固体
多くの固体はナノメートルレベルにまで小さくなると、通常とは異なる性質を示すようになる。例えばケイ素は通常灰色だが、ナノ粒子になると赤くなる。金のナノ粒子は金塊(融点は 1064 °C)よりもずっと低温(2.5 nm の大きさで 300 °C)で融け始める。金属のナノワイヤは同じ元素の金属の塊よりも強度が優れている。またナノ粒子は体積に対して相対的に表面積が大きいため、エネルギー場の特定用途にとって非常に魅力的である。たとえば白金のナノ粒子は自動車燃料の触媒を改良し、燃料電池のイオン交換膜 (PEM) にも使われている。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は固体酸化物形燃料電池 (SOFC) に使われている。リチウムイオン二次電池では、リチウム、チタン酸リチウム、タンタルなどのナノ粒子を使うものもある。ケイ素のナノ粒子やナノワイヤはリチウムイオン二次電池の寿命を劇的に延ばすことが判明している。ケイ素のナノ粒子は太陽電池にも使われている。薄膜状のケイ素量子ドットを太陽電池の多結晶ケイ素の基板上に置くことで、入射した光に対応してナノ粒子(薄膜)が蛍光を発し、出力電圧が最大で60 %も増強される。ここでもナノ粒子の表面積が大きいことが役立っている。
材料科学では、複数の物質を組み合わせた複合材料で必要な特性の材料を生み出す。
固体の微視的な特性は次のようなものである。
固体を構成する原子または分子は、熱振動(格子振動)よりも強い力で結合し、密に詰まっている。
原子や分子は相対的な位置関係が空間的に固定されている。これが固い性質の原因となる。鉱物学や結晶学的には、固体の中で独特の原子配列を持ったものが結晶構造と呼ばれる。結晶構造は三次元のユニット単位の周期的な繰り返しである。結晶の構造や対称性は、へき開や電子的、光学的な性質を決定する。 十分に大きな力が加わると、これらの特徴は失われる。
固体は熱エネルギーを持つため、原子は振動している。しかし、この動きはとても小さく、通常の状態では観測できない。しかし、熱振動が原子間の結合に打ち勝つようになると、液体、気体へと相転移していく。 固体が液体に相転移することを融解と呼び、融解する温度を融点と呼ぶ。固体から直接気体に変化することもあり、これを昇華と呼ぶ。逆に液体が固体に変化することを凝固、その温度を凝固点という。気体から固体に変化する場合は、固体から気体に変化するのと同様に昇華と呼ばれる。液体から固体に変化する場合通常は体積が減少するが、水のように体積が増加するものも存在し、これを異常液体と呼ぶ。
有機化学は、炭素と水素を主成分とし、窒素・酸素・ハロゲン(フッ素、塩素、臭素、ヨウ素)を含む化合物の構造・組成・反応・合成などを研究する。リンや硫黄などの元素を含む有機化合物もある。有機固体としては、木材、パラフィン、ナフタレン、様々な重合体やプラスチックなどがある。
固体にはガラスのように透明なものと金属のように不透明なものがある。
特定の波長だけを透過させる素材も多い。例えば、窓ガラスは可視光線を透過させるが、紫外線の周波数帯はそれほど透過しない。このような性質は周波数選択性の光学フィルターなどに使われている。
用途によっては、光学的性質と力学的性質の両方が重視される場合もある。例えば、赤外線追尾式(熱探知式)のミサイルでは、赤外線センサのカバーは赤外線を透過させる素材でなければならない。このため現状の赤外線追尾式ミサイルではサファイアの単結晶がその用途に使われている。サファイアは中赤外線帯域(3–5 μm)を全部透過するわけではなく、常温では 4.5 μm より長い波長を透過しない。しかし常温で赤外線を透過する物質の中では最も強度が高く、600 °C 以上になるまで強度が保たれる。このように強度と光学特性を両立させることは長年の課題となっており、透明セラミックスや光学ナノ複合材といった新素材がよりよい性能を示す可能性がある。
導波光伝播では、光ファイバーなどを使って様々な周波数の光で複数の信号を同時に伝播する。光導波路は光集積回路や光通信システムの光伝送媒体として使われている。