石墨烯是一种以SP²杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料。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。石墨烯根据其层数结构可分为单层石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯和多层石墨烯。

石墨烯作为一种纳米材料经常出现在新闻里，它被媒体称为"新材料之王"，这是言过其实？还是确有其事？

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石墨烯有着优越的性能

1、是很好的阻隔材料

石墨烯是一种很致密的材料，由于原子和原子之间的距离很近，只有0.142nm，所以它的键很短。也就是说，包括氢气、氦气这么小的分子、原子都没有办法穿过它。因此它是一种很好的阻隔材料，比表面积可以达到2630平方米每克，面积非常大。

我们可以利用石墨烯的性质来做一些过滤的材料，在上面开一些我们能控制尺寸的小洞，就可以分离不同的气体或者是液体。比如海水里面的盐的分离和水、气分离，空气中的氧气跟氮气的分离或者各种挥发性有机物之间的分离。

2、力学拉伸强度相当于钢铁的一百倍

一种普遍认为的结构式见下图：

我们在学校里学的一直是：二维材料这样一层原子组成的结构在热力学上是不稳定的，可能会坍塌。虽然在二维层面有一个很强的化学键连接，但是在层和层之间是一种很弱的化学键（这个化学键叫范德华力是一种弱连接）。就像一张纸有两个足球场那么大，但它自己无法支撑自己，除非放在什么上面才行。

但是石墨烯不一样，石墨烯的力学性质非常之强，它的力学拉伸强度达到130GPa，相当于钢铁的一百倍。通过理论计算可得，如果石墨烯有效的连接厚度能够达到一毫米，它甚至能够撑起一头成年大象的重量。

石墨烯的力学性质为何如此强，是因为在每一个碳周围有三个"邻居"，这三个"邻居"形成的碳的键非常短、非常强，支撑了石墨烯高强的力学性质。

3、石墨烯的导电性能十分优越

理论上讲，石墨烯厉害的性质还不止如此，它的电学性质也同样出色，电子迁移率可以达到200,000cm2/Vs，是硅的一百倍。

什么是电子迁移率呢？就是说电子在这种材料里可以跑得多快。一个材料的导电性由两件事情决定，一个是电子在里面跑多快，第二是有多少电子在里面跑。

晶格结构赋予石墨烯优异的导电性能，石墨烯的电子结构可以通过最近邻法紧束缚模型得到，石墨烯的每一单位晶格有 2 个碳原子，导致其在每个布里渊区有两个等价锥形相交点。

空穴（又称电洞，指共价键上流失一个电子，最后在共价键上留下空位的现象。）在这些相交点附近的物理行为与狄拉克方程所描述的相对论粒子相似，所以石墨烯中的电子和空穴被称为「狄拉克费米子」，相交点称为「狄拉克点」。

在狄拉克点附近石墨烯的能量为零，故从这种意义上说它的带隙为零。

然而就是因为石墨烯的零能带隙,( 零带隙是指禁带宽度为零。带隙是导带的最低点和价带的最高点的能量之差，带隙越大，电子由价带被激发到导带越难，本征载流子浓度就越低，电导率也就越低。)，所以它不是半导体，而属于金属性质，半导体材料的带隙宽度都是大于零的，其实石墨烯在未来微电子学领域有极大的应用前景，但是其零带隙的特点阻碍了石墨烯在半导体领域的应用。那么做电子器件还是有一定的困难。目前，科学家们正在克服这些零能带造成的问题。

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石墨烯如何改变人们的生活

自2004年石墨烯首次被制备以来，经过多年发展，已经研发了多种石墨烯的制备方法。其中石墨烯粉体主要由机械球磨剥离法、氧化还原法和液相剥离法等制备，由于氧化还原法制备的石墨烯粉体层数最少，是目前最常采用的方法。石墨烯薄膜主要由气相沉积法和外延生长法等制备，其中化学气相沉积法可以制备大尺寸的石墨烯薄膜，是目前被认为最有希望实现石墨烯薄膜大规模制备的方法。

石墨烯我们并不陌生，铅笔芯是用黏土和石墨做成的，当你写字的时候在纸上一划，石墨片就会划下来，变成我们可看到的字。如果你写得特别轻，说不定就能做出来单层的石墨片，也就是石墨烯。石墨烯号称“新材料之王”，它是最薄的材料，因为它只有一个原子层的厚度；同时它也是强度最大的材料，理论上它的强度比钢还要强200倍；它也是导电性最好的材料，热导性是遥遥领先的。石墨烯还是完美的柔性透明材料，柔韧性特别好，可以轻易地被折叠。它还是一种透明导电薄膜材料，这也是石墨烯一个非常重要的特点。

