ของแข็งเป็นสถานะของสสารที่อะตอมเรียงตัวกันอย่างหนาแน่นและเคลื่อนที่ผ่านกันได้ยาก ของแข็งต้านทานการบีบอัด การขยายตัว หรือแรงภายนอกที่จะเปลี่ยนแปลงรูปร่าง โดยระดับความต้านทานจะขึ้นอยู่กับวัสดุเฉพาะที่พิจารณา^{[ 1 ]}ของแข็งยังมีพลังงานจลน์ต่ออะตอม/โมเลกุลน้อยที่สุดเมื่อเทียบกับสถานะอื่นๆ^{[ 2 ]}หรือกล่าวอีกนัยหนึ่ง ของแข็งเกิดขึ้นเมื่อสสารในสถานะของเหลว/แก๊สเย็นตัวลงต่ำกว่าอุณหภูมิที่กำหนด^{[ 3 ]}อุณหภูมินี้เรียกว่าจุดหลอมเหลว^{[ 4 ]}ของสารและเป็น คุณสมบัติ เฉพาะตัว^{[ 5 ]}กล่าวคือไม่ขึ้นอยู่กับปริมาณของสสารที่มีอยู่ สสารส่วนใหญ่เมื่ออยู่ในสถานะของแข็งสามารถจัดเรียงตัวได้ในโครงสร้างที่พบได้ทั่วไปเพียงไม่กี่โครงสร้าง^{[ 6 ]}

ของแข็งมีลักษณะเฉพาะคือความแข็งแกร่งของโครงสร้างและความต้านทานต่อแรงภายนอกและแรงดันที่กระทำ^{[ 2 ]}ต่างจากของเหลว ของแข็งไม่ไหลเพื่อรับรูปทรงของภาชนะ และไม่ขยายตัวเพื่อเติมเต็มปริมาตรที่มีอยู่ทั้งหมดเหมือนแก๊ส^{[ 7 ]}เช่นเดียวกับสถานะพื้นฐานอีกสามสถานะ ของแข็งก็ขยายตัวเมื่อได้รับความร้อนเช่นกัน^{[ 8 ]}พลังงานความร้อนที่ใส่เข้าไปจะเพิ่มระยะห่างและลดพลังงานศักย์ระหว่างอะตอม อย่างไรก็ตาม ของแข็งจะทำเช่นนี้ในระดับที่น้อยกว่ามาก^{[ 9 ] [ 10 ]}เมื่อได้รับความร้อนถึงจุดหลอมเหลวหรือจุดระเหิดของแข็งจะหลอมเหลวกลายเป็นของเหลวหรือระเหิดกลายเป็นแก๊สโดยตรง ตามลำดับ สำหรับของแข็งที่ระเหิดกลายเป็นแก๊สโดยตรง จุดหลอมเหลวจะถูกแทนที่ด้วยจุดระเหิด^{[ 11 ]}โดยทั่วไปแล้ว การหลอมเหลวจะเกิดขึ้นหากแรงดันที่กระทำสูงกว่าแรงดันจุดสามสถานะ ของสาร ^{[ 12 ]}และการระเหิดจะเกิดขึ้นในกรณีอื่น^{[ 13 ]}การหลอมเหลวและจุดหลอมเหลวหมายถึงการเปลี่ยนสถานะระหว่างของแข็งและของเหลวเท่านั้น^{[ 14 ]}การหลอมเหลวเกิดขึ้นในช่วงอุณหภูมิที่กว้างมาก ตั้งแต่ 0.10 K สำหรับฮีเลียม-3ภายใต้ความดัน 30 บาร์ (3 MPa) ^{[ 15 ]}ไปจนถึงประมาณ 4,100 K ที่ 1 atm สำหรับวัสดุทนไฟคอม โพสิต แฮฟเนียมคาร์บอนไนไตรด์^{[ 16 ] [ 17 ]}

อะตอมในของแข็งจะยึดติดกันอย่างแน่นหนาในสองวิธี คือโครงสร้างตาข่ายเรขาคณิต ปกติ ที่เรียกว่าของแข็งผลึก (เช่น โลหะน้ำแข็ง ) หรือการจัดเรียงที่ไม่เป็นระเบียบที่เรียกว่าของแข็งอสัณฐาน (เช่น แก้ว พลาสติก) ^{[ 18 ]}โมเลกุลและอะตอมที่สร้างโครงสร้างตาข่ายผลึกมักจะจัดเรียงตัวเองในโครงสร้างการบรรจุที่มีลักษณะเฉพาะไม่กี่แบบ^{[ 18 ]}เช่น ลูกบาศก์ศูนย์กลางตัว โครงสร้างที่ใช้สามารถและจะแตกต่างกันไปตามความดันและอุณหภูมิต่างๆ ดังที่เห็นได้ในแผนภาพเฟสของวัสดุ (เช่นของน้ำดูด้านซ้ายและด้านบน) เมื่อวัสดุประกอบด้วยอะตอม/โมเลกุลชนิดเดียว เฟสจะถูกกำหนดเป็นอัลโลโทรปสำหรับอะตอม (เช่นเพชร / กราไฟต์สำหรับคาร์บอน ) และเป็นพอลิมอร์ฟ (เช่น แคลไซต์/อาราโกไนต์สำหรับแคลเซียมคาร์บอเนต ) ^{[ 19 ]}สำหรับโมเลกุล

ของแข็ง ที่ไม่มีรูพรุน จะต้านทาน การบีบอัดอย่างรุนแรงเสมอซึ่งหากเกิดขึ้นจะทำให้ปริมาตร โดยรวมลดลง โดยไม่คำนึงถึงอุณหภูมิ^{[ 20 ]}เนื่องจากการผลักกันระหว่างกลุ่มอิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้เคียงกันระหว่างอะตอมที่เป็นส่วนประกอบ^{[ 20 ] [ 21 ]}ในทางตรงกันข้าม ก๊าซสามารถบีบอัดได้ง่ายมากเนื่องจากโมเลกุลในก๊าซอยู่ห่างกันมากและมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลน้อย^{[ 22 ]}ของแข็งบางชนิด โดยเฉพาะโลหะผสม สามารถเปลี่ยนรูปหรือแยกออกจากกันได้ด้วยแรงที่มากพอ ระดับที่ของแข็งนี้ต้านทานการเปลี่ยนรูปในทิศทางและแกนต่างๆ จะถูกวัดโดยโมดูลัสความยืดหยุ่นความแข็งแรงดึงความแข็งแรงจำเพาะรวมถึงปริมาณที่วัดได้อื่นๆ^{[ 23 ]}

สำหรับสารส่วนใหญ่ เฟสของแข็งจะมีค่าความหนาแน่นสูงสุด^{[ 12 ]}สูงกว่าเฟสของเหลวเล็กน้อย (ถ้ามี) และบล็อกของแข็งของวัสดุเหล่านี้จะจมลงไปใต้ของเหลว^{[ 24 ]}ข้อยกเว้น ได้แก่ น้ำ ( ภูเขาน้ำแข็ง ) แกลเลียมและพลูโตเนียม [ ^{25 ] [ 26 ] ธาตุ}ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติทั้งหมดในตารางธาตุมีจุดหลอมเหลวที่ความดันบรรยากาศมาตรฐาน โดยมีข้อยกเว้น 3 ประการ ได้แก่ก๊าซเฉื่อยฮีเลียมซึ่งยังคงเป็นของเหลวแม้ที่อุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์เนื่องจากพลังงานจุดศูนย์ [ ^{27 ]}โลหะกึ่งโลหะอาร์เซนิกซึ่งระเหิดที่อุณหภูมิประมาณ 900 K ^{[ 28 ] และธาตุที่ก่อกำเนิดสิ่ง มี}ชีวิตคาร์บอน ซึ่งระเหิดที่อุณหภูมิประมาณ 3,950 K ^{[ 29 ]}

เมื่อปล่อยแรงดันที่ใช้ ของแข็งจะขยายตัวอย่างรวดเร็วและปล่อยพลังงานที่เก็บไว้ในกระบวนการ^{[ 21 ]}ในลักษณะที่ค่อนข้างคล้ายกับก๊าซ ตัวอย่างเช่น การกักเก็บน้ำแข็งในภาชนะที่ไม่ยืดหยุ่น (เช่น ทำจากเหล็ก) ^{[ 30 ]}การแช่แข็งอย่างค่อยเป็นค่อยไปส่งผลให้ปริมาตรเพิ่มขึ้น^{[ 31 ]}เนื่องจากน้ำแข็งมีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำ^{[ 32 ]}เมื่อไม่มีปริมาตรเพิ่มเติมให้ขยายตัวน้ำแข็งจะทำให้ภายในภาชนะได้รับแรงดันอย่างรุนแรง ส่งผลให้ภาชนะระเบิดด้วยแรงมหาศาล^{[ 30 ] [ 33 ]}

