石墨烯是一种单层碳原子结构，其在2003年首先由Andre Geim 和 Konstantin Novoselov制备，并由此分享了2010年诺贝尔物理学奖。人们关于石墨烯的理论预测其实很早就存在。1961年首先由慕尼黑大学化学家Hanns-Peter Boehm通过TEM表征，而在1994年的一次报告中被正式命名。由于这种材料具有非常卓越的物理性质，因此立即成为了研究人员争相追逐的对象。就物理性质而言，石墨烯的强度是同等重量的钢材的200倍，其拉伸强度也是迄今为止发现的材料中最高的。不仅如此，其比表面积也是碳纳米管的3倍;其是非半导体，导电能力特别好;它的电阻率比银低;其具有独特的光学性质;而且其导热能力也很强。根据市场研究公司的预测，石墨烯市场在2014年达到150万至200万美元，而到了2020年这个数字将变成1400万至1600万。石墨烯在未来五年的应用方向包括导电油墨、涂料以及储能(电池)和基础研究等。对于石墨烯研究人员来说，面临的一个严峻挑战是，找到一种可将其商业化的方法，、同时又能保持其优越性能的方法。“大规模生产石墨烯的方法有很多，然而其中的一些方法有限制，例如比表面积、石墨烯层数的控制等。然而，机械剥离适合小规模生产，研究型物理、生物和化学实验等。”Felix Miranda说。虽然遭遇了很多的挫折和失败，但是研究人员对于石墨烯的热情不减。2013年欧盟决定投资超过10亿美元用于石墨烯基其他二维材料的研究和开发。韩国和英国政府也分别投资了4千万和两千七百万用于类似的研究。在美国，美国国家科学基金会，空军科学研究办公室，能源部，NASA以及其他政府部门都成立了相应的基金用于优化石墨烯的性能，以便进行相应方面的应用。
生产流程
“一种常见的石墨烯生产流程是化学气相沉积法(CVD)，但是也有其他方法，例如喷墨打印法。就在去年，三一学院先进材料和生物工程研究小组生产了大量无缺陷少层的石墨烯。其他比较原始的方法包括机械剥离法和多壁碳纳米管的解离等。石墨烯也可以通过炫图法等方法来制备。”“氧化石墨烯的还原和石墨液剥离可以制备小片的石墨烯，但是CVD法则可制备大片的石墨烯。氧化石墨烯和石墨液剥离过程制备成本低廉，并且会逐步实现规模化。然而，其缺点是片的尺寸较大，且具有很多的缺陷。目前通过CVD法获得的石墨烯质量是最好的。”Ivan Vlassiouk说。通过CVD法，Vlassiouk的研究小组已经开发了高分子聚合物，其中包括单层原子厚的六边形碳原子。“在我们的这项研究工作之前，石墨烯的机械性能只能在微米尺度上体现。我们将尺度进行了拓宽，从而增加了其走向市场的可能性。”Vlassiouk说。他们制备的复合结构包括多层石墨烯。该纳米复合材料层是导电的，而石墨烯的使用量只是目前正在使用的石墨烯量的50分之一。MIT的研究人员也宣布了一项以CVD为基础的石墨烯合成方法。该过程是对MIT已经使用过的方法进行改进得到的。该新MIT系统采用了类似的化学蒸汽，但是腔室有两个管，一个套着另外一个。流入管中的气体通过精确放置的孔，从而使得衬底按顺序暴露于气体中。当带状物以25mm/min经过腔室时，可以形成高质量的单层石墨烯;当辊轧速度提高20倍时，其仍然可得到石墨烯涂层，但是其质量降低，具有更多的缺陷。“一些应用可能会需要高质量的石墨烯，但是一些领域只需要质量稍低一点的石墨烯即可。接下来的工作将是对基板进行预处理，从而可以除掉不想要的缺陷，提高石墨烯片的质量。”A. John Hart说。西北大学的研究人员开发了一种新的方法来用石墨烯基墨水打印大型3D结构。之前的相似的尝试导致了相对低的负载，而这并不能充分利用石墨烯的性质。而当石墨烯的体积增大时，会产生脆性结构。由Ramille Shah领导的团队开发了一种可使用60%至70%的石墨烯墨水。“这种墨水经过挤压后，由于溶剂的蒸发从而产生了固化。由于有其他溶剂以及与聚合物粘结剂的相互接触有助于提高结构的性能。由于其可以保持固有形状，因此我们可以建造大型物体。”Shah说。不仅美国实验室的研究人员在石墨烯道路上高歌猛进，来自韩国的研究团队也不甘示弱，一些亚洲公司也正在积极开发大片石墨烯。这些研究人员也正在努力朝着装置开发的方向努力。
特殊用途
石墨烯基应用等能够利用石墨烯独特的强度，这些强度对于电子设备是非常有利的。“在2014年早期，IBM的Shu-Jen报道了由晶片规模的石墨烯制备的全功能ICs，其性能是之前的材料的1000倍。IBM旨在提高无线装置通讯速度的现状，并为碳基电子设备铺平道路。”Miranda说。石墨烯在电子方面的另一个应用包括3D超级电容器。通过使用莱斯大学实验室开发的激光诱导石墨烯技术，研究人员发现将激光聚焦在聚合物上，通过处理掉其他元素，可留下一层多孔石墨烯。因此研究人员可以在聚合物层的两面获得垂直排列的超级电容器。这些超级电容器的能量存储能力非常大，并且可以进行商业化生产。石墨烯在电子方面的另一个应用包括加入到二氧化钛中作为锂离子电池的电极。由于石墨烯的加入，其充放电能力提高了3倍。来自曼彻斯特大学的研究人员也尝试将3D打印石墨烯用于合成轻巧的天线。所得天线具有实际可接受的回波损耗、增益、带宽和辐射模式等。
选择
“虽然有很多公司都宣称具有大量制备石墨烯的能力，但是在石墨烯的优化方面仍有很大空间。因此，基础石墨烯应用仍然会是接下来五年的研究重点。”Miranda说。最近的一项市场调查表明，石墨烯有望成为下一个碳纳米管。分析表明，石墨烯不会沿着硅元素的步伐，而是会有更加广泛的用途。
