Il carbonio, grazie alle sue proprietà uniche di legame chimico, ha gli allotropi più stabili di qualsiasi elemento. Alcuni allotropi del carbonio, come la grafite e il diamante, si verificano naturalmente; altri, come i nanotubi, devono essere fabbricati in laboratorio. L'abbondanza e la versatilità del carbonio lo rendono uno dei materiali più studiati nella ricerca sulle nanotecnologie e i suoi allotropi hanno una vasta gamma di proprietà utili, come l'elevata resistenza alla trazione e gli alti punti di fusione.
Il carbonio amorfo e la grafite sono i due allotropi più comuni e costituiscono la maggior parte dei composti del carbonio naturale come carbone e fuliggine. Il carbonio amorfo non ha una particolare struttura cristallina, come la maggior parte degli occhiali. Gli atomi di carbonio in grafite sono disposti a strati; ogni strato ha legami forti che lo tengono insieme, ma gli strati non si legano fortemente e possono essere facilmente cancellati l'un l'altro. La pura grafite pirolitica, in cui gli strati sono tutti disposti sullo stesso piano, è un materiale estremamente resistente e resistente al calore utilizzato in ambienti ad alto stress e alta temperatura. La grafite conduce elettricità e può essere utilizzata come moderatore per i reattori nucleari.
Il diamante, l'altro allotropio in carbonio naturale, ha una struttura cristallina rigida e ad incastro. Il diamante è una delle sostanze più dure conosciute e viene utilizzato nell'industria per macinare e tagliare materiali. La trasparenza e la durabilità del diamante lo rendono molto apprezzato come pietra preziosa, e il settore della gioielleria ha trasformato l'estrazione del diamante in un'industria multi-miliardaria. Il diamante può essere prodotto sinteticamente da altri allotropi, ma richiede temperature e pressioni estremamente elevate.
Altri allotropi più esotici includono buckyball, nanotubi e nanofoam di carbonio. Questi si verificano naturalmente nella fuliggine e sono stati trovati in almeno una nebulosa planetaria, sebbene possano anche essere creati sinteticamente. I buckyball sono reti chiuse a forma di palla di atomi di carbonio, che formano pentagoni ed esagoni ad incastro. I nanotubi di carbonio condividono la stessa struttura della grafite, ma invece di avere una pila di strati, un nanotubo si avvolge e si lega a se stesso, formando un lungo cilindro. I nanotubi di carbonio hanno una resistenza alla trazione molto elevata, che li rende attraenti come i nuovi materiali da costruzione, sebbene non siano altrettanto resistenti sotto compressione.
