2023

京都大学エネルギー理工学研究所
ゼロエミッションエネルギー研究拠点
共同利用・共同研究 成果報告書

Zero-Emission Energy Research
Joint Usage/Research Center,
Institute of Advanced Energy,
Kyoto University

Zero-Emission Energy Research
Joint Usage/Research Center,
Institute of Advanced Energy,
Kyoto University

京都大学エネルギー理工学研究所
ゼロエミッションエネルギー研究拠点
共同利用・共同研究 成果報告書

２０２３年度ご挨拶
エネルギー理工学研究所が２０１１年度に開始した共同利用・共同研究拠点「ゼロエミッションエネルギー研究拠点」は、２０２２年度から第３期（２０２２年４月１日～
２０２８年３月３１日）の活動に入っています。カーボンニュートラル社会を支えるゼ
ロエミッションエネルギーを基軸として、第２期拠点活動で高く評価していただいたエネルギー基礎科学分野における中核的な拠点活動を、第３期も推進しております。また、昨年度発足したカーボンネガティブ・エネルギー研究センターでは、学内他部局から兼任教員を迎えて異分野連携研究を推進し、二酸化炭素を高付加価値材料・有用資源として活用する原理、そして技術の創出を目指した活動が、当初の計画をうわまわって進展し、ゼロエミッションエネルギー研究から萌芽したエネルギー理工学の新しい概念、そして学理が着実に芽ばえています。大学そして日本の研究力を強化するために、共同利用・共同研究拠点の果たす役割が益々大きくなっているなか、拠点の研究力を強化することが、拠点本来のミッションを果たすだけでなく、拠点間の連携によって新しい学術分野を開拓するうえでも必要になっています。そのためにも、創造的な研究と複合的な学術分野との質の高い共同研究を推進し、国内外の研究機関と密接に連携しながら、これからも関連コミュニティ、そして日本の研究力向上への貢献に努めてまいります。
今回、２０２３年度の成果報告書を発行する運びとなりました。新型コロナウイルス
感染症蔓延によって大きな影響を受けた拠点の活動も、着実に以前の活動状況に戻りつつあります。今年度も１００件に近い応募をいただき、創造的で融合的な共同研究を進めていただいたことによって、結果的に多くの研究成果を挙げることができました。これも皆様の多大なご支援とご協力の賜物であり、厚く御礼申し上げます。
本拠点が、開始から１０年を超えて皆様とともに取り組んできた「ゼロエミッション
エネルギー」の考え方は、２０５０年に温室効果ガスの排出量を実質ゼロにするカーボン
ニュートラル社会には欠かせないものです。カーボンニュートラル社会を実現し、より豊かなものにするためにも、「ゼロエミッションエネルギー」の概念を深化させ、さらに「カーボンネガティブエネルギー」の概念を確立できるように、関連コミュニティの皆様と連携、協力して活発な研究活動を進めたいと考えています。引き続きご支援、ご協力を賜りますよう、よろしくお願い申し上げます。

２０２４年３月
京都大学エネルギー理工学研究所
所長

−i−

森井

孝

２０２４年３月２８日（木）京都大学 エネルギー理工学研究所
オンライン開催（Zoom）

京都大学エネルギー理工学研究所
ゼロエミッションエネルギー研究拠点
２０２３年度 共同利用・共同研究成果報告会【プログラム】
開会の辞
10:30 – 10:35

森井 孝

セ ッ シ ョン 1

座長： 中田 栄司

10:35 – 10:55

西村 裕志（京都大学生存圏研究所：A - 03）「脱炭素社会に向けた NMR 分光法によるリグノセルロース系バイオマスの構造解析」

10:55 – 11:10

萩原 正規（弘前大学理工学研究科：B - 17）「RNA 高次構造変化を誘起する新規修飾アンチセンス核酸の開発と遺伝子発現制御」

11:10 – 11:25

志波 優（東京農業大学生命科学部・分子微生物学科：B - 15）（録画）「ゲノムアプローチによるリゾクトニア属真菌の微生物間競合機能の解明」

11:25 – 11:45

波多野 雄治（富山大学学術研究部理学系：A - 05）（録画）「タングステン中の照射欠陥生成および水素同位体捕捉における合金元素の影響」

11:45 – 13:30

休憩

セ ッ シ ョン ２

座 長： 紀 井 俊 輝

13:30 – 13:50

髙橋 伊久磨（千葉工業大学工学部・先端材料工学科：A - 39）「全固体 Li イオン電池における電極/電解質界面の現象解析、および界面設計に関する研究」

13:50 – 14:05

芦川 直子（核融合科学研究所ヘリカル研究部：C - 04）「重イオン照射タングステンからの等温制御による重水素脱離効果」

14:05 – 14:20

羽島 良一（量子科学技術研究開発機構：B - 20）（録画）「長波長赤外強光子場における気体の電離反応の研究」

14:20 – 14:35

川染 勇人（香川高等専門学校情報工学科：B - 26）（録画）「ヘリオトロン J 装置におけるインコヒーレントディジタルホログラフィを用いた三次元発光分布計測システムの開発」

エネルギー理工学研究所 所長

閉会の辞
14:35 – 14:40

宮内 雄平 共同利用・共同研究計画委員会 委員長− iii −

目

次

第一部

公募型共同利用・共同研究 ···································································· 1

第二部

拠点活動実績······················································································· 197

2023 年度 活動実績 ······················································································· 199

第三部

その他 ································································································· 205

2024 年度 公募案内 ······················································································· 207
2023 年度 共同利用・共同研究推進室 アンケート調査結果 ·································· 220

−v−

第一部

公募型共同利用・共同研究

第一部

公募型共同利用・共同研究（Ａ）企画型共同研究
1.

超局所濃厚電解液のイオニクス（ZE2023A-01） ····················································· 12
北田

2.

敦

Fe2M 型ラーベス化合物のバルク体創製と物性評価（ZE2023A-02） ··························· 14
笠田竜太

3.

東京大学大学院工学系研究科

東北大学金属材料研究所

脱炭素社会に向けた NMR 分光法によるリグノセルロース系バイオマスの構造解析（ZE2023A-03）·············· 16
西村裕志

4.

硫化水素をエネルギー源とする有用多糖の発酵生産（ZE2023A-04）·························· 18
武田

5.

京都大学生存圏研究所

穣

横浜国立大学大学院工学研究院

タングステン中の照射欠陥生成および水素同位体捕捉における合金元素の影響（ZE2023A-05）·············· 20
波多野雄治

6.

