一枝不起眼的鉛筆，如果說這種現在很普通的書寫工具，曾經名列不可或缺的高科技用品清單榜首，你或許會十分驚訝。事實上，構造簡單的鉛筆甚至曾被認為是戰略軍事物資而禁止出口。但更令人意想不到的是，我們每次用鉛筆畫線時，紙上的線條中就有目前在物理學和「納米科技」(Nanotechnology) 上最熱門的新材料：「石墨薄膜」(Graphene)。
「石墨薄膜」的組成材料是「石墨」(Graphite)，也就是鉛筆裡的「鉛」，它是由層層碳原子堆疊成的純碳結構。人類數百年前就已發現石墨有層層結構，因此物理學家和材料科學家很自然就會想將這種礦物一層層分開，以研究這種幾何結構十分簡潔優雅的物質。這種礦物的單層結構便稱為「石墨薄膜」，是純碳原子在同一平面上以六角形排列構成的網狀結構，僅有一個原子厚。
不過多年以來，嘗試製作「石墨薄膜」的努力都以失敗告終。早期最普遍的方式是在石墨的原子面之間插入各種分子來劈開原子面，稱為「化學頁狀剝離法」(Chemical Exfoliation)。雖然「石墨薄膜」層在處理過程中某個階段一定會從「石墨」上剝離，但模樣卻不像「石墨薄膜」，最後的產物通常是一團「石墨」顆粒泥漿，跟潮濕的碳灰沒什麼差別，因此科學界很快就對化學頁狀剝離法失去了興趣。
不久之後，實驗人員嘗試另一種比較直接的方法。他們拿「石墨」在另一種表面上刮擦或摩擦，將「石墨」晶體分成更薄的薄片。這種稱為「微機械劈理」(Micromechanical cleavage) 的技術雖然比較粗魯，但效果出奇地好。研究人員可剝下厚度不到 100 個原子的「石墨」薄片，德國「亞琛科技大學」(Aachen University) 的物理學家於 1990 年就曾分離出薄到透明的「石墨薄片」。
10 年後，金與當時為美國「哥倫比亞大學」(Columbia University) 研究生的張遠波改良了微機械劈理法，製作出高科技版的鉛筆，當然可說是「納米鉛筆」了，用「納米鉛筆」「書寫」時可產生厚度僅數十個原子層的「石墨」，不過這樣製造出來的材料仍只是很薄的「石墨片」，不是「石墨薄膜」。科學界普遍認為「石墨薄膜」不可能存在於自然界中。
這個悲觀的看法在 2004 年宣告打破。Ghem 與當時在英國「曼徹斯特大學」(The University of Manchester) 擔任博士後助理的 Kostya S. Novoselov 合作研究了許多種方法，以製作更薄的石墨樣本。當時大多數實驗室從碳灰著手，但蓋姆和同事碰巧是從「石墨」被蠻力分割後留下的碎片開始動手。他們將一小片「石墨」黏在膠帶上，對折膠帶，讓有黏性的一面包覆著「石墨片」，再撕開膠帶，將「石墨片」分成兩半，重複進行這個程序，做出越來越薄的石墨碎片。研究人員做出許多「石墨薄片」後，仔細檢視這些薄片，驚奇地發現有些竟然只有一個原子厚。更出乎意料的是，這些剛剛驗明正身的石墨薄膜具有很高的晶體特性，而且即使在室溫下，化學穩定性也相當高。
這項石墨薄膜的實驗發現，引發一陣國際研究熱潮。它不僅是所有可能狀況下最薄的材料，而且極為強固堅韌。除此之外，純「石墨薄膜」在室溫下傳導電子的速度比其他各種物質都快。目前全世界各實驗室的工程師都在研究這種物質，看看能不能用它來製造實際產品，例如超強韌的複合材料、智慧型顯示器、超快速電晶體，以及量子電腦等。
在此同時，「石墨薄膜」在原子尺度上的獨特性質，則帶領物理學家深入鑽研必須以相對論性量子物理才能描述的各種現象。研究這類可說是自然界中最奇特的現象，以往一向是「天體物理」(Astrophysics) 和「高能粒子物理」(High Energy Particle Physics) 學者的專利，必須用上價值數百萬美元的望遠鏡或數十億美元的粒子加速器。「石墨薄膜」讓實驗人員使用一般實驗器材，就能驗證相對論性「量子力學」的預測結果。
雖然目前鉛筆已十分普及，但令人訝異的是，在中國和希臘等古老書寫文明中，「石墨」並未佔有一席之地。直到 16 世紀，英國人才發現大量純石墨礦藏，當時稱為「黑鉛」。不過它的劃記功能隨即受到注意，英國人立刻將它變成鵝毛筆及墨水的簡便替代品，鉛筆很快就在歐洲知識份子間風行起來。
直到 1779 年，瑞典化學家 Carl Scheele 才發現「黑鉛」其實是「碳」(Carbon) 而不是「鉛」(Lead)。10 年後，德國地質學家 Abraham Gottlob Werner 開始將這種物質稱為「石墨」，希臘文的意思是「書寫」。在此同時，軍火製造商也發掘出這種易碎礦物的另一種用途：「石墨」很適合當做砲彈鑄模的內層。這種用途成為非常重要的軍事機密，在拿破崙戰爭期間，英國就曾禁止「石墨」和鉛筆銷往法國。
近幾十年來，研究人員在平凡的「石墨」材料中發現了幾種以往不為人知的碳分子結構，並探究其特性及可能用途，讓「石墨」曾經十分崇高的科技地位回復了一些。其中一種是稱為「巴克球」(C60 Buckyball) 的足球形分子，1985 年由美國化學家 Robert Curl 、 Richard E. Smalley 及他們的英國同事 Harold Kroto 發現。六年後，日本物理學家「飯島澄男」(Sumio Iijima) 發現「納米碳管」(Carbon Nanotube)，這是由碳原子所組成的蜂巢形圓柱結構。雖然在此之前的數十年間，已有許多人發現「納米碳管」，但從未發現其重要性。這兩種新的分子結構被命名為「富勒烯」(Fullerene)，這個名稱和「巴克球」都是為了紀念極富想像力的美國建築師兼工程師 Buckminster Fuller，他在這種碳結構發現之前就已經研究過這幾種形狀。
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