在纳米尺度上追求极致——记大连理工大学机械工程学院教授孙吉宁

祝传海

大至蓝鲸，小至微生物，生物的世界里，大小总是有着非常明显的差别。但是在物质的世界里，无论形态多么丰富，都离不开构造物质的最小单位粒子——它们是构成物质最基本的单位，是组成各种各样物体的基础。要想深入地探究粒子的结构，就进入了微观的世界，这是一次微米甚至纳米级别的窥探。大连理工大学机械工程学院教授孙吉宁研究聚焦离子束的微纳制造和超精密的微纳复合加工，成功研发了第一代可以用于大尺寸微纳加工制造的纳米级金刚石切割工具，他就有着这么一双“火眼金睛”。

“摸鱼”的惊喜

研究聚焦离子束技术，探究这个对纳米制造业核心部分——纳米加工技术——至关重要的复合加工方法，是孙吉宁近7年以来最重要的工作。

聚焦离子束技术的原理是利用电磁透镜将离子束聚焦成非常小尺寸的显微切割仪器，由于离子具有较大的质量，经过加速聚焦后还可对材料和器件进行刻蚀、沉积、离子注入等加工。目前其5nm的纳米级别加工精度，可作用于多种材料，可在指定区域实现定制化微纳制造的能力在样品加工方面存在着巨大优势，是其他样品制备设备无法达到的水平。

“聚焦离子束是一种非常高精密的加工方法，但是它加工的效率低、加工速度慢，目前只能在芯片这样极小型的器件上工作。”为了解决聚焦离子束在保持高精度加工的同时，又能够适用于大面积器件加工的难题，孙吉宁从物理学层面对离子-原子相互作用进行了系统性研究，揭示了离子束刻蚀过程中溅射原子形成机理和再沉积的作用机制，建立了一个聚焦离子束三维形性可控的刻蚀模型，提出了基于聚焦离子束刻蚀点时空连续变化的三维超精密加工方法。同时孙吉宁在蒙特卡罗模拟和水平集算法的基础上，提出了DMC（散度补偿法）和DFM（确定性制造方法）两种方法，建立了聚焦离子束三维微纳设计-加工理论模型。

根据孙吉宁掌握的超精密聚焦离子束三维刻蚀的核心技术，他首次制造出亚微米级（80n m）多刃金刚石刀具，打破了该领域近30年来的尺度极限，并将其用于超精密纳米加工中，解决了大尺度下精确、快速、可控加工微纳结构的瓶颈问题。这种加工方法可以直接加工多种材料（金属、陶瓷、塑料等），加工速度（2m/s）远高于传统刻蚀技术，其加工精度可达到半导体刻蚀技术的工艺水平。

国际T o p3超精密加工金刚石刀具供应商康图公司对此项技术给予了高度评价，公司总裁Mr.Andrew Cox认为，“这项技术在将来很有潜力开展出一个全新的领域，是康图刀具所有支持的项目中最具潜力的一个。”目前相关产品已完成前期验证并已取得初步商业化，销往英国、德国、美国、日本及中国台湾等国家和地区。

基于以上突破性的工作，孙吉宁在2009年获得了欧洲精密工程与纳米技术学会海登海姆奖，2012年获得了赫瑞瓦特大学物理工程学院优秀博士论文奖，2015年获得英国机械工程师学会路德维德蒙德奖。“现在想想还是很满意的”，孙吉宁提到他开发出的第一代纳米级金刚石刀具仍然很骄傲，他想起曾经一位老师说的，科研就像摸鱼，你不知道摸到的是大鱼还是小鱼，“正是因为你不知道，所以才要摸，这种随机的快乐正是科研让人惊喜的地方”。

自由的胜利

自由地做研究是孙吉宁最喜欢的一件事。2013年，博士毕业后，孙吉宁继续留在了英国赫瑞瓦特大学从事博士后工作，学校在研究上给了他非常大的自由度，“在完成导师项目的基础上，我可以非常自由地发挥，利用实验室的资源充分实现自己的想法。”之后，他于2013年成为了物理工程学院当时最年轻的助理教授。

