碳原子具有超強的「化學牽手」鍵合能力，可以通過單鍵、雙鍵和三鍵三種化學鍵形成許許多多不同的結構。金剛石、石墨、石墨烯、碳60、碳納米管都是元素相同的碳單質，但由於碳原子的排列順序不一樣，物理性質和化學性質不同，所以它們屬於碳的同素異形體。
同素異形體是指由同樣的單一化學元素構成，但性質卻不相同的單質。就像石墨，它的晶體是層狀結構，在每一層內，每一個碳原子都通過共價鍵和其他三個碳原子結合，排列成平面的六角形的層狀結構。人們後來發現了一種物質叫石墨烯，它其實就是單層的石墨，現在科學家已經研製出人工培育它的手段，可以廣泛應用到日常生活和工作中。
在金剛石的晶體裡，相鄰的四個碳原子包圍著一個碳原子，這個碳原子便以共價鍵同這四個碳原子結合成為正四面體結構。
碳是不甘於平庸、沉寂的，富於變化是它們的特質。在人工創造的條件下，任何一種單質碳都可以像孫悟空的「七十二變」那樣發生神奇的改變。比如，利用加熱、高溫再結晶的方法可以把木炭轉化成石墨；在高溫高壓的條件下，石墨能轉換成金剛石；在電弧放電作用下，石墨可以形成單個或眾多的碳原子，如果讓它們重新生長，條件不同，形成的物質也不同，比如可以形成石墨烯、碳60、碳納米管等碳的同素異形體。
碳60就像一個足球一樣，是由60個碳原子形成的封閉籠狀分子。科學家經過長期研究，還發現了眾多像碳60這樣球狀或橢圓狀、管狀結構的碳單質。它們的結構十分精巧，和一些設計奇異的建築非常相像。因此，人們用著名的建築大師富勒的名字為它們命名，稱為富勒烯。
準確來說，碳的變化是和碳原子的組合排列緊密相關的，而且這些組合可以通過化學方法或者物理方法人為改變。
碳還與我們的生活息息相關。作為最軟的碳單質，石墨烯的用途五花八門，包括製造鉛筆芯、潤滑劑，用作耐火材料、導電材料、用於原子能工業和國防工業等。
金剛石作為最堅硬的碳單質，也有著廣泛的應用。比如：地質鑽頭和石油鑽頭金剛石、拉絲模用金剛石、磨料用金剛石、修整器、玻璃刀、硬度計壓頭等等。對於那些高純度的金剛石，可以躋身奢侈品的行列，被用來做鑽石；碳60可以增強金屬、作催化劑、用作光學材料和高分子材料，在醫學應用上也有碳60的身影；具有高導電性、高強度、超輕薄等特性的石墨烯，在新能源電池領域、航天軍工領域的應用優勢極為突出。另外，塑料、羽毛球拍，甚至高爾夫球桿中都含有碳元素。