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石墨烯因其独特的卓越性能组合而成为最有前途的纳米材料之一：它不仅是最薄的材料 ， 也是最坚固的材料之一；它的导热性优于所有其他材料；它是优良的电导体；它是光学透明的 ， 但密度如此之大 ， 以至于气体无法渗透——即使是最小的气体原子氦也无法通过它 。
石墨烯——所有石墨形式之母 。 左侧显示的是波纹状石墨烯片的艺术效果图石墨烯非凡特性的独特组合为许多领域的下一代技术开发提供了一个迷人的材料平台——可穿戴和超高速电子产品、超灵敏传感器、多功能复合材料和涂层、膜、医学和生物技术、能量收集和存储 。
自 2004 年首次展示以来 ， 石墨烯研究已经发展成为一个广阔的领域 ， 现在每年发表大约 10000 篇涉及广泛主题的科学论文 。
什么是石墨烯？
石墨烯是单层（单层）碳原子片的名称 ， 这些碳原子以六边形的重复图案结合在一起 。 这张纸只有一个原子厚 。 单层石墨烯相互堆叠形成石墨 。 由于典型的碳原子直径约为 0.33 纳米 ， 因此在 1 毫米厚的石墨片中大约有 300 万层石墨烯 。
用科学术语来说：石墨烯的非凡特性源于 2p 轨道 ， 它形成 π 态带 ， 在构成石墨烯的碳片上离域 。
比钻石更硬 ， 比橡胶更有弹性；比钢更硬但比铝更轻——石墨烯是已知的最强材料 。
换个角度来看：如果一张保鲜膜（如厨房保鲜膜）的强度与原始的单层石墨烯相同 ， 则需要 2000 千克重物或一辆大型汽车施加的力才能刺破它用铅笔 。
由于石墨烯独特的结构 ， 它还拥有其他惊人的特性：它的高电子迁移率比硅快100倍；它的导热性比钻石好 2 倍；它的导电性比铜好13倍；仅吸收2.3%的反射光；它是不透水的 ， 即使是最小的原子（氦）也无法通过无缺陷的单层石墨烯片；它每克 2630 平方米的高表面积意味着用不到 3 克就可以覆盖整个足球场（好吧 ， 实际上你需要 6 克 ， 因为 2630 m 2 /g 是足球两侧的表面积石墨烯片） 。
石墨烯代表一类概念上只有一个原子厚的新材料 ， 即所谓的二维 (2D) 材料（它们之所以被称为二维 ， 是因为它们仅在两个维度上延伸：长度和宽度；由于材料只有一个原子厚 ， 因此第三维高度被认为是零） 。 只有在这种单层或几层状态下 ， 石墨烯的惊人特性才会显现出来 。
石墨烯是其他石墨材料（如碳纳米管）的基本组成部分：
石墨烯片是其他石墨材料的组成部分：卷起来做成碳纳米管；切割并折叠成球形制成富勒烯 。
什么是氧化石墨烯？
氧化石墨烯 (GO) 是一种单原子碳层 ， 该层的两个表面都被含氧官能团修饰 。 在多层氧化石墨烯中 ， 碳层由与每层碳原子键合的官能团分隔 。
尽管 GO 与石墨烯一样是一种二维材料 ， 但其特性与石墨烯有很大不同 。 它不吸收可见光 ， 与石墨烯相比具有非常低的电导率 ， 并表现出明显更高的化学活性 。
1859 年 ， 英国化学家本杰明·布罗迪 (Benjamin Brodie) 或多或少地偶然发现了氧化石墨烯 。 在他的实验中 ， 他将石墨暴露在强酸中 ， 得到了他所谓的碳酸 。 布罗迪相信他发现了石墨子 ， 一种新的碳分子 ， 分子量为 33 。
正如 Andre Geim 在他关于石墨烯史前史的文章中所言 ， “今天我们知道他观察到了一种微小的氧化石墨烯晶体悬浮液 ， 即密集覆盖着羟基和环氧基团的石墨烯片 。 ”
在兴趣浪潮开始时 ， GO 仅被认为是大规模生产廉价石墨烯的方式 ， 特别是通过还原制备单层和多层石墨烯薄膜和块状石墨烯结构（导致还原氧化石墨烯 ， 或 rGO） 。
随着时间的推移 ， 正如我们在下面的一些示例中所示 ， GO 已经在许多领域得到应用 ， 例如膜、涂层、传感器、光催化和太阳能电池 。 尽管 GO 及其还原形式 rGO 是石墨烯的近亲 ， 但由于其独特的特性 ， 它在石墨烯家族中确立了自己的独立地位 。
其他形式的石墨烯——石墨二炔和多孔石墨烯
在电子学中使用石墨烯的主要挑战是石墨烯的零带隙电子结构 。 这使得石墨烯基晶体管无法关闭 ， 从而限制了它们在半导体行业的应用 。
