Одинаковые атомы — разная геометрия
Атом углерода не меняется: у него то же ядро и те же электроны. Меняется то, с какими соседями он связан и как расположены эти связи. В алмазе каждый атом соединён с четырьмя другими в жёсткую трёхмерную сеть. Она простирается во всех направлениях, поэтому кристалл трудно поцарапать: чтобы сдвинуть или отделить атомы, нужно нарушить множество прочных связей.
В саже углерод собран иначе. Её частицы обычно состоят из небольших, плохо упорядоченных фрагментов углеродных слоёв; могут присутствовать и другие вещества. Слои и обломки не образуют такой единой пространственной решётки, как в алмазе. Поэтому сажа рыхлая и легко пачкает поверхность, а алмаз твёрдый и прозрачен: его свойства задаёт не «качество» углерода, а структура связей.
Почему решётка не возникает сама собой
Чтобы углерод сложился в алмазную структуру, атомам нужно оказаться в условиях, где такая конфигурация энергетически выгодна и может расти. В природе это происходит глубоко в Земле при высоких давлении и температуре; затем кристаллы могут попасть ближе к поверхности с породами, поднимающимися из глубин. Алмазы также выращивают искусственно — например, создавая условия высокого давления или осаждая углерод из газа на растущий кристалл.
У сажи уже сложилась другая структура, и просто нагреть её недостаточно: атомы должны перестроиться и образовать упорядоченную решётку. На практике нужны подходящие условия, а не только исходный углерод. Состав — это лишь набор деталей; именно порядок связей определяет, получится ли из углерода мягкий чёрный налёт или твёрдый кристалл.
