Основой строения любого вещества является атом. На этом уровне определяющими факторами выступают атомный номер, электронная конфигурация, энергия ионизации и радиус атома. Важнейшее значение имеет распределение электронов по оболочкам, так как именно оно определяет химические свойства элементов, типы химических связей и возможность образования различных кристаллических структур.
В материалах именно атомные параметры задают фундаментальные физические характеристики: плотность, прочность связей, устойчивость к внешним воздействиям. Так, малейшее изменение в электронных состояниях атома может приводить к резкому изменению электропроводности или магнитных свойств вещества.
Следующим уровнем является молекулярное или ионное объединение. Здесь проявляются силы межатомного взаимодействия — ковалентные, ионные, металлические и ван-дер-ваальсовы связи.
На молекулярном уровне начинают проявляться такие явления, как поляризация, ориентация молекул во внешнем поле, способность к кристаллизации или аморфному состоянию.
Кристаллическая решётка представляет собой пространственно-упорядоченную систему атомов или ионов. Симметрия и тип решётки определяют механические, оптические и электронные свойства материала.
Основные типы кристаллических структур:
Для металлов и сплавов кубическая решётка обеспечивает возможность скольжения и пластичности, в то время как ионные решётки, например в керамиках, формируют хрупкость и высокую температуру плавления.
Важное место занимает дефектность кристаллов: вакансии, примесные атомы, дислокации, межузельные дефекты. Эти микронарушения структуры критически влияют на свойства материалов, включая электропроводность, пластичность и твёрдость.
На уровне микроструктуры рассматриваются зерна, фазовые включения, границы раздела. Для поликристаллических материалов микроструктура играет ключевую роль в формировании свойств.
В металловедении разработаны методы управления микроструктурой — закалка, отпуск, легирование, деформация. Эти технологические процессы позволяют целенаправленно изменять физические свойства материалов.
На макроуровне вещество рассматривается как сплошная среда. Здесь уже не учитываются отдельные атомы или зерна, а описываются интегральные характеристики: плотность, твёрдость, теплопроводность, электропроводность, упругие и пластические свойства.
Макроскопический подход лежит в основе механики сплошных сред и инженерных приложений. Именно на этом уровне проявляются такие явления, как упругость, пластичность, вязкость, хрупкость.
Особое значение имеют аномалии макроскопических свойств, вызванные внутренними структурами — например, сверхпроводимость, ферромагнетизм, пьезоэлектрический эффект. Все они обусловлены коллективным поведением атомов и электронов, но наблюдаются только на крупном уровне.
С развитием нанотехнологий выделился особый уровень — наноструктурная организация вещества. Здесь контролируются размеры частиц и элементов структуры в диапазоне 1–100 нм.
Именно наноуровень становится связующим звеном между микроскопическим и макроскопическим описанием, открывая новые горизонты в физике материалов.