Bir kurşun kalemin ucundaki yumuşak ve kolayca dağılan siyah madde ile bir yüzükteki parlak, saydam ve son derece sert taş, ilk bakışta birbirinden tamamen farklı maddeler gibi görünür. Oysa her ikisi de yalnızca karbon atomlarından oluşur. Kalem ucundaki grafit ile yüzükteki elmas arasındaki büyük farkın nedeni, atomların türü değil, birbirine nasıl bağlandığıdır. Aynı elementin farklı yapısal biçimlerine allotrop adı verilir. Karbon, allotroplarının çeşitliliği ve özelliklerinin zenginliği bakımından elementler arasında özel bir yere sahiptir.

Elmasta her karbon atomu, dört komşu karbon atomuna güçlü bağlarla bağlanır. Bu bağlar, üç boyutlu ve son derece düzenli bir ağ oluşturur. Ağın her yönde güçlü bağlarla örülmüş olması, elması bilinen en sert doğal madde yapar. Bu nedenle elmas, takı olarak kullanılmasının yanı sıra sanayide kesme, delme ve parlatma aletlerinde de yaygın olarak kullanılır. Elmasın atomları arasındaki bütün elektronlar bağlarda kullanıldığı için serbestçe hareket edebilen elektron yoktur. Bu nedenle elmas, elektriği iletmez.

Grafitte ise karbon atomları farklı biçimde düzenlenir. Her karbon atomu, aynı düzlemdeki üç komşu atoma bağlanarak altıgenlerden oluşan, bal peteğine benzeyen yassı katmanlar oluşturur. Katmanların içindeki bağlar çok güçlüdür; ancak katmanlar birbirine çok daha zayıf kuvvetlerle tutunur. Bu nedenle katmanlar birbirinin üzerinden kolayca kayabilir. Kurşun kalemle kâğıda yazdığımızda, grafit katmanları birbirinden ayrılarak kâğıdın üzerinde kalır. Aynı özellik, grafitin kuru yağlayıcı olarak kullanılmasını da sağlar.

Grafitte her karbon atomunun dört elektronundan yalnızca üçü bağlarda kullanılır. Kalan elektron, katman boyunca serbestçe hareket edebilir. Bu nedenle grafit, elmasın aksine elektriği iletir. Bu özellik, grafitin pillerde ve elektrot yapımında kullanılmasına olanak tanır. Lityum iyon pillerin büyük çoğunluğunda anot malzemesi olarak grafit kullanılır. Aynı atomlardan oluşan iki maddenin biri elektriği iletirken diğerinin iletmemesi, yapının özellikleri nasıl belirlediğini gösteren çarpıcı bir örnektir.

İlginç biçimde, normal koşullarda karbonun en kararlı biçimi elmas değil grafittir. Bu, elmasların zamanla grafite dönüşmesi gerektiği anlamına gelir. Ancak bu dönüşüm o kadar yavaştır ki oda sıcaklığında milyarlarca yıl sürer. Bu nedenle elmaslar pratikte sonsuza kadar elmas olarak kalır. Doğal elmaslar, yerin yüzlerce kilometre derinliğindeki çok yüksek sıcaklık ve basınç altında oluşur ve volkanik süreçlerle yeryüzüne yakın bölgelere taşınır. Bugün laboratuvarlarda da benzer koşullar oluşturularak yapay elmaslar üretilebilmektedir.

Yirminci yüzyılın sonlarında karbonun yeni allotropları keşfedildi. 1985 yılında araştırmacılar, altmış karbon atomunun bir futbol topuna benzeyen küresel bir yapı oluşturduğu molekülleri tespit etti. Bu moleküllere, benzer biçimli kubbeler tasarlayan bir mimarın onuruna fulleren adı verildi. Bu keşfi yapan bilim insanları Nobel Kimya Ödülü'ne layık görüldü. Kısa süre sonra, grafit katmanlarının silindir biçiminde kıvrılmasıyla oluşan karbon nanotüpler de tanımlandı. Bu tüpler, çaplarının binlerce katı uzunluğa ulaşabilen ve son derece sağlam yapılardır.

Karbon allotroplarının belki de en heyecan verici olanı grafendir. Grafen, grafitin tek bir katmanından, yani yalnızca bir atom kalınlığındaki bir karbon tabakasından oluşur. Uzun süre böyle bir tabakanın kararlı olarak var olamayacağı düşünülüyordu. 2004 yılında İngiltere'de çalışan iki araştırmacı, şaşırtıcı derecede basit bir yöntemle grafen elde etmeyi başardı. Bir grafit parçasının yüzeyine yapışkan bant yapıştırıp çekerek katmanları ayırdılar ve bu işlemi tekrarlayarak sonunda tek atom kalınlığında tabakalar elde ettiler. Bu çalışma, 2010 yılında Nobel Fizik Ödülü ile onurlandırıldı.

Grafenin özellikleri olağanüstüdür. Yalnızca bir atom kalınlığında olmasına karşın aynı kalınlıktaki çelikten çok daha güçlüdür. Elektriği ve ısıyı son derece iyi iletir. Neredeyse tamamen saydamdır ve esnektir. Bu özellikler, grafenin esnek elektronik ekranlardan daha hızlı şarj olan pillere, su arıtma filtrelerinden hafif ve dayanıklı kompozit malzemelere kadar pek çok alanda devrim yaratabileceği beklentisini doğurmuştur.

Ancak grafenin laboratuvardaki başarılarını günlük ürünlere taşımak beklenenden daha zor olmuştur. Yüksek kaliteli grafeni büyük miktarlarda ve uygun maliyetle üretmek hâlâ önemli bir teknik sorundur. Grafen içerdiği iddia edilen bazı ticari ürünlerde ise malzemenin kalitesi ve gerçek katkısı tartışmalıdır. Uzmanlar, yeni malzemelerin keşfinden yaygın kullanımına kadar geçen sürenin çoğu zaman on yıllar alabileceğini hatırlatmaktadır.

Karbonun bu kadar çeşitli yapılar oluşturabilmesi, onun dört bağ yapabilme yeteneğinden ve kendi atomlarıyla güçlü bağlar kurabilmesinden kaynaklanır. Bu özellik, karbonu aynı zamanda yaşamın temel elementi yapar. Proteinlerden DNA'ya kadar canlıların yapısındaki bütün büyük moleküllerin iskeleti karbon atomlarından oluşur.

Elmas, grafit ve grafen, aynı yapı taşından birbirinden ne kadar farklı dünyaların inşa edilebileceğini gösterir. Kimyada olduğu gibi pek çok alanda da asıl farkı yaratan, parçaların kendisinden çok onların nasıl bir araya getirildiğidir.