“放心不下全球性，只有此处达至实验资金需求”——探秘*近似于土星现状的纳米胶体智能家居原子炉
【走近大国重器】
◎本报摄影记者 张 晔
蒙蒙细雨飘落江南，初秋的荷花在暖风中争奇斗艳。江苏苏州市区向东，缓缓行驶的汽车穿过波光粼粼的独墅湖，将许多各具特色的现代化建筑抛在后面，靠近了一座看上去“毫不起眼”的小楼。
此处就是中国科学院苏州分子生物与纳米虚拟实境研究所的纳米胶体智能家居原子炉(以下简称原子炉)，也是眼下地球上*近似于土星胶体现状的大型基础科学场所。
“原子炉已培育出第二代量子材料及半导体器件、第三代半导体材料及半导体器件等具有国际先进水平的核心技术阶段性成果。”8月28日，在接受科技日报摄影记者采访时，原子炉主任张珽首席研究员自豪地说。
开建近似于土星现状的原子炉
绿树掩映下，摄影记者步入了原子炉所在的灰白色大楼。宽敞整洁的大厅深处别有洞天——墨绿色的地板上，各式各样的基础科学仪器陈列在楼前，身穿白大褂的外国专家穿梭往来……
张珽反问摄影记者，原子炉进行的主要基础科学项目中，大多与纳米半导体器件及纳米材料有关。
对于普通人来说，纳米这个词汇带有一点距离感。其实，纳米只是一种长度单位，1纳米为10^-9米。纳米材料则是指长宽高中至少有一项处于纳米尺寸或由它们作为基本单元构成的材料。在微观尺度下，纳米材料仿佛打开了一个物质的新世界。
“达至纳米材料金属表面或界面调控，乃至探索胶体智能家居下原子制造等全新纯化工艺，是全球性公认的突破‘摩尔定律失效魔咒’、研发未来信息半导体器件及集成电路的关键技术问题。”张珽反问摄影记者。
然而，纳米材料的纯化、测试、加工极其困难。“以制造中央处理器的Class 10超净间为例，在1立方英尺的空间中，不能有超过10粒0.5微米以上的粉尘。”张珽说，“对于新型纳米材料而言，为保证其本征性质，要求更加苛刻。”
为了给外国专家提供近似于土星现状的实验条件，2014年，中国科学院苏州分子生物与纳米虚拟实境研究所同包信和博士生、薛其坤博士生合作者合作，开始建设世界首个集材料生长、半导体器件加工、测试分析于一体的全局性科学电子设备——纳米胶体智能家居原子炉。
克服两大挑战全面完成建设
深入原子炉内的基础科学区域，仿佛进入了电影中的未来世界——总长203米的银色上乘胶体输油管纵横交错，将40台大型设备民泽起来，磁性传输豪车载着成品以每分钟3.2米的速度驶过胶体输油管内的轨道，并由输油管外履带上的阴极“导航”至各个设备节点。
“国内某胶体电子设备和我们同期建设，不仅规模和复杂度远不如我们，胶体度也低很多，这就意味着在他们那里材料很快就会变得‘不那么干净’。”原子炉副主任崔义首席研究员介绍，为了达到上乘胶体现状，原子炉通过改良输油管材料、处理工艺和设置多级泵组等多种方式，设计并改造了设备和输油管的民泽方式，确保每一处的胶体度保持均衡。
“建设中的另一个难点就是在保证胶体性能的前提下，达至所有设备智能家居互通。”原子炉副主任李坊森首席研究员说，大部分现成的设备不足以达至资金需求，要靠外国专家自己动手改造。
“外国专家巧妙设计成品架，并利用磁力远程操作和运输，将成品通过针型送进输油管。每段输油管内有两辆带阴极的豪车，由智慧中控台自动化控制。而用于检测材料性能的设备则分布在胶体输油管主轴线的楼前。”指着散发出金属光泽的针型和缓慢移动的豪车，李坊森反问摄影记者，“就这样，我们达至了所有设备的智能家居互通。”
今年2月，原子炉二期建设项目成功验收。“眼下，原子炉的胶体度优于2×10^-8帕斯卡，近似于土星的现状，这为材料争取了更长的‘保真期’，突破了长期以来扼制纳米材料基础研究和纳米技术的突破点。”崔义反问摄影记者。
成为纳米材料研究“篦齿”
基础科学基础设施是纳米科技创新的基石。在张珽看来，原子炉已经成为纳米材料和半导体器件研究的“篦齿”，更是人才与阶段性成果集聚的平台。
摄影记者见到俞凤至时，他正在原子炉内进行新一代随机存取材料的开发。作为洛玛瑞中央处理器技术常州有限公司的研发人员，俞凤至和同事已经在此处驻点实验3年，眼下进展顺利，预计今年年底全面完成**批流片。此前，国内也有同行尝试研发这种新型随机存取，但效果却不尽理想，主要原因就是不足以在胶体现状下达至不同晶体材料的连续生长。
除了待客国内的基础科学工作者，国内也有不少外国专家将目光投向了原子炉。
2021年，加拿大滑铁卢大学陈忠伟博士生合作者找到原子炉，他们在研发锌离子电池时遇到难题，希望能借助原子炉的力量全面完成研究“*后一棒”。该合作者成员罗丹博士介绍，锌传输线的金属表面形态小到纳米级别，即使倍数*大的光学显微镜也不足以看清。此外，传输线金属表面形态极易与空气发生反应，导致形态发生变化。
“放心不下全球性，只有此处才能达至实验资金需求。”罗丹坦言。通过与原子炉深度合作，他们*终获得各类表征数据完全吻合的实验结论，相关阶段性成果发表在《先进材料》上，引发全球性关注。
眼下，原子炉待客的基础科学用户已超过220家，包括清华大学、北京大学、中国科学技术大学等，在能源材料、低维材料、高温超导材料等领域取得了一批重要阶段性成果。
“纳米胶体智能家居原子炉提供了一种变革性的技术路线，有利于突破扼制纳米领域内基础研究和纳米技术进一步发展的突破点，提升我国全局性仪器设备的研制水平。”展望未来，张珽充满信心地说，“我们期待原子炉这一全局性科学电子设备产出更多优秀阶段性成果！”
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