Anisotropía

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La anisotropía ( / ˌ æ n aɪ ˈ s ɒ t r ə p i , ˌ æ n ɪ -/ ) es la propiedad estructural de la no uniformidad en diferentes direcciones, a diferencia de la isotropía . Un objeto o patrón anisotrópico tiene propiedades que difieren según la dirección de la medición. Por ejemplo, muchos materiales exhiben propiedades físicas o mecánicas muy diferentes cuando se miden a lo largo de diferentes ejes, p. ej. , absorbancia , índice de refracción , conductividad y resistencia a la tracción .

Un ejemplo de anisotropía es la luz que pasa a través de un polarizador . Otro es la madera , que es más fácil de partir a lo largo de su fibra que a lo ancho debido a la falta de uniformidad direccional de la fibra (la fibra es la misma en una dirección, no en todas).

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

El filtrado anisotrópico (AF) es un método para mejorar la calidad de imagen de las texturas en superficies que están 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 aliasing o desenfoque de las texturas. Al reducir los detalles en una dirección más que en otra, estos efectos se pueden reducir fácilmente.

Un filtro anisotrópico químico , como el que 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 partículas más grandes y las regiones distales eliminan cada vez más partículas más pequeñas, lo que da como resultado un mayor flujo y una filtración más eficiente.

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 en un plano, se utiliza, por ejemplo, para determinar la forma de una macromolécula. Las mediciones de anisotropía revelan el desplazamiento angular promedio del fluoróforo que se produce entre la absorción y la posterior emisión de un fotón.

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 electrónica anormal afecta al campo magnético aplicado y hace que cambie el desplazamiento químico observado.

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

En 1977 , físicos de la Universidad de California en Berkeley informaron sobre su detección de la anisotropía cósmica en la radiación de fondo de microondas cósmica. Su experimento demostró el desplazamiento Doppler causado por el movimiento de la Tierra con respecto a la materia del Universo primitivo , la fuente de la radiación. ^[1] La anisotropía cósmica también se ha observado en la alineación de los ejes de rotación de las galaxias y en los 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 darse en un plasma , de modo que su campo magnético esté orientado en una dirección preferida. Los plasmas también pueden mostrar "filamentación" (como la que se observa en los relámpagos o en 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 ningún orden estructural de las moléculas. Los cristales líquidos son ejemplos de líquidos anisotrópicos.

Algunos materiales conducen el calor de forma isotrópica, es decir, independientemente de la orientación espacial alrededor de la fuente de calor. La conducción del 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. ^[2]

Muchos cristales son anisotrópicos a la luz ("anisotropía óptica") y presentan propiedades como la birrefringencia . La óptica de cristales 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 la normal a las capas cristalinas). Algunos materiales pueden tener múltiples ejes ópticos de este tipo .

La anisotropía sísmica es la variación de la velocidad de las ondas sísmicas 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 las ondas de elasticidad . La medición de los efectos de la anisotropía en los datos sísmicos puede proporcionar información importante sobre los procesos y la mineralogía en la Tierra; se ha detectado una anisotropía sísmica significativa en la corteza terrestre , el manto y el núcleo interno .

Las formaciones geológicas con capas diferenciadas de material sedimentario pueden exhibir anisotropía eléctrica; la conductividad eléctrica en una dirección (por ejemplo, paralela a una capa), es diferente de la de otra (por ejemplo, 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 que contienen arena tienen alta resistividad (baja conductividad), mientras que los esquistos tienen menor resistividad. Los instrumentos de evaluación de formaciones miden esta conductividad o resistividad, y los resultados se utilizan para ayudar a encontrar petróleo y gas en 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 yacimientos de carbón y esquisto. ^[3]

La conductividad hidráulica de los acuíferos suele ser anisotrópica por la misma razón. Al calcular el caudal de agua subterránea hacia los desagües ^[4] o hacia los pozos ^[5] , 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, entre ellos el cuarzo y el feldespato . La anisotropía en los minerales se observa con mayor fiabilidad en sus propiedades ópticas . Un ejemplo de mineral isotrópico es el granate .

Las rocas ígneas como el granito también muestran anisotropía debido a la orientación de los minerales durante el proceso de solidificación. ^[6]

La anisotropía es también una propiedad bien conocida en las imágenes por ultrasonidos médicos que describe una ecogenicidad resultante diferente 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 en ángulo oblicuo. Esto puede ser una fuente de error de interpretación para los profesionales inexpertos. ^{[ cita requerida ]}

La anisotropía, en la ciencia de los materiales , es la dependencia direccional de una propiedad física de un material . Esta es una consideración crítica para la selección de materiales en aplicaciones de ingeniería. Un material con propiedades físicas que son simétricas sobre un eje que es normal a un plano de isotropía se llama material transversalmente isotrópico . Las descripciones tensoriales de las propiedades del material 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 cristales más simétricos tienen menos coeficientes independientes en la descripción tensorial de una propiedad dada. ^{[7] [8]} 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 aleatoriamente será isotrópico, mientras que los materiales con textura a menudo serán anisotrópicos. Los materiales texturizados a menudo son el resultado de técnicas de procesamiento como el laminado en frío , el trefilado y el tratamiento térmico .

