原子级制造测量与表征研究现状综述

原子级制造是指将能量作用于原子,通过原子级材料的可控去除或者原子/分子级结构的大规模操控及组装,实现产品性能与功能跃迁的前沿制造技术,是一种可以大规模、批量化的先进制造技术。该过程需要在10^-10 m空间尺度下精确操控原子。同时,制造过程中原子的键合时间、电子动力学变化均发生在飞秒(10^-15 s)至阿秒(10^-18 s)量级。因此,只有具备超快时间和空间分辨在线检测与表征能力,才能够深入了解并利用原子级制造过程中原子尺度的新原理、新效应,保障原子级制造的可达性与可控性;只有实现原子级制造过程的高通量、大范围的在线监测,才能保障原子级制造的可靠性。基于此,原子级制造的测量与表征是指在原子级的时间、空间、能量尺度上对材料、结构或器件进行精确的测量和表征,以保障原子级制造的可达性、可控性与可靠性。本文介绍了原子级制造所需的测量表征手段的研究现状,从原子级超快动力学过程观测、原子结构演变原位表征、原子级制造过程在线质量监测三大方向进行系统梳理,总结了目前原子级制造测量与表征的挑战并针对未来发展给出建议。     

制造发展的三个范式：制造发展规律的研究

基于对人类社会发展历史和科学技术发展内在规律的认识,本文详细分析了制造发展的三个范式,论证了原子及近原子尺度制造是制造范式III的核心使能技术。文章回顾了国内外各机构对原子级制造研发规划现状,指出我国目前处于原子级制造技术发展的重要战略机遇期,并从设计、材料、加工和检测等角度分析了原子级制造的技术体系内涵;梳理了原子级表面制造、原子级结构制造、原子级测量与表征等领域的研究进展,呈现了当前具有原子级制造能力的部分代表性技术,包括原子级切削、原子级抛光、电化学加工、等离子体原子级加工技术、原子精准操控以及原子分辨测量与表征技术,并对原子级制造战略规划提出发展建议。     

原子层制造的研究现状与科学挑战

原子层制造是指加工精度达到原子层量级的可控制造技术,包括原子层去除、添加、迁移等。针对信息、能源、航空航天等领域核心零部件超高性能构建的发展需求,通过原子层可控去除制造全频段原子级精度无损表面,并结合原子层增材制造原子级新结构,有望实现特殊功能的有效创成,保证超高性能的安全可靠。另外,后摩尔时代先进芯片的制造工艺将迈入亚纳米物理极限,原子层制造需求贯穿芯片制造工艺的全流程。本文阐述了原子层制造技术的发展需求与研究进展,围绕原子层抛光、原子层沉积/刻蚀、原子层损伤控制、原子层工艺与装备等领域,梳理了原子层制造的发展方向及研究目标,凝练了原子层制造领域未来的关键科学问题及面临的挑战,探讨了前沿研究方向和发展战略。     

分布式能源中的基础科学问题

分布式能源系统作为高效、清洁、经济、可靠和灵活的先进供能系统,一直受到国际能源领域的广泛关注,也是推动能源转型和能源利用技术变革的重点研发方向,对于我国实施节能减排战略,构建清洁低碳、安全高效的能源体系,具有至关重要的作用。本文基于第233期双清论坛总结了分布式能源系统的研究现状、发展趋势及面对的挑战,凝练出未来5～10年分布式能源涉及的关键科学问题与技术瓶颈,探讨了相关前沿研究方向和科学基金资助战略。     

复合材料构件制造关键基础科学问题——第248期"双清论坛"学术综述

基于国家自然科学基金委员会第248期"双清论坛",本文总结了我国复合材料构件制造研究及产业发展所面临的国家重大需求,探讨了复合材料构件制造基础与工程应用的研究现状、发展趋势及面对的挑战,凝炼了该研究领域急需关注和亟待解决的重要基础科学问题,研讨了今后5～10年的科学基金重点资助方向.     

