【好文推荐】深度解读超级材料石墨烯

　　石墨烯是一种新材料，由1个碳原子与周围3个近碳原子结合形成蜂窝状结构的碳原子单层。石墨烯来自石墨，烯代表不饱和。石墨是由一层一层的六边形碳原子层有序堆叠而形成，看起来就像是一个蜂窝状的立体图形。由于石墨各层面的分子间作用力较小，因此石墨层间很容易剥离，形成薄的石墨片，这也正是铅笔在纸上留下痕迹的原因。当石墨剥离成一个单层。即只有一个碳原子层时，所获得的就是石墨烯。

石墨烯新材料

　　单层石墨烯指由一层以苯环结构(即六角形蜂巢结构)周期性紧密堆积的碳原子构成的一种二维碳材料。

　　双层石墨烯指由两层以苯环结构(即六角形蜂巢结构)周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式(包括AB堆垛、AA堆垛等)堆垛构成的一种二维碳材料。

　　少层石墨烯指由3-10层以苯环结构(即六角形蜂巢结构)周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式(包括ABC堆垛，ABA堆垛等)堆垛构成的一种二维碳材料。

　　多层石墨烯又叫厚层石墨烯，指厚度在10层以上10nm以下苯环结构(即六角形蜂巢结构)周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式(包括ABC堆垛、ABA堆垛等)堆垛构成的一种二维碳材料。

　　石墨烯由碳原子经SP²电子杂化轨道形成，是碳元素的一种同素异形体，是碳原子六边形结构组成的二维单层石墨层材料。它可以翘曲成零维的富勒烯，卷成一堆碳纳米管或者堆垛成三维石墨，是众多碳质材料的最基本单元。

　　研究证实，石墨烯中碳原子的配位数为3，每两个相邻碳原子间的键长为1.42×10^-10米，键与键之间的夹角为120°。除了σ键与其他碳原子链接成六角环的蜂窝式层状结构外，每个碳原子的垂直于层平面的pz轨道可以形成贯穿全层的多原子的大π键(与苯环类似)，因而具有优良的导电和光学性能。

石墨烯的结构

　　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1.0TPa，固有的拉伸强度为130GPa。

　　石墨烯的结构十分稳定，内部的碳原子之间的连接十分柔韧。当外力施加在石墨烯上，其碳原子面会弯曲变形，以极其柔韧的身姿来承接外力，使内部的碳原子不必重新排列来抵抗外力的入侵，从而保持结构稳定。这种稳定的结构使石墨烯具有良好的导热性。

　　完美的石墨烯结构是二维的，并且只包括六边形结构，可以将其看作是一层被剥离的石墨分子。石墨烯结构中，碳原子以苯环状六边形连接，每个碳原子在连接之后会剩下一个P电子，能够在晶体中自由移动，赋予石墨烯良好的导电性。

　　石墨烯中的电子在SP²轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生不必要的散射。由于石墨烯的原子间作用力十分强大，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯内部电子受到的干扰也非常小，可以应用在各种高新技术领域。

　　石墨烯不仅是世界上已知的最强、最坚硬、最薄的材料，同时也是已知材料中电阻率最小、导热系数最高的物质。近年来，石墨烯材料在应用层面上的发展经历着初级、中级、高级三个阶段。

　　受制于成本因素，短时间内很难实现大规模的石墨烯单独应用，石墨烯主要用于提高其他材料的性能，有望在锂离子电池、导热材料、导电油墨、防腐涂料等领域发挥重要作用。

　　随着高质量石墨烯量产技术逐渐成熟,石墨烯应用有望通过支持各类新型器件，在柔性显示、太阳能电池、超级电容器、膜材料、传感器、晶体管以及假体植入物等方面找到新的出路。

　　一旦石墨烯量产化成熟，晶圆级石墨烯单晶取得突破之后，将通过系统集成，不断挑战技术突破，在技术门槛更高的未来生物医疗、高频器件以及高强度多功能复合材料等领域，有望发挥颠覆传统产业的潜力。

石墨烯应用领域