คุณสมบัติของของแข็งในระดับมหภาคอาจขึ้นอยู่กับว่ามันต่อเนื่องกันหรือไม่ ของแข็งที่ต่อเนื่องกัน (ไม่เป็นกลุ่มก้อน) มีลักษณะเฉพาะคือความแข็งแกร่งของโครงสร้าง (เช่นเดียวกับวัตถุแข็ง ) และความต้านทานสูงต่อแรงที่กระทำ^{[ 2 ]}สำหรับกลุ่มก้อนของแข็ง (เช่น กรวด ทราย ฝุ่นบนพื้นผิวดวงจันทร์^{[ 34 ]} ) อนุภาคของแข็งสามารถเลื่อนผ่านกันได้ง่าย^{[ 35 ]}แม้ว่าการเปลี่ยนแปลงของอนุภาคแต่ละตัว ( อนุภาค ควอตซ์สำหรับทราย) จะยังคงถูกขัดขวางอย่างมาก^{[ 36 ]}ซึ่งนำไปสู่ความรู้สึกว่าอ่อนนุ่มและง่ายต่อการบีบอัดโดยผู้ปฏิบัติงาน^{[ 37 ]}ตัวอย่างที่แสดงให้เห็นคือความไม่แข็งของทรายชายฝั่ง^{[ 35 ]}และของเรโกไลท์บนดวงจันทร์^{[ 34 ]}

สาขาฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องกับของแข็งเรียกว่าฟิสิกส์สถานะของแข็งและเป็นสาขาหลักของฟิสิกส์สสารควบแน่น (ซึ่งรวมถึงของเหลว) วิทยาศาสตร์วัสดุซึ่งเป็นหนึ่งในสาขามากมายของสาขานี้ เกี่ยวข้องกับวิธีที่องค์ประกอบและคุณสมบัติของของแข็งมีความสัมพันธ์กันเป็นหลัก^{[ 38 ]}

อะตอม โมเลกุล หรือไอออนที่ประกอบเป็นของแข็งอาจเรียงตัวกันอย่างเป็นระเบียบซ้ำๆ หรืออาจไม่เป็นระเบียบ วัสดุที่มีส่วนประกอบเรียงตัวกันอย่างเป็นระเบียบเรียกว่าผลึกในบางกรณี การเรียงตัวอย่างเป็นระเบียบนี้อาจต่อเนื่องกันไปโดยไม่ขาดตอนในระดับใหญ่ เช่น เพชร ซึ่งแต่ละเม็ดเป็นผลึกเดี่ยววัตถุที่เป็นของแข็งที่มีขนาดใหญ่พอที่จะมองเห็นและจับต้องได้นั้น มักไม่ได้ประกอบด้วยผลึกเดี่ยว แต่ประกอบด้วยผลึกเดี่ยวจำนวนมากที่เรียกว่า ผลึกขนาดเล็ก ( crystallites ) ซึ่งมีขนาดแตกต่างกันไปตั้งแต่ไม่กี่นาโนเมตรจนถึงหลายเมตร วัสดุดังกล่าวเรียกว่าผลึกหลายผลึก (polycrystalline ) โลหะทั่วไปเกือบทั้งหมด และเซรามิก หลายชนิด เป็นผลึกหลายผลึก

ภาพแสดงแผนผังของโครงสร้างแบบตาข่ายสุ่มคล้ายแก้ว (ซ้าย) และโครงสร้างผลึกแบบมีระเบียบ (ขวา) ที่มีองค์ประกอบทางเคมีเหมือนกัน

ในวัสดุอื่นๆ นั้นไม่มีระเบียบในระยะยาวเกี่ยวกับตำแหน่งของอะตอม ของแข็งเหล่านี้เรียกว่าของแข็งอสัณฐานตัวอย่างเช่นโพลีสไตรีนและแก้ว

สถานะของของแข็งจะเป็นผลึกหรืออสัณฐานนั้นขึ้นอยู่กับวัสดุที่ใช้และสภาวะการเกิด ของแข็งที่เกิดจากการเย็นตัวอย่างช้าๆ มักจะเป็นผลึก ในขณะที่ของแข็งที่แข็งตัวอย่างรวดเร็วมีแนวโน้มที่จะเป็นอสัณฐาน ในทำนองเดียวกันโครงสร้างผลึก เฉพาะ ที่ของแข็งผลึกมีนั้นขึ้นอยู่กับวัสดุที่ใช้และวิธีการเกิดด้วย

ในขณะที่วัตถุทั่วไปหลายอย่าง เช่น ก้อนน้ำแข็งหรือเหรียญ มีองค์ประกอบทางเคมีเหมือนกันตลอดทั้งชิ้น แต่ก็มีวัสดุทั่วไปอื่นๆ อีกมากมายที่ประกอบด้วยสารหลายชนิดรวมกัน ตัวอย่างเช่นหิน ทั่วไป เป็นส่วนประกอบ ของแร่ธาตุและ สารกึ่งแร่หลายชนิดโดยไม่มีองค์ประกอบทางเคมีที่เฉพาะเจาะจง ไม้เป็นวัสดุอินทรีย์ธรรมชาติที่ประกอบด้วย เส้นใย เซลลูโลส เป็นหลัก ฝังอยู่ในเมทริกซ์ของลิกนิน อินทรีย์ ในวิทยาศาสตร์วัสดุ วัสดุ ผสมที่ประกอบด้วยวัสดุมากกว่าหนึ่งชนิดสามารถออกแบบให้มีคุณสมบัติที่ต้องการได้

แรงระหว่างอะตอมในของแข็งสามารถมีได้หลายรูปแบบ ตัวอย่างเช่น ผลึกโซเดียมคลอไรด์ (เกลือแกง) ประกอบด้วยโซเดียมไอออน และคลอรีนซึ่งยึดติดกันด้วยพันธะไอออนิก^{[ 39 ]}ในเพชร^{[ 40 ]}หรือซิลิคอน อะตอมจะแบ่งปันอิเล็กตรอนและสร้างพันธะโคเวเลนต์ [ ^{41 ] ใน}โลหะ อิเล็กตรอนจะถูกแบ่งปันในพันธะโลหะ^{[ 42 ]}ของแข็งบางชนิด โดยเฉพาะสารประกอบอินทรีย์ส่วนใหญ่ ยึดติดกันด้วยแรงแวนเดอร์วาลส์ ซึ่งเป็นผลมาจากการโพลาไรเซชันของกลุ่มประจุอิเล็กตรอนบนแต่ละโมเลกุล ความแตกต่างระหว่างชนิดของของแข็งเกิดจากความ แตกต่างระหว่างพันธะของพวกมัน

โดยทั่วไปโลหะมีความแข็งแรง หนาแน่น และเป็นตัวนำไฟฟ้าและความร้อน ที่ดี ^{[ 43 ] [ 44 ]} ธาตุส่วนใหญ่ในตารางธาตุซึ่งอยู่ทางซ้ายของเส้นทแยงมุมที่ลากจากโบรอนไปยังโพโลเนียมเป็นโลหะ ส่วนผสมของธาตุสองชนิดขึ้นไปซึ่งมีส่วนประกอบหลักเป็นโลหะ เรียกว่าโลหะ ผสม

มนุษย์ใช้โลหะเพื่อวัตถุประสงค์หลากหลายมาตั้งแต่สมัยก่อนประวัติศาสตร์ความแข็งแรงและความน่าเชื่อถือของโลหะทำให้มีการนำไปใช้อย่างแพร่หลายในการก่อสร้างอาคารและโครงสร้างอื่นๆ รวมถึงยานพาหนะ เครื่องใช้ไฟฟ้าและเครื่องมือต่างๆ ท่อ ป้ายจราจร และรางรถไฟ เหล็กและอะลูมิเนียมเป็นโลหะโครงสร้างที่ใช้กันมากที่สุดสองชนิด และยังเป็นโลหะที่พบมากที่สุดในเปลือกโลกเหล็กมักใช้ในรูปของโลหะผสมหรือเหล็กกล้า ซึ่งมีคาร์บอน มากถึง 2.1% ทำให้มีความแข็งกว่าเหล็กบริสุทธิ์มาก

