Anisotropia

Imagem WMAP das anisotrópias (extremamente minúsculas) na radiação de fundo cósmica

Anisotropia () é a propriedade de um material que permite que ele mude ou assuma diferentes propriedades em diferentes direções, ao contrário da isotropia. Pode ser definido como uma diferença, quando medido ao longo de diferentes eixos, nas propriedades físicas ou mecânicas de um material (absorvância, índice de refração, condutividade, resistência à tração, etc.).

Um exemplo de anisotropia é a luz passando por um polarizador. Outra é a madeira, que é mais fácil de dividir ao longo do grão do que transversalmente.

Campos de interesse

Computação gráfica

No campo da computação gráfica, uma superfície anisotrópica muda de aparência à medida que gira em torno de sua normal geométrica, como é o caso do veludo.

A filtragem anisotrópica (AF) é um método de aprimorar a qualidade da imagem de texturas em superfícies distantes e com ângulos acentuados em relação ao ponto de vista. Técnicas mais antigas, como filtragem bilinear e trilinear, não levam em consideração o ângulo a partir do qual uma superfície é visualizada, o que pode resultar em aliasing ou embaçamento de texturas. Ao reduzir os detalhes em uma direção mais do que em outra, esses efeitos podem ser reduzidos facilmente.

Química

Um filtro anisotrópico químico, usado para filtrar partículas, é um filtro com espaços intersticiais cada vez menores na direção da filtração, de modo que as regiões proximais filtram as partículas maiores e as regiões distais removem cada vez mais as partículas menores, resultando em maior fluxo e filtragem mais eficiente.

Na espectroscopia de RMN, a orientação dos núcleos em relação ao campo magnético aplicado determina seu deslocamento químico. Neste contexto, os sistemas anisotrópicos referem-se à distribuição eletrônica de moléculas com densidade eletrônica anormalmente alta, como o sistema pi do benzeno. Essa densidade eletrônica anormal afeta o campo magnético aplicado e faz com que o deslocamento químico observado mude.

Na espectroscopia de fluorescência, a anisotropia de fluorescência, calculada a partir das propriedades de polarização da fluorescência de amostras excitadas com luz plano-polarizada, é usada, por exemplo, para determinar a forma de uma macromolécula. As medições de anisotropia revelam o deslocamento angular médio do fluoróforo que ocorre entre a absorção e a subsequente emissão de um fóton.

Imagens do mundo real

As imagens de um ambiente vinculado à gravidade ou criado pelo homem são particularmente anisotrópicas no domínio da orientação, com mais estrutura de imagem localizada em orientações paralelas ou ortogonais à direção da gravidade (vertical e horizontal).

Física

Um globo de plasma mostrando a natureza dos plasmas, neste caso, o fenômeno da "filamentação"

Físicos da Universidade da Califórnia, Berkeley relataram sobre a detecção da anisotropia do cosseno na radiação cósmica de fundo em 1977. Seu experimento demonstrou o deslocamento Doppler causado pelo movimento da Terra em relação à matéria inicial do Universo, a fonte de a radiação. A anisotropia cósmica também foi observada no alinhamento das galáxias. eixos de rotação e ângulos de polarização dos quasares.

Os físicos usam o termo anisotropia para descrever as propriedades dependentes da direção dos materiais. A anisotropia magnética, por exemplo, pode ocorrer em um plasma, de modo que seu campo magnético seja orientado em uma direção preferencial. Os plasmas também podem apresentar "filamentação" (como o visto em um raio ou em um globo de plasma) que é direcional.

Um líquido anisotrópico tem a fluidez de um líquido normal, mas tem uma ordem estrutural média em relação ao outro ao longo do eixo molecular, ao contrário da água ou do clorofórmio, que não contêm ordenação estrutural das moléculas. Cristais líquidos são exemplos de líquidos anisotrópicos.

Alguns materiais conduzem o calor de forma isotrópica, independente da orientação espacial em torno da fonte de calor. A condução de calor é mais comumente anisotrópica, o que implica que é necessária uma modelagem geométrica detalhada de materiais tipicamente diversos sendo gerenciados termicamente. Os materiais usados para transferir e rejeitar o calor da fonte de calor na eletrônica geralmente são anisotrópicos.

Muitos cristais são anisotrópicos à luz ("anisotropia óptica") e exibem propriedades como birrefringência. A óptica de cristal descreve a propagação da luz nesses meios. Um "eixo de anisotropia" é definido como o eixo ao longo do qual a isotropia é quebrada (ou um eixo de simetria, como camadas normais a cristalinas). Alguns materiais podem ter vários desses eixos ópticos.

Geofísica e geologia

A anisotropia sísmica é a variação da velocidade da onda sísmica com a direção. A anisotropia sísmica é um indicador de ordem de longo alcance em um material, onde recursos menores que o comprimento de onda sísmico (por exemplo, cristais, rachaduras, poros, camadas ou inclusões) têm um alinhamento dominante. Este alinhamento leva a uma variação direcional da elasticidade da velocidade da onda. Medir os efeitos da anisotropia em dados sísmicos pode fornecer informações importantes sobre processos e mineralogia na Terra; Anisotropia sísmica significativa foi detectada na crosta, manto e núcleo interno da Terra.

