प्रत्येक सामग्री में ऐसे तत्व होते हैं जो विभिन्न मूल तत्वों के सम्मिश्रण होते हैं, लेकिन ग्रेफाइट अद्वितीय होता है क्योंकि इसमें ग्रेफाइट के कई अलग-अलग रूप होते हैं। ग्रेफाइट की संरचना बहुत सरल है – ग्रेफाइट में शुद्ध ग्रेफाइट की कई परतें होती हैं जो विभिन्न ग्रेफाइट परतों के सीमेंटिंग द्वारा एक साथ रखी जाती हैं। ग्रेफाइट के सबसे आम आकार क्यूब्स और स्ट्रिप्स हैं। बहुत से लोग मानते हैं कि सभी ग्रेफाइट समान हैं, लेकिन यह बिल्कुल असत्य है।
ग्रेफाइट की विभिन्न रचनाएँ प्रकृति में खोजी जाती हैं, लेकिन उन्हें बड़ी प्रयोगशालाओं में भी बनाया जा सकता है। यहां उनका अध्ययन करने के लिए उन्हें अत्यधिक उच्च तापमान के संपर्क में लाया जाता है और फिर एक्स-रे, ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी और इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी जैसी विभिन्न तकनीकों का उपयोग करके जांच की जाती है। इन परिणामों का विश्लेषण वैज्ञानिकों को ग्रेफाइट परतों की संरचना निर्धारित करने और उनके गुणों को निर्धारित करने में सक्षम बनाता है। इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग में अनुप्रयोगों के लिए ग्रेफाइट के कुछ रूपों का उपयोग किया जाता है, लेकिन ग्रेफाइट के अन्य रूपों का उपयोग रोड टार के रूप में किया जाता है, जो अनिवार्य रूप से ग्रेफाइट की एक पतली परत होती है जिसमें चिपकने वाली पट्टी होती है जिसका उपयोग सड़क पर घर्षण जोड़ने के लिए किया जाता है।
ग्रेफाइट में एक रासायनिक बंधन द्वारा एक साथ रखे गए ग्रेफाइट क्रिस्टल की परतें होती हैं। ये बंधन आमतौर पर या तो सिलिकॉन या नाइट्रोजन की उपस्थिति या दोनों के संयोजन के कारण होते हैं। ग्रेफाइट की परतें किस चीज से बनी हैं, इसके आधार पर रासायनिक बंधन कमजोर या मजबूत हो सकते हैं, और क्रिस्टल संरचना का निर्माण कैसे किया जाता है, इसके आधार पर वे सीधे या सर्पिल हो सकते हैं। ज्यादातर लोग सोचते हैं कि ग्रेफाइट की संरचना कार्बन परमाणुओं की संख्या और आकार से निर्धारित होती है, लेकिन वास्तव में इसके अलावा भी बहुत कुछ है। किसी दिए गए क्रिस्टल परत की संरचना पूरी तरह से भिन्न हो सकती है, यह इस बात पर निर्भर करता है कि यह कहाँ स्थित है, यह किस वातावरण के संपर्क में है और कई अन्य कारक हैं।
ग्रेफाइट एलोफोन कई प्रकार के होते हैं, जिनमें शामिल हैं: ग्रेफाइट, फेरिक, एम्फीबोल और कार्बन एलोमोर्फ। एलोमोर्फ इस मायने में समान हैं कि उनकी संरचना में हाइड्रोजन और एक इलेक्ट्रॉन द्वारा एक साथ बंधे दो कार्बन एलोफोन होते हैं। वे ग्रेफाइट के सबसे अधिक पाए जाने वाले रूप हैं और इसलिए उनका विश्लेषण करना काफी आसान है। जबकि उन्हें प्रकृति में क्रिस्टलीय नहीं माना जा सकता है, वे एक ही क्रिस्टल संरचना का प्रदर्शन करते हैं। ग्रेफाइट और एलोमोर्फ के बीच मुख्य अंतर यह है कि एलोमोर्फ बहुत कम आम हैं और आमतौर पर कम सांद्रता में देखे जाते हैं।
