miniatura|Dos materials diferents, comparats de manera macroscòpica, microscòpica i nanoscòpica respectivament, d'esquerra dreta Un material és una substància amb estructura i propietats homogènies que s'utilitza per a la fabricació de productes, incloent-hi habitatge, transport, vestits, comunicacions, alimentació, lleure i altres.
Un material pot ser un element químic d’un grau de puresa determinat, com ara el silici per a l'electrònica; un compost químic com el polipropilè, un agregat (aglomerat, compòsit); una suspensió col·loidal, per exemple el ferrofluid; una solució sòlida com el llautó (un aliatge), etc., i pot ser definit també pel procés d’obtenció (electroquímic, sinteritzat) o per les aplicacions (material de construcció, biomaterial).
Des de l'antiguitat existeixen materials compostos que uneixen les propietats de dues o més substàncies, amb la qual cosa s'aconsegueix un material que té les propietats de dos elements. Hi ha també materials usats des de molt antic que es troben a la natura, com la pedra, la fusta, l'argila i el cuir; i de fet les primeres grans civilitzacions de la prehistòria es coneixen amb el nom del material més emprat, per exemple edat de pedra, edat de ferro o edat del bronze. Altres grans grups de materials sòlids són els metàl·lics, els polímers (popularment, plàstics), els ceràmics (inclouen en vidre) i els semiconductors.
La invenció de materials, un aspecte essencial del progrés tècnic des de la revolució neolítica, si més no, esdevé sistemàtica a partir de la Segona Guerra Mundial i s’intensifica encara dels anys vuitanta del ençà. Molts materials són el resultat d’haver estudiat les propietats d’una nova espècie química o d’una nova mescla i d’haver trobat que satisfeien una necessitat social, però cada cop més té lloc el procés invers, que se'n pot dir d’invenció a mida: primer de tot hi ha la definició a priori de les propietats que ha de tenir un material inexistent perquè acompleixi una funció determinada; i en segon lloc ve la recerca empírica, fins a trobar un material amb les propietats preestablertes (pes específic, resistència als esforços, comportament tèrmic, elèctric, etc.). Actualment, hom disposa de l'ordre de desenes de milers de materials, naturals o desenvolupats artificialment, i les noves tecnologies de materials en creen de nous contínuament.
Propietats miniatura|La incandescència és una propietat d'alguns materials que es pot observar a simple vista. Cada material té unes propietats que el diferencien de la resta i que determinen allò que se'n pot fer. Les propietats més importants dels materials sòlids es poden agrupar en grans categories: propietats mecàniques, elèctriques, tèrmiques, magnètiques, òptiques i químiques.
Les propietats mecàniques tenen a veure amb la conservació de les dimensions del sòlid rígid, amb la relació dels esforços exteriors al sòlid i els esforços interns, així com la relació entre deformacions i determinats tipus d'esforços. Exemples de propietats mecàniques: Resistència a esforços, duresa, tenacitat i plasticitat. Moltes d'elles es mesuren amb "assajos" o proves normatives amb sòlids del material a estudiar. miniatura|El diamant presenta la duresa més gran de tots els materials i s'empra, en pols, en maquinària per perforar. Les seves propietats òptiques també són de gran valor en joieria. Les propietats elèctriques es refereixen al comportament de diferents materials respecte a la mobilitat de càrregues pel seu interior. En són exemples la conductivitat elèctrica, la resistivitat i la impedància. Algunes d'elles es mesuren directament amb aparells de mesura tradicionals com l'amperímetre, voltímetre i ohmímetre.
Les propietats tèrmiques són propietats que influeixen en el comportament tèrmic o termodinàmic d'un material. Exemples: Conductivitat tèrmica, calor específica, punts de canvi d'estat.
Les propietats magnètiques estan relacionades amb la reacció d'un material front a camps magnètics. També amb la creació d'un camp magnètic propi de manera natural. Exemples: Permeabilitat magnètica, resiliència magnètica, ferromagnetisme.
Les propietats òptiques influeixen en l'absorció i transmissió d'ones electromagnètiques de l'espectre visible.
Les propietats químiques iInflueixen en el comportament d'un material a l'hora de reaccionar amb altres substàncies, de forma que hi hagin canvis en els enllaços moleculars.
Classificació dels materials Els materials es poden classificar en naturals o artificials, en sòlids i no-sòlids, els sòlids en simples o compostos, i els sòlids simples en metàl·lics, ceràmics i polímers. Els materials es classifiquen segons la seva composició en tres tipus bàsics: metalls, ceràmiques i polímers, i a vegades se'n considera un quart grup com és els compòsits.
Metalls miniatura|Enllaç metàl·lic. En vermell els cations de l'element químic, amb posició ordenada i fixa entre ells, i en blau els electrons de valència, que es mouen lliurement entre els buits que queden entre els cations. esquerra|miniatura|Retalls de planxa de coure, un metall de color vermellós. Els materials metàl·lics són metalls (ferro, coure, alumini...) o combinacions d'elements químics metàl·lics (acer, llautó, zamak...). Les seves propietats són degudes a les característiques de l'enllaç metàl·lic. En aquest tipus d'enllaç químic, els àtoms s'ionitzen formant cations i els electrons de valència que perden queden deslocalitzats, és a dir, que són "compartits", sense pertànyer realment a cap àtom en concret. Acostumen a ser bons conductors de la calor i l'electricitat, presenten una lluïssor típica (lluïssor metàl·lica) quan estan polits, són opacs, deformables i resistents.
Les propietats mecàniques dels metalls, com la duresa, la capacitat de resistir tensions repetides (resistència a la fatiga), la ductilitat i la mal·leabilitat, sovint s'atribueixen a defectes o imperfeccions en la seva estructura cristal·lina. L'absència d'una capa d'àtoms en la seva estructura densa, per exemple, permet que un metall es deformi plàsticament i evita que sigui fràgil.
