碳是组成地球上所有生物体的最基本元素，很早就被人类认识和利用，其存在形式也是多种多样，有晶态单质碳如金刚石和石墨，有无定形碳如炭黑和木炭，有复杂的有机化合物如动植物等。有趣的是，由于原子结构不同，金刚石是地球上最坚硬的物质，而石墨则是最软的矿物之一，可以做成铅笔芯来写字。
石墨烯
石墨烯是一种非常奇妙的碳材料。简单的说，将一块石墨不断的剥离和减薄到单个原子层的厚度，就得到了一片石墨烯，通俗地讲石墨烯就是单层石墨。这种只有一个原子厚度的“二维”层状材料，一直被认为是假设性的结构，在自然界无法稳定存在。直至2004年，两位英国科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫成功地利用透明胶带，将一张纸上的铅笔笔迹进行反复粘贴和撕开，从石墨中剥离出石墨烯，才证实了其可以单独存在，两位科学家也因此共同获得2010年度诺贝尔物理学奖。所以，当我们日常用铅笔在纸上写字的时候，就有可能在纸上留下非常小的单层或多层石墨烯薄片。
石墨烯独特的结构让它在力、热、光、电等方面具有很多优异的性能。石墨烯的特点首先是薄，堪称目前世界上最薄的材料，只有一个原子那么厚，约0.3纳米，是一张A4纸厚度的十万分之一，一根头发丝的五十万分之一。石墨烯也是最强韧的材料，它的断裂强度比最好的钢材还要高200倍，同时又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。可以说，它是目前自然界最薄、强度最高的材料之一。石墨烯还是传导热量的高手，比最能导热的银还要强10倍。石墨烯几乎是完全透明的，透光率高达97.7%。石墨烯也非常致密，即使是最小的气体原子（氦原子）也无法穿透。另外，石墨烯还拥有优良的电学性质，电子在石墨烯中的运行速度高达1000千米/秒，是光速的1/300，非常适合制造下一代超高频电子器件。
从发现到现在短短十余年的时间内，石墨烯材料已取得了许多振奋人心的研究成果，称得上是人类历史上从发现到批量生产和应用最快的材料。石墨烯改性塑料和橡胶具有很好的耐磨、增韧、耐腐蚀、导电性和导热性，可用于交通、环保节能等多个领域。石墨烯和高分子的复合薄膜具有良好的阻氧阻水性能，可提高食品保质期；石墨烯热电薄膜和石墨烯复合纤维可用于智能保暖衣物和医疗保健用品；利石墨烯开发出的新型电池，可以将充电时间从十几小时压缩至几十分钟，使用寿命比锂电池还长；石墨烯超级电容器用于有轨电车主驱动的单次充电时间仅需30秒，行驶里程可达6公里，比有网电车节能30%以上。在未来，无论是可以弯折的柔性显示屏，还是能够紧密贴合人体的可穿戴电子设备，都可能通过石墨烯来得以实现。另外，当水滴在石墨烯表面滚动时，其细微的运动能产生持续的电流，使得石墨烯薄膜在生物检测、光电探测方面可以大显身手。
石墨烯所带来的技术变革可以对我们生活的各个方面都产生积极的影响，努力开拓石墨烯在化工、材料、制造、能源、传感、光电信息、医疗健康等领域的应用，将会带来巨大的经济和社会效益。但总体来说，石墨烯应用技术的成熟度仍然比较低，仍然受材料制备技术、微纳米加工技术和微型器件制造等方面因素的限制，尤其是大批量制备高品质石墨烯原料的技术难点还没有从根本上得到解决。不过近几年来石墨烯的可控低成本制备技术已取得了很多突破性进展，有望在不久的将来形成蓬勃发展的石墨烯产业。
