グラフェンの潜在的な応用例

グラフェンは組織工学の分野で研究されてきた。骨組織工学用途の生分解性ポリマーナノコンポジットの機械的特性を向上させるための強化剤として使用されてきた。^{[ 8 ]}低重量 ％のグラフェン（約0.02 wt.%）の分散により、ポリマーナノコンポジットの圧縮および曲げ機械的特性が向上した。^{[ 9 ]}ポリマーマトリックスにグラフェンナノ粒子を添加すると、ナノコンポジットの架橋密度が向上し、ポリマーマトリックスから下層のナノ材料への荷重伝達が改善され、機械的特性が向上する。

機能化され界面活性剤が分散されたグラフェン溶液は、血液プールMRI造影剤として設計されています。^{[ 10 ]}さらに、ヨウ素とマンガンを組み込んだグラフェンナノ粒子は、マルチモーダルMRI-コンピュータ断層撮影（CT）造影剤として使用されています。^{[ 11 ]}グラフェンのマイクロ粒子とナノ粒子は、光音響トモグラフィーと熱音響トモグラフィーの造影剤として使用されています。^{[ 12 ]}グラフェンは、癌細胞を効率的に取り込むことが報告されており、癌治療のための薬物送達剤の設計を可能にしています。^{[ 13 ]}グラフェンナノリボン、グラフェンナノプレートレット、グラフェンナノオニオンなどのさまざまな形態のグラフェンナノ粒子は、低濃度では無毒であり、幹細胞の分化を変化させないため、生物医学用途に安全に使用できる可能性があります。^{[ 14 ]}

グラフェンはDNA産物の収量を増加させることでPCRを強化すると報告されている。^{[ 15 ]}実験により、グラフェンの熱伝導率がこの結果の主な要因であることが明らかになった。グラフェンは、PCRサイクルを最大65%削減しながら、陽性対照と同等のDNA産物を生成する。

グラフェンの化学的性質は変更可能であり、単位体積あたりの表面積が大きく、原子レベルの厚さで、分子レベルでゲート可能な構造を持つため、抗体で機能化されたグラフェンシートは、哺乳類や微生物の検出および診断デバイスに最適な候補となります。^{[ 16 ]}グラフェンは非常に薄いため、水はほぼ完全に濡れる透明性を持ち、これは特にバイオセンサーアプリケーションの開発において重要な特性です。^{[ 17 ]}これは、グラフェンでコーティングされたセンサーは、コーティングされていないセンサーと同じくらい水系と接触しながら、機械的には環境から保護されていることを意味します。

グラフェンの統合（厚さ0.34  nm ) 層をナノ電極としてナノポアに挿入する^{[ 18 ]}は、ナノポアベースの単一分子DNA シーケンシングのボトルネックを潜在的に解決できる。

2013年11月20日、ビル＆メリンダ・ゲイツ財団は「グラフェンなどのナノ材料を含むコンドーム用の新しい弾性複合材料を開発するため」に10万ドルを授与した。 ^{[ 19 ]}

2014年に、グラフェンベースの透明（赤外線から紫外線までの周波数範囲）、柔軟性のある埋め込み型医療用センサーマイクロアレイが発表され、インプラントによって隠された脳組織を観察することが可能になった。光学的透過率は90%以上であった。実証された応用例としては、局所皮質領域の光遺伝学的活性化、蛍光顕微鏡による皮質血管系の生体内イメージング、および3D光コヒーレンストモグラフィーなどがある。^{[ 20 ] [ 21 ]}

モナシュ大学の研究者らは、グラフェン酸化物シートを溶液に入れ、pHを操作するだけで、ポリマーのように自発的に液晶液滴に変化させることができることを発見した。グラフェン液滴は外部磁場の存在下で構造が変化する。この発見は、グラフェン液滴に薬剤を封入し、磁場中で液滴の形状を変化させることで標的組織に到達した際に薬剤を放出できる可能性を示唆している。また、毒素などの特定の疾患マーカーの存在下でグラフェンの形状が変化することがわかれば、疾患検出への応用も考えられる。^{[ 22 ] [ 23 ]}

グラフェン製の「空飛ぶ絨毯」が、マウスモデルにおいて肺腫瘍細胞（ A549細胞）に2種類の抗がん剤を順次送達できることが実証された。ドキソルビシン（DOX）はグラフェンシートに埋め込まれ、腫瘍壊死因子関連アポトーシス誘導リガンド（ TRAIL ）分子は短いペプチド鎖を介してナノ構造に結合している。薬剤を搭載したグラフェンストリップを静脈注射すると、腫瘍周辺の血管からの血液漏出により、がん細胞に優先的に集積する。がん細胞膜上の受容体がTRAILに結合し、細胞表面酵素がペプチドを切断することで、薬剤が細胞表面に放出される。かさばるTRAILがないため、DOXが埋め込まれたグラフェンストリップは細胞内に取り込まれる。細胞内の酸性環境は、グラフェンからのDOXの放出を促進する。細胞表面のTRAILはアポトーシスを誘発し、DOXは核を攻撃する。これら2つの薬剤は相乗的に作用し、どちらかの薬剤単独よりも効果的であることがわかった。^{[ 24 ] [ 25 ]}

