Diamant in grafit sta posebni obliki ogljika z zelo veliko kovalentno strukturo. Po lastnostih se grafit in diamant bistveno razlikujeta, razlog pa je v načinu povezovanja njunih delcev – atomov ogljika.
Ogljikov atom ima v zunanji lupini 4 elektrone, zato lahko tvori štiri vezne elektronske pare. V grafitu so atomi ogljika s tremi kovalentnimi vezmi povezani v plastovito strukturo. Preostali prosti elektroni se gibljejo med plastmi. To je tudi razlog, da je grafit dober prevodnik električnega toka. Plasti ogljikovih atomov, ki so med seboj šibko vezane, drsijo druga nad drugo, zato je grafit mehek in z njim lahko pišemo.
V diamantu so atomi ogljika s štirimi močnimi kovalentnimi vezmi povezani v veliko, trdno, togo tridimenzionalno strukturo. Električnega toka diamant torej ne prevaja. Ima visoko tališče (3550 °C). Zaradi njegove obstojnosti in izredne trdote lahko diamant uporabljamo za rezanje in vrtanje. Brušene diamante imenujemo briljanti.
Predstavnik tretje oblike ogljika je fuleren, C60. Molekulo fulerena sestavlja 60 atomov ogljika, ki so z močnimi kovalentnimi vezmi povezani v peterokotnike in šesterokotnike, ti pa v strukturo, ki ima obliko žoge.
Oblika ogljika, imenovana grafen, velja za eno najpomembnejših odkritij na področju dvodimenzionalnih kristalov v zadnjem desetletju. Grafen si najlaže predstavljamo kot žično ograjo, sestavljeno iz ogljikovih atomov, ki so povezani v obliki satovja. Ima veliko trdnost in dobro električno prevodnost. Je eden najmočnejših materialov, saj je približno dvestokrat močnejši od gradbenega jekla. Trenutno je eden najdražjih materialov na svetu, raziskave pa bodo pokazale, ali bo doživel večji komercialni uspeh.
Obliko ogljika, imenovano grafen, si predstavljamo kot žično ograjo, sestavljeno iz ogljikovih atomov, ki so povezani v obliki satovja. Ima veliko trdnost in dobro električno prevodnost. Je eden najmočnejših materialov, saj je približno dvestokrat močnejši od gradbenega jekla.
Poleg omenjenih oblik ogljika poznamo tudi obliko, znano pod imenom ogljikove nanocevke; v njih je vsak atom ogljika s kovalentnimi vezmi povezan s tremi sosednjimi ogljikovimi atomi v mrežo v obliki tankih in dolgih cevk. Ogljikove nanocevke so zelo močan in hkrati lahek material, zanimiv za uporabo na področjih nanotehnologije, elektronike, računalništva, optike, medicine ...
V ogljikovih nanocevkah je vsak atom ogljika s kovalentnimi vezmi povezan s tremi sosednjimi ogljikovimi atomi v mrežo v obliki tankih in dolgih cevk. Tvotijo zelo močan in hkrati lahek material.