1.1碳的廣泛性、特殊性及多樣性

1.1.1碳的廣泛性

按照“大爆炸（big bang）”理論，宇宙當初是一個巨大的能量塊。由于其密度無限大，體積又很小，故在150億年前發生大爆炸后迅速膨脹。最初在宇宙空間充滿了超高能量的光，隨著膨脹的發生，其溫度逐漸下降，光開始轉化為物質：在溫度達到1014K時，各種基本粒子開始形成，進一步冷卻時產生了氫元素，由于萬有引力作用和粒子凝集熱而使溫度再次升高。當溫度達到5×106K時，重氫熱核聚變成氦。當溫度超過108K，氫燃燒完后，氦開始燃燒，3個氦原子再次經熱核聚變而成為碳。碳和氦進一步作用生成氧。當溫度達到5×108K時，開始由碳燃燒生成氖、鈉、鎂。在109K時，氧燃燒生成硫、磷、硅。在超過2×109K時，硅燃燒逐次生成直至鐵的各種重元素。在含碳以上更重成分星體的中心部，鐵會捕獲由氫經“質子-質子”或“碳、氮循環”反應后形成的中子，進而連鎖合成直至鉍的各種更重元素。在超新星爆發時，這類星體周圍更重的元素會迅速地捕捉快中子而形成超鈾元素。合成的各種元素在冷卻下來時會凝集成宇宙塵，并形成許多形態各異的天體，從而誕生了無數星球[4]。

在太陽系的元素和同位素中，按原子比率的順序列在前面的為：H?He?O≥ C＞Ne≈N＞Mg≥Si≥Fe＞S＞Ar≥Al≥Ca。碳和氧差不多，列第四位，在易形成固體的元素中則為最高[4]。也有文獻報道，在整個宇宙的所有元素中，碳元素所占的比例為0.3%[5]，其豐度列第6位[6]。由于碳的含量十分豐富，并可形成種類繁多的復雜化合物，在宇宙的進化中起著重要作用，是宇宙中前期生物分子進化的關鍵元素。目前已鑒定出的星際（interstellar，IS）及環繞星際（circumstellar）分子有118種，其中超過75%是含碳的。碳是擴散的星際云中自由電子的供給源，它在星際環境（interstellar medium，ISM）的物理進化中起重要作用。在宇宙中既發現有原子碳，也發現有分子碳和固態碳及碳化物。宇宙中各種已確定碳的形態如表1.1所示[7]。

地球中碳的豐度位列第14位[6]。地球上的碳的總量估計為7×1016t，其中90%的碳以碳酸鈣的形式存在，其總含碳量約為化石燃料（煤、石油及天然氣）總碳量的1萬倍。目前地球上存在的碳及其每年的移動量如圖1.1所示[5]。地球的半徑約為6400km，由從表面向內部的地殼（4～50km）、地幔（2900km）和地核三部分組成。地球上的碳絕大部分分布在地殼中，其平均值約為200μg/g。

4億年前植物開始在陸地上生長時，大氣中的CO2含量估計為目前的10倍，當時地球上溫室效應明顯，溫度較高，植物吸收大量CO2后，通過光合作用合成有機物迅速繁茂地生長。大氣中的CO2逐漸降低到現在的濃度。大量植物的遺體堆積、腐爛，進而通過地質的壓力和溫度作用漸漸變質轉化，在3億年前的石炭紀形成泥煤、褐煤、煙煤、無煙煤等不同種類的煤炭。石油的起源同樣也被認為是這類生物質轉化的結果。金剛石是碳元素的一種亞穩定態物質，化石燃料和CaCO3都存在于地表10km以內的淺層，要轉化成金剛石，就必須在300km左右的深部有含碳的原料。其中一種可能是由甲烷從地球內部流出的途中分解、形成的碳經石墨化后于高溫高壓下轉化而成。另一種可能是由于地球地幔的對流，煤進入到比300km更深的內部，轉變成金剛石。再因地球內氣體爆發，含金剛石的熔融巖石（金伯利巖）被噴到地殼中。在構成地殼的巖石中還普遍含有石墨，特別是在寒武紀早期的普通變質巖中曾發現大的石墨礦床。在長時間處在低溫低壓時，金剛石也有可能轉變成石墨。除原始細菌、藻類和植物可能是地球上石墨的含碳原料外，也有與生命活動無關的含碳原料，它們是前述宇宙中不同含碳物質形成的含碳的球粒狀隕石。其中含有石墨、金剛石以及晶態卡賓（Chaoite）、六方金剛石（Lonsdaleite）等[8]。近年來，在俄羅斯、加拿大、新西蘭以及我國云南等地的富含碳的巖石及煤樣中，相繼發現天然存在的富勒烯[9]，甚至有的學者根據在中國和日本二疊紀-三疊紀分界層發現的富勒烯及其“俘獲”的惰性氣體氦和氬，認為2.5億年前的行星碰撞是導致地球生物大滅絕的主要原因[10]。還有的研究者認為可能會有天然存在的碳納米管[11]，而且目前已有文獻報道觀察到了天然存在的碳納米管[12]。