ナノテクノロジーと分子生物学の発展により、従来の疾患診断および治療手順の弱点を克服できる特定の特性を持つナノ材料の改良が実現しました。^{[ 26 ]}近年、さまざまな薬剤の持続放出を実現するための新しい方法の設計と開発に、より多くの注目が集まっています。各薬剤には、毒性があり効果がない血漿濃度があり、従来の薬剤送達では、血中の薬剤濃度が急速に上昇してから低下するため、理想的な薬剤送達システム（DDS）の主な目的は、単回投与後に薬剤を望ましい治療範囲内に維持すること、および/または薬剤を特定の領域に標的化しつつ、同時に薬剤の全身レベルを低下させることです。^{[ 27 ] [ 28 ]}酸化グラフェン（GO）などのグラフェンベースの材料は、新しい薬剤放出システムの開発を含むいくつかの生物学的応用において大きな可能性を秘めています。 GOは、基底面やエッジにヒドロキシル基、エポキシ基、カルボキシル基などの官能基が豊富に存在し、生物医学用途向けに様々な生体分子を固定化または担持するためにも使用できます。一方、生体高分子は、無毒性、生体適合性、生分解性、環境感受性などの優れた特性により、薬物送達製剤の設計のための原料として頻繁に使用されています。タンパク質治療薬は、通常の生物学的プロセスにおいて、高い標的特異性と低いオフターゲット効果など、低分子アプローチよりも利点があります。ヒト血清アルブミン（HSA）は、最も豊富な血液タンパク質の1つです。HSAは、いくつかの内因性および外因性リガンド、ならびに様々な薬物分子の輸送タンパク質として機能します。HSAナノ粒子は、様々な薬物分子に結合する能力、高い保存安定性と生体内応用、無毒性および抗原性、生分解性、再現性、製造プロセスのスケールアップ、および放出特性のより良い制御により、製薬業界で長い間注目を集めてきました。さらに、アルブミン分子には多数の薬物結合部位があるため、かなりの量の薬物を粒子マトリックスに組み込むことができます。^{[ 29 ]}したがって、HSA-NPとGO-NSの組み合わせは、GO-NSの細胞毒性を低減し、がん治療における薬物負荷と持続的な薬物放出を強化するのに役立つ可能性があります。

研究者らは、生きた内生胞子細胞をグラフェン量子ドットで覆うことで作られたナノスケールのバイオマイクロロボット（またはサイトボット）を実証した。このデバイスは湿度センサーとして機能した。^{[ 30 ]}

2014年にグラフェンベースの血糖値測定製品が発表された。^{[ 31 ] [ 32 ]}

グラフェンベースのFRETバイオセンサーは、さまざまなプローブを使用してDNAとDNAの巻き戻しを検出できます。^{[ 33 ]}

ビンガムトン大学の研究者らは、グラフェンをDNAポリメラーゼバッファーとして使用してヌクレオチドの直接操作を容易にする方法論を開発した。^{[ 34 ]}

化学的制御型と電圧制御型の両方のグラフェントランジスタが開発されている。

グラフェンベースのトランジスタは、現代のシリコンデバイスよりもはるかに薄くすることができ、より高速で小型の構成が可能になります。^{[ 36 ]}

グラフェンは垂直方向の外部電場に対して顕著な応答を示し、電界効果トランジスタ（FET）を形成する可能性があるが、バンドギャップがないため、室温でのオンオフ伝導率比は基本的に約30未満に制限される。^{[ 37 ]} 2006年の論文では、サイドゲートを備えた全グラフェン平面FETが提案された。^{[ 38 ]}彼らのデバイスは極低温で2%の変化を示した。最初のトップゲートFET（オンオフ比<2）は2007年に実証された。^{[ 39 ]}グラフェンナノリボンは一般的に半導体としてシリコンに取って代わる能力があることが証明されるかもしれない。^{[ 40 ]}

グラフェンベースの電子機器の特許は2006年に発行されました。^{[ 41 ]} 2008年には、MITリンカーン研究所の研究者が1つのチップ上に数百個のトランジスタを製造し^{[ 42 ]} 、2009年にはヒューズ研究所で超高周波トランジスタが製造されました。^{[ 43 ]}

2008年の論文では、グラフェン層の可逆的な化学修飾に基づくスイッチング効果が実証され、6桁を超えるオン/オフ比が得られました。これらの可逆スイッチは、不揮発性メモリに利用できる可能性があります。^{[ 44 ]} IBMは2008年12月にGHz周波数で動作するグラフェントランジスタを発表しました。^{[ 45 ]}