Formações geológicas com camadas distintas de material sedimentar podem apresentar anisotropia elétrica; condutividade elétrica em uma direção (por exemplo, paralela a uma camada), é diferente daquela em outra (por exemplo, perpendicular a uma camada). Esta propriedade é usada na indústria de exploração de gás e petróleo para identificar areias contendo hidrocarbonetos em sequências de areia e xisto. Os ativos de hidrocarbonetos contendo areia têm alta resistividade (baixa condutividade), enquanto os folhelhos têm resistividade mais baixa. Instrumentos de avaliação de formação medem essa condutividade ou resistividade, e os resultados são usados para ajudar a encontrar petróleo e gás em poços. A anisotropia mecânica medida para algumas das rochas sedimentares, como carvão e xisto, pode mudar com as mudanças correspondentes em suas propriedades de superfície, como sorção, quando gases são produzidos a partir dos reservatórios de carvão e xisto.

A condutividade hidráulica dos aquíferos é muitas vezes anisotrópica pela mesma razão. Ao calcular o fluxo de águas subterrâneas para drenos ou para poços, a diferença entre a permeabilidade horizontal e vertical deve ser levada em consideração; caso contrário, os resultados podem estar sujeitos a erros.

Os minerais formadores de rocha mais comuns são anisotrópicos, incluindo quartzo e feldspato. A anisotropia em minerais é vista de forma mais confiável em suas propriedades ópticas. Um exemplo de mineral isotrópico é a granada.

Acústica médica

A anisotropia também é uma propriedade bem conhecida na ultrassonografia médica, descrevendo uma ecogenicidade resultante diferente de tecidos moles, como tendões, quando o ângulo do transdutor é alterado. As fibras do tendão aparecem hiperecóicas (brilhantes) quando o transdutor é perpendicular ao tendão, mas podem parecer hipoecóicas (mais escuras) quando o transdutor é inclinado obliquamente. Isso pode ser uma fonte de erro de interpretação para profissionais inexperientes.

Ciência e engenharia de materiais

A anisotropia, na ciência dos materiais, é a dependência direcional de um material de uma propriedade física. Esta é uma consideração crítica para a seleção de materiais em aplicações de engenharia. Um material com propriedades físicas simétricas em torno de um eixo normal a um plano de isotropia é chamado de material transversalmente isotrópico. Descrições de tensores de propriedades de materiais podem ser usadas para determinar a dependência direcional dessa propriedade. Para um material monocristalino, a anisotropia está associada à simetria do cristal no sentido de que tipos de cristal mais simétricos têm menos coeficientes independentes na descrição do tensor de uma determinada propriedade. Quando um material é policristalino, a dependência direcional das propriedades geralmente está relacionada às técnicas de processamento a que foi submetido. Um material com grãos orientados aleatoriamente será isotrópico, enquanto materiais com textura serão frequentemente anisotrópicos. Os materiais texturizados geralmente são o resultado de técnicas de processamento como laminação a quente, trefilação e tratamento térmico.

Propriedades mecânicas de materiais, como módulo de Young, ductilidade, resistência ao escoamento e taxa de fluência em alta temperatura, geralmente dependem da direção da medição. As propriedades do tensor de quarta ordem, como as constantes elásticas, são anisotrópicas, mesmo para materiais com simetria cúbica. O módulo de Young relaciona tensão e deformação quando um material isotrópico é deformado elasticamente; para descrever a elasticidade em um material anisotrópico, são usados tensores de rigidez (ou complacência).

Em metais, o comportamento de elasticidade anisotrópica está presente em todos os monocristais com três coeficientes independentes para cristais cúbicos, por exemplo. Para materiais cúbicos de face centrada, como Níquel e Cobre, a rigidez é maior ao longo do eixo <111> direção, normal aos planos compactados e menor paralelo a <100>. O tungstênio é tão quase isotrópico à temperatura ambiente que pode ser considerado como tendo apenas dois coeficientes de rigidez; o alumínio é outro metal quase isotrópico.

Para um material isotrópico,

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

GNão. G.

ENão.

Processo Processo Não.

umR{displaystyle a_{r}}

umR= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =GE/Não.2(1+Processo Processo )]= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =2(1+Processo Processo )GE)) 2C44C11- Sim. - Sim. C12.{displaystyle a_{r}={frac {G}{E/[2(1+nu)]}}={frac {2(1+nu)G}{E}}equiv {frac {2C_{44}}{C_{11}-C_{12}}}.}

A última expressão é conhecida como a razão Zener, umR{displaystyle a_{r}}, onde CEu...JJ{displaystyle C_{ij}} refere-se a constantes elásticas na notação Voigt (vector-matrix). Para um material isotrópico, a proporção é uma.

