祝傳海

大至藍(lán)鯨，小至微生物，生物的世界里，大小總是有著非常明顯的差別。但是在物質(zhì)的世界里，無論形態(tài)多么豐富，都離不開構(gòu)造物質(zhì)的最小單位粒子——它們是構(gòu)成物質(zhì)最基本的單位，是組成各種各樣物體的基礎(chǔ)。要想深入地探究粒子的結(jié)構(gòu)，就進(jìn)入了微觀的世界，這是一次微米甚至納米級別的窺探。大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授孫吉寧研究聚焦離子束的微納制造和超精密的微納復(fù)合加工，成功研發(fā)了第一代可以用于大尺寸微納加工制造的納米級金剛石切割工具，他就有著這么一雙“火眼金睛”。

“摸魚”的驚喜

研究聚焦離子束技術(shù)，探究這個(gè)對納米制造業(yè)核心部分——納米加工技術(shù)——至關(guān)重要的復(fù)合加工方法，是孫吉寧近7年以來最重要的工作。

聚焦離子束技術(shù)的原理是利用電磁透鏡將離子束聚焦成非常小尺寸的顯微切割儀器，由于離子具有較大的質(zhì)量，經(jīng)過加速聚焦后還可對材料和器件進(jìn)行刻蝕、沉積、離子注入等加工。目前其5nm的納米級別加工精度，可作用于多種材料，可在指定區(qū)域?qū)崿F(xiàn)定制化微納制造的能力在樣品加工方面存在著巨大優(yōu)勢，是其他樣品制備設(shè)備無法達(dá)到的水平。

“聚焦離子束是一種非常高精密的加工方法，但是它加工的效率低、加工速度慢，目前只能在芯片這樣極小型的器件上工作。”為了解決聚焦離子束在保持高精度加工的同時(shí)，又能夠適用于大面積器件加工的難題，孫吉寧從物理學(xué)層面對離子-原子相互作用進(jìn)行了系統(tǒng)性研究，揭示了離子束刻蝕過程中濺射原子形成機(jī)理和再沉積的作用機(jī)制，建立了一個(gè)聚焦離子束三維形性可控的刻蝕模型，提出了基于聚焦離子束刻蝕點(diǎn)時(shí)空連續(xù)變化的三維超精密加工方法。同時(shí)孫吉寧在蒙特卡羅模擬和水平集算法的基礎(chǔ)上，提出了DMC（散度補(bǔ)償法）和DFM（確定性制造方法）兩種方法，建立了聚焦離子束三維微納設(shè)計(jì)-加工理論模型。

根據(jù)孫吉寧掌握的超精密聚焦離子束三維刻蝕的核心技術(shù)，他首次制造出亞微米級（80n m）多刃金剛石刀具，打破了該領(lǐng)域近30年來的尺度極限，并將其用于超精密納米加工中，解決了大尺度下精確、快速、可控加工微納結(jié)構(gòu)的瓶頸問題。這種加工方法可以直接加工多種材料（金屬、陶瓷、塑料等），加工速度（2m/s）遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)刻蝕技術(shù)，其加工精度可達(dá)到半導(dǎo)體刻蝕技術(shù)的工藝水平。

國際T o p3超精密加工金剛石刀具供應(yīng)商康圖公司對此項(xiàng)技術(shù)給予了高度評價(jià)，公司總裁Mr.Andrew Cox認(rèn)為，“這項(xiàng)技術(shù)在將來很有潛力開展出一個(gè)全新的領(lǐng)域，是康圖刀具所有支持的項(xiàng)目中最具潛力的一個(gè)?！蹦壳跋嚓P(guān)產(chǎn)品已完成前期驗(yàn)證并已取得初步商業(yè)化，銷往英國、德國、美國、日本及中國臺灣等國家和地區(qū)。

基于以上突破性的工作，孫吉寧在2009年獲得了歐洲精密工程與納米技術(shù)學(xué)會海登海姆獎，2012年獲得了赫瑞瓦特大學(xué)物理工程學(xué)院優(yōu)秀博士論文獎，2015年獲得英國機(jī)械工程師學(xué)會路德維德蒙德獎。“現(xiàn)在想想還是很滿意的”，孫吉寧提到他開發(fā)出的第一代納米級金剛石刀具仍然很驕傲，他想起曾經(jīng)一位老師說的，科研就像摸魚，你不知道摸到的是大魚還是小魚，“正是因?yàn)槟悴恢?，所以才要摸，這種隨機(jī)的快樂正是科研讓人驚喜的地方”。

自由的勝利

自由地做研究是孫吉寧最喜歡的一件事。2013年，博士畢業(yè)后，孫吉寧繼續(xù)留在了英國赫瑞瓦特大學(xué)從事博士后工作，學(xué)校在研究上給了他非常大的自由度，“在完成導(dǎo)師項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，我可以非常自由地發(fā)揮，利用實(shí)驗(yàn)室的資源充分實(shí)現(xiàn)自己的想法?！敝?，他于2013年成為了物理工程學(xué)院當(dāng)時(shí)最年輕的助理教授。

孫吉寧在利用聚焦離子束加工芯片時(shí)，遇到了一些問題，“聚焦離子束相當(dāng)于一把非常小的手術(shù)刀，需要在特定位置切到特定深度，再往里面填充東西實(shí)現(xiàn)新的功能”。但是在加工的過程中很容易對芯片造成損壞。于是孫吉寧想到將微觀尺度下微納加工技術(shù)與宏觀尺度下人機(jī)交互操縱（Haptic）相結(jié)合，成功研發(fā)出一套可用于微納加工的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，用于數(shù)字化設(shè)計(jì)與規(guī)劃微納加工過程。這項(xiàng)研究是智能制造領(lǐng)域的熱點(diǎn)，它有個(gè)很科幻的名字，叫“數(shù)字孿生”。

