RESEARCH INSTITUTE FOR ELECTRONIC SCIENCE

北海道大学

2005−2006

はじめに−所長あいさつ−

所長

笹木

敬司

Director
Prof. Keiji Sasaki「物理・化学・生物」，「理論・実験」，「有機・無機・半導体・生体」といった研究領域の縦割りの壁を越え，分野横断的な新しいフィールドを切り拓く，このことは，基礎研究・応用研究を問わず，新しい世代の科学技術を進展していく上で，極めて重要な課題と認識されつつあります。
電子科学研究所の前身の超短波研究所は，63年前に，医学と工学の共同研究としてマイクロウ
ェーブの人体への影響を研究するために発足され，当初から物理，化学，生物，さらには数学も含めた幅広い分野の研究者を集結して，新しい学際的研究領域を開拓してきました。その伝統は，応用電気研究所，電子科学研究所と改組しながらも受け継がれ，現在では，光に関する科学，分子に関する科学，生命に関する科学の3つを融合した「複合領域ナノサイエンス」の創出を目指しています。
また，国内外の研究者や産業界との接点として，附属ナノテクノロジー研究センター（平成14年発足），寄附部門ニコンバイオイメージングセンター（平成17年発足）を擁して，多次元空間に広がる研究領域をカバーしながら，さらに高い次元に新しい独創的な複合領域研究のベクトルを張り出すべく努力しています。
教育面でも，理学研究科，情報科学研究科，医学研究科，環境科学院に協力して大学院教育を行うとともに，3つの北大21世紀COEプログラム「バイオとナノを融合する新生命科学拠点」「特異性から見た非線形構造の数学」 「トポロジー理工学の創成」に参画して人材育成に努めています。
法人化後，大学組織の改革が進む中，大学における附置研究所の役割をしっかりと考えながら，
電子科学研究所全体が一丸となって「複合領域ナノサイエンス」の独創的な研究を推進する所存です。
In the development of next generation scientific techniques, new research fields that would
overcome and transverse the demarcation of various research disciplines in Physics, Chemistry,
Biology , Theory, Experimental , Organic, Inorganic, Semiconductor, Live Organism areneeded in both basic and applied research.
Prior to the current Research Institute for Electronic Science （RIES）, the Institute of UltrashortWaves was founded 63 years ago on the basis as a collaborative research effort uniting medical
and engineering, to study the effects of microwaves on the human body by gathering researchers
from broad disciplines including Physics, Chemistry, Biology and Mathematics, pioneered many
new interdisciplinary research areas. This tradition was continued as the institute reorganized toform the Applied Electrical Research Institute, and the current RIES. We are aiming to create aTrans-disciplinary Nanoscience by synergizing the areas related to photonics, molecular andbiological sciences.
The Nanotechnology Research Center （established in 2002） and Nikon Imaging Center（established in 2005） house domestic and foreign researchers, and the industries for scientificexchanges, which provide the coverage for research extending into various multi-dimensional
regime, and function as a spearheading effort for novel and innovative trans-disciplinary research of
higher dimension.
An active role is taken in education, by providing postgraduate courses in cooperation with the
Graduate School of Science, Graduate School of Information Science, Graduate School of
Medicine and Graduate School of Environmental Science, and in nurturing talents by participatingin three 21st century COE programs New Bioscience Foundation Uniting Bio- andNanotechnology , Perspective on Mathematics of Nonlinear Structures via Singularities andCreation of Topological Science and Technology .
With the reform of the university system, it is prudent to fine-tune the role of the institute as anaffiliation to the university, and we promote our unified mission to craft a niche in trans-disciplinary
research area in Nanoscience.

Foreword

複合領域
相転移
移物性
料
分子
分
子 有機電子材料
分子認識素子
分子認
認識素子
認
識素子

情報
情報
数理
数理

ナノ
ノテ
テク
ナノ
ノマテリ
ノマ
リアル
ル

量子計
計測 ナ
計

ニコンバ
ニコ
ンバイオ
バイオ
バイオ
細胞機能

研究

はじめに
Foreword

沿革 …………………………………2
History

ナノサイエンス

組織 …………………………………3
Organization

研究所職員 …………………………4

ナ
ナノ光高機
機能材料
材料
料
量子機能素子

光電
電子物性

Directory of the Institute光極限フォトン
極限フォト
フォトン
ン
プロセス
ス
光システム計測
光
光システム
ム計測
測

ノロジー研究セン
ンタ
ン
ンター
ター
タ

電子材料物性部門 …………………6
Section of Electronic Materials

電子機能素子部門 ………………11
Section of Intelligent Materials and Device

ナノデ
ナノ
ノデバイ
イス

ナノ理論

電子計測制御部門 ………………16
Section of Scientific Instrumentation and Control

ノノシステム生理生理学
理学 超分子子分光光
算論 的生命算論理的生命算論理
生命科学

電子情報処理部門 ………………21

イメ
イ
イメージングセンター
メージ
ジングセンタージングセン
ーSection of Informatics and Processing

素子

神経情報
自律調節

生
命
生命
領域マップ

ナノテクノロジー研究センター…27
Nanotechnology Research Center

寄附研究部門 ……………………31
Nikon Imaging Center

技術部 ……………………………32
Division of Technical Staffs

広報活動 …………………………33
Public Relations

沿革

超短波研究所 1943 Research Institute of Ultrashort Waves
昭和16．1
18．1
18．3
19．1
20．1

超短波研究室が設置される
超短波研究所に昇格
第二部門、第四部門、第六部門、第七部門開設
第三部門開設
第一部門、第五部門開設
第八部門開設応用電気研究所 1946 Research Institute of Applied Electricity
21．3

24．5
36．4
37．4
38．4
39．2

39．4
42．6
46．4
48．4
50．4
53．4
60．3
60．4

応用電気研究所と改称する
部門構成：電気第一部門、電気第二部門、物理第一部門、物理第二部門、化学部門、医学及び生理第一部門、医学及び生理第二部門、数学部門
北海道大学附置研究所となる
メディカルエレクトロニクス部門新設
電子機器分析部門開設
メディカルトランスデューサ部門新設
研究部門は一部名称変更等により次のとおりとなる（昭和38年4月1日適用）
電子回路部門、電波応用部門、物理部門、化学部門、生理部門、生体物理部門、応用数学部門、メディカルエレクトロニクス部門、電子機器分析部門、メディカルトランスデューサ部門
メディカルテレメータ部門新設
強誘電体部門新設
生体制御部門新設
附属電子計測開発施設新設
光計測部門新設（10年時限）
感覚情報工学部門新設
光計測部門廃止（時限到来）
光システム工学部門新設（10年時限）

電子科学研究所 1992 Research Institute for Electronic Science
平成４．4
14．4
15．5
17．4
17．4
17．10
17．10
17．10
17．10
17．10
2

研究所改組により電子科学研究所となる
附属電子計測開発施設を附属ナノテクノロジー研究センターに改組転換（10年時限）電子情報処理研究部門感覚情報研究分野廃止
電子計測制御研究部門適応制御研究分野廃止
電子計測制御研究部門ナノシステム生理学研究分野新設
電子材料物性研究部門光材料研究分野をナノ光高機能材料研究分野に名称変更
電子情報処理研究部門信号処理研究分野を極限フォトンプロセス研究分野に名称変更
電子情報処理研究部門計算論的生命科学研究分野新設
寄附研究部門「ニコンバイオイメージングセンター研究部門」新設（開設期間3年）
英国ニューカッスル大学ナノスケール科学技術研究所との学術交流協定締結

History

組
所

長

（部

門）

織

Organization（研究分野）（大学院研究科）

電子材料物性部門
教 授 会

光 電 子 物 性

環境科学院

環境物質科学専攻

所内各種
委 員 会

相 転 移 物 性

理学院

有 機 電 子 材 料

環境科学院

ナノ光高機能材料

情報科学研究科

量子理学専攻環境物質科学専攻
情報エレクトロニクス専攻

電子機能素子部門
量 子 機 能 素 子

理学院

量子理学専攻分 子 認 識 素 子

理学院

化学専攻

超 分 子 分 光生命科学院

細 胞 機 能 素 子

医学研究科 生体機能学専攻
理学院 生命理学専攻

生命科学専攻電子計測制御部門
光システム計測情報科学研究科

情報エレクトロニクス専攻

量

子

計

測

情報科学研究科

生命人間情報科学専攻

自

律

調

節

情報科学研究科

生命人間情報科学専攻

ナノシステム生理学

理学院

生命理学専攻

数学専攻

電子情報処理部門
情

報

数

理

理学院

神

経

情

報

生命科学院

生命科学専攻極限フォトンプロセス

情報科学研究科

計算論的生命科学理学院

生命人間情報科学専攻

数学専攻

並列分散処理(客員)
寄附研究部門（ニコンバイオイメージングセンター）
附属ナノテクノロジー研究センター
ナ

ノ

材

料

理学院

化学専攻

ナ ノ デ バ イ ス

理学研究科

ナ

情報科学研究科

技

ノ

理

術

論

生物科学専攻（高分子機能学）
生命人間情報科学専攻

部

システム開発技術班

事

装置開発技術班

職員数

務

部

庶

務

係

会

計

係

図

書

教授 Professor 18（1）
助教授・講師 Associate professor 18（1）
助手 Research associate 19
技術職員 Technician 10
事務職員 Administrator 8
合計 Total 73（2），〔（ ）内は客員（Adjunct）〕

室

Number of Staffs（Apr. 2006）3

研究所職員Directory of the Institute

Director

所長
教授

笹木

敬司

Professor

電子計測制御部門

Section of

Keiji Sasaki

光システム計測

Hiroshi Tokumoto

教授
助教授
助手

教授
永井 健治
助教授 谷
知己
ゴトウ デレック
助手

Laboratory ofProfessor
Assoc.Prof.
Res.Assoc
Laboratory ofProfessor
Assoc.Prof.
Res.Assoc.
Laboratory ofProfessor
Assoc.Prof.
Laboratory forProfessor
Assoc.Prof.
Res.Assoc.