富山大学学術研究部理学系

ミトコンドリアを模倣したエネルギー生成システムの構築を目指した
ミトコンドリア内温度変動の測定（ZE2023A-06）·············· 22
坂口怜子

7.

原子炉を延命させる熱処理条件の導出 (2)（ZE2023A-07） ······································· 24
松川義孝

8.

熊本大学大学院先端科学研究部

高性能ナトリウム二次電池開発のための負極－電解質界面の構築（ZE2023A-08） ······· 26
坂口裕樹

9.

産業医科大学医学部

鳥取大学学術研究院工学系部門

電気透析用リチウムイオン伝導性電解質隔膜への緩衝層形成（ZE2023A-09）·············· 28
佐々木一哉

弘前大学理工学研究科

10. 酵素活性中心への光増感分子の導入による酵素複合体内光誘起電子移動反応（ZE2023A-10） ············ 30
高島弘

奈良女子大学理学部化学生物環境学科−3−

11. 代謝経路制御に関与する転写因子 Sp1 の核移行シグナルを可視化する
蛍光バイオセンサーの作製（ZE2023A-11） ·············· 32
田嶋竣介

同志社女子大学薬学部

12. 相分離を制御する長鎖非コード RNA の単離と制御機構の核磁気共鳴法を用いた解析（ZE2023A-12）·············· 34
黒川理樹

埼玉医科大学医学部

13. 共振器型超放射自由電子レーザーによる革新的テラヘルツパルス光源の構築（ZE2023A-13）·············· 36
坂上和之

東京大学工学系研究科

14. 複製開始タンパク質 ORC の DNA 認識機構の構造生物学的基盤（ZE2023A-14） ·········· 38
和賀祥

日本女子大学理学部化学生命科学科

15. 中赤外自由電子レーザーによるエネルギー機能半導体における選択的格子振動励起法の拡張（ZE2023A-15）··········· 40
蜂谷寛

京都大学大学院エネルギー科学研究科

16. アンジュレータ超放射の電場重畳による高強度 THz パルス発生（ZE2023A-16） ·········· 42
柏木茂

東北大学電子光理学研究センター

17. ウイルス蛋白質由来ペプチドを利用した細胞増殖機構の制御に関する研究（ZE2023A-17）··········· 44
楠英樹

国立感染症研究所次世代生物学的製剤研究センター

18. 鉄とヘリウムを同時照射したタングステンの水素添加による硬さの変化（ZE2023A-18）··········· 46
佐藤紘一

鹿児島大学学術研究院理工学域工学系

19. SiC における選択励起されたフォノンの分布計測（ZE2023A-19） ····························· 48
吉田恭平

熊本県産業技術センター材料・地域資源室

20. 分子振動励起によるポリウレタンの波長選択的分解（ZE2023A-20）·························· 50
川﨑平康

高エネルギー加速器研究機構加速器研究施設−4−21. カリウムイオン電池開発のための化合物系負極の創製とイオン液体電解質との適合性に関する研究（ZE2023A-21） ········· 52
道見康弘

鳥取大学学術研究院工学系部門

22. 中赤外自由電子レーザーを用いた光誘起自由キャリアプラズマ吸収分光によって決定する
ガーネット蛍光体中 3 価セリウムのイオン化エネルギー（ZE2023A-22） ········· 54
北浦守

山形大学理学部

23. 軸対称トーラスからヘリカル軸トロイダルプラズマ配位への遷移現象の解析（ZE2023A-23） ········· 56
三瓶明希夫

京都工芸繊維大学電気電子工学系

24. 核融合炉における先進中性子増倍材の水素吸着脱離挙動の実験的な検証（ZE2023A-24） ········· 58
金宰煥

量子科学技術研究開発機構六ヶ所核融合研究所

25. 発光性太陽光集光器に適用可能な固体発光材料の開発（ZE2023A-25）······················· 60
清水正毅

京都工芸繊維大学分子化学系

26. 溶融塩を用いた水素同位体分離技術の研究（ZE2023A-26） ······································ 62
松島永佳

北海道大学大学院工学研究院

27. ハイエントロピー化合物超伝導体の照射影響評価（ZE2023A-27） ····························· 64
大野直子

横浜国立大学大学院工学研究院

28. 核融合炉構造材料中のバブル・ボイド形成に対する照射及び材料条件依存性（ZE2023A-28） ········· 66
山本琢也

University of California Santa Barbara (USA)29. 耐腐食性セラミックス被膜への照射効果（ZE2023A-29） ········································· 68
近藤創介

東北大学金属材料研究所

30. 低密度積層 CNT と高強度レーザーとの相互作用の素過程に関する
実験研究（ZE2023A-30） ········· 70
松井隆太郎

京都大学大学院エネルギー科学研究科

31. 人工生体材料の開発のための生体高分子の NMR 解析（ZE2023A-31） ······················· 72
坂本泰一

千葉工業大学先進工学部生命科学科−5−

32. プラズマ対向材料におけるプラズマ駆動水素同位体透過に及ぼす
照射損傷影響（ZE2023A-32）··········· 74
大矢恭久

静岡大学学術院理学領域

33. Investigation on interaction structure and dynamics of room-temperature ionic liquid solvation
using pulse-selected MIR free-electron laser（ZE2023A-33） ·········· 76
Sakhorn Rimjaem

Chiang Mai University (Thailand)

34. バイオマスの高度利用に向けた細胞壁リグニンの構造解析：細胞壁各層におけるリグニン構造の差異の精密解析（ZE2023A-34） ········· 78
松下泰幸

東京農工大学大学院農学研究院

35. 有機材料アブレーション時の表面反応に対する化学的アプローチ（ZE2023A-35） ······· 80
藤岡隼

東京理科大学総合研究院ナノカーボン研究部門

36. 形状自由度の高い強力超伝導バルク磁石の開発（ZE2023A-36） ································ 82
元木貴則

青山学院大学理工学部物理科学科

37. 小型マイクロ波高純度負イオン源の開発とナノプロセスへの応用（ZE2023A-37） ······· 84
比村治彦

京都工芸繊維大学電気電子工学系

38. 遺伝子発現を調節可能な四重鎖の探索（ZE2023A-38） ············································ 86
田中陽一郎

横浜国立大学研究推進機構機器分析評価センター

39. 全固体 Li イオン電池における電極/電解質界面の現象解析、および界面設計に関する研究（ZE2023A-39）········ 88
髙橋伊久磨

千葉工業大学工学部先端材料工学科

40. 好冷菌型ハイブリッド酵素による結晶性セルロース低温分解システムの開発（ZE2023A-40） ······· 90
堀内正隆

北海道医療大学薬学部（Ｂ）提案型共同利用・共同研究
41. 原子層ヘテロ構造体の物性解明（ZE2023B-01） ····················································· 92岡田晋