數(shù)字孿生最大特點(diǎn)在于它是實(shí)體對象的動態(tài)模擬。其動態(tài)性的基礎(chǔ)是，實(shí)體對象的物理設(shè)計(jì)模型、傳感器對實(shí)體對象的反饋數(shù)據(jù)以及實(shí)體對象運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)等。如果需要對實(shí)體進(jìn)行設(shè)計(jì)修改，或想了解實(shí)體在特殊外部條件下的反應(yīng)，研究人員可以對孿生體進(jìn)行“試驗(yàn)”。這樣既能避免對本體的影響，又能提高效率、節(jié)省成本。

這項(xiàng)成果被英國機(jī)械工程師協(xié)會評為2015年度對Process Engineering領(lǐng)域的最佳貢獻(xiàn)獎，作為第一獲獎人，孫吉寧的工作獲得英國機(jī)械工程師協(xié)會2015年度Ludwig Mond Prize，并得到協(xié)會主席James Bridge先生（Fellow of IMechE）在英國機(jī)械工程師協(xié)會總部的頒獎。

在孫吉寧看來，學(xué)校給他極大的自由度，他就有了試錯的機(jī)會，好在結(jié)果總歸是不錯的。他說，做探索性研究，最大的挑戰(zhàn)是能不能沉得住氣，“尤其是你想做新東西的時(shí)候”。想做新東西，就意味著可能會失敗，“而你要承認(rèn)失敗”。孫吉寧說承認(rèn)失敗就一定要調(diào)整好心態(tài)，不然就會被失敗打敗，只有不放棄、不斷嘗試，才有可能走向成功。

科研上，孫吉寧最討厭“聽話”。他說自己喜歡那些敢于挑戰(zhàn)權(quán)威、有批判精神的學(xué)生，“這意味著他能做很多你想不到的東西出來”。從另一個(gè)方面來說，孫吉寧覺得只有尊重自己的學(xué)生，給他足夠的自由度，他才敢挑戰(zhàn)你?！艾F(xiàn)在回想起來，正是做博士后期間，因?yàn)橛辛藰O大的研究自由，我才能做出全新的研究成果。”

美好的未來

2019年，孫吉寧回到祖國，他選擇了大連理工大學(xué)作為自己回國發(fā)展的起點(diǎn)。他對自己的未來有很多目標(biāo)，“最重要的是利用我自身掌握的聚焦離子束技術(shù)，組建一個(gè)超精密微納加工中心”。孫吉寧說，加工中心要在滿足高精度加工的前提下，同時(shí)做到大面積、大尺度的加工工作，這是個(gè)既初步又長遠(yuǎn)的目標(biāo)。

如果精密微納加工中心能組建成功，那么不僅能夠在芯片這樣極小的器件表面做工作，還可以在飛行器這樣大的表面上進(jìn)行相關(guān)修飾，使它具有一些原有表面所無法擁有的特殊性能。

好的研究成果如何做到成果轉(zhuǎn)化，是每一個(gè)科研工作者永遠(yuǎn)在思考的問題?！白隹茖W(xué)研究的時(shí)候，往往追求性能的極致，但是在成果轉(zhuǎn)化的過程中，就需要做很多取舍。”孫吉寧想到自己和英國康圖公司的合作經(jīng)歷，有了很多感觸，“在研究成果轉(zhuǎn)化或者跟公司合作的過程中，需要的知識面更廣，不能只是專注于自己做的部分?！?/p>

在實(shí)驗(yàn)

為此，孫吉寧走訪了大連高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)，了解到不少優(yōu)秀的高新技術(shù)企業(yè)，“今年7月我和大連融科儲能公司展開了合作，目前正在聯(lián)合培養(yǎng)1名博士后?！睂O吉寧認(rèn)為成果轉(zhuǎn)化需要了解公司的目標(biāo)，積極配合著目標(biāo)，結(jié)合科研經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行相關(guān)的改良?！半p方積極地配合和調(diào)整，才是和公司長遠(yuǎn)合作的良方?！蔽磥?，孫吉寧希望能和更多的高新技術(shù)企業(yè)合作，讓自己的研究成果走向市場。

孫吉寧回國的時(shí)間不是很長，他總說一切都要穩(wěn)扎穩(wěn)打，結(jié)合自己的優(yōu)勢方向，特別是聚焦離子束和金剛石納米加工兩個(gè)方面，努力做一些應(yīng)用成果出來?！俺藘?yōu)勢方向，我也想探索一些新的現(xiàn)象和新的加工機(jī)理，提出一些新的制造方法和工藝，來補(bǔ)足現(xiàn)有加工方法的局限?！?/p>

現(xiàn)如今，超精密加工技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入到納米制造階段?！吨袊圃?025》將裝備制造業(yè)列為“加快突破的戰(zhàn)略必爭領(lǐng)域”。超精密加工作為裝備制造業(yè)中的關(guān)鍵技術(shù)，已經(jīng)被世界各國列為產(chǎn)品研發(fā)和技術(shù)應(yīng)用的重點(diǎn)。在孫吉寧看來，高精度與高效率是超精密加工永恒的主題，而探索能兼顧效率與精度的加工方法，則是他永恒的目標(biāo)。