เนื่องจากโลหะเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดี จึงมีคุณค่าในเครื่องใช้ไฟฟ้าและสำหรับการนำกระแสไฟฟ้าในระยะทางไกลโดยมีการสูญเสียหรือการกระจายพลังงานน้อย ดังนั้น ระบบส่งไฟฟ้าจึงอาศัยสายเคเบิลโลหะในการกระจายกระแสไฟฟ้า ตัวอย่างเช่น ระบบไฟฟ้าในบ้านเรือนใช้สายทองแดงเนื่องจากคุณสมบัติการนำไฟฟ้าที่ดีและขึ้นรูปได้ง่าย นอกจากนี้ การนำความร้อน สูง ของโลหะส่วนใหญ่ยังทำให้มีประโยชน์สำหรับอุปกรณ์ทำอาหารบนเตาอีกด้วย

การศึกษาเกี่ยวกับธาตุโลหะและโลหะผสมเป็นส่วนสำคัญของสาขาเคมีของแข็ง ฟิสิกส์ วิทยาศาสตร์วัสดุ และวิศวกรรมศาสตร์

โลหะที่เป็นของแข็งยึดติดกันด้วยอิเล็กตรอนที่ใช้ร่วมกันจำนวนมากซึ่งเรียกว่า " พันธะโลหะ " ในโลหะ อะตอมจะสูญเสียอิเล็กตรอน วงนอกสุด ("วาเลนซ์") ได้ง่าย ทำให้เกิดไอออน บวก อิเล็กตรอนอิสระจะกระจายไปทั่วทั้งของแข็ง ซึ่งยึดติดกันอย่างแน่นหนาด้วยปฏิกิริยาไฟฟ้าสถิตระหว่างไอออนและกลุ่มอิเล็กตรอน^{[ 45 ]}อิเล็กตรอนอิสระจำนวนมากทำให้โลหะมีค่าการนำไฟฟ้าและความร้อนสูง อิเล็กตรอนอิสระยังป้องกันการส่งผ่านแสงที่มองเห็นได้ ทำให้โลหะทึบแสง มันวาว และเป็น ประกาย

แบบจำลองขั้นสูงของสมบัติโลหะพิจารณาถึงผลกระทบของแกนไอออนบวกต่ออิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่อย่างอิสระ เนื่องจากโลหะส่วนใหญ่มีโครงสร้างผลึก ไอออนเหล่านั้นจึงมักเรียงตัวเป็นโครงตาข่ายเป็นระยะๆ ในทางคณิตศาสตร์ ศักยภาพของแกนไอออนสามารถอธิบายได้ด้วยแบบจำลองต่างๆ โดยแบบจำลองที่ง่ายที่สุดคือแบบ จำลองอิเล็กตรอนอิสระเกือบทั้งหมด

แร่ธาตุเป็นของแข็งที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติซึ่งเกิดจากกระบวนการทางธรณีวิทยาต่างๆ^{[ 46 ]}ภายใต้ความดันสูง สารที่จะจัดเป็นแร่ธาตุที่แท้จริงได้นั้น ต้องมีโครงสร้างผลึกที่มีคุณสมบัติทางกายภาพสม่ำเสมอทั่วทั้งสาร องค์ประกอบของแร่ธาตุมีตั้งแต่ธาตุบริสุทธิ์และเกลือ ธรรมดาไปจนถึง ซิลิเกตที่ซับซ้อนมากซึ่งมีรูปแบบที่รู้จักกันหลายพันรูปแบบ ในทางตรงกันข้าม ตัวอย่าง หินเป็นกลุ่มของแร่ธาตุและ/หรือแร่กึ่งแร่ แบบสุ่ม และไม่มีองค์ประกอบทางเคมีที่เฉพาะเจาะจง หินส่วนใหญ่ในเปลือกโลกประกอบด้วยควอตซ์ (SiO2 ผลึก₎เฟลด์สปาร์ ไมกา คลอไรต์ เคโอไลน์แคลไซต์เอพิโดต์ โอลิวี น ออไจต์ฮอร์นเบลนด์แมกเนไทต์ฮีมาไทต์ลิโมไนต์ และแร่ธาตุอื่นๆ อีกเล็กน้อย แร่ธาตุบางชนิด เช่นควอตซ์ไมกาหรือเฟลด์สปาร์พบได้ทั่วไป ในขณะที่บางชนิดพบได้เพียงไม่กี่แห่งทั่วโลกกลุ่มแร่ธาตุที่ใหญ่ที่สุดคือกลุ่มซิลิเกต (หินส่วนใหญ่มีซิลิเกต ≥95%) ซึ่งประกอบด้วยซิลิคอนและออกซิเจน เป็นส่วนใหญ่ โดยมีไอออนของอะลูมิเนียมแมกนีเซียมเหล็กแคลเซียมและโลหะอื่นๆ เพิ่มเข้ามาด้วย

ของแข็งเซรามิกประกอบด้วยสารประกอบอนินทรีย์ ซึ่งโดยทั่วไปคือออกไซด์ของธาตุเคมี^{[ 47 ]}เซรามิกมีความเฉื่อยทางเคมี และมักจะสามารถทนต่อการกัดกร่อนทางเคมีที่เกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมที่เป็นกรดหรือด่างได้ โดยทั่วไปเซรามิกสามารถทนต่ออุณหภูมิสูงได้ตั้งแต่ 1,000 ถึง 1,600 °C (1,830 ถึง 2,910 °F) ยกเว้นวัสดุอนินทรีย์ที่ไม่ใช่ออกไซด์ เช่นไนไตรด์โบริดและคาร์ไบด์

วัตถุดิบเซรามิกแบบดั้งเดิม ได้แก่ แร่ ดินเหนียวเช่นเคโอลิไนต์ส่วนวัตถุดิบที่ใช้ในปัจจุบัน ได้แก่ อะลูมิเนียมออกไซด์ ( อะลูมินา ) วัสดุเซรามิกสมัยใหม่ ซึ่งจัดอยู่ในกลุ่มเซรามิกขั้นสูง ได้แก่ซิลิคอนคาร์ไบด์และทังสเตนคาร์ไบด์ทั้งสองชนิดมีคุณค่าในด้านความทนทานต่อการสึกหรอ จึงถูกนำไปใช้ในงานต่างๆ เช่น แผ่นกันสึกของอุปกรณ์บดในอุตสาหกรรมเหมืองแร่

วัสดุเซรามิกส่วนใหญ่ เช่น อลูมินาและสารประกอบของอลูมินาผลิตจากผงละเอียด ทำให้เกิดโครงสร้างจุลภาคแบบผลึกหลาย เหลี่ยมที่มีขนาดเล็กละเอียด และ เต็มไปด้วยศูนย์กลางการกระเจิงแสง ที่มี ความยาวคลื่น ใกล้เคียง กับแสงที่มองเห็นได้ดังนั้นโดยทั่วไปแล้ววัสดุเหล่านี้จึงทึบแสง ต่างจากวัสดุโปร่งใส อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยี ระดับนาโนในปัจจุบัน (เช่นโซล-เจล ) ทำให้สามารถผลิตเซรามิกโปร่งใส แบบผลึกหลายเหลี่ยมได้ เช่น อลูมินาโปร่งใสและสารประกอบของอลูมินา สำหรับการใช้งานต่างๆ เช่น เลเซอร์กำลังสูง เซรามิกขั้นสูงยังถูกนำไปใช้ในอุตสาหกรรมการแพทย์ ไฟฟ้า และอิเล็กทรอนิกส์อีกด้วย

วิศวกรรมเซรามิกคือวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีในการสร้างวัสดุ ชิ้นส่วน และอุปกรณ์เซรามิกที่เป็นของแข็ง โดยทำได้ทั้งโดยการใช้ความร้อน หรือที่อุณหภูมิต่ำกว่านั้น โดยใช้ปฏิกิริยาการตกตะกอนจากสารละลายเคมี คำนี้ครอบคลุมถึงการทำให้วัตถุดิบบริสุทธิ์ การศึกษาและการผลิตสารประกอบทางเคมีที่เกี่ยวข้อง การขึ้นรูปเป็นชิ้นส่วน และการศึกษาโครงสร้าง องค์ประกอบ และคุณสมบัติของวัสดุเหล่านั้น

