未必孤独网 > 人类史上令人叹为观止的极限精度制造成果有哪些?

人类史上令人叹为观止的极限精度制造成果有哪些?

【娄冬瑞的回答(303票)】:

我来答一个比较冷门的,3D lithography

前面好多人提到集成电路,确实是集人类微加工技术之大成,不过这些加工技术基本上来说都是2D的,也就是平面的。(虽然集成电路实际上是立体的,但其实每一层的制造都是平面的,只是一层一层叠起来的,而且最精密的cmos层就只有最底下那一层,一般来说越往上线宽越粗)

所以说人类在制造任意三维物体的能力上其实相比集成电路这样的逆天精度来说可以说弱爆了。

接下来上主角。这货其实原理跟普通的光刻没什么太大差异,不同的是在于它用的是一个叫做双光子光刻的技术,也就是说比如材料对可见光敏感,我用二倍波长(一半频率)的光来激发。好处是这种非线性效应是跟光强的平方成正比的(而单光子光刻则是跟光强线性相关),因此当你聚焦一个激光束到某个地方的时候,只有旁边很小的一个区域的光强足以激发光刻胶,从而当你用一个三维扫描的激光束把你想要的区域曝光以后就能得到想要的三维图形。这个区域的大小基本上由光的波长决定,因此这种方法制造的三维结构最低精度可以达到亚微米尺度。

下面上图

这家公司名字叫nanoscribe

用电子显微镜才能看到的显微镜lol

说实话第一次看到这些东西的时候真心挺震惊的

图片来源:nanoscribe.de/de/presse

(突然想到这写的略像软广。。。不过这玩意儿也不是小老百姓能买得起的,所以。。应该还好吧?

利益相关:我们学校有一台,没用过,听过几次相关的talk)

【Garfield的回答(1177票)】:

说道精度,就不得不提在材料学中最重要的一个方面:表征。

要想研究一种材料性能,握在手里把玩是远远不够的,就算你拿出放大镜离近了看,也只能看到表面的一些坑坑洼洼,而为了知晓一种材料的显微结构,科学家至少要下到微米级(放大千倍),如果要获得更深入的信息,甚至要下到纳米级(放大万倍)。如今,材料表征已经可以进行到原子级别的研究,那就是原子探针(atom probe)技术,可以算是材料表征领域王冠上最闪亮的那颗钻石。而随着表征尺度的下降,试样制备的难度却是指数级地上升。这对试样制备技术以及设备的精度提出极高的要求。

就拿广泛应用于各种机械组件的马氏体钢来举例,要研究马氏体长什么样子,最基本的当然是放到光学显微镜下看看啦。光镜(OM)长相非常朴实,我想大部分人在高中阶段就有接触:

但是试样制备却要经历一些坎坷,首先得用砂纸把试样表面打磨平整,消除划痕,然后再用抛光布把打磨后的试样抛得像镜面一样,最后还要用酸液腐蚀表面才能将显微结构凸显出来。但对我们学材料的来讲,金相制备是最基本的啊,几个小时的工作量而已,本科生就能解决。OM下马氏体长这个样子:但是试样制备却要经历一些坎坷,首先得用砂纸把试样表面打磨平整,消除划痕,然后再用抛光布把打磨后的试样抛得像镜面一样,最后还要用酸液腐蚀表面才能将显微结构凸显出来。但对我们学材料的来讲,金相制备是最基本的啊,几个小时的工作量而已,本科生就能解决。OM下马氏体长这个样子:

原来马氏体钢里面是这样的板条结构!毕业论文终于有着落啦~但科学家并不满足于此,他们想看的更仔细,于是试样被放在了扫描电子显微镜里面(SEM),相比于OM,SEM就长得高大上许多了:原来马氏体钢里面是这样的板条结构!毕业论文终于有着落啦~但科学家并不满足于此,他们想看的更仔细,于是试样被放在了扫描电子显微镜里面(SEM),相比于OM,SEM就长得高大上许多了:

于是马氏体在SEM下长这个样子:于是马氏体在SEM下长这个样子:

哇,已经能看到马氏体板条内部的一些定向排列的条纹了,于是拿着照片屁颠屁颠地找导师问问能不能水一篇国内期刊的论文啊。。。哇,已经能看到马氏体板条内部的一些定向排列的条纹了,于是拿着照片屁颠屁颠地找导师问问能不能水一篇国内期刊的论文啊。。。

但这个尺度还远远不能满足好奇的科学家们,因为根本不能说明问题啊亲。于是他们搬来了一台透射电子显微镜(TEM),准备一探究竟:

但是TEM金属试样的制备是非常复杂的,首先要把试样切成几毫米厚的薄片,磨薄后再冲压成直径3mm的小圆片,然后用橡皮按住试样在砂纸上磨啊磨,边磨还要边测量厚度,直到厚度达到几百纳米时才能进行离子减薄。一个试样制备下来,可是至少一上午啊!本科生肯定是不愿干啊,所以基本上要读到硕士才能来做。TEM下终于把马氏体看清楚了:但是TEM金属试样的制备是非常复杂的,首先要把试样切成几毫米厚的薄片,磨薄后再冲压成直径3mm的小圆片,然后用橡皮按住试样在砂纸上磨啊磨,边磨还要边测量厚度,直到厚度达到几百纳米时才能进行离子减薄。一个试样制备下来,可是至少一上午啊!本科生肯定是不愿干啊,所以基本上要读到硕士才能来做。TEM下终于把马氏体看清楚了:

原来每个板条马氏体内部是这样的,有位错,有孪晶,有中脉,有碳化物析出。真棒,发一篇Scripta应该没问题吧,离硕士毕业又近了一步!但是,科学家们不会停步于此,不看到原子他们是不会罢休的。终于说道主角原子探针层析技术(APT)了。做原子探针,可不是拿个材料扔进去就会出结果的,如果TEM试样的制备让一个硕士都感到头疼的话,那APT试样的制备就可以算是一个博士生的梦魇。APT的试样是利用聚集离子束(FIB)技术制备的,而最终的APT试样是一个直径只有50nm的针尖,由于尺寸太小,肉眼根本无法看到,所以整个制备过程是在SEM中完成的。原来每个板条马氏体内部是这样的,有位错,有孪晶,有中脉,有碳化物析出。真棒,发一篇Scripta应该没问题吧,离硕士毕业又近了一步!但是,科学家们不会停步于此,不看到原子他们是不会罢休的。终于说道主角原子探针层析技术(APT)了。做原子探针,可不是拿个材料扔进去就会出结果的,如果TEM试样的制备让一个硕士都感到头疼的话,那APT试样的制备就可以算是一个博士生的梦魇。APT的试样是利用聚集离子束(FIB)技术制备的,而最终的APT试样是一个直径只有50nm的针尖,由于尺寸太小,肉眼根本无法看到,所以整个制备过程是在SEM中完成的。

