Anisotropía

Imagen WMAP de las anisotropías (extremadamente pequeñas) en el fondo cósmico

Anisotropía () es la propiedad de un material que le permite cambiar o asumir diferentes propiedades en diferentes direcciones, a diferencia de la isotropía. Se puede definir como una diferencia, cuando se mide a lo largo de diferentes ejes, en las propiedades físicas o mecánicas de un material (absorbancia, índice de refracción, conductividad, resistencia a la tracción, etc.).

Un ejemplo de anisotropía es la luz que pasa por un polarizador. Otra es la madera, que es más fácil de partir a lo largo de su fibra que a través de ella.

Campos de interés

Gráficos por computadora

En el campo de los gráficos por computadora, una superficie anisotrópica cambia de apariencia a medida que gira sobre su normal geométrico, como es el caso del terciopelo.

El filtrado anisotrópico (AF) es un método para mejorar la calidad de la imagen de las texturas en superficies que están muy lejos y tienen un ángulo pronunciado con respecto al punto de vista. Las técnicas más antiguas, como el filtrado bilineal y trilineal, no tienen en cuenta el ángulo desde el que se ve una superficie, lo que puede provocar el aliasing o el desenfoque de las texturas. Al reducir los detalles en una dirección más que en otra, estos efectos se pueden reducir fácilmente.

Química

Un filtro anisotrópico químico, como se usa para filtrar partículas, es un filtro con espacios intersticiales cada vez más pequeños en la dirección de la filtración, de modo que las regiones proximales filtran las partículas más grandes y las regiones distales eliminan cada vez más las partículas más pequeñas, lo que da como resultado un mayor flujo. y una filtración más eficiente.

En la espectroscopia de RMN, la orientación de los núcleos con respecto al campo magnético aplicado determina su desplazamiento químico. En este contexto, los sistemas anisotrópicos se refieren a la distribución electrónica de moléculas con una densidad electrónica anormalmente alta, como el sistema pi del benceno. Esta densidad de electrones anormal afecta el campo magnético aplicado y hace que cambie el desplazamiento químico observado.

En la espectroscopia de fluorescencia, la anisotropía de fluorescencia, calculada a partir de las propiedades de polarización de la fluorescencia de muestras excitadas con luz polarizada plana, se utiliza, por ejemplo, para determinar la forma de una macromolécula. Las medidas de anisotropía revelan el desplazamiento angular medio del fluoróforo que se produce entre la absorción y la posterior emisión de un fotón.

Imágenes del mundo real

Las imágenes de un entorno creado por el hombre o ligado a la gravedad son particularmente anisotrópicas en el dominio de orientación, con más estructura de imagen ubicada en orientaciones paralelas u ortogonales a la dirección de la gravedad (vertical y horizontal).

Física

Un globo de plasma que muestra la naturaleza de los plasmas, en este caso, el fenómeno de la "filamentación"

Físicos de la Universidad de California, Berkeley, informaron sobre su detección de la anisotropía del coseno en la radiación de fondo de microondas cósmica en 1977. Su experimento demostró el cambio Doppler causado por el movimiento de la tierra con respecto a la materia del Universo primitivo, la fuente de la radiación La anisotropía cósmica también se ha visto en la alineación de galaxias' ejes de rotación y ángulos de polarización de los cuásares.

Los físicos utilizan el término anisotropía para describir las propiedades de los materiales que dependen de la dirección. La anisotropía magnética, por ejemplo, puede ocurrir en un plasma, de modo que su campo magnético esté orientado en una dirección preferida. Los plasmas también pueden mostrar "filamentación" (como el que se ve en un rayo o un globo de plasma) que es direccional.

Un líquido anisotrópico tiene la fluidez de un líquido normal, pero tiene un orden estructural promedio entre sí a lo largo del eje molecular, a diferencia del agua o el cloroformo, que no contienen un orden estructural de las moléculas. Los cristales líquidos son ejemplos de líquidos anisotrópicos.

