中国科学家搞定纳米压板！1个原子厚度的金属让芯片、能源都变天
“我们正在接近物理极限。”这是芯片行业近年来最常听到的一句话。
当台积电和三星为了3纳米、2纳米制程投入数百亿美元时，一个更根本的问题浮现了：在原子尺度之上，我们还能继续缩小多少？
这个问题让全球的研究者开始重新思考制造的本质。
如果能够在单个原子的层面上进行精确操控和建造，会不会开启一个全新的可能性？
这就是原子制造，一种可能让计算能力实现千倍跨越的技术。
回顾芯片发展历程，几乎就是一部不断缩小的历史。
从早期只能容纳几个晶体管，到如今指甲盖大小的芯片上塞进几百亿个晶体管，这种进步一直遵循着摩尔定律的预测。
但现在，情况正在发生变化。
一位半导体行业的工程师打了个比方：“就像是在一根头发丝上雕刻整座城市，而且这座城市还在不断变得更密集。”
3纳米制程相当于把二十多个金属原子排成一行的宽度，在这个尺度上，量子效应开始干扰电子元件的正常运作。
更现实的是经济账：建设一条3纳米生产线需要超过200亿美元投资，而芯片设计的成本也从几百万美元飙升至数亿美元。这样的成本增长已经让许多公司望而却步。
芯片行业走到了一个十字路口：是继续沿着老路前进，每一步都付出更高代价，还是寻找全新的方向？
那么什么是原子制造？
想象一下，你面前有一盒乐高积木，而你的任务是用每一块积木搭建出复杂的结构。
原子制造的基本理念与此类似，只不过“积木”变成了原子，物质的基本构建单元。
与传统制造方法不同，原子制造不是在材料上“雕刻”图案，而是从下往上，一个原子一个原子地构建功能结构。
这种方法理论上可以达到最高的可能精度，因为不可能有比原子更小的制造单元了。
中国科学院技术专家解释说：“这就像是写文章时的选择，传统制造像是在整块石头上雕刻，而原子制造则是用单个字母组合成词汇和句子。”
这种方法的潜在优势令人惊叹。理论上，原子级别制造的芯片可以在同样面积上容纳更多晶体管，同时因为结构更精确，能耗也会大幅降低。
有研究预测，某些类型的原子精度器件可能将算力提升数百倍甚至千倍。
在二维材料研究领域，中国科学家近期取得了一项引人注目的进展。
大多数材料在三维空间中原子以各种方式紧密堆积，就像紧紧抱在一起的团体，难以分离。
传统的二维材料制备方法只适用于具有层状结构的材料，就像可以轻松剥离的一叠便签纸。
但现实中超过九成的材料，包括大多数金属，更像是压实的黏土，原子在各个方向上都紧密结合。
从这类材料中制备出仅有单个原子厚度的薄层，曾被科学家认为是几乎不可能完成的任务。
中国科学院物理研究所的一个团队开发出了一种名为“范德华挤压”的新技术。
他们巧妙地将金属加热至熔融状态，然后利用只有单原子厚度的二硫化钼作为“纳米压板”，成功制备出了各种超薄金属层。
这些金属薄片的厚度仅相当于一张普通打印纸的百万分之一。如果将一枚硬币的厚度按同样比例展开，其面积足以覆盖多个足球场。
研究团队负责人张广宇教授表示：“这种方法的美妙之处在于它的通用性。原则上，我们可以制备出各种金属的原子级薄层，为探索新的物理现象和应用打开了大门。”
从传统制造转向原子制造，不仅仅是技术上的进步，更是一种思维方式的转变。
在现有技术路线下，芯片制造商使用光刻技术“雕刻”硅片，这就像用喷雾罐在墙上涂鸦，有效，但不够精确。而原子制造则像是用细尖钢笔作画，可以控制每一个细节。
这种精确度带来的好处是多方面的。
对电子设备而言，更小的晶体管意味着更快的运算速度和更低的能耗。
如果算力能提升数百倍，我们今天面临的许多计算难题将迎刃而解，从实时语音翻译到复杂的天气预测，从新药研发到自动驾驶。
在能源领域，原子级精确的催化剂可以大幅提高能源转换效率，对可再生能源发展至关重要。
在传感器领域，原子级器件可以检测到极微量的特定分子，在医疗诊断和环境监测中发挥重要作用。
“这就像是人类第一次学会冶炼金属，”一位材料科学家评论道，“我们不再仅仅是寻找和使用自然界存在的材料，而是开始创造自然界不存在的材料，这些材料具有我们预先设计的功能。”
在北京市中关村的一家实验室里，研究人员正在调试一台能够操控单个原子的设备。
显示屏上，由数十个原子精确排列形成的图案微微闪烁，仿佛在暗示着一个全新的技术纪元正在开启。#头条深一度#
参考资料
1. 国家自然科学基金委员会：《原子级制造基础研究重大研究计划指南》
2. 中国科学院物理研究所：《二维金属材料制备新方法研究进展》
3. 半导体行业观察：《后摩尔时代的技术路线图》
4. 先进材料：《范德华介导的二维金属制备》
5. 自然-纳米技术：《原子级精确制造的挑战与机遇》
（老A）
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