筑波大学数理物質系−6−42. 二次元ヘテロ構造の高効率創出法の開発（ZE2023B-02） ········································· 94
北浦良

物質・材料研究機構国際ナノアーキテクトニクス研究拠点

43. グラフェンナノリボンを触媒に用いた半導体の表面加工（ZE2023B-03） ···················· 96
深見一弘

京都大学大学院工学研究科

44. エネルギー炉用低放射化高エントロピー材料の開発（ZE2023B-04） ·························· 98
橋本直幸

北海道大学大学院工学研究院

45. 光エネルギー変換素子の実現に向けた二次元ヘテロ構造の作製と評価（ZE2023B-05） ··········· 100
張文金

東京都立大学理学研究科

46. 細胞内エネルギー代謝に関係するタンパク質の細胞内動態観察を可能とする基盤技術の創生（ZE2023B-06） ······ 102
佐藤慎一

京都大学化学研究所

47. ゼロエミッションエネルギー社会に貢献する高機能性新素材としての
分子修飾カーボンナノチューブの開発（ZE2023B-07） ······ 104
白木智丈

九州大学大学院工学研究院

48. レーザーパルスの最適制御による光化学反応の高効率化（ZE2023B-08） ·················· 106
大槻幸義

東北大学大学院理学研究科

49. 自由電子レーザー発振中におけるコヒーレントエッジ放射の時間発展の研究（ZE2023B-09） ······ 108
清紀弘

産業技術総合研究所

50. 低水素濃度条件で高増殖能をもつ水素酸化細菌株の開発（ZE2023B-10） ·················· 110
相澤康則

東京工業大学生命理工学院

51. Rooftop PV Hosting Capacity in AC Low Voltage Distribution Systems:
Future Perspective in Cambodia（ZE2023B-11） ····· 112
Vannak Vai

Institute of Technology of Cambodia (Cambodia)

52. 特殊なマイクロ空間内で形成された階層性分子組織構造の構造評価（ZE2023B-12） ·············· 114
沼田宗典

京都府立大学大学院生命環境科学研究科−7−

53. メカニカルアロイングにより作製した酸化物分散強化合金粉末の酸化挙動（ZE2023B-13） ······· 116
岩田憲幸

久留米工業高等専門学校材料システム工学科

54. シグナル増強システムを介したナノ構造形成による細胞内金属種のＡＦＭ/ＥＭイメージング（ZE2023B-14） ······ 118
髙嶋一平

東北大学多元物質科学研究所

55. ゲノムアプローチによるリゾクトニア属真菌の微生物間競合機能の解明（ZE2023B-15） ······ 120
志波優

東京農業大学生命科学部分子微生物学科

56. 細胞内エネルギーシステムを制御する RNA 編集核酸の開発（ZE2023B-16） ············· 122
福田将虎

福岡大学理学部化学科

57. RNA 高次構造変化を誘起する新規修飾アンチセンス核酸の開発と遺伝子発現制御（ZE2023B-17） ······ 124
萩原正規

弘前大学理工学研究科

58. 赤外自由電子レーザーによるグラム陽性菌の殺菌効果の検討（ZE2023B-18） ············ 126
遠山歳三

神奈川歯科大学歯学部歯学科

59. 原子力圧力容器鋼モデル合金の照射硬化に及ぼす
Ni,Si 添加効果の研究（ZE2023B-19） ······ 128
福元謙一

福井大学附属国際原子力工学研究所

60. 長波長赤外強光子場における気体の電離反応の研究（ZE2023B-20） ························ 130
羽島良一

量子科学技術研究開発機構関西光科学研究所

61. 外部共振器を活用した広帯域テラヘルツの大強度化技術の開発（ZE2023B-21） ········· 132
本田洋介

高エネルギー加速器研究機構加速器研究施設

62. 超高感度電気化学遺伝子センサーの開発（ZE2023B-22） ······································· 134
山名一成

兵庫県立大学工学研究科

63. 分⼦振動励起による酵素を使わない糖鎖の選択的構造制御研究（ZE2023B-23） ········· 136
本田孝志

高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所−8−

64. 糖尿病関連インスリンボールに対する赤外自由電子レーザーの適用（ZE2023B-24） ·············· 138中村和裕

群馬大学大学院保健学研究科

65. 中赤外自由電子レーザーにより半導体表面に形成される
微細周期構造のその場計測（ZE2023B-25） ········· 140
橋田昌樹

東海大学総合科学技術研究所

66. ヘリオトロン J 装置におけるインコヒーレントディジタルホログラフィを用いた三次元発光分布計測システムの開発（ZE2023B-26） ········· 142
川染勇人

香川高等専門学校情報工学科

67. 高燃焼度炉心材料用粒子分散型ハイエントロピー合金の創製（ZE2023B-27） ············ 144
岡弘

北海道大学大学院工学研究院

68. 大気圧プラズマ照射による活性酸素ラジカル生成過程の最適化（ZE2023B-28） ········· 146
松浦寛人

大阪公立大学研究推進機構放射線研究センター

69. 複雑なエネルギーシステムの先進的な故障診断・信頼性評価手法の実験研究（ZE2023B-29） ······· 148吉川榮和

京都大学大学院エネルギー科学研究科

70. ホウ素イオンを含む溶融塩のラマン分光測定（ZE2023B-30） ································· 150
片所優宇美

産業技術総合研究所ゼロエミッション国際共同研究センター

71. アパタイト被覆表面修飾有機高分子微小球の常温常圧合成（ZE2023B-31） ··············· 152
薮塚武史

京都大学大学院エネルギー科学研究科

72. 高効率・高機能エネルギー変換に向けた量子マテリアルの基礎物性の解明（ZE2023B-32） ······ 154
小鍋哲

法政大学生命科学部環境応用化学科

73. 量子物質メタマテリアルによる新たな熱ふく射制御法の展開（ZE2023B-33） ············ 156
櫻井篤

新潟大学工学部工学科機械システムプログラム

74. 高速カメラ画像解析の自動化アルゴリズムの開発（ZE2023B-34） ··························· 158
西野信博(有)バウヒュッテ−9−75. エネルギー高効率利用を実現する可視光誘起リビングラジカル重合の反応機構の解明（ZE2023B-35） ·········· 160
三宅祐輔

