Les atomes de carbone possèdent une forte capacité de liaison « chimique », pouvant former de nombreuses structures différentes grâce à trois types de liaisons chimiques : la liaison simple, la liaison double et la liaison triple. Le carbone seul peut former des éléments uniques tels que le diamant, le graphite, le graphène, le carbone 60 et les nanotubes de carbone, qui présentent des structures et des propriétés très différentes. Ces éléments uniques composés du même élément sont appelés des allotropes.
Dans le cristal de diamant, chaque atome de carbone est entouré de quatre atomes de carbone voisins, avec lesquels il est lié par des liaisons covalentes pour former une structure tétraédrique. Le cristal de graphite, quant à lui, a une structure en couches. Dans chaque couche, chaque atome de carbone est lié par des liaisons covalentes à trois autres atomes de carbone, formant une structure en couches hexagonale plane. Le graphène est un graphite monocouche, qui peut désormais être fabriqué artificiellement et présente de très nombreuses utilisations.
Tout élément unitaire de carbone peut se transformer sous l’effet de conditions créées par l’homme, comme Sun Wukong dans le roman « Voyage vers l’Ouest ». Par exemple, le charbon peut être transformé en graphite par chauffage et recristallisation à haute température ; le graphite peut être transformé en diamant sous haute température et haute pression ; et sous l’effet de décharges électriques, le graphite peut former des atomes de carbone individuels ou multiples, qui, si on les fait repousser, peuvent former des allotropes de carbone tels que le graphène, le carbone 60 ou les nanotubes de carbone.
Le carbone 60 est une molécule en forme de cage fermée composée de 60 atomes de carbone, un peu comme un ballon de football. Les scientifiques ont également découvert de nombreuses substances uniques composées d’éléments de carbone, sous forme de sphères, d’ellipsoïdes ou de tubes. Ces structures sont si étranges qu’elles ressemblent à des bâtiments ingénieusement conçus, et ont été nommées en l’honneur du maître de l’architecture Buckminster Fuller : les fullerènes. Les molécules en forme de colonne ou de tube sont appelées nanotubes de carbone ou tubes de Buckminster Fuller.