在納米尺度上追求極致
——記大連理工大學機械工程學院教授孫吉寧

祝傳海

大至藍鯨，小至微生物，生物的世界里，大小總是有著非常明顯的差別。但是在物質的世界里，無論形態多么豐富，都離不開構造物質的最小單位粒子——它們是構成物質最基本的單位，是組成各種各樣物體的基礎。要想深入地探究粒子的結構，就進入了微觀的世界，這是一次微米甚至納米級別的窺探。大連理工大學機械工程學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合加工，成功研發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，探究這個對納米制造業核心部分——納米加工技術——至關重要的復合加工方法，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量，經過加速聚焦后還可對材料和器件進行刻蝕、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，可在指定區域實現定制化微納制造的能力在樣品加工方面存在著巨大優勢，是其他樣品制備設備無法達到的水平。

“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，又能夠適用于大面積器件加工的難題，孫吉寧從物理學層面對離子-原子相互作用進行了系統性研究，揭示了離子束刻蝕過程中濺射原子形成機理和再沉積的作用機制，建立了一個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時空連續變化的三維超精密加工方法。同時孫吉寧在蒙特卡羅模擬和水平集算法的基礎上，提出了DMC（散度補償法）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計-加工理論模型。

根據孫吉寧掌握的超精密聚焦離子束三維刻蝕的核心技術，他首次制造出亞微米級（80n m）多刃金剛石刀具，打破了該領域近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、可控加工微納結構的瓶頸問題。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）遠高于傳統刻蝕技術，其加工精度可達到半導體刻蝕技術的工藝水平。

國際T o p3超精密加工金剛石刀具供應商康圖公司對此項技術給予了高度評價，公司總裁Mr.Andrew Cox認為，“這項技術在將來很有潛力開展出一個全新的領域，是康圖刀具所有支持的項目中最具潛力的一個。”目前相關產品已完成前期驗證并已取得初步商業化，銷往英國、德國、美國、日本及中國臺灣等國家和地區。

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學會海登海姆獎，2012年獲得了赫瑞瓦特大學物理工程學院優秀博士論文獎，2015年獲得英國機械工程師學會路德維德蒙德獎。“現在想想還是很滿意的”，孫吉寧提到他開發出的第一代納米級金剛石刀具仍然很驕傲，他想起曾經一位老師說的，科研就像摸魚，你不知道摸到的是大魚還是小魚，“正是因為你不知道，所以才要摸，這種隨機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，博士畢業后，孫吉寧繼續留在了英國赫瑞瓦特大學從事博士后工作，學校在研究上給了他非常大的自由度，“在完成導師項目的基礎上，我可以非常自由地發揮，利用實驗室的資源充分實現自己的想法。”之后，他于2013年成為了物理工程學院當時最年輕的助理教授。

孫吉寧在利用聚焦離子束加工芯片時，遇到了一些問題，“聚焦離子束相當于一把非常小的手術刀，需要在特定位置切到特定深度，再往里面填充東西實現新的功能”。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與宏觀尺度下人機交互操縱（Haptic）相結合，成功研發出一套可用于微納加工的虛擬實驗平臺，用于數字化設計與規劃微納加工過程。這項研究是智能制造領域的熱點，它有個很科幻的名字，叫“數字孿生”。

數字孿生最大特點在于它是實體對象的動態模擬。其動態性的基礎是，實體對象的物理設計模型、傳感器對實體對象的反饋數據以及實體對象運行的歷史數據等。如果需要對實體進行設計修改，或想了解實體在特殊外部條件下的反應，研究人員可以對孿生體進行“試驗”。這樣既能避免對本體的影響，又能提高效率、節省成本。

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

在孫吉寧看來，學校給他極大的自由度，他就有了試錯的機會，好在結果總歸是不錯的。他說，做探索性研究，最大的挑戰是能不能沉得住氣，“尤其是你想做新東西的時候”。想做新東西，就意味著可能會失敗，“而你要承認失敗”。孫吉寧說承認失敗就一定要調整好心態，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權威、有批判精神的學生，“這意味著他能做很多你想不到的東西出來”。從另一個方面來說，孫吉寧覺得只有尊重自己的學生，給他足夠的自由度，他才敢挑戰你。“現在回想起來，正是做博士后期間，因為有了極大的研究自由，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作為自己回國發展的起點。他對自己的未來有很多目標，“最重要的是利用我自身掌握的聚焦離子束技術，組建一個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，同時做到大面積、大尺度的加工工作，這是個既初步又長遠的目標。

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行相關修飾，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化，是每一個科研工作者永遠在思考的問題。“做科學研究的時候，往往追求性能的極致，但是在成果轉化的過程中，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歷，有了很多感觸，“在研究成果轉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。”

在實驗

為此，孫吉寧走訪了大連高新技術產業園區，了解到不少優秀的高新技術企業，“今年7月我和大連融科儲能公司展開了合作，目前正在聯合培養1名博士后。”孫吉寧認為成果轉化需要了解公司的目標，積極配合著目標，結合科研經驗，進行相關的改良。“雙方積極地配合和調整，才是和公司長遠合作的良方。”未來，孫吉寧希望能和更多的高新技術企業合作，讓自己的研究成果走向市場。

孫吉寧回國的時間不是很長，他總說一切都要穩扎穩打，結合自己的優勢方向，特別是聚焦離子束和金剛石納米加工兩個方面，努力做一些應用成果出來。“除了優勢方向，我也想探索一些新的現象和新的加工機理，提出一些新的制造方法和工藝，來補足現有加工方法的局限。”

現如今，超精密加工技術已經進入到納米制造階段。《中國制造2025》將裝備制造業列為“加快突破的戰略必爭領域”。超精密加工作為裝備制造業中的關鍵技術，已經被世界各國列為產品研發和技術應用的重點。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。