京都工芸繊維大学分子化学系

76. 統計加速を利用した先進ヘリカルプラズマの高ベータ化（ZE2023B-37） ·················· 162
吉川正志

筑波大学数理物質系

77. ハロ酸脱ハロゲン化酵素の酵素反応機構解析（ZE2023B-38） ································· 164中村卓

長浜バイオ大学バイオサイエンス学部

78. Kinetic study on the Paraquat Dichloride removal in the water（ZE2023B-39） ·················· 166
Pannipha Dokmaingam

Mea Fah Luang University (Thailand)

79. 核融合炉における電子サイクロトロン波による高効率プラズマ電流駆動（ZE2023B-40） ············ 168
飛田健次

東北大学工学研究科

80. カーボンニュートラルを目指した新型半導体電力制御デバイスの開発（ZE2023B-41） ··········· 170
岡本研正

特定非営利法人光半導体デバイス応用技術研究所

81. 高繰り返しナノ秒ファイバーレーザーを用いたレーザー除染（ZE2023B-42） ············ 172
小菅淳

日本原子力研究開発機構

82. 光温度計測を可能とするカーボンナノチューブの発光熱特性（ZE2023B-43） ············ 174
青田駿

兵庫県立工業技術センター

83. マイクロ/ナノ構造化電極面における水素および酸素発生（ZE2023B-44） ················· 176
安東航太

公益財団法人高輝度光科学研究センター (JASRI)（Ｃ）共同利用84. 一電子入射によるシンチレータの発光素過程の理解とその厳密な発光量測定、および、
暗黒物質探査 と産業応用を目指した中性子計測 II（ZE2023C-01） ········· 178
黒澤俊介

東北大学未来科学技術共同研究センター

85. マイクロ波照射による Li2TiO3 とナノカーボンの複合化手法の開発（ZE2023C-02） ···· 180
高山定次

核融合科学研究所ヘリカル研究部−10−86. トロイダルプラズマ周辺乱流の径方向相関解析と配位間比較（ZE2023C-03） ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 182
永島芳彦

九州大学応用力学研究所

87. 重イオン照射タングステンからの等温制御による重水素脱離効果（ZE2023C-04） ꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 184
芦川直子

核融合科学研究所ヘリカル研究部

88. Role of irradiation defects in the formation of plasma induced surface structures
on tungsten（ZE2023C-05） ꞏꞏꞏꞏꞏ 186
Mingzhong Zhao

核融合科学研究所

89. Study of ion irradiation effects on oxide dispersion strengthened ferritic steel（ZE2023C-06） ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 188
Jingjie Shen

核融合科学研究所

90. グラファイト-SiO コンポジット負極の緩和時におけるリチウム移動（ZE2023C-07） ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 190
高井茂臣

京都大学大学院エネルギー科学研究科

91. Corynebacterium matruchotti への FEL 照射による菌体内石灰化の変化（ZE2023C-08） ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 192
河野哲朗

日本大学松戸歯学部組織学講座（Ⅾ）研究集会
92. 「広帯域エネルギー融合科学の概念に基づく非線形・非平衡プラズマの物性・制御」に関する分散型研究集会の開催（ZE2023D-01）ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 194
岸本泰明

京都大学大学院エネルギー科学研究科

93. エネルギー科学のパブリックアウトリーチのためのアクテイブラーニング（ZE2023D-02） ꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 195
八尾健

京都大学大学院エネルギー科学研究科− 11 −

ZE2023A-01

超局所濃厚電解液のイオニクス
大木麻陽,1 張 澤磊, 1 才村正幸, 2 永田 崇, 2 深見一弘, 1 片平正人,2 北田 敦 312

京都大学大学院工学研究科
京都大学エネルギー理工学研究所
3
東京大学大学院工学系研究科

1 . 緒言カーボンニュートラルや CO2 ゼロエミッションを達成するうえで、再生可能エネルギーの最大導入と社会インフラの電化率促進が不可欠であるが、その障壁となる需給調整力と電源確保の問題を解決するキーデバイスがリチウムイオン電池である。リチウムイオン電池の普及促進に向けて、電解液材料の高安全化が要求されている。このため、高沸点エーテルであるグライム類（対称グリ
コールジエーテル；(CH3(OCH2)nOCH3)を用い、かつ塩を大量に溶解させフリー溶媒を減少させたグライム系超濃厚電解液などが検討されている。[1,2,3] この系は、塩の超濃厚化によって脱溶媒和が容易になり、アニオンブロッキング条件下で電気化学的に測定されたリチウムイオン輸率が向上する
一方で、粘度が高いという課題がある。これに対し、今回見出した「超局所濃厚電解液」は、超濃厚電解液に対して非極性ヘテロ溶媒 1,1,2,2-tetrafluoroethyl-2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether（ハイドロフ
ルオロエーテル；HFE）を添加し、局所的にイオン濃度を極大化させることで、電極反応の活性化
障壁（脱溶媒和）と粘性を同時に低減した材料である。本研究課題では、超局所濃厚電解液の伝導機構を NMR により解明することを目的とした。
2 . 実験方法

モル比で lithium bis(trifluoromethylsulfonyl)amide (LiTf2N):tetraglyme(G4) = 5:3 とした超濃厚電解液
に対し、非極性ヘテロ溶媒 1,1,2,2-tetrafluoroethyl-2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether（ハイドロフルオロエーテル；HFE）を LiTf2N/G4/HFE = 5/3/1.5 の比率で添加し、超局所濃厚電解液を作製した。まずLiTf2N/G4 = 5/3 を 300 rpm, 80°C, 12 h の条件で作製し、次いで超局所濃厚電解液 LiTf2N/G4/HFE =5/3/1.5 を 300 rpm, 室温, 4 h の条件にて作製した。粘度・導電率測定を行ったほか、1H および 7L に関するパルス磁場勾配スピンエコー(PGSE)NMR 測定により、電解液中の各化学種の自己拡散係数を算出した。外部標準は重 DMSO (99.9at%D)を、NMR チューブは二重筒型（シゲミ，SC-002）を用いた。
3 . 結果と考察