孙吉宁在利用聚焦离子束加工芯片时，遇到了一些问题，“聚焦离子束相当于一把非常小的手术刀，需要在特定位置切到特定深度，再往里面填充东西实现新的功能”。但是在加工的过程中很容易对芯片造成损坏。于是孙吉宁想到将微观尺度下微纳加工技术与宏观尺度下人机交互操纵（Haptic）相结合，成功研发出一套可用于微纳加工的虚拟实验平台，用于数字化设计与规划微纳加工过程。这项研究是智能制造领域的热点，它有个很科幻的名字，叫“数字孪生”。

数字孪生最大特点在于它是实体对象的动态模拟。其动态性的基础是，实体对象的物理设计模型、传感器对实体对象的反馈数据以及实体对象运行的历史数据等。如果需要对实体进行设计修改，或想了解实体在特殊外部条件下的反应，研究人员可以对孪生体进行“试验”。这样既能避免对本体的影响，又能提高效率、节省成本。

这项成果被英国机械工程师协会评为2015年度对Process Engineering领域的最佳贡献奖，作为第一获奖人，孙吉宁的工作获得英国机械工程师协会2015年度Ludwig Mond Prize，并得到协会主席James Bridge先生（Fellow of IMechE）在英国机械工程师协会总部的颁奖。

在孙吉宁看来，学校给他极大的自由度，他就有了试错的机会，好在结果总归是不错的。他说，做探索性研究，最大的挑战是能不能沉得住气，“尤其是你想做新东西的时候”。想做新东西，就意味着可能会失败，“而你要承认失败”。孙吉宁说承认失败就一定要调整好心态，不然就会被失败打败，只有不放弃、不断尝试，才有可能走向成功。

科研上，孙吉宁最讨厌“听话”。他说自己喜欢那些敢于挑战权威、有批判精神的学生，“这意味着他能做很多你想不到的东西出来”。从另一个方面来说，孙吉宁觉得只有尊重自己的学生，给他足够的自由度，他才敢挑战你。“现在回想起来，正是做博士后期间，因为有了极大的研究自由，我才能做出全新的研究成果。”

美好的未来

2019年，孙吉宁回到祖国，他选择了大连理工大学作为自己回国发展的起点。他对自己的未来有很多目标，“最重要的是利用我自身掌握的聚焦离子束技术，组建一个超精密微纳加工中心”。孙吉宁说，加工中心要在满足高精度加工的前提下，同时做到大面积、大尺度的加工工作，这是个既初步又长远的目标。

如果精密微纳加工中心能组建成功，那么不仅能够在芯片这样极小的器件表面做工作，还可以在飞行器这样大的表面上进行相关修饰，使它具有一些原有表面所无法拥有的特殊性能。

好的研究成果如何做到成果转化，是每一个科研工作者永远在思考的问题。“做科学研究的时候，往往追求性能的极致，但是在成果转化的过程中，就需要做很多取舍。”孙吉宁想到自己和英国康图公司的合作经历，有了很多感触，“在研究成果转化或者跟公司合作的过程中，需要的知识面更广，不能只是专注于自己做的部分。”

在实验

为此，孙吉宁走访了大连高新技术产业园区，了解到不少优秀的高新技术企业，“今年7月我和大连融科储能公司展开了合作，目前正在联合培养1名博士后。”孙吉宁认为成果转化需要了解公司的目标，积极配合着目标，结合科研经验，进行相关的改良。“双方积极地配合和调整，才是和公司长远合作的良方。”未来，孙吉宁希望能和更多的高新技术企业合作，让自己的研究成果走向市场。

孙吉宁回国的时间不是很长，他总说一切都要稳扎稳打，结合自己的优势方向，特别是聚焦离子束和金刚石纳米加工两个方面，努力做一些应用成果出来。“除了优势方向，我也想探索一些新的现象和新的加工机理，提出一些新的制造方法和工艺，来补足现有加工方法的局限。”

现如今，超精密加工技术已经进入到纳米制造阶段。《中国制造2025》将装备制造业列为“加快突破的战略必争领域”。超精密加工作为装备制造业中的关键技术，已经被世界各国列为产品研发和技术应用的重点。在孙吉宁看来，高精度与高效率是超精密加工永恒的主题，而探索能兼顾效率与精度的加工方法，则是他永恒的目标。