石墨烯出身于碳家族，这是一个元素界庞大的家族。碳家族分为两类，一类叫化合态，一类叫游离态。

碳的化合态是碳和其他元素组成化合物而存在的形式，这是和生命最相关的物质，我们呼吸排出的废气——二氧化碳就是碳和氧组成的化合物，生物最基本的蛋白质和遗传物质都是碳的化合物，我们获取能量的物质——葡萄糖是碳水化合物。碳水化合物是很普通的物质，随便拿出一瓶饮料，看看上面的营养成分表，一定是有碳水化合物的。

碳的游离态简称碳单质，意思是单由碳组成的物质。碳单质虽然只含有碳元素，但包括多种形态，不同形态各具特色，有着重要的作用，可谓是元素界的名门望族。其中有美丽、耐久且稀少的钻石，它是自然界中最坚硬的物质，自古以来，一直被人类视为权力、威严、地位和富贵的象征。现在已成为百姓们都可拥有、佩戴的大众宝石，人们常把它看成是爱情和忠贞的象征，镶嵌在结婚戒指上。

碳单质的另一种主要存在形式是石墨，与钻石恰好相反，石墨质地很软。这个软和我们生活概念中的柔软不同，我们通常认为果冻和橡皮泥是软的，石头是硬的。其实像石头这种“硬物体”也是有软硬之分的，我们可以找两块不同的石头，将其中一块在另一块上划一道痕，如果划痕是表面的一层，没有划破，甚至可以擦去，那么被划的石头更硬，如果划痕是一道印记，不能擦去，那么被划的石头更硬。而石墨是很软的，比纸还软，所以被用来做铅笔。所以，铅笔的笔芯并不是铅做的，而是石墨。

碳单质可是近几年的明星材料，备受诺贝尔奖的关注。1996年柯尔等人因富勒烯而获诺贝尔化学奖，富勒烯是60个碳组成，因形似足球，也叫足球烯。

石墨烯和富勒烯具有很多相似的地方，富勒烯的发现可以算是为石墨烯的提供了方向。2010年，安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫两人因发现石墨烯而获诺贝尔化学奖。石墨烯可谓碳家族的后起之秀，近年来备受科研工作者们的追捧，其风头甚至盖过了它的“先辈”们，可谓长江后浪推前浪。下面让我们走近这位材料界的新星 。

石墨烯凭借其诸多优良的性质，吸引了很多研究人员对其进行研究，也取得了许多突破性的进展，目前有很多在实验室中研究出来了的产品，相信不久就能成为商品，走进我们的生活。目前主要应用在电池、特种材料、晶体管等方面。

新型电池

石墨烯最早商用的重要应用产品之一是电池，也是现在最主要的应用研究方向。现在是电子信息时代，人们的生活处处离不开电池，小到手表，大到汽车，都离不开电池。然而现在的电池技术还远远不能满足我们的需要，手机充电太慢，待机时间不够长，如果简单的使用快充和大容量就可能出现三星手机类似的爆炸事件。另一方面，我们的手机一般用过两年后电池就非常不行了，可往往手机还是好好的，想换电池也不容易，因为传统电池还在一步步的发展，一般两年后就不会继续生产原来型号的电池了，所以很难找到相匹配的电池。这些都刺激着新一代的电池出现，新一代的电池需要具备容量大，充电速度快，安全性要有保障，最好还要使用寿命足够长。

石墨烯电池的全称应是石墨烯改性锂离子电池，其应用制作电池共有四种方法，一是直接用在负极;二是作为正极的导电添加剂使用——所有锂电池都要加导电添加剂，原来是加导电炭黑，现在用石墨烯替换炭黑，这两种相对比较低端。三是直接在锂电池正极表面进行包覆，因为锂电正极材料是金属氧化物，时间长了会导致氧化，导电性减弱，石墨烯覆盖后会解决该问题，提升微观导电性。四是直接作为电极材料的骨架，以此增加正极材料强度，同时使石墨烯成为了正极的骨骼，整体提升锂电池寿命，提高微观导电性和电池的安全性能。2015年“南京国际节能与新能源汽车展览会”上，来自浙江的超威电池公司宣布，该公司率先将石墨烯材料运用于量产电池，据该公司新能源事业部副总工程师李有德介绍，他们是在铅酸电池上进行改进，铅酸电池的主要物质是铅合金，通过将石墨烯加入铅合金中，寻找合适的加入方式和加入的量，可将电池电池容量提升30%、电池寿命延长30%，而成本仅增加10%。这采用的是第二种方法。2017年2月，碳世纪在北京汽车博物馆召开石墨烯锂离子五号充电电池“烯储霸王”产品发布会，宣告了中国首款可量产的石墨烯改性的锂离子电池问世。该电池使用的即是第四种方法。“‘烯储霸王’是石墨烯改性的钛酸锂负极锂电池，磷酸铁锂做正极，采用石墨烯包覆的钛酸锂材料做为电池负极，这大大提高了电子导电率，能够快速充电。此外，石墨烯包覆后的钛酸锂和电池中的电解液反应时产气率会大大降低，可有效提高电池的高温循环寿命。相比于普通可充电电池(如镍氢电池)，“烯储霸王”在工作温度和充电次数方面均有更加优异的表现。普通充电的镍氢电池充电次数约为1000次，工作温度在0℃~40℃之间，而“烯储霸王”在正确的充放电条件下，充电次数可高达30000次，工作环境温度范围也可放宽到-40℃~65℃。

上述两项研究虽然大大提升了电池的性能，但还不能算是革命性的改变。革命性的电池还在实验室阶段，中科院宁波材料所成功研制出基于石墨烯空气阴极的千瓦级铝空气电池发电系统，金属空气电池是一种将金属材料的化学能直接转化为电能的化学电源，具有比能量密度高、储存时间久、备用时间长及适配温度范围宽等优点，一般用作紧急情况下的备用电池。通过实际演示显示，最新研制的电池系统可同时为一台电视机、一台电脑、一台电风扇以及10个60W照明灯泡供电。2018年1月，浙江大学高超团队研制出新型铝—石墨烯电池，其外观是一片片泛着金属光泽的深灰色薄膜，它的正极是石墨烯薄膜，负极是金属铝。把两片电池串联在一起，就能点亮一组LED灯。经过测试，石墨烯正极的比容量达到120mAh/g(毫安时每克)，在25万次充放电循环后仍能保持91%的容量;同时其倍率性能优异，快速充电可1.1秒内充满电，仍具有111mAh/g的可逆比容量。同时，这种电池可以在零下40摄氏度到120摄氏度的环境中工作，可谓既耐高温，又抗严寒。在零下30摄氏度的环境中，这种新型电池能实现1000次充放电性能不减，而在100度的环境中，它能实现4.5万次稳定循环。这种新型电池是柔性的，将它弯折1万次后，容量完全保持;而且即使电芯暴露于火焰中也不会起火或爆炸。

