anizotropi - Anisotropy

Kozmik arka plan radyasyonundaki (son derece küçük) anizotropilerin WMAP görüntüsü

Anizotropi ( / ˌ æ n . Ə -, ˌ æ n . s ɒ t r . Ə s . İ / ) değiştirilmesi veya aksine farklı yönlerde farklı özellikler kabul sağlayan bir malzeme özelliğidir izotropi . Farklı eksenler boyunca ölçüldüğünde, bir malzemenin fiziksel veya mekanik özelliklerinde ( soğurma , kırılma indisi , iletkenlik , çekme mukavemeti vb.)

Anizotropiye bir örnek, bir polarizörden gelen ışıktır . Başka bir odun onun boyunca bölünmüş daha kolaydır, tahıl karşıya daha.

Ilgi alanları

Bilgisayar grafikleri

Bilgisayar grafikleri alanında, anizotropik bir yüzey , kadifede olduğu gibi geometrik normali etrafında döndükçe görünüşte değişir .

Anizotropik filtreleme (AF), bakış açısına göre uzak ve dik açılı yüzeylerdeki dokuların görüntü kalitesini artırma yöntemidir. Bilineer ve trilinear filtreleme gibi daha eski teknikler, bir yüzeyin görüntülendiği açıyı hesaba katmaz, bu da dokuların örtüşmesine veya bulanıklaşmasına neden olabilir . Ayrıntıları bir yönde diğerinden daha fazla azaltarak, bu etkiler azaltılabilir.

Kimya

Partikülleri filtrelemek için kullanılan kimyasal bir anizotropik filtre , yakın bölgelerin daha büyük partikülleri filtrelemesi ve distal bölgelerin giderek daha küçük partikülleri uzaklaştırması, böylece daha fazla akış ve daha verimli sonuç vermesi için filtrasyon yönünde giderek daha küçük ara boşluklara sahip bir filtredir. süzme.

İn NMR spektroskopisi , uygulanan manyetik alan ile ilgili çekirdek oryantasyonu da belirler kimyasal kayma . Bu bağlamda, anizotropik sistemler, benzenin pi sistemi gibi anormal derecede yüksek elektron yoğunluğuna sahip moleküllerin elektron dağılımını ifade eder . Bu anormal elektron yoğunluğu, uygulanan manyetik alanı etkiler ve gözlenen kimyasal kaymanın değişmesine neden olur.

Olarak floresans spektroskopisi , floresan anizotropi hesaplanan, polarizasyon düzlem-polarize ışığı ile uyarılan numunelerden floresans özelliklerinin, bir molekülün şeklini belirlemek için, örneğin, kullanılır. Anizotropi ölçümleri, bir fotonun absorpsiyonu ve sonraki emisyonu arasında meydana gelen floroforun ortalama açısal yer değiştirmesini ortaya çıkarır.

gerçek dünya görüntüleri

Yerçekimine bağlı veya insan yapımı bir ortamın görüntüleri, özellikle oryantasyon alanında anizotropiktir, daha fazla görüntü yapısı, yerçekimi yönüne paralel veya ortogonal (dikey ve yatay) yönlerde yer alır.

Fizik

Plazmaların doğasını gösteren bir plazma lambası , bu durumda "filamentasyon" olgusu

Kaliforniya Üniversitesi, Berkeley'den fizikçiler , 1977'de kozmik mikrodalga arka plan radyasyonunda kosinüs anizotropisini tespit ettiklerini bildirdiler . Deneyleri , dünyanın radyasyon kaynağı olan erken Evren maddesine göre hareketinin neden olduğu Doppler kaymasını gösterdi . Kozmik anizotropi, galaksilerin dönme eksenlerinin ve kuasarların polarizasyon açılarının hizalanmasında da görülmüştür.

Fizikçiler, malzemelerin yöne bağlı özelliklerini tanımlamak için anizotropi terimini kullanırlar. Örneğin manyetik anizotropi , bir plazmada meydana gelebilir , böylece manyetik alanı tercih edilen bir yöne yönlendirilir. Plazmalar aynı zamanda yönlü olan "filamentasyon" ( yıldırım veya plazma küresinde görülenler gibi) de gösterebilir .

