奈米碳管是一種微小的中空碳管，碳原子以六邊形排列而成，就像構成石墨的碳片一樣。單壁奈米碳管的管壁只有一個原子厚，寬度通常大約是1奈米。奈米是公尺的十億分之一。奈米碳管的長度遠大於寬度，長度通常以微米（公尺的百萬分之一）為單位。

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本站採用的1奈米，是典型單壁奈米碳管橫截面的直徑。不同奈米碳管的寬度並不相同。一項針對34條單壁奈米碳管的研究，測得的直徑介於0.7到1.2奈米之間。

多壁奈米碳管是由多條管子一層套一層組成，因此寬度較大。飯島澄男在1991年描述的多壁奈米碳管，有2到大約50層管壁，寬度從數奈米到數十奈米不等。

長度也各不相同。前述針對34條管子的研究，只測量了長度超過3微米的管子，因此每條管子的長度都至少是其寬度的2500倍。

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飯島澄男於1991年11月7日在《自然》期刊上報告了奈米碳管的存在。他以電弧放電法製造這些奈米碳管，這種方法與製造巴克球所用的方法類似。針狀的管子在電弧的負極上長成。以電子顯微鏡觀察，每根針狀結構其實都是由2到大約50根碳管一層套一層組成的。

每根管子中的碳原子六邊形沿管身呈螺旋狀排列。飯島澄男指出，能夠製造出這些管子，顯示碳結構或許可以在遠大於巴克球的尺度上建構。

1993年，兩個研究團隊各自報告了單壁奈米碳管的發現。飯島澄男與Toshinari Ichihashi發現了寬度大約1奈米的管子；D. S. Bethune及其同事在碳中加入鈷後，發現了寬度大約1.2奈米的管子。

單一奈米碳管非常細小，肉眼無法看見，但某些種類會發出近紅外光。在2009年的一項研究中，研究人員利用這種光，以螢光顯微鏡拍攝了浸在水中的單一奈米碳管。管子受到周圍液體隨機撞擊而前後彎曲擺動，這種運動稱為布朗運動。

研究人員從這種彎曲情形發現，奈米碳管的勁度會隨直徑的立方增加：寬度加倍的管子，彎曲所需的力會變成8倍。奈米碳管因長度遠大於寬度、強度高，且具有電學性質，因而適合應用於工程材料與醫學領域。