特种材料

一个国家要发展，国家安全永远是摆在第一位的。军工往往走在科技的最前沿，在石墨烯强度高的性质的应用上，中国科学院上海硅酸盐研究所的研究人员利用细小的管状石墨烯构成一个拥有与钻石同等稳定性的蜂窝状结构，从而创造出了一种泡沫状材料，这种材料的强度比同重量的钢材要大207倍，而且能够以极高的效率导热和导电。一个这种石墨烯泡沫能承受力度超过每平方英寸1.45万磅的外力的重击——几乎相当于在世界海洋最深处（约10.9千米深）位于美国关岛沿海的马里亚纳海沟，即所谓的“挑战者”号海渊的压力。这种材料如果能够广泛运用，那么我国的海底作战能力将走上一个新的台阶。 这种材料还可以被挤压成其原始大小的约5%，而且依然能够恢复其原来的形态，而且即使这一过程重复1000次还能保持完好无损。这意味着其可以用在防弹衣的内部和坦克的表面作为缓冲垫，以吸收来自射弹(如子弹、炮弹、火箭弹等)的冲击力。

石墨烯晶体管

21世纪也是智能化的时代，人工智能（AI， Artificial Intelligence）的核心部件是中央处理器（CPU,Central Processing Unit），而中央处理器的主要结构就是晶体管。目前我们所用晶体管都是单晶硅（单质硅的晶体），从元素周期表上我们可以看到，碳和硅属于同一主族，具有相似的性质，因此碳是有可能替代硅的。硅材料的加工极限一般认为是10纳米线宽。受物理原理的制约，小于10纳米后不太可能生产出性能稳定、集成度更高的产品。然而英国科学家发明的新型晶体管将延长摩尔定律的寿命。该晶体管有望为研制新型超高速计算机芯片带来突破。值得一提的是世界最小晶体管的主要研制者也是于2004年开发出石墨烯的人，他们就是英国曼切斯特大学物理和天文学系的安德烈·K·海姆教授和科斯佳·诺沃谢洛夫研究员。由上述两人率领的英国科学家开发出的世界最小晶体管仅1个原子厚10个原子宽，所采用的材料就是是由单原子层构成的石墨烯。硅基的微计算机处理器在室温条件下每秒钟只能执行一定数量的操作，然而电子穿过石墨烯几乎没有任何阻力，所产生的热量也非常少。此外，石墨烯本身就是一个良好的导热体，可以很快地散发热量。由于具有优异的性能，由石墨烯制造的电子产品运行的速度要快得多。有关专家指出: "硅的速度是有极限的，只能达到现在这个地步，无法再提高了。"目前，硅器件的工作速度已达到千兆赫兹的范围。而石墨烯器件制成的计算机的运行速度可达到太赫兹，即1千兆赫兹的1000倍。如果能进一步开发，其意义不言而喻。

2008年3月，IBM（美国国际商用机器公司 ）沃森研究中心制备出世界上首个低噪声石墨烯晶体管，这一成果使石墨烯晶体管开始进入人们的视野。在这之后IBM 又成功制备出频率大于1GHz 的石墨烯晶体管，从而提高石墨烯晶体管的性能，其团队还对石墨烯晶体管进行模拟仿真，通过计算结果他们发现，当石墨烯晶体管的栅极尺寸为150 nm，它的频率可以高达26GHz。而当这一尺寸缩小为50 纳米时，其频率将突破1THz，这一数据远远高于现有的硅基晶体管。在2011 年初，IBM 研究人员向人们展示了具有155GHz超高截止频率的新一代石墨烯晶体管。同时这也他们制备的尺寸最小的晶体管，其具有40 纳米的选通脉冲宽度。三星电子在2012 年5 月设计制备出一种新的石墨烯晶体管，三星公司研究人员称该石墨烯晶体管可提高现有运算能力100倍。斯科物理技术学院2016年制作一种双层结构石墨烯晶体管，它的优点是运行频率非常高，但是功耗非常低，因此开关切换所需的能量极小，这传统硅材料晶体管所无法比拟的。

石墨烯这么神奇的材料，我们可能会认为它离我们很远。实际上，它就在我们身边。我们可以用简单的方法得到石墨烯，只需要一支铅笔，一张白纸，用铅笔在纸上轻轻的划两下就很可能有石墨烯了，是不是很意外。可是这样得到的石墨烯量太少，无法将其分离出来，所以是没有多大意义的。

石墨烯最开始制取的办法是看起来比较笨的办法，它是英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃消洛夫通过用胶带粘的办法制得的。是不是更加意外了，诺贝尔奖这么容易拿的吗！当然不是啦，方法虽然朴素，将石墨两面粘上交代，然后撕开，一分为二，撕下来的部分继续用胶带一分为二，可是这要反反复复几百次，层数不断减半，才有可能得到单层。用力不好就会完全破坏样品，成功率非常低，撕了一年的胶带才得到单层石墨烯，试问有多少人有这恒心。而且，这用的当然不是普通的胶带啦，而是专门用来处理样品表面的特殊胶带。

诺奖的方法虽然制出了石墨烯，但不可能用这种方法来生产的，就算是上百台专门撕胶带的机器，撕扯力度能够很好的控制，一年也生产不了多少。于是有科研工作者就在最原始的方法上改进，这类方法从石墨出发，用物理手段如机械力、超声波、热应力等破坏石墨层与层之间的范德华力来制备单层石墨烯。主要有两种操作方法。

机械研磨法

球磨法是机械研磨法中常用的方法。研究发现，球磨过程中石墨烯的微观结构由带状变为多孔的单层或多层片状。随球磨时间的延长，石墨烯片层边缘处的结构缺陷不断增多，片层表面出现大量树枝状的褶皱，在球磨40小时、超声波处理半小时后得到石墨烯的层数平均为 3.5 层, 这种方法操作简单，但要得到层数较少的石墨烯所需球磨时间过长，易引入其它杂质，仍需进一步改进。

