С момента появления наждачной бумаги в 13 веке принципиальный способ шлифовки материалов человеком не изменился. Сегодня исследовательская группа Корейского института передовых технологий (KAIST) заново изобрела «наждачную бумагу», используя вертикально ориентированные углеродные нанотрубки — её эквивалентная зернистость достигает 258 миллиардов, что более чем в 500 тысяч раз превышает показатели традиционной наждачной бумаги, позволяя осуществлять полировку с атомарной точностью на различных материалах.
1. 700-летняя «проблема точности» наждачной бумаги
Наждачная бумага, также известная как гибкий абразивный инструмент, с момента своего появления в 13 веке остаётся самым распространённым инструментом для финишной обработки поверхностей. Однако традиционная наждачная бумага всегда сталкивалась с двумя фундаментальными ограничениями:
Неоднородность размера абразивных частиц: традиционные абразивные зёрна имеют разброс по размеру и форме, что затрудняет достижение подлинного наноразмерного контроля точности;
Проблема осыпания абразива: адгезия частиц к основе ограничена, в процессе использования они легко отслаиваются, что не только сокращает срок службы инструмента, но и приводит к царапинам на поверхности.
Эти ограничения делают традиционную наждачную бумагу непригодной для удовлетворения требований передовых областей производства к «атомарной точности» — такие высокотехнологичные компоненты, как полупроводниковые пластины, прецизионные оптические элементы, сверхгладкие пресс-формы, предъявляют требования к качеству поверхности уже на субнанометровом уровне.
2. Инновационные аспекты: «лес» углеродных нанотрубок превращается в нанонаждачную бумагу
В 2026 году команда профессора Санха Кима (Sanha Kim) с кафедры машиностроения Корейского института передовых технологий (KAIST) опубликовала прорывное исследование в журнале Advanced Composites and Hybrid Materials, впервые предложив «нанонаждачную бумагу» на основе вертикально ориентированных углеродных нанотрубок (VACNTs), введя этот древний инструмент в эпоху атомарной точности.
Аспект 1: Концептуальный переворот — от «случайных частиц» к «контролируемому массиву»
Исследовательская группа полностью отказалась от модели случайного распределения традиционных абразивных частиц, используя в качестве фиксированного абразива массив вертикально ориентированных углеродных нанотрубок.
Углеродные нанотрубки (CNT) обладают чрезвычайно высоким соотношением длины к диаметру (может достигать тысяч раз) и превосходными механическими свойствами (предел прочности на растяжение превышает 100 ГПа, модуль Юнга около 1 ТПа), что позволяет стабильно внедрять их в полимерную матрицу без отслоения. С помощью метода химического осаждения из газовой фазы (CVD) на кремниевой подложке выращивается «лес» углеродных нанотрубок с высокой ориентацией и однородными размерами, который затем переносится в полиуретановую матрицу, формируя нанонаждачную бумагу с контролируемой структурой.
Аспект 2: Эквивалентная зернистость 258 миллиардов — более чем в 500 тысяч раз выше, чем у традиционной наждачной бумаги
«Зернистость» традиционной наждачной бумаги означает количество абразивных частиц на дюйм длины, максимальная зернистость составляет около 5000 (что соответствует размеру абразива примерно 2-3 микрона). Эквивалентная зернистость этой нанонаждачной бумаги рассчитывается следующим образом:
Диаметр углеродных нанотрубок составляет около 10-20 нанометров, расстояние между центрами соседних нанотрубок можно контролировать на уровне десятков нанометров
Количество углеродных нанотрубок, которые можно интегрировать на квадратный дюйм, достигает 258 миллиардов
По сравнению с традиционной наждачной бумагой эквивалентная зернистость повышена более чем в 500 тысяч раз
Эти данные означают: нанонаждачная бумага может обеспечить на порядки больше режущих кромок на единицу площади, реализуя подлинное «атомарное» удаление материала.
Аспект 3: Три ключевых преимущества — точность, долговечность и экологичность
Исследовательская группа систематически подтвердила эксплуатационные преимущества нанонаждачной бумаги:
1. Атомарная точность полировки
Высокое соотношение длины к диаметру и равномерное расположение углеродных нанотрубок позволяют осуществлять контролируемое атомарное удаление материала. Эксперименты показывают, что этот инструмент позволяет получать сверхгладкие поверхности с шероховатостью (Ra) менее 1 нанометра на различных материалах, таких как медь, кремний, сапфир.
2. Длительная износостойкость
Превосходные механические свойства углеродных нанотрубок и их прочное сцепление с матрицей приводят к тому, что в процессе использования практически не происходит их отслоения или разрушения. По сравнению с традиционной наждачной бумагой срок службы инструмента значительно увеличивается, и отсутствуют вторичные царапины из-за осыпания абразива.