2009年、研究者らは、それぞれ単一のグラフェントランジスタで構成される4種類の論理ゲートを実証した。 ^{[ 46 ]} 2009年5月、n型トランジスタが、それまでのp型グラフェントランジスタを補完した。^{[ 47 ] [ 48 ]}機能的なグラフェン集積回路、すなわち1つのp型トランジスタと1つのn型トランジスタで構成される相補型インバータが実証された。 ^{[ 49 ]}しかし、このインバータは電圧利得が低いという問題があった。通常、出力信号の振幅は入力信号の約40分の1である。さらに、これらの回路はいずれも25kHzを超える周波数では動作しなかった 。

同年、タイトバインディング数値シミュレーション^{[ 50 ]}により、グラフェン二層電界効果トランジスタで誘起されるバンドギャップは、デジタルアプリケーション向けの高性能トランジスタには十分な大きさではないが、トンネルFETアーキテクチャを利用すると、超低電圧アプリケーションには十分であることが実証された^{[ 51 ] 。}

2010年2月、研究者らはオンオフレートが100ギガヘルツのグラフェントランジスタを発表した。これは従来のレートをはるかに上回り、同じゲート長のシリコントランジスタの速度をも凌駕する。240  nmデバイスは、従来のシリコン製造装置で作られました。^{[ 52 ] [ 53 ] [ 54 ]} 2010 年 1 月の報告によると、^{[ 55 ]}グラフェンは、集積回路の量産に適した量と品質でSiC上にエピタキシャル成長されました。高温では、量子ホール効果を測定することができました。IBM は、2 インチ (51 mm) の グラフェン シート上に 100 GHz トランジスタを使用した「プロセッサ」を構築しました。^{[ 56 ]} 

2011年6月、IBMの研究者らは、初のグラフェンベースのウェハスケール集積回路である広帯域無線ミキサーを発表した。^{[ 57 ]}この回路は最大10GHzの周波数に対応し、127 ℃ までの温度でも性能に影響はなかった。11月には、研究者らは3Dプリンティング（積層造形）を用いてデバイスを製造した。^{[ 58 ]} 

 2013年、研究者らは、THzからIR領域（0.76～33 THz）までの広帯域周波数選択を可能にする検出器でグラフェンの高い移動度を実証した^{[ 59 ]。}別のグループは、双安定特性を持つテラヘルツ速度のトランジスタを作成した。これは、デバイスが2つの電子状態間で自発的に切り替えることができることを意味する。このデバイスは、数原子層の厚さの窒化ホウ素の絶縁層で隔てられた2層のグラフェンで構成されている。電子はこの障壁を量子トンネル効果によって通過する。これらの新しいトランジスタは負の微分コンダクタンスを示し、2つの異なる印加電圧で同じ電流が流れる。^{[ 60 ]} 6月には、8トランジスタ1.28  GHzリング発振回路が記述された。^{[ 61 ]}

従来設計のグラフェン電界効果トランジスタで実験的に観測された負性微分抵抗は、実行可能な非ブール演算アーキテクチャの構築を可能にする。特定のバイアス方式で観測される負性微分抵抗は、グラフェンの対称的なバンド構造に起因するグラフェン固有の特性である。この結果は、グラフェン研究における概念的な変化を示し、情報処理におけるグラフェン応用の代替的な道筋を示唆している。^{[ 62 ]}

2013年、研究者らは柔軟なプラスチック上に印刷されたトランジスタを開発した。このトランジスタは 通信回路に十分な25ギガヘルツで動作し、大規模に製造できる。研究者らはまず、グラフェンを含まない構造（電極とゲート）をプラスチックシート上に作製した。次に、金属上に大きなグラフェンシートを成長させ、それを剥がしてプラスチックに転写した。最後に、シートの上に防水層を被せた。このデバイスは水に浸した後でも動作し、折り曲げられるほど柔軟だった。^{[ 63 ]}

2015年、研究者らはグラフェンシートに窒化ホウ素ナノチューブを穿孔することでデジタルスイッチを考案し、0.5Vのオン電圧で^{10⁵のスイッチング比を示した。}密度汎関数理論は、この挙動は状態密度の不一致に起因すると示唆した。^{[ 64 ]}

グラフェンは高い電気伝導性と高い光透過性を持つため、タッチスクリーン、液晶ディスプレイ、無機太陽電池^{[ 69 ] [ 70 ]} 、有機太陽電池、有機発光ダイオードなどの用途に必要な透明導電性電極の候補となります。特に、グラフェンの機械的強度と柔軟性は、脆い酸化インジウムスズと比較して有利です。グラフェンフィルムは、溶液から広い面積に堆積できます。^{[ 71 ] [ 72 ] [ 73 ]}

化学気相堆積法により、大面積で連続的、透明かつ高導電性の数層グラフェンフィルムが作製され、光起電力デバイスへの応用におけるアノードとして使用された。最大1.7%の電力変換効率（PCE）が実証され、これは酸化インジウムスズをベースとした対照デバイスのPCEの55.2%に相当する。しかし、この製造方法による主な欠点は、基板との結合が不十分であり、最終的にサイクル安定性の低下と電極の高抵抗につながることである。^{[ 74 ]}