如下图所示,首先,用离子束在试样表面切下一个薄片(a),然后在薄片中间切下一个细条(b),再把这个细条黏在事先准备好的微尖上(c),这样,第一步就完成了。

然后,要用离子束把这个细条打磨成一根针,如下图所示。

根据需要还可以设计不同的针头的形状哦:根据需要还可以设计不同的针头的形状哦:

当这一切都完成以后,这个试样制备的过程才算完成,吃过早餐来实验室制样,晚餐前能进行到最后一步就算是高手中的高手啦~制备好了样品,才能能放到原子探针下测量。原子探针的工作原理可以用下图来描述:

给昨天制备好的针尖试样施加一个高电位,在电场力的作用下,金属之间的键接被打断,离子在电场力的加速作用下飞向探测器,而这个过程就好像试样被蒸发了一样。所以,像这种destructive的实验一个试样只能做一次,如果收集的数据不满意,要回到昨天在SEM下用FIB切样那一步重新来过哦~当然,科学家们也不傻,他们一般会事先准备若干个样再来做原子探针,从中选择出最好的数据。像原子探针这种高精度的实验,要得到一组满意的数据,机器一般要跑个一天一宿。当然,更耗时费力的后期的数据分析,一组数据的size就直奔十几个G,至于分析,各位看官自行脑补。APT的实验仪器如下图所示:给昨天制备好的针尖试样施加一个高电位,在电场力的作用下,金属之间的键接被打断,离子在电场力的加速作用下飞向探测器,而这个过程就好像试样被蒸发了一样。所以,像这种destructive的实验一个试样只能做一次,如果收集的数据不满意,要回到昨天在SEM下用FIB切样那一步重新来过哦~当然,科学家们也不傻,他们一般会事先准备若干个样再来做原子探针,从中选择出最好的数据。像原子探针这种高精度的实验,要得到一组满意的数据,机器一般要跑个一天一宿。当然,更耗时费力的后期的数据分析,一组数据的size就直奔十几个G,至于分析,各位看官自行脑补。APT的实验仪器如下图所示:

最后贴一张马氏体的APT-3D重建图(数字的单位为nm):

至此,我们终于可以看到马氏体内部每一个原子的排布方式,看到普通尺度下根本无法观测的clusters,partition,segregation等等。终于可以拿着结果去找导师发Acta啦!至此,我们终于可以看到马氏体内部每一个原子的排布方式,看到普通尺度下根本无法观测的clusters,partition,segregation等等。终于可以拿着结果去找导师发Acta啦!

反观材料科学领域里的研究者们,我们从本科,读到硕士,再到博士,正如这表征尺度的一步步前进,我们对材料的理解才能一步步加深,而实验难度也随之增加;要克服这些严峻的挑战,需要我们具有超乎常人的好奇心和对科学探索的激情,从中获取不断前进的动力,来对抗时时刻刻袭来的挫败感。

我们都经历过想到一个idea到了实验室发现完全做不出来;

也经历过实验不断失败挫败之下反复问自己当初为什么要来读这个学位;

也经历过实验数据已经收集完毕却发现几年前已经有人用一模一样的方法发了一篇paper;

更经历过实验结果如shit一样完全不知道该怎么阐述。

然而,那些高级期刊上让我们啧啧称奇的实验结果背后,哪一个不是经历了同样的辛酸和汗水?真正读到了博士,了解、体会了这一切,才真正知道了科研的不易和科研工作者的伟大。

但是,你一定要问我当初选择这个专业你后悔不后悔?

是后悔的。。。

【这么流弊的回答(1163票)】:

好多答案都说到了集成电路,深表认同。这里来说说造集成电路的机器。每次见到光刻机,我总是感慨人类简直是在用蛮力来实现着本来无法达到的制造精度。

对,就是这个家伙:

这个大怪兽就是制造芯片的机器,只负责其中的一步:光刻。

图片底下那两个圆的东西就是硅晶圆(wafer),上边一大堆是光学系统,掩模(reticle)运动平台等等。左边那个键盘是人站着操作比较舒服的高度,所以目测这家伙两米多高四米多宽。

然而芯片就那么小一点点儿……

来扯一扯这家伙的技术指标。

如果我们将芯片放大,里面是这样子的:

这不是一个平面电路,是立体层状的结构,大概这个样子:这不是一个平面电路,是立体层状的结构,大概这个样子:

层与层之间有一些小柱子连起来。层与层之间有一些小柱子连起来。

因为制造每一层都是一次光刻,两次曝光之间的定位误差(overlay)就是一个最重要的精度指标。线宽已经向7nm进发了,overlay必须更小才能保证芯片不废掉,Wafer和reticle运动平台都必须达到sub-nanometer精度才可以。一切机械传动和摩擦都是不可以有的,因此wafer和reticle都是六个自由度被磁悬浮着飞来飞去。

另外一个指标是throughput,就是印钱要更快更快更更快……所以每次曝光都不是在reticle和wafer静止中进行的,而是在它们匀速运动的时候进行的。于是wafer和reticle运动平台当然是加速越快越好。貌似ASML的新一代in-vacuum machine的reticle stage有二十几倍重力加速度的加速能力……想象了一下这个数字代表什么样的运动情不自禁地颤抖了一下。

太多声音说摩尔定律要终结。然而如果看一看13 nm波长的激光、sub-nanometer定位精度、40g加速的运动平台都已经一一被实现,我完全相信这个定律还会持续很多年。

图片截图于ASML的宣传片youtube.com/watch?

【郭日月的回答(1296票)】:

大家的答案好像都是集中在空间上的极限精度啊,来说个时间上的极限精度吧。

即便你已经猜到我要说什么,也不妨跟着一起,看看人类的计时科技是怎么一步步地走过来的好了。

我们知道,在远古时期,人类用来确定时间的方式是一些自然界“相对”亘古不变的周期。

譬如地球的公转是为一年,月球的公转是为一月,地球的自转是为一天等等。

最早的计时可以追溯道公元前大约2000年的苏美尔地区。后来古埃及人把一天分为二个部分,每一部分再分为十二个小时,并使用大型方尖碑追踪太阳的移动。

随后人们又利用了沙漏、日晷、钟摆等工具,巧妙地利用一些相对固定而准确的周期来计时,这是一段漫长的历史。

最初,古埃及人发明了水钟(water clocks)。而在同一时期,我国的商朝人已开始使用泄水型水钟——漏壶。后来又有用蜡烛和线香计时的,所谓“刚一炷香的功夫,西门庆便从潘金莲房里出来了”之类。

