In den Materialwissenschaften bezeichnet der Begriff Theorie ein konsistentes, mathematisch formuliertes Modell physikalischer Phänomene, das auf überprüfbaren Annahmen beruht und quantitative Vorhersagen erlaubt. Theorien bilden die Grundlage für das Verständnis von Struktur‑Eigenschafts-Beziehungen über Längen- und Zeitskalen hinweg, von der Elektronenstruktur bis zum Bauteilverhalten.

Eine zentrale Rolle spielen mikroskopische Theorien der Elektronenstruktur, etwa die Dichtefunktionaltheorie (DFT) und ihre Erweiterungen wie die zeitabhängige DFT. Sie liefern Energien, Kräfte und elektronische Eigenschaften und koppeln so Quantenmechanik an Kontinuumsmodelle, etwa für Diffusion, Phasenumwandlungen oder Versetzungsbewegung.

Im mesoskopischen und makroskopischen Bereich werden Kontinuums- und Strukturdynamiktheorien eingesetzt, z.B. die klassische Laminattheorie oder Erst-Ordnung-Schubdeformationstheorien zur Beschreibung von Faserverbundlaminaten. Diese Theorien beruhen auf Kontinuumsmechanik, nutzen vereinfachende Annahmen (z.B. ebene Querschnitte, effektive Schubsteifigkeiten) und ermöglichen effiziente Berechnungen komplexer Strukturen.

Weitere Beispiele sind spezialisierte Theorien wie die Mie-Theorie zur Beschreibung von Lichtstreuung an Partikeln oder graphentheoretische Ansätze zur Modellierung von Netzwerken in Werkstoffen (z.B. Korngrenzennetze). Selbstkonsistente Theorien verbinden mikroskopische und makroskopische Beschreibungsebenen durch iteratives Angleichen der Felder (z.B. Spannungen, Polarisationen).

Entscheidend für die wissenschaftliche Strenge ist, dass Theorien klar definierte Gültigkeitsbereiche, überprüfbare Annahmen und wohldefinierte Näherungen besitzen. In der modernen Werkstoffforschung werden mehrere Theorien hierarchisch (multiscale) gekoppelt, um komplexe Materialverhalten vorhersagbar und designbar zu machen.