持续研究纳米制造的设想

随着技术水平的爆炸性急剧提升及社会经济发展内在需求的推动，纳米制造不再仅仅满足于制造尺度这种单一维度的发展方向，逐渐向跨尺度、多材料方向发展。在制造精度上，进一步逼近目前制造方法的物理极限；在制造尺度上，追求满足宏观系统的需要；在材料体系上，从硅基半导体发展为多种半导体材料（III-V族、II-VI族）、碳基、聚合物、低维结构材料等，近年来，纳米制造技术结合其他制造技术，也在尝试开展陶瓷材料、体块金属材料的纳米功能结构的制造。此外，对半导体材料的高精度制造，使得人们有望自由地操纵电荷，为信息产业高速发展奠定坚实基础。纳米制造将人类制造能力推进到原子级尺度，它不仅为精密制造提供了新途径，也为工程师们从原子、分子层次上设计出性能优异的新材料、新结构提供了技术保障。如果纳米制造能有效结合跨尺度制造，实现对离子、光子、声子的有效控制，那么纳米制造将创造出许多具有颠覆性技术的新产品。

根据国际纳米制造发展趋势，结合我国当前纳米制造水平与基础，未来10~30年，我国在纳米制造领域可能取得重大突破的研究包括以下几个方面。

（1）趋近物理极限的原子级制造

未来的纳米制造精度和尺度要全面拓展到原子水平。原子级制造是加工尺度为原子量级的制造，包括原子级减材制造（原子层去除、物理/化学键调控）与原子级增材制造（原子尺度可控组装、生长），从原子尺度构建新材料、新结构、新性能，将制造精度与尺度从“纳米”延伸至“原子”。美国国家科学基金会的“纳米技术发展研究”、美国国防高级研究计划局“从原子到产品”（A2P）项目以及欧盟的纳米制造2020计划等，均将“原子级制造”列为未来10~20年的发展战略。

例如，原子级制造为操控离子提供了技术可行性。离子有选择地跨膜输运是生命过程中最为重要的输运过程，经过自然进化，离子通道的一个基本特征是实现有选择地跨膜输运；近20年来，人们模拟离子的跨膜输运过程，研究海水淡化、海水发电、高能量密度离子电池的可行性。困扰离子选择输运的难题是高精度纳米制造技术，不同离子半径的差异为0.1~0.3 nm，如果制造精度能够达到亚纳米，这为新能源技术的快速发展提供了途径。再者，如果能够实现特征尺寸在2 nm以下的离子通道的大批量、高精度制造，不仅为离子选择提供可能，也为基因测序、蛋白质测序提供颠覆性技术。基于纳米孔的单分子读取技术不需要扩增即可快速读取序列，通过直接读取碱基序列穿过纳米孔的电学信号，就可以实现碱基序列的测定，这被认为是下一代基因测序和蛋白质测序技术中成本最低、最具有竞争力的技术。

此外，常规纳米制造方法与技术，其特征主要体现为平面纳米制造，即在制造平面内保证纳米精度。“碳”制造是以新型二维/类二维材料为切入点，利用二维材料在制造平面外的亚纳米级精度，发展全新的大规模空间三维纳米尺度可控的宏微纳跨尺度制造方法。鉴于二维材料在结构稳定性、导电性、导热性、生物兼容性等方面的优异性能，以及对电、光、磁等外场的特异响应，可以预见以二维材料为基础的大规模碳制造，将在能源、信息、生命、新材料等重大领域取得颠覆性应用。

在本重大研究计划的资助下，我国研究人员在电子调控制造、化学机械抛光等方面的加工已经进入了原子尺度，取得了重要突破。面向未来应用的原子级制造，在前期成果基础上，重点发展：①电子/离子调控的量子制造理论。与物理学科深入交叉，发展量子制造理论，将非金属超快激光制造发展到金属的电子调控制造，满足未来战略必争的极端制造需求。②化学键解构制造理论。与化学学科深入交叉，将化学机械抛光发展为更具有普适性化学键结构与重构的广谱材料制造方法。

（2）面向普适对象的大规模精准制造(www.xing528.com)

