固体

金属は一般的に、強度が高く、密度が高く、電気と熱の両方の良導体である。^{[ 43 ] [ 44 ]}周期表 の元素の大部分、つまりホウ素からポロニウムまで引かれた対角線の左側にある元素は金属である。2つ以上の元素の混合物で、主要成分が金属であるものは合金として知られている。

人類は先史時代から様々な用途で金属を利用してきました。金属の強度と信頼性の高さから、建物やその他の構造物の建設、ほとんどの乗り物、多くの家電製品や工具、パイプ、道路標識、鉄道線路などに広く使用されています。鉄とアルミニウムは、最も一般的に使用されている構造用金属です。これらは地殻に最も豊富に存在する金属でもあります。鉄は、炭素含有量が最大2.1%の合金である鋼鉄の形で最も一般的に使用されており、純鉄よりもはるかに硬くなっています。

金属は電気伝導性に優れているため、電気機器や、エネルギー損失や散逸を最小限に抑えながら長距離にわたって電流を伝送する用途において重宝されます。そのため、電力網は金属ケーブルを用いて電力を供給しています。例えば、家庭用電気システムは、優れた導電性と加工の容易さから銅線で配線されています。また、ほとんどの金属は熱伝導率が高いため、コンロ用調理器具にも適しています。

金属元素とその合金の研究は、固体化学、物理学、材料科学、および工学の分野において重要な部分を占めている。

金属固体は、「金属結合」として知られる、共有された非局在化電子の高密度によって結合されています。金属では、原子は最外殻（「価電子」）電子を容易に失い、正イオンを形成します。自由電子は固体全体に広がり、イオンと電子雲の間の静電相互作用によって固体はしっかりと結合されています。^{[ 45 ]}自由電子の数が多いため、金属は高い電気伝導率と熱伝導率を示します。自由電子は可視光の透過も妨げるため、金属は不透明で光沢があり、輝きがあります。

金属の特性に関するより高度なモデルでは、正イオンのコアが非局在化電子に及ぼす影響を考慮します。ほとんどの金属は結晶構造を持つため、これらのイオンは通常、周期的な格子状に配置されます。数学的には、イオンコアのポテンシャルはさまざまなモデルで扱うことができますが、最も単純なのはほぼ自由電子モデルです。

鉱物は、高圧下でさまざまな地質学的プロセスを経て形成された天然の固体です^{[ 46 ]} 。真の鉱物として分類されるには、物質は全体にわたって均一な物理的性質を持つ結晶構造を持っていなければなりません。鉱物の組成は、純粋な元素や単純な塩​​から、数千の既知の形態を持つ非常に複雑なケイ酸塩まで多岐にわたります。対照的に、岩石サンプルは鉱物や鉱物様物質のランダムな集合体であり、特定の化学組成はありません。地球の地殻の岩石の大部分は、石英（結晶質のSiO2 _）、長石、雲母、緑泥石、カオリン、方解石、緑簾石、橄欖石、普通輝石、角閃石、磁鉄鉱、赤鉄鉱、褐鉄鉱、およびその他のいくつかの鉱物で構成されています。石英、雲母、長石などの一部の鉱物は一般的ですが、他の鉱物は世界中でごく限られた場所でしか発見されていません。鉱物の中で圧倒的に多いのはケイ酸塩鉱物（ほとんどの岩石は95％以上がケイ酸塩鉱物である）で、これは主にケイ素と酸素から構成され、アルミニウム、マグネシウム、鉄、カルシウムなどの金属イオンが添加されている。

セラミック固体は、通常は化学元素の酸化物である無機化合物で構成されています。^{[ 47 ]}それらは化学的に不活性であり、酸性または腐食性の環境で発生する化学的侵食に耐えることができる場合が多いです。セラミックは一般的に1,000～1,600 ℃（1,830～2,910 °F）の高温に耐えることができます。例外として、窒化物、ホウ化物、炭化物などの非酸化物無機材料があります。  

従来のセラミック原料にはカオリナイトなどの粘土鉱物が用いられ、近年では酸化アルミニウム（アルミナ）も原料として使われるようになった。先進セラミックスに分類される現代のセラミック材料には、炭化ケイ素や炭化タングステンなどがある。これらはどちらも耐摩耗性に優れているため、鉱山における破砕装置の摩耗板などの用途に利用されている。

