Atome sind die kleinsten elektrisch neutralen Einheiten eines chemischen Elements, die dessen charakteristische Eigenschaften bewahren. Ein Atom besteht im Wesentlichen aus einem kompakten, positiv geladenen Kern aus Protonen und Neutronen sowie einer Hülle aus negativ geladenen Elektronen. Die Protonenzahl (Ordnungszahl) definiert das chemische Element, während die Neutronenzahl Isotope desselben Elements bestimmt.

Für die Werkstoffwissenschaft sind insbesondere Elektronenkonfiguration und Bindungsverhältnisse von zentraler Bedeutung. Valenzelektronen bestimmen Art und Stärke der chemischen Bindung (metallisch, kovalent, ionisch) und damit makroskopische Eigenschaften wie Elastizitätsmodul, elektrische Leitfähigkeit, Schmelzpunkt und Diffusionsverhalten. Unterschiede in der Bindungsart erklären etwa den Kontrast zwischen duktilen Metallen, spröden Keramiken und polymeren Werkstoffen.

Die Anordnung von Atomen im Raum führt zu kristallinen, teilkristallinen oder amorphen Strukturen. Gittertyp, Gitterparameter und Defekte (Leerstellen, Versetzungen, Substitutions- und Zwischengitteratome) sind direkt an die atomare Struktur gekoppelt und bestimmen Festigkeit, Kriechverhalten und Bruchmechanismen. Quantenmechanische Beschreibung der Atome, insbesondere der Elektronenstruktur, bildet die Grundlage für ab-initio-Methoden, mit denen Phasendiagramme, Versetzungsenergien oder Diffusionsbarrieren berechnet werden.

In modernen multiskaligen Werkstoffmodellen fungieren Atome als Ausgangsebene, von der aus über mesoskopische Mikrostrukturen bis hin zum makroskopischen Bauteilverhalten skaliert wird. Ein präzises Verständnis atomarer Eigenschaften ist daher essenziell für rationales Werkstoffdesign und die Entwicklung neuartiger Funktions- und Strukturwerkstoffe.