凭借其特殊的物理结构和特质，石墨烯可以在多个领域带来颠覆性的变革。
如果将其成功用于超级电容器或锂离子电池的电极材料，套用当下比较流行的话，“妈妈再也不用担心我的电池了”。据介绍，储能材料有两个关键指标，一是导电性，石墨烯是目前世界上电阻率最小的材料，电子在石墨烯二维平面上自由迁移，就好比汽车开上高速公路一般畅通无阻；二是比表面积，这直接影响储能材料的比容量，也就是电池的续航能力。所有组成石墨烯的碳原子都在表面，对于储能都是有效的，一点都不浪费。“只用5分钟手机就可以完成充电，而且可以用3天甚至更长。”这一应用可能会为电动车动力电池开启新的窗口，在节能环保方面有望突破。
手机、电脑等电子产品用久了会发热，这是因为持续的工作产生的热量无法通过散热片及时与外界交换。随着高功率电子产品的更新换代，对散热的要求越来越高，而这恰恰是石墨烯的机会。
据提供的资料，室温下石墨烯的理论导热系数高达5300瓦/米·开尔文，美国在实验室已测到单片石墨烯热导率超过4000瓦/米·开尔文，这超越了碳纳米管、金刚石和高定向石墨，并远远高于导热性能最好的金属铜达一个数量级。“但这些性能都是基于一个非常微观的纳米尺度，看不见、摸不着，真正应用于实际就比较困难。”依据石墨烯高导热的性能，某个研究所已成功将石墨烯和碳纤维复合成新的薄膜，导热率能超过1100瓦/米·开尔文。
氧化石墨烯算是石墨烯的“近亲”，利用它制成的薄膜具有多种优异性能。利用氧化石墨烯制作出一种新型隔气透水薄膜材料。某个合作研究组做了一项有趣的实验，用这种薄膜封好一瓶伏特加酒，结果随着水分蒸发，酒的味道越来越浓。与石墨烯表面特殊的相互作用，加速了水分子通过纳米宽道的速度。
这个合作研究组进一步制作出具有超强离子筛选功能的氧化石墨烯薄膜。据介绍，水环境中的氧化石墨烯薄膜在水的作用下，可以阻止水中半径大于0.45纳米的离子或分子通过。这些发现在海水淡化与净化、传感技术以及能源转换等领域具有广阔的应用前景。