粘度・導電率測定の結果から Walden plot を行ったところ、塩化カリウム水溶液の理想線を基準として見積もられる解離度は LiTf2N/G4/HFE = 5/3/1.5 において 0.49 となり、LiTf2N/G4 = 5/3 の 0.29を上回ったことから、溶液物性の改善が確認された。自己拡散係数の測定結果を次ページの Table
1 および Figure 1 に示す。主溶媒である G4 の自己拡散係数が最も小さく、リチウムイオンの方が速く拡散することがわかった。これは、HFE を含まない超濃厚電解液（LiTf2N/G4 = 5/3）においても見られた挙動である。自己拡散係数の比 D(Li+)/D(G4)は LiTf2N/G4 = 5/3 では 1.5 であったのに対し、超局所濃厚電解液 LiTf2N/G4/HFE = 5/3/1.5 では 2.8 となり、約 2 倍に増大した。なお、前者の測定温度が 80°C であったのに対して後者は 30°C で測定しており、拡散係数の絶対値も含めて後者が有利であるといえるが、温度依存性は今後の課題のひとつである。

−12−

ZE2023A-01

Table 1. Self-diffusion coefficients of Li+, G4,
Tf2N–, and HFE obtained for LiTf2N/G4/HFE =5/3/1.5 at 30°C.
D(Li+)

1.7 × 10–7 cm2 s–1D(G4)0.60 × 10–7 cm2 s–1

D(Tf2N–)

0.93 × 10–7 cm2 s–1

D(HFE)

2.2 × 10–7 cm2 s–1

Figure 1. Plots of echo signal attenuation on the basisof the Stejskal equation for G4, Tf2N–, Li+ , and HFEof LiTf2N/G4/HFE = 5/3/1.5 at 30 °C.

4 . 結言と今後の展望

超局所濃厚電解液においてリチウムイオンが G4 よりも速く拡散することを見出した。今後は溶液構造に関する NMR の知見を電析挙動と照合することで、電解液設計にフィードバックする。
引用文献[1] A. Kitada, K. Kawata, M. Shimizu, M. Saimura, T. Nagata, M. Katahira, K. Fukami, and K. Murase
Ligand Exchange Conduction of Lithium Ion in a Pentaglyme-Lithium Bis(trifluoromethylsulfonyl)amide SuperConcentrated Electrolyte
J. Electrochem. Soc., 168(1), 016506/1-6 (2021).
[2] A. Kitada, Y. Koujin, M. Shimizu, K. Kawata, C. Yoshinaka, M. Saimura, T. Nagata, M. Katahira, K. Fukami,
and K. Murase
Glyme-Lithium Bis(trifluoromethylsulfonyl)amide Super-concentrated Electrolytes: Salt Addition to Solvate Ionic
Liquids Lowers Ionicity but Liberates Lithium Ions
J. Electrochem. Soc., 168, 090521/1-7 (2021).
[3] A. Kitada, Y. Koujin, M. Shimizu, K. Fukami, Z. Zhang, M. Saimura, T. Nagata, M. Katahira, and K. Murase“Elucidation of Hopping Conduction in Lithium Excess Solvate Ionic Liquids”
The 12th International Symposium of Advanced Energy Science, online, September 7, 2021, (poster)［口頭発表リスト］
1) Asahi Ohki, Zelei Zhang, Masayuki Saimura, Takashi Nagata, Masato Katahira, Kazuhiro Fukami, and Atsushi
Kitada, “Ionics of super-locally-concentrated electrolytes” The 14th International Symposium of Advanced Energy
Science, August 31, 2023, Uji, Kyoto, Japan （ポスター）
2) 北田 敦, “これまでの自身の電解液研究と電池とのギャップ”, イオン液体先端課題研究会
Vol.3, 2023 年 9 月 6 日, オンライン
3) 北田 敦, “濃厚電解液を用いる金属めっき”, 第３回柔粘性結晶研究会, 2023 年 12 月 20 日, 上
智大学四谷キャンパス− 13 −

ZE2023A-02)H0 型ラーベス化合物のバルク体創製と物性評価
板垣 克 1，余 浩 1，荻野 靖之 1，近藤 創介 1，笠田 竜太 1，向井 啓祐 2,3，八木 重郎 2
1

2

東北大学金属材料研究所
京都大学エネルギー理工学研究所
3
核融合科学研究所

 背景
ラーベス（/DYHV）化合物は、$% の組成で形成される金属間化合物であり、特異な物性を持つことが知られている。また、火力発電所、原子力発電所、そして未来の核融合炉のような高温機器の構造材料として用いられる鉄鋼材料中においては、長時間の使用において母相中に )H0 型ラーベス相（0 は組成によって 0R や :）として析出し、高温強度を増加させる一方で低温脆性の原因となることが知られている。平衡状態図に示されるように、)H0 型ラーベス相は低温相として析出するため、大きくても
マイクロメートル程度のサイズしか得られず、)H0 型ラーベス相の物性は未知である。特に脆性相であることは知られているものの、その機械的強度特性に関する報告を見つけることはできない。当研究室では、通電焼結法などを活用することによって )H0 型ラーベス化合物バルク体の創製について目途が立ちつつある。また、これまでにホウ化物や炭化物などの化学結合性について、京都大学エネルギ
ー理工学研究所に設置された )((30$ の軟 ; 線発光分光装置（6;(6 によって詳細な情報を得られることを示してきた。そこで本研究では、)H0 型ラーベス化合物の機械的強度特性におよぼす構成元素の化学結合状態の影響を (30$6;(6 を活用して明らかにすることを目的とする。本研究によって、エネ
ルギープラント構造材料の安全性や寿命に関わるラーベス化合物の新たな材料学的知見が得られるとともに、これまでに知られていなかったバルク体の物性を明らかにすることが期待される。
 実験方法
元素比率 )H0  となるようにアーク溶解法によって作製したバルク試料 )H0R（)HZW0R）と)H:（)HZW％:）をそれぞれ ℃ K 、℃（K）において熱時効した。;5' や (%6' によって結晶相を同定したナノインデンテーション試験は 1DQRLQGHQWHU * によって実施した。化学組
成マップを京大エネ研の )((30$（-;$)）によって取得した。
 実験結果
)HZW: 熱時効材では、図１の ;5' 結果に示す通り、5,5 定量分析で )H:ZW :ZWとなる結果が得られたものの )H: 相と )H: の精密な分別は困難であり、(30$ の結果を参照すると :
ULFK 相は )H:、)HULFK 相は α)H となり、中間組成相が )H: 相に対応することが示唆された。一方、)HZW0R 熱時効材でも同様の結果が得られたが、)H0R 相と想定される領域の面積は大きい傾向にあり、ナノインデンテーション測定にはより適切であった。
図  に示すとおり、)HZW: 熱時効材では、第一原理計算によって報告されている )H: のヤング率 *3D と良い一致を示す押込弾性率を得られたが、大域的にはより低い値が得られており、残留する )HULFK 相の影響が大きいことが示唆された。)HZW0R 熱時効材では、)H0R の第一原理計
算によるヤング率（*3D）と良い一致を示す押込み弾性率が得られた。この時の押込硬さは約 *3D
であり、実験的に初めて )H0R/DYHV 化合物の押込弾性率と押込硬さを取得できたと考えられる。
今後、より大きな結晶粒を含む試料作成のために、今回とは異なる試料作成法を検討し、より信頼できる力学特性評価と照射による影響を調べる予定である。
−14−

