یکی ازمهم ترین نانوساختار ها از جهت کاربرد وخواص،، نانوساختار های کربنی هستند. تمامی نانوساختار ها ازیک ماده ی واحد، کربن، ساخته شده اند. اما در نحوه ی قرارگیری اتم ها و پیوند بین آن ها تفاوت وجود دارد.
1- گرافیت:
گرافیت سیاه رنگ، رسانای الکتریسیته، گرما و به شدت نرم و انعطاف پذیر است. اتم های کربن گرافیت با پیوند کووالانسی در کنار هم قرار گرفته اند. در گرافیت هر اتم کربن با سه پیوند به اتم های کربن اطراف متصل می شود که این یک شبکه ی دو بعدی را تشکیل می دهد. تمامی اتم ها در یک صفحه قرار گرفته اند و زاویه ی بین آن ها 120 درجه است که باعث ایجاد ساختار لایه ای گرافیت می شوند.
2- الماس:
الماس نیز مانند گرافیت از اتم های کربن تشکیل شده است که با پیوند کووالانسی به هم متصل شده اند. اما تفاوت الماس با گرافیت در تعداد پیوند ها است. همان طور که ذکر شد در گرافیت در بین اتم های کربن سه پیوند وجود دارد. اما در الماس اتم های کربن با هر چهار پیوند ممکن اتصال پیدا کرده اند. در نتیجهف شبکه ای سه بعدی ایجاد می شود و زاویه ی بین پیوند ها 109.5 درجه است که باعث تفاوت چشمگیر بین این ماده است.
3- گرافن:
گرافن یک نانوماده ی دو بعدی است که به هر یک از تک لایه های گرافیت گفته می شود. قطر آن برابر با یک اتم کربن است. در واقع گرافن نازک ترین ماده ای است که بشر توانسته به آن دست پیدا کند و علاوه بر آن، مستحکم ترین ماده ی شناخته شده است. گرافن بهترین ماده ی رسانای مشاهده شده است و طراحی مکانیکی جالبی دارد. این ماده به علت قطر یک اتمی خود بسیار نازک و فوق العاده سبک است. خواص ویژه ی گرافن شامل شفافیت نوری به علت ضخامت خیلی کم، رسانش الکتریکی و رسانش حرارتی به علت تحریک الکترونی بسیار بالای آن است.
4- نانولوله های کربنی:
نانولوله های کربنی ساختاری لوله ای و تو خالی هستند که مساحت جانبی آن یک صفحه ی کربنی مانند گرافن یا گرافیت است. نانولوله ها خواصی مثل استحکام بالا، رسانایی الکتریکی و حرارتی بسیار بالا دارند. قطر نانولوله های کربنی از 0.4 تا 40 نانومتر است و نسبت طول به قطر آن ها می تواند تا چندین میلیون نیز برسد.
نانولوله ها از لحاظ تعداد دیواره هیشان به دو دسته ی نانولوله های تک جداره و نانولوله های چند جداره تقسیم می شوند. آن ها از لحاظ شکل ظاهری می توانند بسیار متفاوت باشند؛ می توانند انتها باز و یا انتها بسته باشند که تفاوت های چشمگیری در خواص آن ها به وجود می آورد. نانولوله های تک جداره نیز خود به سه دسته: 1) زیگزاگی، 2) دسته صندلی، 3) نامتقاون تقسیم بندی می شوند.
5- فولرین ها:
فولرین ها اولین ساختار های کربنی بوند که در سال 1954 کشف شدند. این نانوساختار ها به شکل کروی و بیضی وجود دارند که به فرم کروی آن «باکی بال» نیز گفته می شود. فولرین با 60 کربن با ایجاد 12 تا پنج ضلعی و 20 تا شش ضلعی پایدارترین فولرین هستند. فولرین ها با انواع حلال ها برهمکنش منحصر به فردی دارند و به علت ساختار مولکولی سخت آن ها در اثر برهمکنش با حلال ها دچار هیچ تغییری نمی شوند. آن ها ذاتا آبگریز اند و نیز حلالیت چندان مناسبی هم در حلال های آلی ندارند. اما دیده شده است که واکنش بین فولرین و حلال هایی با ساختار آروماتیک مثل تولوئن، موجب افزایش حلالیت فولرین می شود. ار کاربرد های فولرین می توان به مهار آنزیمی، کاربردهای ضد ویروسی، شکستن رشته های DNA و ... اشاره کرد.
