石墨烯最大的特性是其中電子的運動速度達到了光速的1/300，遠遠超過了電子在一般導體中的運動速度。這使得石墨烯中的電子，或更準確地，應稱為“載荷子”(electric charge carrier)，的性質和相對論性的中微子非常相似。

　　為了進一步說明石墨烯中的載荷子的特殊性質，我們先對相對論量子力學或稱量子電動力學做一些了解。

　　經典物理學中，一個能量較低的電子遇到勢壘的時候，如果能量不足以讓它爬升到勢壘的頂端，那它就只能待在這一側;在量子力學中，電子在某種程度上是可以看作是分布在空間各處的波。當它遇到勢壘的時候，有可能以某種方式穿透過去，這種可能性是零到一之間的一個數;而當石墨烯中電子波以極快的速度運動到勢壘前時，就需要用量子電動力學來解釋。量子電動力學作出了一個更加令人吃驚的預言：電子波能百分百地出現在勢壘的另一側。

　　以下實驗證實了量子電動力學的預言：事先在一片石墨烯晶體上人為施加一個電壓(相當于一個勢壘)，然后測定石墨烯的電導率。一般認為，增加了額外的勢壘，電阻也會隨之增加，但事實并非如此，因為所有的粒子都發生了量子隧道效應，通過率達100%。這也解釋了石墨烯的超強導電性：相對論性的載荷子可以在其中完全自由地穿行。

　　另外，研究也發現，盡管只有單層原子厚度，但石墨烯有相當的不透明度：可以吸收大約2.3%的可見光。而這也是石墨烯中載荷子相對論性的體現。美國哥倫比亞大學兩名華裔科學家最近發現，鉛筆石墨中一種叫做石墨烯的二維碳原子晶體，竟然比鉆石還堅硬，強度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍。這種物質為“太空電梯”超韌纜線的制造打開了一扇“阿里巴巴”之門，讓科學家夢寐以求的2.3萬英里長(約合37000千米)太空電梯可能成為現實。

　　石墨烯可以應用于晶體管、觸摸屏、基因測序等領域，同時有望幫助物理學家在量子物理學研究領域取得新突破。

　　師生憑石墨烯研究 同獲諾貝爾獎他們曾是師生，現在是同事，他們都出生于俄羅斯，都曾在那里學習，也曾一同在荷蘭學習和研究，最后他們又一起在英國制備出了石墨烯。這種神奇材料的誕生使安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫獲得2010年諾貝爾物理學獎。　海姆和諾沃肖洛夫2004年制備出石墨烯。這是目前世界上最薄的材料，僅有一個碳原子厚。與所有其他已知材料不同的是，石墨烯高度穩定，即使被切成1納米寬的元件，導電性也很好。此外，石墨烯單電子晶體管可在室溫下工作。而作為熱導體，石墨烯比目前任何其他材料的導熱效果都好。　海姆和諾沃肖洛夫認為，石墨烯晶體管已展示出優點和良好性能，因此石墨烯可能最終會替代硅。　由于成果要經得起時間考驗，許多諾貝爾科學獎項都是在獲得成果十幾或幾十年后才頒發。而石墨烯材料的制備成功距今才6年時間，就獲得了諾貝爾獎，這使諾沃肖洛夫感到意外。他說：“今天早上聽說這個消息時，我非常驚喜，第一個想法就是奔到實驗室告訴整個研究團隊。”而海姆則表示，“我從沒想過獲諾貝爾獎，昨天晚上睡得很踏實”。　海姆認為，獲得諾貝爾獎的有兩種人：一種是獲獎后就停止了研究，至此終老一生再無成果;一種是生怕別人認為他是偶然獲獎的，因此在工作上倍加努力。“我愿意成為第二種人，當然我會像平常一樣走進辦公室，繼續努力工作，繼續平常生活。”

比鉆石還要堅硬

　　硅片上有數千個肉眼看不見的小孔。科學家開始采取高科技手段，將硅片放置在電子顯微鏡下進行觀察，科學家花費數天時間，希望能在硅片小孔上發現合適的單原子厚的石墨烯薄片。

　　一旦科學家發現了一些只有100分之一頭發絲寬度的石墨烯薄片后，他們就開始使用原子尺寸的金屬和鉆石探針對它們進行穿刺，從而測試它們的強度。讓科學家震驚的是，石墨烯比鉆石還強硬，它的強度比世界上最好的鋼鐵還高100倍!

　　美國機械工程師杰弗雷·基薩教授用一種形象的方法解釋了石墨烯的強度：如果將一張和食品保鮮膜一樣薄的石墨烯薄片覆蓋在一只杯子上，然后試圖用一支鉛筆戳穿它，那么需要一頭大象站在鉛筆上，才能戳穿只有保鮮膜厚度的石墨烯薄層。

可做“太空電梯”纜線

　　據科學家稱，地球上很容易找到石墨原料，而石墨烯堪稱是人類已知的強度最高的物質，它將擁有眾多令人神往的發展前景。它不僅可以開發制造出紙片般薄的超輕型飛機材料、可以制造出超堅韌的防彈衣，甚至還為“太空電梯”纜線的制造打開了一扇“阿里巴巴”之門。美國研究人員稱，“太空電梯”的最大障礙之一，就是如何制造出一根從地面連向太空衛星、長達23000英里并且足夠強韌的纜線，美國科學家證實，地球上強度最高的物質“石墨烯”完全適合用來制造太空電梯纜線!

　　人類通過“太空電梯”進入太空，所花的成本將比通過火箭升入太空便宜很多。為了激勵科學家發明出制造太空電梯纜線的堅韌材料，美國NASA此前還發出了400萬美元的懸賞。

代替硅生產超級計算機

　　不過據科學家稱，盡管石墨烯在大自然中非常普遍，并且石墨烯是人類已知強度最高的物質，但科學家可能仍然需要花費數年甚至幾十年時間，才能找到一種將石墨轉變成大片高質量石墨烯“薄膜”的方法，從而可以用它們來為人類制造各種有用的物質。

　　據科學家稱，石墨烯除了異常牢固外，還具有一系列獨一無二的特性，石墨烯還是目前已知導電性能最出色的材料，這使它在微電子領域也具有巨大的應用潛力。研究人員甚至將石墨烯看作是硅的替代品，能用來生產未來的超級計算機。

　　這種物質不僅可以用來開發制造出紙片般薄的超輕型飛機材料、制造出超堅韌的防彈衣，甚至能讓科學家夢寐以求的2.3萬英里長太空電梯成為現實。