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一直以来，科学家们对碳元素的研究不曾间断。研究表明：透明的金刚石、灰色的石墨都是由碳元素组成的单质，可见，同种元素能组成不同的物质。
金刚石硬度大，是自然界存在的最硬的物质。利用这一性质，金刚石可用来裁玻璃、切割大理石、加工坚硬的金属。天然金刚石资源稀少，价格昂贵，难以满足需求，现在人们已经掌握了人工合成金刚石的方法。
石墨是一种深灰色、有金属光泽而不透明的细鳞片状固体。石墨很软，有滑腻感。石墨的导电性比一般非金属矿高一百倍。导热性超过钢、铁、铅等金属材料。导热系数随温度升高而降低，因此石墨可以成为良好的绝热体。
很长一段时间里，人们一直认为碳元素只有金刚石和石墨两种单质，随着对碳元素研究的不断深入，到本世纪80年代终于有了突破性进展。1985年，美国莱斯大学的H・W・Kroto等人用大功率激光照射石墨等科技手段得到了C60 ， 其组成和结构也通过质谱及X射线分析等得到证明。一个C60分子是由60个碳原子构成的，它形似足球，因此又称足球烯。C60是单纯由碳原子结合形成的稳定分子，它具有60个顶点和32个面（其中12个为正五边形，20个为正六边形）。目前，人们对C60的认识正在不断深入，北京大学和中国科学院的化学工作者通过金属钾与C60化合反应制得球碳盐，实验测知该物质具有良好的超导性能。
20世纪90年代初，一些以新的形态存在的碳单质相继被发现，如碳纳米管、石墨烯等。
石墨烯是一种由碳原子构成的单层呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，是目前世界上人工制得的最薄材料——厚度与一个碳原子直径相当，仅为0.335nm，因此石墨烯具有薄且坚硬、透光率好、结构稳定等特性。石墨烯凭借其优良的特性，在智能手机、电脑、车载显示、可穿戴智能设备等新兴领域将会得到广泛的应用。
可以相信，随着科学技术的发展，碳单质的用途将不断扩大。
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