基于原子/分子团簇结构的材料与器件制造

原子/分子团簇是物质结构的一种新形态,具有独特的本征性质。从原子/分子团簇到器件的跨尺度制造,将为国防高端装备和新兴电子等产业发展带来深刻变革。团簇的多物质构效关系、宏量制造、团簇结构跨尺度构筑以及团簇器件的高性能制造等是原子/分子团簇器件制造的关键发展方向,主导着从原子到产品制造的发展历程。把握这些发展背后的重要机遇,将有助于占领原子级制造研究的制高点,引领原子级制造方法的变革。本文从团簇新材料的宏量制造、新型功能器件的原子/分子团簇构筑、团簇—器件的跨尺度制造工艺和装备等三个方面概括了原子/分子团簇与器件制造领域的主要研究进展,总结了原子/分子团簇与器件领域的关键科学问题及面临的挑战,并对其未来发展方向和发展战略给出了建议。     

化学品智能制造的科学基础

基于第318期“双清论坛”,面向通过人工智能技术促进化工基础理论发展和指导产业化实践的目标,本文介绍了化学品智能制造的科学背景,凝练了人工智能方法与化工基础研究和产业化实践深度融合的关键科学问题,展示了近年来化学品制造工艺变革、技术和装备创新、系统集成和优化控制等方面的研究进展,对化工过程智能化研究提出建议,推动我国在化学品智能制造原理和方法上的重大创新。     

电化学能源核心技术的关键科学问题

第218期双清论坛"电化学能源"针对二次电池和特种电化学能源、燃料电池、超级电容器、电化学能源方法与基础等方面,聚焦电化学能源核心技术和关键科学问题,分析了基础前沿和国家重大需求,总结了我国电化学能源体系中的"卡脖子技术"及其背后的关键科学问题,提出了解决这些关键科学问题的思路、举措和保障机制,以及未来5～10年的重要研究方向。     

绿色制造的系统科学问题分析

目前,绿色制造问题已经受到社会各界的广泛关注,如何运用系统科学原理对绿色制造问题进行研究与控制是当务之急。文章以"走新型工业化道路"与"生态文明观"为指导思想,从系统科学的角度,将系统科学中许多重要的思想、方法和观点引入到绿色制造的问题之中,以期解决绿色制造问题,对政府和企业的最优决策提供了理论上的参考,具有重要的现实指导意义。     

纳米锰的微尺度结构分析及应用的基础研究

根据纳米锰材料的结构和结构缺陷的特点,运用团簇物理、化学理论的方法,通过研究纳米锰内部原子的排列,电子能带结构的形成和发展,分析了纳米锰结构中的表面、内部及界面现象,探讨了位错导致层错和形变孪晶的形成原因,为发现和制备新型纳米材料提供了一种理论方法和基础。     

服务型制造的概念、问题和前瞻

分析了服务型制造产生的历史背景和趋势,研究了服务型制造概念的演化阶段,提出了服务型制造概念的四个层次,分析了服务型制造的语义含义,并进一步提出了服务型制造所主要解决的若干理论和现实问题,最后提出了服务型制造的研究层次和在整个学科丛林中的定位,认为服务型制造研究是介乎于经济学、管理学、心理学和信息科学的新的边缘学科。文章认为,作为一种新兴的制造模式和新兴研究领域,服务型制造由于其具有的现实意义和理论意义,需要更多的学者给予关注。     

流体电池的化学工程科学问题

流体电池以可流动物质作为能量载体,具有能量与功率解耦、设计灵活、可扩展性好、不受地形地质限制等优点,是推动长时间能量存储、支撑可再生能源大规模并网、构建新型电力系统、实现双碳目标的关键技术。本文基于国家自然科学基金委员会举办的第311期双清论坛,阐述了储能技术的战略意义,总结了流体电池的分类与现状,探讨了流体电池中热流科学和化学工程的学科交叉问题,提出了同时提升流体电池传输性能和电化学性能的有效途径,并为促进流体电池的发展提供了政策建议。     