アルミナやその化合物など、ほとんどのセラミック材料は微粉末から作られ、可視光の波長に匹敵する光散乱中心が多数存在する微細な多結晶構造を形成します。そのため、一般的に透明材料ではなく不透明材料です。しかし、近年のナノスケール技術（例えばゾルゲル法）により、高出力レーザーなどの用途向けに、透明アルミナやアルミナ化合物といった多結晶透明セラミックの製造が可能になりました。先進セラミックスは、医療、電気、電子産業でも使用されています。

セラミック工学とは、固体セラミック材料、部品、およびデバイスを製造する科学技術である。これは、加熱作用を用いるか、あるいは低温で化学溶液からの析出反応を利用して行われる。この用語には、原材料の精製、関連する化学化合物の研究と製造、それらの構成要素への成形、およびそれらの構造、組成、特性の研究が含まれる。

機械的に言えば、セラミック材料は脆く、硬く、圧縮には強く、せん断と引張には弱い。脆い材料は、静的荷重を支えることでかなりの引張強度を示すことがある。靭性とは、材料が機械的破壊を起こす前にどれだけのエネルギーを吸収できるかを示すものであり、破壊靭性（K _{Icで表される）は、固有の}微細構造欠陥を持つ材料が、亀裂の成長と伝播による破壊に抵抗する能力を表す。材料の破壊靭性の値が大きい場合、破壊力学の基本原理によれば、延性破壊を起こす可能性が最も高い。脆性破壊は、通常 K _Icの値が低く（かつ一貫性がない）ほとんどのセラミックおよびガラスセラミック材料に非常に特徴的である。

セラミックスの応用例としては、ジルコニアの極めて高い硬度がナイフの刃やその他の工業用切削工具の製造に利用されています。アルミナ、炭化ホウ素、炭化ケイ素などのセラミックスは、大口径ライフル弾をはじく防弾チョッキにも使用されています。窒化ケイ素部品はセラミックボールベアリングに使用されており、その高い硬度により耐摩耗性に優れています。一般的に、セラミックスは耐薬品性に​​も優れており、鋼製ベアリングが酸化（または錆び）しやすい湿潤環境でも使用できます。

セラミックの応用例として、1980年代初頭、トヨタは6,000 °F（3,320 °C）を超える作動温度を持つ断熱セラミックエンジンの製造を研究しました。セラミックエンジンは冷却システムを必要としないため、大幅な軽量化が可能となり、燃費効率が向上します。従来の金属製エンジンでは、金属部品の溶融を防ぐために、燃料から放出されるエネルギーの大部分を廃熱として放散する必要があります。ガスタービンエンジン用のセラミック部品の開発も進められています。セラミック製のタービンエンジンはより効率的に作動し、一定量の燃料で航空機の航続距離と積載量を向上させることができます。しかし、セラミック部品を十分な精度と耐久性で製造することは困難でコストがかかるため、このようなエンジンは生産されていません。加工方法によっては、微細な欠陥が広範囲に分布することが多く、これらの欠陥は焼結プロセスに悪影響を及ぼし、亀裂の増殖や最終的な機械的故障につながることがよくあります。  

ガラスセラミック材料は、非晶質ガラスと結晶質セラミックの両方と多くの特性を共有しています。これらはガラスとして形成され、その後熱処理によって部分的に結晶化され、非晶質相と結晶相の両方が生成されます。その結果、結晶粒が非晶質の粒間相の中に埋め込まれた構造となります。

ガラスセラミックスは、耐熱衝撃性に優れ、液体の透過性が極めて低い調理器具（元々はコーニングウェアというブランド名で知られていた）やコンロの製造に用いられています。結晶質セラミック相の負の熱膨張係数は、ガラス相の正の熱膨張係数によって相殺されます。ある一定の点（結晶質が約70%）に達すると、ガラスセラミックスの正味の熱膨張係数はほぼゼロになります。このタイプのガラスセラミックスは優れた機械的特性を示し、1000 ℃までの繰り返しの急激な温度変化にも耐えることができます。 

ガラスセラミックスは、ほとんどの海岸の砂に含まれる結晶質の粒子（例えば石英）に雷が落ちた際に自然に生成されることもある。この場合、雷の極めて高温（約2500 ℃）によって、溶融反応が起こり、フルグライトと呼ばれる中空で枝分かれした根のような構造が形成される。 

