神话世界里的孙悟空会“七十二变”，自然现实中的元素也会有形形色色的“变幻”——这就是元素单质的同素异形体，它们虽然由相同的元素组成，但是其物理性质却千差万别。例如氧气和臭氧分子分别是由两个和三个氧原子组成，氧气无色无味，是生命活动中必需的物质，而臭氧则带蓝色且有刺激性腥臭味，属于有毒气体，大气层中的臭氧吸收了大量阳光中的紫外线，是地球的生命的保护伞。要问最善变的元素是什么，那非碳元素莫属。
碳，元素周期表中排行老六，原子量为12，原子核最外层电子数为4。我们知道，碳元素最外层电子轨道排满为8，因此处于“中庸”状态下的碳元素，可以呈现-4到+4等多种化学价态。正是如此，碳元素具备了很强的“化学牵手”能力，它可以形成单键、双键和三键等多种化学键态，进一步可以构造出多种多样的单质组态。
目前发现的碳的同素异形体有数十种，比如石墨、金刚石、无定形碳、碳纳米管、单层石墨烯以及C60、C70、C76、C82、C84等各种形态的巴基球。
石墨具有简单的六角蜂窝型层状结构，每个石墨层之间只存在很弱的范德瓦尔斯力。因此石墨特别软，是良好的润滑剂，我们经常使用的铅笔芯主要成分就是石墨，此外，石墨还是不透光的良导体。相比之下，石墨的另一个兄弟金刚石就很不一样。金刚石是自然界最硬的材料，它属于原子紧密堆积的面心立方晶系，是透明的电绝缘体，也是热的良导体。自然界中，石墨价格低廉，但是金刚石却十分昂贵，是珠宝装饰品之一。
如果将石墨一层一层剥离，那么最终将剩下单层碳原子组成单层石墨，又叫做石墨烯。科学实验证明，石墨烯是可以稳定存在的目前世界上最薄也是最坚硬的纳米材料，它具有许多新奇的量子特性，比如室温下的量子霍尔效应，是未来量子器件的重要材料之一。2004年，安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫在英国成功用透明胶带撕出了单层石墨烯，为此他们荣获了2010年诺贝尔物理学奖。
如果我们将层状的石墨卷曲起来，让边缘的碳原子也结成化学键就可以构造出一个管状圆筒，这就是碳纳米管。单层碳原子构造出的纳米管叫做单壁碳纳米管，多层碳原子则叫做多壁碳纳米管。碳纳米管是一种一维纳米材料，它具有良好的力学、电学和化学性能。碳纳米管可以用于制作纳米探针、纳米逻辑电路甚至纳米机器，它是纳米器件的宠儿，在医学和材料科学上也有着重要的应用。