電子情報処理部門

Section of

副所長
教授

徳本

洋志

Professor

笹木
竹内
藤原

敬司
繁樹
英樹

量子計測

電子材料物性部門
光電子物性
教授
助教授
助手

太田
中林
飯森

信
孝和
俊文

相転移物性
助教授

辻見

裕史

有機電子材料
教授
助教授
助手

中村 貴義
芥川 智行
野呂真一郎

ナノ光高機能材料
教授
助教授
助手

末宗
田中
熊野

幾夫
悟
英和

電子機能素子部門
量子機能素子
教授
講師
助手

石橋
近藤
海住

晃
憲治
英生

分子認識素子
教授
助教授
助手

居城
新倉
松尾

邦治
謙一
保孝

超分子分光
助教授
助手

金城
西村

政孝
吾朗

細胞機能素子
教授
助教授
助手
助手

上田
中垣
神
木

哲男
俊之
隆
清二

Section of Electronic Materials
Laboratory of Molecular Photonics
Professor
Nobuhiro Ohta
Assoc. Prof. Takakazu Nakabayashi
Res. Assoc. Toshifumi Iimori
Laboratory of Phase Transitions
Assoc. Prof. Yuhji Tsujimi
Laboratory of Molecular Electronics
Professor
Takayoshi Nakamura
Assoc.Prof. Tomoyuki Akutagawa
Res.Assoc.
Shin-ichiro Noro
Laboratory of Optoelectronics
Professor
Ikuo Suemune
Assoc.Prof. Satoru Tanaka
Res.Assoc.
Hidekazu Kumano

Section of Intelligent Materials and Device
Laboratory of Quantum Electronics
Professor
Akira Ishibashi
Lecturer
Kenji Kondo
Res.Assoc.
Hideo Kaiju
Laboratory of Molecular Devices
Professor
Kuniharu Ijiro
Assoc.Prof. Kenichi Niikura
Res.Assoc.
Yasutaka Matsuo
Laboratory of Supramolecular Biophysics
Assoc.Prof. Masataka Kinjo
Res.Assoc.
Goro Nishimura
Laboratory of Cellular Informatics
Professor
Tetsuo Ueda
Assoc. Prof. Toshiyuki Nakagaki
Res.Assoc.
Takashi Jin
Res.Assoc.
Seiji Takagi

教授
助教授
助手

眞也
幸子
恵啓

自律調節
教授
狩野
猛
助教授 コロベイニコフ アンドレイ

ナノシステム生理学

情報数理

Laboratory ofProfessor
Res.Assoc.
Res.Assoc.
神経情報Laboratory of教授
下澤 楯夫
Professor
助教授 青沼 仁志
Assoc.Prof.
助手
西野 浩史
Res.Assoc.
極限フォトンプロセス Laboratory of教授
三澤 弘明
Professor
助教授 ヨードカジス サウルース Assoc.Prof.
助手
上野 貢生
Res.Assoc.
教授
助手
助手

西浦
柳田
飯間

廉政
達雄
信

計算論的生命科学

Computationa

Professor
Res.Assoc.
並列分散処理（客員）Laboratory of教授
中西 八郎
Professor
助教授 楚田 友也
Assoc.Prof.
教授
助教授

津田
佐藤

一郎
讓

寄附研究部門（ニコンバイオイメ
教授
教授
教員

4

栗城
小山
平田

上田
永井
齊藤

哲男
健治
健太

Professor
Professor

Scientific Instrumentation and Control
Optical Systems Engineering
Keiji Sasaki
Shigeki Takeuchi
Hideki Fujiwara
Electromagnetic Sensing
Shinya Kuriki
Sachiko Koyama
Yoshihiro Hirata
Biofluid Dynamics
Takeshi Karino
Korobeinikov Andrei
nanosystems physiology
Takeharu Nagai
Tomomi Tani
Goto Derek

附属ナノテクノロジー研究センター

Head

センター長
教授

三澤

弘明

下村
田中
薮

政嗣
賢
浩

辻井
眞山
松尾

薫
博幸
剛

徳本
岡嶋
畔原

洋志
孝治
宏明

ナノ材料
教授
助教授
助手

ナノデバイス
教授
助手
助手

ナノ理論
教授
助教授
助手

Nonlinear Studies and Computation
Yasumasa Nishiura
Tatsuo Yanagita
Makoto Iima
Neuro-Cybernetics
Tateo Shimozawa
Hitoshi Aonuma
Hiroshi Nishino
Signal Processing
Hiroaki Misawa
Juodkazis Saulius
Kosei Ueno

al Life Science
Ichiro Tsuda
Yuzuru Sato
Parallel Destributed Processing (Adjunct)Hachiro Nakanishi
Tomoya Noda

ージングセンター）
Nikon Imaging Center
Tetsuo Ueda
Takeharu Nagai
Kenta Saito

Professor
Hiroaki Misawa
Laboratory of Nanomaterials
Professor
Masatsugu Shimomura
Assoc.Prof.
Masaru Tanaka
Res.Assoc.
Hiroshi Yabu
Laboratory of Nanodevices
Professor
Kaoru Tsujii
Res.Assoc.
Hiroyuki Mayama
Res.Assoc.
Goh Matsuo
Laboratory of Nanosimulation
Professor
Hiroshi Tokumoto
Assoc.Prof.
Takaharu Okajima
Res.Assoc.
Hiroaki Azehara

Division of Technical Staffs

技術部
Informatics and Processing

Nanotechnology Research Center

技術部長
技術長

教授

笹木
土田

兼
敬司Ω
義和

太田
平田
女池
武井

隆夫
康史
竜二
将志

装置開発技術班
班長
第一技術主任
第二技術主任システム開発技術班
班長
第一技術主任

大沼 英雄
伊勢谷陽一
今村 逸子
第二技術主任（兼務） 大沼 英雄
小林健太郎
星山 満雄

Administrative Office

事務部
事務長

=谷

弘司

庶務係
係長

藤井 幹彦
土屋久仁枝

会計係
係長
主任

Head:Prof.
Keiji Sasaki
Chief Eng.
Yoshikazu Tsuchida
Equipment Developing Group
Group Leader Takao Ohta
Senior Eng.
Yasushi Hirata
Seniour Eng.
Tatsuji Meike
Technician
Masashi Takei
System Developing Group
Group Leader Hideo Oonuma
Seniour Eng.
Yoichi Iseya
Techinician
Itsuko Imamura
Hideo Oonuma
Techinician
Kentaro Kobayashi
Techinician
Mitsuo Hoshiyama

三橋
畑
渡辺
大内

慎一
周子
香織
聖和

（図書室）

Head:
Koji Hamaya
General Affairs
Chief. Admin. Mikihiko Fujii
Administrator
Kunie Tsuchiya
Accountant
Chief Admin.
Shinichi Mitsuhashi
Seniour Admin. Chikako Takahata
Administrator
Kaori Watanabe
Administrator
Masayori Ouchi（Library）
猿橋キヨミ

LibrarianKiyomi Saruhashi

5電子材料物性部門

Section of Electronic Materials

本研究部門では、電子科学を支える物質の基礎的物性研究を行っている。
具体的には光や電子の流れを制御可能な無機及び有機材料の構築と、その構造・物性の基本原理の解明を目的に、以下の４研究分野で構成されている。光と電子の相互作用を利用した光機能材料を研究する光電子物性研究分野、相転移現象における協力相互作用を利用した電子物性を研究する相転移物性研究分
野、有機分子の電子構造を利用した分子エレクトロニクス材料を研究する有機電子材料研究分野、高機能光システムを構築するための光・電子材料を研究するナノ光高機能材料研究分野である。

6

In this section, basic properties of materials for theadvanced electronic science are investigated. It covers
the basic studies of optical, magnetic and electronic
properties of organic and inorganic compounds available
for controlling electrons and photons. The following four
laboratories are organized in this section: Molecular
Photonics (photon-electron interaction and photoinduced
function of materials), Phase Transition (collective
motion of atoms and molecules), Molecular Electronics(supramolecularsystemsforelectronics),
Nanophotonics (basic properties of materials for optoelectronics).

光電子物性研究分野
Molecular Photonics

分子および分子集合体の新
たな光電子物性発現を探る『光励起ダイナミクス』、『電子励起分子の構造』、『光機能物性』をキーワード
として、光と電子の相互作用に関わる物
理化学的諸問題を理論的に、そして実験により研究する。
有機分子や分子集合体の光誘起電子移
動反応、光励起エネルギー移動反応、光誘起プロトン移動反応あるいは励起錯体形成といった光化学反応ダイナミクスはどうなっているのか、電場や磁場によりどのような変化を示すのか、またそれは励起分子の電子構造や準位構造とどのように関係するのかを発光や吸収の分光特性および時間特性を調べることにより明らかにする。さらに発光特性の電場、磁場依存性を観測することにより、励起分子の構造とダイナミクスが、光導電性や有機電界発光の発現といった光機能物性とどのように関係するのかを調べる。
生体系に特徴的な高速、高効率、高選
択的といった光化学反応の特異性が、膜蛋白における色素分子の機能的かつ秩序
正しい配列構造に起因することに鑑み、色素分子を異なる長さの分子鎖で連結させた分子系、あるいは分子の空間配向、配列を制御した分子系、さらには生細胞に着目して研究を進めている。
これらの研究を通じて、光学・電気・Studies on photoexcitation dynamics
and photoinduced functions ofmolecular systems

磁気的特性に関してこれまでに全く知られていない光励起に伴う新たな光電子物性の発現を探る。

研究テーマ
・時間分解電場発光測定装置の開発と光化学反応への局所電場効果の解明
・配向分子系における特定方向への光誘起ダイナミクスと電場、磁場効果
・連結分子発光の電場、磁場効果および有機電界発光の研究
・電場吸収、電場発光スペクトル測定による表面モルフォロジーの研究
・ポルフィリン連結化合物の電気的、磁気的光機能物性の研究
・生細胞の時空間分解蛍光イメージング
測定

Interaction between photon andelectron has been investigatedtheoretically and experimentally formolecules, molecular complexes,
molecular aggregates and molecularassemblies, with a special attention
to "Dynamics" and "Structure" ofphotoexcited species and photoinduced"Function" of materials.
Excitation energy transfer,

photoinduced electron transfer,
proton transfer and complex
formation in the excited states,
which are primary processes ofmany photochemical processes andplay a significant role in biologicalsystems, have been examined, basedon the measurements of emission
spectra and their decay profiles. In
order to elucidate the relation
among "Dynamics", "Structure" and"Function", external electric field
effects and/or magnetic field effects
on these photochemical processes
have been examined.
Well-defined molecular order isextremely important to generate an
ultra-fast, ultra-efficient and ultraselective photochemical process, as
is seen for photochemical processesin photosynthetic reaction center,and to produce a new material witha new photoinduced function. In
order to induce a characteristic
photochemical process which isapplicable for a design of the newmaterial having a new function,
photoexcitation dynamics andphotoinduced electric and magnetic
properties have been examined inmolecular assemblies and linked
compounds with higher-orderedorientation and arrangement.

Research Interests
・Structure and dynamics ofphotoexcited molecules
・Photoinduced properties andfunctions・Effects of electric field andmagnetic field・Time-resolved spectroscopy
・Molphology of solid films
・Fluorescence lifetime imaging(FLIM) system

Time-resolved emission measurement system.
FLIM system.

