现代文明离不开化学、化学工程及化工产品，它们提供着各种各样的高性能材料，支撑着高科技产品的发展，在解决能源、环境、材料和信息等领域的卡脖子问题等方面发挥着重要作用。中国工程院院士、清华大学化学工程系教授金涌表示，现代社会的经济发展和全人类的衣、食、住、行都离不开化学和化工产品，化学与化学工程是高新科技的发端和支撑，其所支撑的泛化学工业在食品、制药、医用材料等人类健康支撑产业方面发挥着重大作用，是国民经济的脊梁。
科协频道推出“化学化工铸造未来”专栏，介绍近年来化学化工领域的研究工作和科技成果，展示化学化工的科技魅力。
除了空气和水，在我们的生活中还有什么无处不在的东西呢?
环顾四周，我们可以发现，喝水的杯子由玻璃制成，身上穿的衣服由纤维制品织成，阅读的书籍由纸构成，家里的衣柜由木头制成，居住的大楼由钢筋水泥建造而成……目之所及均由不同的材料制成。可以说，材料早已渗透进了我们的衣食住行，是人类赖以生存和发展的物质基础。什么是材料?材料就是人们用来制造有用物体(物品、器件、构件、机器或其他产品)的物质。
显然，今天的人类生活已经无法离开材料。而人类使用材料的历程几乎与人类文明的历程并轨相行。今天，材料的种类数不胜数。人类对材料的制造和使用已经炉火纯青，近几十年以来在材料领域取得的成果已经远超过去数千年的发展。20世纪后半叶以来，芯片、集成电路、计算机、互联网等引领了社会的快速发展，成为时代的聚光点。而这一时代最引人注目的材料无疑是硅，这一时代被当之无愧地称为“硅时代”，正是它缔造了人们所说的“信息时代”。英特尔公司创始人之一戈登·摩尔曾提出，硅基晶体管集成电路的发展遵从摩尔定律，即集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18个月至24个月增加一倍，性能也将提升一倍。但由于加工极限和隧道效应的制约，硅基半导体的发展近年来逐渐逼近极限，未来的高速处理器和信息技术的发展，亟待新材料的革新。人们期待的新材料究竟会是什么呢?它又将如何改造我们的世界，带领我们迈向下一个发展阶段?
2010年，诺贝尔物理学奖授予了英国曼彻斯特大学的科学家安德烈·海姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)，表彰他们在二维材料石墨烯方面的开创性实验研究。中国华为公司总裁任正非曾于2014年在采访中说，未来10~20年内将爆发一场技术革命，即“石墨烯时代颠覆硅时代”。2015年，《中国制造2025》发布，石墨烯被列入新材料领域的战略前沿材料。看到这里，我们不禁好奇，什么是石墨烯?石墨烯有什么用?为什么能被寄予如此高的期望?
其实石墨烯的命名本身就非常形象具体地向我们讲述了它的结构特点和电子结构石墨烯(graphene)，顾名思义，是由“石墨”+“烯”构成，这也与其英文命名吻合，即graphite(石墨)+alkene(烯烃)。石墨是碳元素的一种同素异形体，是一层一层叠在一起的层状结构，层间是范德华力，而层内每个碳原子的周边以共价键连结着另外三个碳原子，即石墨烯。因此，石墨烯是由一个碳原子与周围三个近邻碳原子结合形成蜂窝状结构的碳原子单层，石墨烯与石墨的关系类似一页纸和一本字典之间的关系。
石墨自古就有，在生活中也非常常见，考试时用来涂答题卡的2B铅笔的主要成分就是石墨。但是为什么科学家经历了这么漫长的努力才得到石墨烯?石墨烯相比于石墨又有什么特殊的性能和意义?
其实关于石墨烯的思考和好奇很早就闯进了科学家的脑海。人们在研究石墨的结构和性质的时候，已经注意到里面的层状结构可能会带来很多新的可能。早在1947年加拿大理论物理学家菲利普·华莱士(Philip Wallace)就已经开始计算石墨烯的电子结构，并且发现了非常奇特的线性色散关系。但此后，石墨烯往往作为理论模型，用于描述碳材料的物理性质，而在实验方面的进展却非常缓慢。这是为什么呢?
科学家曾经一度认为石墨烯在真实世界中无法存在。20世纪的很多科学家都在理论上预言，像石墨烯这样的准二维晶体本身热力学性质不稳定，在室温环境下会迅速分解或者蜷曲，所以不能单独存在。这样的想法限制了科学家对实验现象的理解和认知。当我们再次翻阅安德烈·海姆的工作时发现，他们得到的单层石墨烯恰巧是一直负载在一定的基底上，比如胶带、玻璃、硅片等，所以能够稳定存在。这一实验中的巧合为人类知识的跨越提供了非常大的便捷。后续的研究已经能够非常清晰地帮助我们来理解这一现象，在大气条件下石墨烯能够在支撑基底上稳定存在，而悬空时由于石墨烯晶格在面内和面外的扭曲，使得石墨烯也能够稳定存在。
石墨烯的出现打开了二维材料世界的大门，短短十年时间，科学家们已经发现了数千种结构和性能各异的二维材料，为科学研究和生产、生活带来了无限想象。而对于石墨烯，除了简单完美的结构，它还有着众多令人惊讶的性质，这也是石墨烯最为吸引人的地方。
