Substitution bezeichnet in der Werkstoffkunde den gezielten Austausch einer chemischen Spezies durch eine andere, ohne die grundlegende Strukturklasse des Systems zu verändern. Dies kann Atome, Ionen, Molekülfragmente (z.B. Linker in Metall-Organischen Gerüsten) oder ganze Werkstoffe in einer Anwendung betreffen.

Auf atomarer Ebene spricht man von Substitutionsdotierung, wenn Gitterplätze eines Wirtsgitters (z.B. in Oxiden, Intermetallischen oder Halogeniden) partiell durch Fremdionen ersetzt werden. Typische Beispiele sind Cerium-Substitution in Phosphoren oder Halogen-Substitutionen in Perowskiten. Solche Substitutionen modifizieren Bandstruktur, Defektchemie, Ionenleitfähigkeit, mechanische Eigenschaften und Korrosionsverhalten, häufig bei erhaltener Kristallstruktur (isovalente oder heterovalente Substitution).

Auf Werkstoff- und Systemebene steht Substitution für den Austausch kritischer oder toxischer Elemente wie seltener Erden, Kobalt, Silber oder Chrom durch besser verfügbare bzw. weniger problematische Alternativen. Diese Form der Materialsubstitution adressiert Ressourcenverfügbarkeit, Kosten, Umwelt- und Gesundheitsaspekte sowie geopolitische Risiken. Beispiele sind Kobaltersatz in Batteriekathoden oder Substitution seltener Erden in Magnetwerkstoffen.

Wissenschaftlich anspruchsvoll ist die multidimensionale Optimierung: Eine Substitution muss chemische Kompatibilität (Löslichkeit, Stabilität), strukturelle Verträglichkeit (Ionenradius, Symmetrie), funktionelle Performance (z.B. Leitfähigkeit, katalytische Aktivität) und Lebenszyklusaspekte zugleich berücksichtigen. Moderne Ansätze nutzen Hochdurchsatz-Screening, DFT-Rechnungen und datengetriebene Methoden, um geeignete Substitutionspartner systematisch zu identifizieren.