Στην παρούσα διδακτορική διατριβή συντέθηκαν και χαρακτηρίστηκαν έξι νέες κατηγορίες υποστυλωμένων υβριδικών υλικών με βάση το γραφένιο. Η σύνθεση βασίστηκε στην χημεία ένθεσης όπου ένα φυλλόμορφο γραφιτικό υποστηρικτικό υλικό δέχεται στην ενδοστρωματικό του χώρο ανόργανα ή οργανικά μόρια. Ως υποστηρικτικά υλικά χρησιμοποιήθηκαν το οξείδιο του γραφενίου (GO) και ο νιτρικός γραφίτης τύπου ΙΙ (GN). Το GO προέκυψε από την χημική κατεργασία του γραφίτη με ισχυρά οξέα με αποτέλεσμα την δημιουργία διαφόρων λειτουργικών ομάδων οξυγόνου, όπως υδρόξυ-, καρβόξυ- και επόξυ-ομάδες που του προσδίδουν αυξημένη υδροφιλικότητα και την δυνατότητα να λαμβάνει μέρος σε αντιδράσεις για την περαιτέρω τροποποίηση του. Ο GN παρασκευάστηκε από την επίδραση του γραφίτη σε ατμίζον νιτρικό οξύ με αποτέλεσμα την εισαγωγή νιτρικών ανιόντων εντός των γραφιτικών φύλλων χωρίς να προκαλείται αλλοίωση του γραφιτικού πλέγματος . Τα μόρια που χρησιμοποιήθηκαν για την σύνθεση των υποστυλωμένων υβριδικών γραφενίων ήταν οργανοπυριτικοί κύβοι, οι οποίοι προέκυψαν από την ελεγχόμενοι υδρόλυση και συμπύκνωση οργανο-αλκοξειδίων (APTEOS και EDATMOS), πολυοξοκατιόντα αργιλίου, παράγωγα αδαμαντανίου (αδαμαντυλαμίνη), φουλένια (C60), πλήθος οργανικών ενώσεων, οι οποίες διαθέτουν τουλάχιστον μία ελεύθερη αμινομάδα, και τέλος πολυαρωματικές αμίνες. Τα υλικά που παρασκευάστηκαν χαρακτηρίστηκαν με έναν συνδυασμό τεχνικών χαρακτηρισμού όπως περίθλαση ακτίνων-Χ, φασματοσκοπίες FT-IR, Raman και XPS, θερμική ανάλυση (DTA/TG), μικροσκοπίες AFM, SEM και TEM και μετρήσεις ειδικής επιφάνειας. Πολλά από τα παραχθέντα υλικά δοκιμάστηκαν σε διάφορες εφαρμογές. Πιο συγκεκριμένα, τα υποστυλωμένα γραφένια με οργανοπυριτικούς κύβους εξαιτίας της μεγάλης ειδικής επιφάνειας που παρουσίασαν μελετήθηκαν ως προς την ροφητική τους ικανότητα σε υδρογόνο. Επίσης, ορισμένα από τα υλικά αυτής της κατηγορίας μελετήθηκαν και ως προς την ικανότητα τους να προσροφούν και άλλα αέρια (μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα). Το υβριδικό υλικό του γραφενίου με αδαμαντυλαμίνη εξαιτίας του πολύ-λειτουργικού του χαρακτήρα, αρχικά μελετήθηκε σε μια περιβαλλοντική εφαρμογή για την ικανότητα δέσμευσης χλωροφαινολών από υδατικά διαλύματα. Και στην συνέχεια, δοκιμάστηκε στο πεδίο της βιοϊατρικής σε in vitro μελέτη για την αντικαρκινική του δράση όπου παρουσιάζει ισχυρή κυτταροτοξική δράση σε καρκινικά κύτταρα, ενώ δείχνει να μην επηρεάζει σημαντικά τα φυσιολογικά κύτταρα. Ορισμένα από τα οργανοτροποποιημένα γραφένια χρησιμοποιήθηκαν σαν φορείς ακινητοποίησης ενός οξειδοαναγωγικού ενζύμου (κυτόχρωμα-c). Τέλος, η κατανόηση του μηχανισμού ένθεσης των οργανικών ενώσεων στο GO άνοιξε τον δρόμο για την δημιουργία μιας νέας κατηγορίας υβριδικών υλικών. Ιδίως όσον αφορά το μόριο της ανιλίνης που θεωρείται μαζί με τα παράγωγά της εξαιρετικά τοξικές ουσίες προκαλώντας βραχυπρόθεσμες αλλά και χρόνιες επιπτώσεις στον οργανισμό.