Атомы углерода обладают очень сильной способностью к образованию "химических связей", и они могут образовывать множество различных структур с помощью трех типов химических связей: одинарной, двойной и тройной. Только из атомов углерода могут образовываться такие различные по структуре и свойствам элементы углерода, как алмаз, графит, графен, карбонан (C60) и углеродные нанотрубки. Такие различные формы одного и того же элемента называют аллотропами.
В кристаллах алмаза каждый атом углерода окружен четырьмя соседними атомами углерода, с которыми он связан ковалентными связями, образуя тетраэдрическую структуру. Кристаллы графита имеют слоистую структуру. В каждом слое каждый атом углерода связан ковалентными связями с тремя другими атомами углерода, образуя плоские шестиугольные слои. Графен представляет собой однослойный графит, который теперь можно получать искусственным путем и который имеет очень широкий спектр применения.
Любой элемент углерода может превращаться в другие формы при создании людьми определенных условий, как это происходит с Сунь Укуном в легенде о "72 превращениях". Древесный уголь можно превратить в графит с помощью нагревания и рекристаллизации; графит при высоких температурах и давлении может превращаться в алмаз; под воздействием электрической дуги графит может образовывать отдельные или множественные атомы углерода, которые при повторном выращивании могут образовывать такие аллотропы углерода, как графен, карбонан (C60) и углеродные нанотрубки.
Молекула карбонана (C60) представляет собой замкнутую сферу из 60 атомов углерода, похожую на футбольный мяч. Ученые также обнаружили множество одноатомных веществ, состоящих из углерода, которые существуют в виде шаров, эллипсов или трубок. Эти вещества имеют причудливую структуру, похожую на некоторые изысканные здания, и поэтому названы в честь архитектора Фуллера – фуллеренами. Столбчатые или трубчатые молекулы называют углеродными нанотрубками или бакиболами.