碳是地球上一切生物有機體的骨架元素，碳的化合物是組成所有生物體的基礎。碳元素占人體總重量的18%左右，沒有碳元素就沒有生命。人類進化以來，很早就開始利用各種含碳物質和材料。人類直立行走后，首先學會的是用含碳的植物作燃料來取暖和烹煮食物，利用煙炱作染料和書寫的墨汁，隨后學會了從煤炭取得能源，進而利用木炭還原礦石以獲取銅、鐵等金屬。從18世紀人類開始用焦炭作還原劑至今，煉鐵所用的焦炭量仍然是含碳原料中加工和使用量最大的。19世紀隨著電爐煉鋼技術的開發，利用碳的導電和耐高溫特性，通過以天然石墨或者焦炭為原材料的燒結和高溫石墨化處理所制造的人造石墨電極得到了應用和發展。隨著電力和機械工業的發展，具有導電性、耐腐蝕性和潤滑性的各種炭電極、電刷得到了廣泛應用，并在20世紀有了更快發展。鑒于其表面和孔結構特性，骨炭（含碳10%）、木炭等從遠古時期就被人們用于吸附臭氣、脫除雜色以及防腐、防水和藥用。到了20世紀初活性炭工業化生產之后，它們在凈化空氣、治理廢水等環境保護方面發揮日益重大的作用。20世紀后半期，基于碳科學的發展，有意識地利用碳原子小而輕且具有大的結合能等特性，制造了包括核反應堆用的高密、高純、高強石墨，熱解石墨，柔性石墨，玻璃炭，各向同性炭，高性能炭粉及金剛石薄膜等，這些碳質制品都逐漸得到開發和應用[13]。特別是強度大、模量高、質量輕的碳纖維得到了迅速開發并作為增強劑用于增強樹脂、金屬、陶瓷等，使各類復合材料在航空、航天等工業領域及文體用品中得到廣泛應用[14,15]。從古至今，煤炭、焦炭、炭黑、活性炭、石墨電極、鉛筆和炭膜開關，天然金剛石、人造金剛石、人造金剛石薄膜等，都與人類的生活和生產活動息息相關。當今世界，以碳為主要構成原子的有機化學，為塑料、橡膠和合成纖維三大合成材料奠定了堅實的基礎[16]。新近發現的富勒烯、碳納米管、石墨烯和石墨炔[17]等納米碳材料則將進一步為碳材料的性能和應用開拓提供無可限量的前景。

1.1.2碳的特殊性

碳的原子序數為6，其原子量為12.011。已知在自然界有三種同位素，其中12C為98.9%，13C為1.10%，放射性同位素14C僅為極少量。由于碳元素在自然界的儲量豐富并有很強的結合能力，國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）于1961年將其確定為統一原子量的標度，即以12C為基準，其相對原子量精確地被定為12，所有其他的原子和分子均參照它來確定各自的質量[18]。

碳位于元素周期表的第二周期第ⅣA族，除了內部球狀1s2軌道含兩個鍵合力很強的核心電子外再沒有其他內部軌道，有利于碳進行包括僅有的2s和2p價鍵軌道的雜化，與同在第ⅣA族的硅和鍺不同，除單鍵外它還能形成穩定的雙鍵和三鍵。第ⅣA族的硅（原子序數為14）和鍺（原子序數為32）由于原子序數更大，有更多電子亞層，受內層中其他內部軌道所影響，基本上只能形成sp3雜化而沒有sp2和sp雜化，也只有sp3雜化鍵合的一種立方固體基態，而且其結合半徑比碳大而不能形成穩定的雙鍵。這也正是硅和鍺不能像碳那樣形成大量有機化合物和眾多同素異形體的原因[19]。

