Anisotropia

Plasmalampun hehkulamppu osoittaa plasman anisotrooppisen luonteen.

Anisotropia on termi, jota käytetään useilla tieteenaloilla ilmaisemaan sitä, että aineen (esimerkiksi materiaalin tai säteilyn) tietyt ominaisuudet vaihtelevat sen mukaan, mistä suunnasta niitä mitataan. Jos esimerkiksi aineen taitekerroin tai tiheys on erilainen mitattaessa eri akseleita pitkin, kyseisen ominaisuuden sanotaan olevan anisotrooppinen. Anisotropia on vastakohta isotropialle, jota termiä käytetään, kun ominaisuudet ovat samat mistä tahansa suunnasta mitattuna.

Ominaisuuksien tutkiminen, olivatpa ne sitten isotrooppisia tai anisotrooppisia, voi antaa paljon hyödyllistä tietoa. Esimerkiksi sähkömagneettisen säteilyn anisotrooppinen kulku kiteen läpi voi auttaa paljastamaan kiteen sisäisen rakenteen. Materiaalien käyttö rakennushankkeissa hyötyy tiedosta, että kunkin materiaalin lujuus vaihtelee sen suuntauksen mukaan. Kosmisessa mikroaaltotaustasäteilyssä havaitut anisotropiat tukevat alkuräjähdysteoriaa maailmankaikkeuden synnystä. Anisotropian mittaaminen seismisestä datasta voi antaa tietoa maapallon sisäisistä prosesseista ja mineralogiasta. Anisotropiasta on hyötyä myös lääketieteessä, esimerkiksi ultraäänikuvantamisessa.

Materiaalitiede ja -tekniikka

Lämmön johtuminen eri materiaaleissa on yleisesti anisotrooppista. Materiaalit, joita käytetään lämmön siirtämiseen ja poistamiseen lämmönlähteestä elektroniikassa, ovat usein anisotrooppisia. Sitä vastoin jotkin materiaalit johtavat lämpöä isotrooppisesti – toisin sanoen riippumatta alueellisesta suunnasta lämmönlähteen ympärillä.

Materiaalin jäykkyys on usein anisotrooppinen. Youngin moduuli (joka mittaa jäykkyyttä) riippuu kuormituksen suunnasta.

Monet kiteet ovat anisotrooppisia valolle (optinen anisotropia), ja niillä on ominaisuuksia, kuten kaksoiskatkonaisuus. Kideoptiikka kuvaa valon etenemistä kiteissä. Anisotropia-akseli määritellään akseliksi, jota pitkin isotropia rikkoutuu (tai symmetria-akseliksi, kuten kiteisiin kerroksiin nähden normaaliksi). Joillakin materiaaleilla on useita tällaisia optisia akseleita.

Monikiteisissä materiaaleissa anisotropia voi johtua tietyistä materiaalin valmistuksen aikana syntyneistä tekstuurikuvioista. Valssauksen yhteydessä valssaussuunnassa syntyy tekstuurin ”juovia”, mikä voi johtaa hyvin erilaisiin ominaisuuksiin valssaus- ja poikittaissuunnassa.

Jotkut materiaalit, kuten puu ja kuituvahvisteiset komposiitit, ovat hyvin anisotrooppisia, sillä ne ovat paljon vahvempia rainan/kuidun suuntaisesti kuin sen poikki. Metallit ja metalliseokset ovat yleensä isotrooppisempia, vaikka ne voivat joskus käyttäytyä huomattavan anisotrooppisesti.

Kosmologit käyttävät termiä anisotropia kuvaamaan kosmisessa mikroaaltotaustasäteilyssä esiintyviä pieniä lämpötilavaihteluita. Tämän säteilyn luonne tukee alkuräjähdysteoriaa maailmankaikkeuden synnystä.

Fysiikka

Fysiikassa termiä anisotropia voidaan käyttää eri tapauksissa. Termiä voidaan käyttää esimerkiksi ilmaisemaan, että plasman magneettikenttä on suuntautunut johonkin haluttuun suuntaan tai että plasmassa esiintyy ”filamentaatiota”, kuten salaman tai plasmalampun tapauksessa.

Nestekide on esimerkki anisotrooppisesta nesteestä. Tällaisella nesteellä on normaalin nesteen juoksevuus, mutta sillä on myös molekyylien keskimääräinen rakenteellinen järjestys. Sen sijaan vedessä ja kloroformissa ei ole molekyylien rakenteellista järjestäytymistä.