国家自然科学基金重大项目“禽流感关键科学问题的基础研究”的紧急启动与思考

针对我国禽流感频繁发生和人感染禽流感新发病例不断出现的严峻现状,国家自然科学基金委员会依据国家需求,组织多学科相关领域的专家进行了论证,经过立项、公开申请、项目初评、答辩和自然科学基金委委务会审议,紧急启动了“禽流感关键科学问题的基础研究”这一重大项目,旨在推动禽流感的基础研究,提供人类和动物流感发生与流行的分子生物学和免疫学信息,为禽流感药物和疫苗的研发提供理论依据,并为禽流感科学防控措施的制定提供技术支撑。本文介绍了“禽流感关键科学问题的基础研究”这一问题的提出、立项、科学问题凝练、内容和目标的确立及思考等。     

纳信息功能器件系统的关键科学问题和发展趋势

本文综合评述了国内外纳电子器件和新原理的纳功能器件的最新进展,指出硅基微电子技术正在向与新的、目前尚不明确核心技术的纳信息技术共同发展的方向转型,这是我国信息技术和产业后来居上的重要机遇。基于纳尺度各种显著的物理效应和多场耦合原理,开展低维纳功能器件的新原理、新性能、新架构的深入系统的研究,具有重大科学与现实意义。这类纳信息功能器件与硅芯片技术相融合的设计、工艺和技术将是需要突破的重大问题。随着纳米科学技术研究的重点向功能化器件系统方向发展,如何加强以产业发展为背景的研究,特别是加强微纳电子、芯片设计制造业与纳米科技基础研究的结合,加强微纳硅工艺与新的纳米技术的结合,加强高水平科学研究发现与关键技术创新的结合,是我国纳米科学技术发展的重要问题。     

教育信息科学与技术领域关键科学问题的分析与思考

国家自然科学基金委员会于2018年设立教育信息科学与技术申请代码F0701,反映了教育科学在基础理论、基本方法和关键技术等方面与 自然科学深度融合发展的新趋势,为以 自然科学方法研究教育科学问题、学习科学问题提供了新空间,对于推动教育创新和变革具有重要作用.本文基于对2018-2019年度国家自然科学基金在该领域资助项...     

大数据与人工智能时代下复杂系统管理研究的若干关键科学问题

当前,世界正在进入大数据与人工智能时代,复杂系统已呈现出人—机—网跨尺度耦合与互融互通的新形态。新形态下的复杂系统管理,既要对传统管理理论和方法进行突破创新,更要充分借助先进的技术手段对其进行赋能。本文面向大数据和人工智能时代下复杂系统管理的国家重大需求,阐述了当前复杂系统管理研究存在的重大机遇与挑战,分析了当前复杂系统管理研究的研究现状并指出了未来的发展趋势,在此基础上,进一步凝练了未来5～10年该领域的发展目标、拟开展的重大关键科学问题及其资助重点。     

中国糖尿病发生发展与干预的关键科学问题——第68期“双清论坛”综述

糖尿病是一类严重威胁人类健康的复杂性疾病,近年来虽然对糖尿病的病因、发病机制以及临床诊治均取得了重要的进展,但仍有大量科学问题悬而未决。2011年9月14—15日,第68期双清论坛"我国糖尿病发生发展与干预的重要科学问题"在上海召开。来自19个高校和科研院所的30余位专家围绕论坛主题,基础与临床相结合,不同学科相互沟通,全面分析了国内外研究现状,深入探讨了该领域目前存在的关键科学问题,并根据中国的国情特色,提出了糖尿病领域未来重点需要发展和资助的方向以及建议。     

稳定支持、集成升华,科学基金促进中医药基础研究发展——“中医药学几个关键科学问题的现代研究”重大研究计划完成

"十五"期间,国家自然科学基金委员会针对中医中药学科基础研究中的若干科学问题组织实施了中医药领域的重大研究计划。经过8年多的努力,该计划完成了既定任务,达到了预期目标,取得了显著成绩。本文对该项目执行情况进行综述,并对今后中医药学的发展提出若干建议。