マテリアルズインフォマティクス・材料

ダイヤモンドと鉛筆の芯は、同じ炭素なのになぜ正反対なのか

2026/6/21 シリーズ「原子の世界の歩き方」 第1回 / 全3回

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地球上で最も硬い物質はダイヤモンドだ。ガラスを切り、岩を削る。 一方、鉛筆の芯は紙の上でほろほろと崩れ、指でこすれば真っ黒に汚れる。

このふたつ、材料としては正反対なのに、中身はまったく同じだと言ったら驚くだろうか。 どちらも、純粋な炭素（C）——ただそれだけでできている。混ぜ物の違いではない。

ではなぜ正反対になるのか。答えは、原子の「並べ方」だ。

「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つとがっちり手をつなぎ、それが立体的に途切れなく続く。 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。手をつなぐ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つとしか手をつながない。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、シートがぺりぺり剥がれて紙に移る——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。

材料がまるで違うのに、原料は1ミリも違わない。違うのは、並べ方だけ。

なぜこの話から始めるのか——「材料＝並べ方」という見方

ここに、材料という分野のいちばん大事な発想が詰まっている。

材料の性質は、「何でできているか」だけでなく、「どう並んでいるか」で決まる。

この見方に立つと、「新しい材料を見つける」という仕事の正体が見えてくる。 それは、新しい元素を発見することではない（元素は出尽くしている）。 手持ちの原子を、まだ誰も試していない“並べ方”で組み上げることだ。

そして並べ方の候補は、天文学的な数になる。人間が一つひとつ試すには多すぎる。 ——だからこそ、コンピュータで「並べ方」を探すという発想が出てくる。それが、このシリーズで次にたどる「マテリアルズインフォマティクス」の出発点だ。

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、その射程はとても広い。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。「広すぎる」という感覚は的外れではない——実際そう使われている。ただ、その広がりの中心には、データから「構造と性質の対応関係（structure–property relationship）」を学び取る、という一点がある¹。この記事のダイヤモンドと黒鉛は、まさにその芯にあたる例だ。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勝負になる。MIで材料を特徴量（記述子・フィンガープリント）として表現する工夫が積み重ねられてきたのは、この一点のためだ。最初にこの対比を置いたのは、MIという広い分野の、いちばん芯にある「構造→性質」という問いを、いちばん極端なかたちで見せられるからである。

ちなみに、黒鉛のシートを1枚だけはがし取ったものが、いま話題の「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²。 鉛筆の芯の中に、ノーベル賞級の素材が層になって眠っていた——というのも、「並べ方がすべて」を物語っている。

（おまけの不思議：常温・常圧では、実は黒鉛のほうが“安定”で、ダイヤモンドはゆっくり黒鉛に戻ろうとする準安定な状態だ。「安定とは何に対してか」という話は、別シリーズ『凸包』で詳しく扱っている。）

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