miniatura|Un cub de gel. El gel és aigua en estat sòlid
La solidesa és un estat de la matèria que es caracteritza per un volum i forma definits; un sòlid es resisteix a la deformació, a canviar la seva forma i volum; i a la dilatació i a la compressió. El sòlid és un estat de la matèria en què les molècules que la componen, a causa de les forces de cohesió, tenen un moviment entre si molt restringit, limitat a una vibració a l'entorn d'una posició d'equilibri fixa. Quan un sòlid és format per molècules repartides regularment en l'espai, de manera que és possible de definir un vector constant que permet de passar d'un punt a un altre d'anàleg, hom diu que el sòlid és un cristall o que és cristal·litzat (quan hi ha un cert ordre, bé que no hi ha una regularitat en la xarxa, hom parla de quasicristall). D'altres, però, tenen llurs components escampats aleatòriament per la massa que constitueix el cos i són anomenats amorfs, com és el cas del vidre, la fusta, el niló, etc. De fet, només els cossos cristal·lins són considerats sòlids en l'estudi d'aquest estat d'agregació de la matèria, mentre que els amorfs són considerats líquids de gran viscositat.
A escala microscòpica un sòlid presenta aquestes propietats:
Els àtoms o les molècules que el componen són molt junts i tenen una posició relativa fixa en l'espai, cosa que contribueix a la rigidesa del material. En mineralogia i cristal·lografia, l'estructura cristal·lina constitueix un posicionament espacial característic dels àtoms de cada cristall. Un cristall és compost per un conjunt d'unitats que es repeteixen formant una xarxa tridimensional; aquestes unitats són formades per un conjunt d'àtoms en unes posicions determinades. L'estructura del cristall i les seves simetries tenen un paper cabdal en la determinació de moltes de les seves propietats, com les línies de ruptura, l'estructura de la banda d'electrons o les propietats òptiques.
Tot i que en la fase sòlida de la matèria els materials presenten una resistència a la deformació, si hom hi aplica prou força algunes de les seves propietats poden ser alterades, causant-hi una deformació permanent.
Pel fet que tota matèria té una certa quantitat d'energia cinètica, els àtoms, fins i tot en el sòlid més rígid, es mouen lleugerament (vibren), però aquest moviment és invisible a ull nu.
En física, l'estudi dels sòlids s'anomena física de l'estat sòlid. Això inclou els materials semiconductors i el fenomen de la superconductivitat. La física de l'estat sòlid és una branca de la física de la matèria condensada.
La ciència dels materials s'ocupa principalment de les propietats dels sòlids, com la seva estructura i transformacions de fase.
La química de l'estat sòlid s'especialitza en la síntesi de nous materials.
El sòlid més lleuger conegut és un material artificial, l'aerogel, que té una densitat d'1,9 mg/cm³, mentre que el més dens és un metall, l'osmi (Os), que té una densitat de 22,6 g/cm³. Les molècules d'un sòlid tenen una gran cohesió i adopten formes ben definides.
Tipus Els sòlids poden classificar-se en amorfs i cristal·lins, en funció de si presenten una estructura regular en la disposició de les partícules que els componen. Com un cas a part es poden considerar els polímers, en els quals coexisteixen estructures regulars, cristal·lines, amb zones que presenten una estructura irregular, amorfa, i per això s'utilitza el concepte de percentatge de cristal·linitat aplicat a aquests materials.
L'estructura d'un sòlid té un paper fonamental sobre les seves propietats; per exemple, el grafit pur i el diamant són formats per àtoms de carboni i només es diferencien per la xarxa cristal·lina.
Els sòlids cristal·lins tenen un punt de fusió ben definit i presenten comportaments diferents segons la direcció de la mesura, és el que s'anomena anisotropia. En presència d'un solvent molt polar com l'aigua, produeixen solucions en què els ions són presents en la fase líquida, de manera que la solució és conductora del corrent elèctric, mentre que en estat sòlid això no és possible perquè el lligam iònic no permet el moviment lliure dels electrons i manté els ions rígidament ancorats en les seves posicions.
Els sòlids amorfs, a conseqüència de la seva estructura casual, es caracteritzen per una entropia més gran en comparació a la que presenten els sòlids iònics, i tampoc no tenen un punt de fusió ben definit; els lligams entre les partícules no tenen la mateixa força, ni és constant al llarg del temps. Tenen la característica de ser materials isotròpics i no són solubles en els solvents comuns.
Els sòlids cristal·lins poden ser classificats basant-se en la disposició espacial de les partícules que els componen, és a dir, segons la seva xarxa cristal·lina, i en el fet de ser formats per un únic cristall o per una unió de diferents cristalls.
Classes de sòlids Metalls miniatura|Una mostra de zinc (un metall) en estat sòlid, la seva forma més habitual a la Terra L'estudi dels aliatges metàl·lics és una part significativa de la ciència de materials. De tots els aliatges metàl·lics en ús avui en dia, els aliatges de ferro (acer, acer inoxidable, ferro colat, acer d'eines, acers aliats) constitueixen la proporció més gran tant per quantitat com per valor comercial. El ferro aliat amb diverses proporcions de carboni dona acers al carboni. Per als acers, la duresa i el límit elàstic de l'acer es relaciona directament amb la quantitat de carboni present, amb nivells de carboni creixents que també porten a disminuir-ne la ductilitat i la mal·leabilitat. L'addició de silici i grafit produeix ferro colat (encara que algun ferro colat es fa precisament sense grafit). L'addició de crom, níquel i molibdè als acers al carboni (més d'un 10%) dona acers inoxidables.
