Anisotropie

Die Glühfäden einer Plasmalampe weisen auf die anisotrope Beschaffenheit von Plasmen hin.

Anisotropie ist ein Begriff, der in verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen verwendet wird, um darauf hinzuweisen, dass bestimmte Eigenschaften von Materie (z. B. eines Materials oder einer Strahlung) mit der Richtung, aus der sie gemessen werden, variieren. Wenn z. B. der Brechungsindex oder die Dichte eines Materials bei der Messung entlang verschiedener Achsen unterschiedlich ist, spricht man von Anisotropie. Anisotropie ist das Gegenteil von Isotropie, ein Begriff, der verwendet wird, wenn die Eigenschaften gleich sind, wenn sie aus jeder Richtung gemessen werden.

Die Untersuchung von Eigenschaften, ob isotrop oder anisotrop, kann viele nützliche Informationen liefern. Zum Beispiel kann der anisotrope Durchgang elektromagnetischer Strahlung durch einen Kristall dazu beitragen, die innere Struktur des Kristalls zu enthüllen. Für die Verwendung von Materialien bei Bauprojekten ist es von Vorteil, wenn man weiß, dass die Festigkeit der einzelnen Materialien je nach ihrer Ausrichtung variiert. Die in der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung entdeckten Anisotropien stützen die Urknalltheorie für den Ursprung des Universums. Die Messung der Anisotropie in seismischen Daten kann Informationen über die internen Prozesse und die Mineralogie der Erde liefern. Anisotropie ist auch in der Medizin nützlich, z. B. bei der Ultraschallbildgebung.

Materialwissenschaft und -technik

Die Wärmeleitung verschiedener Materialien ist in der Regel anisotrop. Die Materialien, die in der Elektronik zur Übertragung und Ableitung von Wärme von der Wärmequelle verwendet werden, sind oft anisotrop. Im Gegensatz dazu leiten einige Materialien Wärme isotrop, d. h. unabhängig von der räumlichen Ausrichtung um die Wärmequelle.

Die Steifigkeit eines Materials ist oft anisotrop. Der Elastizitätsmodul (der die Steifigkeit misst) hängt von der Richtung der Belastung ab.

Viele Kristalle sind anisotrop gegenüber Licht (optische Anisotropie) und weisen Eigenschaften wie Doppelbrechung auf. Die Kristalloptik beschreibt die Lichtausbreitung in Kristallen. Eine Anisotropieachse ist definiert als die Achse, entlang derer die Isotropie gebrochen wird (oder eine Symmetrieachse, z. B. senkrecht zu kristallinen Schichten). Einige Materialien haben mehrere solcher optischen Achsen.

Bei polykristallinen Materialien kann die Anisotropie auf bestimmte Texturmuster zurückzuführen sein, die bei der Herstellung des Materials entstehen. Beim Walzen entstehen in Walzrichtung „Texturstränge“, die zu sehr unterschiedlichen Eigenschaften in Walz- und Querrichtung führen können.

Einige Werkstoffe wie Holz und faserverstärkte Verbundwerkstoffe sind sehr anisotrop, da sie entlang der Maserung/Faser viel stärker sind als quer dazu. Metalle und Legierungen sind in der Regel eher isotrop, obwohl sie manchmal ein signifikantes anisotropes Verhalten aufweisen können. Dies ist besonders wichtig bei Prozessen wie dem Tiefziehen von Metallen.

Kosmologie

Dieses Bild aus Daten der Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) zeigt extrem kleine Anisotropien in der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung.

Kosmologen verwenden den Begriff Anisotropie, um kleine Temperaturschwankungen in der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung zu beschreiben. Die Beschaffenheit dieser Strahlung unterstützt die Urknalltheorie zur Entstehung des Universums.

Physik

In der Physik kann der Begriff Anisotropie in verschiedenen Fällen verwendet werden. Zum Beispiel kann der Begriff verwendet werden, um anzuzeigen, dass ein Plasma ein Magnetfeld hat, das in eine bevorzugte Richtung ausgerichtet ist, oder dass das Plasma „Glühfäden“ zeigt, wie im Falle eines Blitzes oder einer Plasmalampe.

Ein Flüssigkristall ist ein Beispiel für eine anisotrope Flüssigkeit. Eine solche Flüssigkeit hat die Fließfähigkeit einer normalen Flüssigkeit, weist aber auch eine durchschnittliche strukturelle Anordnung der Moleküle auf. Im Gegensatz dazu weisen Wasser und Chloroform keine strukturelle Ordnung ihrer Moleküle auf.

