Grafena
Dengan menggunakan mikroskop gaya atom, penelitian terkini tentang grafena telah dapat mengukur tetapan pegas lembaran-lembaran grafena yang disuspensi. Lembaran grafena yang diikat oleh gaya van der Waals disuspensi pada rongga-rongga silikon dioksida dimana digunakan AFM untuk menguji sifat mekanik dari grafena. Tetapan pegas yang terukur berkisar antara 1-5 N/m dengan Modulus Young sebesar 0.5
TPa, berbeda dari grafit yang meruah. Nilai-nilai yang tinggi ini, membuat grafena sangat kuat dan kaku. Sifat inilah yang memungkinkan grafena dimanfaatkan untuk aplikasi NEMS, seperti sensor tekanan, dan resonator.
Sebagaimana dengan bahan material lainnya, daerah-daerah tertentu pada grafena mengalami fluktuasi kuantum dan termal pada pergeseran relatifnya. Walaupun amplitudo fluktuasi ini terbatas pada struktur 3D-nya (bahkan untuk ukuran tak terhingga), teorema Mermin-Wagner menunjukkan bahwa amplitudo fulktuasi berpanjang gelombang panjang akan meningkat secara logaritmik
terhadap struktur 2D-nya, sehingga ia akan menjadi tidak terbatas pada struktur yang berukuran tak terhingga. Deformasi tempatan dan regangan elastik dipengaruhi oleh divergensi yang berkisaran panjang pada pergeseran relatif ini. Dipercayai bahwa dengan struktur 2D yang cukup besar, ia akan melentuk dan mengusut membentuk struktur 3D yang berfluktuasi
jika tidak terdapat tegangan lateral yang diberikan. Para peneliti telah memantau riakan pada lapisan-lapisan grafena yang disuspensi, dan diajukan bahwa riakan-riakan ini diakibatkan oleh fluktuasi termal pada bahan. Oleh karena deformasi dinamis ini, terdapat perdebatan apakah grafena benar-benar berstruktur 2D.
Grafena dianggap sebagai bahan yang ideal untuk spintronik oleh karena interaksi orbit-spin yang kecil dan hampir tidak adanya momen magnet inti dalam karbon. Injeksi spin-arus listrik dan deteksi pada grafena telah didemonstrasikan pada suhu kamar. Koherensi spin yang lebih besar daripada satu telah terpantau pada suhu kamar dan kontrol polaritas arus spin yang melewati gerbang listrik telah diamati pada temperatur rendah.
Selain mobilitasnya yang tinggi dan Konduktivitas yang minimum, grafena menunjukkan perilaku sangat menarik dalam suatu medan magnetik. Grafena menunjukkan ketidak normalan efek kuantum Hall dengan urutan dialihkan oleh 1/2 displaystyle 1/2. Dengan demikian, konduktivitas Hall adalah  x y =  4 (N + 1/2) e 2/h displaystyle sigma _xy=pm 4left (N+1/2right)
e2/h, dimana N displaystyle N adalah index level rendah dan dengan menurunkan spin ganda akan dihasilkan faktor 4 displaystyle 4, ini dapat diukur pada temperatur kamar. Grafena dua lapis juga menunjukkan efek kuantum Hall, tetapi dengan urutan standar dimana  x y =  4 N e 2/h displaystyle sigma _xy=pm 4Ne2/h. Menariknya, level yang tinggi pertama
N = 0 displaystyle N=0 adalah tidak ada, yang mengindikasikan bahwa graphene bilayer tetap pada keadaan logam dan terdapat pada titik netral.
Tiap atom karbon dalam grafena mempunyai satu orbital s dan tiga orbital p. Satu orbital s dan dua orbital p digunakan untuk membentuk ikatan kovalen yang kuat dan tidak berkontribusi dalam konduktivitas sedangkan satu elektron bebas yang berada pada subkulit p membentuk orbital phi yang tegak lurus dengan lembaran grafena yang akhirnya akan menentukan sifat-sifat
elektrik dari grafena. Elektron-elektron ini seperti tidak memiliki massa, seperti partikel-partikel tanpa massa yang digambarkan dalam teori relativitas,e=mc2. Hasil percobaan dari pengukuran transpor elektron menunjukkan bahwa grafena memiliki mobilitas elektron yang tinggi pada suhu ruang dengan nilai lebih dari 15000 cm2 V-1 s-1.