Algunos materiales conducen el calor de forma isotrópica, es decir, independiente de la orientación espacial alrededor de la fuente de calor. La conducción de calor es más comúnmente anisotrópica, lo que implica que se requiere un modelado geométrico detallado de materiales típicamente diversos que se gestionan térmicamente. Los materiales utilizados para transferir y rechazar el calor de la fuente de calor en la electrónica suelen ser anisotrópicos.

Muchos cristales son anisotrópicos a la luz ("anisotropía óptica") y presentan propiedades como la birrefringencia. La óptica de cristal describe la propagación de la luz en estos medios. Un "eje de anisotropía" se define como el eje a lo largo del cual se rompe la isotropía (o un eje de simetría, como las capas normales a cristalinas). Algunos materiales pueden tener múltiples ejes ópticos.

Geofísica y geología

La anisotropía sísmica es la variación de la velocidad de onda sísmica con la dirección. La anisotropía sísmica es un indicador del orden de largo alcance en un material, donde las características más pequeñas que la longitud de onda sísmica (por ejemplo, cristales, grietas, poros, capas o inclusiones) tienen una alineación dominante. Esta alineación conduce a una variación direccional de la velocidad de la onda de elasticidad. La medición de los efectos de la anisotropía en los datos sísmicos puede proporcionar información importante sobre los procesos y la mineralogía de la Tierra; Se ha detectado una anisotropía sísmica significativa en la corteza, el manto y el núcleo interno de la Tierra.

Las formaciones geológicas con distintas capas de material sedimentario pueden exhibir anisotropía eléctrica; la conductividad eléctrica en una dirección (p. ej., paralela a una capa) es diferente de la de otra (p. ej., perpendicular a una capa). Esta propiedad se utiliza en la industria de exploración de gas y petróleo para identificar arenas que contienen hidrocarburos en secuencias de arena y esquisto. Los activos de hidrocarburos con arena tienen una alta resistividad (baja conductividad), mientras que las lutitas tienen una resistividad más baja. Los instrumentos de evaluación de formaciones miden esta conductividad o resistividad, y los resultados se utilizan para ayudar a encontrar petróleo y gas en los pozos. La anisotropía mecánica medida para algunas de las rocas sedimentarias como el carbón y el esquisto puede cambiar con los cambios correspondientes en sus propiedades superficiales como la sorción cuando se producen gases a partir de los depósitos de carbón y esquisto.

La conductividad hidráulica de los acuíferos suele ser anisotrópica por la misma razón. Al calcular el flujo de agua subterránea a los drenajes oa los pozos, se debe tener en cuenta la diferencia entre la permeabilidad horizontal y vertical; de lo contrario, los resultados pueden estar sujetos a error.

Los minerales formadores de rocas más comunes son anisotrópicos, incluidos el cuarzo y el feldespato. La anisotropía en los minerales se ve de manera más confiable en sus propiedades ópticas. Un ejemplo de un mineral isotrópico es el granate.

Acústica médica

La anisotropía también es una propiedad bien conocida en la ecografía médica que describe una ecogenicidad diferente resultante de los tejidos blandos, como los tendones, cuando se cambia el ángulo del transductor. Las fibras del tendón aparecen hiperecoicas (brillantes) cuando el transductor está perpendicular al tendón, pero pueden aparecer hipoecoicas (más oscuras) cuando el transductor está inclinado oblicuamente. Esto puede ser una fuente de error de interpretación para los profesionales sin experiencia.