7

相転移物性研究分野
Phase Transition

物質のゆらぎに現れる
未知の性質を探る
氷は０℃で解けて水になる。この極めて日常的な物質の変化も相転移の一例であり、ここにも物質のさまざまな秘密が隠されている。相転移物性の研究では安定な状態の物質がなぜ別の状態（液体相である水）へ「転移」するのかを調べる。
このような相転移のときには、物質を構成している原子･分子間の力の均衡を破る何か異常なことが起きている。そのとき物質は安定な状態で隠されている新たな性質を示す。この「異常なこと」は物質の性質に「ゆらぎ」をもたらすので、それを観測することで物質の未知の性質を知ることができる。本研究分野では結晶から高分子ゲル、ガラス、液体にいた
る広い範囲の物質を対象として、固相間相転移、融解、結晶成長などの相転移におけるゆらぎの特性を、レーザーを用いて振動数成分や時間変化を観測している。当研究分野の研究の目的は「ゆらぎ」の生じる原因を物質不安定化機構として
原子・分子論的に解明し、電子科学のための材料として有用な物質の新しい機能性を設計する際の指針を得ることである。このような原子・分子論的基礎に基づく相転移機構の解明は新しい物質の存在形態を知り、それを通して自然界の構
造の新しい理解をもたらす。

研究テーマ
・水素結合型誘電体のプロトンダイナミ
クス・コヒーレントフォノン励起法によるソフトモード励起・リラクサー強誘電体のダイナミクス
・量子常誘電体、量子強誘電体の量子ゆらぎダイナミクス
・機能性高分子ゲルの高分子ネットワー
クダイナミクス

The study of the phase transition
reveals new unknown properties ofmaterials useful for synthesis ofnoble materials for electronicscience. These valuable properties
are usually hidden in the normalmaterial constants observed under astable condition. The fluctuation of
the physical quantities grows up
near the phase transition to give adivergent or sometimes a gigantic
value of the susceptibility available
for the new electronic science. We
study many kinds of phasetransitions in the condensed matter
under unstable condition controlled
artificially in order to elucidate thecooperative motion of atoms/

Femtosecond Q-sw mode-locked Ti:sapphire laser
system for the study of ultrafast dynamics.

8

Noble Property Hidden in theFluctuations of Materials
molecules in the phase transition
mechanism. We observe thedynamics by the use of CW andpulse lasers of pico- or femtosecond
time width for the observation ofwhole of the dynamics in the phasetransition in both of the frequency
and time domains. We treat here awide variety of the phase transitions
in ferro- and antiferroelectric
crystals, ferroelastic crystals,
polymer gels, quasi-crystals,
glasses, liquids in addition tomelting and crystal growthphenomena.

Research Interests
・Proton dynamics in hydrogenbond・Coherent excitation of soft modes
by ultrashort laser pulses
・Phase transition of relaxor
ferroelectric・Quantum fluctuations in quantum
paraelectrics and quantum
ferroelectrics
・Polymer network dynamics inintelligent polymer gels

Raman scattering system for the study of proton
dynamics in the hydrogen-bounded material.

有機電子材料研究分野
Molecular Electronics

分子ナノエレクトロニクスの実現を目指して分子が集合体を作る性質（自己集積化能）を利用して、集積分子システムを創製し、それを複合化・集積化することで、次世代のコンピューティングシステムのための分子ナノデバイスの構築を目指している。
1つの分子に他の分子を認識する性質を付与し、分子が自然に寄り集まって、高度な集積構造を形成するようにあらか
じめ分子を設計する（分子プログラム）
ことで、分子からボトムアップの手法で集積分子システムを組織化することが可能となる。集積分子システムの構造物性評価・機能開拓を行い、更にそれらをユニットとする高次構造を用いて分子ナノデバイスを構築する。
具体的には、超分子化学の視点から分子性導体、分子磁性体を捉えなおし、分子ローターやイオンチャンネルなどの超分子構造と分子性導体・分子磁性体とを、自己集積化により複合化することで、新規機能性材料を開拓している。また、
これら集積分子システムから薄膜、ナノワイヤなどナノサイズの機能性ユニットを形成し、デバイス応用への展開を図っている。

Towards the Realization of MolecularNanoelectronics

研究テーマ
・機能性超分子構造を組み込んだ分子性
導体・磁性体の創製
・固相分子モーターの開発
・分子集合体ナノワイヤの構築とデバイ
ス展開
・双安定性を有する分子集合体の開拓
・ポリオキソメタレートを用いた超分子構造の構築と物性制御
・固気界面場での金属錯体集積
・有機及び金属錯体FETの開発

Towards the realization of
Molecular Nanoelectronics, wedevelop the "Integrated Molecular
Systems" through molecularAssembly processes, which arefurther assembled into molecular
nanodevices for future computing
systems.
To obtain integrated molecularsystems through bottom-up selfassembly processes, we programeach molecule in advance to have ascenario for assembling into highlyordered and complex structure. We
evaluate the structure andelectronic properties of themolecular systems and fabricate

nanoelectronic devices using themolecular systems as active units.
We are now studying on molecular
conductors and magnets from theview points of supramolecularchemistry.
Combiningsupramolecular structures ofmolecular rotors and ionic channels
with molecular conductors andmagnets, we develop novel
functional molecular systems.
Forming thin films and nanometersize units such as nanowires fromthe integrated molecular systems,
we are constructing molecularelectronic devices.

Research Interests
・Molecular conductors andmagnets with supramolecularfunctional units
・Solid state molecular motors
・Molecular nanowires and device
application
・Molecular assemblies withbistability
・Supramolecular assemblies with
Polyoxometalate・Assemblies of metal complexes atthe solid-air interface
・Organic and metal-complex FET

Molecular rotor into magnetic crystal

9ナノ光高機能材料研究分野
Nanophotonics

光と電子の量子状態制御で高機能発光素子を創る
光エレクトロニクス分野では、これまで以上に安全性が高くかつ高速な次世代
光通信・光情報処理とこれを実現する新規デバイスの開発、発光波長の短波長化や多波長化、耐環境デバイス化等の高機能化を実現する新材料とその構造制御が求められている。本研究分野では、(I)半導体表面の原子レベル制御とこれを用いた量子ドットなどナノ構造作製による電子状態制御、(II)ナノテク技術を用いた３次元微小光共振器の作製による3次元
光場制御、(III)両者を組み合わせて光子生成過程を制御する光高機能材料、これを用いたナノ構造とその応用に関する研究を進めている。具体的には、
１）耐環境デバイスの実現が期待される
SiC表面の高温熱処理による、非常に周期性が高い１次元構造（ナノ表面）の制
御とヘテロ物質の成長による新規物性の探索を進める。
２）量子ドットの離散的な量子状態を用いた光子生成過程の制御と、これを微小光共振器と結合させることによる発光再結合過程の増強を用いて、光子生成過程
を完全に制御できる光機能デバイスの実現を目指す。この一貫として、これまでほとんど未開拓であるフォトニクスと超伝導をつなぐ新しい境界領域の開拓を目
指す。

研究テーマ
・SiC半導体表面ナノファセット周期構造の自己組織化現象の解明
・超周期ナノ表面におけるヘテロ物質（GaN, Au, CNT）の構造・物性制御
・III-V-N窒化物半導体を用いた量子ドッ
トひずみ補償による発光波長制御
・単一量子ドットの時分解分光と光子生成過程の制御によるオンデマンド光子源の開発
・微小光共振器の作製と量子ドットとの結合による励起子状態制御
・超伝導フォトニクスの創成とその応用

Next-generation information
networks with higher reliability
request devices with new concepts
and high functionality. Ourlaboratory develops nano-photonic
highly functional materials andstructures by (I) atomic-level control
of semiconductor surfaces andfabrication of nanostructures suchas quantum dots and (II) fabricationof three-dimensional microcavities
based on nanotechnologies:
1) SiC is candidates for devices to be
used under hard environment
and atomic control of the surface
structures are being studied.
Combinations with nanostructures

Photon correlation measurement setup and results
to show anti-bunching or bunching of photons
emitted from quantum dots.

10

Quantum Control of Electron-Photon
Interactions with Nano-Photonic Highly
Functional Materials and Structures
are expected to show new functions.
2) Photonic functional devices that
perfectly control photon emission
processes are being studied by the
coupling of quantum dots andoptical microcavities. This will offer
solid-state on-demand photon
sources for quantum information
processing. This also leads to ouruniqueresearchon"superconductivity photonics".
Homepage:
http://opmac06.es.hokudai.ac.jp/

Research Interests
・Self-organization of SiC surfaces
into nano-facet periodic structures
・Self-orderingofsurfacenanostructures of GaN, Au, and
CNTs on SiC surfaces
・Photo-emission wavelength controlof quantum dots by strain
compensation with III-V-N nitrides
・Time-resolved spectroscopy ofsingle quantum dots and ondemand regulated photon emission
・Fabrication of microcavities andcoupling with quantum dots forcoherent control of excitonic states
・Interdisciplinary research onsuperconductivity photonics andits applications

AFM and HRTEM images of SiC nanosurface and its cross-sectional model.

電子機能素子部門

Section of Intelligent Materials and Device

分子集合体・人工超格子の量子効果あるいは生体分子の極微細構造を利用したスイッチング、記憶、増幅、変換などの回路素子や特殊な物質を検出するための素子の原理を研究する。研究分野としては無機・有機材料の量子効果を利用した光電機能素子の研究、分子の組織化に係わる物理・化学過程の解明と分子素子の開発、細胞内の生理機能に関連した機能素子を研究する分野から構成されている。

The present section is to carry out basic studies forhigh performance electronic devices for switching,amplifying, memorizing and sensing signals of any form,
utilizing inorganic, organic and bio-materials. The section is composed of four laboratories: Quantum
Electronics and Molecular Devices, Supramolecular
Biophysics and Cellular Informatics.