Dengan mengoksidasi secara kimiawi grafena dan kemudian merendamnya di air, lapisan-lapisan grafena akan membentuk lembaran single dengan ikatan yang sangat kuat. Lembaran-lembaran ini disebut Graphene Oxida Paper dengan keteraturan tensile modulus sebesar 32 GPa.
Larutan fragmen-fragmen dari grafena dapat dipreparasi di laboratorium melalui modifikasi kimia dari grafit. Pertama, mikrokristalin grafit diperlakukan dengan campuran asam kuat, yaitu asam sulfat dan asam nitrat. Serangkaian tahap-tahap meliputi oksidasi, hasil pengelupasannya berupa plat kecil dari grafena dengan gugus karboksil pada bagian tepinya. Kemudian, berubah menjadi gugus
asam klorida dengan penambahan tionyl klorida, kemudian dikonversi menjadi grafena amida yang sesuai dengan cara mentreatment dengan oktadecylamine. Ahirnya menghasilkan meterial berupa lembaran grafena berbentuk lingkaran dengan ketebalan 5.3 Angstrom yang larut dalam tetrahidrofuran, tetraklorometana, dan dikloroetana.
Grafena dapat digunakan sebagai sensor yang sangat baik untuk menentukan struktur 2D dimana keseluruhan isi grafena memiliki permukaan yang besar, membuat grafena sangat efisien untuk mendeteksi molekul yang diadsorpsi.Lokasi dari adsorpsi mengalami perubahan dalam tahanan listrik. Saat efek ini terjadi dalam material lain, grafena memiliki keunggulan karena mempunyai
konduktivitas listrik yang tinggi dan rendahnya gangguan, yang membuat grafena ini tidak mengalami perubahan dalam mendeteksi.
Menurut Prof.Rod Ruoff grafin memiliki luas permukaan 2630 M2/gram dapat membentuk lapisan-lapisan dan menghasilkan ruang-ruang yang dapat menyimpan energi sehingga bisa digunakan sebagai ultrakapasitor. Ultrakapasitor dari grafena ini mempunyai rapat massa yang tinggi dibandingkan dengan kapasitor-kapasitor dielektrik konvensional. Selain itu ultrakapasitor dari grafena memiliki range yang besar
dalam menangkap energi dan menyimpan energi tersebut sehingga dapat pula dijadikan sebagai sumber daya primer bila dikombinasikan dengan aki atau sel bahan bakar. Ultrakapasitor dari grafena dapat menangkap kembali energi yang terbuang dengan mengubah energi kinetik menjadi energi potensial sehingga akan mengurangi kalor yang terbuang. Industri dapat mengurangi energi yang terbuang
dengan memasang ultrakapasitor dalam mesin-mesin produksi dan dapat pula diterapkan pada bus,truk dan kereta api..
Graphene Nanoribbons (GNRs) adalah lapisan tunggal yang esensial dari grafena yang dipotong dengan pola tertentu untuk menghasilkan sifat-sifat listrik tergantung dari tepi lembaran tersebut, dapat berbentuk Z atau armchair. Berdasarkan perhitungan prediksi tigh binding bahwa GNR yang zigzag bersifat logam, sedangkan armchair dapat bersifat logam ataupun semilogam tergantung lebarnya. GNR dapat mempunyai
sifat logam hingga semikonduktor tergantung chiralitynya. GNR bertepi zigzag bersifat logam dengan bentuk khas pada kedua sisinya tanpa memperhatikan lebarnya. Sementara GNR bertepi armchair dapat bersifat logam ataupun semikonduktor tergantung pada lebar NA. GNR armchair akan bersifat logam jika NA = 3k + 2 (k adalah bilangan bulat) dan jika tidak maka bersifat semikonduktor. Akhir-akhir ini
bermacam-macam junction seperti bentuk L, bentuk T dan bentuk Z di dasarkan pada dua jenis GNR yang telah diusulkan tersebut. Walaupun junction-junction ini memiliki bentuk geometri yang sama dengan junction Quasi satu dimensi yang lain, keadaan elektronnya sangat berbeda dari junction yang lain karena pada GNR elektron-elektronnya mempunyai sifat yang khas.
Perhitungan DFT akhir-akhir ini memperlihatkan nanoribbons armchair bersifat semikonduktor dengan skala energi GAP nya berbanding terbalik dengan lebarnya. Hasil eksperimen memperlihatkan bahwa energi GAP benar-benar meningkat dengan menurunnya lebar GNR. Meskipun demikian tidak ada data eksperimen yang mengukur energi GAP dari suatu GNR dan mengidentifikasi dengan tepat struktur tepinya.