石墨烯（Graphene），到底是什麼東西？或許你連聽都沒聽過，它是一種被視為很可能改變未來世界的神奇材料，由於它可以應用於資訊、能源、航太、運輸、醫療等產業，具有相當大的潛力，各國學術機構以及產業界紛紛投資研發，以期搶下市場大餅。
石墨烯是由碳原子組成，形狀如六角形蜂巢晶格的平面薄膜，僅一個碳原子那麼薄，若把20萬片石墨烯薄膜疊在一起，也只有一根髮絲那麼厚。它是目前世界上已知最薄、最堅硬、電阻率最小的奈米材料（1奈米等於10億分之1米）。同樣1平方米, 石墨烯膜比1張紙輕1,000倍，強度是鋼的200倍，導電性優於銅10倍、高於矽200倍。比橡膠更有彈性，有如皮膚，吸光率僅2%，透明度極高。假如你手上拿一片石墨烯，你會發現它平到無可挑剔，透明又薄如紗，令人驚艷。
這些讓其他材料相形失色的物理特質使得石墨烯別具魅力，前景看好，成為與5G（第5代行動通訊）與AI並列為21世紀熱門的新科技，每年有關石墨烯的論文多達6萬篇，全球不管大企業或小型創投公司都想參一腳。據悉，英特爾、蘋果、IBM、三星、華為、鴻海等大廠，都有意利用石墨烯來創造產品優勢。
以往石墨烯被認為是一種假設性的結構，無法單獨存在，直到2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆（Andre Konstantin Geim）和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov），為了證明石墨烯具有導電性與韌性，使用透明膠帶成功的分離出一片單層的石墨烯，因而證實它可以單獨存在，兩人也因為這個發現一同獲得2010年諾貝爾物理獎。
石墨烯是用途極為多樣的材料，它可以跟包括玻璃、金屬的其他元件結合，變成具有超級性能的材料，世界各國的研究人員持續探討石墨烯未來的應用領域，據他們推斷，石墨烯可能應用於下列產品：觸控螢幕如LCD或OLED、電晶體、電腦晶片、能源生成、超級電容器、DNA排序、濾水器、天線、太陽能板以及自旋電子相關（Spintronics-related）的產品。
這是歐盟投資10億歐元, 規劃石墨烯應用的大藍圖，從系統整合、零組件到生產技術，幾乎橫跨各個工業領域，期待2023年開花結果。（圖片來源：作者取材自www.graphene-flagship.eu）
有些人預測，石墨烯未來將篡奪矽的地位，成為積體電路的骨幹，資料處理速度將大躍進，改寫由英特爾合夥創辦人戈登·摩爾（Gordon Moore）所提出的摩爾定律（Moore's Law）。而採用石墨烯的資訊產品也會更輕、更薄、更靈活，人們使用的手機可以摺疊起來，放在口袋裡。但也有專家不認為石墨烯可以取代矽的地位，因為它只是導體，不是半導體，雖然有敏銳的導電率，卻無法阻斷電子流，這就是導體與半導體的差異所在，若要用於電腦處理器，它必須跟其他材料結合，因而削弱了石墨烯的特異功能，威力將不如預期，不過石墨烯處理器仍會強過矽處理器。
石墨烯的誕生將大幅改善電池的效益，採用石墨烯做的鋰電池，將擴充目前鋰電池2到3倍的儲能量，許多研究人員正在實驗用石墨烯或石墨烯複合材料來做電池的電極，如果實驗有成果，未來的電動車、手機和筆記型電腦，只需幾分鐘即可完成充電。
石墨烯材質既輕又韌，可以用來創造下一代的複合材料，讓工程師設計出更輕、更快、更安全的汽車與飛機。未來汽車的鈑金不容易生鏽、更省油，而飛機也不再笨重，不怕閃電，洲際飛行時間縮短，機票可能會比較便宜。
