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(zhì)。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(zhì)所具有的性質(zhì)：

一、石墨烯（2010年諾貝爾物理學(xué)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(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)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(xué)科學(xué)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(xué)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(yùn)動情況，然而很少有科學(xué)家認(rèn)為我們可以分離出單層石墨烯并測量其中的電子運(yùn)動狀況。因此，今年的物理學(xué)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(chǎn)新物質(zhì)和新型電子產(chǎn)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(dāng)時，英國曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)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(gòu)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(jīng)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(chǎn)的領(lǐng)域已為時不遠(yuǎn)了。 因此，兩人在2010年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。
石墨烯特性及潛在應(yīng)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(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)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(zhì)受到廣泛的關(guān)注，被稱為“黑金”，“新材料之王”。

由于其特殊的納米結(jié)構(gòu)以及優(yōu)異的物理化學(xué)性能而在電子學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、催化、儲能和傳感器等諸多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛能，引起了科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界的高度關(guān)注。世界各國紛紛將石墨烯及其應(yīng)用技術(shù)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(chǎn)業(yè)革命中占據(jù)主動和先機(jī)。

2.富勒烯（1996年諾貝爾物理學(xué)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(xué)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(gòu)成生物體的最基本元素。然而，此前沒有科學(xué)家相信碳有比已知化學(xué)結(jié)構(gòu)更對稱的結(jié)構(gòu)存在。碳原子連成球狀，單雙鍵交替出現(xiàn)的富勒烯結(jié)構(gòu)無疑是美麗而令人振奮的，同時，它的發(fā)現(xiàn)也為有機(jī)化學(xué)發(fā)展提供了一個天然的例子，高度對稱的分子結(jié)構(gòu)可以對生產(chǎn)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(xué)家哈羅德·沃特爾·克羅托博士和美國科學(xué)家理查德·斯莫利在萊斯大學(xué)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(xué)家巴克明斯特·富勒的建筑作品很相似，為了表達(dá)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(jié)構(gòu)。自然界也是存在富勒烯分子的，2010年科學(xué)家們通過史匹哲太空望遠(yuǎn)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(shù)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(xué)與技術(shù)的發(fā)展起到了極大的推動作用。
富勒烯特性及潛在應(yīng)用：

由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，富勒烯同時具有芳香化合物和缺電子烯烴的性質(zhì)，表現(xiàn)出很多優(yōu)良的物理和化學(xué)性質(zhì)，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(zhì)研究現(xiàn)在已經(jīng)成為了一個獨(dú)立而龐大的化學(xué)分支。

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