比碳原子結合半徑更小的氮和氧（C為0.0772nm，N為0.070nm，O為0.066nm）有可能形成多重鍵，但它們的最外層電子數過多，這些電子相互間可形成孤電子對。這樣，使參與成鍵的電子數減少到兩個、三個，而且在成鍵的兩個原子中若都具有孤電子對，其相互之間還會排斥。價電子數少意味著可形成的結構數少，參與成鍵的原子中，孤電子對之間的電相斥會使兩者之間的結合能變小。因此周期表的所有元素中只有碳是能形成更多價鍵、更多種結構及具有更多變化和更多同素異形體的元素。碳原子最外層的電子全部與鍵合有關，碳碳間成鍵的距離最短，沒有相互排斥的孤電子對，因而有特別大的鍵合能。碳原子間獨特的鏈接能力（本身成鍵），使之能形成鏈、環和網狀等各類結構。

碳材料的另一特征是π軌道電子在石墨類物質中起著獨特的作用。當碳原子進行spn雜化時，n+1個電子屬于雜化的σ軌道，而剩下未雜化的4-(n+1)個2p原子軌道的電子形成π軌道[20]。σ電子是在原子和原子的結合軸方向進行分布，與鍵合關系密切，鍵能較大；π電子則是在原子和原子結合軸的垂直方向展開，和原子間的結合力弱，鍵能較小。從固體物理的角度看，π電子能在所構成的原子不變形時，即所形成的晶體和分子不發生空間結構變化的情況下，在其內部和表面形成的非定域共軛系統內自由運動，形成所謂的π電子云。π電子能量高，其提供的最高占據分子軌道（HOMO）能量也較高。π電子的有效質量小，一維和二維分布的π電子呈現出超高速移動和超極化性。石墨中π電子的有效質量（m*）為0.056m0，比在半導體GaAs中的電子有效質量（0.076m0）小。其中，m0為自由電子的靜止質量，是一確定的常量。固體受電場、磁場和溫度梯度等外力驅動傳輸電子或空穴載流子時，受其中其他電子或離子形成的內部場的影響，表觀上電子的有效質量會變大或變小。在石墨的基底面方向π電子的有效質量約為m0/20，在垂直方向為m0或以上。其電子和空穴的遷移率在室溫下分別為20000cm2/(V·s)和15000cm2/(V·s)，在液氦溫度（4.2K）時甚至達1200000cm2/(V·s)，與在硅中的電子移動速度相比要大得多[21,22]，可與半導體化合物的超晶格結構相比。π電子對光、電、磁作用十分敏感，共軛高分子中π電子對光、電等物理刺激比硅半導體響應更快。σ電子可以說是形成物質骨架的基礎，而π電子則是發揮物質功能的根源。生物高分子中π電子分布（子電子空間）成為產生化學反應和光學合成等生物體功能的基本“場”。這種非定域的電子在決定有機化合物及生化物質的各種物性方面起著重要作用。碳碳鍵的穩定性，特別是能通過π鍵形成多重鍵是碳科學的主要特征。

碳的同素異形體中除沒有π電子的金剛石外，其他大多屬π電子物質。苯分子是最簡單的多環芳烴，其電子結構如圖1.2（a）所示，各自形成價帶和導帶的π、π*能帶，在費米能級EF處分開，成為能隙（禁帶寬度）大的絕緣體。隨苯環數的增加，π、π*間的能隙將逐漸減小，無限個苯環形成的石墨烯［graphene，被定義為三維（3D）石墨中的二維（2D）片層］，其π、π*能帶在費米能級處連接在一起，成為能隙為零的半導體，如圖1.2（b）所示。石墨烯是典型的二維π電子物質。在石墨烯中，π電子相互連接在同一平面層碳原子的上下時可形成大π鍵（分子軌道），分布在石墨烯片的上下。這種離域π電子在碳網平面內可自由流動，類似自由電子，因此在石墨烯面內具有類似于金屬的導電性和導熱性，其抗磁性也十分顯著。當石墨烯片層與片層之間由范德華力維系在一起時，就會堆疊成石墨。由石墨烯按ABAB堆疊成的石墨，由于單位晶格中有A、B兩層以及石墨烯面間的相互作用，π、π*帶分裂成兩個，相互間在費米能級處有0.04eV的重疊，從而產生同樣數目、成為傳導載流子的電子和空穴，其電子結構則成為如圖1.2（c）所示的半金屬類[23]，因此石墨的導電現象可用二維半金屬的電子結構來解釋。

