Le diamant et la mine de crayon sont faits du même élément : le carbone pur.

Le diamant et le graphite sont des allotropes du carbone, ce qui signifie qu'ils possèdent la même composition chimique mais des structures cristallines différentes. Dans le graphite, chaque atome de carbone est lié à trois autres dans un plan hexagonal. Ces plans sont maintenus par des forces de Van der Waals très faibles, permettant aux couches de glisser facilement, une propriété identifiée par le minéralogiste Abraham Gottlob Werner en 1789.À l'inverse, le diamant se forme sous des pressions extrêmes dépassant 5 gigapascals et des températures supérieures à 1200 degrés Celsius, généralement à plus de 150 kilomètres sous la surface terrestre. Dans cette structure, chaque atome de carbone est lié de manière covalente à quatre autres atomes dans une configuration tétraédrique parfaite. Cette liaison est l'une des plus fortes de la nature, plaçant le diamant au sommet de l'échelle de Mohs avec une valeur de 10.La différence de densité est également frappante, le diamant affichant environ 3,51 grammes par centimètre cube contre 2,26 pour le graphite. Bien que le graphite soit la forme la plus stable du carbone à température ambiante, la barrière énergétique pour transformer le diamant en graphite est si élevée qu'elle prendrait des millions d'années sans intervention humaine. Cette dualité illustre parfaitement le concept de polymorphisme en cristallographie, où l'organisation spatiale définit les propriétés physiques globales.