石墨烯到底是什么

“超级材料”这个词近来被大量的使用——陶瓷超级材料，气凝胶超级材料，弹性体超级材料。但是有一种超级材料把它们都淹没了，它让它的发现者获得了诺贝尔奖，并为科学的炒作和兴奋定义了上限。它有可能使处理、电力储存、甚至太空探索发生革命性的变化……但它还没有真正实现任何目标。它被称为石墨烯，它是现代材料科学热潮的鼻祖。石墨烯有可能成为有史以来最具颠覆性的单一发明之一，但它到底是什么呢?

石墨烯是由单层碳原子排列成六边形晶格的一种异形体(形式)。它是碳的许多其他异形体的基本结构元素，如石墨、钻石、碳、碳纳米管和富勒烯。

石墨烯有许多不同寻常的性质，它能有效地传导热量和电，它的导电性也非常高，而且几乎是透明的。它不仅具有令人难以置信的物理特性，还被广泛引用为每一重量基础上创造的最坚固的材料。例如，石墨烯在原子小的情况下，可以使处理器中的晶体管更加紧密地封装，并允许许多电子行业向前迈进一大步。

石墨烯令人难以置信的物理特性实际上在各种思想实验中被应用。如果它能在至少一米长的线程中被制造出来，一些科学家相信这些石墨烯可以被编织在一起，从而使它既足够坚固又足够柔韧，可以成为太空电梯的支柱。这种单一的柔性，编织的碳将从地球表面延伸到地球同步轨道之外。如果石墨烯制造能够自己发展起来的话，这类科幻发明将成为可能。

石墨烯对于各种各样的领域来说都是革命性的。

在生物工程领域，科学家们希望利用石墨烯的小尺寸来穿透细胞壁，这可能会使研究人员选择一个分子。石墨烯还可用于制造一种超细、反生物的水过滤器，用于快速过滤潜在危险的饮用水。它可以简单地让设计和建筑规模比以往任何时候都小，石墨烯的低电阻可以使太阳能电池板技术更加节能，但光子中所含的能量不足以激活石墨烯晶体管。由于石墨烯缺乏耐药性，而且它的填充能力如此之强，能够很快地大幅提高能源产量，因此石墨烯与污染物的“掺杂”增加其吸收能力一直是研究的主要来源。然而，就像所有的石墨烯一样，我们将不得不拭目以待'

石墨烯是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子面材料，是碳的二维结构。这种石墨晶体薄膜的厚度只有0.335纳米，把20万片薄膜叠加到一起，也只有一根头发丝那么厚。它是2004年由曼彻斯特大学的科斯提亚诺沃谢夫和安德烈盖姆小组首先发现的。石墨烯的问世引起了全世界的研究热潮。它不仅是已知材料中最薄的一种，还非常牢固坚硬；作为单质，它在室温下传递电子的速度比已知导体都快。石墨烯在原子尺度上结构非常特殊，必须用相对论量子物理学才能描绘。石墨烯结构非常稳定，迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨毡石墨烯中电子受到的干扰也非常小。

石墨烯（Graphene）是一种二维晶体，由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。

石墨烯的结构

毋庸置疑，石墨烯是继纳米碳管、富勒烯球后的又一重大发现，石墨是三维（或立体）的层状结构，石墨晶体中层与层之间相隔340pm，距离较大，是以范德华力结合起来的，即层与层之间属于分子晶体。

但是，由于同一平面层上的碳原子间结合很强，极难破坏，所以石墨的溶点也很高，化学性质也稳定，其中一层就是石墨烯。

石墨烯是由单层碳原子组成的六方蜂巢状二维结构，它可以包裹起来形成零维的富勒烯（Fullerene，又译作福乐烯），又名巴基球或巴克球（Buckyball，其他名称还有球碳与芙，是继金刚石和石墨之后于1985年发现的碳元素的第三种晶体形态。

卷起来形成一维的纳米碳管（CarbonNanotube是具有石墨结构、并按一定规则卷曲形成纳米级管状结构的孔材料），层层堆积形成三维的石墨。

石墨烯的特点

纯净的石墨烯是一种只有一个原子厚的结晶体，具有超薄、超坚固和超强导电性能等特性，石墨烯具有优异的电学、热学和力学性能，这些特点可以帮助石墨烯在高性能纳米电子器件、复合材料、场发射材料、气体传感器及能量存储等领域获得广泛应用。

科学界认为石墨烯极有可能凭借无与伦比的特点和优势取代硅而成为未来的半导体材料，具有非常广阔的应用前景。