ในทางกลศาสตร์ วัสดุเซรามิกนั้นเปราะ แข็ง ทนทานต่อแรงอัด และอ่อนแอต่อแรงเฉือนและแรงดึงวัสดุที่เปราะ อาจแสดง ความแข็งแรงต่อแรงดึง อย่างมีนัยสำคัญ โดยการรับน้ำหนักคงที่ความ เหนียวบ่ง บอกถึงปริมาณพลังงานที่วัสดุสามารถดูดซับได้ก่อนที่จะเกิดความเสียหายทางกล ในขณะที่ความเหนียวต่อการแตกหัก (แสดงด้วย K _Ic ) อธิบายถึงความสามารถของวัสดุที่มีข้อบกพร่องทางโครงสร้างจุลภาค โดยธรรมชาติ ในการต้านทานการแตกหักผ่านการเติบโตและการแพร่กระจายของรอยแตก หากวัสดุมีค่าความเหนียวต่อการแตกหัก สูง หลักการพื้นฐานของกลศาสตร์การแตกหัก ชี้ให้เห็นว่า วัสดุ นั้นมีแนวโน้มที่จะเกิดการแตกหักแบบเหนียว การแตกหักแบบเปราะเป็นลักษณะเฉพาะของวัสดุ เซรามิกและแก้วเซรามิกส่วนใหญ่ซึ่งโดยทั่วไปจะมีค่า K _{Ic ต่ำ (และไม่สม่ำเสมอ)}

ตัวอย่างหนึ่งของการประยุกต์ใช้เซรามิกส์คือ ความแข็งสูงของเซอร์โคเนียถูกนำมาใช้ในการผลิตใบมีด รวมถึงเครื่องมือตัดอุตสาหกรรมอื่นๆ เซรามิกส์ เช่นอลูมินาโบรอนคาร์ไบด์และซิลิคอนคาร์ไบด์ถูกนำมาใช้ในเสื้อเกราะกันกระสุนเพื่อป้องกันกระสุนปืนไรเฟิลขนาดใหญ่ ชิ้น ส่วน ซิลิคอนไนไตรด์ถูกนำมาใช้ในตลับลูกปืนเซรามิก ซึ่งความแข็งสูงทำให้ทนต่อการสึกหรอ โดยทั่วไปแล้ว เซรามิกส์ยังทนต่อสารเคมีและสามารถใช้ในสภาพแวดล้อมที่เปียกชื้นได้ ซึ่งตลับลูกปืนเหล็กอาจเกิดการออกซิเดชัน (หรือสนิม) ได้

ตัวอย่างอีกประการหนึ่งของการประยุกต์ใช้เซรามิกคือ ในช่วงต้นทศวรรษ 1980 โตโยต้าได้วิจัยการผลิต เครื่องยนต์เซรามิกแบบอะ เดียแบติกที่มีอุณหภูมิการทำงานสูงกว่า 6,000 องศาฟาเรนไฮต์ (3,320 องศาเซลเซียส) เครื่องยนต์เซรามิกไม่จำเป็นต้องใช้ระบบระบายความร้อน จึงช่วยลดน้ำหนักลงได้อย่างมาก และส่งผลให้ประหยัดเชื้อเพลิงมากขึ้น ในเครื่องยนต์โลหะแบบดั้งเดิม พลังงานส่วนใหญ่ที่ปล่อยออกมาจากเชื้อเพลิงจะต้องถูกระบายออกไปในรูปของความร้อนเหลือทิ้งเพื่อป้องกันการหลอมละลายของชิ้นส่วนโลหะ นอกจากนี้ยังมีการพัฒนาชิ้นส่วนเซรามิกสำหรับเครื่องยนต์กังหันก๊าซ เครื่องยนต์กังหันที่ทำจากเซรามิกสามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ทำให้เครื่องบินมีระยะทำการบินและน้ำหนักบรรทุกที่มากขึ้นด้วยปริมาณเชื้อเพลิงที่เท่ากัน อย่างไรก็ตาม เครื่องยนต์ดังกล่าวไม่ได้ผลิตออกจำหน่าย เนื่องจากกระบวนการผลิตชิ้นส่วนเซรามิกให้มีความแม่นยำและทนทานเพียงพอนั้นทำได้ยากและมีต้นทุนสูง วิธีการแปรรูปมักส่งผลให้เกิดข้อบกพร่องขนาดเล็กจำนวนมาก ซึ่งมักส่งผลเสียต่อกระบวนการเผาผนึก ทำให้เกิดรอยแตกจำนวนมาก และในที่สุดก็เกิดความเสียหายทางกล

วัสดุเซรามิกแก้วมีคุณสมบัติหลายอย่างร่วมกับทั้งแก้วที่ไม่เป็นผลึกและเซรามิกที่เป็น ผลึก โดยเกิดขึ้นในรูปของแก้วก่อน แล้วจึงผ่านกระบวนการตกผลึกบางส่วนด้วยความร้อน ทำให้เกิดทั้ง เฟส อสัณฐานและ เฟส ผลึกโดยมีเม็ดผลึกฝังอยู่ภายในเฟสระหว่างเม็ดที่ไม่เป็นผลึก

แก้วเซรามิกใช้ในการผลิตเครื่องครัว (เดิมรู้จักกันในชื่อแบรนด์CorningWare ) และเตาประกอบอาหารที่มีความทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลัน สูง และมีการซึมผ่านของของเหลว ต่ำมาก ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนที่เป็นลบของเฟสเซรามิกผลึกสามารถปรับสมดุลได้ด้วยค่าสัมประสิทธิ์ที่เป็นบวกของเฟสแก้ว ณ จุดหนึ่ง (~70% เป็นผลึก) แก้วเซรามิกจะมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนสุทธิใกล้เคียงกับศูนย์ แก้วเซรามิกประเภทนี้มีคุณสมบัติทางกลที่ดีเยี่ยมและสามารถทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็วและซ้ำๆ ได้ถึง 1000 °C

เซรามิกแก้วอาจเกิดขึ้นเองตามธรรมชาติได้เช่นกัน เมื่อฟ้าผ่าลงบนเม็ดผลึก (เช่น ควอตซ์) ที่พบในทราย ชายหาดส่วนใหญ่ ในกรณีนี้ ความร้อนสูงและฉับพลันจากฟ้าผ่า (~2500 °C) จะสร้างโครงสร้างกลวงแตกแขนงคล้ายรากไม้ที่เรียกว่าฟุลกูไรต์ผ่าน กระบวนการหลอมเหลว

เคมีอินทรีย์ศึกษาโครงสร้าง คุณสมบัติ องค์ประกอบ ปฏิกิริยา และการเตรียมโดยการสังเคราะห์ (หรือวิธีการอื่น ๆ) ของสารประกอบเคมีของคาร์บอนและไฮโดรเจนซึ่งอาจมีธาตุอื่น ๆ อีกหลายชนิด เช่นไนโตรเจนออกซิเจนและธาตุฮาโลเจนได้แก่ฟลูออรีน คลอรีน โบรมีน และไอโอดีนสารประกอบอินทรีย์บางชนิดอาจมีธาตุฟอสฟอรัสหรือกำมะถัน ด้วย ตัวอย่างของของแข็งอินทรีย์ ได้แก่ ไม้พาราฟินแว็กซ์ แนฟทาลีนและพอลิเม อ ร์ และพลาสติกหลากหลายชนิด

ไม้เป็นวัสดุอินทรีย์ธรรมชาติที่ประกอบด้วย เส้นใย เซลลูโลส เป็นหลัก ฝังอยู่ในโครงสร้างของลิกนินในด้านคุณสมบัติทางกล เส้นใยมีความแข็งแรงต่อแรงดึง และโครงสร้างลิกนินต้านทานต่อแรงอัด ดังนั้นไม้จึงเป็นวัสดุก่อสร้างที่สำคัญมาตั้งแต่สมัยที่มนุษย์เริ่มสร้างที่พักอาศัยและใช้เรือ ไม้ที่ใช้ในงานก่อสร้างโดยทั่วไปเรียกว่าไม้แปรรูปหรือท่อนซุงในงานก่อสร้าง ไม้ไม่เพียงแต่เป็นวัสดุโครงสร้างเท่านั้น แต่ยังใช้ในการทำแม่พิมพ์สำหรับคอนกรีตอีกด้วย

วัสดุที่ทำจากไม้ยังถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านบรรจุภัณฑ์ (เช่น กระดาษแข็ง) และกระดาษ ซึ่งทั้งสองอย่างนี้ผลิตจากเยื่อกระดาษที่ผ่านการกลั่นแล้ว กระบวนการผลิตเยื่อกระดาษทางเคมีใช้การผสมผสานระหว่างอุณหภูมิสูงและสารเคมีที่เป็นด่าง (คราฟต์) หรือกรด (ซัลไฟต์) เพื่อทำลายพันธะทางเคมีของลิกนินก่อนที่จะเผาไหม้

