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El carbono presenta muchas formas cristalinas, llamadas alótropos, siendo los más conocidos el diamante y el grafito. Los alótropos son formas diferentes del mismo elemento con enlaces entre átomos distintos, resultando estructuras que tienen propiedades químicas y físicas diferentes.

La forma en que se enlazan los átomos en materiales sólidos, tiene un gran impacto en sus propiedades generales. Así, por ejemplo, un diamante y un trozo de grafito (ambos, alótropos),  son tan diferentes, que nunca se diría que ambos están compuestos del mismo elemento, el carbono.

Un diamante es un compuesto duro y transparente que es extraído del interior de la Tierra, mientras que el grafito es un material ligero y negro extraído del carbón. En el diamante, cada átomo de carbono está conectado a otros cuatro átomos de carbono, lo que le confiere una dureza y un brillo excepcional. En cambio, en el grafito, cada átomo de carbono está enlazado con otros tres átomos en capas de formas hexagonales que se parecen a una colmena de abeja.

A pesar de ser tan delgado, el grafeno, también es el material más resistente, siendo unas 100 veces más resistente que el acero.

Dentro de sus múltiples propiedades, se destacan las siguientes:

1. Grosor de tamaño nanométrico, que  le hace ser transparente y muy flexible, pero al mismo tiempo, es un material muy duro y resistente.
2. Presenta excelentes propiedades tanto mecánicas, como eléctricas, ópticas y térmicas.
3. Es bidimensional y ligero, y cuenta sin embargo con una gran superficie específica (2600 m2/g), lo que le confiere una cierta capacidad de autoenfriamiento.
4. Es flexible, elástico, maleable, de forma que admite elongaciones de forma reversible y puede doblarse sin sufrir daño alguno.
5. Se puede enrollar para formar pequeñísimos tubos (nanotubos) o adoptar cualquier otra forma, por tanto, tienen menos posibilidades de quebrarse y son más duraderos.
6. Es más transparente, como el vidrio, debido a su poco espesor, absorbiendo solamente el 2% de la luz blanca incidente.
7. Es uno de los mejores conductores térmicos.
8.  Es un material híbrido, es decir, comparte características de los conductores y semiconductores. Y también propiedades aislantes.
9.  Es muy denso e impermeable. Sin embargo, deja pasar el agua sin dificultad. Esta propiedad podría ser muy importante, permitiendo la separación y filtración de sustancias, la destilación de ciertos líquidos, la producción de biocombustible, la eliminación de tóxicos en el agua o la purificación de ciertos productos químicos.

El gran número de propiedades del grafeno, o de los materiales basados en el grafeno, hacen que su espectro de potenciales aplicaciones sea muy amplio, prácticamente ilimitado.