Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено с Anisotropic )
Перейти к навигации Перейти к поиску

Изображение WMAP (чрезвычайно крошечной) анизотропии космического фонового излучения

Анизотропия ( / ˌ æ п . Ə -, ˌ æ п . Aɪ 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 и т. Д.) При измерении по разным осям.прочность на разрыв и т. д.)

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

Сферы интересов [ править ]

Компьютерная графика [ править ]

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 повышения качества изображения текстур на поверхностях, которые находятся далеко и под крутым 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 [ править ]

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 спектроскопии ЯМР 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, как пи-система 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.

Реальные изображения [ править ]

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 [ править ]

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. [1] Космическая анизотропия также наблюдалась в выравнивании осей вращения галактик и углов поляризации квазаров.

Физики используют термин анизотропия для описания свойств материалов, зависящих от направления. Магнитная анизотропия , например, может возникать в плазме , 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 - это примеры анизотропных жидкостей.

Некоторые материалы проводят тепло изотропным образом, который не зависит от пространственной ориентации вокруг источника тепла. Теплопроводность чаще всего анизотропна, 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. [2]

Многие кристаллы анизотропны по отношению к свету («оптическая анизотропия») и проявляют такие свойства, как двулучепреломление . 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 [ править ]

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 дать важную информацию о процессах и минералогии на Земле; значительная сейсмическая анизотропия была 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 сланцы имеют более низкое удельное сопротивление. Оценка формацииинструменты 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. [3]

Гидравлическая проводимость из водоносных слоев часто является анизотропной по той же причине. При расчете потока грунтовых вод в канализацию [4] или к скважинам , [5] различие между горизонтальной и вертикальной проницаемостью должна быть принято во внимание, в противном случае результаты могут быть подвержены ошибкам.

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 [ править ]

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 [ править ]

В материаловедении анизотропия - это зависимость физического свойства материала от направления. Это очень важный фактор при выборе материалов в инженерных приложениях. 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. [6] [7]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, ползучесть, часто зависят от направления измерения. [8] Тензор четвертого рангасвойства, как и упругие постоянные, анизотропны даже для материалов с кубической симметрией. Модуль Юнга связывает напряжение и деформацию, когда изотропный материал упруго деформируется; для описания упругости анизотропного материала вместо этого 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 плотноупакованным плоскостям 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.

Коэффициент анизотропии - это величина, вычисляемая для сравнения упругой анизотропии материалов. Это дается следующим выражением:

где значения C - это коэффициенты жесткости в векторно-матричной нотации Фойгта. Для изотропного материала соотношение равно единице.

Армированные волокном или слоистые композитные материалы демонстрируют 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. [9] Возможность настройки ориентации волокон позволяет создавать композиционные материалы в зависимости от конкретного применения в зависимости от направления напряжений, приложенных к материалу.

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 , чтобы имитировать иерархически упорядоченную биологическую мягкую материю. [10] 3D-печать, особенно моделирование наплавления, может вносить анизотропию в печатные детали. Это связано с тем, что FDM предназначен для экструзии и печати слоев термопластичных материалов.[11] Это создает материалы, которые являются прочными, когда растягивающее напряжение прикладывается параллельно слоям, и слабыми, когда материал перпендикулярен слоям.

Микрофабрикация [ править ]

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 MEMS 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 [ править ]

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 трактов волокна в мозгу человека.

Перенос излучения в атмосфере [ править ]

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 взгляда (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 общего отражения сцены (планарное альбедо) для этой конкретной геометрии падающего излучения (скажем, ) .

См. Также [ править ]

  • Круговая симметрия

Ссылки [ править ]

  1. ^ Smoot GF; Горенштейн М.В., Мюллер Р.А. (5 октября 1977 г.). «Обнаружение анизотропии в космическом излучении черного тела» (PDF) . Беркли лаборатория Лоуренса и Space Sciences Laboratory , Калифорнийский университет, Беркли . Проверено 15 сентября 2013 года .
  2. ^ Тянь, Сяоцзюань; Иткис, Михаил Е; Бекярова Елена Б; Хэддон, Роберт С. (8 апреля 2013 г.). «Анизотропные тепловые и электрические свойства тонких термоинтерфейсных слоев композитов на основе графитовых нанопластинок» . Научные отчеты . 3 : 1710. Bibcode : 2013NatSR ... 3E1710T . DOI : 10.1038 / srep01710 . PMC 3632880 . 
  3. ^ Саураб, Суман; Харпалани, Сатья (2 января 2019 г.). «Анизотропия угля в различных масштабах и ее изменение в зависимости от сорбции». Международный журнал угольной геологии . 201 : 14–25. DOI : 10.1016 / j.coal.2018.11.008 .
  4. ^ RJOosterbaan, 1997, Энергетический баланс потока подземных вод, применяемый для подземного дренажа в анизотропных почвах с помощью труб или канав с входным сопротивлением. В сети: [1] Архивировано 19 февраля 2009 года в Wayback Machine . Соответствующую бесплатную программу EnDrain можно загрузить по адресу: [2] .
  5. ^ RJOosterbaan, 2002, Подземный дренаж (трубчатые) колодцы, 9 стр. В сети: [3] . Соответствующую бесплатную программу WellDrain можно загрузить по адресу: [4]
  6. ^ Ньюнхэм, Роберт Э. Свойства материалов: анизотропия, симметрия, структура (1-е изд.). Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0198520764.
  7. ^ Най, Дж. Ф. Физические свойства кристаллов (1-е изд.). Кларендон Пресс.
  8. ^ Кортни, Томас Х. (2005). Механическое поведение материалов (2-е изд.). ISBN Waveland Pr Inc. 978-1577664253.
  9. ^ «Стили переплетения ткани» . Составные представления . Дата обращения 23 мая 2019 .
  10. ↑ Сано, Коки; Исида, Ясухиро; Аида, Тадзуко (16 октября 2017 г.). «Синтез анизотропных гидрогелей и их применение». Angewandte Chemie International Edition . 57 (10): 2532–2543. DOI : 10.1002 / anie.201708196 . PMID 29034553 . 
  11. ^ Ван, Синь; Цзян, человек; Гоу, Цзихуа; Хуэй, Дэвид (1 февраля 2017 г.). «3D-печать композитов с полимерной матрицей: обзор и перспективы». Композиты Часть B: Инженерия . 110 : 442–458. DOI : 10.1016 / j.compositesb.2016.11.034 .

Внешние ссылки [ править ]

  • «Калибр и трикотаж в целом - это анизотропное явление»
  • «Обзор анизотропии»
  • Пакет преподавания и обучения DoITPoMS: «Введение в анизотропию»