− 15 −

ZE2023A-03

脱炭素社会に向けた NMR 分光法によるリグノセルロース系
バイオマスの構造解析
西村裕志 1,3,斎藤香織 1,3, 小林直子 1,3, 水越克彰 1, 南 陽平 1,3, 橋爪知弘 1,3,
近藤敬子 2,3, 永田崇 2, 片平正人 2,3, 渡辺隆司 1,3
1

京都大学生存圏研究所, 2 京都大学エネルギー理工学研究所, 3 バイオマスプロダクトツリー産学共同
研究部門

 緒言
地球温暖化、資源枯渇問題を背景として、環境調和型の温和な反応条件で木材からリグニン成分を分離し有効に利活用することが重要な課題となっている。植物バイオマスは、大気中の CO2 を吸収・固定化した存在であり、カーボンニュートラル・ゼロエミッションエネルギー社会構築の要である。特に陸生バイオマスの大部分を占める木質系バイオマスから、高付加価値の有機素材を創出しつつ、バイオエネルギーを同時生産することでプロセス全体での経済性と低環境負荷を成立させることが重要である。リグニンは樹木をはじめとした維管束植物全般に存在する芳香族高分子であり、莫大な賦存量があるものの、利活用は限られている。本研究では、リグニンおよびリグノセルロースの基盤的な分子構造解析を進め、温和な反応条件下での木質バイオマスからのリグニン抽出、成分分離法の検討を進める。前者では木質バイオマスを丸ごと温和な条件下で溶解させる技術開発や、高分子オリゴマーとしてリグニンや糖-リグニン複合体を取得する技術開発を行い、得られたリグノセルロースとそのグ
リーンケミストリーによる反応生成物の分子構造解析を実施する。後者では自然界における木材腐朽菌のリグニン分解機構に関する基礎知見とそれらを応用したバイオミメティックなリグニン分解系、各種酵素反応の解析、タンパク質とリグノセルロースとの相互作用解析を行う。本研究によって植物
バイオマス、木質系バイオマスの構造に関する理解を深化させ、その利活用に向けた基盤を得る事は、
ゼロエミッションエネルギー研究の発展に寄与するものである。
 NMR 法による木質バイオマス試料の分析
リグノセルロースバイオマス及びその変換試料の分子構造を解析、評価するために、溶液 NMR 法を用いた。木質バイオマスを直接分析する際には、木材や植物試料といった固体試料を、できるだけ温和な条件で溶解する必要がある。このため、微粉砕処理を遊星型ボールミル装置で 3-6 時間行い、試料へのダメージを最小限に抑えた。次に、NMR 用重水素標識溶媒（DMSO-d6/pyridine-d5 など）に溶解し、5 mm NMR 試料管に 500 μL の試料溶液を入れて NMR 測定を実施した。測定は Bruker 社製 600 MHz
NMR 装置（cryoprobe 装着 AVANCE III）を使用し、2 次元 NMR（HSQC, HMBC）測定等を行った。
 結果
木質バイオマス試料として、針葉樹、広葉樹、草本系など多様な種類を供試した。試料は、有機酸をベースとした溶媒に温和な条件で溶解し、分析を行った。このプロセスは、木粉をα-ケト酸である
ピルビン酸やグリオキシル酸、ギ酸などの有機酸で室温で変換する方法を開発した。おが屑や木材チップを 50℃までの穏和な条件で可溶化し、木材溶液からアクリル樹脂に匹敵する引張強度を持つ透明性のあるフィルムや、紙の風合いを持つ不透明なフィルムを作成した。また、これらのフィルムを木材や金属、陶器、ガラス、プラスチックに熱圧することにより、新規な表面コート材料を作成できることを見出した。さらに、木材のギ酸可溶物からガラス繊維強化樹脂に匹敵する曲げ弾性率を持つ木質圧
縮成形物を製造できることを明らかにした。これらの木質新素材は、合成高分子や接着剤を一切使用せずに製造している点が特徴である。
ギ酸を用いた温和な条件の有機酸溶解により、木粉から成形体を作製した。ユーカリ（Eucalyptus
globulus）由来のプラスチック様フィルムではアクリル樹脂に匹敵する強度を示した。2D HSQC および−16−

ZE2023A-03
HMBC NMR 解析により、リグニンや糖鎖部分のホルミル化を確認し構造解析を行った。このホルミル化によりセルロース、ヘミセルロース、リグニンの分子間及び分子内水素結合が切断され、植物細胞壁を固めるこれらの高分子ネットワークが弛緩したと考えられる。
 成果リスト[論文]
1. Phienluphon, A., Kondo, K., Mikami, B., Nagata, T., and Katahira, M. (2023). Structural insights into the molecularmechanisms of substrate recognition and hydrolysis by feruloyl esterase from Aspergillus sydowii. Int. J. Biol. Macromol., inpress.
2. Teo, S. A. K., Kondo, K., Watanabe, T., Nagata, T. and Katahira, M. (2024). Understanding manganese peroxidase-catalyzed
conversion of the lignin structure and its application for the polymerization of Kraft lignin. ACS Sustain. Chem. & Eng., inpress.
3. Teo, S. K. K., Kondo, K., Khattab, S., Watanabe, T., Nagata, T. and Katahira, M. (2024). Enhancing bioethanol production fromrice straw through environmentally-friendly delignification using versatile peroxidase. J. Agric. & Food Chem., in press.
4. Phienluphon, A., Kondo, K., Mikami, B., Teo, S. K. K., Saito, K., Watanabe, T., Nagata, T. and Katahira, M.(2024). Structurebased characterization and improvement of an enzymatic activity of Acremonium alcalophilum feruloyl esterase. ACS Sustain.
Chem. & Eng., in press.
5. Phienluphon, A., Kondo, K., Okano, H., K., Watanabe, T., Nagata, T. and Katahira, M. (2024). Boosting sugarcane trashdecomposition: synergistic action and proximity effect of xylanase and feruloyl esterase co-displayed on the cell surface ofPichia pastoris (Komagataella phaffi). Sustain. Energy & Fuels, in press.
6. TEO, KENNETH SZE KAI, Kondo, K., Saito, K., Iseki, Y., Watanabe, T., Nagata, T., and Katahira, M.
(2023). Enhanced depolymerization of beech wood lignin and its removal with peroxidases through continuous separation oflignin fragments. Green Chem., 25, 7682.
7. Okabe, Y., Ohgitani, E., Mazda, O., Watanabe, T. (2023). Antimultidrug-resistant bacterial activity of microwave solvolysis
lignin from woody biomass. Ind. Crops Prod., 206, 117573,
doi.org/10.1016/j.indcrop.2023.117573.
8. Nishimura, H., Nagata, K., Nagata, T., Katahira, M., Watanabe, T. (2023). Direct evidence of αester linkages between lignin andglucuronoxylan that reveal the robust heteropolymeric complex in plant cell walls. Research Square (preprint),
doi.org/10.21203/rs.3.rs-1327348/v1.
[受賞］
渡辺 隆司、小林 直子、徳永 有希、橋爪 知弘 "木材の超穏和溶解を利用した合成ポリマー・接着剤フリーな木質圧縮成形物
及び表面コート木材の創成" 第 22 回市川賞、公益社団法人 日本木材加工技術協会(2023).
［学会発表］
Hiroshi Nishimura, Kaori Saito, Naoko Kobayashi, Yuu Iseki, Yoshiteru Mizukoshi, Yutaka Makimura, Yohei Minami, Tomohiro
Hashizume, Keiko Kondo, Masato Katahira, and Takashi Watanabe "NMR spectroscopy toward a decarbonized society" The 14th

