大科学装置 打造探索未知世界的科研“利器”

新华日报 2024年12月4日 第14版

大科学装置相当于是对人类眼睛、耳朵、手观测能力的延伸，也是现代科学技术诸多领域取得突破的必要条件。近日，我省两个培育中的大科学装置正在落地建设，这些高精尖的科研设施将如何助力科学家探索未知？记者邀请相关专家进行科普。

从原子底层定制科幻未来

近日，南京大学与南京市签署了共建原子极微制造实验设施合作协议。记者了解到，此次签约的南京大学原子极微制造实验设施，正是当下最前沿、最尖端的大科学装置之一。

什么是原子制造？实验设施能发挥什么作用？原子制造的未来还有多远？记者就此专访了南京原子制造研究所的相关专家。

什么是原子制造？“顾名思义，就是以原子为原料制造所需的材料和器件产品。”相关专家科普道，微制造正在成为先进制造业的一大趋势，“举个例子，芯片就是一种微制造技术，它的制造工艺从微米级到纳米级正不断精进、不断逼近极限。”而真正的原子制造，将成为微纳制造后人类制造技术继续微缩发展的趋势。“原子比纳米还要再小很多，原子制造将实现对原子的逐一精准操控，将原子按需垒砌，从而将制造的结构、尺寸全面提升至极限水平。”

有人说，原子级制造可能是人类改造物质世界的终极能力之一。相关专家认为，在制造和材料方面，从原子底层实现自由定制的未来的确非常美妙，对现有技术或将是一种“降维打击”。

曾有测算，一种新材料从设计到应用开发需要18年；而以往的研究告诉我们，可能要上千个材料才有1个有应用价值。很多研究人员可能终其一生都无法获得真正具有应用价值的新材料。而原子制造可以提高化学合成中的精准性，定向搭建自己想要的分子和材料，这样每年都可以开发出大量的新材料。

此外，原子级制造还将推动制造业的重大变革，例如，在集成电路行业，微纳制造的芯片能力正在趋于极限，原子制造将推动器件特征尺寸和加工精度从当前纳米级别微缩至原子尺度，获得的器件性能将千百倍提高，实现同等尺寸的芯片算力巨大提升。

原子级制造面对的挑战中，最关键的还是基础设施与装备部分。基础设施与装备为何如此关键？这与原子级制造在产业化关键进程中面临的重大挑战有关。据了解，在传统制造过程中，制造的精度、范围和效率是互为矛盾的三角，而对原子级制造而言，三者矛盾更加突出。

“通俗地讲，操控的单元越小，制造同样产品所花的时间就越长。”专家举例说，在宏观工件上精准找到一个特定原子，难度堪比大海捞针；而在原子级制造中要求反复、精准实现大海捞针，并按照一个线程或者多个线程逐个垒砌原子。即使能够成功，其效率也可能低到无法实现规模化、产业化地应用。要规模化制备原子产品，就必须建设原子极限微制造实验设施这样的大型试验装置。

在原子极限微制造实验设施合作协议签署后，大科学装置建设进入快车道。该项目建成后，科学家们将通过物理和化学方法制造原子团簇，进行原子团簇实验测试。

原子团簇材料与制备是原子制造的几条路线之一。除了原子团簇之外，国内外还有科研团队利用探针操控、激光操控、化学分散、精准组装、原子层异质结等路线探索原子制造。记者了解到，所谓团簇，就是原子分子到大块材料之间的一个结构，简单说，10个—50个原子打成一团，就叫做团簇。

南京大学在原子团簇物理技术上已有数十年的积淀，也取得了一系列重要进展。“就拿团簇制备来说，上世纪80年代制备1毫克团簇，我们需要1万年，而现在只需一个小时。”专家表示。从控制原子团簇的原子数目、控制原子结构到最终的高效智能定制，原子制造的科学进程可能很长，但过程中的任何一点进步，都将产生巨大的价值和很好的产业化前景。

当前，原子级制造正处于从理论创新与关键技术突破向产业化迈入的关键阶段。党的二十届三中全会《决定》已将“原子级制造”纳入未来产业名词权威解读，这令科学界和产业界都倍感振奋。

依托南大原子极微制造实验设施项目，浦口区的南京原子制造创新研究中心将聚集一支横跨物理、化学、天文、材料、电子等学院的跨学科团队，共50多人，基于前期取得的系列科学研究成果，开展工程化地按需创制新材料的前沿探索。记者了解到，目前原子极微制造实验设施已正式列入江苏省重大科技基础设施首批重点支持项目，未来将建立起一个国际领先的科学、技术与产业高度融合的人才队伍和学术、产业基地。

