Koolstof heeft meer dan tien bekende allotropen, waaronder twee fullerenen, vier enkelwandige nanobuisjes en drie soorten grafeen, evenals amorfe koolstof en roet. Maar de belangrijkste allotropen zijn er slechts twee:grafiet en diamant. Beide allotropen bestaan uitsluitend uit koolstofatomen. Het belangrijkste structurele verschil dat grafiet en diamant enorm verschillende eigenschappen geeft, ligt in de manier waarop deze koolstofatomen zich binden.