Анизотропия - Anisotropy

Изображение WMAP (чрезвычайно крошечной) анизотропии космического фонового излучения

Анизотропия ( / ˌ æ п . Ə -, ˌ æ п . с ɒ т т . Ə р . Я / ) является свойством материала , который позволяет ему изменить или принимать различные свойства в различных направлениях , в отличие от изотропности . Его можно определить как разницу физических или механических свойств материала ( оптическая плотность , показатель преломления , проводимость , прочность на разрыв и т. Д.) При измерении по разным осям.

Примером анизотропии может служить свет, проходящий через поляризатор . Другой - древесина , которую легче расколоть вдоль волокон, чем поперек.

Сферы интересов

Компьютерная графика

В области компьютерной графики анизотропная поверхность меняет внешний вид при вращении вокруг своей геометрической нормали , как в случае с бархатом .

Анизотропная фильтрация (AF) - это метод улучшения качества изображения текстур на поверхностях, которые находятся далеко и под большим углом относительно точки обзора. Старые методы, такие как билинейная и трилинейная фильтрация , не учитывают угол обзора поверхности, что может привести к сглаживанию или размытию текстур. Эти эффекты можно уменьшить, уменьшая количество деталей в одном направлении больше, чем в другом.

Химия

Химический анизотропный фильтр , используемый для фильтрации частиц, представляет собой фильтр с все более мелкими промежуточными пространствами в направлении фильтрации, так что проксимальные области отфильтровывают более крупные частицы, а дистальные области все больше удаляют более мелкие частицы, что приводит к большему потоку и большей эффективности. фильтрация.

В ЯМР-спектроскопии ориентация ядер по отношению к приложенному магнитному полю определяет их химический сдвиг . В этом контексте анизотропные системы относятся к распределению электронов в молекулах с аномально высокой электронной плотностью, например пи-системе бензола . Эта аномальная электронная плотность влияет на приложенное магнитное поле и вызывает изменение наблюдаемого химического сдвига.

В флуоресцентной спектроскопии , то анизотропия флуоресценции , рассчитанная из поляризационных свойств флуоресценции образцов , возбуждаемых с плоско-поляризованным светом, используются, например, чтобы определить форму макромолекулы. Измерения анизотропии показывают среднее угловое смещение флуорофора, которое происходит между поглощением и последующим испусканием фотона.

Образы реального мира

Изображения окружающей гравитационной или искусственной среды особенно анизотропны в области ориентации, при этом большая часть структуры изображения расположена в ориентациях, параллельных или ортогональных направлению силы тяжести (вертикальному и горизонтальному).

Физика

Плазменная лампа отображение природы плазмы , в данном случае, явление «филаментация»

Физики из Калифорнийского университета в Беркли сообщили об обнаружении косинусной анизотропии в космическом микроволновом фоновом излучении в 1977 году. Их эксперимент продемонстрировал доплеровский сдвиг, вызванный движением Земли относительно материи ранней Вселенной , источника излучения. Космическая анизотропия также наблюдалась в совмещении осей вращения галактик и углов поляризации квазаров.

Физики используют термин анизотропия для описания свойств материалов, зависящих от направления. Например, в плазме может возникать магнитная анизотропия , так что ее магнитное поле ориентировано в предпочтительном направлении. Плазма также может демонстрировать направленную «филаментацию» (например, наблюдаемую при молнии или плазменном шаре ).

Анизотропная жидкость имеет текучесть нормальной жидкости, но имеет средний структурный порядок относительно друг друга вдоль оси молекулы, в отличие от воды или хлороформа , которые не содержат структурную упорядоченность молекул. Жидкие кристаллы являются примерами анизотропных жидкостей.

Некоторые материалы проводят тепло изотропным способом, который не зависит от пространственной ориентации вокруг источника тепла. Теплопроводность чаще бывает анизотропной, что означает, что требуется детальное геометрическое моделирование обычно различных материалов, термически управляемых. Материалы, используемые для передачи и отвода тепла от источника тепла в электронике , часто анизотропны.