北宋元祐元年(1086年),中国的黑科技开始爆发。天文学家苏颂在检验太史局的浑仪时,决心要将浑仪、浑象和报时装置结合。于是乎,苏颂拜访吏部守当官韩公廉,取得大神张衡、张思训的独门秘籍——“仪器法式大纲”,并着手建造一个划时代的计时工具——“水运仪象台”。

元祐三年(1088年)开始动工,元祐七年(1092年)“水运仪象台”竣工。

水运仪象台是一个类似于天文台,高约12米,宽7米,上下分三层;上层是浑天仪(天体测量之用),中层是浑象仪(天体运行演示),下层是司辰(自动报时器),全程用水力推动,可精确报时,李约瑟指这是欧洲天文钟的直接祖先。苏颂于绍圣初年著《新仪像法要》一书,详述水运仪象台的整体功能、零件150多种,60多幅插图。

令人惋惜的是,水运仪象台的原件在靖康之祸(1127年)时,被金兵掠往燕京置于司天台,又在金朝贞祐二年间(1214年),因运输不便而惨遭丢弃(实在是痛心啊。。)而南宋时,苏携保存的手稿,又因为无人理解其中方法和门道,而无人能仿造。(没办法,黑科技人家看不懂。。)

其实早在唐代,僧人一行和官员梁令瓒就综合各种漏壶制作技术,发明了世界上第一只机械钟。只可惜没有被推广,更未能继承发展成钟表。至元明之时,计时器摆脱了天文仪器的结构形式,得到了突破性的新发展。元初,郭守敬、明初詹希元创制了“大明灯漏”与“五轮沙漏”,采用机械结构,并增添盘、针来指示时间,其机械的先进性便明显地显示出来,计时变得越发精确。

到14世纪,西方国家广泛使用机械钟。在十六世纪,奥斯曼帝国的科学家达兹·艾-丁(Taqi al-Din)发明机械闹钟。

文艺复兴之后,中国的计时科技就被西方逆袭了。1583年,伽利略提出了著名的等时性理论,这也便是钟摆的理论基础。1656年,荷兰科学家克里斯蒂安·惠更斯(Christiaan Huygens)应用他的理论,设计出了世界第一只钟摆。第二年,在其指导下,年轻的钟匠格斯塔(Coster)成功制造第一个摆钟。

18世纪期间,各式擒纵结构被发明出来,随后在其基础上创造出怀表。一直到19世纪,欧洲诞生了一大批钟表生产厂家。1904年,飞行员阿尔拔图·桑托斯-杜蒙特(Alberto Santos-Dumont)要求他的朋友,法国制表匠路易士·卡地亚(Louis Cartier),设计一个他可以在飞行时使用的表。其实,在更早的1868年,百达翡丽(Patek Philippe)已经发明了手表,不过当时这种女士的手镯表,只被视为首饰。卡地亚创造了桑托斯(Santos)手表,成为第一只为男士设计,而且实用的手表。(嗯,然后这货就开始在奢侈品的道路上祸害无穷了。。我去年买了个表~

伴随着机械钟表的发展,各家(以瑞士为主)钟表厂商开始追逐精确性。然而此时,石英的晶振效应被发现了。

1921年,华持·加廸(Walter G. Cady)制造第一个石英晶体谐振器。1927年,沃伦·马利逊(Warren Marrison J. W. Horton)和JW.霍顿(J. W. Horton)在加拿大的贝尔实验室制造首个石英钟。1967年,瑞士人发布了世界上首款石英表。两年后,精工创造了世界上第一个商业化量产的石英手表——雅士图(Astron)。

石英钟表的出现,代表着计时的准确性走到了一个前所未有的高度,所有机械表商都怂了,转而开始往奢华方向发展。

有人要问了,这个晶振到底是怎么回事呢?好,现在开始,离答案开始越来越近了。

早期科学家发现,当石英晶体受到电池的电力影响时,就会产生规律的振动。

经过计算并切割后的石英晶体,每秒的振动次数是32768次,利用这个固定的频率,可以设计一个简易电路来计算它振动的次数,当计数到32768次时,电路就会发出信号让秒针往前走一秒。这就是说,石英每振动32768下,就是一秒。这样的规律性计时,在当时是非常非常精确的,即使是最便宜的石英表,一天之内的误差率也不会超过1秒。

让我们记下32768这个数字,它是一个划时代的参照数字。在它之前,所有的频率都显得太小了。

石英计时刚刚得瑟了没几年,到了上世纪30年代,美国哥伦比亚大学实验室的拉比,和他的学生在研究原子及其原子核的基本性质时,发明了一种被称为磁共振的技术,依靠这项技术,人们能够测量出原子的自然共振频率。

好,现在晶振频率你懂了,那这个原子的共振频率又是个啥玩意呢?

根据原子物理学的基本原理,原子是按照不同电子排列顺序的能量差,也就是围绕在原子核周围不同电子层的能量差,来吸收或释放电磁能量的。这里电磁能量是不连续的。当原子从一个相对高的“能量态”跃迁至低的“能量态”时,便会释放出电磁波。这种电磁波的特征频率是不连续的,也就是人们所说的共振频率。

依据这一原理,拉比构想出了一种全新的计时仪器——原子钟(Atomic clock)。

在这种时钟里,一束处于某一特定“超精细状态”的原子束穿过一个振荡电磁场。当原子的超精细跃迁频率越接近磁场的振荡频率,原子从磁场中吸收的能量就越多,从而产生从原始超精细状态到另一状态的跃迁。通过一个反馈回路,人们能够调整振荡场的频率直到所有的原子完成了跃迁。原子钟就是利用振荡场的频率即保持与原子的共振频率完全相同的频率作为产生时间脉冲的节拍器。

要是还是觉得绕人的话,我再来解释解释。

好比我是一个原子的电子,我从南京(高能量态)跑到上海(低能量态)时,这一路上我必须要大喊(释放能量)才能完成旅程。而我大喊的声音,是在一个固定频率上的,这个频率就是我这个原子的共振频率。而不同元素的原子,共振频率不同。原子钟的目的,就是想尽办法,让原子尽可能地达到固有的共振频率。

怎样实现这一固有的共振频率呢?(这一段实现过程若是不感兴趣可以不看)

第一步:降温。

这里用著名的铯原子(Caesium133)为例来说明,先将铯原子组成的气体注入真空室中,用六道(有时是四道)相互垂直的激光照射铯原子气,使铯原子相互靠近而呈球状。(你可以想象一下牧羊犬的作用,将松散的羊群变得紧密靠近)。与此同时,激光减慢了原子的运动速度,并将其冷却到极端接近绝对零度(一般而言是绝对零度以上十万分之一摄氏度)。

