Mücklich arbeitet auf den Gebieten der Oberflächenstrukturierung und der Werkstoffcharakterisierung. An Oberflächen und dünnen Schichten erforscht er dabei neue Möglichkeiten der Werkstofffunktionalisierung vor allem durch gepulste Laserstrahlen sowie Dünnschichtphänomene und Elektroerosion. Er untersucht den dreidimensionalen Gefügeaufbau der Werkstoffe auf der Mikro-, Nano- und atomaren Skala und arbeitet skalenabhängig mit verschiedenen experimentellen und theoretischen Methoden. Den theoretischen Hintergrund dazu legte Mücklich gemeinsam mit dem Mathematiker Joachim Ohser in dem Buch Statistical Analysis of Microstructures in Materials Science dar.