石墨烯是一种二维晶体，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。石墨烯的最新发现是人们在防腐蚀方面最有效的方法。常用的聚合物涂层很容易被刮伤，降低了保护性能；而石墨烯来做保护膜，显著延缓了金属的腐蚀速度，更加坚固抗损伤。石墨烯不仅是电子产业的新星，应用于传统工业的前途也不可限量。其应用方向：海洋防腐、金属防腐、重防腐等领域。石墨烯具有良好的导热、导电性能。然而利用石墨烯其研制生产的柔性石墨烯散热薄膜能帮助现有笔记本电脑、智能手机、LED显示屏等，石墨烯能有助于大大提升散热性能。
据《“十二五”期间中国石墨烯行业深度市场调研与投资战略规划分析报告前瞻》数据显示，2010年的诺贝尔物理学奖将石墨烯带入了人们的视线。2004年英国曼彻斯特大学的安德烈·海姆教授和康斯坦丁·诺沃肖洛夫教授通过一种很简单的方法从石墨薄片中剥离出了石墨烯，为此他们二人也荣获2010年诺贝尔物理学奖。
石墨烯是一种二维晶体，由碳原子按照六边形进行排布，相互连接，形成一个碳分子，其结构非常稳定；随着所连接的碳原子数量不断增多，这个二维的碳分子平面不断扩大，分子也不断变大。单层石墨烯只有一个碳原子的厚度，即0.335纳米，相当于一根头发的20万分之一的厚度，1毫米厚的石墨中将将近有150万层左右的石墨烯。石墨烯是已知的最薄的一种材料，并且具有极高的比表面积、超强的导电性和强度等优点。上述优点的存在是其拥有良好的市场前景。
石墨烯（Graphene）的命名来自英文的graphite(石墨) + -ene(烯类结尾)。它一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在。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，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，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”为由，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。
石墨烯是世上最薄也是最坚硬的纳米材料 ，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高达5300 W/（m·K），高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15 000 cm /（V·s），又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10 Ω·cm，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低，电子跑的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板，甚至是太阳能电池。
20世纪初，X射线晶体学创立以来，科学家就已经开始接触石墨烯了。
1918年，V. Kohlschütter和P. Haenni详细地描述了石墨氧化物纸的性质（graphite oxide paper）。
1948年，G. Ruess和F. Vogt发表了最早用穿透式电子显微镜拍摄的少层石墨烯图像。
最初，科学家试着使用化学剥离法（chemical exfoliation method）来制造石墨烯。他们将大原子或大分子嵌入石墨，得到石墨层间化合物。在其三维结构中，每一层石墨可以被视为单层石墨烯。经过化学反应处理，除去嵌入的大原子或大分子后，会得到一堆石墨烯烂泥。由于难以分析与控制这堆烂泥的物理性质，科学家并没有继续这方面研究。
2004年，曼彻斯特大学和俄国切尔诺戈洛夫卡微电子理工学院的两组物理团队共同合作，首先分离出单独石墨烯平面。海姆和团队成员偶然地发现了一种简单易行的制备石墨烯的新方法。他们将石墨片放置在塑料胶带中， 折叠胶带粘住石墨薄片的两侧，撕开胶带，薄片也随之一分为二。不断重复这一过程，就可以得到越来越薄的石墨薄片，而其中部分样品仅由一层碳原子构成——他们制得了石墨烯。
2004年，康斯坦丁·诺沃肖罗夫教授和安德鲁-盖姆教授首次分离出石墨烯。他们利用胶带剥离石墨上的薄层，而后将其放在硅片上并借助显微镜进行观察以进行确认。
2005年，曼彻斯特大学团队与哥伦比亚大学的研究者证实石墨烯的准粒子（quasiparticle）是无质量迪拉克费米子（Dirac fermion）。类似这样的发现引起一股研究石墨烯的热潮。
石墨烯是由碳六元环组成的两维(2D)周期蜂窝状点阵结构，它可以翘曲成零维(0D)的富勒烯(fullerene)，卷成一维(1D)的碳纳米管(carbon nano-tube，CNT)或者堆垛成三维(3D)的石墨(graphite)，因此石墨烯是构成其他石墨材料的基本单元。石墨烯的基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环，是最理想的二维纳米材料。
理想的石墨烯结构是平面六边形点阵，可以看做是一层被剥离的石墨分子，每个碳原子均为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，赋予石墨烯良好的导电性。二维石墨烯结构可以看做是形成所有sp2杂化碳质材料的基本组成单元。
石墨烯的结构非常稳定，碳碳键（carbon-carbon bond）仅为1.42?。石墨烯内部的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。
科学家首次拍到单个分子的清晰照片，同时可看见把分子结构紧密连在一起的原子键。美国国际商用机器公司（IBM）设在瑞士苏黎世的研究实验室用一种名为“非接触式原子力显微术”的技术探索一个分子的内部情况，把分子和原子的研究推向最小。这项研究可能对石墨烯设备的研究具有重要意义。
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