第二步:隔离

为了防止铯原子互相接触,从而影响到其共振频率。科研人员会将大约2000个铯原子分成30组,并必利用射入激光产生的光栅,来隔绝铯原子。

第三步:激发

通过发射激光激发铯原子,让其内部的电子获得能量后进行跃迁,从而达到共振频率。当最大数量的铯原子被激发产生电子跃迁后,则表示该原子钟无限接近于准确的频率,此时便可以准备进行测量了。

第四步:测量

通过使用光频梳(optical-frequency comb)来测量铯原子频率。

(光频梳是另个一高科技产品,本答案就不科普了,有兴趣的可以看:Encyclopedia of Laser Physics and Technology这篇,很详细。)

好了,现在我们得到了无限接近于原子固有频率的这个数字。那么和上面的晶振一样,只要我们计下每一次振动,那么就可以通过计数的方法来确定时间了。

因为原子的共振频率是固定的。比如刚才提到的铯原子,它的固有频率是9192631770赫兹,约合92亿赫兹,也就是说一秒钟它会振动9192631770次。那么反过来,只要根据铯原子钟,计数9192631770次,我们就测量出了无比精确的一秒钟。

还记得石英的晶振频率吗,是32768赫兹。

显然,9192631770远大于32768。

事实上,很多国家(包括我国)的标准局,就是用铯原子钟来作为时间精度标准的。GPS系统也是用铯原子钟来计时的。

【评论区有些疑问,在这里还是试着说说好了。

铯原子的固有频率是通过实验和相关公式计算得到的。具体可以参考拉姆齐的分离振荡场方法,所产生的拉姆齐条纹这个实验。铯原子钟的原理就是通过这个实验得到的。通过原子的磁矩在从第一个振荡场进入第二个振荡场时,所产生的180°翻转时产生的最大跃迁几率,此时振荡场频率应等于拉摩频率。当两频率出现微小偏差时(相位差为π),第二振荡场的磁矩反转,此时产生最小跃迁几率。如此形成了一个共振峰,然后频率的相位差为2π时,磁矩再次翻转,又产生一个最大跃迁几率,以正弦的形式交替变化,形成拉姆齐条纹。而条纹的中心位置,振荡场频率和拉摩频率相等。

根据量子力学的观点,拉姆齐条纹是铯原子与振荡场作用的几率振幅相互干涉的结果。中心条纹时跃迁几率最大,其宽度也便是固有振荡频率,由原子在两个振荡场之间的飞行时间决定,再由铯原子运动速度,可以计算出铯原子的固有振荡频率。】根据量子力学的观点,拉姆齐条纹是铯原子与振荡场作用的几率振幅相互干涉的结果。中心条纹时跃迁几率最大,其宽度也便是固有振荡频率,由原子在两个振荡场之间的飞行时间决定,再由铯原子运动速度,可以计算出铯原子的固有振荡频率。】

但,一山还有一山高啊。

科学家随后又研发出的铷原子钟(Rubidium87),汞原子钟。

2013年诞生的锶(Strontium87)原子钟,固有频率为429 228 004 229 873,约合430万亿赫兹,更是将精度提高到了10的17次方。

还记得铯原子钟的频率吗,是92亿。

显然,430万亿远大于92亿。

2015年,据研究人员在《科学》杂志上发表的报告,用镱元素(ytterbium)制成的原子钟问世。科学家首先将约1万个镱原子冷却至10微开尔文,即在绝对零度以上百万分之十摄氏度,然后将其封闭到由激光制成的被称为光晶格的“容器”中,最终制成了迄今最稳定的原子钟。

镱原子钟的固有频率约合518万亿赫兹,比锶原子钟的430万亿赫兹更高。精度也更是高达10的18次方。

根绝最新测算数据显示,宇宙的年龄为138亿年。如果这台镱原子钟从宇宙诞生之初,就开始“滴答滴答”地走动,直到今天也不会发生1秒的误差。

而我们人类,依然在更精确的计时之路上继续前行。。。

【猫小冷的回答(1777票)】:

张浩说的也是我想说的。机械硬盘的制造几乎就是目前人类精密制造工艺的极限了。

就拿里边的

【磁头】来说吧,它依靠磁场的变化对磁盘介质进行读和写。在这个过程中,磁头在盘面飞速划过,确切地说是“飞过”,因为磁头在读或写的时候不接触盘面,是悬空的,飞行高度为5-10纳米。

为了让磁头飞起来,首先将磁头装载在一个滑块上,然后根据空气动力学原理把该滑块的剖面制成弧形,这个弧形得精密到何种地步呢?相当于半径为25米(也可能是15米,我有点儿记不清了)的圆,截取其中0.7毫米左右的弧长!这样,盘面高速转动所带动的气流就能让滑块载着磁头恰好飞起来。

此外,为了保护磁头不受腐蚀,还要在它上面镀上一层

【类金刚石】膜,采用等离子体气相沉积的办法,使其厚度只有几纳米(不同型号略有不同),误差控制在几埃。注意,碳原子的半径为0.7 埃,所以,这简直精密到了原子尺度啊!

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我之所以知道这些,是因为我曾经在日本TDK下属的子公司做过工程师,后来考上研就拍屁股走人了,那家企业也有日本籍员工,可同样的岗位和工作,人家的薪酬换成人民币后,居然是我们的10倍!算,不提了。离开这行多年,上文的一些数据还特地跟以前的同事核实了一下。当然,我还在职的那阵,公司内部就有很多人认为,机械硬盘的制造已经是夕阳产业了,不久的将来它会被固态硬盘所取代。

【EasonLu的回答(491票)】:

睡了一觉醒来得到了这么多赞,看来大家还是很感兴趣的,很欣慰啊,不枉我搜索文献将近一个小时......不过评论区还是有人发出了不少质疑声,在此一并解释,简单说一下我的看法和理解。

1 全是英文看不太懂

基本都是专业英语大家看不懂正常,这个问题我在撰写答案的时候也考虑到了,其实顺手翻译一下也不难,不过我还是觉得有些东西翻译过来就没那种味道和感觉了,希望大家理解,看个热闹就行了,专业的东西还是交给搞科研的人吧。

2 这些东西华而不实,没啥用处

整个硕士阶段和博士初期的时候我也是这么认为的,不过慢慢地我的看法变了,科研不是非要朝着应用的,那是Techonology而不是Science,很多时候有些工作是给别人一个灵感和触动,产生一些思维的碰撞和火花,就在这些千千万万的火花中也许就“突然”诞生了一个重要的能够使人类受益的成果。固然这些东西在能源转换和应用领域基本不可能产业化,但是他或许会对其他领域会有所触动,例如药物载体/缓释、化学/电化学分析等领域,其实近的来说,赵东元院士的很多工作已经有产业化了,和上海石化合作在石油催化领域得到了应用(前几天来窝工开讲座时说),这些东西大家一般不太关注和知道的。所以希望看的人心态平和,不要说一些极端的话,这毕竟是知乎不是百度贴吧。

3 文中贴了一些SEM(扫描电镜)的图片就说是高大上了,我照个石头的照片也好看

对于这个说法我实在是无语了......都成年人了不应该说这么浅薄的话,透过现象看本质,我们应该尊重这些工作背后的汗水,合成工艺,生成机理,实验条件优化等等,你的一句话就把别人的半年的工作给否定了,照个电镜可能一个小时搞定,但是背后的合成过程您就忽视了?希望大家多一些理解和尊重。

我并不认识所列举的几个牛人,只是在各种会议上见过他们的工作介绍,觉得很不错就找了出来,只是抱着尊重和学习的态度和大家一起从非科研的角度去欣赏,希望与大家共勉......