International Symposium of Advanced Energy Science, 2023.8.30［招待・依頼講演］
西村裕志 "リグニン多糖複合体(LCC)の構造と機能" リグニン学会 特別セミナー, 2024 年 3 月予定
西 村裕 志 " リグ ノセ ルロー スの 構造 解析 と潜在 力を 活か した 利活 用 " 紙パ ルプ 技術 協会 (JAPANTAPPI), 2024 年3 月8 日
西村裕志 "森林バイオマスの天然分子を活かした持続可能な化学素材へ" 第 500 回生存圏シンポジウム 第17 回生存圏フォーラム特別講演会, 2023 年11 月3 日
［書籍等］
西村 裕志 "植物バイオマスを構成するリグニン－多糖複合体構造" アグリバイオ (北陸館), 7 (7), 614‒616 2023 年7 月

− 17 −

ZE2023A-04

硫化水素をエネルギー源とする有用多糖の発酵生産
武田 穣 1，斎藤朝昌 1，荒木優衣 1，近藤敬子 2，片平正人 2
1

2

横浜国立大学工学研究院
京都大学エネルギー理工学研究所

1. 背景・目的
河川、湖沼、活性汚泥に広く分布する
硫黄酸化細菌である Thiothrix nivea は、細胞表面にグルコース・グルコサミン共
GG（アミノ化剤）
重合体（GG）を主成分とする薄膜（鞘）を形成する。GG 水溶性であり、セルロースに類似した立体配座を形成することから、セルロースに対して強い相互作用を示す。そして、図 1 に示すように、水素結合を介してセルロースに不可逆的に吸着してアミノ化をもたらす。つまり、GG は天然のアミノ化剤である。ア
セルロース
水素結合
ミノ化によってセルロース表面に種々の化学修飾を容易に施すことが可能と
図 1 アミノ化剤の作用（MD シミュレーション）
なり、再生産可能な資源であるセルロー
スの活用範囲を広げることが期待される。実用化に先立ってアミノ化剤の生分解性（酵素分解性）を立証する必要がある。我々は既に GG 分
解糸状菌を単離している（図 2）。さらに、糸状菌の分類指標であるゲノム中の ITS 領域を解読した。
今回は解読した塩基配列に基づく単離株の同定と GG 分解酵素の特定を試みた。
２．GG 分解糸状菌の特徴
単離株の ITS 領域の塩基配列でデータベース検索を行ったところ、Pochonia 属の株との類似性が示され、近縁株との系統関係の解析からも裏付けられた（図 3）。さらに、胞子の形状（図 2）から、単離株を Pochonia bulbillosa と同定した。単離株は GG を増殖基質として利用可能であるとともにキトサン（グルコサミン重合体）も利用可能だった。なお、セルロース（グルコース重合体）は利用しなかった。したがって、単離株はキトサン分解菌であり GG も分解可能と判明した。キトサンでの培養で得られた培養液から回収したタンパク質を GG に加えたところ分解がもたらされた。すなわち、GG はキ
トサン分解酵素（キトサナーゼ）で分解されることが示唆された。

単離株

図 2 単離株の位相差像

図 3 単離株の系統樹−18−

ZE2023A-04
３．キトサナーゼによる GG の分解細菌由来のキトサナーゼとキトサンオリゴマーの共結晶
データ（立体配座データ）をデータベースより取得し、配座中のキトサンを GG に置換えて分子動力学（MD）シミュレ
ーションを行ったところ、GG は活性部位に然るべき立体配座でとどまった（図 4）。キトサナーゼによる分解を実験的に立証すべく、細菌由来のキトサナーゼを GG に作用させたところ、分解がもたらされた。したがって、GG はキトサナー
ゼおよびキトサナーゼ分泌菌によって分解可能であることGGが判明した。
４．セルラーゼによる GG の分解
セルラーゼはセルロース（グルコース重合体）の分解酵素であり、GG にもグルコースが含まれることから、セルロー
スの GG に対する作用の有無を調べた。菌類由来の一般的なセルラーゼで分解可能であることが明らかとなった。GG の見かけ上の分解速度はセルロースのそれを上回った。すなわ
キトサナーゼち、GG はセルラーゼおよびセルラーゼ分解菌によって分解可能であることが判明した。したがって、GG は環境中に普図 4 GG－キトサナーゼ複合体
遍的な微生物によって分解可能である。
５．酵素分解物の NMR 解析
酵素分解物に還元アミノ化反応で安息香酸誘導体（ABEE）
を導入し、HPLC に供したところ、キトサナーゼからは一つの、セルラーゼからは二つの誘導体が生じた。誘導体の NMR
解析によって、キトサナーゼからは 2 糖（図 5）が、セルラーゼからは 2 糖と 4 糖が生じることが判明した。すなわち、
キトサナーゼとセルラーゼは、GG をそれぞれ 4 糖と 6 糖単位で認識すると推察された。このように、GG の酵素分解性が明らかになるとともに、キトサナーゼとセルラーゼの触媒
図 5 GG のキトサナーゼ分解物
機構の比較および解明に有用な基質であると示唆された。
６．アミノ化セルロースのセルラーゼ耐性
GG はセルラーゼで分解可能ながら、GG を吸着させてアミノ化したセルロースナノファイバーのセルラーゼによる分解の進行は遅いことが判明した。この矛盾を理解すべく MD シミュレーションを行
い、吸着の有無による GG 分子の結晶性を予測した。その結果、下記の推察に至った。すなわち、GGとセルラーゼの親和性は低いものの、GG の可溶性と低結晶性ゆえに見かけ上の分解速度はセルロースより早い。セルロースへの吸着によって可溶性が失われるとともに結晶性が増大して本来の低親和性が露呈するため、アミノ化された（GG が吸着して表面が GG で覆われた）セルロースは見かけ上、セルラーゼ耐性を持つに至る。
７．成果発表[論文発表]
Morita H, Chida S, Takato M, Kondo K, Katahira M, Simao LB, Takeda M., “Enzymatic degradation of
glucosaminoglucan and cellulase resistance of cellulose nanofiber coated with glucosaminoglucan”, J Appl
Microbiol. 134:lxad199 (2023).
[口頭発表］
荒木優衣、斉藤朝昌、近藤敬子、片平正人、武田穣,“硫化水素が混合栄養硫黄酸化細菌 Thiothrix
nivea の酢酸代謝に及ぼす影響” 日本農芸化学会 2024 年度大会, 2023 年 3 月, 東京.