ग्रेफाइट के कई रूपों में कार्बनिक सॉल्वैंट्स होते हैं, जो पानी आधारित रसायन होते हैं जो सॉल्वैंट्स को बिना किसी प्रयास के पदार्थ में कार्बन परमाणुओं को भंग करने की अनुमति देते हैं। सॉल्वैंट्स कार्बनिक सॉल्वैंट्स की एक विस्तृत विविधता में से एक हो सकते हैं, जिसमें शामिल हैं: एसीटोन, मेथिलीन क्लोराइड, प्रोपलीन ग्लाइकोल और ब्यूटेन। ग्रेफाइट विभिन्न कार्बनिक सॉल्वैंट्स से बनाया जाता है जब वे कार्बन या हाइड्रोजन परमाणुओं के साथ प्रतिक्रिया करते हैं जो सामग्री बनाते हैं। जब कार्बनिक विलायक ग्रेफाइट के साथ प्रतिक्रिया करता है, तो कार्बन परमाणु ऑक्सीजन परमाणुओं के साथ मिलकर कार्बन बनाते हैं। पेट्रोलियम जैसे कार्बनिक सॉल्वैंट्स ग्रेफाइट के साथ प्रतिक्रिया नहीं करते हैं और कार्बन नहीं बनाते हैं।
ग्रेफाइट प्रकृति में हवा के संपर्क में आने पर ग्रेफाइट ब्लॉकों के टूटने से बनता है। ग्रेफाइट क्रिस्टल हवा के साथ सल्फ्यूरिक और अमीनो एसिड की बातचीत से बनते हैं, जो पदार्थ में कार्बन परमाणुओं और हाइड्रोजन परमाणुओं के बीच एक मजबूत सहसंयोजक बंधन उत्पन्न करते हैं। जब सहसंयोजक बंधन की ताकत सबसे अधिक होती है, तो ग्रेफाइट भंगुर हो जाता है और पतले गुच्छे में टूट जाता है। जैसे-जैसे ग्रेफाइट के गुच्छे आकार में बढ़ते हैं, वे भारी और अधिक लम्बे हो जाते हैं और आकार में एक दूसरे के समान हो जाते हैं। ग्रेफाइट के विभिन्न आकार बनाने वाली प्रक्रिया को कायापलट कहा जाता है।
चूंकि कार्बन और हाइड्रोजन के बीच बंधन की ताकत कमजोर सहसंयोजक बंधनों से अधिक है, इसलिए ग्रेफाइट का निर्माण रासायनिक ज्वाला के उच्च तापमान के अधीन किया जा सकता है। जब एक चिंगारी कार्बन परमाणुओं से हाइड्रोजन और ऑक्सीजन को मुक्त करने वाली रासायनिक प्रतिक्रिया को बंद कर देती है, तो ग्रेफाइट ऑक्सीकृत हो जाता है। हाइड्रोजन बांड की ताकत बढ़ जाती है, जो ग्रेफाइट को अन्य सामग्रियों की तुलना में खींचने के लिए अधिक प्रतिरोध देता है जो लौ के संपर्क में नहीं आते हैं।
ग्रेफाइट की परतों की संरचना उन पारंपरिक सामग्रियों से भी बहुत भिन्न होती है जिनका उपयोग कंप्यूटर से पहले किया जाता था जहां ग्रेफाइट की परतें शुद्ध कार्बन से बनी होती थीं, जो कार्बन की एक शीट होती है। ग्रेफाइट में, 3 परतें, या एलोट्रॉपी होती हैं, जो संरचनात्मक श्रृंखलाओं का समर्थन करती हैं। ये अलॉरोपोज़ कार्बाइड से बने होते हैं और ग्रेफाइट कार्बन क्रिस्टलीकरण के माध्यम से एलोट्रोपिज्म के माध्यम से बनता है।