在最近的20年中，碳元素引起了世界各国研究人员的极大兴趣。自富勒烯和碳纳米管被科学家发现以后，三维的金刚石、“二维”的石墨烯、一维的碳纳米管、零维的富勒球组成了完整的碳系家族。石墨并非是真正意义的二维材料，单层石墨碳原子层只是准二维结构的碳材料。
石墨与金刚石、碳60、碳纳米管等都是碳元素的单质，它们互为同素异形体。人们常见的石墨是由一层层以蜂窝状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，很容易被分层剥离，形成石墨薄片。当把石墨片一层一层地剥成单层，这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。
石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，是一种由碳原子组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，是只有一个碳原子厚度的二维材料。过去，石墨烯一自是一种只具有理论意义上的“材料”，一种假想的材料，无法单独存在。直到2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫从石墨中分离出石墨烯，从而证实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”一起获得2010年诺贝尔物理学奖。在制作石墨烯时，他们找到从石墨中剥离出石墨片的方法。他们将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，胶带粘下一层石墨，这就能把石墨剥离成一片一片的。经过反复地如此操作，使石墨薄片越来越薄，最后得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。此后，经过5年的发展，人们发现，使石墨烯制作工艺进入工业生产的领域已为时不远了。
海姆和诺沃肖洛夫都出生于俄罗斯，都曾在前苏联的莫斯科工程物理学院学习，也曾一同在荷兰学习和从事研究工作，最后他们又一起在英国制备出了石墨烯。他们制备的石墨烯是世界上最薄的材料，仅有一个碳原子厚。石墨烯的导电性高度稳定，即使被切成1纳米宽的元件，导电性能也很好。
石墨烯目前是世界上最薄却也是最坚硬的纳米材料，超过了碳纳米管和金刚石。它几乎是完全透明的，导热系数很高。石墨烯为目前世界上电阻率最小的材料，因为它的电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待着用于发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。如果利用石墨烯制成单电子晶体管可在室温下工作。而作为热导体，石墨烯比目前任何其他材料的导热效果都好。
石墨烯的碳原子排列与石墨的单原子层相似，石墨烯的命名来自英文的graphite（石墨）＋-ene（烯类词尾）。从学理上讲，石墨烯被认为是平面多环芳香烃原子晶体。石墨烯结构稳定，碳原子的连接很柔韧，受到外力时，石墨烯的面会发生弯曲，其中的碳原子不必借助重新排列来适应外力，并保持稳定的结构。正是这种结构使石墨烯具有优秀的导热性。在常温下，周围碳原子发生挤撞，石墨烯内部电子受到的干扰也非常小。
石墨烯是已知材料中最薄的一种，质料非常牢固坚硬。石墨烯是迄今为止世界上强度最大的材料。如果用石墨烯制成厚度相当于膜（厚度约100纳米），那么它将能承受大约两吨重物品的压力，并不会断裂。石墨烯比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上百倍。如果物理学家们能制取出厚度相当于普通食品塑料包装袋的（厚度约100纳米）石墨烯，那么需要施加差不多两万牛顿的压力才能将其扯断。换句话说，如果用石墨烯制成包装袋，那么它将能承受大约一吨重物品的重压。根据石墨烯超薄和强度超大的特性，石墨烯可被广泛应用，比如超轻防弹衣、超薄超轻型飞机材料等，甚至能让科学家梦寐以求的3.7万千米长太空电梯成为现实。优异的导电性使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。石墨烯有可能会成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机使未来的计算机获得更高的速度。
石墨烯是世界上导电性最好的材料，电子在其中的运动速度达到了光速的1/30，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。2011年4月，IBM的研究人员向媒体展示了他们研发的石墨烯晶体管，该产品每秒能执行1550亿个循环操作，比以前的试验用晶体管快50%。在纳米电子器件方面的应用，石墨烯可能最终代替硅生产超级计算机。石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜，人们发现，石墨烯有望在现代电子科技领域引发一轮革命。由于电子和原子的碰撞，传统的半导体和导体用热的形式释放了一些能量，目前一般的电脑芯片以这种方式浪费了72%～81%的电能，石墨烯则不同，它的电子能量不会被损耗，这使它具有了非同寻常的优良特性。
石墨烯还会以光子传感器的面貌出现，这种传感器可用于检测光纤中携带的信息。IBM的一个研究小组曾宣布，他们研制石墨烯光电探测器后，再研制基于石墨烯的太阳能电池和液晶显示屏。因为石墨烯有很好的透明性，用它制造的电板透光性更好，可以应用于晶体管、触摸屏等，用石墨烯制作的光电化学电池可以取代基于金属的有机发光二极管。中国一家石墨烯研究单位发布消息，他们研制成功全球首款手机用石墨烯电容触摸屏。
用石墨烯制成的低成本电池或将实现“一分钟充电”。美国研究人员利用锂离子可在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性，开发出一种新型储能装置，可将充电时间从过去的数小时之久缩短到不到一分钟。
目前，作为导电性能和机械性能都很优异的材料，素来有“黑金子”之称的石墨烯在中国市场上的价格近10倍于黄金，超过2000元/克。
由于成果要经得起时间考验，许多诺贝尔科学奖项都是在成果获得后十几或几十年后才颁发。石墨烯材料的制备成功后6年，海姆和诺沃肖洛夫就获得了诺贝尔奖，这使诺沃肖洛夫感到意外。他说：“听说这个消息时，我非常惊喜，第一个想法就是奔到实验室告诉整个研究团队。”他的同事海姆则表示，“我从没想过获诺贝尔奖，昨天晚上睡得很踏实”。海姆认为，获得诺贝尔奖的有两种人：一种是获奖后就停止了研究，至此终老一生再无成果；一种是生怕别人认为他是偶然获奖的，因此在工作上倍加努力。“我愿意成为第二种人，当然我会像平常一样走进办公室，继续努力工作，继续过平常的生活。”
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