Uns altres aliatges metàl·lics significatius són els d'alumini, titani, coure i magnesi. Els aliatges de coure han estat coneguts des de fa molt de temps (des de l'edat del bronze), mentre que les lligues dels altres tres metalls són desenvolupaments relativament recents. A causa de la reactivitat química d'aquests metalls, els processos d'extracció han de ser electrolítics i només es varen desenvolupar un cop conegut el corrent elèctric. Els aliatges d'alumini, titani i magnesi també es coneixen i es valoren per la seva alta resistència relativa al baix pes, i en el cas del de magnesi, per la seva habilitat per a proporcionar blindatge electromagnètic. Aquests materials són ideals per a situacions en què la relació força-pes és més important que el volum o el cost, com en la indústria aeroespacial i certes aplicacions d'enginyeria automotriu.
Polímers miniatura|Objectes quotidians fets de diferents tipus de polímers A més dels metalls, els polímers són també una part important de ciència de materials. Els polímers són les matèries primeres (les resines) utilitzades per a fer el que comunament s'anomena plàstics. Els plàstics són realment el producte final, creat després que un o més polímers o additius s'hagin afegit a una resina durant el processament, que es transforma llavors en una forma final. Els polímers inclouen polietilè, polipropilè, clorur de polivinil, poliestirè, nilons, polièsters, acrílics, poliuretà, i policarbonats. Els plàstics es classifiquen generalment com a termoestables, termoplàstics i elastòmers.
El PVC (clorur de polivinil) s'utilitza àmpliament a causa del fet que el seu preu és econòmic. Té una gran varietat d'aplicacions, des de cuir sintètic fins a aïllament per a cables elèctrics envasaments i vaixells. La seva fabricació i processament són simples i ben establerts. L'adaptabilitat del PVC és a causa de l'àmplia gamma d'additius que accepta. El terme additius en la ciència del polímers es refereix als productes químics i els composts s'afegeixen a la base del polímer per modificar les seves propietats.
A banda del carboni, l'únic altre element que pot produir polímers és el silici. Les silicones, tanmateix, mostren una diferència essencial respecte dels polímers basats en carboni. A diferència dels enllaços directes C-C en què es basen els polímers de carboni, en el cas de les silicones els àtoms de Si s'enllacen indirectament amb ponts d'oxigen. Les silicones són polímers inorgànics-orgànics amb fórmula química [R2SiO]n, en què R = grups orgànics com metil, etil, i pentil. Aquests materials consten d'una columna vertebral d'òxid de silici inorgànic (...-Si-O-Si-O-Si-O-...) amb grups laterals orgànics enllaçats als àtoms de silici, que tenen valència quatre. En alguns casos, els grups laterals orgànics es poden fer servir per a connectar dues o més d'aquestes columnes vertebrals de -Si-O-. Fent variar les llargades de les cadenes de -Si-O-, grups laterals funcionals, i l'entrecreuament, les silicones es poden sintetitzar amb una àmplia varietat de propietats i composicions.
Ceràmics miniatura|Gerra de porcellana xinesa de la dinastia Qing
Un sòlid ceràmic és un sòlid inorgànic, no metàl·lic preparat per a l'acció de la calor i subsegüent refredament. Els materials ceràmics poden tenir una estructura cristal·lina o en part cristal·lina, o poden ser amorfs (p. ex., un got de vidre). Com que la majoria de la ceràmica comuna és cristal·lina, la definició de ceràmic de vegades es restringeix a materials cristal·lins inorgànics, per oposició als vidres no cristal·lins.
Compostos Una altra aplicació de la ciència de materials en la indústria és la fabricació de materials compostos. Els materials compostos són materials estructurats compostos de dos o més fases macroscòpiques. Mentre que hi ha compostos obtinguts per combinacions en què un o més components són no ceràmics, també hi ha combinacions en què tots els components són ceràmics. Aquests típicament comprenen dos components ceràmics: una matriu contínua, i una fase dispersa formada per partícules ceràmiques, làmines, o fibres ceràmiques curtes o contínues.
El punt crític dels compostos està en el fet d'obtenir una estructura adequada entre les diferents fases, per exemple una dispersió homogènia de partícules o fibres o una orientació adequada de les fibres en la matriu. Les aplicacions van des d'elements estructurals com el formigó armat, fins a les rajoles aïllants resistents d'altes temperatures emprades per a protegir la superfície de llançadores espacials de la NASA de la calor generada en la reentrada a l'atmosfera de la Terra. Es poden veure exemples en objectes quotidians en els embolcalls "plàstics" de televisors, telèfons mòbils, etc. Aquests embolcalls plàstics normalment són una combinació feta a partir d'una matriu termoplàstica com l'acrilonitiril-butadiè-estirè (ABS), al qual s'afegeix carbonat càlcic, guix, talc, fibres de vidre o fibres de carboni per augmentar-ne la resistència mecànica, el volum, o la dispersió electroestàtica. Es fa referència a aquests additius com a fibres reforçants, o dispersants, depenent de la seva funció.
Biomaterials La majoria dels materials naturals (o biològics) són compostos complexos amb propietats mecàniques sovint excepcionals, considerant la feblesa dels components dels quals es constitueixen. Aquestes estructures complexes, que han sorgit de centenars de milions d'anys d'evolució, estan inspirant els científics de materials en el disseny de materials nous. Les seves característiques inclouen jerarquia estructural i multifuncionalitat. L'autoorganització és també un tret fonamental de molts materials biològics i la manera per la qual les estructures són muntades a partir del nivell molecular.