Diamant ist eine kristalline Modifikation von Kohlenstoff, bei der jedes Kohlenstoffatom tetraedrisch mit vier Nachbaratomen verbunden ist. Diese starke kovalente Bindung verleiht Diamant eine außergewöhnliche Härte, hohe Wärmeleitfähigkeit und optische Transparenz, was ihn für industrielle Schneidwerkzeuge, Schmuck und Hochleistungsoptiken unverzichtbar macht. Graphit hingegen besteht aus Schichten von hexagonal angeordneten Kohlenstoffatomen, die durch schwache van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten werden. Diese Struktur ermöglicht eine gute elektrische Leitfähigkeit entlang der Schichten und wird daher in Batterien, Trockenstiften und als Schmiermittel eingesetzt.
Fullerene, insbesondere Buckminsterfulleren (C₆₀), sind geschlossene Kohlenstoffmoleküle mit einer kugelförmigen oder ellipsoiden Struktur, die 1985 entdeckt wurden. Sie zeichnen sich durch einzigartige elektronische und mechanische Eigenschaften aus und finden Anwendung in der Materialforschung, Medizin und Nanotechnologie. Graphen, eine einzelne Schicht von Graphit, gilt als das dünnste bekannte Material und besitzt herausragende elektrische, mechanische und thermische Eigenschaften. Es wird intensiv für die Entwicklung flexibler Elektronik, Hochleistungsbatterien und Sensoren erforscht.
Kohlenstoffnanoröhren sind zylindrische Strukturen aus Graphen, die entweder als Einwandler- oder Mehrwandler-Röhren vorkommen. Sie vereinen die Eigenschaften von Diamant und Graphit und werden aufgrund ihrer hohen Festigkeit, Leitfähigkeit und Wärmebeständigkeit in Verbundstoffen, Elektronik und Energiespeichern genutzt. Amorpher Kohlenstoff, der keine regelmäßige Struktur aufweist, kommt in verschiedenen Formen vor, darunter Diamant-like Carbon (DLC) und Kohlenstoffschwarz, und wird oft als Beschichtung oder Füllstoff in Industrie und Technik eingesetzt. Die Vielfalt der Kohlenstoffphasen ermöglicht eine breite Palette von Anwendungen, die kontinuierlich durch anhaltende Forschung erweitert werden.