富勒烯、單壁碳納米管和單層石墨烯是完全由表面碳原子組成的納米尺度物質，它們也具有封閉的面狀π電子體系。富勒烯中的碳原子是以sp2雜化為主形成的σ鍵組成六元和五元環（也可能含有七元環），剩下的π電子在表面內外形成π電子云。與石墨烯不同，其π電子的價帶和導帶之間存在著能隙，可成為半導體。C60以單獨的分子狀態存在時，其π電子能量分布離散，能隙估計為2.5eV。當C60分子堆積成晶體狀態時，其能隙寬度變窄，約為1.5eV，具有半導體性[24]。通過K、Br等對其摻雜，可使之變成導體乃至超導體。富勒烯愈大，能隙愈小，極限時和石墨烯一樣，能隙為零。因此，能得到能隙在0～2.3eV之間可變、具有半導體性質的單相和多層結構的富勒烯群[25]。

碳納米管則有所不同，其結構可看作是由石墨烯卷成的一維中空筒狀結構，碳原子在圓筒表面可呈鋸齒型、扶手椅型和螺旋型，如圖1.3所示[26]。碳納米管具有納米尺度，其電學性質受量子物理規律所支配。從量子觀點看，其電子將形成離散的量子化能級和束縛態波函數，所形成的電子狀態對系統的物理和化學性質產生影響，即量子尺寸效應，而這種影響主要是由π電子作用所造成的[21]。理論研究表明，碳納米管的電子狀態與其中碳原子排列的螺旋角度和管徑密切相關，碳納米管的管徑或螺旋角略有變化即可使其導電特性按一定規則變化，即表現為金屬性或半導體性。金屬性和半導體性碳納米管的實際存在已由掃描隧道顯微鏡和掃描隧道譜實驗證實[27]。利用碳納米管中π電子的量子特性可能開發出其在納米電子學方面的眾多用途。此外，碳納米管中的π電子還可與含有π電子的其他化合物通過π電子的非共價鍵作用相結合，保持其原有結構不被破壞而得到功能化的碳納米管[28]。

1.1.3碳的同素異形體

元素是具有相同核電荷數（即質子數）的一類原子的總稱，由同一元素組成的物質稱為單質，同一元素組成的不同結構和性質的單質即為同素異形體。性能差異極大的金剛石和石墨是早已為人們所熟知的碳的同素異形體，而以C60為代表的富勒烯、碳納米管、石墨烯和石墨炔則是人類新發現的碳的同素異形體。碳既能形成金剛石和石墨之類的原子晶體，又能由C60或卡賓（Carbene）等形成分子晶體。

spn雜化不僅確定了碳基分子的空間結構，也決定了碳基固體的立體構型。碳是元素周期表中唯一具有從零維（0D）到三維（3D）同素異形體的元素。固相碳質材料可形成的結構與碳原子的spn雜化關系密切。在spn雜化中形成n+1個σ鍵，σ鍵作為骨架形成n維的局部結構。

在sp雜化中兩個σ鍵僅形成一維的鏈狀結構，由其形成的分子結晶即為所謂的“卡賓”。卡賓在1960年由蘇聯的科學家首次發現，后來在自然界的隕石中被鑒定出來，可通過物理和化學方法來制備[29,30]。由sp鏈集合可形成三維分子晶體。由于卡賓組織呈樹脂狀，光波在其中形成散射，整個晶體呈白色，因此晶態卡賓（Chaoite）也被俗稱為“白碳”。除固態卡賓分子晶體外，高溫氣相和液相的碳原子以及人工合成的各種鏈狀和環狀碳大部分也是由sp雜化的碳原子組成。

sp2雜化的碳原子形成的是二維的石墨烯平面結構，無定形碳（amorphous carbon）是無序的三維材料，其中既有sp2雜化也有sp3雜化的碳原子。天然產的土狀石墨（amorphous graphite，直譯為無定形石墨）則主要是由任意堆積的sp2雜化的碳原子形成的石墨層狀碎片組成的微晶，平面之間由于弱的相互作用可容易地相對移動，因此土狀石墨仍可看作是二維材料[31]。隨熱力學條件的不同，層間弱的π鍵作用加強，微晶進一步長大，特別是在高溫或催化劑的作用下，它們最終能形成理想的原子晶體。