Многие кристаллы анизотропны по отношению к свету («оптическая анизотропия») и проявляют такие свойства, как двойное лучепреломление . Кристаллооптика описывает распространение света в этих средах. «Ось анизотропии» определяется как ось, вдоль которой нарушается изотропия (или ось симметрии, например, нормальная к кристаллическим слоям). Некоторые материалы могут иметь несколько таких оптических осей .

Геофизика и геология

Сейсмическая анизотропия - это изменение скорости сейсмических волн в зависимости от направления. Сейсмическая анизотропия - это индикатор дальнего порядка в материале, где элементы, размер которых меньше длины сейсмической волны (например, кристаллы, трещины, поры, слои или включения), имеют преимущественное выравнивание. Это выравнивание приводит к изменению скорости волны упругости по направлению. Измерение эффектов анизотропии в сейсмических данных может предоставить важную информацию о процессах и минералогии на Земле; значительная сейсмическая анизотропия обнаружена в земной коре , мантии и внутреннем ядре .

Геологические образования с отчетливыми слоями осадочного материала могут проявлять электрическую анизотропию; электрическая проводимость в одном направлении (например, параллельно слою) отличается от проводимости в другом (например, перпендикулярно слою). Это свойство используется в газовой и нефтяной разведке промышленности для выявления углеводородных водоносных песков в последовательностях песка и сланца . Углеводородные активы, содержащие песок, имеют высокое удельное сопротивление (низкую проводимость), тогда как глинистые сланцы имеют более низкое удельное сопротивление. Приборы для оценки пласта измеряют эту проводимость / удельное сопротивление, и результаты используются для поиска нефти и газа в скважинах. Механическая анизотропия, измеренная для некоторых осадочных пород, таких как уголь и сланцы, может изменяться с соответствующими изменениями в их поверхностных свойствах, таких как сорбция, когда газы производятся из угольных и сланцевых коллекторов.

Гидравлическая проводимость из водоносных слоев часто является анизотропной по той же причине. При расчете расхода грунтовых вод к дренажам или скважинам необходимо учитывать разницу между горизонтальной и вертикальной проницаемостью, иначе результаты могут быть ошибочными.

Наиболее распространенные породообразующие минералы анизотропны, в том числе кварц и полевой шпат . Наиболее достоверно анизотропия минералов проявляется в их оптических свойствах . Пример изотропного минерала - гранат .

Медицинская акустика

Анизотропия также является хорошо известным свойством в медицинской ультразвуковой визуализации, описывающим различную результирующую эхогенность мягких тканей, таких как сухожилия, при изменении угла наклона преобразователя. Волокна сухожилия выглядят гиперэхогенными (светлыми), когда датчик перпендикулярно сухожилию, но могут казаться гипоэхогенными (более темными), когда датчик наклонен под углом. Это может быть источником ошибок интерпретации для неопытных практиков.

Материаловедение и инженерия

В материаловедении анизотропия - это зависимость физического свойства материала от направления . Это очень важный момент при выборе материалов в инженерных приложениях. Материал с физическими свойствами, симметричными относительно оси, перпендикулярной плоскости изотропии, называется трансверсально изотропным материалом . Тензорные описания свойств материала могут использоваться для определения зависимости этого свойства от направления. Для монокристаллического материала анизотропия связана с симметрией кристалла в том смысле, что более симметричные типы кристаллов имеют меньше независимых коэффициентов в тензорном описании данного свойства. Когда материал является поликристаллическим , зависимость направленности от свойств часто связана с методами обработки, которым он подвергся. Материал со случайно ориентированными зернами будет изотропным, тогда как материалы с текстурой часто будут анизотропными. Текстурированные материалы часто являются результатом таких методов обработки, как горячая прокатка , волочение проволоки и термообработка .

Механические свойства материалов, такие как модуль Юнга , пластичность , предел текучести и скорость ползучести при высоких температурах , часто зависят от направления измерения. Свойства тензора четвертого ранга , как и упругие постоянные, анизотропны даже для материалов с кубической симметрией. Модуль Юнга связывает напряжение и деформацию, когда изотропный материал упруго деформируется; вместо этого для описания упругости анизотропного материала используются тензоры жесткости (или податливости).

