sal belirlemede önemli bir rol oynar. Çoğu malzemeler kristal yapıya sahip. Ancak bazı düzenli kristal yapı göstermeyen önemli malzemeler var. "Polimerler" farklı ölçülerde kristallik gösterir be birçoğu tamamen kristalsizdir. "Cam", bazı seramikler ve birçok doğal materyaller biçimsizdir yani atom dizilimlerinde uzun mesafeli sıralamalara sahip değiller. Polimerlerin çalışılması kimyasal elementleri ve mekanik, fiziksel özelliklerin tanımları ve termodinamik vermek için istatistiksel termodinamikleri birleştirir.

Bağlanma

Malzeme yapısını ve özellikleriyle bağlantısını tam olarak anlamak için malzeme bilimcilerin atomların, iyonların ve moleküllerin nasıl farklı dizildiklerini ve birbirlerine nasıl bağlandıklarını çalışmaları gerekir. Bu kuantum kimyası ya da kuantum fiziğinin çalışması ya da kullanımını içerir. Katı hal fiziği, katı hal kimyası ve fiziksel kimya da ayrıca bağlanma ve yapı çalışmalarında yer alır.

Özellikler

Materyaller çok sayıda özellikler gösterir. Önemli özellikler şunlardır:

Bir materyalin özellikleri o maddenin kullanılabilirliğini ve dolayısıyla da teknik uygulamsını belirler.

Sentez ve İşleme

Sentez ve işleme materyalin istenilen mikro/nanoyapıyla oluşturulmasını içerir. Teknik bir açıdan bakıldığında, bir malzeme eğer hiç ekonomik üretim metodu geliştirilmemişse endüstride kullanılamaz. Bu nedenle materyallerin işlenmesi malzeme bilimi alanında çok önemlidir.

Farklı malzemeler farklı işleme/sentez teknikleri gerektirir. Örneğin metalin işlenmesi tarih boyunca çok önemli olmuştur ve fiziksel metalurji diye bilinen malzeme biliminin bir dalı altında çalışılır. Ayrıca kimyasal ve fiziksel teknikler polimer, seramik ve ince filmler gibi materyallerin sentezlenmesinde kullanılır. Son zamanlarda grafen gibi nanomateryaller in sentezlenmesi için yeni teknikler geliştiriliyor.

Termodinamik ısı, sıcaklık ve bunların enerji ve isle olan ilişkileriyle ilgilenir. "İç enerji, entropi ve radyasyon ya da maddenin kütlesini kısmen tanımlayan baskı" gibi makroskopik değişkenleri belirler. Bu değişkenlerin davranışı sadece belirli malzemelere has özelliklere değil bütün malzemelerde yaygın olan genel sabitlere bağlı olduğunu öne sürer. Bu genel sabitler "termodinamiğin dört kuralı"nda açıklanmıştır. Termodinamik moleküller gibi çok büyük sayıdaki mikroskopik sabitlerin mikroskopik davranışlarını değil kütlenin bütün olarak davranışını tanımlar. Mikroskopik parçacıkların bu davranışı istatistiksel mekanik tarafından tanımlanır ve termodinamiğin kuralları da istatiksel mekanikten gelir.

Termodinamik çalışmaları malzeme bilimi için temeldir. Kimyasal tepkimeler, manyetizma, kutuplaşabilirlik ve esnekliği içeren malzeme bilimi ve mühendisliğindeki genel fenomene işlemek için altyapı hazırlar. Ayrıca faz diyagramları ve faz dengesinin anlaşılmasına da yardım eder.

Kinetik

Kinetik bilimi çeşitli güçlerin etkisi altında denge değişikliği dışında kalan sistemlerin oran çalışmasıdır. Malzeme bilimine uygulandığında, uygulanan belirli alana göre bir materyalin zamanla nasıl değiştiğiyle (dengesiz durumdan denge durumuna) ilgilenir. Materyallerde şekil, boyut, bileşim ve yapı gibi değişen çeşitli işlemlerin oranını detaylı olarak anlatır. Difüzyon materyallerin an yaygın olarak değişime uğradığı mekanizme olduğu için kinetik bilimin en önemli çalışma alanıdır.

Kinetik bilimi materyallerin işlenmesine temeldir çünkü diğerlerine göre ısı uygulanmasıyla mikroyapının nasıl değiştiğini detaylı olarak açıklar.

