一、两条路，一个源头

自道尔顿在19世纪确立近代原子论以来，物质合成与制造的探索长期分化为两条不同的实践脉络。百余年间，绝大多数合成化学家深耕的成熟路径，是以预先制备、提纯的分子试剂作为基本构筑单元，依靠分子间碰撞、官能团转化、偶联重组生成新分子，本文将其称为分子合成路径（Molecular Synthetic Route，常被简称为分子化学（Molecular Chemistry））。伍德沃德完成的维生素B₁₂全合成、夏普莱斯发展的点击化学，都是这套“分子砌块拼接”范式的标志性成果；现代制药、精细化工、高分子材料产业，整体建立在该范式之上。

而原子论蕴含一条更本源的逻辑：所有分子与凝聚态物质，本质上都是原子经由化学键或相互作用有序结合而成。理论上，物质构筑不必依赖现成分子砌块，可以直接以自由原子、单原子基元为起点，通过可控成键组装分子骨架。为避免和已有原子化学（Atomic Chemistry）术语混淆，本文将这类路径称为原子合成路径（Atom-by-Atom Synthetic Route）；它和分子合成路径的核心分野不在于观测尺度，而在于初始构筑单元的层级：前者以原子级基元为起点，后者以预存分子为反应单元，二者好比直接提笔书写，与用活字拼版的差别。

二、从“预制积木拼接”到“逐原子书写分子”

分子合成路径（Molecular Synthetic Route）的突出优势是成熟度与规模化潜力：海量已知反应、庞大试剂库、标准化工艺体系，能够高效制备大量功能分子。但该范式存在固有边界：可及的结构空间，很大程度受限于可获得的分子砌块；面对不少理论稳定、却缺少适配前驱体的目标分子，往往需要冗长迂回的合成路线，还常伴随副产物、立体构型难以精准调控等难题。

原子合成路径（Atom-by-Atom Synthetic Route）正是为突破这类约束而兴起。2025年，Chen与Dong在一篇展望文章中系统阐释了逐原子迭代合成（Atom-by-Atom Iterative Synthesis, AIS）理念：把有机分子拆解为碳、杂原子等原子尺度基元，依托少数统一、可重复的成键反应（硼同系化反应），程序化迭代添加原子、搭建分子骨架，不必为不同目标分子单独开发专属合成路线。该思路跳出传统有机合成“砌块偶联”的惯性，为可编程自动化合成提供了新方向，但目前仍停留在理念与初步探索阶段，尚未实现广泛的实验验证。

表面科学领域对原子的定点操控，则更早完成原理验证。1989年，IBM阿尔马登研究中心Eigler团队在4 K极低温、超高真空条件下，借助扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，STM）针尖操控35个氙原子，在镍单晶表面排布出“IBM”字样，实现人类首次对单个原子的确定性空间定位与排布。此后数十年，科研人员持续利用STM针尖、局域光场，在固体表面捕获原子、诱导定点成键，制备原子团簇与简单分子；像差校正透射电镜则进一步实现原子迁移、成键动态过程的原位观测，推动“由原子构筑分子”从概念走向动态机制研究。

三、原子及近原子尺度制造：从分子构筑走向凝聚态原子级功能调控

如果说原子合成路径（Atom-by-Atom Synthetic Route）聚焦以原子构筑分子、原子团簇（化学合成维度），那么原子及近原子尺度制造（Atomic and Close-to-Atomic Scale Manufacturing, ACSM），则属于制造工程范畴，面向凝聚态晶格、功能薄膜、微纳器件开展原子级操控，是原子尺度操控在固体功能材料领域的延伸。

ACSM（亦被称作“制造Ⅲ范式”）的核心定义是：在原子或近原子尺度，对材料实施可控的原子添加、移除、定点迁移，获得预设功能的构件与器件；它和传统自上而下加工存在本质差异：传统光刻、机械切削属于对成型材料的去除式加工，而ACSM更多采用自下而上的原子组装，也包含原子级刻蚀、抛光等精密去除工艺。原子层沉积（Atomic Layer Deposition, ALD）现已进入半导体产线，依靠自限制表面反应达成单原子层精度的薄膜生长；DNA框架核酸（DNA Frame Nucleic Acid）凭借碱基配对的精准寻址能力，成为引导金属、半导体原子有序排布的可编程模板；高熵材料（High-Entropy Materials）的合成实践，同样践行“从原子到晶格”的思路，将多种元素原子均匀纳入同一晶格，依靠构型熵稳定常规合成难以获得的物相。

雒建斌院士等学者针对ACSM梳理了亟待攻克的核心基础难题，分为原子级结构精度、表面精度、损伤抑制、精准创成四大方向。在后摩尔时代，单原子催化剂、原子尺度量子器件、二维异质结等前沿方向，均高度依赖ACSM范式；借助该路径，材料性能有望逼近理论极限，缓解传统制备带来的原子无序、界面缺陷等瓶颈。

注：ACSM 的完整概念体系最早由房丰洲教授系统提出，雒建斌团队的论文侧重讨论该方向国内研究面临的关键基础科学问题。

四、横亘在前的三重根本挑战

尽管前景开阔，原子合成路径（Atom-by-Atom Synthetic Route）与ACSM仍面临显著的现实壁垒。

其一，规模化鸿沟。现阶段STM、电子束的逐原子精准操控，大多仅实现数十至数万原子尺度的实验室原理验证；AIS 也只完成小分子体系的概念探索。如何将原子级精准操作转化为经济、稳定、可重复的批量制备工艺，是产业化最核心的关卡。

其二，熵效应与动力学过程的持续博弈。热力学平衡态下，原子天然倾向于形成熵更高的无序排布；若要长期维持预设的非平衡精准原子构型，往往需要低温、真空等严苛环境，或是持续输入能量。在温和常规条件下实现可控原子组装，仍是悬而未决的基础科学难题。

其三，原子级同步表征约束。“构筑预设原子结构”和“定量确证原子排布、成键状态”同等关键。实时追踪动态成键、区分相邻不同元素原子、定量识别原子排布的微小偏差，持续对原位电镜、高分辨谱学等表征技术提出极限要求。

五、回归原子论的造物自觉

必须明确：原子合成路径（Atom-by-Atom Synthetic Route）并非要取代成熟的分子合成路径（Molecular Synthetic Route）。在可预见的较长时期内，分子合成路径仍是医药、大宗化工生产的主流；二者属于互补关系，而非相互替代。原子合成路径真正的独特价值，在于有望解锁分子合成路径难以触及的物质空间：那些因合成壁垒长期搁置的目标分子、仅存在于理论模拟中的特殊原子排布材料，都有机会通过“原子书写”实现。

这条探索脉络，也是人类支配物质能力持续进阶的缩影：从直接取用天然物料，到冶金加工宏观材料，再到以分子为单元合成新物质，如今正向直接操控单个原子迈进。道尔顿提出原子论时，原子还只是抽象的科学假说；两百余年之后，人类已经具备观测、移动、联结原子的实验能力。费曼“底部还有很大空间”的论断，正在原子合成路径（Atom-by-Atom Synthetic Route）与原子及近原子尺度制造（ACSM）的实验台上逐步落地。

原子是构成常规物质的通用基石。以原子为笔书写物质，既是近代原子论漫长科学叙事的延续，也标志着人类正在开启新一层的造物自觉。

参考文献

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关键词：原子化学（Atomic Chemistry）；原子合成路径（Atom-by-Atom Synthetic Route）；原子及近原子尺度制造（ACSM）；逐原子迭代合成（AIS）；电子束原子操控；DNA 框架核酸；高熵材料；造物范式
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