Il grafene è un termine per una struttura speciale o allotropo di atomi di carbonio in cui si autoassemblano in anelli a sei atomi di carbonio a doppio legame in fogli bidimensionali. A scala atomica, il grafene ricorda la struttura del filo di pollo, o quella di una recinzione a catena, ed è una struttura bidimensionale ripetitiva che, quando piegata in cilindri, è nota come nanotubo di carbonio o, quando modellata in una sfera , viene spesso chiamato buckyball o fullerene. Una delle aree più comuni in cui i fogli di grafene esistono naturalmente e vengono prodotti in piccole quantità sono quelle che vengono comunemente etichettate erroneamente come matite di piombo, che asportano i fogli del reticolo di carbonio dalla punta della matita quando vengono abrasi contro la carta, lasciando segni di matita familiari .
Sia i materiali grafitici che la ricerca sulla tecnologia del grafene sono considerati così importanti nel 21° secolo che nel 2010 due ricercatori con sede nel Regno Unito dell’Università di Manchester hanno vinto il premio Nobel per la fisica. Andre Geim, un fisico russo-olandese, e Konstantin Novoselov, un fisico russo-britannico, scoprì un metodo pratico per produrre singoli strati atomici di grafene. Le applicazioni per strati atomici di grafene abbracciano lo spettro da forme molto dense di memorizzazione dei dati nei computer agli ultracondensatori per immagazzinare energia elettrica e celle solari flessibili che potrebbero sostituire il silicio, difficile da lavorare. L’esclusiva forma bidimensionale dei fogli di grafene li rende utili anche nella ricerca sulla fisica delle particelle presso gli impianti di accelerazione nucleare, dove possono avere una massa a riposo pari a zero, consentendo loro di esibire tratti del Principio di incertezza di Heisenberg quando bombardati da flussi di elettroni relativistici.
Le numerose potenziali applicazioni commerciali del grafene hanno portato a un costante aumento degli articoli pubblicati dalla comunità scientifica. A partire dal 2011, sono stati depositati oltre 25,000 documenti di ricerca e brevetti per applicazioni di grafene, con una media annuale che è passata da 157 nel 2004 a oltre 2,500 documenti nel 2010. Gli sviluppi nella fotonica del grafene e nei dispositivi optoelettronici sono uno dei campi più promettenti oggetto di ricerca. Questo perché il materiale potrebbe migliorare l’efficienza dei pannelli a diodi emettitori di luce (LED) utilizzati in qualsiasi cosa, dagli schermi dei computer e televisivi ai sensori di luce. Il grafene renderebbe tali display flessibili e più durevoli e sostituirebbe la necessità di utilizzare metalli rari e talvolta tossici nella loro fabbricazione, come platino e indio.
Una delle principali proprietà del grafene che lo renderebbe utile come touchscreen flessibile per un bancomat (ATM) o una cella solare è che può essere sia trasparente per il passaggio della luce che un efficiente conduttore elettrico allo stesso tempo. Tuttavia, solo quando è stato assegnato il Premio Nobel per la fisica nel 2010, tuttavia, è stato possibile produrre in modo semplice grandi quantità di singoli strati atomici del materiale. Dalla pubblicazione della metodologia di produzione da parte dei ricercatori dell’Università di Manchester, gli scienziati sudcoreani hanno trovato un modo per aumentare il processo per produrre fogli di materiale che possono essere utilizzati per schermi di computer e televisori di dimensioni standard.