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楼上各位的回答的都很棒,不过大都是基于机械制造领域和微电子领域的前沿和尖端技术。作为一名化学搬砖狗一枚,我简单从无机合成化学的角度上说一些令人叹为观止的工作,学业不精,大家少拍砖~

1 纳米空心结构空心核壳结构

空心结构,尤其是氧化物的微尺度制备,南洋理工大学的Xiongwen (David) Lou教授的工作基本达到了我不是针对谁的程度,几乎能够作为艺术品来欣赏。

1)NiS nanoframes

Yu X Y, Yu L, Wu H B, et al. Formation of Nickel Sulfide Nanoframes from Metal–Organic Frameworks with Enhanced Pseudocapacitive and Electrocatalytic Properties[J]. Angewandte Chemie, 2015, 127(18): 5421-5425.Yu X Y, Yu L, Wu H B, et al. Formation of Nickel Sulfide Nanoframes from Metal–Organic Frameworks with Enhanced Pseudocapacitive and Electrocatalytic Properties[J]. Angewandte Chemie, 2015, 127(18): 5421-5425.

2)ZnMn2O4 Multi-Shelled Hollow Spheres

Zhang G, Lou X W D. General Synthesis of Multi‐Shelled Mixed Metal Oxide Hollow Spheres with Superior Lithium Storage Properties[J]. Angewandte Chemie, 2014, 126(34): 9187-9190.Zhang G, Lou X W D. General Synthesis of Multi‐Shelled Mixed Metal Oxide Hollow Spheres with Superior Lithium Storage Properties[J]. Angewandte Chemie, 2014, 126(34): 9187-9190.

3)NiCo2O4 Hollow Spheres

Shen L, Yu L, Yu X Y, et al. Self‐Templated Formation of Uniform NiCo2O4 Hollow Spheres with Complex Interior Structures for Lithium‐Ion Batteries and Supercapacitors[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2015, 54(6): 1868-1872.Shen L, Yu L, Yu X Y, et al. Self‐Templated Formation of Uniform NiCo2O4 Hollow Spheres with Complex Interior Structures for Lithium‐Ion Batteries and Supercapacitors[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2015, 54(6): 1868-1872.

4)Co nanoparticle-embedded carbon@Co9S8 double-shelled nanocages

Hu H, Han L, Yu M, et al. Metal–organic-framework-engaged formation of Co nanoparticle-embedded carbon@ Co 9 S 8 double-shelled nanocages for efficient oxygen reduction[J]. Energy Environmental Science, 2016.Hu H, Han L, Yu M, et al. Metal–organic-framework-engaged formation of Co nanoparticle-embedded carbon@ Co 9 S 8 double-shelled nanocages for efficient oxygen reduction[J]. Energy Environmental Science, 2016.

5)MoS2 microboxes constructed by nanosheets

Zhang L, Wu H B, Yan Y, et al. Hierarchical MoS 2 microboxes constructed by nanosheets with enhanced electrochemical properties for lithium storage and water splitting[J]. Energy Environmental Science, 2014, 7(10): 3302-3306.Zhang L, Wu H B, Yan Y, et al. Hierarchical MoS 2 microboxes constructed by nanosheets with enhanced electrochemical properties for lithium storage and water splitting[J]. Energy Environmental Science, 2014, 7(10): 3302-3306.

6)Manganese Sulfide Microboxes

Zhang L, Zhou L, Wu H B, et al. Unusual Formation of Single‐Crystal Manganese Sulfide Microboxes Co‐mediated by the Cubic Crystal Structure and Shape[J]. Angewandte Chemie, 2012, 124(29): 7379-7382.Zhang L, Zhou L, Wu H B, et al. Unusual Formation of Single‐Crystal Manganese Sulfide Microboxes Co‐mediated by the Cubic Crystal Structure and Shape[J]. Angewandte Chemie, 2012, 124(29): 7379-7382.

7)SnO2 and TiO2 Hollow Nanostructures

Wang Z, Wang Z C, Madhavi S, et al. One‐Step Synthesis of SnO2 and TiO2 Hollow Nanostructures with Various Shapes and Their Enhanced Lithium Storage Properties[J]. Chemistry-A European Journal, 2012, 18(24): 7561-7567.Wang Z, Wang Z C, Madhavi S, et al. One‐Step Synthesis of SnO2 and TiO2 Hollow Nanostructures with Various Shapes and Their Enhanced Lithium Storage Properties[J]. Chemistry-A European Journal, 2012, 18(24): 7561-7567.

8)Fe2O3 microboxes

Zhang L, Wu H B, Madhavi S, et al. Formation of Fe2O3 microboxes with hierarchical shell structures from metal–organic frameworks and their lithium storage properties[J]. Journal of the American Chemical Society, 2012, 134(42): 17388-17391.Zhang L, Wu H B, Madhavi S, et al. Formation of Fe2O3 microboxes with hierarchical shell structures from metal–organic frameworks and their lithium storage properties[J]. Journal of the American Chemical Society, 2012, 134(42): 17388-17391.

2 一维纳米线管棒结构

一维尺度的纳米结构,好的工作有很多,分布领域也比较广,而且绝大多数的金属氧化物都可以得到该形貌,其中近期做的比较好的是武汉理工大学的Liqiang Mai (麦立强)教授

1)CuO/CoO core/shell heterostructure arrays

Wang J, Zhang Q, Li X, et al. Smart construction of three-dimensional hierarchical tubular transition metal oxide core/shell heterostructures with high-capacity and long-cycle-life lithium storage[J]. Nano Energy, 2015, 12: 437-446.Wang J, Zhang Q, Li X, et al. Smart construction of three-dimensional hierarchical tubular transition metal oxide core/shell heterostructures with high-capacity and long-cycle-life lithium storage[J]. Nano Energy, 2015, 12: 437-446.

