Kim cương là cứng nhất, nhưng graphit là một trong những vật liệu mềm nhất. Kim cương là chất mài mòn siêu hạng, nhưng graphit là chất bôi trơn rất tốt. Kim cương là chất cách điện tuyệt hảo, nhưng graphit là vật liệu dẫn điện. Kim cương thông thường là trong suốt, nhưng graphit là mờ. Nhiều đặc điểm khác nhau như vậy nhưng kim cương và graphit đều là dạng thù hình của một nguyên tố hoá học là cacbon. Không chỉ có hai dạng thù hình trên, cacbon còn có một số dạng thù hình khác có ứng dụng rất rộng rãi trong đời sống.
Cacbon (tiếng Latinh carbo có nghĩa là "than đá") đã được phát hiện từ thời tiền sử và đã được người cổ đại biết đến, họ đã sản xuất than bằng cách đốt các chất hữu cơ khi không có đủ ôxy (làm than). Ba dạng được biết nhiều nhất là cacbon vô định hình, graphit và kim cương. Một số thù hình kỳ dị khác cũng đã được tạo ra hay phát hiện ra, bao gồm các fulleren, cacbon ống nano và lonsdaleit, ceraphit.
Kim cương là khoáng vật có giá trị cao nhất trong hơn 3.000 mẫu khoáng vật mà con người biết đến. Trong cấu trúc của kim cương mỗi nguyên tử được liên kết với 4 nguyên tử khác theo kiểu tứ diện, tạo thành các lưới 3 chiều gồm các vòng 6 thành viên. Ngành công nghiệp sử dụng kim cương có từ rất lâu vì tính chất cứng rắn của chúng. Vì là vật chất cứng rắn nhất trong thiên nhiên, kim cương được dùng để đánh bóng, cắt mọi bề mặt, ngay cả một viên kim cương khác. Các ngành công nghiệp thông thường dùng kim cương như làm mũi khoan, lưỡi cưa hay bột mài. Một ứng dụng rất có triển vọng khác của kim cương là làm chất bán dẫn: một số viên kim cương có màu xanh lam chính là chất bán dẫn thiên nhiên, trái ngược với các loại kim cương có màu khác là những chất cách điện tốt. Những viên kim cương nhân tạo dùng trong công nghiệp không phù hợp với việc làm trang sức nhưng có ưu điểm là làm giảm giá thành sản phẩm.
Cấu trúc tinh thể kim cương
Graphit hay than chì là một trong những chất mềm nhất. Trong than chì mỗi nguyên tử được liên kết theo kiểu tam giác với 3 nguyên tử khác, tạo thành các lưới 2 chiều của các vòng 6 thành viên ở dạng phẳng; các tấm phẳng này liên kết lỏng lẻo với nhau. Cacbon dưới dạng than chì được sử dụng như là các thanh điều tiết nơtron trong các lò phản ứng hạt nhân.
Graphit cacbon trong dạng bột, bánh được sử dụng như là than để đun nấu, bột màu trong mỹ thuật và các sử dụng khác. Than chì trộn với đất sét được sử dụng làm ruột bút chì.
Kiến trúc của than chì
Cacbon vô định hình là dạng thù hình tồn tại ở trạng thái phi tinh thể, không có quy luật và giống như thủy tinh. Những dạng cacbon vô định hình có thể kể đến là: than hoạt tính than muội, than củi. Trong các dạng đó than hoạt tính có ứng dụng rộng rãi hơn cả. Trong y tế, than hoạt tính được sử dụng dưới dạng bột hay viên thuốc để hấp thụ các chất độc từ hệ thống tiêu hóa hay trong các thiết bị thở, dùng làm khẩu trang, mặt nạ phòng độc. Trong công nghiệp, than hoạt tính được dùng để lọc tạp chất trong các sản phẩm khác nhau như: đường, các sản phẩm dược phẩm.
Than hoạt tính
Khẩu trang than hoạt tính
Carbon nano được điều chế trong những năm 1994 gồm cacbon ống nano (Carbon nanotube), fulleren là các dạng cacbon biến tính được phát hiện ra trong quá trình phóng điện hồ quang giữa 2 điện cực than chì.
Fulleren
Cacbon ống nano
Cacbon ống nano có rất nhiều ứng dụng trong mực in và bột màu vì kích thước nano của nó. Ống nano cacbon cũng được triển khai trong các hệ thống cơ điện nano, bao gồm các thành phần bộ nhớ cơ học và motor điện cỡ nano.
Fulleren là dạng hình quả cầu, có các dạng C20, C60, C70, C76 và C84. Ví dụ C60 là gồm 60 phân tử Carbon liên kết lại với nhau tạo thành quả cầu. Bao gồm các vòng 5 và vòng 6 xen kẽ nhau, liên kết lại tương như trái bóng. Hiện nay, các nhà khoa học đang cố gắng nghiên cứu dạng này vì nó mở ra 1 tiềm năng trong việc ứng dụng chữa bệnh AIDS vì C60 có dạng hình quả cầu có khả năng chứa thuốc chữa bệnh, len lỏi trong cơ thể để tìm đến từng con virut để tiêu diệt.
Với sự hỗ trợ của khoa học công nghệ, các nhà khoa học vẫn đang không ngừng tìm kiếm, tổng hợp và nghiên cứu ứng dụng của các dạng thù hình khác nhau của cacbon. Hy vọng chúng ta sẽ được sử dụng nhiều thành quả của các nghiên cứu này.