炭素原子は強い「化学的な結びつけ」を持ち、単結合、二重結合、三重結合という3種類の化学結合によって多種多様な構造を形成することができます。炭素原子だけでダイヤモンド、石墨、グラフェン、C60、カーボンナノチューブなどの異なる炭素単体が構成されます。これらの同一元素で構成される異なる単体は同素異形体と呼ばれています。
ダイヤモンドの結晶では、各炭素原子が隣接する4つの炭素原子に囲まれており、これら4つの炭素原子と共价結合して正四面体構造を形成しています。一方、石墨の結晶は層状構造で、各層内の炭素原子は他の3つの炭素原子と共价結合して平面の六角形の層状構造を形成しています。グラフェンは単層の石墨であり、現在では人工的に製造され、非常に広範な用途に利用されています。
どの炭素単体も、人間が作り出した条件下で「変身」することができます。例えば、加熱や高温再結晶によって木炭を石墨に変換でき、高温高圧で石墨をダイヤモンドに変換でき、電子放電の作用で石墨が単数または多数の炭素原子に変換され、異なる条件でグラフェン、C60、カーボンナノチューブなどの炭素同素異形体に成長することができます。
C60は60個の炭素原子で構成される閉じたケージ状の分子で、サッカロイドのような形をしています。科学者たちは多くの炭素単体を発見し、それらは球形、楕円形、管状の構造で存在しています。これらの物質は奇妙な構造をしており、まるで巧みに設計された建築物のようで、発明者のフラー氏にちなんで、フラーレンと呼ばれています。そのうち、柱状または管状の分子はカーボンナノチューブまたはバキチューブと呼ばれています。