Diamantul și mina de creion sunt făcute din același element: carbon pur.

Acest fenomen chimic este cunoscut sub numele de alotropie, unde același element chimic există în forme fizice diferite. În grafit, fiecare atom de carbon este legat de alți trei atomi în straturi hexagonale bidimensionale. Aceste straturi sunt menținute împreună de forțe Van der Waals slabe, permițându-le să alunece unul peste altul la cea mai mică presiune, motiv pentru care grafitul este un lubrifiant excelent și lasă urme pe hârtie.În contrast, diamantul se formează la adâncimi de peste 150 de kilometri sub scoarța terestră, unde presiunile depășesc 5 gigapascali și temperaturile trec de 1.000 de grade Celsius. În aceste condiții extreme, fiecare atom de carbon se leagă covalent de alți patru atomi într-o structură tetraedrică perfectă. Această configurație tridimensională este incredibil de stabilă și rigidă, oferind diamantului valoarea maximă de 10 pe scara de duritate Mohs, stabilită de Friedrich Mohs în 1812.Interesant este că, din punct de vedere termodinamic, grafitul este forma mai stabilă la suprafața Pământului. Teoretic, diamantele se transformă foarte lent în grafit de-a lungul a milioane de ani, însă bariera de energie necesară pentru această tranziție este atât de mare încât procesul este practic imperceptibil. Această descoperire a fost esențială pentru dezvoltarea diamantelor sintetice în 1954 de către echipa condusă de Tracy Hall la General Electric.