11

量子機能素子研究分野
Quantum Electronics

ボトムアップ系とトップダウン
系の続合プラットフォーム創り
ナノスケールで離散化されたバルクサ
イズ時空間系を創り、そこに現れると期待される変調された光電相互作用、電子
相関、自己組織化臨界現象や自発的対称性の破れを通じナノ構造物理の本質を探ることを目指している。稠密かつ局所的に個別アドレスすることの可能なナノ構
造体を大局的なサイズで得ることによってナノとマクロをつなぐと共に新しい量子機能を創出する。ボトムアップ系とト
ップダウン系を統合する(プラットフォームを得る)ことは、ナノテクノロジー
分野で今後得られる新しい効果や機能を既存のシリコンベースのlTインフラ構造と接続し、相乗効果を引き出そうとする際に極めて重要であると考えられる。局
所空間において光一電子一原子(団)系を構成し、そこに現れる旧来の相互作用の新しい側面及び全く新しい相互作用の可能性を実験と理論の両面から探っていく。
理論面では第一原理計算を基に電子構造
ならびに輸送特性の計算を、実験面ではスパイラルヘテロ構造体の作製と評価・解析を、主軸に行っている。

12

Creating a Unification Platform for
Bottom-up and Top-down systems

研究テーマ
・ナノ構造物理学
・トップダウン系とボトムアップ系の接続・統合・次元性(ヘテロ構造)/階層性制御
・金属/誘電体及び、金属/半導体スパイラルヘテロ構造とその光電子物性、太陽電池
・スピン量子十字構造の電気磁気特性
・ナノ空間での電子・スピン相関と輸送
特性・密度汎関数法と多体摂動論による第一
原理計算

Creating a unification platforｍ forbottom-up and top-down systems is
one of the most important issues for
harvesting fruits of upcoming nanotechnologies and nano-science aswell as those of Si-LSI-based
information technologies. By
fabricating nanostructured systems
that enable us to make one-to-one
addressing with nanoscale spatial
resolution over a macroscopic
sample, seamless conjunction of
nano- and macro-systems can bemade giving rise, for example, to a
Si-based LSI system that enjoys

newquantum
physicalfunctionalities provided by various
bottom-up systems.
We have been studying
nanostructure physics by preparing
systems being discrete in nanoscale
but having a bulk size, investigating
the electro-optical interactions,electronic correlations, selforganized criticalities, and possible
spontaneous symmetry breakdown
in such systems. We are interested
in both fabricating spiral heterostructures for a new platform as
well as for functional memories plus
high efficiency photovoltaic devices
and calculating the electronic
structures of the systems.

Research Interests
・Nanostructure physics
・Spiral heterostructures
・Electronic correlations and spincorrelations in nanostructures
・Dimensionality (hetero-structural)control・Electric and magnetic property inspin quantum-cross structure
・Photovoltaic devices/Solar cells
・Density functional theory
・Many-body perturbation theory分子認識素子研究分野
Molecular Devices

階層構造を持つ分子素子の開発
生物は高度な分子認識とそれによって組織化された分子集合体システムを駆使して、効率の良いエネルギー変換や物質生産、様々な情報変換を達成している。
本研究分野では、生物の分子組織化を手本とすることで、ナノメーターからサブ
ミリメーターにいたるメゾスコピック領域における分子の階層的な組織化を行い、新規な機能性材料の開発を行っている。分子認識や自己集合などの超分子化学の手法によりナノメーターサイズで分子を組織化し、さらに散逸構造形成を利用することでマイクロメーターサイズでの分子集合体の組織化を行い、分子の階層的な構造化を計ろうとしている。
具体的には以下の2つのテーマを中心に進めている。
∏DNAに見られる相補的塩基対形成を利用することでDNAの塩基配列に従って機能性分子を配列させ、ナノメーター
サイズで分子の組織化が制御された分子集合体の構築を行っている。さらに組織化させたDNAを塩基配列特異的に金属化することで、複合金属ナノワイヤーへの応用などに展開している。
πタンパクの自己組織化としてウイルスの外皮タンパクに着目し、ウイルスタン
パク集合体の構造制御及びドラッグデリ
バリーへの応用を進めている。
これらの階層的分子構造から化学セン

Development of HierarchicallyStructured Molecular Devices

サーや人工光合成、細胞薬剤送達材料な
ど新規な分子素子の開発を目指してい
る。

研究テーマ
1．DNA及びDNA-mimeticsの組織化と光機能化
2．DNA分子を鋳型とした金属ナノワ
イヤーの創製
3．人工ウイルスカプセルを用いたドラッ
グデリバリーシステムの構築

Bioorganisms are capable ofefficient energy transformation,
selective synthesis of biomolecules
and interactive information processing.
All these processes are based on
effective molecular recognition at
highly organized supramolecularassemblies. This research group isconcerned with the construction ofhierarchical molecular devices by
the combination of nanosize molecularassemblies with micron size
structures derived from dissipative
processes. The following themes arein progress.
∏ Nanosize molecular assemblies
based on molecular recognition havebeen
fabricatedbyusingcomplementary hydrogen bondingof deoxyribonucleotides (DNA) at
the air-water interface. Molecular
information of DNA sequence can betranscribed into functional grouparrangement in DNA-mimeticorganizates. We have developed thesynthesis of conductive metal
nanowires from single DNA
filaments for the future fabricationof nanoscale electronics based onmolecular assembly.
π Protein-assembly using viruscapsid proteins have been explored.
Chemical modification of theproteins give structural stability ofthe virus capsule suited for drugdelivery carrier.
The research aimes at thedevelopment of chemical sensors,
artificial photosynthesis systems
and virus-based drug delivery
carriers.

Research Interests
・Organization of DNA and DNAmimetics and its photo-functionalization
・Synthesis of DNA-templated
metal nanowire
・Creation of virus-based drugdelivery carries.

100nm
Silver nanowire on template DNA13

超分子分光研究分野
Supramolecular Biophysics

光で見る生き物の世界
生体が営む多彩な機能は、核酸や蛋白質のような生体高分子を基本として、細胞、組織、そして個体と高度に分化した構造によって規定されている。この生命活動を原子、分子レベルから統一的に理解する新しい概念が生体超分子である。
その中で脳は情報処理を行う理想的な生体超分子と言えよう。
本研究分野は、種々の光学技術を用い、単一分子レベルからヒトの脳まで、大きさにして109倍、時間スケールで1012倍の広領域での構造と機能と相関を求める。
この時に使用する光技術をもとに新しい医用光学の基本原理の確立も目指す。単一分子レベルの計測は、新たに分子診断の道を拓く。ここでは、光のゆらぎを利用した分光法―相関分光法を生体系に導入し、特に蛍光相関分光法の医学応用を
探りたい。

14

Light, Tool for Exploring the Secret of
Life
研究テーマ

・単一分子検出法の開発並びに分子診断法の基礎研究・近赤外分光法の開発と脳機能計測への応用
・時間分解計測法や相関分光法を用いた生体分光学の開拓・MRI、PET等と光計測法による高次脳機能解析
・蛍光相関分光法による細胞内物質輸
送、情報伝達、遺伝子発現の研究

Biological system is a typicalexample of the general concept ofsupramolecule, where the numerous
functions are originated fromcomplex interactions among
biological active molecules, cells,
tissues and organs. Using noninvasive optical techniques, we aretargeting the functions and structuresof the system from the single molecule
to brain tissue for understanding

the role of supramolecular system.
For this purpose, we also
investigate
various
opticaltechniques and aim to establish a
new methodology in biomedical
field.
1) Analysis of the higher brain
function by optical imaging technique.
2) Investigation of tissue spectroscopyusing time-resolved technique,correlation techniques, such as
diffusing-wave spectroscopy andfluorescence correlation spectroscopy,
and single molecule detection
methods.

Research Interests
・Single molecular detection
・Functional near-infrared spectroscopy
・Methodology of tissue spectroscopy
・Functional brain mapping
・Fluorescence correlation spectroscopy

細胞機能素子研究分野
Cellular Informatics

粘菌に学ぶインテリジェンスの自己組織化原理
本研究分野は、自律的な生命の最小単位である細胞で創発される複雑・多様な機能を、オルガネラ、高分子、代謝反応などによる物質系での階層的自己組織化として解明することをめざす。裸の原形質である原始生命体の巨大アメーバ：粘菌の特徴を活かし、環境の受容−情報判
断−適切な応答という情報過程の研究に取り組んでいる。代謝反応レベルでの行動発現と、遺伝子発現レベルでの形態形成とを具体例とし、特異な受容分子や情報伝達分子の探索・同定に止まらず、細胞の全体性・インテリジェンス・知覚という場の情報を、非線形非平衡場でのパ
ターン・ダイナミクスとして明らかにしている。特に、迷路などの戸惑う状況での粘菌の効率的な振る舞いを調べている。タスクの最適化の視点から粘菌の情報処理能力の高さを評価し、その計算ア
ルゴリズムを細胞運動ダイナミクスの数
理モデル化を通して解析している。

True slime mold.

Toward Self-Organization ofIntelligence at the Cellular Level:
Lessons from the True Slime Mold

研究テーマ
・振動子集団の挙動と好き・嫌いの判断・情報機能をになうリズム素子の自己生
成・細胞骨格系の動態と細胞形状
・細胞の 計算 原理と数理モデリングA cell is the smallest system where
dynamism of life works autonomously. Emergence of cellularfunction is studied in terms ofhierarchic self-organization inchemical systems far away fromequilibrium. The true slime mold isa giant amoeboid cell and is usefulfor this purpose. Cellular information
which governs cell behavior andmorphogenesis is studied in termsof spatio-temporal dynamics of both
metabolism and gene expression.
We focus on smart behaviors of true
slime mold in a maze and otherpuzzling situations. Ability of

information processing is estimatedfrom the viewpoint of optimization
for the task. And computationalalgorithm of the optimization is analyzed by constructing a mathematicalmodel for spatially and temporally
multi-scaled dynamics of intracellularbiochemical events.

Research Interests
・Sensing and judging
・Biochemical oscillation
・Pattern formation
・Dynamics of cytoskeleton
・Mathematical modelingEveryday life in laboratory.

15

電子計測制御部門

Section of Scientific Instrumentation and Control

本部門では、光や電子の波動性を利用した並列・高速・精密計測を基にして、生体が持っている柔軟性と適応性を具備した制御システムの理解と新しいシステムの実現を目指して研究を行っている。研究分野としては、レーザーを利用した光物理現
象の計測・制御とそのシステム化を目指す光システム計測研究
分野、磁場や電場による脳機能の無侵襲計測と解析を行う量子計測研究分野、ミクロからマクロにわたる領域での血流動態お
よびリポ蛋白輸送の計測・解析とその医療への応用を目指す自律調節研究分野、生命現象のシステム論的解析とその工学・医学への応用を目指す適応制御研究分野から構成されている。

16

In this section, investigations are made on the mechanism and implementation of flexible and adaptive control
systems, such as those of a living body, based on themetrology that relies on parallel, interactive, and highspeed characteristics of light and electron waves.
The section comprises four laboratories that are
Optical Systems Engineering, Electromagnetic Sensing,
Biofluid Dynamics, and Biomedical Control.