机械剪切法

与机械研磨相比，剪切剥离对石墨烯的晶体结构破坏较小。帕顿等人使用N-甲基吡咯烷酮（NMP）作为分散剂 ，直接使用高速剪切混合搅拌机在104s-1剪切速率下对石墨进行了剥离，制得的石墨烯片层尺寸为 300~800 nm、 层数少于10层。前面的所使用的仪器和试剂都是我们不熟悉的，可曾想过用生活中的仪器和试剂也能制石墨烯。瓦尔拉等人以家用洗涤剂作表面活性剂，直接利用厨房用搅拌机对石墨进行了高效剥离。研究发现，该方法制备石墨烯产率与搅拌时间无关，而随剥离体系体积的增大显著升高，这对石墨烯的大规模生产具有重要意义。

前面两种方法虽然能够制出石墨烯，但厚度不够薄，尺寸不够大，皮特等人发现一种新的制取方式——取向附生法

取向附生法是利用生长基质原子结构“种”出石墨烯，首先让碳原子在 1150 ℃下渗入钌，然后冷却，冷却到850℃后，之前吸收的大量碳原子就会浮到钌表面，镜片形状的单层的碳原子“ 孤岛” 布满了整个基质表面，最终它们可长成完整的一层石墨烯。第一层覆盖80 %后，第二层开始生长。底层的石墨烯会与钌产生强烈的交互作用，而第二层后就几乎与钌完全分离，只剩下弱电耦合，得到的单层石墨烯薄片表现令人满意。但采用这种方法生产的石墨烯薄片往往厚度不均匀，且石墨烯和基质之间的黏合会影响碳层的特性。而且使用的基质是稀有金属钌，成本高。

物理法制备石墨烯虽然产品纯度高、原料廉价易得、流程简单，但通常产量较低，产品的质量不高，难以满足工业化生产的需求。所以更多的是化学法。化学法是指在特定化学物质及反应条件下，以石墨或其它含碳前驱体为原料，利用化学气相沉积、碳原子重排、氧化还原、化学插层等化学手段制备石墨烯的方法。

与取向附生法类似的，化学法中有外延生长法。外延生长法主要是通过加热含碳晶体（如SiC），使除碳以外的元素在高温下脱除，剩余碳原子重排生成石墨。但该方法有以下两方面的局限性：①难以生产出大面积、层数少且厚度均匀的石墨烯；②石墨烯的电学性质受衬底结构影响较大，难以控制。对此有两项代表性的研究。一项是尝试扩大外延生长石墨烯的尺寸，使用氢气和丙烷将SiC晶片蚀刻为阶梯状，并将其覆盖在4H-SiC衬底上进行了石墨烯生长。这种方法可保证生长温度及硅分压的均一分布，更易控制SiC的热分解过程，使石墨烯的生长区域更大、质量更高。另一项是研究预处理阶段氢气蚀刻以及Si挥发阶段氩气对6H-SiC上石墨烯外延生长的影响。结果表明，氢气蚀刻后生长的石墨烯片层边缘平整、厚度均匀、单层与双层石墨烯含量较高。

以上方法目前都难以实现大规模生产，目前工业化最看好的是还原氧化石墨烯法和化学气相沉积法。

化学还原法

还原法先通过在溶液中使用强酸及强氧化剂插层，将石墨变成氧化石墨，氧化石墨可以看做是亲水性的石墨插层化合物，其层与层之间的间距比较大。然后经过超声分散或者热膨胀的过程将其剥离，从而得到单层／多层石墨烯氧化物，根据需要来通过加入表面活性剂、有机异氰酸酯等方法来化学改性，最后经过还原过程得到石墨烯。在这个过程中氧化石墨烯边缘的接壤处有环氧基和羟基等官能团存在，其次像羟基这种官能团是很难被还原的。因此，通过氧化还原法得到的石墨烯在一定程度上破坏了其结构的完整性如：石墨烯表面有缺陷，中间有漏洞等现象，而且也会造成石墨烯原有的某些性能的损失。总的来说，利用氧化石墨制备单层石墨烯，由于其过程简单易规模化，能耗小，同时便于化学改性来制备功能化石墨烯复合材料，是一种很有前途的方法。如何避免石墨烯薄片不可逆凝聚以及提高制备出的石墨烯的质量将会是科研工作者们下一步研究的重点。

化学气相沉积法

化学气相沉积法（ＣＶＤ）被认为最有可能制备出结构完整、面积大的石墨烯方法。通常将碳源以气体的形式通入到温度极高的催化剂或金属基底上，反应持续一段时间再通过冷却或用酸处理，将金属腐蚀掉来形成石墨烯的单层或多层，此过程包含碳原子在基地上的溶解、延伸。化学气相沉积法可以得到质量高、面积大、层数为单层或者少数层的石墨烯，通过碳源气体的选择、催化剂的选择以及反应温度等条件可以对石墨烯的生长进行调控，而且其工艺比较成熟的，可以大规模化生产，在需要高质量石墨烯的领域发挥重要作用。缺

点在于成本较高，如何降低制备成本有待科研工作者们的进一步研究。

石墨烯的制备还有很多其他方法，如有机合成法，电化学法等。但这些方法都有一个特点，要么质量不高，产量不高，要么成本太高。高质量的石墨烯比黄金还贵，这可真是物以“烯”为贵啊！

名字是一个象征，其中包含了很多信息。石墨烯，其名字可拆为石墨和烯。石墨是指来源，石墨烯最开始被发现，是安德烈·盖姆等人用特殊胶带从石墨上粘下来的。龙生龙，凤生凤，石墨烯固然继承了石墨的结构和很多性质。那么石墨石墨又做何解呢？石是石头，墨是黑色，那么石墨应该就是黑色的石头 ，这样一来，是不是觉得石墨烯这名字low了很多呢！但墨字还是挺有意思的，文房四宝之一，是中华传统的书法绘画得以传承的重要工具，这样想来，是不是又觉得高大上多了呢！。那么烯呢？从字面上看，火字旁，那么八成是用来烧的，希是少的意思，那就是还缺少点什么。实际上，烯是化学中的一个专业名词【1】，代表的是不饱和度。简单的说，一个碳原子本来可以连4个原子，但有时可以只连三个，少了一个就叫烯。