グラフェンアノードを用いた有機発光ダイオード（OLED）が実証されている。このデバイスは、石英基板上に溶液プロセスでグラフェンを成膜して作製された。グラフェンベースのデバイスの電子特性と光学特性は、酸化インジウムスズを用いたデバイスと類似している。^{[ 75 ]} 2017年には、銅基板上にCVD法でOLED電極が作製された。^{[ 76 ]}

化学的に合成されたグラフェンを陰極、導電性ポリマーであるポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン) (PEDOT) を陽極として用いた、発光電気化学セル(LEC)と呼ばれる炭素ベースのデバイスが実証された。^{[ 77 ]}このデバイスは、従来のデバイスとは異なり、金属を含まず、炭素ベースの電極のみで構成されている。

2014年にグラフェンベースのフレキシブルディスプレイのプロトタイプが実証された。^{[ 78 ]}

2016年に研究者らは、干渉変調を用いて色を制御するディスプレイを実証した。これは「グラフェンバルーンデバイス」と呼ばれ、10μmの円形空洞を2枚のグラフェンシートで覆ったシリコン製である。各空洞の上にあるシートの曲率の度合いによって、発光する色が決まる。このデバイスは、空洞の底と（透明な）材料から反射する光波の干渉によって生じるニュートンリングと呼ばれる現象を利用している。シリコンと膜の間の距離を大きくすると、光の波長が長くなる。このアプローチは、カラー電子書籍リーダーのディスプレイや、Qualcomm Toqなどのスマートウォッチに使用されている。これらはグラフェンの代わりにシリコン材料を使用している。グラフェンは消費電力を削減する。^{[ 79 ]}

2009年、研究者たちは、特定の周波数の入力信号を受け取り、その周波数の倍数の信号を出力する実験的なグラフェン周波数逓倍器を構築した。 ^{[ 80 ] [ 81 ] [ 82 ]}

グラフェンは光子と強く相互作用し、直接バンドギャップを生成する可能性があります。これは、光電子デバイスやナノフォトニックデバイスにとって有望です。光との相互作用は、ヴァン・ホーベ特異点によって生じます。グラフェンは、光子との相互作用に対して、フェムト秒（超高速）からピコ秒​​まで、さまざまな時間スケールで応答します。潜在的な用途には、透明フィルム、タッチスクリーン、発光体、または光を閉じ込めて波長を変化させるプラズモニックデバイスなどがあります。^{[ 83 ]}

極めて高い電子移動度のため、グラフェンは高感度ホール効果センサーの製造に使用できる可能性がある。^{[ 84 ]}このようなセンサーの潜在的な用途は、特殊用途向けの直流電流トランスに関連している。2015年4月には、新たな記録的な高感度ホールセンサーが報告された。これらのセンサーは、既存のSiベースのセンサーよりも2倍優れている。^{[ 85 ]}

グラフェン量子ドット（GQD）は、すべての寸法が 10 nm 未満です 。そのサイズとエッジ結晶構造が、電気的、磁気的、光学的、および化学的特性を決定します。GQD は、グラファイトナノトミー^{[ 86 ]}またはボトムアップの溶液ベースの経路（ディールス・アルダー反応、環状三量化反応、および/または環状脱水素反応）によって製造できます。^{[ 87 ]}構造が制御された GQD は、エレクトロニクス、オプトエレクトロニクス、および電磁気学のアプリケーションに組み込むことができます。量子閉じ込めは、リボンに沿った特定のポイントでグラフェンナノリボン（GNR）の幅を変更することによって作成できます。^{[ 65 ] [ 88 ]}これは燃料電池の触媒として研究されています。^{[ 89 ]}

単層グラフェンの上に垂直に配置された半導体ポリマー（ポリ（3-ヘキシルチオフェン）^{[ 90 ]）} は、薄いシリコン層よりも優れた電荷伝導性を示します。厚さ50 nmのポリマーフィルムは、厚さ10 nmのフィルムよりも約50倍優れた電荷伝導性を示しました 。これは、前者が様々な方向に配向した結晶子のモザイクで構成され、相互接続された結晶の連続的な経路を形成しているためと考えられます。薄膜またはシリコン上では、^{[ 90 ]}板状の結晶子がグラフェン層に平行に配向しています。用途には太陽電池などがあります。^{[ 91 ]}

化学気相成長法（CVD）によって作製され、SiO2基板上に積層された大面積グラフェンは、長期間にわたって電子スピンを保持し、それを伝達することができる。スピントロニクスは、電流の流れではなく電子スピンを変化させる。スピン信号は、最大16マイクロメートルの長さのグラフェンチャネル内でナノ秒にわたって保持される。室温では、スピン寿命1.2 ns、スピン拡散長約6 μmで、16 μmのチャネル長にわたって純粋なスピン輸送と歳差運動が実現した。^{[ 92 ]}