คุณสมบัติสำคัญอย่างหนึ่งของคาร์บอนในเคมีอินทรีย์คือ มันสามารถสร้างสารประกอบบางชนิดได้ โดยโมเลกุลแต่ละตัวสามารถเชื่อมต่อกันได้ ทำให้เกิดเป็นโซ่หรือโครงข่าย กระบวนการนี้เรียกว่าพอลิเมอไรเซชัน และโซ่หรือโครงข่ายเหล่านี้เรียกว่าพอลิเมอร์ ในขณะที่สารตั้งต้นเรียกว่าโมโนเมอร์ พอลิเมอร์แบ่งออกเป็นสองกลุ่มหลัก ได้แก่ พอลิเมอร์ที่ผลิตขึ้นเองเรียกว่าพอลิเมอร์อุตสาหกรรมหรือพอลิเมอร์สังเคราะห์ (พลาสติก) และพอลิเมอร์ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติเรียกว่าไบโอพอลิเมอร์

โมโนเมอร์สามารถมีหมู่แทนที่ทางเคมีหรือหมู่ฟังก์ชันต่างๆ ซึ่งสามารถส่งผลต่อคุณสมบัติทางเคมีของสารประกอบอินทรีย์ เช่น ความสามารถในการละลายและปฏิกิริยาทางเคมี รวมถึงคุณสมบัติทางกายภาพ เช่น ความแข็ง ความหนาแน่น ความแข็งแรงเชิงกลหรือแรงดึง ความต้านทานการสึกหรอ ความต้านทานความร้อน ความโปร่งใส สี เป็นต้น ในโปรตีน ความแตกต่างเหล่านี้ทำให้พอลิเมอร์มีความสามารถในการปรับตัวให้มีโครงสร้างที่ออกฤทธิ์ทางชีวภาพได้ดีกว่าโครงสร้างอื่นๆ (ดูการประกอบตัวเอง )

มนุษย์ใช้พอลิเมอร์อินทรีย์ธรรมชาติมานานหลายศตวรรษในรูปของขี้ผึ้งและเชลแล็กซึ่งจัดเป็นพอลิเมอร์เทอร์โมพลาสติก พอลิเมอร์จากพืชที่ชื่อเซลลูโลสให้ความแข็งแรงทนทานแก่เส้นใยและเชือกธรรมชาติ และในช่วงต้นศตวรรษที่ 19 ยางธรรมชาติก็ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลาย พอลิเมอร์เป็นวัตถุดิบ (เรซิน) ที่ใช้ในการผลิตสิ่งที่เรียกกันทั่วไปว่าพลาสติก พลาสติกเป็นผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายที่สร้างขึ้นหลังจากเติมพอลิเมอร์หรือสารเติมแต่งอย่างน้อยหนึ่งชนิดลงในเรซินในระหว่างกระบวนการผลิต จากนั้นจึงขึ้นรูปเป็นรูปร่างสุดท้าย พอลิเมอร์ที่มีมานานและที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในปัจจุบัน ได้แก่โพลี เอทิลีน ที่ มีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบ โพลี โพรพีลีนโพลีไวนิลคลอไรด์ โพลีสไตรีน ไนลอนโพลีเอสเตอร์อะคริลิกโพลียูรีเทนและโพลีคาร์บอเนต และ ซิ ลิโคน ที่มีซิลิคอนเป็นองค์ประกอบ โดยทั่วไปแล้วพลาสติกจะถูกจัดประเภทเป็นพลาสติก "ทั่วไป" "เฉพาะทาง" และ "วิศวกรรม"

วัสดุคอมโพสิตประกอบด้วยเฟสขนาดใหญ่สองเฟสขึ้นไป โดยเฟสหนึ่งมักจะเป็นเซรามิก ตัวอย่างเช่น เมทริกซ์ต่อเนื่อง และเฟสกระจายตัวของอนุภาคหรือเส้นใยเซรามิก

การประยุกต์ใช้วัสดุคอมโพสิตมีหลากหลาย ตั้งแต่ชิ้นส่วนโครงสร้าง เช่น คอนกรีตเสริมเหล็ก ไปจนถึงกระเบื้องฉนวนกันความร้อนซึ่งมีบทบาทสำคัญในระบบป้องกันความร้อนของกระสวยอวกาศ ของนาซา ที่ใช้ปกป้องพื้นผิวของกระสวยจากความร้อนขณะกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศโลก ตัวอย่างหนึ่งคือคาร์บอนเสริมแรง-คาร์บอน (RCC) วัสดุสีเทาอ่อนที่ทนต่ออุณหภูมิขณะกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศได้ถึง 1,510 °C (2,750 °F) และปกป้องส่วนหัวและขอบด้านหน้าของปีกกระสวยอวกาศ RCC เป็นวัสดุ คอมโพสิต แบบลามิเนตที่ทำจาก ผ้า กราไฟต์เรยอน และชุบด้วยเรซินฟีนอลหลังจากอบที่อุณหภูมิสูงในหม้ออัดความดันแล้ว ลามิเนตจะถูกเผาไหม้เพื่อเปลี่ยนเรซินเป็นคาร์บอน ชุบด้วย แอลกอฮอล์ฟูร์ฟู รัลในห้องสุญญากาศ และอบ/เผาไหม้เพื่อเปลี่ยนแอลกอฮอล์ฟูร์ฟูรัลเป็นคาร์บอนอีกครั้ง เพื่อให้ทนต่อการออกซิเดชันและสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ ชั้นนอกของ RCC จึงถูกเปลี่ยนเป็นซิลิคอนคาร์ไบด์

ตัวอย่างของวัสดุผสมที่พบได้ทั่วไปในครัวเรือน ได้แก่ ตัวเรือนพลาสติกของโทรทัศน์ โทรศัพท์มือถือ และอื่นๆ ตัวเรือนพลาสติกเหล่านี้มักเป็นวัสดุผสมที่ทำจากเมทริกซ์เทอร์โมพลาสติก เช่นอะคริโลไนไตรล์บิวทาไดอีนสไตรีน (ABS) ซึ่ง มีการเติม แคลเซียมคาร์บอเนตทัลก์เส้นใยแก้วหรือเส้นใยคาร์บอน เพื่อเพิ่มความแข็งแรง ปริมาณ หรือการกระจายตัวด้วยไฟฟ้าสถิต สารเติมแต่งเหล่านี้อาจเรียกว่าเส้นใยเสริมแรง หรือสารช่วยกระจายตัว ขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์

ดังนั้น วัสดุเมทริกซ์จึงโอบล้อมและรองรับวัสดุเสริมแรงโดยรักษาตำแหน่งสัมพัทธ์ของพวกมันไว้ วัสดุเสริมแรงจะถ่ายทอดคุณสมบัติทางกลและทางกายภาพพิเศษเพื่อเพิ่มคุณสมบัติของเมทริกซ์ การทำงานร่วมกันทำให้เกิดคุณสมบัติของวัสดุที่ไม่สามารถหาได้จากวัสดุองค์ประกอบแต่ละชนิด ในขณะที่วัสดุเมทริกซ์และวัสดุเสริมแรงที่หลากหลายช่วยให้นักออกแบบสามารถเลือกส่วนผสมที่เหมาะสมที่สุดได้

สารกึ่งตัวนำเป็นวัสดุที่มีความต้านทานไฟฟ้า (และค่าการนำไฟฟ้า) อยู่ระหว่างตัวนำโลหะและฉนวนอโลหะ สามารถพบได้ในตารางธาตุโดยเรียงตัวในแนวทแยงลงมาจากธาตุโบรอน ไปทาง ขวา สารกึ่งตัวนำทำหน้าที่คั่นระหว่างตัวนำไฟฟ้า (หรือโลหะ ทางด้านซ้าย) กับฉนวน (ทางด้านขวา)

อุปกรณ์ที่ทำจากวัสดุเซมิคอนดักเตอร์เป็นรากฐานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ รวมถึงวิทยุ คอมพิวเตอร์ โทรศัพท์ ฯลฯ อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ได้แก่ทรานซิสเตอร์เซลล์แสงอาทิตย์ไดโอดและวงจรรวม แผงโซลาร์เซลล์เป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ขนาดใหญ่ที่แปลงแสงเป็นพลังงาน ไฟฟ้าโดยตรง

ในตัวนำโลหะ กระแสไฟฟ้าจะไหลผ่านอิเล็กตรอน แต่ในสารกึ่งตัวนำ กระแสไฟฟ้าสามารถไหลผ่านได้ทั้งอิเล็กตรอนหรือ " โฮล " ที่มีประจุบวกในโครงสร้างแถบอิเล็กตรอนของวัสดุ สารกึ่งตัวนำที่พบได้ทั่วไป ได้แก่ ซิลิคอนเจอร์มาเนียมและแกลเลียมอาร์เซไนด์

