Υπάρχουν λίγα υλικά που διαφημίζονται ως υπερ-υλικά, για να αναγνωριστούν ως τέτοια χρειάζεστε μερικά αρκετά αξιόλογα χαρακτηριστικά. Το γραφένιο είναι ένα σχετικά πρόσφατα ανακαλυφθέν υλικό που έχει μια σειρά από ενδιαφέροντα χαρακτηριστικά όπως το πόσο δυνατό και ελαφρύ είναι. Οι επιστήμονες και οι ερευνητές εργάζονται σκληρά, διερευνώντας νέες τεχνικές για την παραγωγή γραφενίου και διερευνώντας πιθανές χρήσεις του.
Το γραφένιο είναι ένα ανθρωπογενές αλλότροπο ή μορφή άνθρακα. Αποτελείται από μια εξαγωνική δομή όπως στον γραφίτη, αλλά είναι ένα φύλλο πάχους μόνο ενός ατόμου που το καθιστά εξαιρετικά ελαφρύ. Τεχνικά τα πολυστρωματικά φύλλα εξακολουθούν να ονομάζονται γραφένιο μέχρι περίπου 30 στρώματα μετά τα οποία στη συνέχεια ονομάζεται γραφίτης.
Στην εξαγωνική δομή που χρησιμοποιεί το γραφένιο, τρία από τα τέσσερα διαθέσιμα ηλεκτρόνια του για να σχηματίσουν ισχυρούς δεσμούς σίγμα με τρία άλλα άτομα άνθρακα. Το τελικό διαθέσιμο ηλεκτρόνιο είναι ελεύθερο να ταξιδέψει σε ολόκληρο το φύλλο γραφενίου. Το ελεύθερο ηλεκτρόνιο ανά άτομο άνθρακα κάνει το γραφένιο ηλεκτρικά αγώγιμο και η έρευνα έχει δείξει ότι μπορεί να είναι πιο αγώγιμο από τον χαλκό. Οι δεσμοί τριών ισχυρών καθιστούν το γραφένιο τόσο δύσκολο να σπάσει, που αν φτιάξατε ένα ισοδύναμο παχύ φύλλο χάλυβα, το γραφένιο θα ήταν 100 φορές ισχυρότερο από τον ισχυρότερο χάλυβα.
Μόνο το 2,3% του οπτικού φωτός απορροφάται, κάνοντας το γραφένιο να φαίνεται σχεδόν διαφανές, αυτό οφείλεται κυρίως στο ότι έχει πάχος μόνο ενός ατόμου.
Η συνδυασμένη δύναμη, το βάρος και η διαφάνεια του γραφενίου απεικονίστηκε στο βραβείο Νόμπελ που απονεμήθηκε στους δύο πρωτοπόρους ερευνητές το 2010. Ένα φύλλο γραφενίου ενός τετραγωνικού μέτρου, αν γίνει αιώρα, θα μπορούσε να υποστηρίξει μια γάτα 4 κιλών, ενώ είναι σχεδόν εντελώς διαφανές και ζυγίζει μόνο όσο ένα από τα μουστάκια της γάτας στα 0,77 χιλιοστόγραμμα.
Η έρευνα για το γραφένιο διεξάγεται σε πολλούς διαφορετικούς τομείς μελέτης όπως η ιατρική, η ηλεκτρονική και το περιβάλλον. Ένας από τους κύριους περιοριστικούς παράγοντες για εμπορικές εφαρμογές ήταν ιστορικά το κόστος. Στη δεκαετία από τότε που πρωτοδημιουργήθηκε, ωστόσο, το κόστος παραγωγής γραφενίου έχει μειωθεί σημαντικά, πράγμα που σημαίνει ότι αρχίζουν να εμφανίζονται εμπορικές εφαρμογές.
Ένας από τους βασικούς κλάδους όπου οι καταναλωτές θα δουν μια μέρα το γραφένιο να κάνει τη διαφορά θα είναι οι μπαταρίες. Η έρευνα έχει δείξει ότι το γραφένιο θα μπορεί να αποθηκεύει μεγάλες ποσότητες ενέργειας σε μικρότερα και ελαφρύτερα πακέτα από τις τρέχουσες μπαταρίες λιθίου που μπορεί να φορτιστούν σε λίγα λεπτά και όχι ώρες. Οι μπαταρίες γραφενίου πιθανότατα θα είναι επίσης εύκαμπτες, επιτρέποντάς τους να τυλίγονται εύκολα ή να διαμορφώνονται σε διαφορετικά σχήματα.