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凝聚态物理 > 软凝聚态物理

arXiv:2511.00690v1 (cond-mat)
[提交于 2025年11月1日 ]

标题: 地质模仿:地球介质复杂材料中的涌现动力学

标题: Geomimicry: Emergent Dynamics in Earth-Mediated Complex Materials

Authors:Shravan Pradeep, Emanuela del Gado, Douglas J. Jerolmack, Paulo E. Arratia
摘要: 土壤和沉积物是具有复杂微观结构和力学性能的柔软、非晶态材料,同时也是混凝土等工业材料的构建单元。 这些由地球介导的材料在长期的环境压力下发生演变,如机械应力、化学梯度和生物活动。 在此,我们引入地质仿生学,这是一种通过学习地球介导物质的涌现和适应性动态来设计可持续材料的新范式。 类比于仿生学,我们认为这些地质材料遵循进化设计规则,在持续的自然力量作用下优化其结构和功能。 我们的核心论点是,通过解码这些规则:主要是通过理解异质组分之间多尺度相互作用所产生的新奇特性,我们可以设计出一类适应性强、可持续的物质。 我们在这里提出了两种互补的方法。 自上而下的方法借鉴自然,识别构建单元,并将它们映射到由其力学(而非化学)行为定义的功能组,然后研究环境训练如何调节这些组之间的相互作用。 自下而上的方法旨在利用并测试这一框架,通过在预定的波动应力下逐个构建地球材料,以引导复杂和非平衡材料的组装。 目标是创造具有程序化功能的材料,如抗侵蚀能力或自愈能力。 地质仿生学提供了一条真正设计地球介导循环材料的途径,潜在应用范围从气候适应性土壤和智能农业到对行星改造的新见解,从根本上将关注点从静态组成转向通过环境媒介的动态演化系统。
摘要: Soils and sediments are soft, amorphous materials with complex microstructures and mechanical properties, that are also building blocks for industrial materials such as concrete. These Earth-mediated materials evolve under prolonged environmental pressures like mechanical stress, chemical gradients, and biological activity. Here, we introduce geomimicry, a new paradigm for designing sustainable materials by learning from the emergent and adaptive dynamics of Earth-mediated matter. Drawing a parallel to biomimicry, we posit that these geomaterials follow evolutionary design rules, optimizing their structure and function in response to persistent natural forces. Our central argument is that by decoding these rules: primarily through understanding the emergence of novel exotic properties from multiscale interactions between heterogenous components, we can engineer a new class of adaptive, sustainable matter. We propose two complementary approaches here. The top-down approach looks to nature to identify building blocks and map them to functional groups defined by their mechanical (rather than chemical) behaviors, and then examine how environmental training tunes interactions among these groups. The bottom up approach seeks to leverage and test this framework, building earth materials one component at a time under prescribed fluctuating stresses that guide assembly of complex and out-of-equilibrium materials. The goal is to create materials with programmed functionalities, such as erosion resistance or self-healing capabilities. Geomimicry offers a pathway to truly design Earth-mediated circular materials, with potential applications ranging from climate-resilient soils and smart agriculture to new insights into planetary terraforming, fundamentally shifting the focus from static compositions to dynamic, evolving systems that are mediated via their environment.
评论: 19页,4图
主题: 软凝聚态物理 (cond-mat.soft)
引用方式: arXiv:2511.00690 [cond-mat.soft]
  (或者 arXiv:2511.00690v1 [cond-mat.soft] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2511.00690
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Shravan Pradeep [查看电子邮件]
[v1] 星期六, 2025 年 11 月 1 日 20:15:07 UTC (28,527 KB)
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