ของแข็งแบบดั้งเดิมหลายชนิดแสดงคุณสมบัติที่แตกต่างกันเมื่อหดตัวลงเหลือขนาดนาโนเมตร ตัวอย่างเช่นอนุภาคนาโนของทองคำสีเหลืองและซิลิคอนสีเทาจะมีสีแดง อนุภาคนาโนทองคำหลอมเหลวที่อุณหภูมิต่ำกว่ามาก (~300 °C สำหรับขนาด 2.5 นาโนเมตร) เมื่อเทียบกับแผ่นทองคำ (1064 °C) ^{[ 48 ]}และลวดนาโนโลหะมีความแข็งแรงกว่าโลหะขนาดใหญ่ที่สอดคล้องกันมาก^{[ 49 ] [ 50 ]}พื้นที่ผิวสูงของอนุภาคนาโนทำให้พวกมันมีความน่าสนใจอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานบางอย่างในด้านพลังงาน ตัวอย่างเช่น โลหะแพลทินัมอาจช่วยปรับปรุงตัวเร่งปฏิกิริยา เชื้อเพลิงในรถยนต์ รวมถึง เซลล์เชื้อเพลิง เมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEM) นอกจากนี้ ออกไซด์เซรามิก (หรือเซอร์เมต) ของแลนทานัม ซีเรียมแมงกานีสและนิกเกล กำลังได้รับการพัฒนาเป็นเซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์แข็ง (SOFC) อนุภาคนาโนลิเธียมลิเธียมไททาเนตและแทนทาลัมกำลังถูกนำไปใช้ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน อนุภาคนาโนซิลิคอนได้รับการพิสูจน์แล้วว่าสามารถขยายความจุในการเก็บประจุของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้อย่างมากในระหว่างรอบการขยาย/หดตัว ลวดนาโนซิลิคอนสามารถใช้งานได้โดยไม่เสื่อมสภาพอย่างมีนัยสำคัญ และมีศักยภาพในการใช้งานในแบตเตอรี่ที่มีระยะเวลาการเก็บประจุที่ยาวนานขึ้น นอกจากนี้ อนุภาคนาโนซิลิคอนยังถูกนำไปใช้ในเซลล์พลังงานแสงอาทิตย์รูปแบบใหม่ การเคลือบฟิล์มบางของ ควอน ตัมดอทซิลิคอนบนพื้นผิวซิลิคอนแบบผลึกหลายเหลี่ยมของเซลล์แสงอาทิตย์ ช่วยเพิ่มแรงดันไฟฟ้าได้มากถึง 60% โดยการเรืองแสงของแสงที่เข้ามา ก่อนที่จะถูกดูดซับ ในกรณีนี้ พื้นที่ผิวของอนุภาคนาโน (และฟิล์มบาง) มีบทบาทสำคัญในการเพิ่มปริมาณรังสีที่ถูกดูดซับให้สูงสุด

วัสดุธรรมชาติ (หรือชีวภาพ) หลายชนิดเป็นวัสดุผสมที่ซับซ้อนซึ่งมีคุณสมบัติทางกลที่โดดเด่น โครงสร้างที่ซับซ้อนเหล่านี้ซึ่งเกิดขึ้นจากการวิวัฒนาการหลายร้อยล้านปี เป็นแรงบันดาลใจให้นักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุในการออกแบบวัสดุใหม่ๆ คุณลักษณะเด่นของวัสดุเหล่านี้ ได้แก่ ลำดับชั้นของโครงสร้าง ความสามารถในการทำงานหลายอย่าง และความสามารถในการซ่อมแซมตัวเอง การจัดระเบียบตัวเองยังเป็นคุณลักษณะพื้นฐานของวัสดุชีวภาพหลายชนิด และเป็นวิธีการที่โครงสร้างต่างๆ ถูกประกอบขึ้นจากระดับโมเลกุล ดังนั้นการประกอบตัวเองจึงกำลังกลายเป็นกลยุทธ์ใหม่ในการสังเคราะห์ทางเคมีของวัสดุชีวภาพประสิทธิภาพสูง

คุณสมบัติทางกายภาพของธาตุและสารประกอบที่ให้หลักฐานที่แน่ชัดเกี่ยวกับองค์ประกอบทางเคมี ได้แก่ กลิ่น สี ปริมาตร ความหนาแน่น (มวลต่อหน่วยปริมาตร) จุดหลอมเหลว จุดเดือด ความจุความร้อน รูปทรงและลักษณะทางกายภาพที่อุณหภูมิห้อง (ของแข็ง ของเหลว หรือก๊าซ ผลึกทรงลูกบาศก์ ผลึกทรงสามเหลี่ยม ฯลฯ) ความแข็ง ความพรุนดัชนีหักเหและอื่นๆ อีกมากมาย ส่วนนี้จะกล่าวถึงคุณสมบัติทางกายภาพบางประการของวัสดุในสถานะของแข็ง

คุณสมบัติทางกลของวัสดุอธิบายถึงลักษณะต่างๆ เช่นความแข็งแรงและความต้านทานต่อการเสียรูป ตัวอย่างเช่น คานเหล็กใช้ในงานก่อสร้างเนื่องจากมีความแข็งแรงสูง หมายความว่าคานเหล็กจะไม่แตกหักหรือโค้งงออย่างมากภายใต้แรงที่กระทำ

สมบัติทางกลประกอบด้วยความยืดหยุ่นความเป็นพลาสติกความแข็งแรงดึงความแข็งแรงอัดความแข็งแรงเฉือนความเหนียวแตกหักความเหนียว(ต่ำในวัสดุเปราะ) และความแข็งจากการกดกลศาสตร์ของแข็งคือการศึกษาพฤติกรรมของสสารแข็งภายใต้การกระทำภายนอก เช่น แรงภายนอกและการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ

ของแข็งไม่แสดงการไหลในระดับมหภาคเหมือนของไหล การเปลี่ยนแปลงใดๆ จากรูปทรงเดิมเรียกว่าการเสียรูปอัตราส่วนของการเสียรูปต่อขนาดเดิมเรียกว่า ความเครียด หากแรง กดที่กระทำ ต่ำเพียงพอ วัสดุของแข็งเกือบทั้งหมดจะแสดงพฤติกรรมที่ความเครียดเป็นสัดส่วนโดยตรงกับแรงกด ( กฎของฮุก ) ค่าสัมประสิทธิ์ของสัดส่วนนี้เรียกว่าโมดูลัสความยืดหยุ่นหรือโมดูลัสของยังบริเวณของการเสียรูปนี้เรียกว่า บริเวณ ยืดหยุ่นเชิงเส้น มี แบบจำลองสามแบบที่สามารถอธิบายการตอบสนองของของแข็งต่อแรงกดที่กระทำได้:

• ความยืดหยุ่น – เมื่อแรงกดถูกถอนออก วัสดุจะกลับคืนสู่สภาพเดิมก่อนการเปลี่ยนแปลงรูปทรง
• ความยืดหยุ่นหนืด – วัสดุเหล่านี้มีพฤติกรรมยืดหยุ่น แต่ก็มีการหน่วงด้วย เมื่อแรงกดที่กระทำถูกถอนออก วัสดุจะต้องทำงานเพื่อต้านทานผลของการหน่วง และพลังงานที่ได้จะถูกเปลี่ยนเป็นความร้อนภายในวัสดุ ส่งผลให้เกิดวงฮิสเทอรีซิสในกราฟความสัมพันธ์ระหว่างความเค้นและความเครียด ซึ่งหมายความว่าการตอบสนองทางกลนั้นขึ้นอยู่กับเวลา
• ความเป็นพลาสติก – โดยทั่วไปแล้ว วัสดุที่แสดงพฤติกรรมยืดหยุ่นจะเป็นเช่นนั้นเมื่อแรงเค้นที่กระทำน้อยกว่าค่าความเค้นคราค เมื่อแรงเค้นมากกว่าค่าความเค้นคราค วัสดุจะแสดงพฤติกรรมพลาสติกและไม่กลับคืนสู่สภาพเดิม กล่าวคือ การเสียรูปพลาสติกที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ (หรือการไหลแบบหนืด) จะเกิดขึ้นหลังจากค่าความเค้นคราค ซึ่งเป็นการเสียรูปถาวร

วัสดุหลายชนิดจะอ่อนตัวลงเมื่อได้รับความร้อนสูง วัสดุที่ยังคงความแข็งแรงไว้ได้ที่อุณหภูมิสูง เรียกว่าวัสดุทนไฟซึ่งมีประโยชน์ในหลายด้าน ตัวอย่างเช่นเซรามิกแก้วมีประโยชน์อย่างมากสำหรับการทำอาหารบนเคาน์เตอร์ เนื่องจากมีคุณสมบัติทางกลที่ดีเยี่ยมและสามารถทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็วและซ้ำๆ ได้ถึง 1000 °C ในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ วัสดุประสิทธิภาพสูงที่ใช้ในการออกแบบภายนอกของเครื่องบินและ/หรือยานอวกาศต้องมีความต้านทานต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันสูง ดังนั้น เส้นใยสังเคราะห์ที่ปั่นจากพอลิเมอร์อินทรีย์ วัสดุคอมโพสิตพอลิเมอร์/เซรามิก/โลหะ และพอลิเมอร์เสริมแรงด้วยเส้นใย จึงได้รับการออกแบบโดยคำนึงถึงวัตถุประสงค์นี้เป็นหลัก

เนื่องจากของแข็งมีพลังงานความร้อนอะตอมของของแข็งจึงสั่นรอบตำแหน่งเฉลี่ยคงที่ภายในโครงสร้างผลึก (หรือโครงสร้างที่ไม่เป็นระเบียบ) สเปกตรัมของการสั่นของโครงสร้างผลึกหรือโครงสร้างแก้วเป็นพื้นฐานของทฤษฎีจลน์ของของแข็งการเคลื่อนที่นี้เกิดขึ้นในระดับอะตอม ดังนั้นจึงไม่สามารถสังเกตหรือตรวจจับได้หากไม่มีอุปกรณ์เฉพาะทางขั้นสูง เช่น อุปกรณ์ที่ใช้ในสเปกโทรสโกปี

คุณสมบัติทางความร้อนของของแข็ง ได้แก่ค่าการนำความร้อนซึ่งเป็นคุณสมบัติของวัสดุที่บ่งบอกถึงความสามารถในการนำความร้อนนอกจากนี้ ของแข็งยังมีค่าความจุความร้อนจำเพาะซึ่งเป็นความสามารถของวัสดุในการเก็บพลังงานในรูปของความร้อน (หรือการสั่นสะเทือนของโครงสร้างผลึกเนื่องจากความร้อน)

คุณสมบัติทางไฟฟ้าประกอบด้วยความต้านทานไฟฟ้าและความนำไฟฟ้าความแข็งแรงของฉนวน ความซึมผ่านของ สนามแม่เหล็ก และค่าคงที่ไดอิเล็กตริก ตัวนำไฟฟ้า เช่น โลหะและโลหะผสม จะแตกต่างจากฉนวนไฟฟ้า เช่น แก้วและเซรามิกสารกึ่งตัวนำมีพฤติกรรมอยู่ระหว่างกลาง ในขณะที่การนำไฟฟ้าในโลหะเกิดจากอิเล็กตรอน ทั้งอิเล็กตรอนและโฮลมีส่วนทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าในสารกึ่งตัวนำ ในทางกลับกัน ไอออนช่วยให้เกิดกระแสไฟฟ้าในตัวนำไอออนิก

วัสดุหลายชนิดแสดงคุณสมบัติการนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิต่ำ ได้แก่ ธาตุโลหะ เช่น ดีบุกและอะลูมิเนียม โลหะผสมต่างๆ สารกึ่งตัวนำที่มีการเจือปนสูงบางชนิด และเซรามิกบางประเภท ความต้านทานไฟฟ้าของตัวนำไฟฟ้า (โลหะ) ส่วนใหญ่จะลดลงอย่างค่อยเป็นค่อยไปเมื่ออุณหภูมิลดลง แต่ยังคงมีค่าจำกัด อย่างไรก็ตาม ในตัวนำยิ่งยวด ความต้านทานจะลดลงอย่างฉับพลันเป็นศูนย์เมื่อวัสดุเย็นตัวลงต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤต กระแสไฟฟ้าที่ไหลในวงจรลวดตัวนำยิ่งยวดสามารถคงอยู่ได้ตลอดไปโดยไม่ต้องใช้แหล่งพลังงาน

ไดอิเล็กทริกหรือฉนวนไฟฟ้า คือสารที่มีความต้านทานสูงต่อการไหลของกระแสไฟฟ้า ไดอิเล็กทริก เช่น พลาสติก มีแนวโน้มที่จะรวมสนามไฟฟ้าที่ป้อนเข้าไปไว้ภายในตัวมันเอง ซึ่งคุณสมบัตินี้ถูกนำไปใช้ในตัวเก็บประจุ ตัวเก็บประจุเป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าที่สามารถเก็บพลังงานไว้ในสนามไฟฟ้าระหว่างตัวนำสองตัวที่อยู่ใกล้กัน (เรียกว่า 'แผ่นตัวนำ') เมื่อจ่ายแรงดันไฟฟ้าให้กับตัวเก็บประจุ ประจุไฟฟ้าที่มีขนาดเท่ากันแต่มีขั้วตรงข้ามจะสะสมอยู่บนแต่ละแผ่น ตัวเก็บประจุถูกใช้ในวงจรไฟฟ้าเป็นอุปกรณ์เก็บพลังงาน รวมถึงในตัวกรองอิเล็กทรอนิกส์เพื่อแยกแยะระหว่างสัญญาณความถี่สูงและความถี่ต่ำ

ปรากฏการณ์เพียโซอิเล็กทริกคือความสามารถของผลึกในการสร้างแรงดันไฟฟ้าเพื่อตอบสนองต่อแรงกดทางกลที่กระทำ ผลของเพียโซอิเล็กทริกนั้นสามารถย้อนกลับได้ กล่าวคือ ผลึกเพียโซอิเล็กทริกเมื่อได้รับแรงดันไฟฟ้าจากภายนอก สามารถเปลี่ยนรูปร่างได้เล็กน้อย วัสดุพอลิเมอร์ เช่น ยาง ขนสัตว์ เส้นผม เส้นใยไม้ และไหม มักมีพฤติกรรมคล้ายอิเล็กเตรตตัวอย่างเช่น พอลิเมอร์โพลีไวนิลิดีนฟลูออไรด์ (PVDF) แสดงการตอบสนองเพียโซอิเล็กทริกที่มากกว่าวัสดุเพียโซอิเล็กทริกแบบดั้งเดิมอย่างควอตซ์ (SiO2 ผลึก) หลายเท่า_การเปลี่ยนรูปเพียงเล็กน้อย (~0.1%) ทำให้เกิดการใช้งานทางเทคนิคที่มีประโยชน์ เช่น แหล่งจ่ายแรงดันสูง ลำโพง เลเซอร์ รวมถึงเซ็นเซอร์และ/หรือตัวแปลงสัญญาณทางเคมี ชีวภาพ และอะคูสโตออปติก

วัสดุบางชนิดสามารถส่งผ่านแสงที่มองเห็นได้ (เช่น แก้ว) หรือสะท้อนแสงที่มองเห็นได้ (เช่น โลหะ)

วัสดุหลายชนิดสามารถยอมให้คลื่นแสงบางช่วงความยาวคลื่นผ่านไปได้ ในขณะที่ปิดกั้นคลื่นแสงช่วงความยาวคลื่นอื่น ตัวอย่างเช่น กระจกหน้าต่างโปร่งใสต่อแสงที่มองเห็นได้แต่โปร่งใสน้อยกว่ามากต่อคลื่น แสง อัลตราไวโอเลต ส่วนใหญ่ ที่ทำให้เกิดอาการไหม้แดด คุณสมบัตินี้ถูกนำมาใช้ในตัวกรองแสงแบบเลือกความถี่ ซึ่งสามารถเปลี่ยนแปลงสีของแสงที่ตกกระทบได้

สำหรับการใช้งานบางอย่าง ทั้งคุณสมบัติทางแสงและทางกลของวัสดุอาจเป็นที่น่าสนใจ ตัวอย่างเช่น เซ็นเซอร์บน ขีปนาวุธนำวิถี ด้วยอินฟราเรด ("ขีปนาวุธค้นหาความร้อน") ต้องได้รับการปกป้องด้วยฝาครอบที่โปร่งใสต่อรังสีอินฟราเรดวัสดุที่นิยมใช้ในปัจจุบันสำหรับโดมขีปนาวุธนำวิถีด้วยอินฟราเรดความเร็วสูงคือแซฟไฟร์ ผลึกเดี่ยว การส่งผ่านแสงของแซฟไฟร์นั้นไม่ได้ครอบคลุมช่วงอินฟราเรดกลางทั้งหมด (3–5 ไมโครเมตร) แต่จะเริ่มลดลงที่ความยาวคลื่นมากกว่าประมาณ 4.5 ไมโครเมตรที่อุณหภูมิห้อง แม้ว่าความแข็งแรงของแซฟไฟร์จะดีกว่าวัสดุโดมอินฟราเรดช่วงกลางอื่นๆ ที่มีอยู่ ณ อุณหภูมิห้อง แต่จะอ่อนตัวลงเมื่ออุณหภูมิสูงกว่า 600 องศาเซลเซียส จึงมีความสมดุลระหว่างช่วงการส่งผ่านแสงและความทนทานทางกลมาอย่างยาวนาน วัสดุใหม่ๆ เช่นเซรามิกโปร่งใสหรือนาโนคอมโพสิตทางแสงอาจให้ประสิทธิภาพที่ดีขึ้น

การส่งผ่านคลื่นแสงแบบนำทางเกี่ยวข้องกับสาขาใยแก้วนำแสงและความสามารถของแก้วบางชนิดในการส่งผ่านคลื่นความถี่ต่างๆ พร้อมกันโดยมีการสูญเสียความเข้มต่ำ (ท่อนำแสงแบบหลายโหมด) และมีการรบกวนระหว่างกันน้อยมาก ท่อนำแสงถูกใช้เป็นส่วนประกอบในวงจรแสงแบบรวม หรือเป็นสื่อกลางในการส่งผ่านในระบบสื่อสารด้วยแสง

เซลล์แสงอาทิตย์หรือเซลล์โฟโตโวลตาอิกเป็นอุปกรณ์ที่แปลงพลังงานแสงเป็นพลังงานไฟฟ้า โดยพื้นฐานแล้ว อุปกรณ์นี้ต้องทำหน้าที่เพียงสองอย่างคือ การสร้างตัวนำประจุ (อิเล็กตรอนและโฮล) ด้วยแสงในวัสดุดูดซับแสง และการแยกตัวนำประจุไปยังหน้าสัมผัสที่เป็นตัวนำซึ่งจะส่งกระแสไฟฟ้า (กล่าวคือ การนำอิเล็กตรอนผ่านหน้าสัมผัสโลหะไปยังวงจรภายนอก) การแปลงนี้เรียกว่าปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกและสาขาการวิจัยที่เกี่ยวข้องกับเซลล์แสงอาทิตย์เรียกว่าโฟโตโวลตาอิกส์

เซลล์แสงอาทิตย์มีประโยชน์ใช้สอยมากมาย มีการใช้งานมานานแล้วในสถานการณ์ที่ไม่มีไฟฟ้าจากสายส่ง เช่น ระบบไฟฟ้าในพื้นที่ห่างไกล ดาวเทียมโคจรรอบโลกและยานสำรวจอวกาศ เครื่องคิดเลขพกพา นาฬิกาข้อมือ วิทยุโทรศัพท์ทางไกล และระบบสูบน้ำ และในปัจจุบันเริ่มมีการนำมาใช้ในรูปแบบแผงโซลาร์เซลล์ (อาร์เรย์เซลล์แสงอาทิตย์) ที่เชื่อมต่อกับสายส่งไฟฟ้าผ่านอินเวอร์เตอร์ โดยไม่ได้ทำหน้าที่เป็นแหล่งจ่ายไฟฟ้าหลัก แต่เป็นแหล่งจ่ายไฟฟ้าเสริม

เซลล์แสงอาทิตย์ทุกชนิดจำเป็นต้องมีวัสดุดูดซับแสงอยู่ภายในโครงสร้างเซลล์เพื่อดูดซับโฟตอนและสร้างอิเล็กตรอนผ่านปรากฏการณ์โฟโตโวลตาอิกวัสดุที่ใช้ในเซลล์แสงอาทิตย์มักมีคุณสมบัติในการดูดซับคลื่นแสงอาทิตย์ที่มาถึงพื้นผิวโลกได้ดีกว่า นอกจากนี้ เซลล์แสงอาทิตย์บางชนิดยังได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการดูดซับแสงนอกชั้นบรรยากาศของโลกด้วย

เคมีของของแข็งหรือที่เรียกว่าเคมีของวัสดุ คือการศึกษาการสังเคราะห์โครงสร้างและคุณสมบัติของวัสดุในสถานะของแข็ง ดังนั้นจึงมีความทับซ้อนอย่างมากกับฟิสิกส์ของของแข็ง แร่ธาตุวิทยา ผลึกศาสตร์ เซรามิกส์ โลหะวิทยา อุณหพลศาสตร์ วิทยาศาสตร์วัสดุ และอิเล็กทรอนิกส์ โดยมุ่งเน้นที่การสังเคราะห์วัสดุใหม่และการวิเคราะห์คุณสมบัติ วัสดุของแข็งมีเทคนิคการสังเคราะห์ที่หลากหลายเช่นวิธีเซรามิกส์และการตกตะกอนไอเคมีของแข็งสามารถจำแนกได้เป็นผลึกหรืออสัณฐานตามลักษณะของความเป็นระเบียบในการจัดเรียงอนุภาคที่เป็นส่วนประกอบ^{[ 51 ]}องค์ประกอบทางเคมี โครงสร้างจุลภาค และคุณสมบัติทางกายภาพของของแข็งสามารถวิเคราะห์ได้ด้วยวิธีการวิเคราะห์ที่หลากหลาย

วิทยาศาสตร์วัสดุเป็นสาขาสหวิทยาการที่เกี่ยวข้องกับการทำความเข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างของวัสดุและคุณสมบัติของวัสดุ และใช้ความรู้นี้ในการออกแบบวัสดุสำหรับการใช้งานเฉพาะด้าน โครงสร้างภายในของวัสดุ ตั้งแต่การจัดเรียงอะตอมไปจนถึงลักษณะเฉพาะระดับจุลภาค มีอิทธิพลอย่างมากต่อพฤติกรรมทางกล ไฟฟ้า ความร้อน และแสง ในทางปฏิบัติทางวิศวกรรม วิทยาศาสตร์วัสดุและวิศวกรรมมักถูกอธิบายผ่านกระบวนทัศน์การประมวลผล-โครงสร้าง-คุณสมบัติ-ประสิทธิภาพ ซึ่งการประมวลผลกำหนดโครงสร้าง โครงสร้างกำหนดคุณสมบัติ และคุณสมบัติควบคุมประสิทธิภาพของวัสดุในการใช้งานในที่สุด^{[ 52 ]}

จุดเริ่มต้นทางปัญญาของวิทยาศาสตร์วัสดุมาจากยุคแห่งการตรัสรู้เมื่อนักวิจัยเริ่มใช้ความคิดเชิงวิเคราะห์จากเคมีฟิสิกส์และวิศวกรรมศาสตร์เพื่อทำความเข้าใจ การสังเกต เชิงปรากฏการณ์ โบราณ ในด้านโลหะวิทยาและแร่ธาตุวิทยา [ ^{53 ] [ 54 ] วิทยาศาสตร์} วัสดุยังคงรวมเอาองค์ประกอบของฟิสิกส์ เคมี และวิศวกรรมศาสตร์ไว้ด้วย ดังนั้น สถาบันการศึกษาจึงมองว่าสาขา นี้เป็นสาขาย่อยของสาขาที่เกี่ยวข้องเหล่านี้มาเป็นเวลานาน ตั้งแต่ช่วงทศวรรษ 1940 เป็นต้นมา วิทยาศาสตร์วัสดุเริ่มได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางมากขึ้นว่าเป็นสาขาวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์ที่เฉพาะเจาะจงและแตกต่าง และมหาวิทยาลัยเทคนิคชั้นนำทั่วโลกได้สร้างโรงเรียนเฉพาะทางสำหรับการศึกษาด้านนี้

ด้วยการศึกษาว่าประวัติความเป็นมาของวัสดุ ( กระบวนการผลิต ) ส่งผลต่อโครงสร้าง คุณสมบัติ และประสิทธิภาพของวัสดุอย่างไร นักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุจึงได้สร้างคุณูปการมากมายให้กับเทคโนโลยีใหม่ๆ ในด้านวัสดุชีวภาพโลหะวิทยาและนาโนเทคโนโลยี นอกจากนี้ วิศวกรนิติวิทยาศาสตร์และนักวิเคราะห์ความล้มเหลวยังใช้ศาสตร์ด้านวัสดุเพื่อทำความเข้าใจว่าทำไมและอย่างไรชิ้นส่วนที่สำคัญจึงเกิดความเสียหาย ซึ่งช่วยป้องกันอุบัติเหตุที่อันตรายและมีค่าใช้จ่ายสูงในด้านต่างๆ เช่นการบิน

วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับของแข็ง (สสาร )