光システム計測研究分野
Optical Systems Engineering

光の量子性、波動性を極める新世代光科学
光通信をはじめとして、「光」の優れた時間・空間特性を利用したテクノロジ
ーは高度情報化社会において重要な役割を担いつつある。本研究分野では、光テクノロジーの究極を目指して、光の量子性・波動性をフルに活用した新しい概念に基づく光情報処理、光計測制御など、新しい世代の光科学の研究に取り組んでいる。
光量子情報 超並列・超高速処理を実現する量子コンピュータや盗聴の危険を完全に回避できる量子暗号通信の実現に向けて、量子力学的なもつれ合いをもつ
光子対の発生や制御ならびに高効率な光子検出装置の開発を行い、光子情報通信・処理システムのプロトタイプを構築している。
光量子制御 単一光子制御デバイスや超低しきい値レーザーの開発を目指して、球形微粒子やランダム媒質等の微細構造体により光子を高効率に閉じ込めて原子・分子の発光ダイナミクスを制御したり、非線形光学現象を誘起することを試みている。
光計測制御 ナノ空間の光計測技術やレーザーマニピュレーションを利用した
極微弱な力の解析や、単一光子源の開発に向けた単一分子・単一ナノ微粒子の分光計測システムの構築、ならびにもつれ合い光子を用いたナノリソグラフィ技術の開発を目指している。
http://optsys.es.hokudai.ac.jp/ind
ex-j.html

Towards Ultimate Optical Sciences andQuantum Photonics
研究テーマ

・量子暗号の実現に向けた単一光子発生装置と高効率光子数検出器の開発
・光子もつれ合い制御による量子テレポーテーション・量子リソグラフィ
・微小球や不規則媒質の光共振現象の解
析と単一光子制御デバイスの開発
・単一分子・単一ナノ微粒子のダイナミ
ック分光計測と単一光子源の開発
・３次元ナノ位置検出技術と光マニピュ
レーションを用いた極微弱力解析

Advanced optical technologies
utilizing unique characteristics oflight will play an important role in a
future information-oriented society.
Our group aims to open new research
fields in optical sciences and toprogress toward the ultimate goal of
new optical technologies. On thebasis of new ideas and original concepts,
we investigate optical computing,communication, measurement, andcontrol techniques using bothphoton and wave aspects of light.
Quantum Information Technology:
Elemental devices of quantum
information systems such as singlephoton sources, twin-photon generators,
and multi-photon detectors aredeveloped for realization of quantum
teleportation, quantum cryptography,and quantum computing.

A microsphere with a stem contacted with atapered fiber.

Quantum Control of Photodynamics:
Photon confinements within
microspherical particles andrandom media are investigated torealize cavity quantum electrodynamical effects and nonlinear
optical phenomena for applications
such as single-photon switching
devices and highly efficient microlasers.
Optical Measurement and Control:
Three-dimensional nano-position
sensing, laser manipulation, andnear-field microscopy are utilized
for control of molecular interactions
and for spectroscopic analyses ofsingle molecules and single
nanoparticles. Quantum lithographyusing entangled photons is also
investigated.

Research Interests
・Quantum computing and communication
・Quantum teleportation and lithography
・Quantum dynamics in microstructures
・Single molecule and particle spectroscopy
・Nanophotonic sensing and manipulation

Single-photon source

17量子計測研究分野
Electromagnetic Sensing

量子のはたらきで脳機能を観る18

SQUIDs and Neuroimaging

超伝導電子の特異な量子干渉効果を利用したSQUID（Superconducting
Quantum Interference Device）は、他に追随を許さない超高感度な磁気センサである。SQUIDを用いると脳神経の活動により生じる微弱な磁場（脳磁場）が検出でき、ひとの頭部周囲で脳磁場を計測してその発生源を推定すると、脳活動の時空間特性が可視化できる。
本研究分野では SQUID をテーマに、磁気センシングと脳機能の完全無侵襲計測・解析の研究を行っている。脳機能計測では脳磁場（MEG）とともに、
脳血行動態を検出する機能的磁気共鳴イメージング（fMRI）や脳電位情報を併用して聴覚や視覚などの感覚機能やアウ
ェアネス、言語、記憶、音楽認知などの高次機能に関わる脳の活動様式を明らかにしようとしている。加えて発声聴覚フィードバック機構を明らかにするために行動実験、fMRI計測を行っている。磁
気センシングでは、生体磁場などの微弱な磁気信号をさまざまな環境で計測するための磁気計測システムの構築を目指し、液体窒素を冷媒として作動する高温
超伝導体SQUIDや磁気ノイズ除去法の研究開発を行っている。
http://squid.es.hokudai.ac.jp

Superconducting quantum Interference device (SQUID) is anextremely sensitive magnetic fieldsensor capable to detect a field
down to 10 -15 T. Transdisciplinary
studies related to SQUIDs arecarried out in our laboratory,
including the research on magnetic
and electrical properties of hightemperature-superconductor SQUIDs,
their application to the detection of
biological signals, and physiological/biomedical investigation using a
low-temperature-superconductor
SQUID.
Based on the high spatio-temporal
resolution of SQUIDs, cortical lociand their dynamics of neural

Experimental systems for research on
speech auditory feedback control
mechanisms

Brain activities associated with speech
auditony feedback control

研究テーマ
・MEGによる無侵襲脳活動計測と活動源解析法の検討
・MEGを利用した感覚機能や高次脳機能のイメージングと解析
・fMRIによる中枢神経活動の計測と信号処理（発声聴覚フィードバック制御）
・発声聴覚フィードバック機構の検討
・高温超伝導SQUIDと磁気センシング
システムの開発

activities underlying various
functions of the human brain are
visualized. Auditory/visual sensory
functions and higher functions ofawareness, memory, language, andmusic comprehension of the humanbrain are elucidated by multi-modal
approach using the SQUID, functional
MRI, and high-resolution EEG,
supplemented. Auditory Feedbackin speech production and its role inlanguage acquisition and foreighlanguage learning are alsoinrestigated.

Research Interests
・High-Tc SQUIDs
・Biomagnetism
・Functional neuroimaging
・Music Perception
・Speech Perception
・Speech Audiory Feedback

HOKUDAI MEG system in Researchand Education Center for Brain Science（RECBS）

自律調節研究分野
Biofluid Dynamics

血流および物質移動を観て血管病の局在化機構を解明する
ヒトにおける動脈硬化症、脳動脈瘤形
成、吻合部内膜肥厚などの血管病は、比較的大きな動脈の分岐部、湾局部、および急激な拡大部など、流体力学的見地から見て二次流や渦の発生により血流が乱れやすい部位に選択的に起こることが示されている。しかしながら、その局在化の機構はまだ良く判っていない。本研究分野では、これらの血管病の誘因物質と考えられているコレステロールの血中における担体である低密度リポ蛋白(LDL)の血管内における挙動に注目し、その血管内壁表面における濃度、内皮細胞による取り込み、および血管壁構成細胞の増殖・衰退に及ぼす流れおよび水透過の影
響について理論および実験の両面より検討してこれらの血管病の発病並びに局在化の機構を明らかにし、これらの血管病の診断、予防、および治療に役立てようと努力している。コンピュータ・シミュ
レーションによる理論解析、培養血管細胞を用いた実験、および動物実験により研究を展開している。

Unraveling the Mechanisms ofLocalization of Vascular Diseases

研究テーマ
１．ヒトの脳、心臓の血管系および大動
脈内の流れの解析
２．動脈硬化症、脳動脈瘤形成および吻
合部内膜肥厚の局在化機構の解明
３．血管壁へのリポ蛋白の物質移動に及ぼす流れおよび水透過の影響
４．血管細胞の増殖･衰退に及ぼす流れおよび水透過の影響

To elucidate the mechanisms of
localization of atherosclerotic
lesions, cerebral aneurysms, andanastomotic intimal hyperplasia inman, the effects of various physicaland fluid mechanical factors such as
flow velocity (shear rate), bloodpressure, and water filtration
velocity at the vessel wall on
concentration of atherogenic low
density lipoproteins (LDL) at theluminal surface of an arterial wall,
uptake of LDL by endothelial cells,
and proliferation/ degeneration of
the cells constituting the vessel wall
are investigated in detail. This isdone by carrying out computer
simulations of transport of LDL
from flowing blood to an arterial
wall, performing in vitro mass

Crosssectional views of hybrid vascular grafts showing the effects of fluid
velocity and water filtration on proliferation of the cells. EC: endothelial cell,
SMC: smooth muscle cellAn end-to-end anastomosed arteryin which an intimal hyperplasia
occurredtransfer experiments of LDL using amodel of an arterial wall preparedby seeding bovine aortic endothelial
cells (EC) on layers of cultured
smooth muscle cells (SMC) and coculturing them, and carrying out
animal experiments.

Research Interests
1. Analysis of the flow patterns in
the human cardiovascularsystems
2. Elucidation of the mechanisms of
localization of vascular diseases
3. Theoretical and experimental
study on the effects of blood flow,
blood pressure, and water
filtration on transport of LDL
from flowing blood to an arterial
wall and proliferation of the cells
forming the vessel wall

Fluorescent dye-stained dog aortic
endothelial cells coating the luminal
surface of a hybrid vascular graft inmonolayer

19ナノシステム生理学研究分野
Nanosystems physiology

生命現象のからくりを可視化で解き明かす
ひとつの受精卵が分裂と分化を経て、多様な細胞が機能的につながりあう多細胞個体を形成する。１個体を構成する
様々な細胞が相互に連絡をとりあうことによって、個体としての刺激応答をおこなう。分子間、そして細胞間を相互に結びつけるつながりの仕組みを明らかにすることが、このような生命のしくみを解
き明かす鍵であろう。ナノシステム生理学研究分野では、生体分子、細胞レベルの生命現象を研究対象として、遺伝子工学技術に基づく生体分子可視化技術を駆使して、個体の発生や刺激受容と応答に関わる分子間・細胞間相互作用を明らかにすることを大きな研究テーマに掲げている。個々の分子、個々の細胞のふるまいを生きた状態で可視化するのみならず、蛍光共鳴エネルギー移動などを利用した細胞内斥候分子を細胞内や組織内のあらゆる部位に放つことによって、細胞内シグナル伝達を担うタンパク質のリン酸化状態や細胞内カルシウムイオン濃度の変化といった細胞内シグナルの流れを可視化し、さらには操作する。生体分子や細胞の相互作用を生きた状態で可視化するアプローチは、ポストゲノム時代における生命現象解明の大きな流れとなるはずである。

