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 medición. Por ejemplo, muchos materiales exhiben propiedades muy diferentes cuando se miden a lo largo de diferentes ejes: propiedades físicas o mecánicas ( absorbancia , índice de refracción , conductividad , resistencia a la tracción , etc.).
Un ejemplo de anisotropía es la luz que pasa a través de un polarizador . Otra es la madera , que es más fácil de dividir a lo largo de su veta que a través de ella debido a la falta de uniformidad direccional de la veta (la veta 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 sobre su normal geométrica , como es el caso del terciopelo .
El filtrado anisotrópico (AF) es un método para mejorar la calidad de la imagen de texturas en superficies que están lejos y con ángulos pronunciados 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 texturas borrosas. Al reducir los detalles en una dirección más que en otra, estos efectos se pueden reducir fácilmente.
Un filtro químico anisotrópico , como 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 resulta en un mayor flujo y una mayor eficiencia. filtración.
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 plana, se utiliza, por ejemplo, para determinar la forma de una macromolécula. Las mediciones de anisotropía revelan el desplazamiento angular promedio del fluoróforo que ocurre entre la absorción y la posterior emisión de un fotón.
En 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 de electrones de moléculas con una densidad electrónica anormalmente alta, como el sistema pi del benceno . Esta densidad electrónica anormal afecta el campo magnético aplicado y hace que cambie el cambio químico observado.
Las imágenes de un entorno gravitacional o creado por el hombre son particularmente anisotrópicas en el dominio de orientación, con más estructura de imagen ubicada en orientaciones paralelas u ortogonales a la dirección de la gravedad (vertical y horizontal).
Físicos de la Universidad de California en Berkeley informaron sobre su detección de la anisotropía cósmica en la radiación cósmica de fondo de microondas en 1977. Su experimento demostró el desplazamiento Doppler causado por el movimiento de la Tierra con respecto a la materia del Universo temprano , 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 quásares.
Los físicos utilizan el término anisotropía para describir las propiedades de los materiales que dependen de la dirección. En un plasma , por ejemplo, puede producirse anisotropía magnética , de modo que su campo magnético esté orientado en una dirección preferida. Los plasmas también pueden mostrar una "filamentación" (como la que se observa en un relámpago 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, independiente de la orientación espacial alrededor de la fuente de calor. La conducción de calor es más comúnmente anisotrópica, lo que implica que se requiere un modelado geométrico detallado de materiales típicamente diversos que se manejan 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 exhiben propiedades como la birrefringencia . La óptica cristalina 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 el normal a las capas cristalinas). Algunos materiales pueden tener múltiples ejes ópticos .
La anisotropía sísmica es la variación de la velocidad de la onda sísmica con la dirección. La anisotropía sísmica es un indicador del orden de largo alcance en un material, donde 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 onda de elasticidad . Medir los efectos de la anisotropía en los datos sísmicos puede proporcionar información importante sobre los procesos y la mineralogía de la Tierra; Se ha detectado una anisotropía sísmica significativa en la corteza , el manto y el núcleo interno de la Tierra .
Las formaciones geológicas con distintas capas 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 una alta resistividad (baja conductividad), mientras que las lutitas tienen una resistividad más baja. Los instrumentos de evaluación de formaciones miden esta conductividad o resistividad y los resultados se utilizan para ayudar a encontrar petróleo y gas en los 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 flujo 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 errores.
Los minerales formadores de rocas más comunes son anisotrópicos, incluidos el cuarzo y el feldespato . La anisotropía en los minerales se observa de manera más confiable 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 también es una propiedad bien conocida en la ecografía médica 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 sin experiencia.
La anisotropía, en la ciencia de los materiales , es la dependencia direccional de un material de una propiedad física . Esta es una consideración crítica para la selección de materiales en aplicaciones de ingeniería. Un material con propiedades físicas que son simétricas respecto de un eje normal a un plano de isotropía se denomina 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 determinada. [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 suelen ser anisotrópicos. Los materiales texturizados suelen ser 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 , el límite elástico y la velocidad de fluencia a alta temperatura , a menudo dependen de la dirección de 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, en su lugar se utilizan tensores de rigidez (o adaptabilidad).