碳原子在sp3雜化時，四個σ鍵形成一個規則的四面體，成為三維的金剛石原子型晶體。由于每一個碳原子都有化學鍵中最強的四個σ鍵，因而金剛石有極高的硬度。圖1.4為幾種主要納米碳同素異形體的結構示意圖[32]。

同素異形體涵蓋了多形態（polymorphism）和多晶型（polytypism）兩種概念。多形態主要是指結構和形態的變化，而多晶型是指物質具有多種不同構型時結晶的能力。多晶型的這類構型有兩種完全相同的單元晶胞參數，而另外的第三個則是可變的，并且經常是相鄰層間距的整數倍。如前所述碳原子的sp3、sp2和sp雜化可形成金剛石、石墨和卡賓三種同素異形體的典型形態，而每一形態又可呈現出不同的晶型[31]。

碳的蒸發溫度約為4700K，只比其熔點（約4450K）略高，因此液態碳的蒸氣壓很高。高蒸氣壓和大的碳-碳鍵使熔融的液態碳表面蒸發出的碳易于形成碳分子（碳簇，carbon cluster），而不是獨立的碳原子。石墨在激光燒蝕或高壓電弧放電時于受激狀態下形成的碳也與之類似。在4000K的高溫氣相中，碳分子中的原子數按C3＞C1≈C2＞C5＞C4的順序減少，C6以上僅有微量。在碳星、太陽、彗星及漫射的星際云中也發現有C2、C3。碳原子數低于10的碳簇常以線形鏈狀形式存在，略大一些的碳簇則為環狀。但經計算，C4、C6、C8、C10以單環異構體存在更為穩定，C10～C29則以sp雜化的碳原子形成單環結構[16]。碳原子數在大于30、小于1000時形成的碳層面都具有懸鍵（dangling bonds），即具有未結合的空鍵。為了減少懸鍵數目，石墨烯碎片會卷起形成彎曲結構，邊緣的六元環有收縮成五元環的趨勢。盡管增加了應變能，但消除懸鍵會使其總能量降低，最終促使其形成封閉的籠狀碳簇，故封閉的碳殼比平面尺度小的石墨結構更穩定，如富勒烯和碳納米管等。籠狀碳簇的特征是碳原子為偶數，呈中空籠狀，碳原子全部在籠的外殼上，這些由碳網形成的籠形分子被命名為富勒烯。富勒烯的形成是歐拉定理（Euler’s rule）的奇妙結果，曲率封閉的結構中必須有12個五元環才能完全滿足拓撲學的需要，使六元環晶格組成的石墨烯片能卷曲、封閉成籠狀。因此C60和所有其他富勒烯（C2n）都只有12個五元環，有n-10個六元環，這表明以前認為的只在有機分子中存在的五元環在無機材料中也能存在。

富勒烯中以由20個六元環和12個五元環拼接成的20面體的C60分子最為穩定，直徑為0.71nm。每個C60分子以角振動數109s-1急劇地旋轉，在90K以下才停止。當六元環數增至30個時則形成C70。環數進一步增多就會形成更大的籠形分子，現已發現C960的存在。在籠形碳殼表面，碳原子的鍵合如在石墨中一樣主要是sp2，但因殼面彎曲，一些sp3也摻和到碳的波函數中，因此能量略為增加。C60的雜化軌道為sp2.28，介于石墨sp2和金剛石sp3之間。含碳原子數越多的富勒烯，其雜化參數越接近石墨的sp2。

碳納米管可看作是由石墨烯片卷成的直徑為納米尺度的圓筒，其兩端由富勒烯半球封帽而成。和富勒烯一樣，碳納米管在特性上更接近石墨烯而不是金剛石。石墨烯在卷成碳納米管時也摻入了少量的sp3鍵，以致在其徑向的鍵合力常數（force constants）比沿軸向略低。單片石墨烯的高度彎曲增加了碳原子的總能量，但這也比其邊緣懸鍵所具有的能量更低。單壁碳納米管僅有一個原子厚度，有少量原子在其周圍，故只需少量波矢來描述其周期性。這些限制導致了在徑向和軸向量子波函數的限制，僅沿碳納米管的軸向就產生了大量的、允許波矢在封閉空間內的平面波移動[33]。因此，盡管碳納米管與二維石墨烯密切相關，但由于管的彎曲和在徑向的量子限制，導致其許多性質與石墨烯不同。單壁碳納米管是純碳分子纖維，其尺度相當于拉長的富勒烯，而結構又相當于完好晶體中的單胞，故容易從理論上預測其原子結構及相關的性質。在納米結構的碳中，人們還發現了球殼重疊的多重球烯（洋蔥碳）（giant fullerenes， onion carbon）[34]、海膽碳（sea-urchins）[35]、蚯蚓碳（wormlike carbon nanostructures）[36]、錐形碳（graphite cones）[37,38]、石墨立方體（graphitic cubes）[39]、圓盤（discs）[38]和螺旋 （helices）[40]等。

