石墨是碳的同素异形体，石墨烯可由石墨剥离出来，1毫米厚的石墨薄片能剥离出300万层石墨烯。可以说石墨烯是“单层石墨”，它是由碳原子按照六角蜂巢晶格排列而成的网状二维纳米材料，常见的石墨可以看作是由石墨烯层层叠加而成的。
　　石墨烯是目前已知的最薄材料，它透明而不透气；它是最坚硬的材料，比同等重量的钢铁坚硬200倍；它是导电性能最好的材料，其导电性优于铜和银，常温下它的电阻率最小；它还可折叠弯折，拥有良好的灵活性，能承受摄氏2500度高温。
　　石墨烯的性能颇具神奇色彩，有关研究对其进行了上百种用途的实验，包括电池、夜视镜、光探测器、医学扫描设备等，结果常常令人惊喜不已。石墨烯给人留下的印象是它可以改变世界，其广泛的应用前景可从以下几个方面略见一斑。
　　新型显示屏。未来的显示屏可折叠弯曲，在下一代高科技电子设备上，这种柔性显示屏是不可缺少的。现已制造出由多层石墨烯材料构成的透明可弯曲显示屏，甚至可制成更加高效、可打印替代的柔性显示屏。同样，柔性电池也是让智能穿戴设备更为贴身舒适的标配，它能让厂商更为轻易地设计出各种规格的智能穿戴设备。显然，石墨烯在智能穿戴设备的发展上具有很大潜力。
　　新能源电池。现已成功研发的石墨烯超级电池，储电量是目前市场最好产品的三倍，可供电动车行驶1000公里，充电时间不到8分钟，而成本比锂电池低77%，重量也仅为传统电池的一半；质子传导膜是燃料电池的核心，石墨烯可用在燃料电池里作超薄滤膜，由于它不透水却能让质子通过的特性，可以大大提升氢燃料电池的功效；表面附有石墨烯纳米涂层的柔性光伏电池板，可极大降低制造可变形透明太阳能电池的成本，这种电池有可能在夜视镜、相机等小型数码设备中应用。另外，由于石墨烯是一种透明的良性导体，具有直接植入服饰的潜力，这意味着可直接通过新材料服装来充电。
　　灵敏传感器。石墨烯可以制成用途广泛的高光敏度传感器。这种传感器使用了“滞留光线”的纳米结构，能够比传统的传感器更长时间地捕获光子，而且使光学和电学检测相互兼容。这就会产生更强的电信号，便于将其转变成图像。这种传感器对光线的敏感度超过现有摄像机所使用的成像传感器1000倍，可产生更加清晰和精美的图片。石墨烯传感器还可用于航天领域，对地球高空大气层的微量元素、航天器上的结构性缺陷等进行检测。
　　新防护材料。石墨烯承受子弹冲击的性能胜过钢铁，所制成的“纸片防弹衣”，在强度提升数十倍的前提下重量减至现有材料几十分甚至几百分之一，更便于携带。不过，短时间内石墨烯替代这些材料并不现实，比较可行的办法是将石墨烯以添加剂的形式广泛应用于新型高强度复合材料之中。石墨烯复合材料还有望制成新型盔甲系统，作为宇宙飞船的保护涂层，它在航空航天军工领域应用前景广泛。
　　半导体材料。由于电子和原子的碰撞，传统的半导体和导体以热的形式消耗大量能量，目前电脑芯片以这种方式浪费了约80%的电能，石墨烯的电子能量几乎不损耗。现在芯片有极限宽度，硅的极限是7纳米，已经临近边界了。石墨烯具有非同寻常的优良特性，它具备了颠覆硅时代的潜力，承载着未来变革产业的希望。
　　由于高导电性、高强度、超轻薄等特性，石墨烯具有提升和变革若干产业领域的巨大潜力，世界主要国家均高度重视发展石墨烯相关产业，众多科研机构和公司致力于石墨烯的应用研究和开发，期待它带来巨大的市场价值。截至2014年5月，全球在石墨烯领域申请的专利数量为11372项，其中亚洲占3060项。未来10年石墨烯将在复合材料、透明半导体材料、能源、光子、光电子和传感器等领域得到广泛应用。
　　总之，石墨烯已成为科学界的热点、工业界的新宠。这不仅得益于其优异、独特的诸多性能，更是由于这些特性所衍生的应用前景和触发产业和技术革命的可能性。