一、同素异形体
有种概念叫做石墨烯，石墨烯（Graphene）是一种由碳原子与sp²杂化轨道组成六角形呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，这个石墨烯特别神奇。那么它到底是什么？
先引入一个概念，叫做同素异形体。
自然界的物质都是由不同的元素组成的，但是有些物质却是有相同的元素组成的，但他们的表现却很不一样。比如说臭氧和氧气，我们平时呼吸的用的氧气，一个氧气分子是由两个氧原子构成的；但是臭氧，一个臭氧分子是由三个氧原子构成的，他们之间就是同素异形体，而且他们之间的性质很不一样了。氧气是我们所需要的，但臭氧浓度高了，人就会中毒。
再举个例子，有两种磷，一种叫白磷，一种叫红磷，都是磷元素组成的，但是红磷和白磷的性质不一样的，白磷有剧毒，红磷没毒。这个也是同素异形体。
那么碳呢？研究发现，碳元素形成的单质不仅有金刚石、石墨，还有富勒烯（包括C60、C70和单层或多层的纳米碳管）。同一种元素能够形成几种不同的单质，这种现象称为同素异形现象。这些单质互称为该元素的同素异形体。
比较典型的是金刚石，也就是我们平时所说的钻石。金刚石晶体中每个碳原子与相邻的4个碳原子以共价键结合，形成空间网状结构。
富勒烯（C60）是由60个碳原子形成的封闭笼状分子，形似足球，人们又称它为“足球烯”。
纳米碳管，是一种管状结构的碳原子，有很好的导热性。是科学家经过设计，在某个尺度上非常小，是纳米级别的，在另外某个方向上却很长，可以达到微米量级。
除了这些以外，还有一个就是我们今天要说的石墨烯，我们先说石墨。金刚石和石墨晶体中碳原子的成键方式和排列方式不同。我们平时用的铅笔芯，用的就是石墨加黏土，石墨柔软、光滑，用来做润滑剂；可以导电，用做电极。那石墨的结构是什么样的？石墨晶体为层状结构，层内碳原子间以共价键结合，每一层内碳原子排列成平面六边形，一个个六边形排列成平面网状结构，层间碳原子间存在分子间的范德华力，并作用联合在一起。
那么石墨烯是什么呢？把石墨的一层拿出来就是石墨烯，就是单层石墨。2004年，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃消洛夫发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。他们从高定向热解石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。不断地这样操作，于是薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。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。所以，它的发现立即震撼了凝聚体物理学学术界。虽然理论和实验界都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在，但是单层石墨烯能够在实验中被制备出来。
二、石墨烯的优点
那么这种材料有什么特点，为啥造出一个材料就可以得诺贝尔奖呢？首先它是一个二维材料，是一个平面结构，这个平面的厚度非常的薄，大约是0.355纳米。是个单原子层。这一层是一大堆六边形。我们平时用的石墨，都是石墨烯叠了很多层，1毫米厚的石墨，对应了300万层的石墨烯。所以我们想分离单层其实是很困难的。上面提到，传统科学理论认为二维材料不应该存在，是因为热的涨落会造成这个结构的破坏，但实际上石墨烯它两个原子之间的作用力非常强，它不但可以存在，而且还非常稳定。那么我们来看看它有哪些优点：
1，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。应用领域：各种防弹衣、防刺服，各种可折叠的电子产品。
2，石墨烯在室温下的载流子迁移率约为15000cm2/（V·s），这一数值超过了硅材料的10倍，是已知载流子迁移率最高的物质锑化铟（InSb）的两倍以上。应用领域：计算机的核心元器件，生物医疗。
3，石墨烯具有非常好的热传导性能。应用领域：可充电电池的添加剂，在电动汽车和手机电池方面应用前景广阔。华为去年的时候就宣布，我们现在已经开始研发石墨烯电池了。
4，石墨烯具有非常良好的光学特性，在较宽波长范围内吸收率约为2.3%，看上去几乎是透明的；
5，在非极性溶剂中表现出良好的溶解性，具有超疏水性和超亲油性；
6，石墨烯具有非常好的导电性能好。
三、石墨烯的结构
石墨烯的这些特点，是化学研究的重点对象，是由其结构组成决定的。引入一个概念，叫电子的轨道，碳是6号元素，含有6个电子，分层排布，最内层2个电子——稳定，外层电子还有4个，它是存在一定的轨道的。他们是怎样运动的？科学家经过研究发现，电子具有波粒二像性，所以它不一定在什么位置，但是如果持续的观测，电子存在各个地方的概率不一样，我们把概率画出来就叫电子云。科学家经过研究发现，第二层电子的轨道，它其实有两种不同的电子分布情况。一种是球体的分布，电子可能在球中的某一位置，这种轨道我们就称之为S轨道。第二种轨道，它是一个纺锤体的结构，它有可能会在纺锤体中的任何一个位置，这种叫P轨道，但是这个纺锤体是有方向性的，它可以是左右、前后、上下的，所以这3个P轨道，分别称为Px\Py\Pz。这样一来，第二层的轨道一共有4个轨道：S轨道，Px，Py，Pz。一个轨道最多可容纳两个电子，自旋相反的，这是根据泡利不相容原理——同一个轨道不能有自旋相同的电子，所以说一共最多可以容纳8个电子。但是碳6号元素，它外层只有四个电子。那么碳的四个电子取哪些轨道，总共有4种轨道，8种情况。
比如金刚石，一个碳原子周围都有四个碳原子，无论取哪个轨道都不可能形成这种完全对称的结构，这个时候怎么去解释它？于是，科学家提出一种设想，像金刚石这种情况，它实际上是S轨道和3个P轨道发生杂化，这四个轨道，合到一起又均分了，变成了四个完全相同的轨道，这个我们称为SP3杂化，形成了一个正四面体的结构。杂化轨道和杂化轨道连接在一起的部分，我们称之为头碰头，说的专业点，叫σ键，碳碳的σ键非常的强，所以把金刚石牢固的结合在一起，金刚石的强度非常的大，金刚石非常坚硬。所以一旦一个原子振动起来，很快会传导到另一个原子上去，所以金刚石的导热性能非常好。
那么除了SP3杂化以外，我们看下石墨，石墨的一个碳原子周围不是四个碳原子，周围有三个碳原子，那么这个怎么解释，科学家说，这个叫SP2杂化。它是意思是一个S轨道和2个P轨道合到一块了，然后分成三份，于是1个碳原子周围3个碳原子，它的结构就是一个平面结构，每个碳原子形成了120度角。周围的碳原子也形成120度角。于是这两个碳原子连到了一起，也是头碰头，叫σ键,也强度也是很大的，所以它在某个方向上的拉伸性能和坚韧度都是非常高的。但是我们知道，一共有3个P轨道，高了个SP2杂化，还少了一个P轨道。这个P轨道保留了，形成了两个P轨道的相互作用，我们称为肩并肩相互作用，说的专业一点，它叫Π键，这种Π键有啥特点呢？石墨的导电性能也非常好，其实就是Π键，电子可以在电子间跃迁，所以造成电子运动的速度非常快，所以石墨烯有很好的导电性。为啥石墨导电性会差些，因为石墨并没有非常好的层结构。有时候电子在层间来回的话，电阻增大。
至此，我把能解释的各方面都做了解释，肯定有不完备的地方，请多多指正。
参考：百度百科，李永乐老师的视频，苏教版的化学必修2。