石墨烯：高强度材料与广泛应用

石墨烯（Graphene）是2004年曼彻斯特大学的Geim发现的一种新型二维平面纳米材料。理想的单层石墨烯具有超大的比表面积（2630 m2/g），厚度仅为0.35 nm，具有良好的电学、力学、光学和热学性质，是很有潜力的储能材料。石墨烯具有良好的导电性，其电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。石墨烯具有良好的透光性，是传统掺锡氧化铟（Indium Tin Oxide，ITO）膜潜在替代产品。石墨烯具有良好的热学性质，其热导率可达5000Wm-1K-1，是金刚石的3倍。石墨烯也具有非常高的力学强度，是已测试材料中最高的，达130 GPa，是钢的100多倍。良好的导电性是其他大比表面积碳质材料很难具有的独特性质，预示着石墨烯很可能是性能极佳的电极材料；而良好的热导性质、光学性质和力学强度，也预示着石墨烯材料可用于超薄型、超微型的电极材料和储能器件。石墨烯是已知强度最高的材料之一，同时还具有很好的韧性，且可以弯曲，石墨烯的理论杨氏模量达1.0 TPa，固有的拉伸强度为130 GPa。而利用氢等离子改性的还原石墨烯也具有非常好的强度，平均模量可大0.25 TPa。由石墨烯薄片组成的石墨纸拥有很多的孔，因而石墨纸显得很脆，然而，经氧化得到功能化石墨烯，再由功能化石墨烯做成石墨纸则会异常坚固强韧。

目前，石墨烯主要的制备方法有机械劈裂法、外延晶体生长法、化学气相沉积法、氧化石墨的热膨胀和还原方法。还有其他一些制备方法也陆续被开发出来，如气相等离子体生长技术、静电沉积法和高温高压合成法等。

石墨烯对物理学基础研究有着特殊意义，它使得一些此前只能在理论上进行论证的量子效应可以通过实验进行验证。在二维的石墨烯中，电子的质量仿佛是不存在的，这种性质使石墨烯成为一种罕见的可用于研究相对论量子力学的凝聚态物质——因为无质量的粒子必须以光速运动，从而必须用相对论量子力学来描述，这为理论物理学家们提供了一个崭新的研究方向：一些原来需要在巨型粒子加速器中进行的实验，可以在小型实验室内用石墨烯进行。零能隙的半导体主要是单层石墨烯，这种电子结构会严重影响到气体分子在其表面上的作用。单层石墨烯较体相石墨表面反应活性增强的功能是由石墨烯的氢化反应和氧化反应结果显示出来的，说明石墨烯的电子结构可以调变其表面的活性。另外，石墨烯的电子结构可以通过气体分子吸附的诱导而发生相应的变化，其不但对载流子的浓度进行改变，还可以掺杂不同的石墨烯。(www.xing528.com)

石墨烯的研究与应用开发持续升温，石墨和石墨烯有关的材料广泛应用在电池电极材料、半导体器件、透明显示屏、传感器、电容器、晶体管等方面。鉴于石墨烯材料优异的性能及其潜在的应用价值，在化学、材料、物理、生物、环境、能源等众多学科领域已取得了一系列重要进展。研究者们致力于在不同领域尝试不同方法以求制备高质量、大面积石墨烯材料。并通过对石墨烯制备工艺的不断优化和改进，降低石墨烯制备成本，使其优异的材料性能得到更广泛的应用，并逐步走向产业化。