2)Na1.25V3O8 nanowires

Dong Y, Li S, Zhao K, et al. Hierarchical zigzag Na 1.25 V 3 O 8 nanowires with topotactically encoded superior performance for sodium-ion battery cathodes[J]. Energy Environmental Science, 2015, 8(4): 1267-1275.Dong Y, Li S, Zhao K, et al. Hierarchical zigzag Na 1.25 V 3 O 8 nanowires with topotactically encoded superior performance for sodium-ion battery cathodes[J]. Energy Environmental Science, 2015, 8(4): 1267-1275.

3) VO2 nanowires assembled into hollow microspheres

Niu C, Meng J, Han C, et al. VO2 nanowires assembled into hollow microspheres for high-rate and long-life lithium batteries[J]. Nano letters, 2014, 14(5): 2873-2878.Niu C, Meng J, Han C, et al. VO2 nanowires assembled into hollow microspheres for high-rate and long-life lithium batteries[J]. Nano letters, 2014, 14(5): 2873-2878.

4) SnO 2–PANI nanorod arrays

Xu W, Zhao K, Niu C, et al. Heterogeneous branched core–shell SnO 2–PANI nanorod arrays with mechanical integrity and three dimentional electron transport for lithium batteries[J]. Nano Energy, 2014, 8: 196-204.Xu W, Zhao K, Niu C, et al. Heterogeneous branched core–shell SnO 2–PANI nanorod arrays with mechanical integrity and three dimentional electron transport for lithium batteries[J]. Nano Energy, 2014, 8: 196-204.

5) β-AgVO3 nanowire clusters

Han C, Pi Y, An Q, et al. Substrate-assisted self-organization of radial β-AgVO3 nanowire clusters for high rate rechargeable lithium batteries[J]. Nano letters, 2012, 12(9): 4668-4673.Han C, Pi Y, An Q, et al. Substrate-assisted self-organization of radial β-AgVO3 nanowire clusters for high rate rechargeable lithium batteries[J]. Nano letters, 2012, 12(9): 4668-4673.

3 三维有序结构

三位有序结构的制备是一门技术活,其中复旦大学赵东元教授在介孔材料领域的工作是世界级的成果,但介于三位有序领域涵盖的范围比较广,此处列出一些代表性的工作

1)3D ordered macroporous LaFeO3

Xu J J, Wang Z L, Xu D, et al. 3D ordered macroporous LaFeO 3 as efficient electrocatalyst for Li–O 2 batteries with enhanced rate capability and cyclic performance[J]. Energy Environmental Science, 2014, 7(7): 2213-2219.Xu J J, Wang Z L, Xu D, et al. 3D ordered macroporous LaFeO 3 as efficient electrocatalyst for Li–O 2 batteries with enhanced rate capability and cyclic performance[J]. Energy Environmental Science, 2014, 7(7): 2213-2219.

2)Mesoporous silica

Zhao D, Feng J, Huo Q, et al. Triblock copolymer syntheses of mesoporous silica with periodic 50 to 300 angstrom pores[J]. science, 1998, 279(5350): 548-552. Zhao D, Feng J, Huo Q, et al. Triblock copolymer syntheses of mesoporous silica with periodic 50 to 300 angstrom pores[J]. science, 1998, 279(5350): 548-552.

3)赵东元院士的漂亮工作太多,此处就不详细描述了,贴一些图大家看看吧

这里列举的一些微观化学合成方法和技术,和传统意义上的机械、微电子制造等领域不太一样,是一种自下而上的调控,希望能给大家不一样的理解和视野。

【沙漠之狐的回答(186票)】:

操纵单个原子。

在铜基底上用铁原子摆字[1]。在铜基底上用铁原子摆字[1]。

题目中所说的,无论如何测量,尺寸都是精密的1:4:9的黑石板出自

【2001太空漫游】,现在人类也有类似的计划——阿伏伽德罗计划[2],旨在制造一个表面误差在一个原子以内(0.6纳米)的硅球,重新定义千克,不过最新的结果[3]显示还差得远。

至于日常可以接触到的,就是微电子工业了,即将跨入10纳米技术节点。

[1]researcher.watson.ibm.com

[2]BIPM - Avogadro project

[3]Improved measurement results for the Avogadro constant using a 28Si-enriched crystal

【一二的回答(135票)】:

@兰姆 的回答挺棒的,我就补充一下,我的头像就是用一氧化碳分子在铜表面拼出来的

【吴利群的回答(424票)】:

硬盘,算是普通人都能用上的设备了吧?

现在似乎有6T还是8T的硬盘了,单碟单面容量应该超过1T了。就按1T算,是10的12次方字节,再乘以8,是比特数。

硬盘盘片的直径是3.5英寸,大概9厘米,面积是64平方厘米不到。

也就是说,每个比特在硬盘盘片上大概占64平方厘米/(8*10^12)=800平方纳米,如果是正方形,长宽都不到30纳米。

硬盘磁头也得差不多这个尺寸,而且要贴着盘片差不多这个尺寸的高度,还得快速旋转,常用的5400转的硬盘,每秒转90圈,外圈周长是9厘米*3.14=28厘米,也就是说硬盘边缘的线速度是25米/秒,再折成时速是90公里/小时。

这么精密的设备,大家都扔了N个了吧。。。

【苦卡普的回答(51票)】:

大家的回答基本上是自上而下(from top to bottom)的,那我就来讲讲真正的极限制造手段:自下而上。费恩曼作过一篇重要的演讲,There’s plenty of room at the bottom,就提到了这个新领域(百度文库上有中文翻译,直接搜索英文名就行,写的很不错)。让我佩服的是他的前瞻性(当时化学家根本没有足够的仪器或手段来设计分子机器)。这里简述如何构造分子水平的机械装置。

当然,制造分子水平的机器,其加工方式是化学合成,而不是在极限精度上的操作。然而得到的分子机器可以实现极限精度的运转。

--------------------

首先谈生物分子机器,比如说驱动蛋白以及atp合酶。

驱动蛋白的动图:wanzao2.b0.upaiyun.com/

atp合酶的动图:s9.sinaimg.cn/mw690/5b2

关于驱动蛋白的机制:upload.wikimedia.org/wi

-------------------文献开篇就是:

生物学对分子机器的广泛使用始终表明,缩小合成分子系统与宏观机器之间的差异将得到丰厚的回报。使用能引起亚分子组分发生大幅度运动的架构设计合成分子系统在过去的二十年中被证明是可行的。认清纳米马达与分子机器隐藏在每一个重要的生物过程的核心中,或许是最好的方法来理解控制分子级运动的技术潜能。百万年的进化,自然没有理由不选择这个解决方案来执行复杂的任务。当人类了解到如何构建人造结构并控制利用分子级运动以及直接与分子级物质和外界交流,这会对功能分子以及材料设计的每一方面产生潜在的影响。接下来无疑就是对物理与生物的进一步理解。

---------------------

酶用于分子水平的加工制造,或者定向移动。

那么看这个人造分子系统:

