Une des différentes formes du carbone dans la nature se nomme le graphite. Cette espèce minérale est composée de feuillets de carbone de formes hexagonales empilés les uns sur les autres tel un mille-feuille mais faiblement reliés. Dans un millimètre de graphite on trouve trois millions de feuilles de graphène. Chacun de ces feuillets correspond à un cristal bi-dimensionnel, c’est à dire un solide de l’épaisseur d’un atome, nommé graphène. C’est en quelque sorte une molécule plane géante mais également la plus fine membrane obtenue à ce jour. Elle est donc uniquement composée d’atomes de carbone liés entre eux.
Pour comprendre les extraordinaires propriétés conductrices du graphène, il faut se rappeler que chaque atome est composé d’un noyau, chargé positivement, autour duquel gravitent des électrons, particules 
chargées négativement. Les électrons sont organisés en différentes couches. Dès que la première couche (la plus proche du noyau) est remplie, la couche suivante, plus périphérique, se remplit et ainsi de suite. Si la dernière couche à remplir (couche externe) n’est pas pleine, alors l’atome forme autant de liaisons avec les autres atomes qu’il a d’électrons manquants dans sa couche externe.
Dans le graphène, chaque atome de carbone est lié à trois autres. Or chacun de ces atomes a quatre électrons externes. En conséquence, un électron est sans liaison fixe et peut ainsi se déplacer dans le réseau cristallin. Cela donne des propriétés au graphène qui sont celles d’un supra-conducteur.
Les particules relativistes sont des particules dont la vitesse est non négligeable par rapport à celle de la lumière. Cependant, les électrons du graphène, qui se déplacent 300 fois moins vite que la vitesse de la lumière, se comportent comme des particules relativistes ce qui confère au matériau une conductivité hors du commun.
De plus, les électrons du graphène obéissent aux lois de la mécanique quantique, ce qui signifie que chaque particule est associée à son anti-particule. Cela permet à un objet relativiste de passer à travers une barrière énergétique qui empêcherait sa conductivité . Près de cette dernière, les particules relativistes s’associent à leurs antiparticules qui évoluent dans un monde « à l’envers ». Visualisez-vous des collines et des vallées : ce qui correspondrait à des monts (les barrières énergétiques) pour les particules relativistes seraient comme des vallées pour les antiparticules qui pourraient les traverser facilement, et inversement. Ainsi, les électrons du graphène peuvent traverser les barrières énergétiques sans être stoppés expliquant la supraconductivité du matériau.
Pendant longtemps, les scientifiques considéraient qu’un tel cristal bidimensionnel était une impossibilité physique. En effet, selon eux, les agitations thermiques dans un cristal créent des vibrations similaires aux ondes sonores graves qui peuvent détruire l’ordre du cristal au point de le faire fondre. Plus la dimension spatiale est petite, plus les vibrations sont intenses. Un cristal à deux dimensions serait donc dangereux et instable.
Cependant, le graphène évolue dans un monde à 3 dimensions, ce qui permet aux fluctuations thermiques de s’étendre dans la troisième direction et d’ainsi atténuer leurs violences, entraînant seulement le gondolement du graphène et non sa destruction. C’est donc l’existence de cette troisième direction spatiale qui confère au cristal sa stabilité.
Cette stabilité a un secret. Le graphène se déforme de son plan dans la troisième direction en étant parcouru de vagues statiques d’une hauteur d’un nanomètre environ et d’une dimension latérale d’un dixième de nanomètre. Ainsi la feuille de graphène ne casse pas et aucun défaut n’apparaît. C’est donc une structure fiable.
Le graphène, un matériau miracle ? 