Ciencia e ingeniería de materiales

La anisotropía, en la ciencia de los materiales, es la dependencia direccional de un material de una propiedad física. Esta es una consideración crítica para la selección de materiales en aplicaciones de ingeniería. Un material con propiedades físicas que son simétricas alrededor de un eje que es normal a un plano de isotropía se denomina material transversalmente isotrópico. Las descripciones de tensores de las propiedades de los materiales se pueden utilizar para determinar la dependencia direccional de esa propiedad. Para un material monocristalino, la anisotropía está asociada con la simetría del cristal en el sentido de que los tipos de cristal más simétricos tienen menos coeficientes independientes en la descripción tensorial de una propiedad determinada. Cuando un material es policristalino, la dependencia direccional de las propiedades a menudo está relacionada con las técnicas de procesamiento a las que se ha sometido. Un material con granos orientados al azar será isotrópico, mientras que los materiales con textura serán a menudo anisotrópicos. Los materiales texturizados suelen ser el resultado de técnicas de procesamiento como el laminado en caliente, el trefilado y el tratamiento térmico.

Las propiedades mecánicas de los materiales, como el módulo de Young, la ductilidad, el límite elástico y la tasa de fluencia a alta temperatura, a menudo dependen de la dirección de la medición. Las propiedades tensoriales de cuarto rango, como las constantes elásticas, son anisotrópicas, incluso para materiales con simetría cúbica. El módulo de Young relaciona la tensión y la deformación cuando un material isotrópico se deforma elásticamente; para describir la elasticidad en un material anisótropo, en su lugar se utilizan tensores de rigidez (o cumplimiento).

En los metales, el comportamiento de elasticidad anisotrópica está presente en todos los monocristales con tres coeficientes independientes para los cristales cúbicos, por ejemplo. Para materiales cúbicos centrados en las caras, como el níquel y el cobre, la rigidez es más alta a lo largo de <111> dirección, normal a los planos compactos y menor paralelo a <100>. El tungsteno es tan casi isotrópico a temperatura ambiente que se puede considerar que tiene solo dos coeficientes de rigidez; el aluminio es otro metal que es casi isotrópico.

Para un material isotrópico,

$${displaystyle G=E/[2(1+nu)],}$$

${displaystyle G.$

${displaystyle E}$

${displaystyle nu }$

${displaystyle a_{r}$

$${displaystyle a_{r}={frac} {G}{E/[2(1+nu)}}={frac {2(1+nu)G}{E}equiv {2C_{44}{C_{11}-C_{12}}}}}}}} {f} {c}} {c}} {c}}}} {c}} {c}}}}}}}}}}}}}}}} {c}}} {cccccccccc}}}}}}}}}}}} {ccccccccccccccccccccccc}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {$$

Esta última expresión se conoce como la relación Zener, ${displaystyle a_{r}$, donde ${displaystyle C_{ij}$ se refiere a las constantes elásticas en la notación Voigt (vector-matrix). Para un material isotrópico, la relación es una.

Limitación de la relación Zener con materiales cúbicos se renuncia al índice de anisotropía Tensorial A^T que tiene en cuenta todos los 27 componentes del tensor de rigidez totalmente anisotrópico. Se compone de dos partes principales ${displaystyle A^{I}$y ${displaystyle A^{A}$, el primero que se refiere a los componentes existentes en el tensor cúbico y el último en el tensor anisotrópico para que ${displaystyle A^{T}=A^{I}+A^{A}$ Este primer componente incluye la relación de Zener modificada y además representa diferencias direccionales en el material, que existen en el material ortotrópico, por ejemplo. El segundo componente de este índice ${displaystyle A^{A}$ cubre la influencia de coeficientes de rigidez que no son solo para materiales no cúbicos y permanece cero de otra manera.

Los materiales compuestos reforzados con fibra o en capas exhiben propiedades mecánicas anisotrópicas, debido a la orientación del material de refuerzo. En muchos compuestos reforzados con fibra, como la fibra de carbono o los compuestos basados en fibra de vidrio, el tejido del material (p. ej., unidireccional o tejido liso) puede determinar el grado de anisotropía del material a granel. La capacidad de ajuste de la orientación de las fibras permite diseños basados en aplicaciones de materiales compuestos, dependiendo de la dirección de las tensiones aplicadas sobre el material.