スピントロニクスは、データストレージ用のディスクドライブや磁気ランダムアクセスメモリに使用されています。電子スピンは一般的に寿命が短く壊れやすいですが、現在のデバイスではスピンベースの情報はわずか数ナノメートルしか移動する必要がありません。しかし、プロセッサでは、情報は整列したスピンで数十マイクロメートルを横断する必要があります。グラフェンは、このような挙動を示す唯一の既知の候補です。^{[ 92 ]}

2012年、Vorbeck Materials社は、グラフェンベースのVor-Ink回路を使用してRFIDチップへの金属アンテナと外部配線を置き換える盗難防止パッケージデバイス「Siren」の出荷を開始しました。これは、グラフェンをベースにした世界初の商用製品でした。^{[ 93 ] [ 94 ]}

グラフェンのフェルミ準位を調整すると、その光吸収を変化させることができる。2011年、研究者らは初のグラフェンベースの光変調器を報告した。 温度コントローラーなしで1.2 GHzの この変調器は、広い帯域幅（1.3～1.6 μm）と小さなフットプリント（約25  μm ² )。^{[ 95 ]}

ハイブリッドグラフェンシリコン導波路に基づくマッハツェンダー変調器が最近実証され、ほぼチャープフリーの信号を処理できることが明らかになった。^{[ 96 ]}最大34.7 dBの消光 と最小チャープパラメータ-0.006が得られる。挿入損失は約-1.37  dBである。

ハイパーレンズは、エバネッセント波を伝搬波に変換して回折限界を破ることができるリアルタイム超解像レンズです。2016年に、誘電体層状グラフェンとh-窒化ホウ素（h-BN）に基づくハイパーレンズが金属設計を超えることができました。その異方性に基づいて、平面および円筒形のハイパーレンズは、それぞれ1200 THzの層状グラフェンと1400 THzの層状h-BNで数値的に検証されました。^{[ 97 ]} 2016年には、単一のバクテリアサイズの物体を画像化できる1 nm厚のグラフェンマイクロレンズが開発されました。このレンズは、酸化グラフェン溶液のシートをスプレーし、レーザービームを使用してレンズを成形することによって作成されました。200ナノメートルという小さな物体を分解でき、近赤外線を見ることができます。回折限界を破り、焦点距離は光の波長の半分以下になります。考えられる応用例としては、携帯電話、内視鏡、ナノサテライト、スーパーコンピュータのフォトニックチップ、超高速ブロードバンド配信の熱画像処理などが挙げられる。^{[ 98 ]}

グラフェンは室温で赤外線スペクトルに反応するが、その感度は実用化には100～1000倍も低い。しかし、絶縁体で隔てられた2つのグラフェン層では、一方の層で光によって解放された電子が残した正孔によって生成された電場が、もう一方の層を流れる電流に影響を与えることができる。このプロセスでは熱がほとんど発生しないため、暗視光学系での使用に適している。このサンドイッチ構造は、携帯機器、眼鏡に取り付けるコンピュータ、さらにはコンタクトレンズにも組み込めるほど薄い。^{[ 99 ]}

グラフェン/n型シリコンヘテロ接合は、強い整流特性と高い光応答性を示すことが実証されています。薄い界面酸化膜を導入することで、グラフェン/n-Siヘテロ接合の暗電流はゼロバイアスで2桁低減されました。室温では、界面酸化膜を有するグラフェン/n-Si光検出器は、真空中でピーク波長890 nmにおいて、最大5.77 × ^10¹³  cm Hz ^1/2 W ² の比検出能を示します。さらに、改良されたグラフェン/n-Siヘテロ接合光検出器は、0.73 AW ⁻¹の高い応答性と、約107の高い光電流対暗電流比を有しています。これらの結果は、界面酸化膜を有するグラフェン/Siヘテロ接合が、高検出能光検出器の開発に有望であることを示しています。^{[ 100 ]} 最近、波長 350 nmから 1100 nm まで記録的な高速応答速度 (< 25 ns) を持つグラフェン/Si ショットキー光検出器が 発表されました。^{[ 101 ]}この光検出器は、2 年以上空気中に保管しても優れた長期安定性を示します。これらの結果は、グラフェン/Si ショットキー接合に基づく高性能光検出器の開発を促進するだけでなく、費用対効果の高い環境モニタリング、医療画像、自由空間通信、光電スマートトラッキング、新興の IoT アプリケーション向け CMOS 回路との統合など、グラフェンベースの光検出器アレイデバイスの量産にも重要な意味を持ちます。

グラフェンは空気中や生体液中で酸化しないため、バイオセンサーとして魅力的な材料である。^{[ 149 ]}グラフェン回路は、グラフェンに生物学的捕捉分子とブロッキング層を適用し、グラフェンと生物学的試験サンプルを含む液体との間の電圧差を制御することで、電界効果バイオセンサーとして構成できる。製造可能なさまざまな種類のグラフェンセンサーの中で、バイオセンサーが最初に販売された。^{[ 150 ]}

