碳元素具有多種同素異形體,是迄今人類發(fā)現(xiàn)的唯一種可以從零維到三維都穩(wěn)定存在的物質。其中，重要的同素異形體包括零維的富勒烯，一維的碳納米管，二位的石墨烯，三維的石墨和金剛石等。它們幾乎擁有地球上所有物質所具有的性質：

一、石墨烯（2010年諾貝爾物理學獎）石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料。它是世上最薄卻也是最堅硬的納米材料，幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，導熱系數高達5300 W/m·K，高于碳納米管和金剛石，常溫下其電子遷移率超過15000 cm2/V·s，又比納米碳管或硅晶體（monocrystalline silicon）高，而電阻率只約10-6 Ω·cm，比銅或銀更低,適合用來制造透明觸控屏幕、光板、甚至是太陽能電池。

2010年，英國曼徹斯特大學科學家安德烈·杰姆（Andre Geim）和克斯特亞·諾沃消洛夫（Konstantin Novoselov）被授予諾貝爾物理學獎，以表彰他們在二維石墨烯材料方面的開創(chuàng)性實驗。
頒獎詞節(jié)選：
我們對石墨烯了解已有很長一段時間了，早在1947年菲利普?華萊士便計算了石墨烯中電子運動情況，然而很少有科學家認為我們可以分離出單層石墨烯并測量其中的電子運動狀況。因此，今年的物理學獎更顯得令人驚訝，安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫借助特殊的方法成功分離出薄層石墨烯，并在不同顯微鏡的幫助下發(fā)現(xiàn)有些片層是單原子級厚度。他們在石墨烯方面的“突破性實驗”使得利用石墨烯生產新物質和新型電子產品成為可能。
Andre GeimPrize share: 1/2Konstantin NovoselovPrize share: 1/2
石墨烯發(fā)展歷史:
石墨烯出現(xiàn)在實驗室中是在2004年，當時，英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈·杰姆和克斯特亞·諾沃消洛夫發(fā)現(xiàn)他們能用一種非常簡單的方法得到越來越薄的石墨薄片。他們從石墨中剝離出石墨片，然后把薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作，于是薄片越來越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構成的薄片，這就是石墨烯。這以后，制備石墨烯的新方法層出不窮，經過5年的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)，把石墨烯帶入工業(yè)化生產的領域已為時不遠了。 因此，兩人在2010年獲得諾貝爾物理學獎。
石墨烯特性及潛在應用：
石墨烯作為一種新型的二維納米材料，是目前發(fā)現(xiàn)的最薄、最堅硬、導電導熱性能最強的一種新型納米材料。自2004年發(fā)現(xiàn)以來，由于其具有許多特殊性質受到廣泛的關注，被稱為“黑金”，“新材料之王”。

由于其特殊的納米結構以及優(yōu)異的物理化學性能而在電子學、光學、磁學、生物醫(yī)學、催化、儲能和傳感器等諸多領域展現(xiàn)出巨大的應用潛能，引起了科學界和產業(yè)界的高度關注。世界各國紛紛將石墨烯及其應用技術作為長期戰(zhàn)略發(fā)展方向，以期在由石墨烯引發(fā)的新一輪產業(yè)革命中占據主動和先機。

2.富勒烯（1996年諾貝爾物理學獎）
富勒烯（Fullerene）是一種完全由碳組成的中空分子，形狀呈球型、橢球型、柱型或管狀。很像足球的球型富勒烯也叫做足球烯；管狀的叫做碳納米管或巴基管。富勒烯在結構上與石墨很相似，石墨是由六元環(huán)組成的石墨烯層堆積而成，而富勒烯不僅含有六元環(huán)還有五元環(huán)，偶爾還有七元環(huán)。

富勒烯（Fullerene）是一種完全由碳組成的中空分子，形狀呈球型、橢球型、柱型或管狀。很像足球的球型富勒烯也叫做足球烯；管狀的叫做碳納米管或巴基管。富勒烯在結構上與石墨很相似，石墨是由六元環(huán)組成的石墨烯層堆積而成，而富勒烯不僅含有六元環(huán)還有五元環(huán)，偶爾還有七元環(huán)。

1996年，羅伯特·科爾（Robert F. Curl Jr）、哈羅德·沃特爾·克羅托（Sir Harold W. Kroto）和理查德·斯莫利（Richard E. Smalley）被授予諾貝爾化學獎，以表彰他們發(fā)現(xiàn)富勒烯(C60)。
頒獎詞節(jié)選：碳以各種方式被人們所熟知，史前形成的化石燃料，構成生物體的最基本元素。然而，此前沒有科學家相信碳有比已知化學結構更對稱的結構存在。碳原子連成球狀，單雙鍵交替出現(xiàn)的富勒烯結構無疑是美麗而令人振奮的，同時，它的發(fā)現(xiàn)也為有機化學發(fā)展提供了一個天然的例子，高度對稱的分子結構可以對生產新材料、新催化劑和光電傳感器件提供巨大的啟示。

富勒烯發(fā)展歷史:
1985年英國化學家哈羅德·沃特爾·克羅托博士和美國科學家理查德·斯莫利在萊斯大學制備出了第一種富勒烯，即富勒烯分子，因為這個分子與建筑學家巴克明斯特·富勒的建筑作品很相似，為了表達對他的敬意，將其命名為巴克明斯特·富勒烯。飯島澄男早在1980年之前就在透射電子顯微鏡下觀察到這樣洋蔥狀的結構。自然界也是存在富勒烯分子的，2010年科學家們通過史匹哲太空望遠鏡發(fā)現(xiàn)在外太空中也存在富勒烯。 “也許外太空的富勒烯為地球提供了生命的種子”。在富勒烯的發(fā)現(xiàn)之前，碳的同素異形體的只有石墨、鉆石、無定形碳（如炭黑和炭），它的發(fā)現(xiàn)極大地拓展了碳的同素異形體的數目，開啟了對碳元素和納米材料廣泛、深入研究的新時代，對納米材料科學與技術的發(fā)展起到了極大的推動作用。
富勒烯特性及潛在應用：

由于其獨特的結構，富勒烯同時具有芳香化合物和缺電子烯烴的性質，表現(xiàn)出很多優(yōu)良的物理和化學性質，因此引發(fā)了一輪對碳納米材料的研究熱潮。富勒烯及其衍生物的制備和性質研究現(xiàn)在已經成為了一個獨立而龐大的化學分支。

迄今為止，這一材料的商業(yè)化生產和應用尚未成熟。富勒烯衍生物中一個重要的成員是其有機衍生物PCBM，目前基于該材料的有機光伏器件已經獲得大于9%的光電轉換效率，為該材料的市場化提供了一個重要的突破口。