自13世纪砂纸问世以来，人类打磨材料的方式从未发生根本改变。如今，韩国科学技术院(KAIST)研究团队用垂直排列的碳纳米管重新发明了“砂纸”——等效目数高达2580亿，是传统砂纸的50万倍以上，可在多种材料上实现原子级精度抛光。
一、砂纸的700年“精度之困”
砂纸，又名涂附磨具，自13世纪问世以来，一直是最常见的表面精加工工具。然而，传统砂纸始终面临两大根本性局限：
磨料尺寸不均：传统磨料颗粒在尺寸和形状上存在分布偏差，难以实现真正的纳米级精度控制;
磨料脱落问题：颗粒与基材的粘附力有限，在使用过程中易脱落，不仅缩短工具寿命，还会造成表面划伤。
这些局限使传统砂纸难以满足先进制造领域对“原子级精度”的需求——半导体晶圆、精密光学元件、超光滑模具等高端部件，对表面质量的要求已进入亚纳米尺度。
二、科创亮点：碳纳米管“森林”变身纳米砂纸
2026年，韩国科学技术院(KAIST)机械工程系金桑哈(Sanha Kim)教授团队在《先进复合与混合材料》期刊发表突破性研究，首次提出基于垂直排列碳纳米管(VACNTs)的“纳米砂纸”，将“砂纸”这一古老工具带入原子级时代。
亮点一：概念颠覆——从“颗粒随机”到“阵列可控”
研究团队彻底摒弃了传统磨料颗粒的随机分布模式，采用垂直排列碳纳米管阵列作为固定磨料。
碳纳米管(CNT)具有极高的长径比(可达数千倍)和优异的力学性能(抗拉强度超100 GPa、杨氏模量约1 TPa)，使其能够稳定嵌入聚合物基体而不脱落。通过化学气相沉积(CVD)技术在硅基底上生长出高度取向、尺寸均匀的碳纳米管“森林”，再将其转移至聚氨酯基体中，形成结构可控的纳米砂纸。
亮点二：等效目数2580亿——传统砂纸的50万倍以上
传统砂纸的“目数”代表每英寸长度上的磨料颗粒数，最高规格砂纸目数约5000目(对应磨料尺寸约2-3微米)。而这款纳米砂纸的等效目数计算如下：
碳纳米管直径约10-20纳米，相邻碳纳米管的中心间距可控制在数十纳米量级
每平方英寸可集成的碳纳米管数量高达2580亿根
与传统砂纸相比，等效目数提升超过50万倍
这一数据意味着：纳米砂纸可在单位面积上提供数量级更多的切削刃，实现真正的“原子级”材料去除。
亮点三：三大核心优势——精度、寿命、环保兼具
研究团队系统验证了纳米砂纸的性能优势：
1. 原子级抛光精度
碳纳米管的高长径比和均匀排列，使其能够实现可控的原子级材料去除。实验表明，该工具可在铜、硅、蓝宝石等多种材料上获得表面粗糙度(Ra)低于1纳米的超光滑表面。
2. 长期耐用性
碳纳米管优异的力学性能和与基体的牢固结合，使其在使用过程中几乎不发生脱落或断裂。与传统砂纸相比，工具寿命显著延长，且不会因磨料脱落造成二次划伤。
3. 可调控的去除性能
通过工程化设计微/纳米尺度的表面结构，团队能够精确调控纳米砂纸的材料去除率。可根据不同材料和加工需求，在保持精度的前提下调整抛光效率。
4. 环境可持续性
传统抛光工艺常依赖化学机械抛光(CMP)，需消耗大量抛光液和化学试剂。而纳米砂纸实现“干式”或“少液”抛光，大幅减少化学品消耗和废液排放，符合绿色制造理念。
三、技术内涵：从一维纳米结构到三维工程化表面
研究团队在论文中系统阐述了纳米砂纸的制造流程与调控机制：
碳纳米管生长：通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在硅基底上生长垂直排列碳纳米管阵列，精确控制管径、高度和密度;
聚合物嵌入：将聚氨酯前驱体浇注至碳纳米管阵列中，固化后形成碳纳米管-聚合物复合结构;
基底剥离：将复合结构从硅基底上机械剥离，获得独立的纳米砂纸薄膜;
表面工程化：通过激光刻蚀或模板辅助方法，在薄膜表面构建微米级沟槽或柱状结构，实现对材料去除率的进一步调控。
论文指出，“将坚固的一维纳米结构集成到工程化表面结构中，推动了面向原子级抛光的纳米至微米制造，为可扩展、可持续的精密制造铺平了道路。”
四、应用前景：从半导体到精密光学的“万能磨石”
1. 半导体晶圆平坦化
随着芯片制程向2纳米及以下节点演进，对晶圆表面平坦度的要求已进入亚埃级。传统化学机械抛光(CMP)虽能实现高精度，但存在化学品消耗大、废液处理难等问题。纳米砂纸可作为CMP的补充或替代方案，实现低化学品消耗的超精密平坦化。
2. 精密光学元件加工
非球面透镜、自由曲面反射镜等光学元件对表面粗糙度和面形精度要求极高。纳米砂纸的原子级去除能力和无划伤特性，使其成为光学冷加工的潜力工具。
3. 超光滑模具制造
用于光学模压、微纳成型的模具表面需达到纳米级光洁度。纳米砂纸可直接用于模具钢、碳化钨等硬脆材料的精密抛光。
4. 柔性电子基板处理
碳纳米管阵列的柔顺性使纳米砂纸可贴合曲面或不规则表面，适用于柔性电子基板、医疗器械等复杂形状工件的抛光。
五、产业意义：重写“砂纸”的定义
这项研究的深层价值在于将“砂纸”这一古老工具从“耗材”重新定义为“精密刀具”。传统砂纸被视为消耗品，用即弃;而纳米砂纸因其结构可控、寿命长、精度高，可作为一种可重复使用的精密加工工具。
更重要的是，该技术有望推动抛光工艺的绿色转型——摆脱对化学试剂的过度依赖，减少废液排放，降低能耗。正如论文所言：“通过将坚固的一维纳米结构集成到工程化表面，本研究推动了面向原子级抛光的纳米至微米制造，为可扩展、可持续的精密制造铺平了道路。”
当砂纸的精度从微米级跨越到原子级，人类对材料表面的掌控能力也迈出了历史性一步。
来源：韩国科学技术院(KAIST)机械工程系；作者：Sukkyung Kang, Ji-hun Jeong, Hyun Jun Ryu, Gunhoo Park, Sanha Kim；题目：Carbon nanotube sandpaper for atomic-precision surface finishing；发表于：Advanced Composites and Hybrid Materials(《先进复合与混合材料》)。
