マテリアルズインフォマティクス・材料

ダイヤモンドと黒鉛の違い：構造・硬さ・電気を通す理由

2026/6/21 （更新: 2026/10/14）

🤖 AIを使用して執筆

「立体の網」か、「重なった紙」か

ダイヤモンドでは、ひとつの炭素がまわりの4つと強く結合し、結合が立体的に途切れなく続く。この4方向の結合（正四面体状の配置）は、X線回折という手法でダイヤモンドの結晶構造が初めて解き明かされたときに示された、100年以上前から分かっている構造だ¹。 全体がひとつの巨大な“立体の網”になっている。どこを押しても、力はネットワーク全体で受け止められる。 だから硬い。結合の相手に余りがないので電子は動けず、電気を通さず、光もすり抜けるので透明だ。

黒鉛では、ひとつの炭素は3つとしか結合しない。すると原子は平らなシート状に並ぶ。 シートの中はとても丈夫なのに、シートとシートの間はほとんど“くっついていない”。 だから紙の上で軽くこするだけで、シートが剥がれて紙に移る。これが鉛筆で字が書ける理由だ。 余った電子がシートの上を自由に走れるので、電気も通す。 ここまでの硬さ・電気の通しやすさ・透明さの説明は、固体化学・結晶学の標準的な知見による。

材料がまるで違うのに、組成は同じ炭素だ。違うのは、並べ方だけ。

組成が同じなら、構造を数値で写し取る必要がある

ひとことで「マテリアルズインフォマティクス（MI）」と言っても、その射程は広い。材料データベースの整備から物性予測、新材料の探索まで、材料に情報技術を持ち込む営み全般を指す言葉だからだ。ただ、その広がりの中心には、材料そのものを数値の並び（記述子・フィンガープリント）として写し取り、そこから性質への対応を学ぶ、という一点がある²。ダイヤモンドと黒鉛は、その芯にあたる組だ。組成が同じ（どちらも炭素）でも、並べ方が違えば性質は正反対になる。つまり、「炭素である」という情報だけでは性質は決まらず、原子の並べ方（構造）をどう数値で写し取るかが問われる。

ここで引いた総説は、記述子の細かさを、扱う問題と求める予測の精度に応じて選ぶものとして整理している。そのうえで、原子1個ずつの環境を写し取る細かい記述子を、新しい試みとしてではなく、相や構造モチーフを精密に見分けるには欠かせないものとして扱っている。ただしその設計はなお主要な課題とされ、SOAP を含む候補がいくつも提案されている段階だ。総説はまた、原子の並びを細かく写す記述子（SOAP）が別の研究で同素体の区別に使えたことを挙げている（示されている例はケイ素の原子環境の分類だ）²。

黒鉛を1枚はがすとグラフェンになる

黒鉛のシートを1枚だけはがし取ったものが「グラフェン」だ。 2004年に取り出され、その研究は2010年のノーベル物理学賞になった³。 鉛筆の芯の中に、ノーベル賞級の素材が層になって入っていた。実際、選考機関のプレスリリースも、2人がふつうの鉛筆に入っているような黒鉛からグラフェンを取り出したと書いている³。同じ受賞の一般向け解説は、グラフェンをこれまでで最も薄く、しかも最も強い材料と呼び、電気を銅と同じくらいよく通すと書いている³。この事実も、性質が組成だけでは決まらないことの一例だ。 一般向け解説はまた、グラフェンを丸めればカーボンナノチューブ、折りたためばフラーレン（1996年のノーベル化学賞）になると書いている。炭素の並べ方は、ダイヤモンド・黒鉛・グラフェンの3つで尽きない³。

常温・常圧で安定なのは黒鉛のほう

常温・常圧では、黒鉛のほうが“安定”な形とされ、ダイヤモンドはそちらへ戻ろうとする準安定な状態だ。ただし固体のまま結晶の形が変わる際の活性化エネルギーは高く、常温ではその変化はほとんど進まない。炭素の圧力・温度と結晶形の対応関係（相図）を整理した総説も、固相変態の活性化エネルギーが高いので、黒鉛とダイヤモンドのほかにも準安定な形が生じ、そのまま残りうると述べている⁴。

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