グラフェン/h-BNヘテロ構造の電子特性は、外部圧力を加えることで層間距離を変化させることで変調でき、原子レベルの薄さの圧力センサーの実現につながる可能性がある。2011年に研究者らは、六方晶窒化ホウ素の間にグラフェンを挟んだ面内圧力センサーと、グラフェンで挟まれたh-BNからなるトンネル圧力センサーを提案した。^{[ 151 ]} 圧力が0から5 nN/nm ²に増加すると、電流は3桁変化する。この構造は、巻き付けh-BN層の数に影響されないため、プロセス制御が簡素化される。h-BNとグラフェンは高温に対して不活性であるため、このデバイスは極限条件下でのアプリケーション向けに超薄型圧力センサーをサポートできる可能性がある。

2016年に研究者らは、グラフェンフレークと架橋ポリシリコーン（スライムに含まれる）を混合して作られた生体適合性圧力センサーを実証した。^{[ 152 ]}

ナノ電気機械システム(NEMS) は、機械的、電気的、およびファンデルワールスエネルギー領域間の相互作用と結合を理解することで設計および特性評価できます。ハイゼンベルクの不確定性関係によって支配される量子力学的限界が、ナノ機械システムの究極的な精度を決定します。量子スクイージングは​​、2 つの直交振幅のうちの 1 つの所望の振幅の量子ゆらぎを減らすことで精度を向上させることができます。従来の NEMS は、厚さの制限により量子スクイージングを実現することは困難です。原子スケールの厚さを利用した典型的な実験的グラフェン NEMS 構造を通じてスクイーズされた量子状態を得るスキームが提案されています。^{[ 153 ]}

理論的には、グラフェンはその2次元構造のため、優れたセンサーとなる。グラフェンの体積全体が周囲の環境に露出しているため、吸着分子の検出に非常に効率的である。しかし、カーボンナノチューブと同様に、グラフェンの表面にはダングリングボンドがない。気体分子はグラフェンの表面に容易に吸着されないため、グラフェンは本質的に感度が低い。^{[ 154 ]}グラフェン化学ガスセンサーの感度は、例えば特定のポリマーの薄膜でフィルムをコーティングするなど、機能化によって劇的に向上させることができる。薄いポリマー層は、気体分子を吸収する濃縮器のように機能する。分子の吸収により、グラフェンセンサーの電気抵抗に局所的な変化が生じる。この効果は他の材料でも発生するが、グラフェンは高い電気伝導率（キャリアが少ない場合でも）と低ノイズのため、この抵抗変化を検出できる点で優れている。^{[ 155 ]}

密度汎関数理論シミュレーションによると、グラフェン上に特定の吸着原子を堆積させることで、グラフェンが面外方向に印加された電場に対して圧電応答を示すようになることが予測されています。この種の局所的に設計された圧電性は、バルク圧電材料の圧電性と同程度の大きさであり、グラフェンをナノスケールデバイスの制御およびセンシングの候補としています。 ^{[ 156 ]}

Promoted by the demand for wearable devices, graphene has been proved to be a promising material for potential applications in flexible and highly sensitive strain sensors. An environment-friendly and cost-effective method to fabricate large-area ultrathin graphene films is proposed for highly sensitive flexible strain sensor. The assembled graphene films are derived rapidly at the liquid/air interface by Marangoni effect and the area can be scaled up. These graphene-based strain sensors exhibit extremely high sensitivity with gauge factor of 1037 at 2% strain, which represents the highest value for graphene platelets at this small deformation so far.^[157]

Rubber bands infused with graphene ("G-bands") can be used as inexpensive body sensors. The bands remain pliable and can be used as a sensor to measure breathing, heart rate, or movement. Lightweight sensor suits for vulnerable patients could make it possible to remotely monitor subtle movement. These sensors display 10×10⁴-fold increases in resistance and work at strains exceeding 800%. Gauge factors of up to 35 were observed. Such sensors can function at vibration frequencies of at least 160 Hz. At 60 Hz, strains of at least 6% at strain rates exceeding 6000%/s can be monitored.^[158]

In 2015 researchers announced a graphene-based magnetic sensor 100 times more sensitive than an equivalent device based on silicon (7,000 volts per amp-tesla). The sensor substrate was hexagonal boron nitride. The sensors were based on the Hall effect, in which a magnetic field induces a Lorentz force on moving electric charge carriers, leading to deflection and a measurable Hall voltage. In the worst case graphene roughly matched a best case silicon design. In the best case graphene required lower source current and power requirements.^[159]

Graphene oxide is non-toxic and biodegradable. Its surface is covered with epoxy, hydroxyl, and carboxyl groups that interact with cations and anions. It is soluble in water and forms stable colloid suspensions in other liquids because it is amphiphilic (able to mix with water or oil). Dispersed in liquids it shows excellent sorption capacities. It can remove copper, cobalt, cadmium, arsenate, and organic solvents.