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 materiales cúbicos centrados en las caras, como níquel y cobre, la rigidez es mayor a lo largo de la dirección <111>, normal a los planos compactos y menor paralela a <100>. El tungsteno es tan casi isotrópico a temperatura ambiente que se puede considerar que tiene sólo dos coeficientes de rigidez; El aluminio es otro metal casi isotrópico.
Para un material isotrópico,
Esta última expresión se conoce como relación Zener , donde se refiere a constantes elásticas en notación Voigt (vector-matriz) . Para un material isotrópico, la proporción es uno.
La limitación de la relación Zener a materiales cúbicos no se aplica en el índice de anisotropía tensorial AT [ 10] que toma en consideración los 27 componentes del tensor de rigidez totalmente anisotrópico. Se compone de dos partes principales , la primera se refiere a los componentes existentes en el tensor cúbico y el segundo 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 son distintos de cero sólo para materiales no cúbicos y permanecen cero en caso contrario.
Los materiales compuestos en capas o reforzados con fibras exhiben propiedades mecánicas anisotrópicas, debido a la orientación del material de refuerzo. En muchos compuestos reforzados con fibras, como compuestos basados en fibra de carbono o fibra de vidrio, el tejido del material (por ejemplo, unidireccional o tejido liso) puede determinar el grado de anisotropía del material a granel. [11] La capacidad de ajuste de la orientación de las fibras permite diseños de materiales compuestos basados en aplicaciones, 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 direccionalmente dependientes mediante técnicas de procesamiento o la introducción de elementos inductores de 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 a que 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 usan comúnmente en MEMS (sistemas microelectromecánicos) y dispositivos de microfluidos , 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 grabadores químicos utilizados para grabar un determinado material preferentemente sobre ciertos planos cristalográficos (por ejemplo, el grabado con KOH de silicio [100] produce estructuras similares a pirámides).
La obtención de imágenes con tensor de difusión es una técnica de resonancia magnética que implica medir la anisotropía fraccionaria del movimiento aleatorio ( movimiento browniano ) de las moléculas de agua en el cerebro. Las moléculas de agua ubicadas en los tractos de fibras tienen más probabilidades de moverse anisotrópicamente, ya que su movimiento está restringido (se mueven más en la dimensión paralela al tracto de fibras que en las dos dimensiones ortogonales a él), mientras que las moléculas de agua dispersas en el resto Las partes del cerebro tienen un movimiento menos restringido y por lo tanto muestran más isotropía. Esta diferencia en la anisotropía fraccionaria se aprovecha para crear un mapa de los tractos de fibras en el cerebro del individuo.
Los campos de radiación (consulte 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 en 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) de la irradiancia neta de una escena. Por ejemplo, supongamos que el BRDF sea donde 'i' denota la dirección del incidente y 'v' denota la dirección de visión (como si fuera desde un satélite u otro instrumento). Y sea P el Albedo plano, que representa la reflectancia total de la escena.
Es interesante porque, con el conocimiento de la función de anisotropía definida, una medición del BRDF desde una única dirección de visión (digamos, ) produce una medida de la reflectancia total de la escena ( albedo plano ) para esa geometría incidente específica (digamos, ) .
![{\displaystyle G=E/[2(1+\nu )],}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/b008fdf44559a0ecfc6e7503e8f6d4ed97ed2cdb)
![{\displaystyle a_{r}={\frac {G}{E/[2(1+\nu )]}}={\frac {2(1+\nu )G}{E}}\equiv {\ frac {2C_{44}}{C_{11}-C_{12}}}.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/1f41d6821eb2a7288d1421770c47c1ff4ae80191)
