碳元素广泛存在于自然界，其独特的物性和多样的形态随着人类文明的进步而逐渐被发现。石墨烯（Graphene）作为一种碳系新材料，发掘和应用其潜在、出色的各项特殊性能，成为多年来人们研究的热点。现在，我们不妨概略认识一下“石墨烯”。

    现实生活中，大家对于“石墨”并不陌生，众所周知的铅笔和自动铅笔芯即由石墨粉末混合粘土的材料组成。用铅笔在纸上写字，其实就是不停制造薄薄的石墨，其间即包含了所谓“石墨烯”。石墨就是由一层层有序排列的平面碳原子堆叠而形成的，石墨的层间作用力较弱，很容易互相剥离，形成薄薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后，这种只有一个碳原子厚度的单层就是“石墨烯”；1毫米厚度石墨相当于由300万层石墨烯膜重叠起来。

    研究结果表明，“石墨烯”是由碳六元环组成的二维（2D）周期蜂窝状点阵结构（如上图所示），不仅是构成其他石墨材料的基本单元，也是形成所有sp2杂化碳质材料的基本组成单元。“石墨烯”可以翘曲成零维（0D）的富勒烯（fullerene），卷成一维（1D）的碳纳米管（CNT），或者堆垛成三维（3D）的石墨（graphite）。

    自1985年富勒烯和1991年碳纳米管被科学家发现以后，三维的金刚石、一维的碳纳米管、零维的富勒球组成了碳系家族。碳的零维、一维、三维结构材料已经被实验证实可以稳定存在，唯有二维的理想石墨烯片层则一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直至2004年，英国大学物理学教授安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫在实验中用一种极为简单的方法，成功剥离并观测到了自由且异乎寻常地稳定存在的单层“石墨烯”，从而证实它也可以单独存在。这一发现立刻震撼了科学界，随即掀起了一场关于石墨烯理论与实验研究的新热潮。6年后，两人也因此卓越贡献共同获得2010年度诺贝尔物理学奖。

    这种碳原子呈六角形网状键合的“石墨烯”，是迄今最理想的二维纳米材料。它具有诸多超乎人类想象的优越的电特性、热特性以及机械特性，不仅普遍应用于一般工业和消费领域，还广泛应用于特殊工业领域。

    单层石墨烯的厚度仅为0.335纳米，约为头发丝直径的二十万分之一。理想的石墨烯结构呈平面六边形点阵，是一层被剥离的石墨分子，每个均为sp2杂化，并贡献剩余一个p轨道上的电子形成大π键，π电子可以自由移动，从而成就了石墨烯优越的导电性。它的电阻率只约10-6 Ω·cm，比铜或银更低，为世上已知电阻率最小的材料。电子在其中的运动速度达到了光速的 1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度，具有在室温下也高达20万cm2/Vs以上的载流子迁移率，以及远远超过铜的对大电流密度的耐性。石墨烯将有可能成为硅的替代品，制造超微型、高速晶体管，用来生产未来的超级计算机，以及触摸面板、超高效太阳能电池用透明导电膜，以及成本低于铜但与铜相比可通过大电流的电线等。

    石墨烯是迄今为止世界上强度最大的材料，比最好的钢铁还要高上百倍，竟然比金刚石还坚硬，其每100纳米距离上可承受的最大压力居然达到了大约2.9微牛。由此测算，如果用石墨烯制成厚度相当于普通食品塑料包装袋的约100 纳米厚的薄膜，那么它将能承受大约两吨重物品的压力而不至于断裂。打个比喻，单层石墨烯的强度，就像把大象的重量加到一支铅笔上，才能够用这支铅笔刺穿仅像保鲜膜一样厚度的单层石墨烯。石墨烯的结构非常稳定，碳碳键仅为0.142纳米。碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性。在目前可制作片状材料中，石墨烯厚度最薄、比表面积较大，还具有超过金刚石的强度、弹性模数和导热率。即便是单层石墨烯，也不会通过大于氦（He）原子的物质。这些性质可以使石墨烯作为超级电容器、锂离子电池的电极材料助剂、散热膜、MEMS传感器，或是理想的阻挡膜。

    与其他材料相比，石墨烯还拥有许多极为特殊的性质。例如，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，在室温下也可呈现量子霍尔效应，可实现透射率为100%的通道效应；电阻值为固定值而与距离无关的“弹道输运”的有效距离较长；按照由石墨烯上的自由电子来描述中微子的韦尔方程式，石墨烯可以像质量为零的粒子一样的运动；而且，石墨烯具有被称为“赝自旋”和“赝磁场”的、宛如存在电子自旋和磁场的特性；石墨烯还拥有负折射率，等等。这些特性可以使石墨烯用于制造透明触控屏幕、光板、超高精度的气体传感器和应变传感器等，是未来纳米电子器件的极有前景的材料。此外，石墨烯还可被广泛应用于各领域，比如超轻防弹衣、用于航空航天领域的储氢材料、超薄超轻型飞机材料等，并在各领域减少和控制噪音的方法上具有革命性的跨越。

    目前，制备石墨烯的生产方法较多，有微机械分离、取向附生法、化学气相沉积法、氧化-还原法、溶剂剥离法、溶剂热法、高温还原、光照还原、外延晶体生长法、微波法、电弧法、电化学法等。如何综合运用各种石墨烯制备方法的优势，取长补短，解决石墨烯的难溶解性和不稳定性的问题、完善结构和电性能、降低成本等是今后研究的热点和难点，也为今后石墨烯的制备与合成开辟新的道路。

    我国石墨矿储量占世界总储量的75%，产量占世界总产量的72%。同时，我国是制造业大国，在动力电池、LED散热等方面，石墨烯都大有用武之地。因此，我国对石墨烯的需求也比较强烈。至2015年底，国内已诞生石墨烯十大生产厂家（科技有限公司）：宁波墨西、重庆墨希、鸿纳(东莞)新材料、常州第六元素材料、济南墨希新材料、苏州格瑞丰纳米、合肥微晶材料、常州二维碳素、无锡格菲电子薄膜、南京吉仓纳米和南京先丰纳米材料，其中年产300吨石墨烯的“宁波墨西科技有限公司”是全球最大的石墨烯生产企业，已将每克制造成本从5000元降至3元以下。此外，各地的石墨烯产业园区、产业联盟及创新基地也纷纷成立，石墨烯的应用越来越广泛。业内人士预计，国内石墨烯未来的市场规模或可达到万亿元以上。不过，虽然我国在石墨烯制备方面取得了突破，但石墨烯的应用仍然处于由研发向产业化迈进的阶段，万亿元的市场前景的确美好，但实现仍需要一个过程。2016年7月，中国石墨烯产业技术创新联盟在上海首发了2016全球石墨烯产业研究报告。报告称，石墨烯产业发展目前还处于初级阶段，预计到2020年，全球石墨烯才形成完整产业链，且市场规模将达1000亿元，其中中国占比达50%至80%，中国将在全球石墨烯行业中起到主导和核心作用。在知识产权方面，2015年全球石墨烯专利数据显示，排名首位的是中国，之后是美国、韩国、日本。作为21世纪最具应用前景的新材料之一，石墨烯的每项技术发明都给该题材注入了新的生命力。