Anisotropia - Anisotropy

Imagem WMAP das anisotropias (extremamente pequenas) na radiação cósmica de fundo

Anisotropia ( / ˌ Æ n . Ə -, ˌ Æ n . s ɒ t r . Ə p . I / ) é a propriedade de um material que permite que ele mude ou assumir diferentes propriedades em diferentes direcções ao contrário de isotropia . Pode ser definida como uma diferença, quando medida ao longo de diferentes eixos, nas propriedades físicas ou mecânicas de um material ( absorbância , índice de refração , condutividade , resistência à tração , etc.)

Um exemplo de anisotropia é a luz que passa por um polarizador . Outra é a madeira , que é mais fácil de rachar ao longo de sua fibra do que ao longo dela.

Campos de interesse

Gráficos de computador

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 melhorar a qualidade da imagem de texturas em superfícies que estão distantes e com ângulos abruptos 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 serrilhado ou borramento de texturas. Ao reduzir os detalhes em uma direção mais do que em outra, esses efeitos podem ser reduzidos.

Química

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

Na espectroscopia de NMR , a orientação dos núcleos em relação ao campo magnético aplicado determina seu deslocamento químico . Nesse contexto, os sistemas anisotrópicos referem-se à distribuição de elétrons de moléculas com densidade de elétrons anormalmente alta, como o sistema pi do benzeno . Essa densidade de elétrons 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 plana 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 emissão subsequente de um fóton.

Imagens do mundo real

Imagens de um ambiente ligado à gravidade ou feito 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

Uma lâmpada de plasma exibindo a natureza dos plasmas , neste caso, o fenômeno da "filamentação"

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

Os físicos usam o termo anisotropia para descrever as propriedades dos materiais que dependem da direção. 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 mostrar "filamentação" (como a observada em um raio ou 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 contém nenhuma ordem estrutural das moléculas. Cristais líquidos são exemplos de líquidos anisotrópicos.

Alguns materiais conduzem calor de maneira 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 calor da fonte de calor na eletrônica são freqüentemente anisotrópicos.

Muitos cristais são anisotrópicos à luz ("anisotropia óptica") e exibem propriedades como a 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 das ondas sísmicas com a direção. A anisotropia sísmica é um indicador de ordem de longo alcance em um material, onde características menores que o comprimento de onda sísmica (por exemplo, cristais, rachaduras, poros, camadas ou inclusões) têm um alinhamento dominante. Esse alinhamento leva a uma variação direcional da velocidade da onda de elasticidade . 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 terrestre , manto e núcleo interno .

Formações geológicas com camadas distintas de material sedimentar podem exibir anisotropia elétrica; a 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 portadoras de hidrocarbonetos em sequências de areia e xisto . Ativos de hidrocarbonetos contendo areia têm alta resistividade (baixa condutividade), enquanto folhelhos têm resistividade mais baixa. Os instrumentos de avaliação da formação medem essa condutividade / 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 os gases são produzidos nos reservatórios de carvão e xisto.

A condutividade hidráulica dos aquíferos é frequentemente anisotrópica pela mesma razão. Ao calcular o fluxo de água subterrânea para drenos ou 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 imagem de ultrassom médico que descreve uma ecogenicidade diferente resultante de tecidos moles, como tendões, quando o ângulo do transdutor é alterado. As fibras do tendão parecem hiperecóicas (brilhantes) quando o transdutor está 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 praticantes 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 relação a um eixo normal a um plano de isotropia é denominado material isotrópico transversalmente . As descrições do tensor das propriedades do material 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 ao qual foi submetido. Um material com grãos orientados aleatoriamente será isotrópico, enquanto os materiais com textura serão frequentemente anisotrópicos. Os materiais texturizados são frequentemente o resultado de técnicas de processamento como laminação a quente , trefilagem e tratamento térmico .

As 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 quarto grau , 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 elasticamente deformado; para descrever a elasticidade em um material anisotrópico, tensores de rigidez (ou complacência) são usados.

Nos metais, o comportamento da 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 da direção <111>, normal para os planos compactados e menor paralela 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,

,

onde está o módulo de cisalhamento , é o módulo de Young e é o coeficiente de Poisson do material . Portanto, para materiais cúbicos, podemos pensar em anisotropia, como a razão entre o módulo de cisalhamento determinado empiricamente para o material cúbico e seu equivalente (isotrópico):

A última expressão é conhecida como a proporção de Zener , , onde refere-se a constantes elásticas em Voigt (vector-matriz) notação . Para um material isotrópico, a proporção é um.

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

Materiais amorfos como vidro e polímeros são tipicamente isotrópicos. Devido à orientação altamente aleatória das macromoléculas em materiais poliméricos, os polímeros são em geral descritos como isotrópicos. No entanto, os polímeros podem ser projetados para ter propriedades direcionalmente dependentes por meio de técnicas de processamento ou introdução de elementos indutores de anisotropia. Os pesquisadores construíram materiais compostos com fibras alinhadas e vazios para gerar hidrogéis anisotrópicos , a fim de imitar a matéria mole biológica hierarquicamente ordenada. A impressão 3D, especialmente a Modelagem por Deposição Fundida, pode introduzir anisotropia nas peças impressas. Isso se deve ao fato de que o FDM é 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

As técnicas de corrosão anisotrópica (como a corrosão iônica reativa profunda ) são usadas em processos de microfabricação para criar características microscópicas bem definidas com uma alta proporção de aspecto . Esses recursos são comumente usados ​​em dispositivos MEMS e microfluídicos , onde a anisotropia dos recursos é necessária para transmitir as propriedades ópticas, elétricas ou físicas desejadas ao dispositivo. A gravação anisotrópica também pode se referir a certos decapantes químicos usados ​​para gravar um determinado material preferencialmente sobre certos planos cristalográficos (por exemplo, a gravação 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 fracionada do movimento aleatório ( movimento browniano ) das moléculas de água no cérebro. As moléculas de água localizadas em tratos de fibra são mais propensas a serem anisotrópicas, uma vez que são restritas em seu movimento (elas se movem mais na dimensão paralela ao trato de fibra 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. Esta diferença na anisotropia fracionada é explorada para criar um mapa dos tratos de fibra no cérebro do indivíduo.

Transferência radiativa atmosférica

Os campos de radiância (ver BRDF ) de uma superfície reflexiva geralmente não são isotrópicos por natureza. Isso torna os cálculos da energia total refletida de qualquer cena uma quantidade difícil de calcular. Em aplicações de sensoriamento remoto , as funções de anisotropia podem ser derivadas para cenas específicas, simplificando imensamente o cálculo da refletância líquida ou (assim) a irradiância líquida de uma cena. Por exemplo, deixe o BRDF ser onde 'i' denota direcção de incidência e denota 'V' vendo direção (como se de um satélite ou outro instrumento). E seja P o Albedo Planar, que representa a refletância total da cena.

É interessante porque, com o conhecimento da função de anisotropia conforme definido, uma medição do BRDF de uma única direção de visualização (digamos, ) produz uma medida da refletância total da cena (Planar Albedo) para aquela geometria incidente específica (digamos, ) .

Veja também

Referências

links externos