Geologia

Seisminen anisotropia on seismisen aallon nopeuden vaihtelua suunnan mukaan. Se on indikaattori materiaalin pitkän kantaman järjestyksestä, jossa seismistä aallonpituutta pienemmillä piirteillä (kuten kiteillä, halkeamilla, huokosilla, kerroksilla tai sulkeumilla) on hallitseva suuntaus. Merkittävää seismistä anisotropiaa on havaittu maankuoressa, vaipassa ja ytimessä. Mittaamalla anisotropian vaikutuksia seismisessä datassa voidaan saada tärkeää tietoa maapallon prosesseista ja mineralogiasta.

Geologisissa muodostumissa, joissa on erillisiä sedimenttikerroksia, voi esiintyä sähköistä anisotropiaa: Sähkönjohtavuus yhdessä suunnassa (esimerkiksi kerroksen suuntaisesti) voi olla erilainen kuin toisessa suunnassa (esimerkiksi kohtisuorassa kerrosta vastaan). Tätä ominaisuutta käytetään kaasu- ja öljynetsintäteollisuudessa hiilivetyjä sisältävän hiekan tunnistamiseen hiekka- ja liuskejaksoissa. Hiekkapitoisten hiilivetyvarojen resistiivisyys on korkea (alhainen johtavuus), kun taas liuskeilla on matalampi resistiivisyys. Muodostumien arviointilaitteet mittaavat tätä johtavuutta/vastusta, ja tuloksia käytetään apuna öljy- ja kaasulähteiden löytämisessä.

Tietokonegrafiikka

Tietokonegrafiikan alalla anisotrooppisella pinnalla tarkoitetaan pintaa, joka muuttuu ulkonäöltään, kun sitä käännetään sen geometrisen normaalin ympärillä, kuten sametti.

Anisotrooppinen suodatus (AF, anisotropic filtering) on menetelmä, jolla parannetaan tekstuurien kuvanlaatua pinnoilla, jotka ovat kaukana ja jyrkässä kulmassa tarkastelupisteeseen nähden. Vanhemmat tekniikat, kuten bilineaarinen ja trilineaarinen suodatus, eivät ottaneet huomioon kulmaa, josta pintaa katsotaan, mikä johti tekstuurien sumentumiseen. Vähentämällä yksityiskohtia yhdessä suunnassa enemmän kuin toisessa, näitä vaikutuksia voidaan vähentää.

Anisotrooppista suodatusta tietokonegrafiikassa ei pidä sekoittaa ”kemialliseen anisotrooppiseen suodattimeen”, jota käytetään hiukkasten suodattamiseen ja jolla on eri merkitys. Tätä termiä käytetään kuvaamaan suodatinta, jossa on suodatussuunnassa yhä pienempiä välitiloja, jolloin suuremmat hiukkaset suodattuvat pois ennen pienempiä. Tämäntyyppinen suodatin johtaa suurempaan läpivirtaukseen ja tehokkaampaan suodatukseen.

Mikrovalmistus

Mikrovalmistusprosesseissa käytetään anisotrooppisia syövytystekniikoita (kuten syväreaktiivista ionisyövytystä) tarkoin määriteltyjen mikroskooppisten piirteiden luomiseksi, joilla on suuri kuvasuhde. Näitä piirteitä käytetään yleisesti MEMS- ja mikrofluidilaitteissa, joissa piirteiden anisotrooppisuutta tarvitaan antamaan laitteelle haluttuja optisia, sähköisiä tai fysikaalisia ominaisuuksia.

Lääketiede

Anisotrooppisuus on hyödyllistä myös lääketieteellisessä ultraäänikuvantamisessa. Kun anturin kulmaa muutetaan, pehmytkudosten (kuten jänteiden) kaikuvuuden voidaan havaita muuttuvan.

Diffuusiotensorikuvantamisessa anisotropian muutokset voivat viitata veden diffuusiomuutoksiin aivoissa, erityisesti valkeassa aineessa.

• Babuska, V., ja M. Cara. 2001. Seisminen anisotropia maapallolla. Modern Approaches in Geophysics. Dordrecht, Alankomaat: Kluwer Academic. ISBN 0792313216

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

• Newnham, Robert E. 2005. Materiaalien ominaisuudet: Anisotropy, Symmetry, Structure. New York: Oxford University Press. ISBN 0198520751

• Truszkowski, Wojciech. 2001. Plastinen anisotropia yksikiteissä ja monikiteisissä metalleissa. Dordrecht, Alankomaat: Kluwer Academic. ISBN 0792368398

Kaikki linkit haettu 22.3.2016.

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