Met elk voorbijgaand decennium worden nieuwe allotrope koolstofvariëteiten ontdekt. Tegenwoordig wordt hun hypothetische aantal al geschat op ongeveer 500. Er is geen ander dergelijk veelzijdig element ter wereld.
Korte kenmerken van koolstof
Koolstof (C) is een element dat is geclassificeerd als een niet-metaal met atoomnummer 6. Dit betekent dat het zes protonen in de kern heeft en hetzelfde aantal elektronen in de niet-geïoniseerde vorm. Hoewel het relatief zeldzaam is in de aardkorst, vormt het meer verbindingen dan enig ander element . Het is een sleutelelement van alle levende organismen; het bouwt de structuur van eiwitten, koolhydraten en vetten op. Het is in de atmosfeer aanwezig als koolstofdioxide (CO 2 ), een van de fasen van de koolstofcyclus in de natuur.
Wat zijn de allotrope koolstofvariëteiten?
De structuur die uit koolstofatomen bestaat, kan vele fysieke vormen aannemen. Dit fenomeen wordt allotrope koolstofvariëteiten genoemd. Allotropie is een fenomeen dat een groot aantal metalen en niet-metalen aantast. Het komt voor wanneer verschillende variëteiten van een bepaald element in dezelfde fysieke staat aanwezig zijn en ze verschillende chemische en fysieke eigenschappen hebben . Ze kunnen een kristallijne of moleculaire structuur hebben en verschillen in het aantal atomen in het molecuul. De bekendste allotrope koolstofvariëteiten die in de natuur voorkomen zijn grafiet en diamant , zeer verschillend in kleur, structuur en zachtheid. Bovendien slaagden wetenschappers erin om onder laboratoriumomstandigheden tientallen andere variëteiten te creëren. 
Grafiet – een veelzijdig mineraal
Het is geen toeval dat het grafiet dat gewoonlijk met een potlood wordt geassocieerd, een zacht, grijszwart mineraal is, dat vettig en vuil aanvoelt. Het is ook een uitstekende geleider van elektriciteit en warmte, het is onoplosbaar in water en heeft smerende eigenschappen. Het komt voor in twee soorten structuren: hexagonaal en trigonaal, en de atomen zijn met elkaar verbonden in een netwerk van parallelle vlakken. Net als de andere koolstofallotropen is grafiet bestand tegen hoge temperaturen. Het wordt gebruikt voor de productie van elektroden en smeltkroezen, vuurvaste vaten en vuurvaste stenen. Daarnaast wordt het gebruikt bij de productie van smeermiddelen, corrosiewerende verven en polijstmiddelen. Grafiet komt in de natuur voor in metamorfe gesteenten zoals grafietleisteen en kristallijne leisteen. Tegenwoordig is de grootste producent China. Voor commerciële doeleinden wordt grafiet verkregen door pyrolyse van antraciet in een stikstofatmosfeer.
Diamant – de meest kostbare edelsteen
Het is moeilijk om twee meer verschillende koolstofallotropen te vinden dan diamant en grafiet. De diamant is het hardste mineraal ter wereld, beoordeeld met 10 op de 10-punts Mohs-schaal. Het komt voor als octaëdrische of hexaëdrische kristallen met hoge glans en gedeeltelijke transparantie. De kostbaarste diamanten zijn kleurloos , maar door vervuiling kunnen ze ook geel, roze, blauw of bruin worden. Ze geleiden geen elektriciteit, maar zijn goede warmtegeleiders. Hoewel hun oppervlak alleen kan worden bekrast door een andere diamant, zijn ze relatief kwetsbaar. Natuurlijke diamanten komen voornamelijk voor in primaire kimberliet- en kruimelafzettingen gevormd door translocatie. De hoogste kwaliteit stenen worden voornamelijk gebruikt in sieraden. Na passend polijsten worden ze diamanten genoemd en bereiken ze duizelingwekkende prijzen op de internationale markt. Diamanten van lagere kwaliteit en synthetisch afgeleide kristallen zijn ook een belangrijke industriële grondstof . Vanwege hun hardheid worden ze gebruikt bij de productie van messen, boren en schuurmiddelen. Diamanten worden ook gebruikt om elementen van medische en wetenschappelijke apparatuur, hardheidsmeters en warmtegeleidende pasta’s te produceren. 
