石墨烯是目前已知的最硬和最薄的材料之一。它由一个单层的碳原子构成的二维晶体结构，厚度仅为一个原子层，非常薄，甚至可以被视为二维材料。石墨烯的碳原子排列非常紧密，形成了类似于蜂窝状的结构，具有出色的力学性能。同时，石墨烯的硬度非常高，可以与钻石相媲美。硬度是材料抵抗外部力量形变和划伤的能力的度量。
作为21世纪才发现的战略性新兴材料，石墨烯自年被两位英国科学家从石墨上用胶带成功剥离，并表征了石墨烯这种二维材料的优越性能。随后的十几年时间中学术界关于石墨烯的研究成果不断喷涌，这两位科学家也因其开创性研究于年被授予诺贝尔物理学奖。
石墨烯具有优异的透光性，密度低，特性好,尽管极薄到几乎完全透明但非常致密。依然不受环境影响，可以保持稳定的特性，如超高的载流子迁移率、电导率、热导率、强度，固有拉伸强度等这些优异的特性。使得石墨烯在电子学、光电子学、能源存储和传感器等领域展示出巨大的应用前景。
比如，石墨烯的特殊电学特性使其成为下一代电子产品的有前途的材料。它可用于晶体管、集成电路、柔性显示器、触摸屏和传感器。目前全球生产这些电子产品的大型企业包括英特尔、三星、台积电、索尼和LG，而国内的大型企业有包括中芯国际（中国最大的集成电路制造企业之一）、京东方科技集团（生产柔性显示屏和触摸屏等产品）、比亚迪（生产各种电子产品，包括集成电路、触摸屏和传感器等，同时也是电动汽车和电池制造商。）华星光电以及汇顶科技。
除此之外，在复合材料中加入石墨烯可以提高复合材料的机械强度、导热性和电性能。这在航空航天、汽车、建筑和体育器材行业都有应用。
石墨烯膜还可以有效地过滤掉小分子和离子，起到海水淡化和水净化功能。其高吸附能力，可用于环境修复，如去除空气和水中的污染物。另外，石墨烯具有其生物相容性和独特的性能，在药物输送、生物传感器、组织工程和成像等各种生物医学应用中显示出前景。
目前，工业石墨烯的生产一直是一个具有挑战性的任务，目前制造大量石墨烯的工业方法需要在超过摄氏度的高温下进行。工业生产的石墨烯通常无法达到实验室制备的高纯度水平，大规模生产高质量的石墨烯仍有很多进步空间。制备方法主要包括化学气相沉积法和化学剥离法。这些方法经常会引入一些杂质或缺陷，从而影响石墨烯的纯度。工业石墨烯的纯度通常在70%至90%之间。这意味着石墨烯样品中可能含有10%至30%的杂质或缺陷。在柔性电子器件、防腐涂料、增强材料等领域，工业石墨烯的纯度已经能够满足需求。然而，对于一些特殊应用，如高性能电子器件、光学器件等，对石墨烯的纯度要求更高。在这些领域，实验室制备的高纯度石墨烯仍然是更好的选择。
据英国《新科学家》杂志网站7月18日报道，日本科学家在南非一座地下金矿里的32亿年历史的岩石内，首次发现了天然形成的石墨烯。这种石墨烯似乎在温度低于摄氏度的情况下，在南非富含黄金的巴伯顿绿岩带形成。如果能够了解石墨烯在低温下如何形成，将有助于开发出更节能的生产方法。
