碳元素是自然界中存在的与人类最密切相关、最重要的元素之一，其外层轨道的四个电子具有多种不同的杂化方式，如sp杂化、sp²杂化、sp³杂化等，这使得碳原子之间以及碳原子与其他原子之间可以形成多种多样的化学键，进而构成种类繁多的碳单质及化合物。可以说炭材料几乎包括了世界上所有物质所具有的性质，如：最硬-最软；绝缘体-半导体-导体；绝热-导热；全吸光-全透光等。炭材料的用途十分广泛，与人类的生活息息相关，如煤炭、焦炭、炭黑、活性炭、石墨、天然金刚石和人造金刚石薄膜等都与人类的生活有着密切的联系。

近年来，除了传统的炭材料，研究者也在不断的发展新型的炭材料，纳米炭材料由于具有特殊的物理化学性能，引起了科学界广泛的兴趣。上世纪八十年代以来，包括富勒烯、碳纳米管、石墨烯等在内的炭纳米材料相继被发现，这些新型的纳米炭材料由于具有很多优异的性能因而成为研究者关注的焦点。

以C60为代表的富勒烯是由60个碳原子以20个六元环和12个五元环连接而成的具有30个碳碳双键的足球状空心对称分子，因此也被称为“足球烯”，它是一种典型的零维纳米材料，是1985年由英国科学家H.W.Kroto、美国科学家R.F.Curl和R.E.Smally三人用质谱法检测激光束照射石墨时发现的，并于1996年度获得诺贝尔化学奖。富勒烯作为一种新的化合物，研究其电、磁、光等应用是非常重要的，可想像我们的未来生活中将有“无金属电线”、“富勒烯(非金属)钢筋的建筑物”、“富勒烯防弹背心”“富勒烯汽车壳”等。

碳纳米管是1991年被发现的一维纳米炭材料，主要由呈六边形排列的碳原子构成的数层到数十层的同轴圆管组成，层与层之间保持固定的距离，约0.34nm，直径一般为2~20 nm，按照层数可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。由于碳纳米管中碳原子采取SP²杂化，使得碳纳米管具有高模量和高强度等良好的力学性质。此外碳纳米管还具有良好的导电性和导热性，并可以制成透明导电的薄膜，用以代替ITO（氧化铟锡）作为传统的触摸屏材料。

石墨烯是由单层碳原子组成的二维平面结构，于2004年问世，其发现者英国曼彻斯特大学A.K.Geim教授于2010年获得诺贝尔物理学奖。石墨烯具有完美的二维晶体结构，它的晶格是由六个碳原子围成的六边形，厚度为一个原子层,它是目前所知的自然界中最薄的材料。石墨烯是一种透明、良好的导体，非常适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。石墨烯的产业化应用步伐正在加快，基于已有的研究成果，最先实现商业化应用的领域可能会是移动设备、航空航天、新能源电池领域。

随着科技的不断发展，炭材料家族似乎具有无限的开发可能性，也将为科学研究以及人类生活提供更丰富的色彩。