Bir anizotropik sıvı , normal bir sıvının akışkanlığına sahiptir, ancak moleküler eksen boyunca birbirine göre ortalama bir yapısal düzene sahiptir, moleküllerin yapısal düzenini içermeyen su veya kloroformun aksine . Sıvı kristaller , anizotropik sıvılara örnektir.

Bazı malzemeler ısıyı , ısı kaynağı etrafındaki uzaysal yönelimden bağımsız olarak izotropik bir şekilde iletir . Isı iletimi daha yaygın olarak anizotropiktir; bu, termal olarak yönetilen tipik olarak çeşitli malzemelerin ayrıntılı geometrik modellemesinin gerekli olduğu anlamına gelir. Elektronikte ısı kaynağından ısıyı aktarmak ve reddetmek için kullanılan malzemeler genellikle anizotropiktir.

Birçok kristal ışığa karşı anizotropiktir ("optik anizotropi") ve çift ​​kırılma gibi özellikler sergiler . Kristal optik , bu ortamlarda ışığın yayılmasını tanımlar. Bir "anizotropi ekseni", izotropinin kırıldığı eksen (veya normalden kristalin katmanlara gibi bir simetri ekseni) olarak tanımlanır. Bazı malzemeler birden fazla bu tür optik eksene sahip olabilir .

Jeofizik ve jeoloji

Sismik anizotropi , sismik dalga hızının yön ile değişimidir. Sismik anizotropi, sismik dalga boyundan daha küçük özelliklerin (örn. kristaller, çatlaklar, gözenekler, katmanlar veya inklüzyonlar) baskın bir hizalamaya sahip olduğu bir malzemede uzun menzilli düzenin bir göstergesidir . Bu hizalama, esneklik dalga hızının yönlü bir değişimine yol açar . Sismik verilerde anizotropinin etkilerinin ölçülmesi, Dünya'daki süreçler ve mineraloji hakkında önemli bilgiler sağlayabilir; Yerkabuğu , manto ve iç çekirdekte önemli sismik anizotropi tespit edilmiştir .

Farklı tortul malzeme katmanlarına sahip jeolojik oluşumlar, elektriksel anizotropi sergileyebilir; bir yöndeki elektriksel iletkenlik (örneğin bir katmana paralel), diğerinden farklıdır (örneğin bir katmana dik). Bu özellik gaz ve petrol arama endüstrisinde hidrokarbon içeren kumları kum ve şeyl dizilerinde tanımlamak için kullanılır . Kum içeren hidrokarbon varlıkların özdirenci yüksek (düşük iletken), oysa şeyllerin özdirenci düşüktür. Formasyon değerlendirme araçları bu iletkenliği/direnci ölçer ve sonuçlar kuyularda petrol ve gazın bulunmasına yardımcı olmak için kullanılır. Kömür ve şeyl gibi bazı tortul kayaçlar için ölçülen mekanik anizotropi, kömür ve şeyl rezervuarlarından gazlar üretildiğinde sorpsiyon gibi yüzey özelliklerinde karşılık gelen değişikliklerle değişebilir.

Hidrolik iletkenlik ve akiferlerden genellikle aynı nedenle anizotropiktir. Kanalizasyona veya kuyuya yeraltı suyu akışını hesaplarken , yatay ve dikey geçirgenlik arasındaki fark dikkate alınmalıdır, aksi takdirde sonuçlar hataya tabi olabilir.

En yaygın kaya oluşturan mineraller , kuvars ve feldispat dahil olmak üzere anizotropiktir . Minerallerdeki anizotropi en güvenilir şekilde optik özelliklerinde görülür . İzotropik bir mineral örneği granattır .

Tıbbi akustik

Anizotropi ayrıca , dönüştürücünün açısı değiştirildiğinde tendonlar gibi yumuşak dokuların farklı bir ekojenitesini tanımlayan tıbbi ultrason görüntülemede iyi bilinen bir özelliktir . Tendon lifleri, dönüştürücü tendona dik olduğunda hiperekoik (parlak) görünür, ancak dönüştürücü eğik olarak açılı olduğunda hipoekoik (daha koyu) görünebilir. Bu, deneyimsiz uygulayıcılar için bir yorumlama hatası kaynağı olabilir.

Malzeme Bilimi ve Mühendisliği

Anizotropi, malzeme biliminde , bir malzemenin fiziksel bir özelliğe yönsel bağımlılığıdır . Bu, mühendislik uygulamalarında malzeme seçimi için kritik bir husustur . Bir izotropi düzlemine dik olan bir eksen etrafında simetrik olan fiziksel özelliklere sahip bir malzemeye enine izotropik malzeme denir . Malzeme özelliklerinin tensör tanımları, bu özelliğin yön bağımlılığını belirlemek için kullanılabilir. Bir için mono kristalli madde, anizotropi daha simetrik kristal tipleri belirli bir özelliği tensör açıklamasında daha az bağımsız katsayılarına sahip olduğu anlamda kristal simetri ile ilişkilidir. Bir malzeme polikristal olduğunda , özelliklere yönsel bağımlılık, genellikle, geçirdiği işleme teknikleri ile ilgilidir. Rastgele yönlendirilmiş tanelere sahip bir malzeme izotropik olurken, dokulu malzemeler genellikle anizotropik olacaktır. Dokulu malzemeler genellikle sıcak haddeleme , tel çekme ve ısıl işlem gibi işleme tekniklerinin sonucudur .

Young modülü , süneklik , akma dayanımı ve yüksek sıcaklık sürünme hızı gibi malzemelerin mekanik özellikleri , genellikle ölçüm yönüne bağlıdır. Dördüncü sıra tensör özellikleri, elastik sabitler gibi, kübik simetriye sahip malzemeler için bile anizotropiktir. Young modülü, izotropik bir malzeme elastik olarak deforme olduğunda stres ve gerinim ile ilişkilidir; anizotropik bir malzemede esnekliği tanımlamak için bunun yerine sertlik (veya uyumluluk) tensörleri kullanılır.

Metallerde, anizotropik elastikiyet davranışı, örneğin kübik kristaller için üç bağımsız katsayılı tüm tek kristallerde mevcuttur. Nikel ve Bakır gibi yüzey merkezli kübik malzemeler için sertlik <111> yönü boyunca en yüksek, yakın paketlenmiş düzlemlere normal ve <100>'e en küçük paraleldir. Tungsten oda sıcaklığında o kadar izotropiktir ki sadece iki katılık katsayısına sahip olduğu düşünülebilir; Alüminyum, neredeyse izotropik olan başka bir metaldir.

İzotropik bir malzeme için,

,

burada bir kayma modülü , bir Young modülü ve malzemenin bir Poisson oranı . Bu nedenle, kübik malzemeler için anizotropiyi, kübik malzeme için ampirik olarak belirlenmiş kesme modülü ile onun (izotropik) eşdeğeri arasındaki oran olarak düşünebiliriz :

İkinci ekspresyon olarak bilinmektedir Zener oranı , , değinmektedir Elastik sabitleri de Voigt (vektör-matriks) gösterimi . İzotropik bir malzeme için oran birdir.

Fiber takviyeli veya katmanlı kompozit malzemeler , takviye malzemesinin oryantasyonu nedeniyle anizotropik mekanik özellikler sergiler. Karbon fiber veya cam fiber bazlı kompozitler gibi birçok fiber takviyeli kompozitte, malzemenin örgüsü (örn. tek yönlü veya düz örgü), dökme malzemenin anizotropisinin derecesini belirleyebilir. Fiberlerin oryantasyonunun ayarlanabilirliği, malzemeye uygulanan gerilimlerin yönüne bağlı olarak, kompozit malzemelerin uygulamaya dayalı tasarımlarına izin verir.

Cam ve polimerler gibi amorf malzemeler tipik olarak izotropiktir. Polimerik malzemelerdeki makromoleküllerin yüksek oranda rastgele oryantasyonu nedeniyle , polimerler genel olarak izotropik olarak tanımlanır. Bununla birlikte, polimerler, işleme teknikleri veya anizotropi indükleyen elementlerin eklenmesi yoluyla yöne bağlı özelliklere sahip olacak şekilde tasarlanabilir. Araştırmacılar, hiyerarşik olarak düzenlenmiş biyolojik yumuşak maddeyi taklit etmek için anizotropik hidrojeller oluşturmak için hizalanmış liflere ve boşluklara sahip kompozit malzemeler inşa ettiler . 3D baskı, özellikle Fused Deposition Modeling, basılı parçalara anizotropi getirebilir. Bunun nedeni, FDM'nin termoplastik malzemelerin katmanlarını sıkmak ve yazdırmak için tasarlanmış olmasıdır. Bu, çekme gerilimi katmanlara paralel olarak uygulandığında güçlü ve malzeme katmanlara dik olduğunda zayıf olan malzemeler oluşturur.

mikrofabrikasyon

Anizotropik aşındırma teknikleri ( derin reaktif iyon aşındırma gibi ), mikrofabrikasyon işlemlerinde yüksek en-boy oranıyla iyi tanımlanmış mikroskobik özellikler yaratmak için kullanılır . Bu özellikler, cihaza istenen optik, elektriksel veya fiziksel özellikleri vermek için özelliklerin anizotropisinin gerekli olduğu MEMS ve mikroakışkan cihazlarda yaygın olarak kullanılır . Anizotropik aşındırma ayrıca belirli bir malzemeyi belirli kristalografik düzlemlere göre tercihen aşındırmak için kullanılan belirli kimyasal aşındırıcılara da atıfta bulunabilir (örneğin, silikonun KOH aşındırması [100] piramit benzeri yapılar üretir)

sinirbilim

Difüzyon tensör görüntüleme , beyindeki su moleküllerinin rastgele hareketinin ( Brown hareketi ) kesirli anizotropisini ölçmeyi içeren bir MRI tekniğidir . Lif yollarında bulunan su moleküllerinin anizotropik olması daha olasıdır, çünkü hareketlerinde kısıtlıdırlar (iki boyuttan ziyade lif yoluna paralel boyutta daha fazla hareket ederler), oysa su molekülleri geri kalanında dağılır. Beynin daha az kısıtlı hareketi vardır ve bu nedenle daha fazla izotropi gösterir. Kesirli anizotropideki bu farklılık, bireyin beynindeki lif yollarının bir haritasını oluşturmak için kullanılır.

Atmosferik radyasyon transferi

Yansıtıcı bir yüzeyden gelen parlaklık alanları (bkz. BRDF ) doğası gereği genellikle izotropik değildir. Bu, herhangi bir sahneden yansıtılan toplam enerjinin hesaplanmasını, hesaplanması zor bir miktar haline getirir. Olarak uzaktan algılama uygulamaları, anizotropi fonksiyonlar gayet net yansıtma ya da (bu şekilde) Net hesaplanmasını kolaylaştırmak, belirli sahnelerde elde edilebilir ışık şiddeti bir sahnenin. Örneğin, BRDF'nin 'i'nin olay yönünü ve 'v'nin izleme yönünü gösterdiği yerde olmasına izin verin (bir uydudan veya başka bir cihazdan geliyormuş gibi ). P, sahnedeki toplam yansımayı temsil eden Düzlemsel Albedo olsun.

Bu ilgi çekicidir, çünkü tanımlandığı gibi anizotropi fonksiyonu bilgisi ile, tek bir bakış yönünden (örneğin, ) BRDF ölçümü, o belirli olay geometrisi (örneğin, ) için toplam sahne yansımasının (Düzlemsel Albedo) bir ölçüsünü verir. .

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar