thumb|300px|Гранитна формација стена у чилеанској Патагонији. Попут већине неорганских минерала формираних оксидацијом у Земљиној атмосфери, гранит се првенствено састоји од кристалног силицијум диоксида (-{SiO}-2) и алумине (-{Al2O3}-).
thumb|300px|Кристална форма чврстог Инсулина.
Чврсто агрегатно стање представља једно од четири агрегатна стања материје, а препознатљиво је по својствима опирања променама облика и запремине. Највиши облик организације супстанце заступљен је у чврстом агрегатном стању. Многе супстанце у природи се налазе управо у оваквом облику организације. Уређеност структурних јединица (атоми, молекуле, иони) у чврстој супстанци је знатно већа него у течностима. Промјена положаја структурних јединица није могућа и оне мирују, ако се занемаре осцилације ових структурних јединица око равнотежног положаја. Због тога чврсте супстанце имају своју властиту запремину и властити облик. Чврсто агрегатно стање је карактеристично по својој крутости и отпорности на промене облика и запремине. За разлику од течности, чврсти објекат не може да тече и заузима облик суда, нити се шири да попуни целокупну доступну запремину као што је то случај са гасовима.
Грана физике која се бави проучавањем чврстих супстанци је физика чврстог стања, и она је главна грана физике кондензованог стања (која такође обухвата течности). Чврсте супстанце се проучавају и у склопу науке о материјалима, која се првенствено баве физичким и хемијским својствима чврсте материје. Хемија чврстог стања има посебан нагласак на синтези нових материјала, као и на њиховој идентификацији и хемијској композицији.
Врсте чврстог агрегатног стања Тела у чврстом стању могу бити кристална и аморфна. У кристалним телима атоми су правилно распоређени у простору и само осцилују око равнотежних положаја. У аморфним телима честице исто осцилују око равнотежних положаја, али је њихов просторни распоред неуређен.
Кристали
Уколико су структурне јединице у чврстој супстанци правилно распоређене у било којем делу или правцу у супстанци, онда су те супстанце кристали.
Аморфно стање Уколико је размештај структурних јединица промењив и различит у различитим деловима супстанце, онда су то аморфне супстанце. Аморфно стање је слично течном агрегатном стању и изгледа као нагла залеђеност структурних јединица у течном стању и сва неуређеност, карактеристична за течности, остала је фиксирана. Због тога се аморфно стање може и зове потхлађена течност. Подизањем температуре, неуређеност се постепено повећава, приближава течном стању и то се манифестује као омекшавање. Због тога аморфне супстанце немају фиксну температуру топљења, него температурни интервал омекшавања. Стакло је најуобичајенији облик аморфног стања.
Микроскопски опис
thumb|Модел блиско спакованих атома у кристалној решетки. Атоми, молекули или јони који сачињавају чврсту материју могу да буду организовани на уређен понављајући начин, или ирегуларно. Материјали чији конституенти су аранжирани у регуларне патерне су познати као кристали. У неким случајевима, регуларно уређење може да буде константно на великој скали, на пример дијаманти, при чему је сваки дијамант један кристал. Чврсти објекти који су довољно велики да се могу видети и обрађивати су ретко састављени од једног кристала, већ се уместо тога састоје од бројних мањих кристала, познатих као кристалити. Њихова величина може да варира од неколико нанометара до неколико метара. Такви материјали се називају поликристалним. Скоро сви обични метали, и многе керамике, су поликристални.
У другим материјалима, не постоји далекосежна уређеност позиција атома. Такве чврсте материје су познате као аморфне чврсте материје; примери су полистирен и стакло.
Да ли је чврста материја кристална или аморфна зависи од датог материјала, и услова под којима је формирана. Чврсте материје које су формиране спорим хлађењем су углавном кристалне, док чврсте материје које су брзо очврснуте имају велику вероватноћу попримања аморфне форме. Слично томе, избор специфичне кристалне структуре формиране у кристалној чврстој материји зависи од датог материјала и начина на који је чврсто стање формирано.
Док многи објекти у широкој употреби, као што су коцке леда и метални новац, имају идентичну хемијску структуру, многи други материјали се састоје од знатног броја различитих супстанци упакованих заједно. На пример, типична стена је агрегат неколико различитих минерала и минералоида, без специфичне хемијске композиције. Дрво је природни органски материјал који се првенствено састоји од целулозних влакана уграђених у матрицу органског лигнина. У науци о материјалима, композити са више од једног конституентног материјала могу да буду дизајнирани тако да имају жељена својства.
Класе чврсте материје
Силе између атома у чврстој материји могу да имају више форми. На пример, кристал натријум хлорида (обичне соли) се састоји од јонског натријума и хлора, који су везани јонским везама. У дијаманту или силицијуму, атоми деле електроне и формирају ковалентне везе. У металима, електрони се деле путем металних веза. Неке чврсте материје, а посебно органска једињења, су везана ван дер Валсовим силама које произилазе из поларизације облака електронских наелектрисања молекула. Разлике међу типовима чврстих материјала произилазе из разлика у њиховом везивању.
Метали
thumb|left|Врх њујоршке Крајслерове зграде, највеће на свету циглом зидане зграде да челичном основом, је пресвучен нерђајућим челиком.
Метали су типично јаки, густи, и добро проводе електрицитет и топлоту. Већина елемената у периодном систему, од оних лево од дијагонале повучене од бора до полонијума, су метали. Смеше два или више елемената у којим је главна компонента метал су познате као легуре.
Људи су користили метале у многе сврхе од прехисторијских времена. Јачина и поузданост метала су довели до њихове широке распрострањене улоге у грађевинарству зграда и других структура, као и у већини возила, многим уређајима и алатима, цевима, путним знацима и железничким шинама. Гвожђе и алуминијум су два најчешће коришћена структурна метала, и они су исто тако најзаступљенији метали у Земљиној кори. Гвожђе је у широкој употреби у облику легура, челика, који садржи до 2,1% угљеника, што га чини тврђим од чистог гвожђа.