注释：【1】烯是碳氢化合物中碳和碳之间的一种不饱和连接状态。当每个碳原子都和4个原子相连时，叫做烷，这是一种键(原子间的一种结合力)的饱和状态；当有碳原子只和三个原子相连，因其中两个碳原子连接更紧密（双键）时，叫做烯，这是键的不饱和状态 ，当其中两个碳原子连接更加紧密（三键）时，叫做炔，这是键的极不饱和状态。

石墨烯作为一种明星材料，是不是该具备极其复杂的结构呢？答案是否定的，石墨烯的结构其实很简单，和石墨的结构差不多。我们可以通过石墨来看看石墨烯到底是什么样子。

科学家为了研究方便，把结构分了7大类型，我们通常研究的是立方结构。如通常的宿舍楼，小区楼，可以看成是简单立方结构，将房间简化成圆球。

物质的结构是丰富多样的，总共有230种，为了更了解结构的特点，我们从碳的相关结构切入。石墨和钻石是“两兄弟”，可是石墨和钻石的性质却大相径庭，这源于它们的结构差异。钻石的结构如下图所示，图中的圆圈代表碳原子，可以看出，碳原子堆积得比较紧密，如果仔细观察的话，其中相邻最近的几个碳原子的排列方式是正四面体形，一个碳原子占据正四面体的中心，另外四个碳原子在四个顶点。

石墨的结构与钻石的完全不同，如图所示，石墨是一种层状结构，每一层中每个碳原子的周边连结着另外三个碳原子，排列方式呈蜂巢式的多个正六边形，看起来像一张网。然后一层层的网状的结构堆叠在一起就成了石墨的结构，这些层上下的对齐方式不同就有不同的类型。层与层之间的间距要比每一层中碳原子的间距大得多，所以结合力较小，层与层之间可以滑动，这也石墨较软的原因。石墨烯就是石墨上剥离下来的一层，这个一层可不是像切菜那样切下来的一层，而是原子级厚度的一层，是一个平面结构，由碳原子排成的平面。这一层的结构与石墨的结构别无二致，但是它的出现却震惊了凝聚体物理学界。因为在发现石墨烯以前，大多数物理学家认为，热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在 ，只能在绝对零度（零下273.15度）下才能稳定存在，这是一个统计物理学计算的结果。也就是说，石墨烯被发现之前被认为是不可能存在的。然而石墨烯的发现打破了这一认识，这个发现也在提醒我们，真理的追求是永无止境的，现有的经验公式需要不断优化，如条件的设定。

凝聚现象在生活中很常见，比如在玻璃缸里盛水，要使水层的厚度变薄可以不断的减少玻璃缸中的水，但如果减少到一定的程度，想让玻璃上附上一层薄薄的水膜，这时会发现水膜很容易就开裂然后凝成大小不一的水珠。这种现象在我们擦玻璃的时候也能看到，用湿毛巾擦完玻璃后，玻璃上的水并不能稳定的成一层水膜。也可以说像用面粉磨面皮一样，磨薄的程度是有限的，薄到一定程度面皮就会开裂。然而石墨烯却能以原子级的厚度稳定存在，其厚度仅为0.335纳米，相当于一根头发的20万分之一的厚度，一毫米厚的石墨中将近有150万层石墨烯。石墨烯的稳定性与其蜂巢式的结构有一定关系。蜂巢结构是大自然的鬼斧神工，是大自然给与蜜蜂勤劳的馈赠。蜂巢结构是正六边形结构，事实和理论证明，蜂巢采用了最少的蜂蜡，占有最大的空间面积，而且结构稳定性为最佳。为了更清楚的了解石墨烯的结构，我们可以自己搭建石墨烯模型。只需要一盘跳棋就能做到，将跳棋棋子视为碳原子，将其摆到合适的位置就能成正六边形结构石墨烯可视为石墨，碳纳米管，富勒烯的基本单元。如下图所示，单层石墨烯包卷起来就成了富勒烯；单层石墨烯卷成管状就成了碳纳米管；十层以上的石墨烯堆叠在一起就成了石墨。

迄今为止，科学家们已经发现了石墨烯很多优良的性质。科学研究往往需要对这些表现出来的性质进行解释，经验发现，结构决定性质，所以我们能够通过物质的结构来解释这些性质，进而还可以预测物质的性质。

先从我们可直接感受的性质来看，我们五官可直接感受的性质有颜色与强度。石墨是铁黑色的，但石墨烯并不是黑色，因为石墨烯很薄，所以它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。另一方面，它非常致密，即使是最小的气体原子(氦原子)也无法穿透。

石墨烯的抗拉扯能力也非常出色，从我们的生活经验来看，越薄的东西越不结实，一块木板很结实，但从木板上刨下来的刨花却能够被轻松扯断，石墨烯的厚度不到刨花的一万分之一，然而石墨烯是目前已知强度最高的材料之一。或许这就是家族背景吧，在发现石墨烯之前，金刚石是目前在地球上发现的众多天然存在中最坚硬的物质 ，金刚石俗称"金刚钻"，也就是我们常说的钻石的原身 。那么石墨烯到底有多强韧呢？哥伦比亚大学的物理学家对石墨烯的机械特性进行了全面的研究。在试验过程中，他们选取了一些直径在10—20微米的石墨烯微粒作为研究对象。研究人员先是将这些石墨烯样品放在了一个表面被钻有小孔的晶体薄板上，这些孔的直径在1—1.5微米之间。之后，他们用金刚石制成的探针对这些放置在小孔上的石墨烯施加压力，以测试它们的承受能力。研究人员发现，在石墨烯样品微粒开始碎裂前，它们每100纳米距离上可承受的最大压力居然达到了大约2.9微牛（牛是牛顿的简称，1牛顿=1000000微牛，地球上1千克物质的重量约为9.8牛顿）。据科学家们测算，这一结果相当于要施加55牛顿的压力才能使1微米长的石墨烯断裂。如果物理学家们能制取出厚度相当于普通食品塑料包装袋的（厚度约100纳米）石墨烯，那么需要施加差不多两万牛的压力才能将其扯断。换句话说，如果用石墨烯制成包装袋，那么它将能承受大约两吨重的物品。当然这只是测算，并不是实测结果，但可以预见实际情况也不会差太多。