(然后就会感到人类利用更少的原子做出效果差强人意的机器也是足够拼的,当然相对于生物分子还是too simple,naive)

---------------------

它的作用类似于玻璃棒,可以搅动液晶。它的作用类似于玻璃棒,可以搅动液晶。

-----------------------

人造小车,这个在知乎上看见过对作者所有研究的一个review(作者做小车做上瘾了,做过分子火车(然而并不能动),研究过轮胎的材质(C60对光不稳定,之后发现碳硼烷不错),以及各种high(烧钱)~)

小车的运行并不是定向的(表面要加热,之后在热运动下前行(或者后退))~~所以为了实现定向移动,设计了另一个分子车。小车的运行并不是定向的(表面要加热,之后在热运动下前行(或者后退))~~所以为了实现定向移动,设计了另一个分子车。

驱动力来自于和最开始的分子类似的一个光致定向旋转系统。驱动力来自于和最开始的分子类似的一个光致定向旋转系统。

ps:图中的STM是最高精度的操控的一个代表。

-------------------------------

这个先不提是怎样做出这个神(鬼)奇(畜)分子的(其实还不止一个)。然后通过化学手段让环脱落下来,脱落的同时会自己合成多肽(新增3个氨基酸基团)这个先不提是怎样做出这个神(鬼)奇(畜)分子的(其实还不止一个)。然后通过化学手段让环脱落下来,脱落的同时会自己合成多肽(新增3个氨基酸基团)

以及各种数不清的索烃轮烷系统(这个套在棍子上的环就算一个)(自己看review,这个review有很多是讲索烃轮烷的,最后是基于DNA自组装的结构,后面谈自组装会提到)

-------------------------------

不过要是照这样说,那岂不是所有化学合成都是极限精度的,毕竟是直接对分子~~~

当然,人类只是假借分子之手来进行极限精度的操控。更多的例子:

--------------------------------

这个时候要过渡到超分子化学了~我们需要利用自组装:

一个经典的超分子: Self-assembly of nanoscopic dodecahedra from 50 predesigned components

做出的是直径6nm左右的一个五角二十面体中空球。显然,通过剥离这类自上而下的方法是达不到这个级别的。做出的是直径6nm左右的一个五角二十面体中空球。显然,通过剥离这类自上而下的方法是达不到这个级别的。

-------------------------------

来一个最新的超分子,同时具有催化能力(所以上了nature)

A supramolecular microenvironment strategy for transition metal catalysis

这个是四个Ga作为顶点,6个配体做棱,形成的中空超分子。它可以封装一个金配合物,脱去乙烷之后再放出产物。这个是四个Ga作为顶点,6个配体做棱,形成的中空超分子。它可以封装一个金配合物,脱去乙烷之后再放出产物。

-------------------------------

先写这么多,慢慢补

-------------------------------

reference:

人造分子机器

Artificial molecular machine

Chem. Rev., 2015, 115 (18), pp 10081–10206

DOI: 10.1021/acs.chemrev.5b00146

------------------------------

Olenyuk, B., Levin, M. D., Whiteford, J. A., Shield, J. E., Stang, P. J. (1999). Self-assembly of nanoscopic dodecahedra from 50 predesigned components. Journal of the American Chemical Society, 121(44), 10434-10435.

------------------------------

A supramolecular microenvironment strategy for transition metal catalysisVol. 350 no. 6265 pp. 1235-1238

DOI: 10.1126/science.aad3087

【菜刀sold的回答(201票)】:

作为曾经的光刻工程师,资瓷下 @周蕾的回答。

答主放的图片应该是ASML TWINSCAN NXT 1950i,也就是第一代的NXT,Immersion浸入式曝光。

什么是浸入式,估计很多人都不知道,这里科普下。

玩单反的人应该知道有个参数叫数值孔径(Numerical Aperture),简写就是NA,百度百科给出如下解释:

qo 越大,即纤芯与包层的折射率之差越大,光纤捕捉光线的能力越强,而参数 sinqo 直接反映了这种能力,我们称为光纤的数值孔径 NA (Numerical Aperture)
而在光刻领域,说白了就是宏观的微观相机,宏观指的是相机很大,看到中间那根圆柱体了么?那就是镜头,称为Lens,估计两个成年人能勉强合抱住吧。微观指的是拍下的图片是以nm为单位反映在wafer上的。

那么在如今20nm都算low的年代,怎么能保证光刻图形的准确不失真呢?BTW,看到答主提到了这么一句话:

貌似ASML的新一代in-vacuum machine号称reticle stage有二十几倍重力加速度的加速能力

是的,reticle stage和wafer stage不仅需要高速移动,而且需要高速同步移动,什么是同步?就是reticle stage和wafer stage的每一个瞬间,位置差了1nm都不算同步。请注意单位,1nm。

记得当年看test的报告,结果误差了几个mm,看上去很小,但是limit是只有几nm的,所以报告给出的误差的百分比是这样的:n00000000%,n表示某个非0数字,请自行计算我当时心里阴影面积。

扯远了,回到immersion这里来,凶残的ASML公司发现在wafer和lens中间加一层水,就可以使NA放大多少多少,然后ASML就这么做了。因为水的存在,所以才有了浸入式曝光这一说法。

同学们看上去是不是觉得稀松平常?那我告诉你们哦,首先要保证wafer stage和reticle stage的同步移动,然后水是在wafer上的,所以水也要同步移动,可是水是液体,会随意流动,所以还要保证水的形状不改变,再然后,水上面是lens,光打下来,下面是wafer,接收打下来的光,那么如果水在高速移动中产生了一个气泡怎么办?呵呵哒~不信的同学可以自行买瓶矿泉水,随意动一动,也不要求你们达到多少重力加速度这么高要求了,就随意动一动,看看能不能看到气泡。你都肉眼可见了,这要在nm级得加多少个0啊!

如此精度,当真是震撼啊。

Building on the successful in-line catadioptric lens design concept of the XT:1950Hi, the TWINSCAN NXT:1950i has a numerical aperture (NA) of 1.35 – the highest in the industry.