Malzeme bilimi ataştırmacılardan çok fazla dikkat topladı. Çoğu üniversitede fizikten kimyaya, kimya mühendisliğine kadar, malzeme bilimi bölümüne ek olarak, birçok bölüm malzeme araştırmalarında yer aldı. Malzeme bilimde araştırma hareketlidir ve birçok farklı yoldan oluşur. Aşağıdaki liste çok geniş kapsamlı değil sadece önemli belirli araştırma alanlarını vurgulamak içindir.

Nanomalzemeler

Nanomalzemeler temelde 1-1000 nanometre ama genelde 1-100 nm boyutlarında (en azından tek bir boyutta) tek bir ünitenin malzemeleri olarak tanımlanır.

Nanomalzeme araştırması metroloji ve mikrofabrikasyon araştırması desteğiyle geliştiren sentezin gelişimini güçlendiren "nanoteknoloji"ye malzeme bilimine dayalı bir yaklaşım ele alır. Nanobüyüklükteki yapıda malzemeler genellikle eşsiz optik, elektronik ve mekanik özelliklere sahiptir.

Nanomalzeme alanı geleneksel kimya alanı gibi genel hatlarıyla fulerinler gibi organik nanomalzemeler ve silikon gibi diğer elemtlere dayalı inorganik malzemeler etrafında düzenlenmiştir. Nanomalzemelerin örnekleri olarak "fulerinler, karbon nanotüpler, nanokristaller" ve benzerleri verilebilir.

Biyomalzemeler

Bir biyomalzeme biyolojik sistemlerle etkileşime geçen herhangi bir madde, yüzey ya da yapı olabilir. Bir bilim olarak, biyomalzeme yaklaşık 50 yaşında. Biyomalzeme çalışmaları biyomalzeme bilimi olarak adlandırılır. Tarih boyunca birçok şirketin yeni ürünlerin gelişimine yüksek miktarlarda paralar harcamasıyla birlikte güçlü ve istikrarlı bir büyüme gösterdi. Biyomalzeme bilimi tıp, biyoloji, kimya, doku mühendisliği ve malzeme biliminin öğelerini kapsar.

Biyomalzeme doğadan elde edilebilir ya da metal bişenler, polimerler, seramikler ya da bileşik maddeler kullanan bir çeşit kimyasal yaklaşımlarla labarotuvarda sentezlenebilir. Genelde tıbbi uygulama için kullanılırlar ve dolayısıyla yaşayan bir yapının bir kısmı ya da tamamını ya da işleyen, arttıran veya doğal bir fonksiyonun yerine geçebilen biyomedikal ve araç içerir. Böyle fonksiyonlar kalp kapakçığı olarak kullanılma gibi iyi huylu ya da hidroksiapatit kaplı kalça implantları gibi daha etkileşimli bir işlevsellikle biyoaktif olabilir. Biyomalzemeler diş tedavilerinle, ameliyatlarda ve ilaç tesliminde her gün kullanılır. Örneğin, farmosötik ürünlerle doldurulmuş bir yapı vücuda yerleştirilebilir ve uzun bir süre boyunca sürekli ilaç salınımı sağlar. Bir biyomalzeme aynı zamanda otograft, alograft ya da transplant malzemesi olarak kullanılan ksenogreft de olabilir. 
Elektronik, optik ve manyetik malzemeler

Yarıiletkenler, metaller ve seramik günümüzde tümleşik elektrik devreleri, optoelektronik cihazlar ve manyetik ve yığın depolama medyası gibi çok karmaşık sistemler oluşturmak için kullanılır. Bu malzemeler bugünkü modern programlama dünyamızı oluşturuyor ve dolayısıyla bu malzemelerin araştırılması büyük önem taşıyor.

Yarıiletkenler bu tür malzemelerin tipik bir örneğidir. İletkenler ile yalıtkanlar arasında özellikler gösteren malzemelerdir. Elektrik iletkenlikleri katışkı derişimlerine karşı çok hassastır ve bu istenilen elektronik özellikleri elde etmek için katkılama kullanımına izin verir. Dolayısıyla, yarıiletkenler geleneksel bilgisayarın temelini oluşturur.