在电学和热学性能上，石墨烯继承了石墨的性质，并且青出于蓝而胜于蓝。石墨具有良好的导电性和导热性，石墨烯更是将这两种性质发挥到了极致。

石墨可以导电？这你就不知道了吧！我们知道金属是可以导电的，因为金属中有可以自由移动的电子，其中导电性最好的是银。可非金属怎么可以导电呢，我们可以先来做一个实验，准备一支两头削好的铅笔，和一个打火机上的电火花发生器，我们已经知道了铅笔的笔芯是石墨组成的，所以在铅笔的一端打出电火花，用手指在另一端触碰会感到有轻微酥麻的感觉，这就证明了石墨是可以导电的。石墨能够导电是因为石墨中每个碳原子与其他碳原子只形成3个共价键,每个碳原子仍然保留1个自由电子来传输电荷。现在的电池普遍使用的是石墨作电极材料，如果你砸开过5号或7号电池，你就能看到里面有一根黑色的小棒，那就是用作电极的石墨，手机上的锂电池也是用石墨作电极的。

石墨烯的导电能力比石墨更好，是目前已知导电性最好的非金属， 这得益于石墨烯的结构。石墨烯结构非常稳定，迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小。

石墨的导热性也是非常出色的，在电子产品尤其是手机上应用非常广泛。拆下手机的后盖，可以发现后盖有黑色的东西贴在后盖上，这就是用来导热的，通常采用的材料就是石墨 。铁的导热性不错，所以被用来作锅，石墨的导热能力是铁的4倍左右，而石墨烯的导热能力是石墨的35倍左右，远远的高于石墨。石墨烯太薄，无法直接用来代替石墨，因此中国科学院山西煤炭化学研究所研究出高导热石墨烯/碳纤维柔性复合薄膜，其厚度在10～200微米之间可控，垂直于平面方向的导热能力是石墨的6倍左右。但薄也有薄的好处，这使其有望作为未来超大规模纳米集成电路的散热材料。

除了这些，石墨烯还具有我们很陌生但很重要的性质，石墨烯最大的特性是其中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。这使得石墨烯中的电子，或更准确地，应称为“载荷子”，的性质和相对论性的中微子非常相似。为了进一步说明石墨烯中的载荷子的特殊性质，我们先对相对论量子力学或称量子电动力学做一些了解。经典物理学中，一个能量较低的电子遇到势垒的时候，如果能量不足以让它爬升到势垒的顶端，那它就只能待在这一侧；在量子力学中，电子在某种程度上是可以看作是分布在空间各处的波。当它遇到势垒的时候，有可能以某种方式穿透过去，这种可能性是零到一之间的一个数；而当石墨烯中电子波以极快的速度运动到势垒前时，就需要用量子电动力学来解释。量子电动力学作出了一个更加令人吃惊的预言：电子波能百分百地出现在势垒的另一侧。以下实验证实了量子电动力学的预言：事先在一片石墨烯晶体上人为施加一个电压（相当于一个势垒），然后测定石墨烯的电导率。一般认为，增加了额外的势垒，电阻也会随之增加，但事实并非如此，因为所有的粒子都发生了量子隧道效应，通过率达100%。这也解释了石墨烯的超强导电性：相对论性的载荷子可以在其中完全自由地穿行。

石墨烯被认为是将会改变21世纪的材料，如果真是这样，那么世界将会变成什么样子呢。可能的话，我们的衣食住行都会焕然一新，能源和环境问题也能双双得到解决，甚至可以乘电梯去外太空。

石墨烯在医疗和环境上将有大作为。据悉，中国科学技术大学材料力学研究团队与诺贝尔物理学奖得主、英国曼彻斯特大学安德烈·海姆教授团队合作，实验制备出最小尺寸的石墨烯通道，可以显著提升纳米尺度下水的输运效率，为设计用于海水淡化、气体分离、人体仿生的新型纳米流体器件提供了技术基础。

海水淡化技术

淡水短缺是当今世界面临的严峻问题之一。地球上虽然水资源很丰富，但其中96.5%的是海水，并不能直接使用，而淡水还有约69%是以冰川的形式储存在南北极。剩下的淡水还经受着工业三废（废水，废气，废渣）的污染，使得很多地区淡水严重不足， 我国约有670个城市中，一半以上存在着不同程度的缺水现象，其中严重缺水的有一百一十多个。因此人们迫切需求水的净化技术。另一方面，西亚等地区虽然临海，但奈何海水无法直接饮用，如果开发出有效的海水淡化处理技术，淡水短缺这以全球性问题将得到有效解决。

美国宾夕法尼亚州立大学原子中心主任与日本信州大学的研究人员合作，开发出一种基于石墨烯的脱盐膜，比目前的各种过滤膜更坚固耐用、效率更高。 该研究开发的杂化膜采用简单的喷涂技术将溶液中的氧化石墨烯和少量层状石墨烯包覆在聚乙烯醇改性聚砜的骨架支撑膜上。支撑膜增强了杂化膜的牢固性，使其能够承受强烈的横流、高压和氯接触。尽管目前该技术还处于开发的早期阶段，膜样品已可过滤掉85%的盐，制取的水虽还不能直接饮用，但已可用于农业灌溉。研制的膜还能够过滤掉96%的染料分子，因此可以用于纺织工业的废水处理，防止废水直接排放到河流中污染环境。

如果这项技术成熟，那么人人都可以喝到干净的水了，伴随着的是疾病将会大大减少

人造皮肤

皮肤是人们不太关注的对象，因为日常生活中皮肤被刮擦很多次也不见有什么问题，更何况还要脱去死皮呢。但皮肤是人体非常重要的夜歌器官，除了我们最熟悉的感受冷热和压力的触觉外，还有两个重要的作用。一方面防止体内水份、电解质、其他物质丢失；另一方面阻止外界有害物质的侵入。可是现代医学还没有合适的人造皮肤，如果遭遇烧烫伤、车祸、外伤等引起皮肤缺损，形成皮肤创面，将极易导致水、电解质和酸碱平衡失调、休克、感染以及败血症的发生。皮肤是人体免疫系统中极其重要的第一道防线，如果是大面积的皮肤损伤，即使安全度过了前期，也会因为丧失免疫力而感染或患癌症而死。

