Anisotropia

L’anisotropia, al contrario dell’isotropia, viene anche utilizzata per descrivere situazioni in cui le proprietà variano sistematicamente, a seconda della direzione. Come già visto anche per l’anisotropia possiamo avere varie definizioni a seconda del campo di interesse.

L’anisotropia, nella scienza dei materiali, rappresenta la dipendenza direzionale di un materiale da una proprietà fisica. Questa è una caratteristica fondamentale per la selezione dei materiali nelle applicazioni ingegneristiche. Le descrizioni tensoriali delle proprietà dei materiali possono essere utilizzate per determinare la dipendenza direzionale della proprietà in oggetto. Per i materiali monocristallini, l’anisotropia è associata alla simmetria cristallina, nel senso che i tipi di cristallo più simmetrici hanno meno coefficienti indipendenti nella descrizione tensoriale di una data proprietà.

In Chimica abbiamo le seguenti definizioni:

  • Un filtro anisotropico chimico, utilizzato per filtrare le particelle, è un filtro con spazi interstiziali sempre più piccoli nella direzione della filtrazione in modo che le regioni prossimali filtrino le particelle più grandi e le regioni distali rimuovano sempre più le particelle più piccole, risultando in un flusso maggiore e più efficiente filtrazione.
  • Nella spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR), l’orientamento dei nuclei rispetto al campo magnetico applicato determina il loro spostamento chimico. In questo contesto, i sistemi anisotropi si riferiscono alla distribuzione elettronica di molecole con densità elettronica anormalmente elevata, come il sistema π del benzene. Questa densità di elettroni anormale influenza il campo magnetico applicato e fa cambiare lo spostamento chimico osservato.
  • Nella spettroscopia di fluorescenza, l’anisotropia di fluorescenza, calcolata dalle proprietà di polarizzazione della fluorescenza da campioni eccitati con luce polarizzata in piano, viene utilizzata, ad esempio, per determinare la forma di una macromolecola. Le misurazioni dell’anisotropia rivelano lo spostamento angolare medio del fluoroforo che si verifica tra l’assorbimento e la successiva emissione di un fotone.

In Fisica abbiamo le seguenti definizioni:

  • I fisici usano il termine anisotropia per descrivere le proprietà dei materiali dipendenti dalla direzione. L’anisotropia magnetica, ad esempio, può verificarsi in un plasma, in modo che il suo campo magnetico sia orientato in una direzione preferita. I plasmi possono anche mostrare “filamenti” (come quelli visti in un fulmine o in un globo di plasma) che sono direzionali.
  • Un liquido anisotropo ha la fluidità di un liquido normale, ma ha un ordine strutturale medio l’uno rispetto all’altro lungo l’asse molecolare, a differenza dell’acqua o del cloroformio, che non contengono alcun ordinamento strutturale delle molecole. I cristalli liquidi sono esempi di liquidi anisotropi.
  • Alcuni materiali conducono il calore in modo isotropo, ovvero indipendentemente dall’orientamento spaziale attorno alla fonte di calore. La conduzione del calore è più comunemente anisotropa, il che implica necessariamente una modellazione geometrica dettagliata dei materiali per gestire il flusso di calore. I materiali utilizzati per trasferire e dissipare il calore dalla sua fonte in elettronica sono spesso anisotropi.
  • Molti cristalli sono anisotropi alla luce (anisotropia ottica) e mostrano proprietà come la birifrangenza. L’ottica cristallina descrive la propagazione della luce in questi mezzi. Un “asse di anisotropia” è definito come l’asse lungo il quale l’isotropia viene interrotta (o un asse di simmetria, come gli strati normali e cristallini). Alcuni materiali possono avere più di tali assi ottici.

In Geofisica e Geologia abbiamo le seguenti definizioni:

  • L’anisotropia sismica è la variazione della velocità delle onde sismiche con la direzione. L’anisotropia sismica è un indicatore dell’ordine a lungo raggio in un materiale, in cui le caratteristiche più piccole della lunghezza d’onda sismica (ad esempio cristalli, crepe, pori, strati o inclusioni) hanno un allineamento dominante. Questo allineamento porta a una variazione direzionale dell’elasticità della velocità d’onda. Misurare gli effetti dell’anisotropia nei dati sismici può fornire importanti informazioni sui processi e sulla mineralogia della Terra; una significativa anisotropia sismica è stata rilevata nella crosta terrestre, nel mantello e nel nucleo interno.
  • Le formazioni geologiche con strati distinti di materiale sedimentario possono mostrare anisotropia elettrica; la conducibilità elettrica in una direzione (ad esempio parallela a uno strato), è diversa da quella in un’altra (ad esempio perpendicolare a uno strato). Questa proprietà viene utilizzata nell’esplorazione di giacimenti di gas e petrolio per identificare le sabbie contenenti idrocarburi nelle sequenze di sabbia e scisto. Le risorse idrocarburiche che contengono sabbia hanno un’elevata resistività (bassa conducibilità), mentre gli scisti hanno una resistività inferiore. Gli strumenti di valutazione della formazione misurano questa conducibilità/resistività e i risultati vengono utilizzati per aiutare a trovare petrolio e gas nei pozzi. L’anisotropia meccanica misurata per alcune delle rocce sedimentarie come il carbone e lo scisto può cambiare con i corrispondenti cambiamenti nelle loro proprietà superficiali come l’assorbimento quando i gas vengono prodotti dai giacimenti di carbone e scisto.
  • La permeabilità idraulica delle falde acquifere è spesso anisotropa per lo stesso motivo. Quando si calcola il flusso delle acque sotterranee, si deve tenere conto della differenza tra permeabilità orizzontale e verticale, altrimenti i risultati possono essere soggetti a errore.
  • I minerali più comuni che formano le rocce sono anisotropi, inclusi il quarzo e il feldspato. L’anisotropia nei minerali si osserva in modo più affidabile nelle loro proprietà ottiche. Un esempio di minerale isotropo è il granato.

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