Μπορεί το μολύβι να είναι σήμερα ένα πολύ συνηθισμένο και καθημερινό εργαλείο γραφής, αλλά πριν από το 16ο αιώνα ήταν εντελώς άγνωστο. Τότε ανακαλύφθηκε ένα απόθεμα καθαρού γραφίτη, που ονομάστηκε plumbago (μετάλλευμα μολύβδου στα λατινικά). Οι Αγγλοι που το ανακάλυψαν δεν άργησαν να το χρησιμοποιήσουν για να αντικαταστήσουν το φτερό και την υγρή μελάνη και σύντομα το μολυβοκόντυλο έγινε της μόδας στην ευρωπαϊκή διανόηση.

Μόλις το 1779 ο Σουηδός χημικός Καρλ Σέλε απέδειξε ότι το plumbago δεν είναι μόλυβδος αλλά άνθρακας και μια δεκαετία αργότερα ένας Γερμανός γεωλόγος πρότεινε την ελληνογενή ονομασία γραφίτης (δηλαδή κάτι για να γράφεις). Κατά τη διάρκεια των Ναπολεόντειων πολέμων ο γραφίτης αποτέλεσε υλικό στρατηγικής σημασίας, αφού ήταν ιδανικός για τη δημιουργία καλουπιών για μπάλες κανονιών. Τότε, μάλιστα, η Αγγλία απαγόρευσε την εξαγωγή στη Γαλλία, τόσο του γραφίτη όσο και των μολυβιών!

Αν αυτή η διαδρομή του γραφίτη στην ιστορία φαίνεται σήμερα κάπως απίθανη, πιο απίθανο ηχεί το γεγονός ότι κάθε φορά που χαράζουμε μια γραμμή με το μολύβι, το αποτύπωμα στο χαρτί περιέχει μικροσκοπικά κομμάτια από το πιο ενδιαφέρον νέο υλικό στη φυσική στερεάς κατάστασης και τη νανοτεχνολογία: το γραφένιο.

Το όνομά του προέρχεται από το γραφίτη, δηλαδή τη μύτη του μολυβιού που είναι μια μορφή καθαρού άνθρακα, η οποία αποτελείται από επίπεδες στρώσεις ατόμων άνθρακα. Η στρωματώδης δομή του γραφίτη είναι γνωστή εδώ και αιώνες και ήταν αναμενόμενο οι φυσικοί να προσπαθήσουν να αναλύσουν το ορυκτό στα συστατικά του μέρη. Γραφένιο είναι το όνομα που δόθηκε στη μορφή άνθρακα που αποτελείται από ένα μοναδικό επίπεδο στρώμα ατόμων άνθρακα, που συνδέονται μεταξύ τους σε εφαπτόμενα εξάγωνα.

Για πολλά χρόνια, όλες οι προσπάθειες για την παρασκευή γραφενίου αποτύγχαναν. Αρχικά οι επιστήμονες προσπάθησαν να σχίσουν το γραφίτη με χημικές μεθόδους, παρεμβάλλοντας διάφορα μόρια ανάμεσα στα στρώματα γραφενίου που τον απαρτίζουν. Αν και στιγμιαία σχηματιζόταν γραφένιο, τελικά κατέληγαν να πάρουν ένα χυλό σωματιδίων γραφίτη, κάτι σαν φούμο (αιθάλη) σε αιώρηση μέσα σε υγρό.

Μετά δοκίμασαν μια πιο άμεση μέθοδο. Χώρισαν τους κρυστάλλους γραφίτη σε όλο και πιο λεπτά πλακίδια τρίβοντάς τα πάνω σε κάποια άλλη επιφάνεια. Με την τεχνική αυτή κατάφεραν να φτιάξουν διάφανα υμένια γραφίτη με πάχος λιγότερο από 100 επίπεδα ατόμων. Αργότερα, χρησιμοποιώντας μικροσκοπικούς κρυστάλλους γραφίτη ως ακίδες σε μικροσκόπια ατομικής δύναμης, κατάφεραν να σχηματίσουν μικρές κυλινδρικές φέτες πάχους μερικών δεκάδων ατόμων άνθρακα. Ωστόσο, το αποτέλεσμα ήταν και πάλι λεπτός γραφίτης, όχι γραφένιο. Αρκετοί επιστήμονες είχαν αρχίσει να πιστεύουν ότι τέτοιο υλικό δεν μπορούσε να υπάρξει στη φύση.

Αυτή η απαισιόδοξη άποψη παραμερίστηκε οριστικά το 2004, όταν οι ερευνητές ενός εργαστηρίου στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ αποφάσισαν να καινοτομήσουν και να μην προσπαθήσουν να φτιάξουν γραφένιο από αιθάλη, όπως έκαναν εκείνη την περίοδο τα υπόλοιπα εργαστήρια. Οι επιστήμονες ξεκίνησαν με μικρά πλακίδια που προέκυψαν από τη θραύση του γραφίτη και τα οποία τοποθέτησαν πάνω σε κολλητική ταινία. Διπλώνοντας την ταινία έτσι που να κολλήσει και στις δύο πλευρές των πλακιδίων, πέτυχαν με το ξεκόλλημα της ταινίας να παράγουν πιο λεπτά πλακίδια. Επαναλαμβάνοντας την ίδια διαδικασία αρκετές φορές, έφτασαν σχετικά εύκολα, προς έκπληξή τους, να παρασκευάσουν πλακίδια με πάχος μόλις ενός ατόμου. Προς ακόμα μεγαλύτερη έκπληξή τους, το γραφένιο αποδείχτηκε να έχει υψηλής ποιότητας κρυσταλλική δομή και να είναι χημικά σταθερό σε θερμοκρασία δωματίου.

Η πειραματική ανακάλυψη του γραφενίου οδήγησε σε ένα χείμαρρο ερευνητικού ενδιαφέροντος σε διεθνή κλίμακα. Το γραφένιο δεν είναι μόνο το λεπτότερο υλικό που μπορεί να υπάρξει, αλλά είναι και εξαιρετικά δύσκαμπτο και ανθεκτικό. Στην καθαρή μορφή του άγει τα ηλεκτρόνια σε θερμοκρασία δωματίου πιο γρήγορα από οποιοδήποτε άλλο υλικό. Ηδη γίνονται προσπάθειες για την κατασκευή εξαιρετικά ανθεκτικών σύνθετων υλικών, πολύ γρήγορων τρανζίστορ, οθονών γραφενίου και ηλεκτρονικών υπολογιστών κβαντικής κουκκίδας. Για το σχηματισμό ολοκληρωμένων κυκλωμάτων με τρανζίστορ γραφενίου μπορεί να χρησιμοποιηθεί η ίδια τεχνολογία που χρησιμοποιείται για τα ολοκληρωμένα κυκλώματα πυριτίου, γεγονός που φέρνει πιο κοντά τις εφαρμογές στην ηλεκτρονική. Αλλά και η υπερδεκάχρονη έρευνα γύρω από τις κυρτές μορφές γραφενίου, τα φουλερένια, είναι σημαντική βάση όσον αφορά τις εφαρμογές του για την κατασκευή σύνθετων υλικών.

Η ασυνήθιστη φύση του γραφενίου στην ατομική κλίμακα επιτρέπει στους φυσικούς να διερευνήσουν φαινόμενα που περιγράφονται από τη σχετικιστική κβαντική φυσική (κβαντική ηλεκτροδυναμική). Η έρευνα τέτοιων φαινομένων, μερικά από τα οποία είναι από τα πιο εξωτικά που εμφανίζονται στη φύση, ήταν μέχρι τώρα αποκλειστικό προνόμιο της αστροφυσικής και της φυσικής σωματιδίων υψηλής ενέργειας και απαιτούσε τη χρήση τηλεσκοπίων αξίας εκατομμυρίων ευρώ και επιταχυντών σωματιδίων αξίας δισεκατομμυρίων. Το γραφένιο επιτρέπει στους πειραματιστές να ελέγξουν τις προβλέψεις της σχετικιστικής κβαντικής μηχανικής με επιτραπέζιες εργαστηριακές διατάξεις.

Το πάχους ενός ατόμου γραφένιο πιθανότατα θα παραμείνει στο επίκεντρο του ενδιαφέροντος των επιστημόνων επί δεκαετίες. Οι μηχανικοί θα προσπαθούν να κατασκευάσουν διάφορα προϊόντα απ' αυτό και οι φυσικοί θα συνεχίσουν να διερευνούν τις εξωτικές κβαντικές του ιδιότητες. Εκείνο που είναι πραγματικά εκπληκτικό με αυτό το υλικό, είναι η συνειδητοποίηση ότι όλος αυτός ο πλούτος, ιδιοτήτων και δυνατοτήτων, βρισκόταν επί αιώνες κρυμμένος σε... κοινή θέα, σχεδόν σε κάθε μολυβιά που χάραξε κάθε ενήλικος και κάθε παιδί, από τότε που εφευρέθηκε το μολύβι ως εργαλείο γραφής.