn)題都具有明顯的“制造”屬性，即如何保證納米制造過(guò)程的高精度、批量化和一致性。

西安交通大學(xué)納米制造研究團隊自2001年起從事納米壓印方面的研究，如今已將壓印工藝的精度提高到納米量級。壓印工藝采用機械制造領(lǐng)域模板復形的概念制造納米結構，可以形象地理解為用“月餅印”在月餅表面印出花紋。

據該團隊青年科學(xué)家邵金友介紹，在傳統壓印技術(shù)難以走向工程應用的現實(shí)情況下，2008年后，團隊發(fā)明了界面電荷調控的納米壓印技術(shù)，突破了尺度效應，使壓印力和脫模力都得到大幅降低，這一技術(shù)就是制造學(xué)科與物理學(xué)科交叉融合的結果。

另外，在該重大研究計劃集成項目支持下，制造專(zhuān)家也與化學(xué)家的思想碰撞出火花。將電化學(xué)反應原理與模板約束成形技術(shù)相結合，廈門(mén)大學(xué)田中群院士研究團隊發(fā)明了以約束刻蝕劑層技術(shù)（CELT）為支撐的納米結構模板調制成形新方法，以接觸電勢誘導腐蝕的去除方式實(shí)現了半導體材料的電化學(xué)直接壓印成形，縮短了半導體材料成形的工藝鏈。業(yè)內專(zhuān)家認為，這種化學(xué)腐蝕和壓印相結合的方法，擴大了壓印材料的種類(lèi)。

凝聚人才隊伍

在盧秉恒看來(lái)，凝聚全國范圍內的微納制造人才，是該重大研究計劃重要貢獻之一?！?年前，我國制造行業(yè)以傳統制造為主，大家著(zhù)重于研究討論鍛造、焊接、沖壓等傳統方法?！彼貞?。

該重大研究計劃實(shí)施的8年，逐漸形成了我國微納制造領(lǐng)域的“國家隊”。許多年輕科研人員的科研生涯深受該重大研究計劃的影響，從參與者逐漸成為科研骨干人才。

“自然科學(xué)基金委組織的重大研究計劃提供了一個(gè)平臺，把人才聚集起來(lái)?！币幻卮笱芯坑媱澘茖W(xué)家告訴《中國科學(xué)報》，“在參與重大研究計劃的過(guò)程中，我認識了許多同行，在各類(lèi)交流中互相啟發(fā)和幫助?！?/p>

據統計，該重大研究計劃實(shí)施期間，8位科研人員當選中國科學(xué)院或中國工程院院士，18位科研人員獲得國家杰出青年基金資助，另培養了974名博士后、碩士、博士。在科學(xué)家們看來(lái)，這都是該重大研究計劃在人才凝聚方面交出的優(yōu)異成績(jì)單。

面向未來(lái)，盧秉恒指出，科學(xué)家們正在爭取新一期重大研究計劃的支持?！跋Ｍ軐⒕葟脑訉蛹壸龅皆蛹?，為發(fā)展人工智能、生命科學(xué)等科學(xué)前沿應用，制造三維芯片提供支持?！彼裤街?zhù)。

摘自《中國科學(xué)報》