碳材料家族是“新兴”产业的摇篮，催生了金刚石产业、石墨产业、活性炭产业、炭黑产业和碳纤维产业，也因此碳材料被认为是人类文明发展的助推器。石墨烯作为碳家族材料中的新成员，因其拥有独特的物理性能而备受关注。

从目前看，石墨烯可用来制作保暖产品、衣服等日用品；作为硅的替代品，石墨烯可制造超微型晶体管以及新一代电子元件，石墨烯运用在计算机芯片上，能大幅度提高计算速度；石墨烯还适合用来制造透明触控屏幕、发光板、太阳能电池板等产品。从未来看，石墨烯将在电子信息、新能源、航空航天、柔性电子及储能、海洋工程防腐等领域发挥重大作用。

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未来石墨烯会有很多科幻级的应用

石墨烯恬静低调，把胜过钢铁200倍的“坚强”，“掩藏”在黑黝黝的石墨易脆外表之下；柔顺且富有可塑性，通体透明能被一眼看穿，却只吸收微弱的光线。这些“非凡”之处给人们打开了一扇新的大门，进入了一个全新的世界。科学家们认为未来石墨烯会有很多科幻级的应用，如石墨烯电极可做大脑的接口，实现人机交互；石墨烯“人工喉”能使失语患者开口说话。甚至还可以借用“人工喉”的方法，把动物的语言转换成一种相同话语，让人类听得懂。这些既有趣味性，又有些科幻性的应用，将打开我们对这一新材料崭新的认知空间。

石墨烯可以做传感器。比方说有人用石墨烯做电子鼻，能够检测出极低水平的有害气体，像二氧化碳、臭氧等，用石墨烯传感器就可以检测出来。石墨烯的压力感应鞋垫是剑桥大学石墨烯中心推出来的试验性产品，这种鞋垫穿上之后可以随时跟踪足部的压力分布，像运动员想提高运动水平，就要分析这些数据，反馈之后可以进一步提升运动水平。石墨烯如果做成智能贴，贴到胳膊上就可以检测血压、脉搏、体温等，石墨烯在这方面有很好的应用前景。石墨烯可以做触摸屏，因为它是透明导电薄膜。手机的触摸屏一般是用氧化铟锡（ITO)玻璃做的，ITO玻璃是一种铟掺杂的二氧化锡玻璃片，铟是一种稀有的金属元素，它的储量有限，成本也比较高。ITO是一种玻璃片，它的柔性很差，石墨烯恰恰可以弥补这一点。碳不能说取之不尽用之不竭，但是跟铟相比在地球上的储量是非常大的。超薄柔性、高导电性和高强度使得石墨烯可以做未来的触摸屏。石墨烯的透光率非常好，透光率好意味着手机屏幕的可视性会非常好，看得更清楚。现在传统的触摸屏在酸碱条件下是不稳定的，石墨烯没有这种问题，即便是在苛刻的环境下它也很稳定，受环境的影响比较小，从这个意义上讲石墨烯在触摸屏领域有非常好的应用前景。

石墨烯还是理想的可穿戴技术的支撑材料。用石墨烯可以做机械臂，石墨烯能起到传感器的作用，可以指挥驱动机械手去发挥它的功能。石墨烯和下一代超快通信技术也是密切相关的。石墨烯迁移率特别高，比传统的硅材料要高几十倍，甚至更高，可以用它做更为强大的网络，和现有的技术相比提高将近一个数量级，用石墨烯可以做太赫兹通信、超快光通信器件。这些都是人们正在研发的领域。

石墨烯复合材料是航空航天领域的新宠。海代尔公司复合材料研究中心已经把石墨烯用到无人机上了，轻质高强的石墨烯复合材料现在已经被用于提高无人机的螺旋桨叶片的机械性能和热传导性能。北京石墨烯研究院正在研发航空轮胎，一般情况下，飞机在起降的时候是特别费轮胎的，像国产的轮胎起降三五十次可能就要换轮胎，有了石墨烯之后，就可以大幅度提高轮胎的寿命。石墨烯还可以作为高温合金的增强剂来使用，把一定量的石墨烯掺到高温增强合金里面，就可以大幅度提高高温合金的性能，在航空发动机里面可能有很好的应用。

随着石墨烯材料研发的进展，人们也在寻找各种各样的办法去做出特殊的石墨烯材料。这些新材料的出现都会进一步加速石墨烯的实用化进程。

文章来源： 长石新能源， 华夏国创政企服务中心，学习时报