石墨烯（Graphene）是一种只有一个原子层厚度的准二维材料，所以又叫做单原子层石墨。它是已知的世界上最薄、最坚硬的纳米材料，石墨烯原子排列非常致密，氢原子也无法穿透，同时几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。石墨烯拥有电学、光学、化学等卓越性能，有望在高速晶体管、高灵敏传感器、激光器、触摸屏以及医疗器械的应用上大显身手。作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，石墨烯被人们称为“新材料之王”。

石墨烯材料

很早之前就有物理学家在理论上预言，石墨烯本身热力学性质不稳定，在室温环境下会迅速分解或者蜷曲，所以其不能单独存在。直到2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在，对于石墨烯的研究才开始活跃起来，两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。2010年后，全球石墨烯专利数量呈井喷式增长。

安德烈·盖姆（左）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（右）（图片来源：互联网）

目前，石墨烯处于产业化初期，应用主要集中在导电、导热材料领域，比如锂电池，导电添加剂，导热膜等产品。

据中国石墨烯产业联盟的估计，到2020年新能源产业的锂电池和超级电容的市场规模将突破534亿。石墨烯电极的应用将使锂电池的充电速度大大加快，但是目前能量密度还没有明显的提升，加上实现产业化也需要一段漫长的时间。

在柔性显示和可穿戴领域，触摸屏的使用将会非常广泛，利用石墨烯材料制成的触摸屏透光性强，性能优异，因此将会是石墨烯未来广泛应用的领域。

基于石墨烯材料的柔性显示屏

在复合材料领域，石墨烯的应用还会持续地增长。随着塑料、橡胶、涂料和导电油墨四大市场的持续增长，以及研究的不断进展，新材料与石墨烯的结合将会是一大重点。

在节能环保和热能管理领域，包括LED和集成电路的散热材料，石墨烯也有会很大的应用空间

在生物领域，石墨烯涂料无菌、环保的特性，可以应用于生物安全、纳米载药系统、基因治疗、生物成像诊断。

现今已有很多石墨烯材料的研发成果。麻省理工学院材料科学系研发出石墨烯海水淡化过滤膜，效率比传统的反向渗透法提高了10-20倍；香港理工大学研发出半透明太阳能电池，光电转化效率达到了12%；英国曼彻斯特大学研发出石墨烯灯泡。在生物医学领域，氧化石墨烯具有优异的电化学、光学和水溶性特质，能够吸附芳香族生物分子，构建相应生物传感器，成为靶向药物的载体或者生物成像的制剂。

利用石墨烯材料制成的3D打印产品，具有强度高、重量轻以及柔韧性、导电性俱佳等优点，未来有望应用于汽车、机器人、航空航天和军工等领域。已经有多家知名3D打印企业尝试将石墨烯融入PLA、树脂、尼龙等材料中，从而得到石墨烯增强3D打印复合材料。尽管在复合材料中加入石墨烯的确会提升塑料属性，但是塑料材料同时会恶化石墨烯的固有性质。此外，传统的FDM技术很难实现在纳米尺度上打印物体。如何在微米和纳米尺度非常高精确度地操纵石墨烯成为一个急需解决的问题。

利用石墨烯复合材料打印的飞机零件（图片来源：Graphene 3D Lab）

尽管在二维层面，石墨烯是当前强度最高的材料，但是它太薄了，如果不能形成3D结构就很难应用于实际。2017年1月，麻省理工学院发现了一种新方法，可以将2D的石墨烯薄片为原材料生成3D的石墨烯结构，并且强度可以达到钢的10倍，但密度却仅为后者的1/20。同时，他们还通过3D打印的方法再现并且测试了这种结构，并表示该结构在其它材料上也能发挥作用。

MIT研发的石墨烯新材料（图片来源：news.mit.edu）

目前，国内的石墨烯应用还只是将石墨烯初步用在导电油漆和油墨等基础领域。虽然目前石墨烯的制备技术已经比较成熟，但是考虑到石墨烯粉材料的价格十分昂贵，除非在应用上的利润比较丰厚，否则制备成本非常高昂。我们认为在全世界范围内，石墨烯的制备与性能水平差距不大，基于材料的应用好坏将决定胜出的几率。