研究テーマ
1）蛍光および化学発光蛋白質を用いた指示薬開発
2）高性能指示薬開発のためのタンパク
質立体構造解析3）光照射による生体機能操作法の開発
4）個体レベルの機能イメージングに資する新型顕微鏡の開発
5）動植物の刺激応答＆形態形成システ
ムに関する研究
6）超迅速なゲノム配列決定法の開発

It is amazing to consider that thegrowth of multicellular livingorganisms, including humans,
begins with just a single fertilized
egg. This is followed by distinct
developmental processes of cell
division and differentiation, which
results in the formation of a wide
variety of different cell types thatare intricately connected andfunctionally correlated as a wholeorganism. Moreover, communication
between the various cell types also
exists to ensure that any stimulus
the organism may experienceduring its lifetime is met with anefficient, coordinated response.
In order to understand thedevelopmental and stimulus/
response processes that make up awhole living organism, it isimportant to first have a clear
understanding of the functional
interactions between both individual
cells and single molecules withinthese cells.
Using the latest in biomolecularimaging technology, research in ourlaboratory is focused on investigatingsuch biological interactions at boththe molecular and cellular level.
This involves not only direct
imaging the "presence" of single
molecules and individual cells, butalso the use of Fluorescence
Resonance Energy Transfer (FRET)based approaches for real-time
imaging of dynamic, reversible
biological signaling "events" such asprotein modification and intracellular
calcium changes. Moreover, thisFig. 1
Distribution of intracellular calcium ions in cultured
mammalian cells monitored with a fluorescent proteinbased indicator

20

Exploring the mechanisms of life
through the use of live imaging
imaging technology will also be
combined with protein manipulation
techniques to elucidate the functional
contribution of these dynamic
interactions
andsignalingtransduction events in the whole
living organism.
As life sciences moves into thepost-genomic era, the continual
development of real-time imaging
approaches for elucidating cell andbiomolecule interactions in whole
living organisms is becoming
increasingly important.

Research Interests
1）Development of novel fluorescentprotein-based indicators forbiological events
2）Application of protein 3D structural
information to development ofnovel indicators3）Development of techniques forlight-based manipulation of protein
activity4）Development of optical microscope
technology enabling wholeorganism imaging
5）Elucidation of signaling systems forsensing and responding toenvironmental conditions, and forestablishing certain morphology
during embryogenesis.
6）Development of ultra highthroughput genomic sequencing
technology

Fig. 2Single molecule imaging of
nerve growth factors bound to
the distal tip of a nerve fiber

Fig.3
Cultured bacteria expressing
three types of fluorescentproteins with different colors

電子情報処理部門

Section of Informatics and Processing

推論や判断などの柔軟な電子情報処理の実現に必要な、新しい原理の探求を進めている。自然界の形や流れなど非線形現象の裏にひそむ数理、無脊椎動物の神経系の設計原理、光を用いた様々なナノファブリケーション技術の開発および光ナノデバ
イスの構築、について研究する４つの研究分野からなる。また、民間の研究者を客員教授・助教授として招聘し、所内の研究分
野と幅広い共同研究を行う並列分散処理の研究分野も含んでいる。

This section conducts basic researches on thedevelopment of electronic information processing forautomated reasoning. The section comprises four
laboratories. Laboratory of Nonlinear Studies andComputation researches into mathematical structures ofpattern formation of dissipative systems. Laboratory of
Neuro-Cybernetics aims to reveal design principles of
the central nervous systems of insects. Laboratory ofphoton Process develops various kinds ofnanofabrication technique using light and create optical
nanodevices. Also included in the section is an adjunctlaboratory for visiting professors invited from private
institutions to direct trans-disciplinary joint researches onparallel distributed processing.

21

情報数理研究分野
Nonlinear Studies and Computation

数理の
実験工房
自然を理解する方法は様々であるが、本分野は計算機の中に小自然を作り、それを解剖し、その数理的構造を明らかにすることにより、その本質を解明することを目指す、いわば数理の実験工房とでも言うべきものである。
望遠鏡や顕微鏡が世界を大きく広げたように、計算機は我々により大きな想像力の翼を与えつつある。コンピュータの中で、蝶を飛ばしたり、雪や雲を作ったりすることで、複雑な現象を生み出す本
質的なメカニズムを知ることができる。
さらにそれらの数学的解析により、実体にとらわれない普遍的数理構造を抽出することが可能となる。また計算機実験は
新たな数学の枠組を作り出すときのインキュベータにもなる。これら計算機という翼と数理の無限の包括力を活用することにより、脳や生命現象を含む様々な複雑現象を総体として理解する方法の一つを確立することを目指している。

Modeling Nature's Complexity

研究テーマ
・反応拡散系におけるパターン形成・物質科学におけるモデリング
・生物の形態形成のモデリング
・流体中を運動する物体の解析
・河川の形態などの計算地形学

Nature is a treasure house ofvariety of spatio-temporal dynamic
patterns. One of the adequate
languages to interpret its beautyand complexity is nonlinear dynamics.
Good qualitative modelings give us a
deep insight of universality andsimplicity penetrating diversified
phenomena. Experiment, modeling,
computation, and mathematicalanalysis is a feedback loop tounderstand the complex dynamics
in Nature. Any mathematical model
is a kind of metaphor for the original
phenomenon, but this does not mean alack of rigor or power of predictability,
instead it predicts when and how
qualitative changes occur, which ismuch more important to our life
rather than small quantitative
errors. Our laboratory covers patternformation in dissipative systems,
morphogenesis, material science,
fluid dynamics with phase transition,
biomechanical fluid problems, andgeomorphogenesis.

Research Interests
・Pattern formation in reactiondiffusion system
・Modeling in material science
・Modeling of morphogenesis
・Analysis of body motion interactingwith fluid・Computational geomorphology ofriver channel

Double gyroid morphology for
diblock copolymer melts

Simulation of meandering river.

Self-replication in reaction-diffusion
system.

22

Collision of localized convection
cells in binary fluid mixture.

神経情報研究分野
Neuro-Cybernetics

微小脳の設計原理を探る
脳神経系は、自然が長い淘汰を通して作り上げた情報機械である。情報処理の最高次中枢である脳の統合的な機能の解
明には、脳の構造と動作つまり設計原理を明らかにする必要がある。本分野は、神経生理学および情報工学の手法でその設計原理を明らかにし情報処理技術の基盤とすることを目的とする。
これまでの電子情報処理は、人間の意
識の論理つまり脳の動作結果を代行している。言葉の推論や情景の理解などの統合的な機能を人工的に実現するには、脳神経系の設計原理つまり内部構造と動作を明らかにする必要がある。我々脊椎動
物の脳はおよそ1012個の神経細胞からなり、108個程度の感覚細胞から運ばれる情報を処理している。一方、昆虫や甲殻類など節足動物の脳は、たかだか105個の神経細胞で106個もの感覚細胞からの入力を処理している。この節足動物の脳は少ない神経細胞で学習や記憶、状況に応じた行動の切換、緻密な運動制御などを実現している。同じ物理世界に、われ
われとは設計原理の異なるもうひとつの脳、「微小脳」が存在する。本研究分野
では、節足動物の脳神経系の構造と動作を神経生理学、神経行動学および情報工学の手法で調べ、微小脳の設計原理を解明している。

Unraveling the Design of Micro-Brain

研究テーマ
・昆虫機械受容器の熱雑音感受性と機械的熱揺動量の光学計測
・神経系における情報伝送速度の計測と熱雑音の逆説的利用の実証
・昆虫の高次中枢での匂い情報処理機構の解明
・昆虫の学習過程における一酸化窒素の役割に関する研究・昆虫の"死んだふり"の神経機構

The ultimate goal of our research istechnological implementation of major
principles of information processing
in biological organisms. To unravel
the biological design principles,computer aided analyses of neuronal
structure and signal transmission
based on modern information theories
and engineering methods are
employed.
The present research aims at probing
cellular and network mechanisms ofbrain functions. Arthropod animals
show varieties of adaptive behavior
despite they have only a tiny brain"Microbrain" that comprises by far asmaller number of neurons than our"Megalobrain". We have investigatedmajor principles of information
processing in the brain using insects
and crustaceans. Our main research
projects are to 1) elucidate the roleof internal thermal noise for informationtransmission in the mechanosensory
cells in crickets 2) elucidate olfactorycoding mechanisms in higher ordercenters in insects 3) clarify
mechanisms of neuronal plasticity
by investigating the role of nitricoxide in the central nervous system
in crickets.

Research Interests
・Neuronal representation of
information and transmission
capacity・Integration mechanism of
mechanosensory and olfactorysignals・The role of nitric oxide for neuronalplasticity
・Neuronal mechanism of thanatotic
behavior

Students and an experimental setup
for intracellular recording.

Sensory neurons in the femoral
chordotonal organ of the cricket.

Three dimensional reconstruction of
the cricket brain and the primaryolfactory processing center,antennal lobe.

23

極限フォトンプロセス研究分野
Photon Process

光によるナノファブリケーシ
ョン技術の確立を目指して
コヒーレント特性に優れ、かつ制御性が良いレーザー光を利用した加工技術
は、マイクロ・ナノ領域の加工において画期的な変化をもたらす可能性のある技術である。本研究分野においては、マイクロメートルからナノメートルオーダーの微小空間における「光」と「物質」との相互作用を明らかにし、それらの原理に基づいて新しいマイクロ・ナノフォト
ニックデバイスを構築する研究に取り組んでいる。
1）レーザービームによる放射圧を利用してソフトマテリアルのナノ構造制御を行ったり、また超短パルスレーザーを用いて3次元光ナノプロセス技術の開発
や、量子相関ビームによる新しい光ナノ
プロセス技術の開発を進めている。
2）フォトニック結晶や金属ナノ構造が示すプラズモンを用いて新しい光反応場を構築したり、マイクロ・ナノフォトニ
ックデバイスを作製することや、それら微細構造を利用してDNAマイクロアレ
イチップやタンパクチップを開発する研究を行っている。

24

In search for the novel nanofabrication
techniques using light

研究テーマ
・光圧によるソフトマテリアルのナノ構
造・運動制御に関する研究
・フェムト秒レーザーによるマイクロ・
ナノ加工技術の開発
・量子相関光子によるナノ加工・計測技
術の開発
・フォトニック結晶を用いたマイクロ・
ナノデバイスの開発
・新規検出技術を用いたDNAチップの開発

Fabrication techniques using laser
light, which excel in controllability
and versatility, are considered highly
promising in view of the micro/nanofabrication. We are conducting
research to clarify the interaction
between light and materials in the
microscopic space of micrometer-tonanometer order, and, based on theprinciples established, to design new
micro/nano-photonic devices. The
main themes of research are two: one
is aiming at controlling photons interms of spatio-temporal coincidence
as well as in preparation of theentangled photons suited forquantum optical applications and theother theme is featuring materialrelated research, also, developmentof photonic materials such as
photonic crystals and/or metalnanostructures.