A limitação da relação Zener a materiais cúbicos é dispensada no índice de anisotropia tensorial A^T que leva em consideração todos os 27 componentes do tensor de rigidez totalmente anisotrópico. É composto por duas partes principais AEu...Não. A^{I}}e AANão. A^{A}}, o primeiro referindo-se aos componentes existentes no tensor cúbico e o último no tensor anisotrópico para que AT= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =AEu...+AA.Não. A^{T}=A^{I}+A^{A}.} Este primeiro componente inclui a razão Zener modificada e também responde por diferenças direcionais no material, que existem no material ortotrópico, por exemplo. O segundo componente deste índice AANão. A^{A}} cobre a influência de coeficientes de rigidez que são nonzero apenas para materiais não cúbicos e permanece zero de outra forma.

Materiais compósitos reforçados com fibras ou em camadas exibem propriedades mecânicas anisotrópicas, devido à orientação do material de reforço. Em muitos compósitos reforçados com fibras, como fibra de carbono ou compósitos à base de fibra de vidro, a trama do material (por exemplo, unidirecional ou trama simples) pode determinar a extensão da anisotropia do material a granel. A capacidade de ajuste da orientação das fibras permite projetos baseados em aplicações de materiais compósitos, dependendo da direção das tensões aplicadas no material.

Materiais amorfos, como vidro e polímeros, são tipicamente isotrópicos. Devido à orientação altamente aleatória de macromoléculas em materiais poliméricos, os polímeros são geralmente descritos como isotrópicos. No entanto, polímeros mecanicamente gradientes podem ser projetados para ter propriedades dependentes de direção por meio de técnicas de processamento ou introdução de elementos indutores de anisotropia. Os pesquisadores construíram materiais compósitos com fibras alinhadas e vazios para gerar hidrogéis anisotrópicos, a fim de imitar a matéria mole biológica ordenada hierarquicamente. A impressão 3D, especialmente a Fused Deposition Modeling, pode introduzir anisotropia nas peças impressas. Isso se deve ao fato de o FDM ser projetado para extrudar e imprimir camadas de materiais termoplásticos. Isso cria materiais que são fortes quando a tensão de tração é aplicada paralelamente às camadas e fracos quando o material é perpendicular às camadas.

Microfabricação

Técnicas de ataque anisotrópico (como ataque profundo de íons reativos) são usadas em processos de microfabricação para criar características microscópicas bem definidas com uma alta proporção. Esses recursos são comumente usados em MEMS e dispositivos microfluídicos, onde a anisotropia dos recursos é necessária para conferir as propriedades ópticas, elétricas ou físicas desejadas ao dispositivo. O ataque anisotrópico também pode se referir a certos agentes químicos usados para gravar um determinado material preferencialmente sobre certos planos cristalográficos (por exemplo, o ataque com KOH de silício [100] produz estruturas semelhantes a pirâmides)

Neurociência

A imagem por tensor de difusão é uma técnica de ressonância magnética que envolve a medição da anisotropia fracional do movimento aleatório (movimento browniano) das moléculas de água no cérebro. Moléculas de água localizadas em tratos de fibras são mais propensas a serem anisotrópicas, uma vez que são restritas em seu movimento (elas se movem mais na dimensão paralela ao trato de fibras do que nas duas dimensões ortogonais a ele), enquanto as moléculas de água dispersas no resto do cérebro têm movimentos menos restritos e, portanto, exibem mais isotropia. Essa diferença na anisotropia fracionária é explorada para criar um mapa dos feixes de fibras no cérebro do indivíduo.

Detecção remota e modelagem de transferência radiativa

Campos de radiação (veja a função de distribuição de refletância bidirecional (BRDF) de uma superfície reflexiva muitas vezes não são isotrópicos na natureza. Isso faz cálculos da energia total sendo refletida de qualquer cena uma quantidade difícil de calcular. Em aplicações de sensoriamento remoto, funções anisotropy podem ser derivadas para cenas específicas, simplificando imensamente o cálculo da reflectância líquida ou (através disso) a irradiação líquida de uma cena. Por exemplo, deixe o BRDF ser γ γ (Ω Ω Eu...,Ω Ω v)(Omega _{i},Omega _{v})} onde 'i' denota direção incidente e 'v' denota direção de visualização (como se de um satélite ou outro instrumento). E que P seja o Planar Albedo, que representa o reflexo total da cena.

P(Ω Ω Eu...)= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =∫ ∫ Ω Ω vγ γ (Ω Ω Eu...,Ω Ω v)n^ ^ )) DΩ Ω ^ ^ v{displaystyle P(Omega _{i})=int _{Omega _{v}}gamma (Omega _{i},Omega _{v}){hat {n}}cdot d{hat {Omega }}_{v}}

A(Ω Ω Eu...,Ω Ω v)= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =γ γ (Ω Ω Eu...,Ω Ω v)P(Ω Ω Eu...){displaystyle A(Omega _{i},Omega _{v})={frac {gamma (Omega _{i},Omega _{v})}{P(Omega _{i})}}}

É de interesse porque, com conhecimento da função anisotropy como definida, uma medição do BRDF de uma única direção de visualização (diz, Ω Ω vNão. Omega _{v}}) produz uma medida da reflexão total da cena (Planar Albedo) para essa geometria específica de incidentes (diz, Ω Ω Eu...Não. Omega _{i}}).