Kohlenstoff kann sehr exotische Formen annehmen: schlauchartige Gebilde, die wegen ihrer winzigen Durchmesser von weniger als einem tausendstel Mikrometer Nanoröhrchen genannt werden, dazu fußballförmige Kohlenstoffkügelchen, von den Fachleuten Fullerene getauft, die aus 94 oder mehr einzelnen Kohlenstoffatomen bestehen und in deren Innerem sich Stoffe oder gar Medikamente transportieren lassen. Als Hoffnungsträger der Materialforschung gilt besonders das Graphen – Blätter aus sechseckig angeordneten Kohlenstoffatomen. Sie entstehen zum Beispiel aus Graphit, wenn man mit einem Bleistift auf einem Blatt Papier zeichnet. Diese Modifikation des Kohlenstoffs besteht aus extrem dünnen Lagen, die jeweils nur ein Atom dick sind, sonst aber ein verzweigtes Netz aus honigwabenförmigen Kohlenstoffringen bilden, in denen die einzelnen Atome einfach oder doppelt miteinander verbunden sind.

Eine einzelne Schicht dieses Stoffs bezeichnen die Materialforscher als Graphen. Diese Flächen sind extrem stabil. Sie besitzen die höchste Zugfestigkeit, die Forscher je ermittelten; sie ist rund 125-mal höher als die von Stahl. Gleichzeitig leitet Graphen hervorragend Strom.

Bemerkenswert ist die Tatsache, dass die Energie der Leitungselektronen im Graphen direkt proportional zu ihrem Impuls ist – was das Material zu einem sehr guten Stromleiter macht. Normalerweise ist die Energie für Teilchen mit einer Ruhemasse proportional zum Quadrat des Impulses. Im Graphen besitzen die Ladungsträger daher die gleiche Energie-Impuls-Beziehung wie Photonen – das sind die Teilchen respektive Quanten des Lichts. Die Elektronen verhalten sich in Graphen also so, als hätten sie keine Ruhemasse. Deswegen bewegen sie sich alle mit nahezu der gleichen hohen Geschwindigkeit. Sie entspricht etwa einem Drittel der Lichtgeschwindigkeit. Das führt zu einer formidablen elektrischen Leitfähigkeit, die größer ist als die von Kupfer.

Deswegen träumen viele Wissenschaftler schon davon, winzig kleine elektronische Bauteile aus diesen dünnen Kohlenstoffschichten herzustellen zu können. Die wären extrem leicht, thermisch sehr stabil und flexibel. Doch müssten die Ingenieure das perfekte Kohlenstoffnetz dazu an geeigneten Stellen gezielt verändern: etwa Teile herausschneiden oder einzelne Kohlenstoffatome gezielt durch andere Elemente ersetzen, um im sonst homogenen Graphen künstlich elektronische Bandlücken zu erzeugen, die typisch sind für Halbleiter, die beispielsweise aus Silizium oder Germanium bestehen.