除了金剛石和石墨這兩種碳在自然界存在的最著名的“同素異晶體”以外，20世紀末，人類發現了令人振奮的“碳的新同素異晶體”！

碳的新同素異晶體包括只有一個原子厚度的單層石墨，稱為石墨烯；以及各種形式的富勒烯。富勒烯是碳原子構成的各種大分子，包括空心球，橢圓球及碳管。這些材料全都具有神奇的性能--它們的導電性比銅好，強度比鋼高，而比重比鋁小。

石墨烯

石墨是最軟的礦物之一,十五世紀時被發現。英國人將石墨粉與黏土混合灌入木管中制成“鉛筆”，并沿用至今。

直到1779年，科學家才知道石墨原來是碳元素形成的的一種單質。

石墨是片層狀結構，片層內碳原子排列成六方晶格。每個碳原子以三個共價鍵與其它碳原子結合（圖1），因而每個碳原子的四個外層電子中都有一個電子剩余，成為自由電子，可以在同層中活動。片層之間以較弱的分子作用力相結合，可以相對滑動。因此石墨導電性良好而硬度很低

石墨烯是石墨的一個片層，它是一個完美的平面，厚度只有一個碳原子大小。在這個平面上碳原子排列成六方晶格(圖1),相鄰兩個碳原子核心距離為0.14納米。

2010諾貝爾物理獎：何為石墨烯？

由于每個碳原子的四個外層電子中三個被共價鍵固定，剩下的一個成為自由電子，因此石墨烯在其平面所在的二維方向具有導電性。

石墨烯是人類迄今所知的強度最高的材料，其抗拉強度達到鋼的200倍以上。

富勒烯

一個富勒烯就是碳原子構成的空心球，橢圓球，或碳管。

最普通的富勒烯是碳60（C60）又稱為巴基球，它由60個碳原子排列成正六邊形和正五邊形而構成，看上去簡直就是一個“分子足球”(圖2)。碳60最初是在太空中發現的，最近也在煤煙中發現。

2010諾貝爾物理獎：何為石墨烯？

富勒烯不僅有C60，它還有許多大得多的版本如C70,C84甚至C540！

人們發現富勒烯分子球狀或籠狀結構具有向外開放的面，而內部卻是空的，這就有可能將其他物質引入到該球體內部，這樣可以顯著地改變富勒烯分子的物理和化學性質。

例如將某些藥物置入C60球體空腔內，成為緩釋型的藥物，進入人體的各個部位。C60為人類戰勝愛滋病帶來一線曙光，C60的足球狀化學結構的鍵結，能快速地與HIV病毒結合，減低毒素與阻止HIV病毒擴散，這將促進生技醫藥公司開發新的碳六十藥物。化學家已經嘗試著往這些中空的物質中加進各種各樣的金屬，使之具有超導性，科學家預言C540有可能實現室溫超導。富勒烯在單分子納米電子器件等方面有著廣泛的應用前景

碳納米管

碳納米管是富勒烯的管狀形式，也可以看成是由一片石墨烯卷成的無縫管(圖3)。

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單個的碳納米管是人類迄今所知的強度和剛度最高的材料之一。

碳納米管只有一維導電性，因而稱為分子導線。

實際制造出來的碳納米管一般由幾個到幾十個單壁碳納米管同軸構成，直徑為零點幾納米至幾十納米，長度可達數毫米(圖4)。

不論是單層還是多層碳納米管，前后末端都是類似半球形，結構基本上與半個C60相似，使整個碳管成為一個封閉結構。故納米碳管也是碳的同素異晶體家族的成員之一。

2010諾貝爾物理獎：何為石墨烯？

納米碳管比重只有鋼的三分之一，而抗拉強度可以達到鋼的100倍以上，導電能力是銅的1000倍以上，且兼具金屬的性質與半導體的性質，故應用範圍極廣。

利用碳納米管可以制成高強度碳纖維材料和復合材料，其強度為鋼的100倍，重量則只有鋼的1/6，被科學家稱為未來的“超級纖維”；

在航天事業中，利用碳納米管制造人造衛星的拖繩，不僅可以為衛星供電，還可以耐受很高的溫度而不會燒毀；

用金屬灌滿碳納米管，然后把碳層腐蝕掉，可以得到導電性能非常好的納米尺度的導線；

利用碳納米管做為鋰離子電池的正極和負極材料可以延長電池壽命，改善電池的充放電性能；

利用碳納米管制成極好的發光、發熱、發射電子的準點光源，制成平面顯示器等，使壁掛電視成為可能；

在電子工業上、用碳納米管生產的晶體管，體積只有半導體的1/10，用碳基分子電子裝置取代電腦芯片，將引發計算機的新的革命，20-30年后可望研制成功運算速度和存儲容量比現有計算機提高成千上萬倍的量子計算機；

碳納米管可以在較低的氣壓下存儲大量的氫元素，利用這種方法制成的燃料不但安全性能高，而且是一種清潔能源，在汽車工業領域將有廣闊的發展前景。