重庆石墨烯研究院有限公司与四川大学高分子材料工程国家重点实验室，以及第三军医大学西南医院的科研人员合作研究了“石墨烯高分子复合人工皮肤”。这个团队也是率先在国际上开展石墨烯高分子复合人工皮肤的实验研究的团队，并取得新突破。与现有人工皮肤相比，石墨烯用于人工皮肤的优势在于：石墨烯具有良好的力学性能、巨大的比表面积、良好的生物相容性、无毒无味；复合材料中的氧化石墨烯具有强大的抑菌作用，赋予人工皮肤抗菌性，起到杀菌消炎效果；石墨烯可调控复合材料内部孔结构，促进气体交换，加速伤口愈合；石墨烯可通过改变细胞外胶原排列而明显改善创面修复质量。目前，“石墨烯高分子复合人工皮肤”已进入临床试验，不久后即将进入临床应用。“这款产品的研发成功，为未来研究真正可替代、置换人类皮肤的产品迈进了一步。”

柔性手机

手机已经成为我们日常生活中必不可少的电子器件了，手机兼具了联系工具、照相机、钱包、钥匙等能。但还是有很多让我们困扰的缺陷，其中最头疼当属不经摔和电池不耐用了。相信每个人都遭遇过摔碎手机屏幕的窘境，都体会过手机没电的尴尬。为了解决这些问题，我们也给出了相应的对策，为了保护屏幕，我们给手机带保护套，贴钢化膜，为了避免手机没电，我们随身携带着充电宝。然而这些并不能从根本上解决问题，还因增加附重和厚度影响体验。未来的手机如何解决这些问题，希望落在了石墨烯上。

石墨烯手机炒得热，但真正意义上的石墨烯手机还未出现。石墨烯应用到手机上三个最重要的特性是强度高、可弯曲、和导电性。目前，市面上常见的触摸屏非常脆，因为它们通常是用铟锡氧化物制成，并覆盖上了一层玻璃，这样当它坠落到地上的时候，很容易就会被摔得粉碎。这种铟锡氧化物不仅易碎，它的制备还很困难，这让维修触摸屏的费用一直高居不下，以至于每次换屏时都恨不得直接换手机。英国萨塞克斯大学的科学家们通过研究发现，我们可以将石墨烯和银纳米线结合到一起，生成一种和常规显示屏性能相似的屏幕，而这种制造技术的成本只是常规显示屏制造成本的一小部分。这种材料同时还非常柔韧，这样一来，它就无需一个玻璃保护层，这意味着触摸屏的顶层可以替换成一些更易弯曲、更不易被摔坏的材料，比如有机玻璃。传统电池容量受安全性和稳定性的限制，电池容量始终难以提高。浙江大学研究出来的石墨烯柔性电池，将它弯折1万次后，容量完全保持;而且即使电芯暴露于火焰中也不会起火或爆炸。这两项技术目前还在实验室阶段，而且柔性手机是还不算高端，未来的手机可能会是透明的，手机的运行速度可能会成倍的提高。

前面所述的只是有实验基础的想象，石墨烯还有更广阔的前景，很多科学家们梦想着的太空电梯有望通过石墨烯实现。太空电梯的概念最早来自20世纪年70年代，著名的火箭科学先驱者齐奥尔科夫斯基设想了一个建立在巨塔顶端的"天空城堡"，和地面用一根缆绳连接起来，成为向太空运输人和物的新捷径。科幻作家阿瑟·克拉克在1978年出版的《天堂之泉》("Fountains of Paradise")中曾描写过太空电梯的构想，人们可乘电梯去太空观光并运送货物。虽然听起来很不可思议，但在科学家们的努力下，渐渐变得可能了，最大的难题是要找到一根足够结实的缆绳，这根缆绳不仅要能够承担被运输物体的重量，还要承担自身上万公里长度的重量。石墨烯的超轻和超高强度给这一研究带来了新的曙光，未来如果太空电梯实现，那么去太空将变得方便多了。

爱因斯坦说过：“想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切，推动着进步，并且是知识进化的源泉。严肃地说，想象力是科学研究中的实在因素。”石墨烯的发展也需要想象，这种想象不一定要来自专门从事石墨烯研究的人，因为他们的知识虽然足够专业，但他们的想象力也被固定的知识限制住了。因此，展开我们的想象，或许也能为科学的发展贡献一份力。比如我们可以想一个最简单的办法。我们平时会看到炒菜的锅烧久了后，下面会出现一层碳黑，那么石墨烯会不会也可以用这样简单的方法制出来呢，把铁换成别的材料，控制好烧的时间，说不定真的可以。如果不行的话，那就让碳升华，然后在以块较冷的基体上凝华，也是有可能产出石墨烯的。

想象力虽然重要，但没有科学素养也是不行的，如果没有一定的知识储备，像个没头苍蝇一样去探索，那也是前途渺茫。每个人的能力是有限的，前人花费毕生精力研究出来的成果是我们宝贵的财富。通过学习前人的经验，丰富我们的认知，才能更好的参与科学探索。

然而，对于大多数普通人来说，前两项并不是最重要的。最重要的是要有辨别真伪的能力，在这个网络极其发达的时代，信息泛滥也是一种灾难，因为信息太多导致我们难辨真假。特别是像网络上传的什么不能吃，什么吃了好，绝大部分都是虚假的，有的是谣言，有的是炒作。于本文而言，想告诉大家的是，石墨烯不想网上传得那样无所不能，它也只是一种材料。虽然石墨烯的确有许多优异的性质，但还没有大规模生产高质量石墨烯的能力，所以我们不要迷信这个材料，只需保持期待。

对于我国石墨烯行业发展认识应该从技术、政策和企业参与度三个方面来看，技术、政策和企业参与度。技术是基础，政策是保证，企业参与度是动力

在技术方面，我国是申请石墨烯专利数量最多的国家，占专利总数的1/3，约两千多项。我国人口众多，而且大多数科研工作者都喜欢研究热门材料，因此基本上每所高校都会有研究石墨烯课题的。许多大学也取得了很好的成果，在2017中国国际石墨烯创新大会上，展示了从国内外征集的100多项石墨烯科研创新成果，其中有济南大学材料科学与工程学院冷金凤教授团队研发的石墨烯增强金属基复合材料，这种新型材料具有高强高塑性高韧性，不仅集中了碳化硅铝基复合材料、铝合金等材料的优点，还可弥补其不足，不大幅增加成本，可作为航空航天飞行器、轨道车辆等领域关键材料。还有上海理工大学材料科学与工程学院副教授沈淑玲带来的高质量水溶性石墨烯量子点制备技术及配方，有望实现石墨烯量子点大批量低成本产业化生产。虽然中国论文和专利产出量已领跑全球，但相对而言，中国专利在其他国家的布局较为薄弱。

在政策方面， 2015年，工业和信息化部、国家发改委、科技部联合发布了《关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见》。《意见》中提出，石墨烯是在光、电、热、力等方面具有优异性能，极具应用潜力、可广泛服务于经济社会发展的新材料。发展石墨烯产业，对带动相关下游产业技术进步，提升创新能力，加快转型升级，激活潜在消费等，都有着重要的现实意义。可见国家十分重视石墨烯产业的发展，石墨烯的发展有助于推动转型升级。《意见》鼓励企业与高校、科研院所、知识产权机构等，协同开展石墨烯产业关键技术知识产权运用保护体系建设，提升专利的数量和质量，定期发布石墨烯产业专利态势，建立石墨烯知识产权运营平台，完善知识产权交易和保护机制，促进知识产权高效利用。因此国家对石墨烯相关知识产权也非常重视。《意见》提出要搭建产业发展服务平台。依托现有资源，完善石墨烯产业发展所需公共研发、技术转化、检验检测与信息交流等平台，建立开放的石墨烯材料与器件性能参数数据库。引导石墨烯材料生产企业联合下游用户、相关科研院所，围绕石墨烯产品生产和性能评价，建立合作开发机制。由此可见，我国在政策方面对石墨烯产业是大力支持的，这为石墨烯的发展提供了良好的环境。

在企业参与度方面，我国参与的企业十分的多，据中国石墨烯产业技术创新战略联盟秘书长李义春介绍，截至017年5月底，我国拥有石墨烯专利技术，从事石墨烯研发、生产、销售、推广的相关企业数量达到2000多家，其中已形成石墨烯业务的企业超过50家，2016年国内石墨烯产业整体营收超过40亿元，是2015年的近10倍。我国基本形成以长三角、珠三角和京津冀为聚合区的石墨烯产业发展格局，其中，江苏、广东和山东的石墨烯行业企业数居前三位。其中最为突出的是常州石墨烯科技产业园，2016年，常州西太湖科技产业园石墨烯相关产业总规模超过20亿元，园区已集聚石墨烯相关企业超过100家，创造了石墨烯领域十个“全球第一”。企业的参与度太高也不是件好事，现在随便在网上搜索石墨烯，就会出现许多石墨烯的炒作，石墨烯的研究并未成熟，高质量的石墨烯还无法大规模的生产，本不该有如此多的应用。

国内的石墨烯研究高歌猛进，国外的研究也热火朝天，代表石墨烯国外发展的国家是英国和美国。众所周知，英国作为最早发现石墨烯的国家，科研水平一直走在时代前沿，但相关应用研究及产业化发展明显落后于亚洲国家。美国是科研与应用同步发展最好的国家，无论是石墨烯科研投入还是产业基地发展都具有显著的超前性，此外，利用良好的创新创业环境催生出众多小型石墨烯企业，形式灵活，创新动力强劲。为了弥补小企业规模化偏小的不足，美国还鼓励众多研发实力强劲的大型创新企业加入到石墨烯应用研究的大军中，如鼓励英特尔(Intel)、波音(Boeing)等投入大量的科研力量进行石墨烯的研发。同样发展思路的欧盟，力求开拓学术研究和工业巨头联合研发的新局面，开展石墨烯的研发、产业化以及应用的推进，联合巴斯夫(BASF)、拜耳公司(BAYER)等公司开展石墨烯应用研究。

石墨烯的基础研究与技术应用正在快速发展之中，全球石墨烯研发竞争日趋激烈，中国、美国、韩国、日本等主要的技术原创国家已逐渐形成技术优势和竞争格局。目前全球共发表了7万余篇和石墨烯相关的论文，2万余项石墨烯专利获授权。近3年来，论文发表及专利申请仍保持上升态势。放眼全球，包括美国、欧盟、日本在内的80多个国家和地区，都将石墨烯研究和应用作为重点发展领域，有的国家已将石墨烯研究提升至战略高度。可见石墨烯的竞争十分激烈。

氧化石墨烯是石墨烯的氧化物，其颜色为棕黄色，市面上常见的产品有粉末状、片状以及溶液状的。因经氧化后，其上含氧官能团增多而使性质较石墨烯更加活泼，可经由各种与含氧官能团的反应而改善本身性质。

追根溯源，氧化石墨烯的发现算是比石墨还早。氧化石墨烯的第一次制备可追溯到1859年,英国化学家布诺德过将KClO3加入到石墨粉和硝酸的混合物中得到了含有C,H,O三种元素的化合物，并发现这种化合物可分散在纯水或者碱性介质中，但不能分散在酸性介质中，所当时给其起名为＂石墨酸＂。40年后，该方法得到改进，在体系中加入了浓硫酸和硝酸的混合酸作氧化剂，大大地加快了反应速率，使得产品的氧化程度大大提高，且整个合成过程可在同一个单独的反应器中进行。1958年，哈默和奥夫曼开发了一种新的氧化方法，即采用浓硫酸和高锰酸钾的混合物作为氧化剂，进一步缩短了反应时间，加快了反应速率，并得到相似的产品。

目前关于以石墨为原料制备氧化石墨烯的机理和氧化石墨巧本身的结构仍然存在争议，当前被普通接受的结构模型是非化学计量比模型。

由于氧化石墨烯的表面含氧基团使得层间的相互作用大大降低，可以通过加热或者机械手段使其剥离分开。超声处理是一种常用的在水相或者极性有机溶剂中剥离制备氧化石墨烯的方法，这种方法快速、高效，可以得到基本上完全分离的单层氧化石墨烯。氧化石墨烯在不同溶剂中的分散性对其进一步加工或者功能化非常重要，这主要依赖于溶剂的种类和制备氧化石墨烯的氧化过程中引入的官能团的量。当前研究发现氧化石墨烯表面的极性越大，其分散性越好，在水中的分散度大约在1-4mg/ml。除水之外，氧化石墨烯烃可以分散在某些有机溶剂中。

