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刘云圻：《未来产业制造的前沿新技术浅谈》
2026-09-15 13:39:29
作者：刘云圻（中国科学院院士，中国科学院化学研究所研究员）
制造业是国民经济的主体，是立国之本、兴国之器、强国之基。先进材料的应用对制造业的未来发展至关重要，它决定了制造业能够达到的技术高度和创新水平。现代制造业发展的趋势有两大方向：一方面是制造越来越大的产品，比如大飞机、航空母舰和大型隧道挖掘机；另一方面则是制造越来越小的产品，从毫米、微米一直缩小到纳米级别的微小零件，最终可以达到原子级的精准制造。如果能够直接操作单个原子或者分子，就可以像非常精细的乐高积木一样，一块一块搭建出我们所需的材料结构或功能器件，这就是所谓的原子、分子制造。
那么，为什么原子、分子制造更具优势呢？传统的制造通常是“自上而下”的，即从一大块材料开始，逐渐削减和加工成想要的形状，但这种方法在做到一定精细程度后会遇到限制。而原子、分子制造，则以功能为导向，采用的是“自下而上”的方法，即从最基础的原子或分子开始构建，这样可以突破传统制造技术的极限，实现更精密、更复杂的制造。
为了实现原子、分子制造，科学家们已经研发了很多新技术。可以让研究人员看到并移动单个原子的扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）；可以一层一层地沉积原子，制造具有均匀厚度和高纯度薄膜的原子层沉积技术（ALD）；可以在表面上精确放置原子或分子的化学气相沉积（CVD）和分子束外延生长（MBE）技术；还有开发二维金属框架化合物和共价框架化合物的方法，这些都是用来精准控制物质合成的新手段，能够让我们更好地控制和利用原子及分子级别的物质。
在过去的几十年里，硅一直是半导体工业的核心材料，用于制造晶体管和其他微电子组件。硅之所以成为主流，是因为它具有良好的电学性质、相对容易加工，并且成本较低。而碳材料也因其卓越的电学、热学和机械性能受到了广泛关注，特别是在高速、低功耗的应用场景中，碳材料中的石墨烯成为了未来电子器件的一个潜在候选材料。分子科学基础、形态学的要求以及跨尺度模量适应能力等层次首次定义了本征柔性的概念，得到了业界的广泛认可与关注。与传统的柔性不同，本征柔性主要依靠材料本身的柔性，而不是通过物理柔性或者结构柔性来实现的。
这种通过柔性连接的分子材料，其特点是能通过分子设计来改变结构并改变性能，刘院士认为，这一特点在硅电子中很难做到的。而本征柔性神经形态光电子器件作为下一代智能可穿戴设备、硬件植入和仿生机器人的必然组成部分，对人类未来的生活方式也具有极其重要的意义。
作者介绍：
刘云圻：物理化学家，中国科学院院士，发展中国家科学院院士，复旦大学教授、博士生导师，中国科学院化学研究所研究员，中国化学会创始会士。兼任：科技部国家重点基础研究发展计划（973计划）重大科学前沿领域第四届专家咨询组副组长、中国化学会理事、有机固体专业委员会副主任。刘云圻院士长期从事分子材料与器件的研究，发展了高性能分子材料的设计思想，提出了性能调控的新方法，合成了具有优异光电性能的新型π共轭分子材料。研究生长高质量单晶石墨烯，制备氮掺杂的石墨烯以及对石墨烯电学性能的调控，发展出在介电层上直接生长石墨烯的新方法。发表SCI论文600余篇，他引3万余次，h因子大于80，获授权中国发明专利70项，出版专著两部及19章节；在国内外学术会议上做大会/邀请报告150余次。2007、2016年获国家自然科学二等奖各一项，2017年获北京市科学技术一等奖一项，十次获中国科学院优秀导师奖等。2014-2018年连续5年入选汤森路透全球“高被引科学家”。
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