Коротко: причина в различной химической связности и кристаллической структуре — разная гибридизация атомных орбиталей дает разные электронные, механические и оптические свойства.

Основные пункты:

Гибридизация и геометрия:

В графене атомы углерода гибридизованы как (sp^2): каждый атом связан с тремя ближайшими в плоскости, образуя шестигранную «сотовую» решётку (углы (120^\circ)).В алмазе — (sp^3)-гибридизация: каждый атом связан с четырьмя соседями в тетраэдрической сети (углы (\approx109.5^\circ)).Разная связность определяет форму (двумерная плёнка vs трёхмерная жёсткая сеть).

Электронная структура:

В графене остаётся непарная (p_z)-орбиталь на каждом атоме, они образуют делокализованную (\pi)-систему с линейной зонной структурой около точек Дирака: (E=\hbar v_F|k|). Графен — полуметалл с нулевым или очень малым зазором, высокая подвижность электронов ((v_F\sim10^6\ \mathrm{m/s})).В алмазе все валентные электроны заняты в (\sigma)-связях, имеется большой запрещённый промежуток: (E_g\approx5.5\ \mathrm{eV}). Поэтому алмаз — диэлектрик/изолятор.

Электропроводность и оптика:

Графен проводит электрический ток в плоскости очень хорошо (высокая подвижность, малое сопротивление); одна слой поглощает (\approx2.3\%) видимого света, поэтому он тёмнее, чем алмаз по прозрачности.Алмаз прозрачен в видимом диапазоне и не проводит ток из‑за большого (E_g).

Механические свойства:

Графен чрезвычайно прочен в плоскости: модуль Юнга порядка (\sim1\ \mathrm{TPa}) и высокая прочность на разрыв.Алмаз обладает выдающейся твёрдостью и изотропной жёсткостью благодаря трёхмерной (sp^3)-сети (алмаз — один из самых твёрдых материалов).

Теплопроводность и химическая активность:

Оба имеют высокую теплопроводность, но механизм и анизотропия различны (графен — очень высокая вдоль плоскости).Химическая реактивность отличается из‑за доступности (\pi)-электронов в графене и плотной насыщенной структуры в алмазе.

Итог: несмотря на одинаковый элементарный состав (C), различие в гибридизации орбиталей и пространственной упаковке атомов приводит к принципиально разным электронным структурам и поэтому к кардинально различным физическим свойствам.