Research Interests
・Control of nanostrucuture andkinetics of soft materials using
laser-tweezers
・Development of micro/nanofabrication techniques using
femtosecond pulses
・Development of the entangled
photon sources for quantum
lithography and engineering
・Development of micro/nanodevices using photonic crystals
・Development of DNA chips using
new detection techniques計算論的生命科学研究分野
Computational Life Science

生命に数理を計算論的生命科学は新しい研究分野であり、電子科学研究所と理学研究科数学専攻との共同事業の一環として構築された。分子、細胞、システムにまでわたる
生命現象の複雑さを数理的に解明するとともに、新しい生命システム論の構築を目的としている。生命システムはさまざ
まな時間空間スケールの変数の相互作用によって独特の秩序形成がなされる。発生、分化、細胞構築、器官形成、神経系の形成とその身体との相互作用などにその特徴は現れている。また、生物進化の機構の解明は脳神経系の高次機能の解明と同様に人類に課せられた重要な問題の一つである。これらの秩序形成においては単一の時空スケールへの変数の分離が不可能であり、内部において生成される情報がさまざまなスケールで空間に固定されるだけではなく、またさまざまなス
ケールで時間軸方向へ展開される。そのために、これらの系は構成要素への還元が不可能であり、複雑系と呼ばれている。
例えば、発生の段階においては臨界期まではどこが目や頭になるかなどは決まっていない。要素としての目や頭などが出来上がった後にそれらが相互作用して体ができるわけではなく、個体はシステムとして働き、その中で目、頭などが構築されてくる。脳神経系の発達においても、システムとしての脳の発達とともに視覚野、聴覚野などが構築されてくる。本分野ではこのような複雑系としての生命シ
ステムの機構を解明することを目指し、
新しい複雑システム論を構築する。

Mathematics for Life Science

研究テーマ
・高次脳機能の数理的研究、非線形力学
系とカオス、自己増殖・自己再生の数
理モデル、進化の数理的研究

would like to construct a new systemtheory, that is, a complex systems
theory, based on the intensive studies
on various topics described below.

Research Interests
Computational life science is a new
field of research, which has beenpromoted in cooperation with
Department of Mathematics. The aimof this laboratory is to clarify thecomplexity embedded in various biological phenomena, which may
emerge over multi-scales of space
and time.
Biological systems express a specific complexity, which typicallyappears in cell differentiation andalso in functional differentiation in
the brain. In cell differentiation, forinstance, it is not, in advance, determined that which part of embryo
becomes eyes. All organs are organized in accord with the developmentof an individual as a whole system. A
similar organization is observed in
the functional differentiation of thebrain. A whole brain acts as a system,
in which all cortical areas such as avisual cortex are organized in accord
with the development of a wholebrain. In this laboratory, taking into
account these characteristics, we・Mathematical modeling of higher
functions of the brain, Nonlinear
dynamical systems and chaos,
Mathematical modeling of selfreproduction
andselfreorganization, Mathematicalstudies for biological evolution

A fundamental structure of dynamic states for the transition between synchronized and desynchronized states.

25

並列分散処理研究分野
Parallel Distributed Processing

人間と社会〜そのリズムとコミュニケーション
人間は、一人で生きることはできず、家族やパートナー、社会、環境といった存在を必要とする。本研究分野では、人間が様々な情報伝達手段を媒介して、個人や組織、社会システムなどと係わり合う仕組みを研究し、人間の身体リズムと心の相関、社会活動におけるコミュニケーションのあり方について理解を深めることを目的として以下の研究を推進している。
１） 心と身体情報の係わり（身体および生理的側面）
人間の心身の健康状態を理解するためには、物事をホリスティック（全体的）に見るアプローチが必要である。本研究では、生体リズムの非侵襲的計測と非線形ダイナミクスによる解析をもとに、ホ
リスティックな健康状態に関する隠れた情報を抽出するための新しい手法の構築を目指す。
・生体リズムの非侵襲的計測と非線形ダ
イナミクス解析・ホリスティックなアプローチによる健康情報の抽出手法
・人間の歩行リズムと情報授受との相関
・「癒し」の心身相関に基づく健康管理
システムのデザイン
２） 認知機能からみた社会との係わり（認知科学的側面）
人は自分を取り巻く環境の中で、自分自身のあり方が、同時に社会のあり方に一致する自己言及的な関係作りを基本に、自己を社会のなかに調和させるべく行動する。このような自己言及的な認知行動を実現するために必要な情報を、質的および量的な情報に分けてとらえ、その特性を分析することによって、心理的側面から社会との係わりを明らかにする。
・認知機能の質的および量的特性
・質的情報の取り扱いに関する粗視可モ
デル

Human beings and society; their rhythm
and cummunication

・質的認知手法のコンサルティングへの応用
３）認知科学的手法による社会システム
分析（社会システム的側面）
自己言及的な認知活動を、科学技術システムとしての研究組織にあてはめ、研究者個人と所属する研究組織との関係に
おいて、その関係のあり方について考察する。研究活動は、自己言及的な社会的行動としてみた場合、社会のニーズと研究者のもつシーズ（意欲）が一致する場
合に最大の成果がもたらされる。個人と組織がフィードバックを強くもつような組織の特性について明らかにする。
・自己言及的な特性をもつ社会システムのモデル
・科学技術研究組織の社会システム分析
・ナノテクノロジーと社会システムとの
係わり

研究テーマ
・非線形ダイナミクスを用いた生体リズ
ムの解析
・歩行リズム解析による健康管理システ
ムの開発
・社会システム分析における質的認知手法の導入に関する研究
・先端科学技術分野における研究組織論のあり方に関する研究

Human beings cannot live alone.
They need family members, partners,
society and environment. The
research project of our laboratory
aims at better understanding of relationship between human beings,
organizations and social systems via
various communication media.

Research issues have been discussed
from following view points
1) Relationships between humanbeings and information (physical andphysiological aspects)
・Development of non-invasive
detection of biological rhythms andtheir analysis based on nonlinear
dynamics
・New method obtaining hidden
information on holistic health・Human gait rhythm under various
conditions, e.g., walking while
listening to music, walking withpets or robots, and walking in a
group
・Design of healthcare systems
based on healing by mind-bodyinteractions
2) Cognitive function of human beingsfor interaction with society (Aspects
from cognitive science)・Qualitative and quantitative
characteristics of human cognition
・Coarse-viewmodeling
for
analyzing qualitative information
・Application of methodology basedon qualitative cognition to
consulting3) Analysis of social systems based on
cognitive science (Aspects fromsocial systems)
・Models of social systems
dominated with self-reference
characteristics
・Analysis of scientific andtechnological organizations
・Interaction of nanotechnology withsocial system

Research Interests

Research on communication between
human beings and social systems

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Multichannel biosignal detector

・Application of nonlinear dynamics
to biological rhythm analysis
・Development of healthcare
systems based on gait rhythm
analysis・Introduction of methodology
based on qualitative cognition tosocial system analysis
・Analysis of research organization
for development of advanced
science and technology

ナノテクノロジー研究センター

Nanotechnology Research Center

ナノテクノロジーは半導体技術、材料技術、バイオテクノロ
ジー、情報技術、環境技術などを支える基盤技術であり、次世
代産業創成のキーテクノロジーである。本センターは、分野横断・領域融合的な研究組織により、分子・原子の自己組織化によるボトムアップ戦略と半導体テクノロジーにおけるトップダ
ウン戦略を融合した新しいナノサイエンス領域を創成し、さらにわが国におけるナノテクノロジーネットワークの一翼を担うことを目的とした研究施設である。

Nanotechnology is a key technology of the new generationof innovation industry, and is the technical basis ofsemiconductor, electronic material, bio, information andenvironmental technology. Our center is an interdisciplinary
research organization, which focuses on a "bottom-up"
strategy based on "self-organization" of atoms andmolecules as well as a "top-down" strategy based on
semiconductor technology to create a totally new field of"nano-science and technology". This research center
also aims to contribute and play an important part in theestablishment nanotechnology network in Japan.

27

ナノ材料研究分野
Nanomaterials

自己組織化によるナノマテリアル創製
分子・原子の配列や配向を制御することで形成される自己集合体を非線形・非平衡ダイナミクスを利用した自己組織化
や時空間プロセスにより高次組織化し、生物に見られる様なナノメートルスケー
ルからミクロン、ミリメートルスケール
まで階層的に組みたてられた新規機能性
材料の創製を目的としている。
高分子キャストフィルムの作製プロセスで形成される様々な時空間パターンを基板上に固定化する事で、自己組織化的に様々なナノ・マイクロパターンが形成される。これらのパターンを特徴とする
ナノマテリアルのフォトニクス、エレク
トロニクス、ならびにバイオテクノロジ
ーにおける応用展開を図る。
さらに非平衡プロセスで形成される微粒子内部の階層構造に関する研究や、微粒子自己集積体の創製及び制御、空間光変調器による微粒子配列の時空間制御などにより新規機能性材料の創製を行っている。また，ナノ微粒子や構造体の新しい評価法として，低コヒーレンス干渉法を基礎とした３次元断層顕微鏡ならびに動的光散乱法の開発を行っている。

Fabrication of Nanomaterials based on
Self-organization
研究テーマ

・自己組織化による二次元・三次元ナノ・マイクロパターンの創製
・自己組織化ナノ・マイクロマテリアルのバイオメディカル応用
・非平衡プロセスにおける階層的な構造を持つナノ微粒子材料の創製
・レーザー放射圧と自己集積に基づいたナノ微粒子配列法の開発
・空間光変調器による光微粒子配列の時空制御技術の開発
・低コヒーレンス干渉法を用いた新しい
3次元断層顕微鏡の開発
・低コヒーレンス動的光散乱法による濃厚系微粒子計測法の開発

We are aiming to create hierarchicallyorganized functional materials ranging
from nanometer scale to millimeter scaleby using molecular self-assembly andself-organization based on the spatiotemporal non-linear and non-equilibrium
dynamics. Nano and micropatterns canbe fabricated by fixing the spatiotemporal patterns emerging in castingprocess of polymer films. These patterns
are utilized for novel functional materials
in the fields of photonics, electronics, andbiotechnologies. Preparation ofhierarchically structured particles andcontrolled assembling of particles arealso investigated to create novel
functional nanomaterials.
Newmeasuring methods based on lowcoherence interferometry are developed
to characterize newly fabricatedmaterials.

Research Interests
・Fabrication of two- or threedimensional nano- and micropatterns based on self-organization
・Biomedical application of nanoand micro-structured materials
prepared by self-organization.
・Fabrication of hierarchicallystructured nanoparticles in the
non-equilibrium process.
・Manipulation of nanoparticles basedon laser optics and self-assembly.
・Spatiotemporal assembly of
nanoparticles using dynamic
holograms
・Development of a tomographic
microscopy using low-coherence
interferometry
・Development of a new lowcoherence
dynamiclightscattering technique

図１.自己組織化により形成されるハニ 図２.内部に層状の構造を持つポリマー 図３.空間変調器を用いて形成したパターンの光学顕微鏡像
ナノ微粒子の電子顕微鏡像
カム状多孔質膜の電子顕微鏡像
Figure 1. Scanning electron micrograph Figure 2. Transmission electron Figure 3. Optical micrograph ofof the honeycomb-patterned polymer micrograph of polymer nanoparticles patterns prepared by using dynamic
holograms
film prepared by self-organization having lamellar structures（bar:10:ÿ)28

ナノデバイス研究分野
Nanodevices

ボトムアップ方式によるナノデバイス創製
自己組織化、メゾスコピック、フラク
タル、超分子といった概念を、デバイス創製の指導原理として、エレクトロニク
ス、フォトニクス、バイオニクス等のデバイス開発を行う。分子の自発的会合、会合体の自己組織化等の現象を利用して、デバイスとして有用な構造を人工的に構築する。例えば、フラクタル・ナノ
テクノロジーの開拓研究においては、表面や立体をフラクタル構造にすることにより、超撥水／超撥油表面、吸着剤や断熱材の開発を行う。また機能性ゲルの研究では、二分子膜の規則構造による回折を利用した環境応答性発色ゲル、二分子膜の配向後に重合して得られる、方向によって性質の異なる異方性ゲル等の創製を行う。更に、上記のフラクタル材料やゲルの特性を利用して、その応用展開を行う。また必要があれば、学内外他分野の研究者や企業との共同研究により、トップダウン方式の半導体ナノテクノロジーとの融合を目指す。

Nanodevices Creation by MolecularFabrication
研究テーマ

・フラクタル・ナノテクノロジーの開拓
・二分子膜固定化ゲルの応用展開
・異方性ゲルの創製と応用

The mission of this laboratory is todevelop the electronics, photonics
and bionics devices utilizing theconcepts of self-organization,
mesoscopy, fractal, supramoleculesand so on. Molecular fabrications
useful for the above devices will bemade by the self-assembly and theself-organization of molecules. In thefractal nanotechnology, for example,
super water- and/or oil-repellent
surfaces, adsorbents, heat insulators
etc will be developed by making thematerial surfaces or bodies fractal.
Iridescent hydro-gels having aperiodic structure of bilayer
membranes change their colors inSuper water-repellent fractal surface of poly(alkylpyrrole)
and a water droplet on it

response to the environmental
conditions. Anisotropic gels can beobtained when polymerized just afteralignment of the bilayer membranes
by the shear flow. The practicalapplications of the above fractal
materials and gels are also important
target of our research. We will makecollaborations with the semiconductornanotechnology researchers of our andother universities, institutes as well asenterprises when necessary for thedevelopments and applications of thedevices.

Research Interests
・Development
ofFractalNanotechnology
・Application of Hydro-Gels
Containing Immobilized-BilayerMembranes
・Creation and Application of
Anisotropic Gels

Iridescent gel containing immobilized-bilayermembranes

29ナノ理論研究分野
Nanosimulation

バイオナノプローブ計測技術：
生体１分子から生細胞まで
原子間力顕微鏡（AFM）は、pNから
nNオーダーの微小な力を高精度に計測することが可能である。この力領域は、
生体分子の構造形成や機能発現に関わる力学をほぼカバーしているため、AFM
は、バイオナノ計測に不可欠なツールとして期待されている。本研究分野では、
AFMとカーボンナノチューブ（CNT）を駆使し、１分子から細胞までの階層的な構造と機能とを 力学 の視点で統一的に理解し、バイオナノ技術の創成およびバイオデバイス構築に関する基本技術を確立することを目指している。
１）１分子レベルでのタンパク質や機能性高分子の延伸・収縮特性から、分子内相互作用および高分子間摩擦や絡み合いの非特異的相互作用の解明を進めている。また、モデル生体膜のナノ力学の解明を進めている。
２）単一細胞レベルでの細胞膜の内部と外部のナノ計測・分子識別技術の研究を進めている。細胞手術のための化学修飾
CNT探針および膜内挿入法の開発、細胞診断を目指した細胞表面のナノ揺らぎ
計測法の開発を進めている。
３）CNT探針と周波数変調技術を用いた液中高分解能バイオイメージング装置の開発、および、マイクロビーズを用いたソフトマテリアルの高精度ナノ計測法の開発を進めている。

Bionanoprobe technology: From single
molecule to living cells

研究テーマ
・生体分子および機能性高分子の１分子
力学・ダイナミクスに関する研究
・ナノスケールの生細胞内部計測技術に関する研究
・細胞表面のナノダイナミクスに関する研究
・低侵襲バイオイメージング技術に関する研究

Atomic force microscope (AFM) is apromising tool for imaging,measuring and manipulating
materials in aqueous solutions in theforce range of pN to nN, in whichbiological specimen stabilizes theirstructures as well as exerts theirfunctions. We are conducting
research to clarify the hierarchicalstructures and functions from single
molecules to cells with a view to"Nanomechanics"
and"Nanodynamics " using AFM andcarbon nanotube (CNT) techniques,
which is crucially important onunderstanding the origin of life andfabricating bio-devices on bottom-up
technologies.
1) By extending and compressing
single molecules of proteins andpolymers, we are investigating theirintramolecular interactions on
folding process of proteins andintermolecular interactions onpolymer-polymer interactions andentanglements. Moreover we areinvestigating stabilities of bioassemblies such as lipid bilayer at
nanoscale.
2) We are developing new techniques
for measuring dynamics andidentifying individual molecules ofliving cell surfaces and exploring
inside cells with AFMs andchemically modified CNT, which is
expected to allow for diagnosis andnanosurgery of single cells.
3) We are developing less-invasive
imaging techniques for biologicalsamples in liquids with CNT tips andfrequency-modulation techniques,
and moreover a technique formeasuring precisely nanomechanics
on soft-matters.

Research Interests
・Nanomechanics
andNanodynamics of single moleculesof proteins and polymers.
・New techniques for exploring
inside cells at nanoscale using
AFM with a carbon nanotube tip.
・Nanodynamics of cell surfaces athigh spatial-temporal resolutions.
・Less-invasive AFM imaging
techniquesforbiologicalmolecules in liquids
Δf

Amplitude (A)Positive Feedbak Loop

AutuatorFrequency(f)Liquid

液中イメージング
バイオイメージング

CNT

細胞識別・分析

30

AFM

１分子ナノマニピュレーション

寄附研究部門

ニコンバイオイメージングセンター
Nikon Imaging Center
http://nano.es.hokudai.ac.jp/nikon/

バイオイメージング技術の提供と改良・開発

Providing, improvement anddevelopment of Bio-imaging
technologies

本研究分野は、バイオイメージング技術に関する更なる技術
改良、或いは新技術開発およびその生物学研究への応用を推進
し、本学と顕微観察技術関連企業との連携強化ならびに本学における教育研究の豊富化、活性化や国際的な交流を目的とします。

The Nikon Imaging Center at Hokkaido University(NIC@Hokudai) promotes the improvement anddevelopment of bio-imaging technologies and theirapplication to the life sciences. The NIC@Hokudai also
aims to facilitate cooperation between enterprises related
to microscope technology, and to participate in botheducational research and international exchange.

活動Activity

1）最先端の顕微鏡とイメージング機器を設置し、基礎研究の環境を提供する
2）顕微鏡に馴染みのない研究者からハイエンドユーザーまで様々なレベルに合わせて顕微観察法のトレーニングコース
を行う。
3）顕微鏡ユーザーのアイデアを反映した新型顕微技術の開発を行う。

1) To provide an environment for basic research withstate-of-the-art microscopy and imaging equipment

Station 1 Spectral Imaging Confocal Microscopy.

Station 2 TIR Evanescent Microscopy.

Station 3 Multi-Color Fluorescence Microscopy.

2) To provide training courses on basic and advanced
microscopy
3) To develop new microscopy techniques incorporating
specific user requirements

Station 4 Real-time Confocal Microscopy

31

技

術

部

Division of Technical Staffs

研究支援と装置製作
技術部は、システム開発技術班と装置開発技術班からなる。
システム開発技術班は、各自の高度な技術で直接研究を支援する技術者からなる。技術向上のため、技術部に測定器･コンピューターとその周辺機器、電子回路試作ならびに電子機器の修理･点検などが可能な環境の整備を進めている。また電子科学研究所の大型共通機器・設備の操作・管理を行っている。さらに当研究所の広報に関する仕事をしており、電子科学研究所ホームページの管理運営・
大型プリンターやビデオカメラ等の管理を行っている。
装置開発技術班には、機械および硝子の工作室がある。
機械工作室の特色は、ステンレスの精
密切削とアルゴン溶接を駆使しての精密測定用の光学機器の製作及び立フライス
盤・大型旋盤等を利用しての大物精密加工技術である。また、最近では、非金属の精密加工技術の依頼も多数になり製作対応している。
硝子工作室の特色は、光学レンズ・プ
リズム等の加工と研磨・ステンレス製計測装置へのコバールを介しての硝子の溶着の技術・その他大型デユワー瓶・各種
石英セルの製作を行っている。

The Division of Technical Staffs
consists of a group of technicalassistants in research laboratories
and a group of technicians in themachine and glass shop. The
machine shop is equipped with anargon welder and several precision
machine tools, while the glass shop
has a glass lathe and a large-size
electric furnace.

32

広報活動

Public Relations

国際シンポジウム
Multi-Institutional International Symposium on "mei" (Dec.5-7, 2005)

一般公開

Open Laboratory (Jun.4, 2005)

ニコンバイオイメージングセンター開設式 NIKON IMAGING CENTER Opening Ceremony (Oct, 2005)

33

34

ナノテクノロジー研究センターを含む北キャンパス

創成科学共同研究機構
触媒化学研究センター

ナノテクノロジー研究センター

35

36

RESEARCH INSTITUTE FOR ELECTRONIC SCIENCE
Hokkaido University,Sapporo,Japan

北海道大学電子科学研究所〒060−0812 札幌市北区北12条西6丁目 TEL（011）
716−2111（代表）FAX（011）
706−4977
http://www. es. hokudai. ac. jp/

平成18年３月発行