ダイヤモンドの指輪と鉛筆は、ロマンスや黄色い塗装を取り払ってしまえば、正反対のものには見えなくなります。指輪の石も、鉛筆が残す黒い線も、どちらも炭素でできています。違いは「構造」です。同じ原子が、異なる並び方で組み上がっているのです。
ダイヤモンドは、通常の温度と圧力では黒鉛のほうが炭素として低エネルギーで安定した形であるため、ゆっくりと黒鉛へ向かう傾向があります。この変化は本当に起こりますが、日常的な条件ではあまりにも遅く、ダイヤモンドは何百万年から何十億年も保つことがあります。
ダイヤモンドでは、炭素原子それぞれが隣り合う4つの炭素原子と結合し、ぎっしり詰まった三次元の格子構造を作っています。一方、黒鉛では、それぞれの炭素原子が平らなシート状の中で3つの隣接原子と強く結合し、そのシート同士はゆるくくっついているだけです。[1] この層状構造こそが、黒鉛が紙の上にこすれて跡を残せる理由です。鉛筆の線は、炭素が小さなシートとなってはがれ落ちたものなのです。
通常の条件では、黒鉛のほうがより安定した並び方です。ウェスト Texas A&M University の物理学者 Christopher S. Baird 博士は、典型的な条件下では黒鉛のほうが低エネルギーの配置であるため、ダイヤモンドは黒鉛へ劣化していくと説明しています。[1] 石を外から攻撃する特別な化学物質が必要なわけではありません。炭素原子が内部で並び替わり、一部の結合を切って別の結合を作る必要があるのです。
輝きと黒鉛を隔てる壁
ダイヤモンドが簡単に黒鉛へ崩れ落ちないのは、その原子が大きなエネルギー障壁の向こう側に閉じ込められているからです。Baird はこの状況を、浅い穴に立っていて、隣にもっと深い穴があるものの、その間に壁がある状態にたとえています。深い穴のほうがより安定した場所ですが、そこへ行くにはまず壁を越えられるだけのエネルギーを得なければなりません。[1]
化学者はダイヤモンドを準安定と呼びます。通常の温度と圧力では、ダイヤモンドは炭素の最低エネルギーの形ではありません。それでも、現在の構造にとどまったまま、驚くほど長い時間を過ごすことができます。[1] 熱力学的には黒鉛が有利です。しかし、変化がどれほど速く起こるかを扱う化学の分野である反応速度論が、ダイヤモンドを人間の時間感覚で目に見えて変化しないようにしているのです。
過ごしやすい室温で、激しいイオン衝撃や極端な熱から離れていれば、ダイヤモンドから黒鉛への変換は、実質的に存在しないと言ってよいほど遅くなります。[1] Baird は、普通の人間の生活環境で指にはめられたダイヤモンドは何百万年から何十億年も保つことがあり、「ダイヤモンドは永遠」という言葉は日常生活においては非常によい近似だと書いています。[1]
時間尺度をさらに大きく見積もる説明もあります。室温では、1立方センチメートルのダイヤモンドが完全に黒鉛へ変わるには宇宙の年齢をはるかに超える時間がかかるとされることもあります。一方、非常に高い温度では、この過程はずっと目立つものになり得ます。[3] 結婚指輪が鉛筆の黒鉛になるのを待つという賭けは、人間の一生では決して回収できない賭けなのです。
ダイヤモンドを急がせる方法
熱は炭素原子にエネルギーを与えます。Baird によれば、ダイヤモンドを加熱したりイオンを衝突させたりすると、原子が障壁を越え、黒鉛へ向かって再配置するのに十分なエネルギーを得ることがあります。[1] ただし、別の壊れ方もあります。高温の酸素中では、ダイヤモンドは黒鉛になるのではなく、燃えて二酸化炭素になることがあります。[2]
圧力は炭素を反対方向へ押しやります。ダイヤモンドは高圧下で有利になるため、机の上ではなく地球の深部で形成される理由の一部もそこにあります。[2] 天然の宝石品質のダイヤモンドの多くは非常に古く、しばしば約10億年から33億年前のものと年代測定されています。[2] それらが残っているのは、炭素がいったんダイヤモンド構造を取ると、その構造を元に戻すのが途方もなく難しいからです。
昔からあるスローガンは、物理的には間違っていますが、実用上は役に立ちます。厳密な意味で、ダイヤモンドは永遠ではありません。ダイヤモンドとは、輝かしく、頑固な配置に捕らえられた炭素であり、ほとんど気づかないほどゆっくりと、鈍い灰色の安定形である黒鉛へ傾いている存在です。指の上では、その石は輝き続けます。しかし、物質が最も低エネルギーの居場所を探すスケールでは、鉛筆は最初からずっと待っていたのです。