Las propiedades mecánicas de los materiales, como el módulo de Young , la ductilidad , la resistencia a la fluencia y la velocidad de fluencia a alta temperatura , a menudo dependen de la dirección de la medición. ^{[9] 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 anisotrópico, se utilizan en su lugar tensores de rigidez (o flexibilidad).

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 los materiales cúbicos centrados en las caras, como el níquel y el cobre, la rigidez es máxima a lo largo de la dirección <111>, normal a los planos compactos, y mínima paralela a <100>. El tungsteno es tan casi isótropo a temperatura ambiente que se puede considerar que tiene solo dos coeficientes de rigidez; el aluminio es otro metal que es casi isótropo.

Para un material isótropo, donde es el módulo de corte , es el módulo de Young y es el coeficiente de Poisson del material . Por lo tanto, para materiales cúbicos, podemos pensar en la anisotropía, , como la relación entre el módulo de corte determinado empíricamente para el material cúbico y su equivalente (isotrópico):$${\displaystyle G=E/[2(1+\nu )],}$$${\estilo de visualización G}$${\estilo de visualización E}$${\displaystyle \nu }$${\displaystyle a_{r}}$$${\displaystyle a_{r}={\frac {G}{E/[2(1+\nu )]}}={\frac {2(1+\nu )G}{E}}\equiv {\frac {2C_{44}}{C_{11}-C_{12}}}.}$$

La última expresión se conoce como coeficiente Zener , donde se refiere a las constantes elásticas en notación Voigt (matriz vectorial) . Para un material isótropo, el coeficiente es uno.${\displaystyle a_{r}}$${\displaystyle C_{ij}}$

La limitación de la relación Zener a los materiales cúbicos se renuncia en el índice de anisotropía tensorial A ^{T [10]} que tiene en cuenta los 27 componentes del tensor de rigidez completamente anisotrópico. Está compuesto de dos partes principales y , la primera se refiere a los componentes existentes en el tensor cúbico y la segunda en el tensor anisotrópico de modo que Este primer componente incluye la relación Zener modificada y, además, tiene en cuenta las diferencias direccionales en el material, que existen en el material ortotrópico , por ejemplo. El segundo componente de este índice cubre la influencia de los coeficientes de rigidez que no son cero solo para materiales no cúbicos y siguen siendo cero en caso contrario.${\displaystyle A^{I}}$${\displaystyle A^{A}}$${\displaystyle A^{T}=A^{I}+A^{A}.}$${\displaystyle A^{A}}$

Los materiales compuestos reforzados con fibra o en capas presentan propiedades mecánicas anisotrópicas, debido a la orientación del material de refuerzo. En muchos compuestos reforzados con fibra, como los compuestos a base de fibra de carbono o fibra de vidrio, el tejido del material (por ejemplo, unidireccional o de tejido liso) puede determinar el grado de anisotropía del material en masa. ^[11] 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 con gradiente mecánico se pueden diseñar para que tengan propiedades dependientes de la dirección mediante técnicas de procesamiento o la introducción de elementos que inducen 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. ^[12] La impresión 3D, especialmente el modelado por deposición fundida, puede introducir anisotropía en las piezas impresas. Esto se debe al hecho de que el FDM está diseñado para extruir e imprimir capas de materiales termoplásticos. ^[13] 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.

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

La imagen por tensor de difusión es 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 fibrosos tienen más probabilidades de moverse de forma anisotrópica, ya que su movimiento está restringido (se mueven más en la dimensión paralela al tracto fibroso 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 fibrosos en los cerebros de los individuos.

Los campos de radiancia (véase la función de distribución de reflectancia bidireccional (BRDF)) de una superficie reflectante a menudo no son de naturaleza isotrópica. Esto hace que los cálculos de la energía total que se refleja desde cualquier escena sean una cantidad difícil de calcular. En aplicaciones de teledetección , se pueden derivar funciones de anisotropía para escenas específicas, simplificando enormemente el cálculo de la reflectancia neta o (por lo tanto) la irradiancia neta de una escena. Por ejemplo, sea la BRDF donde 'i' denota la dirección de incidencia y 'v' denota la dirección de visualización (como si se tratara de un satélite u otro instrumento). Y sea P el albedo planar, que representa la reflectancia total de la escena.${\displaystyle \gamma (\Omega _{i},\Omega _{v})}$$${\displaystyle P(\Omega _{i})=\int _{\Omega _{v}}\gamma (\Omega _{i},\Omega _{v}){\hat {n}}\cdot d{\hat {\Omega }}_{v}}$$$${\displaystyle A(\Omega _{i},\Omega _{v})={\frac {\gamma (\Omega _{i},\Omega _{v})}{P(\Omega _{i})}}}$$

Es interesante porque, con el conocimiento de la función de anisotropía tal como se define, una medición de la BRDF desde una única dirección de visualización (por ejemplo, ) produce una medida de la reflectancia total de la escena ( albedo planar ) para esa geometría incidente específica (por ejemplo, ).${\displaystyle \Omega _{v}}$${\displaystyle \Omega _{i}}$

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• "Descripción general de la anisotropía"
• Paquete de enseñanza y aprendizaje DoITPoMS: “Introducción a la anisotropía”
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