有機化学は、炭素と水素からなる化合物の構造、性質、組成、反応、および合成（またはその他の方法）による製造を研究する学問です。これらの化合物には、窒素、酸素、ハロゲン（フッ素、塩素、臭素、ヨウ素）など、他の多くの元素が含まれる場合があります。また、リンや硫黄を含む有機化合物もあります。有機固体の例としては、木材、パラフィンワックス、ナフタレン、そして多種多様なポリマーやプラスチックが挙げられます。

ポリマー

有機化学における炭素の重要な性質の一つは、特定の化合物を形成できることである。これらの化合物の個々の分子は互いに結合し、鎖状または網状の構造を形成する。この過程は重合と呼ばれ、鎖状または網状の構造はポリマー、元の化合物はモノマーと呼ばれる。ポリマーには大きく分けて2つのグループが存在する。人工的に製造されるものは工業用ポリマーまたは合成ポリマー（プラスチック）と呼ばれ、天然に存在するものはバイオポリマーと呼ばれる。

モノマーは、溶解度や化学反応性などの有機化合物の化学的性質、および硬度、密度、機械的強度または引張強度、耐摩耗性、耐熱性、透明性、色などの物理的性質に影響を与える様々な化学置換基または官能基を持つことができます。タンパク質では、これらの違いにより、ポリマーは他の構造よりも優先的に生物学的に活性な構造をとることができます（自己組織化を参照）。

人々は何世紀にもわたり、ワックスやシェラック（熱可塑性ポリマーに分類される）の形で天然有機ポリマーを使用してきました。セルロースと呼ばれる植物ポリマーは、天然繊維やロープの引張強度を提供し、19 世紀初頭には天然ゴムが広く使用されるようになりました。ポリマーは、一般的にプラスチックと呼ばれるものを作るのに使用される原材料（樹脂）です。プラスチックは、加工中に 1 つ以上のポリマーまたは添加剤が樹脂に添加され、最終的な形状に成形された後に作られる最終製品です。古くから存在し、現在広く使用されているポリマーには、炭素系ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ナイロン、ポリエステル、アクリル、ポリウレタン、ポリカーボネート、シリコン系シリコーンなどがあります。プラスチックは一般的に、「汎用」、「特殊」、「エンジニアリング」プラスチックに分類されます。

複合材料は、2つ以上の巨視的な相から構成され、そのうちの1つはセラミックであることが多い。例えば、連続的なマトリックスと、セラミック粒子または繊維の分散相などが挙げられる。

複合材料の用途は、鉄筋コンクリートなどの構造要素から、NASAのスペースシャトルの熱保護システムにおいて重要な役割を果たす断熱タイルまで多岐にわたります。このシステムは、地球大気圏への再突入時の熱からシャトルの表面を保護するために使用されます。一例として、再突入時の最高温度1,510 ℃（2,750 °F）に耐え、スペースシャトルの翼の先端部と前縁を保護する薄灰色の材料である強化炭素複合材（RCC）があります。RCCは、グラファイトレーヨン布から作られ、フェノール樹脂を含浸させた積層複合材料です。オートクレーブで高温硬化させた後、積層材を熱分解して樹脂を炭素に変換し、真空チャンバー内でフルフラールアルコールを含浸させ、硬化/熱分解してフルフラールアルコールを炭素に変換します。再利用性を確保するための耐酸化性を持たせるため、RCCの外層は炭化ケイ素に変換される。  

複合材料の身近な例としては、テレビや携帯電話などの「プラスチック」製の筐体が挙げられます。これらのプラスチック筐体は通常、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ABS）などの熱可塑性マトリックスに、強度、嵩高性、または静電分散性を高めるために炭酸カルシウム、タルク、ガラス繊維、または炭素繊維が添加された複合材料です。これらの添加物は、その用途に応じて、強化繊維または分散剤と呼ばれます。

このように、マトリックス材料は補強材を囲み、それらの相対的な位置を維持することで補強材を支えます。補強材は、それぞれの特殊な機械的特性と物理的特性を付与することで、マトリックス材料の特性を向上させます。相乗効果により、個々の構成材料だけでは得られない材料特性が生み出され、また、マトリックス材料と補強材の豊富な種類によって、設計者は最適な組み合わせを選択することができます。

半導体とは、金属導体と非金属絶縁体の中間の電気抵抗率（および導電率）を持つ物質です。周期表では、ホウ素から右下方向に斜めに並んでいます。半導体は、電気伝導体（金属、左側）と絶縁体（右側）を分ける役割を果たします。