Fullerenen, dwz allotropen van roet
In de natuur komen fullerenen ook in kleinere hoeveelheden voor. Het zijn bruine of zwarte doorschijnende vaste stoffen met een metaalachtige glans. Hun moleculen bestaan uit grotere hoeveelheden koolstofatomen – van 28 tot zelfs 1500. Deze relatief recent ontdekte allotrope koolstofvariëteiten bestaan uit veel verschillende structuren. Bolvormige C60-deeltjes die kristallen vormen, ook bekend als "buckyball", worden als de meest duurzame beschouwd. Daarnaast kunnen fullerenen ook een meerlaagse vorm (de zogenaamde nanobellen ) of cilindrisch (de zogenaamde nanobuisjes ) hebben. Fullerenen hebben een lage chemische activiteit en zijn onoplosbaar in water. Ze hebben halfgeleider- en supergeleidende eigenschappen. Als gevolg hiervan worden ze veel gebruikt in de elektronica, optische, biomedische en nanotechnologie-industrie. Hun antioxiderende en farmacologische potentieel verdient bijzondere aandacht. Door hun structuur en biocompatibiliteit kunnen ze fungeren als dragers van geneesmiddelen. Fullerenen worden voornamelijk gewonnen uit roet. Hiervoor worden een aantal oplosmiddelen gebruikt die het scheiden van specifieke soorten moleculen mogelijk maken. Als alternatief kunnen ze worden verkregen uit een ander koolstofallotroop – grafiet dat wordt gebombardeerd met een laserstraal in een vacuüm.
Grafeen – tweedimensionale koolstof
Een van de laatst ontdekte koolstofallotropen is grafeen . Het is een platte structuur gemaakt van enkele koolstofatomen gerangschikt in de vorm van honingraten. Omdat het één atoom dik is, wordt het conventioneel beschouwd als een tweedimensionaal materiaal. Grafeen is een uitstekende geleider van warmte en elektriciteit. De grootste voordelen zijn ook transparantie en extreem hoge elektronenstroomsnelheid – zelfs hoger dan in silicium. Bovendien is grafeen extreem hard en bestand tegen uitrekken. Door deze eigenschappen kan grafeen silicium in de elektronica-industrie vervangen. De huidige en toekomstige toepassingen omvatten de productie van hogesnelheidstransistors, oprolbare touchscreen-displays en fotovoltaïsche modules met batterijen voor energieopslag. Net als andere koolstofallotropen kan grafeen worden gebruikt als drager voor medicijnen, als grondstof voor weefselmanipulatie en zelfs als middel bij oncologische therapie. Grafeen kan op veel verschillende manieren worden verkregen. Tegenwoordig worden chemische dampafzetting (CVD) en thermische ontleding van siliciumcarbide het meest gebruikt. De oorspronkelijke methode om de laag koolstofatomen los te maken met plakband wordt soms ook gebruikt voor laboratoriumdoeleinden. 
cyclokoolstof
Een nog nieuwere allotrope koolstofvariant dan grafeen wordt cyclocarbon genoemd. Het vormt een ring van 18 koolstofatomen. Er zijn afwisselend enkele en drievoudige bindingen tussen hen. Net als grafeen is cyclokoolstof slechts één atoom dik. De eerste schattingen laten echter zien dat het een halfgeleider is. De andere eigenschappen blijven onbekend. Volgens de wetenschappers zal het mogelijk zijn om cyclocarbons te maken met verschillende aantallen atomen in de ring. Hun mogelijke toepassingen zijn onder meer de miniaturisering van elektronische apparaten .
Andere allotrope koolstofvariëteiten
Koolstof blijft, ondanks zijn alledaagsheid, een van de meest fascinerende elementen. Er wordt nog steeds onderzoek gedaan om de eigenschappen ervan beter te benutten. Allotrope koolstofvariëteiten lijken in dit opzicht bijzonder veelbelovend. Een interessant polymeer, tot dusverre in het gebied van hypothetische overwegingen, is carbyne . Deze naam verwijst naar een ketting gemaakt van koolstofatomen met een potentiële sterkte die 40 keer groter is dan die van een diamant. Dit materiaal is echter zo onstabiel dat het tot nu toe alleen in de nanobuis is geproduceerd. Een andere veelbelovende allotrope variëteit van koolstof is de zogenaamde Q-carbon . Het heeft een driedimensionale structuur waarin koolstofatomen drie liganden vormen. De waarschijnlijke toepassingen zijn onder meer het verbeteren van de energieopslag in lithiumbatterijen. Daarnaast kennen we ook het koolstof nano-schuim , een poreuze kristallijne structuur met magnetische eigenschappen. Carbon black is ook een specifieke amorfe allotrope variëteit van koolstof. De toekomst zal uitwijzen hoe deze en andere unieke koolstofstructuren zullen worden gebruikt. Er is een overvloed van het element in de wereld, dus de ontwikkeling van technologie mag de stabiliteit van hulpbronnen of de natuurlijke omgeving niet bedreigen. Er is zelfs een goede kans dat allotrope koolstofvariëteiten zullen helpen om energie beter te beheren en veel industriële processen te verbeteren.