Bu alan aynı zamanda üstüniletken malzemeler, dönüş elektroniği, metamalzeme gibi araştırma alanlarını da kapsar. Bu malzemelerin çalışılması malzeme bilimi ve katı hal fiziği ya da yoğun madde fiziğini de içerir.

Sayısal Malzeme Bilimi ve Teorisi

Programlama gücünün artmasıyla birlikte, malzemelerin davranışlarının taklidini yapmak mümkün hale geldi. Bu malzeme bilimcilere yeni malzemeler tasarlamanın yanı sıra malzemelerin daha önceden bilinmeyen özelliklerini keşfetmelerini sağladı. Şu ana kadar yeni malzemeler zaman alıcı deneme yanılma yöntemiyle bulunuyordu. Ama şimdi sayısal tekniklerin bu zamanı önemli ölçüde azaltacağı ve bize malzeme özellikleri uyarlamayı sağlayacağı umuluyor. Bu bütün uzunluklardaki malzemeleri taklit etme, yoğunluk fonksiyonları teorisi ve moleküler dinamik gibi metodları kullanmayı da içerir.

Büyük "malzeme gelişmeleri" yeni ürünlerin ve hatta yeni endüstrilerin oluşmasına yol açabilir ancak durağan endüstriler de artımsal geliştirmeler ve kullanımda olan malzemelerle olan sorunları gidermek için malzeme bilimcileri çalıştırır. Malzeme biliminin endüstriyel uygulamaları malzeme tasarımı, malzemelerin sanayi üretimindeki maliyet-kazanç dengesi, işleme teknikleri ("döküm, haddeleme, kaynak, iyon katkılama, kristal büyütme, ince zar bırakım, sinterleme, cam üfleme vb.") ve "elektron mikroskopi, X ışını kırılması, ısı ölçüm, nükleer mikroskopi, Rutherford geri saçılımı, nötron kırılması, küçük açılı X ışını dağılması" gibi analitik teknikleri içerir. 
Malzeme karakterizasyonunun yanı sıra, malzeme bilimci/mühendisi aynı zamanda malzemenin çıkarılması ve kullanışlı bir hale dönüştürülmesiyle de ilgilenir. Yani külçe dökümü, döküm teknikleri, yüksek fırın çıkarımı ve elektrolitik çıkarım bir malzeme mühendisinin bilgi sahibi olmasa gereken konular. Genellikle, kaba malzemenin bileşenleri ya da ikincil elementlerin küçük miktarlarının varlığı, yokluğu ya da çeşitliliğinin üretilen malzemenin son özelliklerinde büyük etkisi olacaktır. Örneğin çelikler içerdikleri karbon ve diğer alaşım elementlerinin 1/10 ve 1/100 ağırlık yüzdelerine dayanarak sınıflandırılır. Dolayısıyla yüksek fırındaki demirin çıkarılmasında kullanılan çıkarım ve saflaştırma teknikleri üretilebilecek olan çeliğin kalitesinde önemli etkiye sahip olacak.

Seramikler ve camlar

Malzeme biliminin bir diğer uygulaması da en kırılgan malzemeler olarak bilinen cam ve seramiğin yapılarıdır. Cam ve sermiklerdeki bağlanma kovalent ve SiO2 ile temel inşa taşı olarak iyonik-kovalent bağ türleridir. Seramikler kil kadar yumuşak, taş ve beton kadar serttir. Genellikle kristal yapıdadırlar. Çoğu camlar silikayla oksitlenmiş metal içerir. Camı hazırlamak için kullanılan yüksek sıcaklıklarda malzeme akışmaz sıvı haldedir. Camın yapısı soğutmayla şekilsiz hale dönüşür. Pencere ve gözlük camları bunun önemli örnekleridir. Fibergals da mevcuttur. Çizik dirençli Gorilla Cam yaygın bileşenlerin özelliklerini geliştirmek için malzeme bilimi uygulamasının iyi bilinen bir örneğidir. Elmas ve grafit formundaki karbon seramik olarak ele alınır.

Mühendislik seramikleri sertlikleri ve yüksek sıcaklık, baskı ve elektriksel gerilim altındaki sağlamlıklarıyla bilinir. Alümin, silikon karbür ve tungsten karbür bir bağlayıcıyla sinterleme işlemindeyki bileşenlerinin ince tozlarınd