Пошто су метали добри проводници електрицитета, они су корисни у електричним уређајима и за пренос електричне струје преко великих растојања са малим губитком енергије или дисипацијом. Стога су електричне мреже зависне од метални каблова за дистрибуцију електрицитета. Кућни електрични системи, на пример, садрже бакар због његових добрих проводних својстава и лаке обрадивости. Висока термална проводност већине метала их исто тако чини корисним за израду кухињског посуђа.
Изучавање металлних елемената и њихових легура сачињава знатну порцију поља хемије чврстог стања, физике, науке о материјалима и инжењерства.
Металне чврсте материје су везане делокализованим електронима високе густине, што је познато као „метално везивање“. У металу, атоми брзо губе своје спољашње (валентне) електроне, формирајући позитивне јоне. Слободни електрони су раширени у целокупном чврстом материјалу, који се одржава дејством електростатичких интеракција између јона и електронских облака. Велики број слободних електрона даје металима њихове високе вредности електричне и термалне проводности. Слободни електрони такође спречавају трансмисију видљиве светлости, те су метали непрозирни и сјајни.
Напреднији модели металних својстава разматрају ефекат позитивних јонских језгара на делокализацију електрона. Већина метала има кристалне структуре, чији јони су обично аранжирани у облику периодичне решетке. Математички, потенцијал јонских језгара се може третирати разним моделима, најједноставнији од којих је модел скоро слободних електрона.
Минерали
thumb|Колекције разних минерала.
Минерали су природне чврсте материје које су формиране путем разних геолошких процеса под високим притиском. Да би била класификована као минерал, супстанца мора да има кристалну структуру са униформним физичким својствима. У погледу састава минерали се налазе у опсегу од чистих елемената и једноставних соли до веома комплексних силиката са хиљадама познатих форми. У контрасту с тим, узорци стена су рандомни агрегати минерала и/или минералоида, и немају специфични хемијски састав. Велика већина стена Земљине коре се састоји од кварца (кристалног -{SiO2}-), фелдспата, лискуна, хлорита, каолинита, калцита, епидота, оливина, аугита, роговаче, магнетита, хематита, лимонита и неколико других минерала. Неки минерали, као што су кварц, лискун или фелдспат су распрострањени, док се други налазе само на неколико локација у свету. Далеко највећа група минерала су силикати (већина стена су ≥95% силикати), који се углавном састоје од силицијума и кисеоника, са додатком јона алуминијума, магнезијума, гвожђа, калцијума и других метала.
Керамика
thumb|Керамички делови -{Si3N4}-
Керамика се састоји од неорганских једињења, обично оксида хемијских елемената. Они су хемијски инертни, и често су отпорни на хемијску ерозију до које долази у киселој или каустичној средини. Керамике генерално могу да поднесу високе температуре у опсегу од . Изузеци су неоксидни неоргански материјали, као што су нитриди, бориди и карбиди.
Традиционалне сировине за израду керамике обухватају глинене минерале као што је каолинит, док се однедавно користи и алуминијум оксид (алумина). Модерни керамички матерајали, који се класификују као напредне керамике, садрже силицијум карбид и волфрам карбид. Ови материјали поседују знатну абразивну отпорност, и стога налазе примену у хабајућим плочама рударске опреме за млевење материјала.
Већина керамичких материјала, као што су алумина и сродна једињења, су формирани из финих прахова, из којих настају поликристалне микроструктуре фине гранулације, који су богати центрима расипања светлости чија величина је упоредива са таласном дужином видљиве светлости. Стога су они генерално непрозирни материјали, за разлику од транспарентних материјала. Недавно развијена наноскална технологија (нпр. сол-гел), међутим, омогућила је продукцију поликристалне транспарентне керамике, као што је транспарентна алумина и једињења алумине, за такве примене као што су ласери високе снаге. Напредне керамике се такође користе у медицини, електричним и електронским индустријама.
Керамичко инжењерство је наука и технологија прављења чврстих керамичких материјала, делова и уређаја. То се ради било дејством топлоте, или на нижим температурама, користећи реакције преципитације из хемијских раствора. Термин обухвата пречишћавање сировина, изучавање и продукцију хемијских једињења, њиховог формирања у компоненте, и изучавање њихове структуре, састава и својстава.
С механистичког гледишта, керамички материјали су крти, тврди, отпорни на компресију и слаби при смицању и напрезању. Крти материјали могу да испоље знатну затезну чврстоћу при подржавању статичког терета. Жилавост показује колико енергије материјал може да апсорбује пре механичког неуспеха, док жилавост лома (означена са -{KIc}-) описује способност материјала са наследним микроструктурним дефектима да се одупре лому у облику раста и пропагације расцепа. Ако материјал има велику вредност жилавости лома, базни принципи механике лома сугеришу да ће он вероватно доживети прелом при истезању. Крти прелом је карактеристичан за већину керамичких и стаклено-керамичких материјала који типично испољавају ниске (и инконзистентне) вредности -{KIc}-.
Пример употребе керамике екстремне тврдоће од Зирконијума је примена у производњи оштрица ножева, као и других индустријских алата за сечење. Керамике као што су алумина, бор карбид и силицијум карбид су коришћене у панцирним прслуцима за одбијање метака из пушки великог калибра. Силицијум нитридни делови се користе у керамичким лежајевима, где их њихова тврдоћа чини отпорним на хабање. Керамика је исто тако хемијски отпорна и може се користити у влажним окружењима, где би челични лежајеви били подложни оксидацији (или рђању).