在不久的未來，使用石墨烯墨水印刷的輕型電路，可以嵌入產品包裝、衣服裡，甚至短暫的紋身在皮膚上，這些價廉、效率高的無線電路，可以驅動物聯網（Internet of Things, IoT），有些可充當聰明的電子標籤，傳遞有用的產品資訊到手機上。有些則可作為生命感測器（biosensors），追踪你的健康狀況。
在這種競爭激烈的資本主義社會，無創新就被淘汰的時代，石墨烯也成了行銷的賣點，由於石墨烯超強的導電性，塗抹一點石墨烯，即可強化原有產品的性能，英國有家公司推出可調光的「石墨烯燈泡」，在LED燈外層會塗上石墨烯，可以讓燈泡使用壽命更長，同時可減少10%的能源消耗。也有些廠商作廣告推銷網球拍、雪橇、腳踏車輪胎，號稱其產品是採用石墨烯做成的。有的科學家正在研發以石墨烯來製作假牙，利用石墨烯來淨化水質。石墨烯似乎成了人們爭做發財夢的材料。
Graphenea是一家成立於2010年，專門生產石墨烯賣給學術機構和企業研發部門的西班牙公司，該公司執行長戴拉芬特（de la Fuente）表示，目前那些使用微量石墨烯設計出來的產品，其實並無真正的技術優勢，只是噱頭而已。石墨烯真正可能廣泛應用於商業用途，首推生命感測（biosensing）領域。生命感測器是醫療診斷和藥物發現過程的關鍵組成部分。植入石墨烯晶片的現代生命感測器內可以檢測出最細微的標的分子（targeted molecules），由於石墨烯具有極高的傳導效率，能測量磁場最小的變化，因此，石墨烯是感測器最理想的材料。該公司生產的感測器已經行銷醫療市場，頗受歡迎。
劍橋大學的奈米科技教授安得烈‧費拉利（Andrea Ferrari），對石墨烯應用於生命感測器的趨勢，感到興奮。他指出，完全由碳原子組成的石墨烯，具有高度的生物相容性，植入人的身體不會產生生理惡化或不良的反應，已經有研究人員將感測器覆在牙齒上偵測呼吸，或植入腦裡來預測腦溢血發生率，有的人則正在嚐試為視力障礙的病患做出人工的石墨烯視網膜。費拉利談到的這些石墨烯應用於醫療的新趨勢，對許許多多病患而言，不啻是一大福音。
石墨烯很適合應用於生技產業，採用此材料製成的感測器能監視控葡萄糖、膽固醇、血紅蛋白的水平狀況，並能做抗癌治療，這將幫助醫生更準確的診斷疾病，治療好病人。（圖片來源：作者取材自網路）
曼徹斯特大學指出，石墨烯的發現將對未來的工業產生革命性的影響，從國防工業到一般民生用品，石墨烯均可派上用場，其潛力是人們無法想像的，現在只是起步而已。
劍橋石墨烯中心（Cambridge Graphene Center）是致力於研究石墨烯屬性和商業應用的領先學術機構，身兼該中心主任的費拉利，不久前受訪時表示，如果從材料科學史看石墨烯的發展，它勢必會引發一波科技創新的風潮，包括新產品以及未曾想像過的應用，但要等個幾年，也有可能很多年，人們才會看到這樣的變化。
雖然有不少研究單位和公司嚐試各種方法製造石墨烯，但產量有限，價格昂貴，一毫米厚的石墨烯膜需要300萬層原子。因此，石墨烯大量生產的成本非常高。據2013年Nature雜誌報導，製作1微米尺寸的石墨烯薄片的成本即超過1,000美元。澳洲聯邦科學與工業研究組織（CSIRO）的研究成員韓兆軍博士指出，石墨烯的製作成本比其他材料貴很多，目前一片直徑10公分的高品質石墨烯膜索價750 美元，實在不便宜。不過，隨著生產技術進步與競爭，價格已逐漸降下來，顯然價格是石墨烯能否普及最關鍵的因素。
石墨烯潛力無窮，大家都看好，爭相投入大筆資金。費拉利認為，石墨烯未來的發展仍面臨許多挑戰，據他研判，石墨烯要廣泛應用於工業界，至少要10年到15年。至於石墨烯會如何發展？能否大放異彩？誰也不知道，說不定到頭來美夢一場，但是他始終對石墨烯的前景抱持樂觀的態度，畢竟科技的進展速度往往超乎人們的想像。