Research suggests that graphene filters could outperform other techniques of desalination by a significant margin.^[160]

2021年、研究者らは、再利用可能なグラフェンフォームが、グラフェン1グラムあたりウラン4グラムの割合で、水からウラン（および鉛、水銀、カドミウムなどの他の重金属も含む可能性がある）を効率的にろ過できることを発見した。^{[ 161 ]}

透過を許容する代わりに、遮断も必要です。ガス透過バリアは、食品、医薬品、医療、無機および有機電子デバイスなどの包装に至るまで、ほぼすべての用途で重要です。製品の寿命を延ばし、デバイスの総厚を小さく保つことができます。原子レベルで薄く、欠陥のないグラフェンは、すべてのガスに対して不透過性です。特に、グラフェンをベースとした超薄型の水分透過バリア層は、有機FETおよびOLEDにとって重要であることが示されています。^{[ 162 ] [ 163 ]}生物科学におけるグラフェンバリアの応用が研究されています。

2021年、研究者らは、化学気相堆積法によって可逆的に適用されたグラフェンベールが美術品の色を70％保持できることを報告した。^{[ 164 ] [ 165 ]}

2016年、研究者らはエポキシ/グラフェン複合材にジッパーを解いたカーボンナノチューブグラフェンナノリボンを組み込んだプロトタイプ除氷システムを開発した。実験室での試験では、ヘリコプターのローターブレードの先端にこの複合材をコーティングし、保護用の金属スリーブで覆った。電流を流すと、この複合材は200  °F（93 °C）以上に加熱され、周囲温度が-4 °F（-20 °C）のときに1cm（0.4インチ）の厚さの氷層を 溶かした。^{[ 166 ]}    

2014年、西オーストラリア大学の研究者らは、ナノサイズのグラフェン断片が化学反応の速度を速めることができることを発見した。^{[ 167 ]} 2015年、研究者らは、窒素をドープし、少量のコバルトを添加したグラフェンからなる原子スケールの触媒を発表し、その開始電圧は白金触媒に匹敵するとした。^{[ 168 ] [ 169 ]} 2016年には、グラフェンに埋め込まれた鉄-窒素錯体が別の形態の触媒として報告された。この新しい材料は、白金触媒の効率に近づくと主張された。このアプローチにより、効率の低い鉄ナノ粒子の必要性がなくなった。^{[ 170 ]}

グラフェンの高い熱伝導率は、冷却剤の添加剤として使用できる可能性を示唆している。予備研究では、体積比で5%のグラフェンを添加することで、ベース流体の熱伝導率を86%向上させることができることが示された。^{[ 171 ]}グラフェンの熱伝導率向上による別の用途はPCRで発見された。^{[ 15 ]}

科学者たちは、グラフェンを潤滑剤として使うと、従来使われてきたグラファイトよりも効果があることを発見した。鋼球と鋼円盤の間にグラフェンの原子1個分の厚さの層を挟むと、6,500サイクルも持続した。従来の潤滑剤は1,000サイクルしか持続しなかった。^{[ 172 ]}

グラフェンベースのプラズモンナノアンテナ（GPN）は、ミリ波帯で効率的に動作できます。特定の周波数における表面プラズモンポラリトンの波長は、同じ周波数の自由伝搬電磁波の波長よりも数百倍小さいです。これらの速度とサイズの違いにより、効率的なグラフェンベースのアンテナは、従来のアンテナよりもはるかに小さくすることができます。後者は、GPNよりも100～1000倍高い周波数で動作し、0.01～0.001倍の光子を生成します。^{[ 173 ]}

グラフェン表面に垂直に照射された電磁波は、グラフェンを振動させ、グラフェンが取り付けられている誘電体の振動と相互作用して、表面プラズモンポラリトン（SPP）を形成します。アンテナが共鳴状態になると（SPP波長の整数倍がグラフェンの物理的寸法に収まる）、SPP/EM結合が大幅に増加し、両者間でエネルギーが効率的に伝達されます。^{[ 173 ]}

直径100μmのフェーズドアレイアンテナは、従来の同サイズの金属アンテナの180度の放射とは異なり、直径わずか数度の300GHzビームを生成できる。潜在的な用途としては、スマートダスト、低電力テラビット無線ネットワーク^{[ 173 ]}、フォトニクス^{[ 174 ]などが挙げられる。}   

ナノスケールの金ロッドアンテナは、電磁エネルギーを捕捉してグラフェンプラズモンに変換します。これは、無線アンテナが金属ケーブル内の電波を電磁波に変換するのと同様です。プラズモン波面は、アンテナの形状を調整することで直接制御できます。波は（アンテナを湾曲させることで）集束され、（2原子厚のプリズムの導電率が周囲の1原子厚の層よりも大きいため、プリズム形状のグラフェン二層によって）屈折します。^{[ 174 ]}

プラズモニック金属-グラフェンナノアンテナは、双極子金ナノロッドと単層グラフェンの間に数ナノメートルの酸化物を挿入することによって構成されました。^{[ 175 ]}ここで使用されている酸化物層は、グラフェンと金属アンテナ間の量子トンネル効果を低減することができます。電界効果トランジスタ構造を介してグラフェン層の化学ポテンシャルを調整することにより、グラフェンプラズモニクスと金属プラズモニクス間の同相および逆相モード結合が実現されます。^{[ 175 ]}プラズモニック金属-グラフェンナノアンテナの調整可能な特性は、グラフェン上の静電ゲート電圧を変更することによってオン/オフを切り替えることができます。