这是1950i中的一段介绍,NA在当时已经是工业界最高,现在的NXE估计更恐怖了吧。可惜我已经不在这一行了。

还有关于overlay,这个太专业,曾经同事说过这么一句话,但凡理解了overlay的,都可以在这个世界所有的黄光区横着走。我这种小白菜就不丢人现眼了。

有兴趣的同学可以自行去ASML官网看人家的产品介绍,请自行感受下这个世界的科技,绝对不只是一部手机那么简单。

ASML Homepage

注:第一段引用来自NA百度百科,

第二段来自 @周蕾本题下的回答,

第三段来自ASML1950i产品介绍:ASML: Products

知乎小透明,第一次这么卖力答题,不匿了。

【刘阳的回答(136票)】:

激光干涉引力波天文台,加起来几百公里光路,能检测到1/10波长(50nm)的微小变化。反射镜背后贴多块小磁石,靠磁铁吸引做到10^-18m的位移。原子大小为10^-10m。

补充一些内容:

温度引起的形变确实影响很大,但还有其他影响也很大的,比如天上飘过来一朵云彩啊,远处驶过一辆小汽车啊,这些情况产生的引力波的数量级和太空里随机事件产生的引力波传到地球以后是很接近的,所以需要地球不同地方几台仪器同时监测,互相过滤噪音。

LIGO刚建成的时候,管道里面还没有抽真空。本来要求长几公里(光路是来回折返的所以比管道长度长很多)的管道非常非常直,结果负责人下去一看怎么那头低了二十厘米?后来发现是因为没抽真空,空气密度变化折射影响了光路。。。

去 Google 地图上搜 LIGO Hanford Observatory,换成卫星图像就能看到这个:

一个臂长4km的分光计。

【1970年代,加州理工学院的莱纳·魏斯等人意识到用激光干涉方法探测引力波的可能性,但是引力波的探测要求仪器的灵敏度达到能够检测长度到为10^-21量级的变化,也就是1000米的长度上变化10^-18米,相当于质子尺度的千分之一,对技术的要求极其苛刻。20世纪90年代,如此高灵敏度所需的技术条件逐渐成熟。1991年,麻省理工学院与加州理工学院在美国国家科学基金会的资助下,开始联合建设激光干涉引力波天文台。为了降低地震对系统带来的干扰,光学装置安装在结构复杂的防振台上,为降低空气分子热运动的影响,光路中抽成10^-12大气压的真空。此外还要在路易斯安那州和华盛顿州建造两个相同的探测器,彼此相距3000公里。只有两个探测器同时检测到的信息才有可能是引力波的信号。激光干涉引力波天文台于1999年11月建成,耗资3.65亿美元。2005年,激光干涉引力波天文台开始进行改造,包括采用更高功率的激光器、进一步减少振动等。改造之后的探测器灵敏度将提高1个数量级,称为先进激光干涉引力波天文台(Advanced LIGO)。】——Wikipedia

【Miguel谭俊杰的回答(70票)】:

为了让大家可以用上4G,基站设备的时钟精度已经进入ns纳秒级别了。

【Kyle的回答(158票)】:

这个,用来改国际单位定义的单晶硅球,重量 1kg,原子数的误差小于 10^-13,用来「标定」阿伏伽德罗常数。

ps. 知乎似乎很少有人关注 2018 年的 SI 单位提案啊,这个弄出来之后普朗克常数、玻尔兹曼常数、基本电荷和阿伏伽德罗常数将会成为确定值,而在此之前就需要最精确地把这几个常量用最精密的手段测出来,这个球就是用晶体学方法测量阿伏伽德罗常数的。ps. 知乎似乎很少有人关注 2018 年的 SI 单位提案啊,这个弄出来之后普朗克常数、玻尔兹曼常数、基本电荷和阿伏伽德罗常数将会成为确定值,而在此之前就需要最精确地把这几个常量用最精密的手段测出来,这个球就是用晶体学方法测量阿伏伽德罗常数的。

【Pcho的回答(28票)】:

当然是微处理器咯

这图是奔腾4的,当年的130nm工艺就集成了5500万个晶体管(同志们,这是什么,将近一个亿呀),更不用说如今的14nm工艺了~这图是奔腾4的,当年的130nm工艺就集成了5500万个晶体管(同志们,这是什么,将近一个亿呀),更不用说如今的14nm工艺了~

附维基百科里的表Transistor count

【一杯可乐不加冰的回答(206票)】:

欧洲大型强子对撞机 (LHC) 的超环面仪器实验探测器(ATLAS)以及它的环形粒子加速器。

ATLAS是一台巨型数字照相机,能够拍摄质子间6亿次碰撞的照片(大型强子对撞机质子在一秒钟内完成6亿次碰撞,质子穿行速度可达光速99.99%)。测量粒子经过时所用时间的精确度,大约是十亿分之一秒。触发系统在确定粒子的位置时,精确度可达1微米。(感谢知友 @lau phunter的提醒,配图已修改,原配图误上传为CMS)

这台照相机拍出来的照片是这样子的

环形粒子加速器精确周长是2.6659万米,内部总共有9300个磁体。在环形粒子加速器内部,两个被称之为“强子”的亚原子粒子束朝着相反的方向前进,这些粒子每运行一圈,就会获得更多的能量,让非常小的它们相撞,就如同让从相距10公里的两地发射出来的两根针相撞。每个质子环绕整个储存环的时间为 89 微秒。因为同步加速器的特性,加速管中的粒子是以粒子团(bunch)的形式,而非连续的粒子流。整个储存环将会有2800个粒子团,最短碰撞周期为 25 纳秒。当LHC开始运作时,磁铁中的总能量高达100亿焦耳(GJ),而粒子束中的总能量也高达725百万焦耳(MJ)。

【王玮的回答(7票)】:

其实光栅的制造精度也很高,加工车间除了恒温恒湿,工作台还要有平衡装置防止震动的影响

【杨珏成的回答(8票)】:

从机械制造的角度来考虑精度,是top down的视角。换个思路,bottom up,也就是合成。

有长出wafer级别的石墨烯。有在溶液里得到大小精确调控的量子点。还有几乎什么都可以长出来的MBE,一层一层原子的长。

再扯远一点,球差矫正的电子显微镜可以得到亚埃级别的电子束斑

【林李的回答(19票)】:

原子钟在天文,航海,通信,各种物理测量上非常关键,比如gps的核心就是原子钟。好像目前最高精度已达到150亿年1秒的误差。

【LeonardoHunag的回答(271票)】:

空气钟。

这是人类制造的,最能能给人带来永动机幻想的设备。无需任何能源输入,即可一直计时数个世纪。原理在于通过气温的变化,产生气体膨胀和收缩,从而产生动能。 这是人类制造的,最能能给人带来永动机幻想的设备。无需任何能源输入,即可一直计时数个世纪。原理在于通过气温的变化,产生气体膨胀和收缩,从而产生动能。

这种幻想基于它极其微小的能量消耗,这么说吧,60,000,000台空气钟所消耗的能量,才能勉强点亮一盏15瓦的灯。

而这极其微小的能量消耗,却又是要满足人类最精确的一种需要——计时。这种在头发丝上精确刻度的难度,可想而知。

想想看,这项技术产生在量子技术时代到来之前的,纯机械时代!这对精度是怎样一种要求?!

过去常听说,德国人和日本人严谨而单调,在我来瑞士生活之后,我才明白,相比于瑞士人,他们都算是自由而放纵的民族。

以上。

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