3. Регулируемые характеристики удаления
Путём инженерного проектирования микро/наноразмерной структуры поверхности команда смогла точно регулировать скорость удаления материала нанонаждачной бумагой. В зависимости от различных материалов и требований обработки можно настраивать эффективность полировки, сохраняя при этом точность.
4. Экологическая устойчивость
Традиционные процессы полировки часто полагаются на химико-механическую полировку (CMP), требующую большого количества полировальной суспензии и химических реагентов. Нанонаждачная бумага позволяет осуществлять «сухую» или «малорасходную» полировку, значительно сокращая потребление химикатов и выбросы сточных вод, что соответствует концепции зелёного производства.
3. Технологическая сущность: от одномерной наноструктуры к трёхмерной инженерной поверхности
В статье исследовательская группа подробно изложила производственный процесс и механизмы регулирования нанонаждачной бумаги:
Рост углеродных нанотрубок: с помощью плазмохимического осаждения из газовой фазы (PECVD) на кремниевой подложке выращивается массив вертикально ориентированных углеродных нанотрубок, точно контролируя диаметр, высоту и плотность;
Внедрение в полимер: предшественник полиуретана заливается в массив углеродных нанотрубок, после отверждения формируется композитная структура «углеродные нанотрубки-полимер»;
Отслоение подложки: композитная структура механически отделяется от кремниевой подложки, получается независимая плёнка нанонаждачной бумаги;
Инженерия поверхности: с помощью лазерного травления или методов с использованием шаблонов на поверхности плёнки создаются микрометровые канавки или столбчатые структуры для дальнейшего регулирования скорости удаления материала.
В статье отмечается: «Интеграция прочных одномерных наноструктур в инженерные поверхностные структуры продвигает нано- и микропроизводство, ориентированное на атомарную полировку, прокладывая путь для масштабируемого, устойчивого прецизионного производства».
4. Перспективы применения: «универсальный точильный камень» от полупроводников до прецизионной оптики
1. Планаризация полупроводниковых пластин
По мере перехода технологических норм производства чипов к 2 нанометрам и ниже требования к плоскостности поверхности пластин вышли на уровень субангстрем. Традиционная химико-механическая полировка (CMP), хотя и обеспечивает высокую точность, имеет проблемы большого расхода химикатов и сложностей с обработкой сточных вод. Нанонаждачная бумага может служить дополнением или альтернативой CMP, позволяя осуществлять сверхпрецизионную планаризацию с низким расходом химикатов.
2. Обработка прецизионных оптических элементов
Асферические линзы, свободноформные зеркала и другие оптические элементы предъявляют чрезвычайно высокие требования к шероховатости поверхности и точности формы. Способность нанонаждачной бумаги к атомарному удалению и отсутствие царапин делают её потенциальным инструментом для холодной обработки оптики.
3. Изготовление сверхгладких пресс-форм
Поверхности пресс-форм для оптического формования, микро- и наноштамповки требуют нанометровой чистоты. Нанонаждачная бумага может напрямую использоваться для прецизионной полировки твёрдых и хрупких материалов, таких как штамповая сталь, карбид вольфрама.
4. Обработка гибких электронных подложек
Податливость массива углеродных нанотрубок позволяет нанонаждачной бумаге прилегать к криволинейным или неправильным поверхностям, что подходит для полировки деталей сложной формы, таких как гибкие электронные подложки, медицинские приборы.
5. Промышленное значение: переопределение понятия «наждачная бумага»
Глубинная ценность этого исследования заключается в переопределении этого древнего инструмента из «расходного материала» в «прецизионный режущий инструмент». Традиционная наждачная бумага рассматривается как расходник, который используют и выбрасывают; а нанонаждачная бумага благодаря контролируемой структуре, долговечности и высокой точности может служить многоразовым инструментом для прецизионной обработки.
Что ещё более важно, эта технология может способствовать зелёной трансформации процессов полировки — избавлению от чрезмерной зависимости от химических реагентов, сокращению выбросов сточных вод и снижению энергопотребления. Как сказано в статье: «Путем интеграции прочных одномерных наноструктур в инженерные поверхности настоящее исследование продвигает нано- и микропроизводство, ориентированное на атомарную полировку, прокладывая путь для масштабируемого, устойчивого прецизионного производства».
Когда точность наждачной бумаги перешла с микрометрового уровня на атомарный, способность человечества контролировать поверхность материалов также сделала исторический шаг вперёд.
Источник: Кафедра машиностроения Корейского института передовых технологий (KAIST); Авторы: Sukkyung Kang, Ji-hun Jeong, Hyun Jun Ryu, Gunhoo Park, Sanha Kim; Название статьи: Carbon nanotube sandpaper for atomic-precision surface finishing; Опубликовано в: Advanced Composites and Hybrid Materials.