纳米制造技术的发展经历了一个漫长的过程，从天然存在的纳米物质到人工操控原子、分子的纳米材料与器件，这是一个从不自觉到自觉、从设想到理论上的突破再到制造应用的过程。在这个过程中，制造手段的创新是实现高水平纳米制造的前提和基础。在本重大研究计划的资助下，研究人员在激光微纳制造、纳米压印等方面取得了重要突破。面向未来纳米制造进一步拓展应用的需求，在前期成果基础上应重点发展：①精准制造。以高能束制造为例，如何有效精准地实现高能束斑、射角、能量密度、射角等参数的调控，满足未来超高精密原子级制造需求。②普适制造。目前得到有效应用的纳米制造手段都只是针对一种或者有限几种特定材料体系。如何在进一步丰富和完善纳米制造理论基础上，面向多种材料完善普适性、大规模纳米制造工艺和技术，对将来纳米制造走向大范围应用具有举足轻重的意义，也必将是未来重要的研究方向。

（3）满足社会发展新需求的纳米制造

微纳制造基础科学研究是支撑纳米科技走向应用的基础，并在传感检测、新能源开发、能量转换和储存及生物技术等领域取得了飞速的发展。在本重大研究计划的资助下，研究人员已经发展出一系列的纳米制造工艺，服务于芯片制程抛光、光刻机镜头抛光、靶球微孔制造、米级二维计量光栅、空间航行器表面多级微纳结构蒙皮等国家重大科学/工程任务，为提升我国纳米制造工艺与装备水平提供了理论与技术基础。永无止境的科学发展为技术产品的不断创新奠定了基础，同时也对技术进步不断提出了更高要求。例如，在物理学家不懈努力下，人类对微观量子态的操纵水平不断刷新纪录，量子计算机也从理查德•费曼提出的概念逐步成为可能。可以预见，将来量子计算机的普及应用离不开纳米制造技术的创新，对纳米光纤、相关功能纳米结构单元和器件等的大规模、低成本的制造需求，将犹如我们今天对芯片的需求。面向人类社会发展新需求的新一代纳米制造技术及其衍生出的新一代纳米计量、纳米检测相关理论、技术和设备，毫无疑问将会是未来的研究趋势。

（4）效法生命科学的类脑智能制造

面向生命科学的纳米制造，主要的难点在于“生命”功能特征的材料，一般难以用现有的纳米制造方法进行加工，需要探索新的加工方法；此外，在加工过程中“生命”功能特征的保留，亦是当前生命科学领域纳米制造的难题。生物体具备强大的自我修复能力，但纳米器件受热、机械和化学等因素的影响，在应用过程中，结构形状破裂，使用寿命和力学性能受到影响。通过模仿生物体自身修复损伤的原理，智能自修复微纳米器件是未来的重要发展趋势。基于自修复材料的智能微纳米器件可在包括军用装备、电子产品、汽车、飞机等领域获得广泛的应用。该技术的突破对维持社会的可持续发展具有重大意义。国际纳米制造强国已经对类脑生物制造进行了战略布局：2013年欧盟推出“人脑工程”，集合逾120所大学共同攻关，投入超过10亿欧元；2014年美国布局“脑计划”，由NIH、NSF、DARPA、FDA、IARPA等机构合作，预计未来10年投资超过45亿美元，展开类脑生物制造研究；2015年美国推出“精准医学计划”，是NIH四大优先投入项目之一，2016年投入2.15亿美元，重点展开类脑工程、纳米精准医学等方面研究。

国际纳米制造强国已经对类脑生物制造进行了战略布局，本重大研究计划在立项之初就重点关注和资助纳米制造与生命、化学、信息等领域的深度交叉，在纳米靶向药物精准医疗、类脑智能器件、仿生制造等方面取得了一系列突破。面向未来应用的类脑生物制造，可以与生命学科深入交叉，发展人体器官再创、5D增材制造与仿“DNA”制造理论；基于随机神经网络的类脑器件制造方法将类脑器件由固定关联模式发展到随机网络型互联，从底层提升类脑器件的智能；将生物在基因控制下利用环境物质和能量生长原理与原子级制造技术结合，发展仿生原子制造理论，探索全新的物质能量可控利用和转换，以及类脑智能系统的仿生制造。