半導体材料で作られたデバイスは、ラジオ、コンピュータ、電話など、現代の電子機器の基盤となっています。半導体デバイスには、トランジスタ、太陽電池、ダイオード、集積回路などがあります。太陽光発電パネルは、光を直接電気エネルギーに変換する大型の半導体デバイスです。

金属導体では電流は電子の流れによって運ばれますが、半導体では電流は電子または材料の電子バンド構造における正電荷を持つ「正孔」によって運ばれます。一般的な半導体材料には、シリコン、ゲルマニウム、ガリウムヒ素などがあります。

多くの従来の固体は、ナノメートルサイズに縮小すると異なる特性を示します。たとえば、通常は黄色の金と灰色のシリコンのナノ粒子は赤色になります。金のナノ粒子は、金のスラブ（1064 °C）よりもはるかに低い温度（  2.5 nm サイズで約 300 °C ）で溶けます。 ^{[ 48 ]}また、金属ナノワイヤーは、対応するバルク金属よりもはるかに強いです。^{[ 49 ] [ 50 ]}ナノ粒子の高い表面積は、エネルギー分野の特定の用途にとって非常に魅力的です。たとえば、白金金属は、自動車用燃料触媒やプロトン交換膜（PEM）燃料電池として改良をもたらす可能性があります。また、ランタン、セリウム、マンガン、ニッケルのセラミック酸化物（またはサーメット）は、固体酸化物燃料電池（SOFC）として開発されています。リチウム、チタン酸リチウム、タンタルのナノ粒子は、リチウムイオン電池に使用されています。シリコンナノ粒子は、膨張・収縮サイクル中にリチウムイオン電池の蓄電容量を劇的に拡大することが実証されています。シリコンナノワイヤーは、著しい劣化なくサイクル動作し、蓄電時間を大幅に延長した電池への応用が期待されています。シリコンナノ粒子は、新しい形態の太陽電池にも使用されています。太陽電池の多結晶シリコン基板上にシリコン量子ドットの薄膜を堆積させることで、入射光を捕捉する前に蛍光を発させ、電圧出力を最大60%向上させることができます。ここでも、ナノ粒子（および薄膜）の表面積が、吸収される放射線量を最大化する上で重要な役割を果たしています。  

多くの天然（または生物）材料は、優れた機械的特性を持つ複雑な複合材料です。数億年にわたる進化を経て形成されたこれらの複雑な構造は、材料科学者にとって新たな材料設計のインスピレーションとなっています。その特徴としては、構造階層性、多機能性、自己修復能力などが挙げられます。自己組織化は、多くの生物材料の基本的な特徴であり、分子レベルから構造が組み立てられる過程でもあります。そのため、自己組織化は、高性能バイオマテリアルの化学合成における新たな戦略として注目されています。

材料の機械的特性とは、強度や変形に対する抵抗力といった特性を指します。例えば、鋼鉄製の梁は強度が高いため、建築物によく用いられます。つまり、荷重がかかっても折れたり、大きく曲がったりしないということです。

機械的特性には、弾性、塑性、引張強度、圧縮強度、せん断強度、破壊靭性、延性（脆性材料では低い）、圧痕硬度などが含まれます。固体力学とは、外部力や温度変化などの外部作用下における固体物質の挙動を研究する学問です。

固体は流体のように巨視的な流れを示しません。元の形状からのずれはすべて変形と呼ばれます。変形と元の大きさの比はひずみと呼ばれます。加えられる応力が十分に低い場合、ほとんどすべての固体材料は、ひずみが応力に正比例するように振る舞います（フックの法則）。この比例定数は弾性率またはヤング率と呼ばれます。この変形領域は線形弾性領域として知られています。固体が加えられた応力にどのように反応するかは、次の3つのモデルで説明できます。

• 弾性– 加えられた応力が取り除かれると、材料は変形前の状態に戻る。
• 粘弾性― これらは弾性的に振る舞うだけでなく、減衰特性も持つ材料です。加えられた応力が除去されると、減衰効果に抗して仕事が行われ、材料内部で熱に変換されます。この結果、応力-ひずみ曲線にヒステリシスループが生じます。これは、機械的応答が時間依存性を持つことを意味します。
• 塑性― 弾性挙動を示す材料は、一般的に加えられた応力が降伏応力値よりも小さい場合に弾性挙動を示します。応力が降伏応力よりも大きくなると、材料は塑性挙動を示し、元の状態に戻りません。つまり、降伏後には不可逆的な塑性変形（または粘性流動）が発生し、これは永久的なものです。

多くの材料は高温になると強度が低下します。高温でも強度を維持する材料は耐火材料と呼ばれ、様々な用途で有用です。例えば、ガラスセラミックスは優れた機械的特性を持ち、1000℃までの急激な温度変化にも耐えられるため、調理台として非常に重宝されています 。航空宇宙産業では、航空機や宇宙船の外装設計に使用される高性能材料は、高い耐熱衝撃性を備えている必要があります。そのため、有機ポリマーから紡糸された合成繊維や、ポリマー／セラミック／金属複合材料、繊維強化ポリマーなどが、この目的のために設計されています。

固体は熱エネルギーを持つため、原子は規則的（または不規則的）な格子内の固定された平均位置を中心に振動します。結晶性またはガラス状のネットワークにおける格子振動のスペクトルは、固体運動論の基礎となります。この運動は原子レベルで起こるため、分光法などで用いられるような高度に専門的な装置を用いなければ、観察または検出することはできません。

固体の熱特性には、熱伝導率が含まれます。熱伝導率とは、物質が熱を伝導する能力を示す性質です。また、固体には比熱容量があり、これは物質が熱（または熱格子振動）の形でエネルギーを蓄える能力を表します。

電気的特性には、電気抵抗率と電気伝導率、絶縁耐力、電磁透磁率、誘電率が含まれます。金属や合金などの電気伝導体は、ガラスやセラミックなどの電気絶縁体とは対照的です。半導体はその中間的な性質を示します。金属の伝導は電子によって引き起こされますが、半導体では電子と正孔の両方が電流に寄与します。一方、イオン伝導体ではイオンが電流を支えます。

低温では多くの物質が超伝導性を示します。これには、スズやアルミニウムなどの金属元素、様々な金属合金、高濃度にドープされた半導体、および特定のセラミックスが含まれます。ほとんどの電気伝導体（金属）の電気抵抗率は、一般的に温度が低下するにつれて徐々に減少しますが、有限の値のままです。しかし、超伝導体では、物質が臨界温度以下に冷却されると、抵抗は急激にゼロになります。超伝導線路を流れる電流は、電源がなくても無限に流れ続けることができます。

誘電体、または電気絶縁体とは、電流の流れに対して非常に抵抗力の強い物質のことです。プラスチックなどの誘電体は、印加された電界を内部に集中させる性質があり、この性質はコンデンサに利用されています。コンデンサは、互いに近接した一対の導体（「プレート」と呼ばれる）間の電界にエネルギーを蓄えることができる電気デバイスです。コンデンサに電圧を印加すると、大きさが等しく極性が逆の電荷が各プレートに蓄積されます。コンデンサは、電気回路においてエネルギー貯蔵装置として、また高周波信号と低周波信号を区別するための電子フィルタとして使用されます。

物質は可視光を透過する（例：ガラス）か、反射する（例：金属）かのいずれかである。

多くの物質は、特定の波長を透過させ、他の波長を遮断します。例えば、窓ガラスは可視光線に対しては透明ですが、日焼けの原因となる紫外線のほとんどの周波数に対しては透過性が低くなります。この性質は、入射光の色を変えることができる周波数選択型光学フィルターに利用されています。

用途によっては、材料の光学的特性と機械的特性の両方が重要となる場合があります。例えば、赤外線ホーミング（「熱追尾」）ミサイルのセンサーは、赤外線に対して透明なカバーで保護する必要があります。高速赤外線誘導ミサイルのドームに現在最もよく使われている材料は、単結晶サファイアです。サファイアの光透過率は、実際には中赤外線領域全体（3～5  μm）をカバーするわけではなく、室温では波長が約4.5 μmを超えると低下し始めます 。サファイアの強度は、室温では他の利用可能な中赤外線ドーム材料よりも優れていますが、600  °Cを超えると弱くなります。光学的バンドパスと機械的耐久性の間には長年のトレードオフが存在しますが、透明セラミックや光学ナノコンポジットなどの新しい材料によって、性能が向上する可能性があります。

導波光伝送は、光ファイバーの分野と、特定のガラスが複数の周波数帯域（マルチモード光導波路）を低強度損失で同時に伝送し、それらの間の干渉をほとんど受けないという特性を利用した技術です。光導波路は、集積光回路の構成要素として、あるいは光通信システムの伝送媒体として使用されます。