過渡形態的碳又可分成兩組。一組為無定形碳，它們是由或多或少任意排列的不同雜化態碳原子混合而成的短程有序的三維材料，其中主要是sp2和sp3雜化的碳原子。日常生活中人們接觸到的各種碳材料差不多都可歸結于無定形碳的范疇，如類金剛石炭、玻璃炭、活性炭以及各種炭黑、煙炱、焦炭等。另一組包括各種中間形態的碳，在這些形態中碳原子的雜化程度能用spn來表達。此處n不是整數而是分數（1<n<3，n≠2）。這一組可進一步分成兩個亞組，一個亞組中1<n<2，其中包括各種單環碳結構，如F. Diederich等報道過的環（N）碳[6]。另一個亞組中2<n<3，其中包括各種骨架（或封閉殼狀）碳，如富勒烯、洋蔥碳和碳納米管（巨大的線狀富勒烯）、假設的C120環形曲面（torus）和富勒烯炔（fullereneynes）以及相關的金剛石-石墨摻雜結構。中間形態的碳中原子軌道雜化的比例程度由其碳骨架應變引起整體結構的彎曲所決定。C60是富勒烯家族中被研究得最深入的成員，據報道其雜化程度n為2.28。R. Heimann將已被證實、假設和推理可能存在的各類碳的同素異形體進行了分類，并將它們總括在一平面三角形的碳鍵雜化“相”圖中（圖1.5）[41]。

R. Heimann的平面三角形碳鍵雜化“相”圖中完全沒有考慮氫原子的存在，而由有機物熱處理轉化成的大量碳材料，以及由化學氣相沉積法形成的類金剛石薄膜，都含有微量的氫原子，其C/H比多在10以上，因此也應加上氫原子的影響。為此，可在該平面三角形“相”圖中加上氫原子對C/H的影響（圖中各烴類后的數字為碳和氫的原子數比），從而變成如圖1.6所示的正四面體。含有不同微量氫的各種無定形碳和大量的碳材料則處于逐漸接近底面純雜化碳鍵“相”圖的上部，由黑粗線所包圍的有一定厚度的陰影三角形內。當然，由于有氫原子的加入，它不能被看作是純粹碳同素異形體的“相”圖，但從這一立體圖可看出各種有機烴類向炭（C/H>10）和純粹碳的轉化，如經甲烷、六十烷、金剛烷和立方烷向石墨的變化；經乙烯、丁二烯、苯、丁省、暈苯和卵苯向金剛石的變化；經乙炔和丁二炔向卡賓的變化[19]。

碳原子在電子結構上可形成spn雜化，從而能鍵合成眾多的分子或原子晶體的同素異形體；在納米和微米尺度又能以不同方式和取向進行堆疊（微晶）和聚集，形成各種各樣的織構；最終形成粒子、氣溶膠、薄膜、纖維、塊體等不同形態的物質。沒有任何元素能像碳這樣，作為單一元素卻可形成多種結構和性質完全不同的物質。各種類型碳所具有的性質幾乎能包括地球上所有物質的性質，有的甚至是完全對立的性質。例如：最硬（金剛石）-最軟（石墨）；絕緣體（金剛石）-半導體（石墨）-良導體（石墨烯）；絕熱體（石墨層間化合物）-良導熱體（金剛石）；全吸光（石墨）-全透光（金剛石）等[16]。另外，所有碳質材料均具有生物相容性，不會對包括人體在內的所有生物體造成傷害，其制品在廢舊破損之后可轉化為CO2，參與正常的地表循環，不產生任何有毒性的殘留物。因此，碳質材料是一種可循環利用且環境友好的材料，也是易于加工且在加工成制品時能耗較低的材料。同素異形體中的碳納米管則有可能進一步將碳元素的獨特性能發揮到極致。