Ceràmiques miniatura|Exemple d'estructura cristal·lina d'un material ceràmic, carbur de titani TiC. esquerra|miniatura|Ceràmica transparent. Els materials ceràmics són composts inorgànics no metàl·lics, incloent-hi minerals d'argila, el marbre, el granit, vidre i ciment. Són compostos químics formats per grups no-metàl·lics (òxids, nitrurs i carburs) amb elements químics metàl·lics (metalls). La seva estructura ja no té els electrons voltant lliurement entre tots els àtoms i, per tant, la conductivitat elèctrica i calorífica és menor que als metalls. La seva estructura fa que siguin materials durs, difícilment deformables, i fràgils, que es trenquen amb facilitat.
Els materials ceràmics es divideixen en dos grups segons com s'han obtingut:
Ceràmiques tradicionals: són les obtingudes a partir de materials naturals (argila, sílice i feldespats). Ceràmiques tècniques: són aquelles que duen en la seva composició materials sintètics. miniatura|Escut tèrmic de ceràmica de la nau espacial Orió recuperat després d'un llançament de prova. Les propietats millors de les ceràmiques són la duresa, el poder aïllador tèrmic i elèctric, i una resistència a les altes temperatures i a l’atac químic més gran, en general, que la dels metalls i els polímers. La raó d’aquestes propietats hom les troba en els electrons dels àtoms dels metalls i els no-metalls que les componen. En els metalls, per exemple, els electrons més externs deixen de pertànyer al metall i són cedits als àtoms de no-metalls, que els immobilitzen, cosa que explica el poder aïllador dels materials ceràmics. Així, la porcellana elèctrica o l'esteatita es fan servir com a aïllants industrials i s'empren en la fabricació de condensadors. Amb tot, algunes ceràmiques tenen propietats semiconductores (la conductivitat elèctrica es pot controlar mitjançant dissolucions sòlides de diferents òxids metàl·lics). Són materials ceràmics els principals materials piezoelèctrics, com ara les ceràmiques PZT (de plom, zirconi i titani), i, més important encara, alguns materials ceràmics són superconductors. De fet, el pas de materials metàl·lics a ceràmics ha permès pujar la temperatura crítica màxima des d’unes poques desenes de kelvins fins a la temperatura del nitrogen líquid ( –195,8 °C).
Amb relació a les propietats mecàniques, s’intenta millorar la baixa tenacitat i la fragilitat de les ceràmiques a partir de processos de conformat a elevada pressió. Algunes, com la zircònia ZrO2, es fan servir per la seva capacitat d’absorbir l’energia d’un xoc; això s’aconsegueix utilitzant l’energia per a modificar-ne l'estructura cristal·lina. Pel que fa a la duresa, materials com la zircònia i el carbur de silici SiC s’empren com a abrasius. En quan a les propietats tèrmiques, moltes de les ceràmiques són excel·lents aïllants tèrmics; la major part dels refractaris industrials es fan amb barreges d’elements ceràmics. Els refractaris amb propietats àcides o bàsiques s’utilitzen com a recobriments en diferents tipus de forns metal·lúrgics. Els que aguanten temperatures més extremes s’usen per a escuts tèrmics de naus espacials.miniatura|Estructura química d'un polímer, el poliestirè. Polímers esquerra|miniatura|Els pneumàtics estan fabricats amb cautxú, un polímer. Els polímers són compostos orgànics formats per llargues molècules basades en cadenes d'àtoms de carboni, hidrogen i altres elements químics no-metalls. Inclouen tots els plàstics i el cautxú, per exemple. Es poden obtenir a partir del petroli. Per la seva estructura són molt flexibles i de poca densitat. Per les seves propietats es divideixen en termoplàstics i termoestables. miniatura|El poliestirè expandit és un material polimèric molt poc dens que absorbeix molt bé els cops i s'empra per protegir objectes. Els polímers poden classificar-se en orgànics o inorgànics, segons que continguin o no carboni a la cadena principal. Els polímers orgànics poden ser naturals o sintètics. Entre els naturals són importants els polisacàrids, els polipèptids el poliisoprè, principal constituent del cautxú natural i de la gutaperxa. Pel que fa als sintètics, en són coneguts una gran varietat que, d’acord amb llur aplicació, solen ser classificats en adhesius, fibres, pintures, plàstics elastòmers. miniatura|Les silicones són polímers. Atenent el tipus de reacció que intervé en llur obtenció, solen ser subdividits en polímers d’addició i polímers de condensació. Des d’un punt de vista estructural, i d’acord amb la forma de la cadena principal, poden ser lineals, ramificats o entrecreuats, fent referència aquest darrer terme als casos en què diferents cadenes s’uneixen entre elles constituint una xarxa. Des d’un punt de vista estereoquímic, la presència en l’esquelet de la molècula polimèrica d’àtoms de carboni asimètrics fa possibles diverses ordenacions configuracionals (tacticitat), i hom anomena tàctics els polímers que tenen una ordenació regular i atàctics els que la tenen aleatòria. Els polímers tàctics poden alhora classificar-se en isotàctics, quan tots els àtoms de carboni tenen la mateixa configuració, d o l, i sindiotàctics, quan existeix una alternança regular en la cadena. Des d’un punt de vista constitutiu, els polímers en què existeix un tipus únic de monòmer són coneguts com a homopolímers els que en contenen dos o més tipus, com a copolímers.
Materials compostos miniatura|Compòsit format per capes de diferents materials. esquerra|miniatura|Fibra de carboni, un compòsit.