Geologie

Seismische Anisotropie ist die Variation der seismischen Wellengeschwindigkeit mit der Richtung. Sie ist ein Indikator für eine weitreichende Ordnung in einem Material, in dem Merkmale, die kleiner als die seismische Wellenlänge sind (wie Kristalle, Risse, Poren, Schichten oder Einschlüsse), eine dominante Ausrichtung haben. In der Erdkruste, im Erdmantel und im Erdkern wurde eine erhebliche seismische Anisotropie festgestellt. Die Messung der Auswirkungen der Anisotropie in seismischen Daten kann wichtige Informationen über Prozesse und Mineralogie in der Erde liefern.

Geologische Formationen mit unterschiedlichen Schichten von Sedimentmaterial können eine elektrische Anisotropie aufweisen: Die elektrische Leitfähigkeit in einer Richtung (z. B. parallel zu einer Schicht) kann sich von der in einer anderen Richtung (z. B. senkrecht zur Schicht) unterscheiden. Diese Eigenschaft wird von der Gas- und Ölexplorationsindustrie genutzt, um kohlenwasserstoffhaltige Sande in Abfolgen von Sand und Schiefer zu identifizieren. Sandhaltige Kohlenwasserstoffvorkommen haben einen hohen spezifischen Widerstand (niedrige Leitfähigkeit), während Schiefer einen geringeren spezifischen Widerstand aufweisen. Instrumente zur Formationsbewertung messen diese Leitfähigkeit/Widerstand, und die Ergebnisse werden verwendet, um Öl- und Gasbohrungen zu finden.

Computergrafik

Im Bereich der Computergrafik ist eine anisotrope Oberfläche eine Oberfläche, die ihr Aussehen verändert, wenn sie um ihre geometrische Normale gedreht wird, wie es bei Samt der Fall ist.

Anisotrope Filterung (AF) ist eine Methode zur Verbesserung der Bildqualität von Texturen auf Oberflächen, die weit entfernt sind und einen steilen Winkel zum Blickwinkel haben. Bei älteren Techniken wie der bilinearen und trilinearen Filterung wurde der Winkel, aus dem eine Oberfläche betrachtet wird, nicht berücksichtigt, was zu einer Unschärfe der Texturen führte. Indem Details in einer Richtung stärker reduziert werden als in einer anderen, können diese Effekte verringert werden.

Anisotrope Filterung in der Computergrafik sollte nicht mit einem „chemischen anisotropen Filter“ verwechselt werden, der für die Filterung von Partikeln verwendet wird und eine andere Bedeutung hat. Mit diesem Begriff wird ein Filter bezeichnet, dessen Zwischenräume in Filtrationsrichtung immer kleiner werden, so dass die größeren Partikel vor den kleineren herausgefiltert werden. Diese Art von Filter führt zu einem größeren Durchfluss und einer effizienteren Filtration.

Mikrofabrikation

Mikrofabrikationsverfahren verwenden anisotrope Ätztechniken (wie das reaktive Ionen-Tiefenätzen), um gut definierte mikroskopische Merkmale mit einem hohen Aspektverhältnis zu erzeugen. Diese Merkmale werden häufig in MEMS und mikrofluidischen Geräten verwendet, wo die Anisotropie der Merkmale erforderlich ist, um dem Gerät die gewünschten optischen, elektrischen oder physikalischen Eigenschaften zu verleihen.

Medizin

Anisotropie ist auch für die medizinische Ultraschallbildgebung nützlich. Wenn der Winkel des Schallkopfs verändert wird, kann sich die Echogenität von Weichteilen (wie Sehnen) ändern.

In der Diffusionstensor-Bildgebung können Anisotropieveränderungen auf Diffusionsveränderungen des Wassers im Gehirn, insbesondere in der weißen Substanz, hinweisen.

• Babuska, V., und M. Cara. 2001. Seismic Anisotropy in the Earth. Modern Approaches in Geophysics. Dordrecht, the Netherlands: Kluwer Academic. ISBN 0792313216

• Kocks, U.F., C.N. Tomé, and H.-R. Wenk. 2001. Texture and Anisotropy. New Ed ed ed. Cambridge, UK: Cambridge University Press. ISBN 052179420X

• Newnham, Robert E. 2005. Properties of Materials: Anisotropy, Symmetry, Structure. New York: Oxford University Press. ISBN 0198520751

• Truszkowski, Wojciech. 2001. Die plastische Anisotropie in Einkristallen und polykristallinen Metallen. Dordrecht, the Netherlands: Kluwer Academic. ISBN 0792368398

Alle Links abgerufen am 22. März 2016.

• Wilkinson Microwave Anisotropy Probe NASA.
• Anisotropy and Isotropy NDT Resource Center.