グラフェンはプラズモン表面モードを収容し、^{[ 176 ]}近視野赤外光学顕微鏡技術^{[ 177 ] [ 178 ]}および赤外分光法^{[ 179 ]}によって最近観測された。潜在的な応用はテラヘルツから中赤外周波数にあり、^{[ 180 ]}テラヘルツおよび中赤外光変調器、受動テラヘルツフィルター、中赤外光検出器およびバイオセンサーなどである。^{[ 181 ] [ 182 ]}

石英基板上に積層されたグラフェン層は、125～165  GHzの帯域幅でミリ波（電波）の吸収を90%増加させ、マイクロ波や低テラヘルツ周波数まで拡張可能であり、可視光に対しては透明のままである。例えば、グラフェンは電波を遮断するための建物や窓のコーティングとして使用できる。吸収は、各グラフェン-石英基板によって構成される相互結合ファブリ-ペロー共振器の結果である。表面抵抗率を制御するために、繰り返し転写およびエッチングプロセスが使用された。^{[ 183 ] ​​[ 184 ]}

酸化グラフェンは、電気刺激によって可逆的に還元および酸化される。多層酸化グラフェン膜を含む2端子デバイスにおける制御された還元および酸化により、部分的に還元された酸化グラフェンとグラフェンの間のスイッチングが実現し、このプロセスによって電子特性および光学特性が変化する。酸化と還元は抵抗スイッチングに関連している。^{[ 185 ]}

グラフェンの特性は、導電性および透明材料の特性評価のための基準材料として適していることを示唆している。グラフェンの1層は赤色光の2.3%を吸収する。^{[ 186 ]}

この特性は、シート抵抗と透明性を組み合わせた透明性の導電率を定義するために使用されました。このパラメータは、2 つの独立したパラメータを使用せずに材料を比較するために使用されました。^{[ 187 ]}

研究者らは、最大16デシベルの騒音低減が可能な酸化グラフェンベースのエアロゲルを実証した。このエアロゲルの重量は1立方メートルあたり2.1キログラム（0.13ポンド/立方フィート）である。従来のポリエステルウレタン吸音材は1立方メートルあたり32キログラム（2.0ポンド/立方フィート）の重量がある。考えられる用途の1つは、航空機の客室内の騒音レベルを低減することである。^{[ 188 ] [ 189 ]}    

グラフェンの軽量性により、比較的良好な周波数応答が得られ、静電型オーディオスピーカーやマイクロフォンへの応用が示唆されている。^{[ 190 ]}  2015年には、20 Hz～500 kHzの周波数で動作可能な超音波マイクロフォンとスピーカーが実証された 。このスピーカーは、可聴域全体でフラットな周波数応答を持ち、99%の効率で動作するとされている。電波とは異なり、音は鋼鉄や水を透過できるため、長距離通信の無線代替品として応用される可能性がある。^{[ 191 ] [ 192 ]}

グラフェンの強度、剛性、軽さから、炭素繊維との併用が示唆された。グラフェンは、骨組織工学用の生分解性ポリマーナノ複合材料の機械的特性を向上させるための強化剤として使用されてきた。^{[ 193 ]}

また、コンクリートの強化剤としても使用されている。^{[ 194 ]}

2011年に研究者らは、3次元の垂直配向機能化多層グラフェン構造が、グラフェンと金属間の優れた熱伝導率と超低界面熱抵抗を有するグラフェンベースの熱界面材料（TIM）へのアプローチとなり得ることを報告した。^{[ 195 ]}

グラフェン-金属複合材料は熱界面材料として使用できる。^{[ 196 ]}

銅膜の両面にグラフェン層を追加すると、金属の熱伝導特性が最大 24% 向上します。これは、コンピューター チップの半導体相互接続に使用できる可能性を示唆しています。この改善は、グラフェンが熱伝導チャネルとして独立して作用することによるものではなく、銅のナノ構造とミクロ構造の変化によるものです。高温化学気相成長法は、銅膜の結晶粒径の成長を促進します。結晶粒径が大きいほど熱伝導が向上します。熱伝導の改善は、銅膜が薄いほど顕著であり、銅の相互接続が縮小するにつれて有用になります。^{[ 197 ]}

シラン分子で官能化されたグラフェンを付着させると、分子の数密度に対して熱伝導率（κ ）が15～56%増加する。これは、グラフェンと基板間の熱抵抗が同時に増加し、面内方向の熱伝導が強化され、面外方向のフォノン散乱が制限されたためである。熱拡散能力は2倍になった。^{[ 198 ]}

しかし、水平方向に隣接する結晶間の境界での不整合により、熱伝達は10分の1に減少する。^{[ 199 ]}