Los materiales amorfos, como el vidrio y los polímeros, suelen ser isotrópicos. Debido a la orientación altamente aleatoria de las macromoléculas en los materiales poliméricos, los polímeros se describen en general como isotrópicos. Sin embargo, los polímeros de gradiente mecánico se pueden diseñar para que tengan propiedades dependientes de la dirección mediante técnicas de procesamiento o la introducción de elementos inductores de anisotropía. Los investigadores han construido materiales compuestos con fibras alineadas y huecos para generar hidrogeles anisotrópicos, con el fin de imitar la materia blanda biológica ordenada jerárquicamente. La impresión 3D, especialmente el modelado por deposición fundida, puede introducir anisotropía en las piezas impresas. Esto se debe al hecho de que FDM está diseñado para extruir e imprimir capas de materiales termoplásticos. Esto crea materiales que son fuertes cuando se aplica tensión de tracción en paralelo a las capas y débiles cuando el material es perpendicular a las capas.

Microfabricación

Las técnicas de grabado anisotrópico (como el grabado profundo con iones reactivos) se utilizan en los procesos de microfabricación para crear características microscópicas bien definidas con una alta relación de aspecto. Estas características se usan comúnmente en MEMS y dispositivos microfluídicos, donde se necesita la anisotropía de las características para impartir las propiedades ópticas, eléctricas o físicas deseadas al dispositivo. El grabado anisotrópico también puede referirse a ciertos grabadores químicos utilizados para grabar un determinado material preferentemente sobre ciertos planos cristalográficos (p. ej., el grabado con KOH del silicio [100] produce estructuras en forma de pirámide)

Neurociencia

Las imágenes con tensor de difusión son una técnica de resonancia magnética que consiste en medir la anisotropía fraccional del movimiento aleatorio (movimiento browniano) de las moléculas de agua en el cerebro. Las moléculas de agua ubicadas en los tractos de fibra tienen más probabilidades de ser anisotrópicas, ya que su movimiento está restringido (se mueven más en la dimensión paralela al tracto de fibra que en las dos dimensiones ortogonales a él), mientras que las moléculas de agua dispersas en el resto del cerebro tienen un movimiento menos restringido y, por lo tanto, muestran más isotropía. Esta diferencia en la anisotropía fraccional se aprovecha para crear un mapa de los tractos de fibra en el cerebro del individuo.

Modelado de transferencia radiativa y teledetección

Los campos de radiación (véase la función de distribución de la reflectancia bidireccional (BRDF)) de una superficie reflectante a menudo no son isotrópicos en la naturaleza. Esto hace que los cálculos de la energía total que se refleja en cualquier escena sean una cantidad difícil de calcular. En aplicaciones de teleobservación, las funciones de anisotropía pueden derivarse para escenas específicas, simplificando enormemente el cálculo de la reflectancia neta o (de ahí) la irradiación neta de una escena. Por ejemplo, que el BRDF sea ${displaystyle gamma (Omega _{i},Omega _{v}}$ donde 'i' denota la dirección del incidente y 'v' denota la dirección de visualización (como si fuera de un satélite u otro instrumento). Y que P sea el Planar Albedo, que representa la total reflexión de la escena.

$${displaystyle P(Omega _{i})=int Oh, Dios. (Omega _{i},Omega _{v}{hat {n}cdot d{hat {omega }$$

$${displaystyle A(Omega _{i},Omega _{v}={frac {gamma (Omega _{i},Omega _{v}}{P(Omega _{i}}}}$$

Es de interés porque, con conocimiento de la función anisotropía definida, una medición de la BRDF desde una única dirección de visualización (por ejemplo, ${displaystyle Omega _{v}$) da una medida de la reflectancia total de la escena (Planar Albedo) para esa geometría de incidente específica (por ejemplo, ${displaystyle Omega _{i}}$).