与机械剥离的石墨烯相化，氧化石墨烯的物理化学性质都有明显的改变，使得其电学、力学和光学性能大大降低；同时含氧官能团的引入可以使石墨巧的性质由零带隙半金属性质转变为半导体性质甚至绝缘体性质。此外，氧化石墨烯强烈的亲水性及丰富的含氧官能团，将给其带来许多迷人的应用前景。与具有金属态导电性的石墨烯不同，随着氧化程度的不同Ｉ氧化石墨烯可以从半导体变成绝缘体。由于杂原子的存在，氧化石墨烯存在带隙，与石墨烯的零带隙不同，所以利用氧化石墨烯可以观察到近红外、可见光和紫外区的荧光现象氧化石墨烯的光电性质可通过其表面的含氧基团进行调控，具有不同光电性质的氧化石墨烯可以用作生物传感器和药物投递。由于其易加工性，氧化石墨烯可以用于蓝色发光二极管、固体照明的白光发射和柔性显示器等。此外，氧化石墨烯可以在水溶液中自组装形成手性的液晶，且在其冻干成膜后仍然保持这种液晶排列，这使得氧化石墨烯材料可用于显示器、防伪材料等领域。

氧化石墨烯有三种不同的修饰方式一种是非共价键修饰，非共价修饰主要是通过氧化石墨烯和功能化分子之间的静电作用、堆积作用、氨键以及范德华力等弱的相互作用来修饰氧化石墨烯，如物理吸附和聚合物包裹。一种是共价键修饰，共价修饰主要是利用氧化石墨烯的表面含氧团与修饰物之间以共价键的形式相互连接。氧化石墨烯表面的环氧基、羟基、羰基及羧基等含氧基团，使其具有与有机物、无机物及纳米粒子发生反应的化学活性部位。还有一种是纳米粒子修饰，将金属或金属氧化物纳米粒子负载在石墨烯表面构建石墨烯基纳米功能复合。

氧化石墨烯的应用十分广泛，不同维度的石墨烯有着不同的作用。

零维材料（石墨烯和氧化石墨烯的量子点及纳米胶囊结构）

利用微观的氧化石墨烯薄片或者石墨烯薄片构建成宏观的石墨烯纤维是开辟石墨烯材科应用的重要研究方向，同时具有极大的挑战，主要是由于没有有效的组装方法，且石墨烯和氧化石墨烯的尺寸和形貌不规则，容易层层堆叠而团聚。浙江大学髙超教巧课题組首次报道了利用氧化石墨烯溶胶的手性液晶特性，采用湿法巧丝的方法制客出了氧化石墨烯纤维，再经过化学还原可以获得髙强度、高导电性的石墨烯纤维，该纤维可以纺织出导电的织物；随后该课题组通过改进，利用超大氧化石墨烯薄片制备了超强石墨烯纤维，并开展了一系列关于石墨巧纤维的研究工作。目前各种不同功能的石墨烯聚合物纤维、掺杂纤维等先后被合成，展现了石墨烯纤维的美好应用前景。

一维材料（石墨烯纤维）

利用微观的氧化石墨烯薄片或者石墨烯薄片构建成宏观的石墨烯纤维是开辟石墨烯材科应用的重要研究方向，同时具有极大的挑战，主要是由于没有有效的组装方法，且石墨烯和氧化石墨烯的尺寸和形貌不规则，容易层层堆叠而团聚。浙江大学髙超教巧课题組首次报道了利用氧化石墨烯溶胶的手性液晶特性，采用湿法巧丝的方法制客出了氧化石墨稀纤维，再经过化学还原可以获得髙强度、高导电性的石墨烯纤维，该纤维可以纺织出导电的织物；随后该课题组通过改进，利用超大氧化石墨烯薄片制备了超强石墨烯纤维，并开展了一系列关于石墨巧纤维的研究工作。目前各种不同功能的石墨稀聚合物纤维、掺杂纤维等先后被合成，展现了石墨烯纤维的美好应用前景。

二维材料（石墨烯薄膜、石墨烯纸等）

微观的氧化石墨烯薄片组装成宏观的二维石墨烯薄膜或者纸是石墨烯材料领域当中研究最早最广泛的。2007年，若弗课题组以剥离的氧化石墨烯溶液为原料采用抽滤法制备了柔性的高机械强度的氧化石墨烯纸。2009年，中科院沈阳金属所成会明教授等人报道了利用二维水平面作为自组装平台．通过蒸发氧化石墨烯水溶液，在水／汽界面上可以较快速地制备出自支撑的氧化石墨烯薄膜。2012年，安德烈．海姆教授课题组发现亚微米厚度的氧化石墨烯薄膜具有有趣的渗透性质，即水分子可以快速地通过氧化石墨烯薄腹的纳米孔，而其他的液化、蒸汽和气体分子都被截留。201年，高超教授课题通过一个特殊设计的湿纺设备可以在20分钟内制备20米长的粘附在PET上的氧化石墨烯凝胶薄膜，经过水洗后干燥，再与PET—起浸入水中使氧化石墨烯薄膜从PET上面分离下来，随后把分离下来的氧化石墨烯薄膜经过干燥处理便可获得自支撑的薄膜，这种湿纺工艺有望加快氧化石墨烯薄膜的规模化生产。

三维材料（石墨烯水凝胶及气凝胶、泡沫材料等）

三维石墨烯材料内部具有立体交联的微孔、介孔和大孔网络结构的自支撑孔隙结构，大大増加了石墨烯的有效比表面积，同时具有较小的密度和快速的电子／离子传输路径，在超级电容器、锂离子电池电极、泡沫吸附材料等领域有重要的应用，是近年来石墨烯领域的研究热点之一。清华大学石高全教授课题组在水热条件下使氧化石墨烯脱氧逐渐变得疏水，再通过分子间的范德华力作用和边缘与边缘堆积作用，获得了具有高机械强度的水凝胶，将此水凝胶组装成超级电容器。高超教授课题组研制出了一种超轻＂全碳气凝胶＂的固态材料，其密度十分小，只有空气密度的六分之一，也是迄今为止世界上最巧的材料。其制备方法是将含有石墨烯和碳纳米管两种纳米材料的水衡液在低温环境下冻干，去除水分、保留骨架。其形状可任意调节，弹性也很好，被压缩80%后仍可恢复原状，对有机溶剤有超快、超髙的吸附力；同时，该气凝胶还可能成为理想的储能保温材料、催化刑载体及高效复合材料，有广阔应用前景。

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