ダイヤモンドと鉛筆の芯は、同じ炭素なのになぜ硬さがまるで違うの？
― 地下150kmの圧力が、原子を詰めこみ直しました

鉛筆の芯は、紙にこするだけで黒く削れていきます。ダイヤモンドは、ほかのどんな天然の石にも傷をつけられないほど硬い宝石です。ところがこの2つは、どちらも炭素という同じ原子だけでできています。違うのは、原子どうしのつながり方です。そして、そのつながり方を決めたのは、人が決して行けない地下深くのとてつもない圧力でした。

違いを生んだ理由は、2つだけ

1つめは「なぜ硬さが違うのか」、2つめは「なぜダイヤモンドは珍しいのか」に答えています。順に見ていきましょう。

板を重ねただけの芯と、四方に手をのばした宝石

図1の左を見てください。黒鉛では、1つの炭素原子が、同じ平面にある3つの原子と強く結びついています。これが、蜂の巣のような六角形の模様の板になります。板の中の結びつきはとても強いのですが、板と板の間は、弱い力でゆるく重なっているだけです。

だから、紙にこすると板がずるりとすべり、はがれた板が紙にくっつきます。これが鉛筆の線の正体です。黒鉛がやわらかく感じるのは、原子の結びつきが弱いからではありません。はがれやすい向きがあるからです。

図1の右がダイヤモンドです。こちらは1つの原子が、4つの原子と結びついています。4本の手は、上下左右のどの向きにも広がっていて、網は立体的に途切れなくつながっています。どこから押しても、どこかをはがそうとしても、必ず強い結びつきを切らなければなりません。これが、天然の物質でいちばん硬い理由です。

詰まった形は、地下の深くでしか生まれない

図1の下の数字をくらべると、同じ大きさでもダイヤモンドは黒鉛の1.6倍ほど重くなります。つまり、原子がよりぎゅっと詰まった形です。強い圧力をかけると、物質は体積の小さい形のほうへ移ろうとします。だから、押しつぶすような圧力のもとでは、炭素にとってダイヤモンドの形が「落ち着く形」になります。

ただし、その圧力はけた外れです。天然のダイヤモンドの多くは、大陸の下、深さおよそ150キロメートルより深い場所で生まれたと考えられています（図2）。温度は1000℃を超え、圧力は大気のおよそ5万倍とされています。指先ほどの1平方センチメートルに、ゾウおよそ10頭ぶんの重さがのしかかる計算です。

地表のような弱い圧力では、炭素にとって落ち着くのは黒鉛のほうです。ですから黒鉛は、地表の岩石の中でも普通に見つかります。一方、ダイヤモンドを手に入れるには、地下深くで生まれた結晶を、誰かが地表まで運び上げてくれなければなりません。

地表に来たダイヤモンドは、なぜ黒鉛に戻らないの？

ここで疑問がわきます。地表では黒鉛のほうが落ち着く形なら、ダイヤモンドはやがて黒鉛に戻ってしまうのでしょうか。

答えは「戻りたがってはいるけれど、戻れない」です。立体の網を組み替えるには、いったん強い結びつきをたくさん切る必要があります。常温では、そのきっかけになるエネルギーがまったく足りません。そのため、変わる速さは人の一生どころか、地球の歴史の長さでも気づけないほど遅いと考えられています。

ゆっくり上がってくると、途中の高温の場所で黒鉛に変わってしまうおそれがあります。天然のダイヤモンドが残ったのは、ガスを多く含んだ特別なマグマが、図2の矢印のように数時間から数日ほどで一気に地表近くまで吹き上げたからだと考えられています。この通り道が冷えて固まった岩が、世界の鉱山で掘られている「キンバーライト」です。

まとめ

鉛筆の芯とダイヤモンドは、どちらも炭素だけでできています。黒鉛は平らな板が重なっただけなのではがれやすく、ダイヤモンドは四方に手をのばした立体の網なのでとても硬くなります。そして、ぎゅっと詰まったダイヤモンドの形は、大気の約5万倍という極端な圧力のもとでしか生まれません。

材料が同じでも、並べ方が変われば別の物質になる。
ダイヤモンドは、地球の深さが炭素に刻んだ「圧力の記録」です。

圧力が物の形や性質を変える話は、ほかにもあります。とてつもない水圧の中で生き物がつぶれない理由は深海の生き物は、なぜあの水圧でつぶれないの？で、地球の中心の鉄が高い温度でも固体のままでいる理由は地球の中心は太陽の表面くらい熱いのに、なぜ溶けていないの？で紹介しています。原子の並び方で「浮く・沈む」が決まる話はなぜ氷は水に浮くの？もどうぞ。

※本記事は一般向けの科学解説です。掲載した数値は、しくみを理解するための目安・概算です。地下の温度や圧力、ダイヤモンドの年代には研究によって幅があります。