碳元素具有多种同素异形体,是迄今人类发现的唯一种可以从零维到三维都稳定存在的物质。其中，重要的同素异形体包括零维的富勒烯，一维的碳纳米管，二位的石墨烯，三维的石墨和金刚石等。它们几乎拥有地球上所有物质所具有的性质：
一、石墨烯（2010年诺贝尔物理学奖）石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。它是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，导热系数高达5300 W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000 cm2/V·s，又比纳米碳管或硅晶体（monocrystalline silicon）高，而电阻率只约10-6 Ω·cm，比铜或银更低,适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。
2010年，英国曼彻斯特大学科学家安德烈·杰姆（Andre Geim）和克斯特亚·诺沃消洛夫（Konstantin Novoselov）被授予诺贝尔物理学奖，以表彰他们在二维石墨烯材料方面的开创性实验。
颁奖词节选：
我们对石墨烯了解已有很长一段时间了，早在1947年菲利普•华莱士便计算了石墨烯中电子运动情况，然而很少有科学家认为我们可以分离出单层石墨烯并测量其中的电子运动状况。因此，今年的物理学奖更显得令人惊讶，安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫借助特殊的方法成功分离出薄层石墨烯，并在不同显微镜的帮助下发现有些片层是单原子级厚度。他们在石墨烯方面的“突破性实验”使得利用石墨烯生产新物质和新型电子产品成为可能。
Andre GeimPrize share: 1/2Konstantin NovoselovPrize share: 1/2
石墨烯发展历史:
石墨烯出现在实验室中是在2004年，当时，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃消洛夫发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。他们从石墨中剥离出石墨片，然后把薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。不断地这样操作，于是薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。这以后，制备石墨烯的新方法层出不穷，经过5年的发展，人们发现，把石墨烯带入工业化生产的领域已为时不远了。 因此，两人在2010年获得诺贝尔物理学奖。
石墨烯特性及潜在应用：
石墨烯作为一种新型的二维纳米材料，是目前发现的最薄、最坚硬、导电导热性能最强的一种新型纳米材料。自2004年发现以来，由于其具有许多特殊性质受到广泛的关注，被称为“黑金”，“新材料之王”。
由于其特殊的纳米结构以及优异的物理化学性能而在电子学、光学、磁学、生物医学、催化、储能和传感器等诸多领域展现出巨大的应用潜能，引起了科学界和产业界的高度关注。世界各国纷纷将石墨烯及其应用技术作为长期战略发展方向，以期在由石墨烯引发的新一轮产业革命中占据主动和先机。
2.富勒烯（1996年诺贝尔物理学奖）
富勒烯（Fullerene）是一种完全由碳组成的中空分子，形状呈球型、椭球型、柱型或管状。很像足球的球型富勒烯也叫做足球烯；管状的叫做碳纳米管或巴基管。富勒烯在结构上与石墨很相似，石墨是由六元环组成的石墨烯层堆积而成，而富勒烯不仅含有六元环还有五元环，偶尔还有七元环。
富勒烯（Fullerene）是一种完全由碳组成的中空分子，形状呈球型、椭球型、柱型或管状。很像足球的球型富勒烯也叫做足球烯；管状的叫做碳纳米管或巴基管。富勒烯在结构上与石墨很相似，石墨是由六元环组成的石墨烯层堆积而成，而富勒烯不仅含有六元环还有五元环，偶尔还有七元环。
1996年，罗伯特·科尔（Robert F. Curl Jr）、哈罗德·沃特尔·克罗托（Sir Harold W. Kroto）和理查德·斯莫利（Richard E. Smalley）被授予诺贝尔化学奖，以表彰他们发现富勒烯(C60)。
颁奖词节选：碳以各种方式被人们所熟知，史前形成的化石燃料，构成生物体的最基本元素。然而，此前没有科学家相信碳有比已知化学结构更对称的结构存在。碳原子连成球状，单双键交替出现的富勒烯结构无疑是美丽而令人振奋的，同时，它的发现也为有机化学发展提供了一个天然的例子，高度对称的分子结构可以对生产新材料、新催化剂和光电传感器件提供巨大的启示。
富勒烯发展历史:
1985年英国化学家哈罗德·沃特尔·克罗托博士和美国科学家理查德·斯莫利在莱斯大学制备出了第一种富勒烯，即富勒烯分子，因为这个分子与建筑学家巴克明斯特·富勒的建筑作品很相似，为了表达对他的敬意，将其命名为巴克明斯特·富勒烯。饭岛澄男早在1980年之前就在透射电子显微镜下观察到这样洋葱状的结构。自然界也是存在富勒烯分子的，2010年科学家们通过史匹哲太空望远镜发现在外太空中也存在富勒烯。 “也许外太空的富勒烯为地球提供了生命的种子”。在富勒烯的发现之前，碳的同素异形体的只有石墨、钻石、无定形碳（如炭黑和炭），它的发现极大地拓展了碳的同素异形体的数目，开启了对碳元素和纳米材料广泛、深入研究的新时代，对纳米材料科学与技术的发展起到了极大的推动作用。
富勒烯特性及潜在应用：
由于其独特的结构，富勒烯同时具有芳香化合物和缺电子烯烃的性质，表现出很多优良的物理和化学性质，因此引发了一轮对碳纳米材料的研究热潮。富勒烯及其衍生物的制备和性质研究现在已经成为了一个独立而庞大的化学分支。
迄今为止，这一材料的商业化生产和应用尚未成熟。富勒烯衍生物中一个重要的成员是其有机衍生物PCBM，目前基于该材料的有机光伏器件已经获得大于9%的光电转换效率，为该材料的市场化提供了一个重要的突破口。