В металлах анизотропная упругость присутствует во всех монокристаллах с тремя независимыми коэффициентами, например, для кубических кристаллов. Для гранецентрированных кубических материалов, таких как никель и медь, жесткость максимальна в направлении <111>, перпендикулярно плоскостям плотной упаковки и наименьшая - параллельно <100>. Вольфрам настолько почти изотропен при комнатной температуре, что можно считать, что он имеет только два коэффициента жесткости; Алюминий - еще один металл, который почти изотропен.

Для изотропного материала

,

где - модуль сдвига , - модуль Юнга и - коэффициент Пуассона материала . Следовательно, для кубических материалов мы можем думать об анизотропии как о соотношении между эмпирически определенным модулем сдвига для кубического материала и его (изотропным) эквивалентом:

Последнее выражение известно как отношение Зенера , , где относится к упругим константам в Voigt (векторно-матричная) форма . Для изотропного материала это соотношение равно единице.

Армированные волокном или слоистые композитные материалы проявляют анизотропные механические свойства из-за ориентации армирующего материала. Во многих композитах, армированных волокном, таких как композиты на основе углеродного волокна или стекловолокна, переплетение материала (например, однонаправленное или полотняное переплетение) может определять степень анизотропии объемного материала. Возможность настройки ориентации волокон позволяет создавать композиционные материалы на основе конкретных применений в зависимости от направления приложенных к материалу напряжений.

Аморфные материалы, такие как стекло и полимеры, обычно изотропны. Из-за сильно рандомизированной ориентации макромолекул в полимерных материалах полимеры в целом описываются как изотропные. Однако полимеры могут быть сконструированы так, чтобы они обладали зависимыми от направления свойствами с помощью технологий обработки или введения элементов, вызывающих анизотропию. Исследователи создали композитные материалы с выровненными волокнами и пустотами для создания анизотропных гидрогелей , имитирующих иерархически упорядоченную биологическую мягкую материю. 3D-печать, особенно моделирование наплавленного осаждения, может вносить анизотропию в печатные детали. Это связано с тем, что FDM предназначен для экструзии и печати слоев термопластичных материалов. Это создает материалы, которые являются прочными, когда растягивающее напряжение прикладывается параллельно слоям, и слабыми, когда материал перпендикулярен слоям.

Микрофабрикация

Методы анизотропного травления (такие как глубокое реактивное ионное травление ) используются в процессах микрообработки для создания четко определенных микроскопических деталей с высоким соотношением сторон . Эти функции обычно используются в МЭМС и микрофлюидных устройствах, где анизотропия функций необходима для придания устройству желаемых оптических, электрических или физических свойств. Анизотропное травление может также относиться к определенным химическим травителям, используемым для травления определенного материала предпочтительно по определенным кристаллографическим плоскостям (например, травление кремния КОН [100] дает пирамидоподобные структуры).

Неврология

Визуализация с помощью тензора диффузии - это метод МРТ , который включает в себя измерение фракционной анизотропии случайного движения ( броуновского движения ) молекул воды в головном мозге. Молекулы воды, расположенные в трактах волокна , с большей вероятностью будут анизотропными, поскольку они ограничены в своем движении (они перемещаются больше в измерении, параллельном тракту волокна, а не в двух измерениях, ортогональных ему), тогда как молекулы воды рассредоточены в остальном мозга имеют менее ограниченное движение и, следовательно, демонстрируют большую изотропность. Эта разница во фракционной анизотропии используется для создания карты волоконных трактов в мозгу человека.

Перенос излучения в атмосфере

Радиантности полей (см BRDF ) от отражающей поверхности часто не являются изотропными в природе. Это затрудняет вычисление общей энергии, отражаемой от любой сцены. В приложениях дистанционного зондирования функции анизотропии могут быть получены для конкретных сцен, что значительно упрощает расчет чистой отражательной способности или (тем самым) чистой освещенности сцены. Например, пусть BRDF будет, где «i» обозначает направление падения, а «v» обозначает направление обзора (как если бы со спутника или другого инструмента). И пусть P будет Planar Albedo, который представляет полную отражательную способность от сцены.

Это представляет интерес, потому что, зная определенную функцию анизотропии, измерение BRDF с одного направления обзора (скажем, ) дает меру общей отражательной способности сцены (планарное альбедо) для этой конкретной геометрии падающего излучения (скажем, ) .

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки