Анизотропия: Бағытқа тәуелділік қасиеті

Кіріспе

Геометрияда, бағытқа тәуелді болу қасиеті.

Анизотропия (,/ae//n//aɪ/'/s//ɒ//t//r//ə//p//i//, /,/æ//n//ɪ// /) – әр түрлі бағыттардағы біртектіліксіздіктің құрылымдық қасиеті, изотропияға қарама-қарсы. Анизотропты объектінің немесе үлгінің қасиеттері өлшенетін бағытқа қарай өзгеше болады. Мысалы, көптеген материалдар әртүрлі осьтер бойымен өлшенгенде әртүрлі физикалық немесе механикалық қасиеттерді көрсетеді, мысалы, сіңіру қабілеті, сыну көрсеткіші, өткізгіштік және созу беріктігі. Анизотропияның мысалы – поляризатордан өтетін жарық. Тағы бір мысал – ағаш, оны талшықтары бойымен, талшықтарына перпендикуляр бағытта бөлуге қарағанда оңай, себебі талшықтардың бағыттық біртектіліксіздігі бар (талшықтар бір бағытта бірдей, барлық бағытта емес).

Компьютерлік графика

Компьютерлік графика саласында анизотроптық бет, бархат сияқты, геометриялық нормалі бойынша айналғанда сыртқы түрін өзгертеді. Анизотроптық сүзгілеу (AF) – бұл көру нүктесіне қатысты алыс және тік бұрышта орналасқан беттердегі текстуралардың бейне сапасын жақсарту әдісі. Билинеарлық және трилинеарлық сүзгілеу сияқты ескі әдістер беттің қандай бұрыштан қаралатындығын ескермейді, бұл текстураларда қателіктердің (алиасинг) немесе тұмандылықтың пайда болуына себеп болуы мүмкін. Бір бағыттағы бөлшектерді екінші бағыттан артық азайту арқылы осы эффектілерді оңай жеңіске жете аласыз.

Химия

Химиялық анизотропты сүзгі, бөлшектерді сүзгілеуге қолданылатын, сүзгілеу бағытында аралық кеңістіктердің азайып отыратын сүзгі, сондықтан жақын орналасқан аймақтар ірі бөлшектерді тоқтатып, ал алыс орналасқан аймақтар ұсақ бөлшектерді күштірек ұстайды, нәтижесінде өтімділік артып, тиімді сүзгілеу жүзеге асырылады. Флуоресценттік спектроскопияда, жазық поляризацияланған жарықпен қоздырылған сынамалардың флуоресценциясының поляризациялық қасиеттерінен есептелетін флуоресценттік анизотропия, мысалы, макромолекуланың пішінін анықтау үшін қолданылады. Анизотропия өлшемдері, фотонның сіңірілуі мен одан кейінгі шығарылуы арасындағы флюорофордың орташа бұрыштық орын ауыстыруын көрсетеді. Ядролық магниттік резонанс (ЯМР) спектроскопиясында, ядролардың қолданылатын магнит өрісіне қатысты бағдары олардың химиялық ығысуын анықтайды. Осы контексте, анизотроптық жүйелер – бұл бензолдың π-жүйесі сияқты, электрондық тығыздығы жоғары молекулалардың электрондық таралуын білдіреді. Бұл қалыптан тыс электрондық тығыздық қолданылатын магнит өрісіне әсер етеді және байқалатын химиялық ығысутың өзгеруіне себеп болады.

Нақты әлемдегі бейнелер

Гравитацияға байланысты немесе жасанды ортаның суреттері бағдарлау саласында ерекше анизотропты болып келеді, сурет құрылымының көп бөлігі гравитация бағытына параллель немесе перпендикуляр бағыттарда (түстік және көлденең) орналасқан.

Физика

Калифорния университеті, Беркли физиктері 1977 жылы ғарыштық микротолқындық фондық сәулеленуде ғарыштық анизотропияны анықтағанын хабарлады. Олардың тәжірибесі Жердің ерте Ғаламдағы материяға қатысты қозғалысынан туындаған Доплер эффектісін көрсетті, бұл сәулеленудің бастауы. Ғарыштық анизотропия галактикалардың айналу осьтерінің және квазарлардың поляризация бұрыштарының үйлесімділігінде де көрінеді. Физиктер анизотропия терминін материалдардың бағытқа тәуелді қасиеттерін сипаттау үшін пайдаланады. Мысалы, магниттік анизотропия плазмада пайда болуы мүмкін, нәтижесінде оның магниттік өрісі белгілі бір бағытта бағдарланады. Плазмада сондай-ақ бағытталған "жіптелу" құбылысы (мысалы, найзағайда немесе плазма шарларында байқалатыны) болуы мүмкін. Анизотроптық сұйықтықтар қалыпты сұйықтықтар сияқты ағылғыш, бірақ молекулалық ось бойымен бір-біріне қатысты белгілі бір құрылымдық реттелуге ие, су немесе хлороформ сияқты молекулаларында мұндай құрылымдық реттелу болмайды. Сұйық кристалдар анизотроптық сұйықтықтардың мысалы болып табылады. Кейбір материалдар жылуды изотроптық түрде, яғни жылу көзіне қатысты кеңістіктік бағытқа тәуелсіз өткізеді. Жылу өткізгіштігі көбінесе анизотроптық болып келеді, бұл жылумен басқарылатын әртүрлі материалдардың егжей-тегжейлі геометриялық модельдеуін қажет етеді. Электроникада жылуды көзден шығару және кері қабылдау үшін қолданылатын материалдар көбінесе анизотроптық болады. Көптеген кристалдар жарыққа анизотроптық ("оптикалық анизотропия") және екі сыну сияқты қасиеттерді көрсетеді. Кристалл оптикасы осы ортадағы жарық таралуын сипаттайды. "Анизотропия осі" - изотропияның бұзылған осі (немесе симметрия осі, мысалы, кристалл қабаттарына перпендикуляр). Кейбір материалдарда бірнеше мұндай оптикалық осьтер болуы мүмкін.

Геофизика және геология

Сейсмикалық анизотропия – сейсмикалық толқын жылдамдығының бағытқа қарай өзгеруі. Сейсмикалық анизотропия – материалдың ұзақ қашықтықтағы реттілігін көрсетеді, онда сейсмикалық толқын ұзындығынан кішірек ерекшеліктер (мысалы, кристалдар, жарықтар, тесіктер, қабаттар немесе қосымшалар) басым бағытта орналасқан. Бұл бағытталған тізбектелу серпімді толқын жылдамдығының бағытқа қарай өзгеруіне алып келеді. Сейсмикалық деректердегі анизотропияның әсерін өлшеу Жердегі процестер мен минералогия туралы маңызды ақпарат бере алады; Жер қыртысы, мантиясы және ішкі ядросында маңызды сейсмикалық анизотропия анықталды. Седименттік материалдың анық қабаттары бар геологиялық құрылымдар электрлік анизотропияны көрсетуі мүмкін; электрлік өткізгіштік бір бағытта (мысалы, қабатқа параллель) басқа бағыттан (мысалы, қабатқа перпендикуляр) өзгеше болады. Бұл қасиет газ және мұнай барлау саласында құм және тақтатас қабаттарындағы көмірсутектерге толы құмдарды анықтау үшін қолданылады. Көмірсутектерге толы құмдық активтердің кедергісі жоғары (өткізгіштігі төмен), ал тақтатастардың кедергісі төмен. Құрылымды бағалау құралдары осы өткізгіштікті немесе кедергіні өлшейді, ал нәтижелер ұңғымаларда мұнай мен газды табуға көмектеседі. Көмір және тақтатас сияқты кейбір шөгінді тау жыныстарының механикалық анизотропиясы, көмір және тақтатас қоймаларынан газдар өндірілген кезде сорбция сияқты олардың беттік қасиеттерінің өзгеруімен байланысты өзгеруі мүмкін. Акваферлердің гидравликалық өткізгіштігі де осы себепті көбінесе анизотропты болады. Жер асты суларының дренаждарға немесе ұңғымаларға ағынын есептегенде, көлденең және тік өткізгіштіктің айырмашылығы ескерілуі тиіс; әйтпесе нәтижелер қате болуы мүмкін. Көптеген тас құрайтын минералдар, соның ішінде кварц және фельдшпат анизотроптық. Минералдардың анизотропиясы олардың оптикалық қасиеттерінде ең сенімді түрде көрінеді. Гранат – изотроптық минералдардың бір мысалы. Гранит сияқты магмалық тау жыныстары да қатаю процесінде минералдардың бағытына байланысты анизотропияны көрсетеді.

Seismic anisotropy is the variation of seismic wavespeed with direction. Seismic anisotropy is an indicator of long range order in a material, where features smaller than the seismic wavelength (e. g., crystals, cracks, pores, layers, or inclusions) have a dominant alignment. This alignment leads to a directional variation of elasticity wavespeed. Measuring the effects of anisotropy in seismic data can provide important information about processes and mineralogy in the Earth; significant seismic anisotropy has been detected in the Earth's crust, mantle, and inner core. Geological formations with distinct layers of sedimentary material can exhibit electrical anisotropy; electrical conductivity in one direction (e. g. parallel to a layer), is different from that in another (e. g. perpendicular to a layer). This property is used in the gas and oil exploration industry to identify hydrocarbon bearing sands in sequences of sand and shale. Sand bearing hydrocarbon assets have high resistivity (low conductivity), whereas shales have lower resistivity. Formation evaluation instruments measure this conductivity or resistivity, and the results are used to help find oil and gas in wells. The mechanical anisotropy measured for some of the sedimentary rocks like coal and shale can change with corresponding changes in their surface properties like sorption when gases are produced from the coal and shale reservoirs. The hydraulic conductivity of aquifers is often anisotropic for the same reason. When calculating groundwater flow to drains or to wells, the difference between horizontal and vertical permeability must be taken into account; otherwise the results may be subject to error. Most common rock forming minerals are anisotropic, including quartz and feldspar. Anisotropy in minerals is most reliably seen in their optical properties. An example of an isotropic mineral is garnet. Igneous rock like granite also shows the anisotropy due to the orientation of the minerals during the solidification process.

Медициналық акустика

Анизотропия - медициналық ультрадыбыстық бейнелеуде жақсы белгілі қасиет, ол трансдьюсер бұрышы өзгерген кезде, мысалы, сіңірлер сияқты жұмсақ тіндердің әртүрлі эхогенділігін сипаттайды. Сіңір талшықтары трансдьюсер сіңірге перпендикуляр болғанда гиперэхогенді (ақшыл) болып көрінеді, бірақ трансдьюсер көлбеу бұрышпен бағытталғанда гипоэхогенді (қарқынсыз) болып көрінуі мүмкін. Бұл тәжірибесіз мамандар үшін түсіндіруде қателіктерге себеп болуы мүмкін.

Материалдар ғылымдары және техникасы

Анизотропия – материалтануда материалдың физикалық қасиеттерінің бағытқа тәуелділігі. Бұл инженерлік қолданыстарда материалдарды таңдаудағы маңызды фактор. Изотропия жазықтығына перпендикуляр оське симметриялы физикалық қасиеттері бар материал көлденең изотроптық материал деп аталады. Материалдық қасиеттердің тензорлық сипаттамаларын қолдану арқылы осы қасиеттің бағыттық тәуелділігін анықтауға болады. Монокристалл материал үшін анизотропия кристалдық симметриямен байланысты, себебі симметриялы кристалл түрлерінің берілген қасиеттің тензорлық сипаттамасында тәуелсіз коэффициенттері аз. Егер материал поликристалл болса, қасиеттерге бағыттық тәуелділік көбінесе оның өңделу технологиясымен байланысты. Кездейсоқ бағытталған түйірлерден тұратын материал изотроптық болады, ал текстурасы бар материалдар көбінесе анизотроптық болады. Текстуралы материалдар көбінесе суық прокаттау, сым тарту және термообработка сияқты өңдеу әдістерінің нәтижесі болып табылады. Материалдардың механикалық қасиеттері, мысалы, Янг модулі, созылу, беріктік және жоғары температурадағы крейп жылдамдығы, көбінесе өлшеу бағытына байланысты. Төртінші ретті тензорлық қасиеттер, мысалы, серпімділік модульдері, тіпті кубикалық симметриясы бар материалдар үшін де анизотроптық болып табылады. Янг модулі изотроптық материал серпімді деформацияланған кездегі кернеу мен деформацияны байланыстырады; анизотроптық материалдың серпімділігін сипаттау үшін оның орнына қатаңдық (немесе икемділік) тензорлары қолданылады. Металдарда анизотроптық серпімділік мінез-құлқы барлық бір кристаллдарда кездеседі, мысалы, кубикалық кристаллдар үшін үш тәуелсіз коэффициентпен. Никель және мыс сияқты жақын жиналған кубикалық материалдар үшін қатаңдық <111> бағыты бойынша ең жоғары, жақын жиналған жазықтықтарға перпендикуляр және <100> бағытына параллель ең төмен. Вольфрам бөлме температурасында өте изотроптық, сондықтан оның тек екі қатаңдық коэффициенті бар деп санауға болады; алюминий – басқа бір изотроптық металл. Изотроптық материал үшін, мұнда қима модулі, Янг модулі және материалдың Пуассон коэффициенті. Сондықтан, кубикалық материалдар үшін анизотропияны, , кубикалық материал үшін эмпирикалық анықталған қима модулі мен оның (изотроптық) эквиваленті арасындағы қатынас ретінде қарастыруға болады: Бұл өрнек Зенер қатынасы деп аталады, , мұнда Войгт (векторлық матрица) нотациясында серпімділік модульдері қарастырылады. Изотроптық материал үшін қатынас 1-ге тең. Зенер қатынасын кубикалық материалдармен шектеу тензорлық анизотропия индексі AT-да алынып тасталды, ол толық анизотроптық қатаңдық тензорының барлық 27 компонентін ескереді. Ол екі негізгі бөліктен тұрады және , біріншісі кубикалық тензордағы компоненттерге, екіншісі анизотроптық тензорға қатысты, сондықтан бұл бірінші компонент өзгертілген Зенер қатынасын қамтиды және сонымен қатар материалдағы бағыттық айырмашылықтарды ескереді, мысалы, ортотроптық материалда. Бұл индекстің екінші компоненті тек кубикалық емес материалдар үшін нөлден өзгеше және нөлге тең емес қатаңдық коэффициенттерінің әсерін қамтиды. Талшықты арматурасы немесе қабатталған композиттік материалдар арматура материалдарының бағытына байланысты анизотроптық механикалық қасиеттерді көрсетеді. Көміртек талшығы немесе шыны талшығы негізіндегі композиттер сияқты көптеген талшықты арматуралы композиттерде материалдың тоқуы (мысалы, бір бағытты немесе жазық тоқу) ірі материалдың анизотропиясының деңгейін анықтай алады. Талшықтардың бағытталуын өзгертуге болатындықтан, композиттік материалдарды қолдану саласына қарай жобалауға болады, материалға тигізілетін кернеу бағытына байланысты. Аморфты материалдар, мысалы, шыны және полимерлер, әдетте изотроптық болады. Полимерлік материалдардағы макромолекулалардың өте кездейсоқ бағытталуына байланысты полимерлер жалпы алғанда изотроптық деп сипатталады. Алайда, механикалық градиенті бар полимерлерді өңдеу әдістері немесе анизотропияны тудыратын элементтерді енгізу арқылы бағытты тәуелді қасиеттерге ие болу үшін құрастыруға болады. Зерттеушілер иерархиялық реттелген биологиялық жұмсақ затты еліктеу үшін тураланған талшықтар мен бос кеңістіктерден құралған композиттік материалдар жасады, нәтижесінде анизотроптық гидрогельдер алынды. 3D-басылым, әсіресе, Fused Deposition Modeling, басылған бөлшектерге анизотропияны енгізе алады. Бұл FDM термопластикалық...

Anisotropy, in materials science, is a material's directional dependence of a physical property. This is a critical consideration for materials selection in engineering applications. A material with physical properties that are symmetric about an axis that is normal to a plane of isotropy is called a transversely isotropic material. Tensor descriptions of material properties can be used to determine the directional dependence of that property. For a monocrystalline material, anisotropy is associated with the crystal symmetry in the sense that more symmetric crystal types have fewer independent coefficients in the tensor description of a given property. When a material is polycrystalline, the directional dependence on properties is often related to the processing techniques it has undergone. A material with randomly oriented grains will be isotropic, whereas materials with texture will be often be anisotropic. Textured materials are often the result of processing techniques like cold rolling, wire drawing, and heat treatment. Mechanical properties of materials such as Young's modulus, ductility, yield strength, and high temperature creep rate, are often dependent on the direction of measurement. Fourth rank tensor properties, like the elastic constants, are anisotropic, even for materials with cubic symmetry. The Young's modulus relates stress and strain when an isotropic material is elastically deformed; to describe elasticity in an anisotropic material, stiffness (or compliance) tensors are used instead. In metals, anisotropic elasticity behavior is present in all single crystals with three independent coefficients for cubic crystals, for example. For face centered cubic materials such as nickel and copper, the stiffness is highest along the <111> direction, normal to the close packed planes, and smallest parallel to <100>. Tungsten is so nearly isotropic at room temperature that it can be considered to have only two stiffness coefficients; aluminium is another metal that is nearly isotropic. For an isotropic material, where is the shear modulus, is the Young's modulus, and is the material's Poisson's ratio. Therefore, for cubic materials, we can think of anisotropy, , as the ratio between the empirically determined shear modulus for the cubic material and its (isotropic) equivalent:

The latter expression is known as the Zener ratio, , where refers to elastic constants in Voigt (vector matrix) notation. For an isotropic material, the ratio is one. Limitation of the Zener ratio to cubic materials is waived in the Tensorial anisotropy index AT that takes into consideration all the 27 components of the fully anisotropic stiffness tensor. It is composed of two major parts and , the former referring to components existing in cubic tensor and the latter in anisotropic tensor so that This first component includes the modified Zener ratio and additionally accounts for directional differences in the material, which exist in orthotropic material, for instance. The second component of this index covers the influence of stiffness coefficients that are nonzero only for non cubic materials and remains zero otherwise. Fiber reinforced or layered composite materials exhibit anisotropic mechanical properties, due to orientation of the reinforcement material. In many fiber reinforced composites like carbon fiber or glass fiber based composites, the weave of the material (e. g. unidirectional or plain weave) can determine the extent of the anisotropy of the bulk material. The tunability of orientation of the fibers allows for application based designs of composite materials, depending on the direction of stresses applied onto the material. Amorphous materials such as glass and polymers are typically isotropic. Due to the highly randomized orientation of macromolecules in polymeric materials, polymers are in general described as isotropic. However, mechanically gradient polymers can be engineered to have directionally dependent properties through processing techniques or introduction of anisotropy inducing elements. Researchers have built composite materials with aligned fibers and voids to generate anisotropic hydrogels, in order to mimic hierarchically ordered biological soft matter. 3D printing, especially Fused Deposition Modeling, can introduce anisotropy into printed parts. This is due to the fact that FDM is designed to extrude and print layers of thermoplastic materials. This creates materials that are strong when tensile stress is applied in parallel to the layers and weak when the material is perpendicular to the layers.

Микроөндірістік

Анизотроптық гравировкалау (мысалы, терең реактивті иондық гравировкалау) микрофабрикация процестерінде жоғары қатынасы бар анық микроскопиялық элементтерді жасау үшін қолданылады. Бұл элементтер көбінесе МЭЖС (микроэлектромеханикалық жүйелер) және микросұйықтық құрылғыларында қолданылады, онда элементтердің анизотропиясы құрылғыға қажетті оптикалық, электрлік немесе физикалық қасиеттерді беру үшін қажет. Анизотроптық гравировкалау белгілі бір материалды белгілі бір кристаллографиялық жазықтықтар бойынша артықша гравировкалауға қолданылатын кейбір химиялық гравировкалау заттарын да білдіруі мүмкін (мысалы, кремнийді KOH гравировкалау [100] пирамида тәрізді құрылымдарды жасайды).

Нейробиологиялық ғылым

Диффузиялық тензорлық бейнелеу – мидағы су молекулаларының кездейсоқ қозғалысының (Броун қозғалысы) фракциялық анизотропиясын өлшеуге негіделген МРТ техникасы. Талшықты жолдарда орналасқан су молекулалары қозғалысы шектелгендіктен анизотроптық қозғалуға бейім (олар талшықты жолға параллель бағытта, оған перпендикуляр екі бағытқа қарағанда көп қозғалады), ал мидың қалған бөлігіндегі су молекулаларының қозғалысы еркін болғандықтан изотропиялық сипат көрсетеді. Осы фракциялық анизотропияның айырмашылығы жеке адамның миындағы талшықты жолдардың картасын жасау үшін қолданылады.

Қашықтан зондтау және сәулеленуді көшіруді модельдеу

Қайта шағылыстыратын беттен сәулелену өрістері (екі бағытты шағылыстыру таралу функциясы (BRDF) қараңыз) көбінесе изотроптық емес. Бұл кез келген көріністен шағылысқан жалпы энергияны есептеуді қиындатады. Қашықтан зондтау саласында нақты көріністер үшін анизотропия функцияларын шығаруға болады, бұл көріністің таза шағылысын немесе (соның салдарынан) таза сәулеленуін есептеуді едәуір жеңілдетеді. Мысалы, BRDF-та 'i' түсетін бағытты, ал 'v' қарау бағытын білдіреді (мысалы, спутник немесе басқа құралдан қарағандай). P – жазықтық альбедосы, ол көріністен шағылысқан жалпы шағылысты көрсетеді. Бұл маңызды, себебі анизотропия функциясы белгілі болғанда, BRDF-ті бір қарау бағытынан өлшеу (мысалы, ) сол нақты түсу геометриясы үшін көріністің жалпы шағылысын (жазықтық альбедосын) өлшеуге мүмкіндік береді (мысалы, ).