Moleküle sind definierte Verbände aus Atomen, die durch kovalente Bindungen zusammengehalten werden und eine eindeutig bestimmbare Zusammensetzung sowie Geometrie besitzen. In der Werkstoffforschung sind sie die kleinste strukturelle Einheit, deren Aufbau und Wechselwirkung gezielt gestaltet werden, um makroskopische Eigenschaften von Materialien zu steuern.

Die Relevanz von Molekülen ergibt sich aus der Kopplung von Struktur und Funktion: Elektronische Struktur, Polarität, Flexibilität und funktionelle Gruppen bestimmen unter anderem Kristallisationsverhalten, Glasübergänge, Löslichkeit, Grenzflächenenergie, Leitfähigkeit und mechanische Eigenschaften. Organische Moleküle bilden beispielsweise die Basis für Polymere, organische Halbleiter oder supramolekulare Netzwerke.

Spezialisierte Klassen wie fluorierte Alkylketten modifizieren gezielt Oberflächeneigenschaften, etwa durch extreme Hydrophobie und chemische Beständigkeit. Thermoresponsive Moleküle zeigen temperaturabhängige Konformations- oder Löslichkeitsänderungen und ermöglichen schaltbare Hydrogele oder Formgedächtnis-Systeme. Arzneimittelmoleküle wiederum interagieren mit biologischen Zielstrukturen und werden in Trägermaterialien eingebettet, wobei Diffusion, Freisetzungsprofile und Stabilität direkt aus ihren molekularen Eigenschaften resultieren.

In modernen Materialkonzepten verschiebt sich der Fokus zunehmend von der rein stofflichen Zusammensetzung hin zu molekularer Präzisionsgestaltung. Durch kombinierte quantenchemische Berechnungen, Molekulardynamik und Hochdurchsatz-Synthese werden Moleküle heute rational designt, um gewünschte Materialfunktionen – etwa Selbstorganisation, Stimulus-Responsivität oder selektive Wechselwirkungen – hierarchisch vom molekularen bis zum makroskopischen Maßstab zu implementieren.