Τα διαμάντια και η μύτη των μολυβιών αποτελούνται από το ίδιο ακριβώς στοιχείο: τον άνθρακα.

Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται αλλοτροπία και περιγράφει την ικανότητα ενός στοιχείου να υπάρχει σε διαφορετικές μορφές με την ίδια χημική σύσταση. Στον γραφίτη, κάθε άτομο άνθρακα συνδέεται με τρία άλλα σε επίπεδα εξάγωνα, δημιουργώντας φύλλα που συγκρατούνται από ασθενείς δυνάμεις Van der Waals. Αυτή η δομή επιτρέπει στα στρώματα να αποκολλώνται εύκολα, γι' αυτό και ο γραφίτης χρησιμοποιείται ως λιπαντικό και υλικό γραφής από το 1565, όταν ανακαλύφθηκε το πρώτο μεγάλο κοίτασμα στο Borrowdale της Αγγλίας.Αντίθετα, το διαμάντι σχηματίζεται σε συνθήκες ακραίας πίεσης, περίπου 50.000 φορές μεγαλύτερης από την ατμοσφαιρική, και θερμοκρασίας άνω των 1.000 βαθμών Κελσίου βαθιά στον μανδύα της Γης. Σε αυτές τις συνθήκες, κάθε άτομο άνθρακα συνδέεται με τέσσερα άλλα σε μια ισχυρή τετραεδρική δομή μέσω ομοιοπολικών δεσμών. Αυτή η διάταξη είναι που προσφέρει στο διαμάντι την κορυφαία θέση στην κλίμακα σκληρότητας Mohs με βαθμό 10, ενώ ο γραφίτης βρίσκεται μόλις στο 1 με 2.Η επιστημονική μελέτη αυτών των δομών εντάθηκε τον 20ό αιώνα με τη χρήση της κρυσταλλογραφίας ακτίνων Χ, η οποία επιβεβαίωσε τις ακριβείς αποστάσεις μεταξύ των ατόμων. Παρά τη χημική τους ταυτότητα, η ενέργεια που απαιτείται για να μετατραπεί ο γραφίτης σε διαμάντι είναι τεράστια, γεγονός που εξηγεί γιατί τα διαμάντια είναι τόσο σπάνια και πολύτιμα. Σήμερα, η βιομηχανία παράγει συνθετικά διαμάντια αναπαράγοντας αυτές τις ακραίες γεωλογικές συνθήκες σε εργαστηριακό περιβάλλον.