瞄准“无人区”建一个“小南极”

“我们的目标是建成世界上单体规模最大的极地与极端环境模拟装置，为在南极运行的各类仪器设备和参与各类项目的人员提供测试环境，服务中国乃至全世界的南极科考事业。”近日，由省发改委、东南大学、南通市人民政府三方共同推动的“极地与极端环境模拟实验设施预研项目”正式启动，这也标志着南通市首个大科学装置正式落地。

面向国家迈向极地与高原等重大战略需求建设，该预研项目将通过模拟极地陆域典型的复杂恶劣自然条件，为极地与极端环境条件下的人员—装备—设施相互耦合的基础科学问题及工程保障技术研究提供基础环境条件。

为何要推进这项工作？东南大学自动化学院院长、大科学装置项目负责人魏海坤告诉记者，长期以来，国内外没有一个大型的模拟环境能满足南极科考用的各类仪器设备、工程机械的研发测试需求。然而，南极科考设备如果没有经过充分测试，使用过程中一旦出现问题，后期开发的周期、成本等都会成倍提升，甚至会威胁到科考人员的生命安全。

2010年9月27日清晨，我国南极科考冰穹A支撑平台项目技术负责人、东南大学教授郝英立在西藏高原测试期间，因旅途劳累、超负荷工作和高原反应，倒在了海拔4300米的西藏羊八井宇宙射线观测站，生命永远定格在了47岁。

“尽管和南极的真实环境仍有很大差别，但西藏羊八井是我们当时认为最接近南极环境的地方，团队成员多次往返西藏也为了在高原环境下测试设备性能。”郝英立教授的逝世像一根钉子一样扎在了魏海坤的心中，也更让他坚定要模拟极地陆域极端复杂环境的决心。

在南通建一个“小南极”，目标很明确，但实际推进却困难重重。

此前，东南大学已先后派出魏海坤、张侃健、葛健、方仕雄、刘西陲等多人分别赴南极昆仑站、泰山站、中山站完成相关科考任务。实地深入南极，方知极地环境的复杂多变。

魏海坤以地处南极内陆深处的昆仑站为例，这里是南极冰盖的最高点，海拔超过4000米，属于“南极中的南极”。“昆仑站的最低气温在零下80多摄氏度，气压约为0.5个大气压，空气中的含氧量相当于西藏海拔5500米左右的水平……”

低温、低气压、强风、降雪……想要单独模拟其中的一、两种环境条件还相对容易，但南极多种极端恶劣环境条件耦合，最终如何能实现这一快速交变环境成为了装置研发的最大难点。“比如一般实验设备的材料耐低温的极限是零下40摄氏度左右，这也意味着，极地与极端环境模拟装置中所用到的材料、检测设备、装备等必须要定制或改造。再比如，人在完全封闭的模拟装置中活动，空间里的氧量会被慢慢消耗，如何在封闭的交变环境中维持氧量的稳定，这些都是需要重点攻关的难题。”

“模拟南极极端环境，为何不去东北漠河而最终选定南通？”采访中，记者不禁提问。

“确实，极端环境模拟需要很多的冷能，而南通的沿海地区特别是洋口港液化天然气（LNG）冷能丰富，正好能够满足项目需求。”魏海坤介绍，液化天然气想要变成老百姓所使用的天然气，需要经过液体变气体的气化过程，而这一过程中会产生很多冷能。“过去这些冷能利用率不高，往往排向大海，这不仅是资源浪费，还可能对环境造成污染。而如果将这些冷能应用于极地与极端环境模拟装置，则可以变废为宝，充分利用这一资源。”

据悉，目前项目各方已建立沟通机制，首批项目建设团队成员已进驻南通。“预研项目中，我们计划在3年半的时间里设计出一个小型的极地与极端环境模拟装置，舱体中的实验空间约占100多平方米。而真正的大科学装置则规模要大得多，核心设备实地占地至少200亩。”

此前，东南大学团队自主研发的远程遥控无人值守能源供应模块“东大极能”主要是为各类仪器设备在南极极端环境下提供能源和远程监控支持，目前其2.0版本已在南极昆仑站、泰山站、秦岭站运行。“如果未来极地与极端环境模拟装置成功落地，相信‘东大极能’的更新换代工作将会容易很多。”魏海坤说。