Jak wiadomo, węgiel występuje w stanie naturalnym w formie dwóch odmian alotropowych: diamentu i grafitu. Pomimo tego, że jest to ten sam pierwiastek, różne hybrydyzacje orbitali atomów węgla generują całkiem odmienne właściwości tych dwóch materiałów. Diament, dzięki hybrydyzacji sp³, angażuje do wytwarzania wiązań z innymi atomami węgla wszystkie swoje orbitale powłoki walencyjnej, dzięki czemu jest twardy. Dodatkowo, nie przewodzi prądu (chociaż istnieją prace, gdzie diament domieszkowany jest m.in. azotem i badany jest pod kątem właściwości typowych dla półprzewodników), jest również słabym przewodnikiem ciepła.

Z kolei grafit, dzięki hybrydyzacji sp², zbudowany jest z heksagonalnie uporządkowanych warstw, przy czym warstwy te łączą tylko słabe oddziaływania van der Waalsa. Dzięki temu, grafit jest kruchy. Ponadto, przewodzi doskonale prąd elektryczny, czego dowodem jest powszechność stosowania elektrod grafitowych, również na skalę przemysłową. Właściwości te zapewniają grafitowi wspomniane warstwy – warstwy grafenowe. Co więcej, robiące karierę w badaniach naukowych i przemyśle wysokich technologii, takie nanosturktury węglowe jak fullereny czy nanorurki węglowe, to nic innego jak odpowiednio zmodyfikowane warstwy grafenowe.