− 19 −

ZE2023A-05

タングステン中の照射欠陥生成および水素同位体捕捉における合金元素の影響
波多野雄治 1，松本あずさ 2，西村瑞規 3, 福田耕太郎 3，田口瑛爾朗 4，藪内聖皓 51

富山大学研究推進機構水素同位体科学研究センター2
富山大学大学院理工学教育部
3
富山大学大学院理工学研究科
4
富山大学理学部
5
京都大学エネルギー理工学研究所

1. はじめに核融合炉プラズマ対向材料であるタングステン（W）が中性子照射を受けると、照射欠陥による捕捉効果のため水素同位体保持量が著しく増大する。これは、真空容器内のトリチウム滞留量の増大につながる重要な問題である。このような観点から我々は、合金元素の添加により照射欠陥の生成と水素同位体保持量の増大を抑制することを目指して研究を進めている。
これまでに、5 at.％のレニウム（Re）あるいは 0.3 at. %のクロム（Cr）を添加した W に対し複合ビー
ム材料照射装置 DuET を用いて Fe イオンを照射し、500 ℃以上の高温では照射の影響を著しく低減できることを見出した[1,2]。これは、空孔およびその集合体の形成が抑制されたためであることが確認されている[1,2]。Suzudo と Hasegawa が行った DFT 計算によると、Re および Cr は W 自己格子間原子とクラスタを形成し、自己格子間原子の移動度を低減する[3,4]。このため、Re および Cr の添加により空孔と W 自己格子間原子の再結合が促進され、空孔形成が抑制されたものと考えられる[1,2]。一方で、これら合金元素が照射後の微細組織に与える影響については十分調べられていなかった。そこで、3 次
元アトムプローブ（3DAP）法を用いて照射後における合金元素の分布を調べた。
2 . 実験
DuET を用いて W、W-5%Re 合金、W-0.3%Cr 合金試料に 800 ℃および 1000 ℃で 6.4 MeV Fe イオン
を 0.26 displacement per atom（dpa）まで照射した。損傷領域の深さは、約 1.2 μm である。また比較のため W-2.5%Mo 合金および W-5%Ta 合金についても、同様の照射を行った。Mo と Ta については、空孔型欠陥の形成や照射後の水素同位体保持量にほとんど影響を及ぼさないことがわかっている [1,2]。
東北大学金属材料研究所附属量子エネルギー材料科学国際研究センターにおいて、集束イオンビー
ム加工により上記試料の Fe イオン照射部より微細な針状試料を調製した。この針状試料中の元素分布を 3DAP 法で調べた。
3. 結果および考察
図に 3DAP 法で得た非照射試料および Fe イオン照射中の元素分布を示す。非照射の状態では、いずれの試料においても合金元素の偏析は見られなかった。W と全率固溶体を形成する Mo および Ta は照射後も均一に分布していた。W-5Re 合金においては、照射後に直径数 nm 程度の粒状のコントラストが見られ、照射誘起偏析していることが示唆された。W-0.3%Cr 合金では、照射後に明確な粒状コント
ラストが現れた。すなわち、Cr は濃度が他の合金元素と比べ一桁低いにもかかわらず、最も顕著な照
射誘起偏析を示した。この結果は、W 中の Cr 原子が照射で形成される点欠陥と強く結合することを示唆しており、上述の Suzudo と Hasegawa の報告[3,4]と矛盾しない。偏析による微細組織の変化は機械的強度等に影響を与える可能性があり、プラズマ対向材料の寿命評価の観点からさらなる研究が必要
である。

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ZE2023A-05(i)

Re in W-5Re

Mo in W-2.5Mo

Ta in W-5Ta(ii)

図 非照射試料および Fe イオン照射中の元素分布：(i) W-5%Re、W-2.5%Mo および W-5％Ta 合金(ii) W-0.3%Cr 合金
参考文献[1] Y. Hatano et al., Nucl. Mater. Energy, 9(2016)93-97.
[2] J. Wang et al., J. Nucl. Mater. 559 (2022) 153449.
[3] T. Suzudo, A. Hasegawa, Sci. Rep., 6(2016)36738.
[4] T. Suzudo, T. Tsuru, A. Hasegawa, J. Nucl. Mater., 505(2018)15-21.
[論文発表リスト][1] J. Wang, Y. Hatano, T. Toyama, T. Hinoki, K. Yabuuchi, Y. Zhang, B. Ma, A. V. Spitsyn, N. P. Bobyr, K. Inoue,
Y. Nagai, “Irradiation effects on binary tungsten alloys at elevated temperatures: Vacancy cluster formation,
precipitation of alloying elements and irradiation hardening”, Mater. Design, 229(2023)111899．
[口頭発表リスト][1] Y. Hatano，J. Wang, T. Toyama, T. Hinoki, K. Yabuuchi, Y. Zhang, B. Ma, A. V. Spitsyn, N. P. Bobyr, K.
Inoue, Y. Nagai, ”Irradiation responses of selected binary tungsten alloys”，21st International Conference on
Fusion Reactor Materials, October 22-27, 2023, Granada, Spain．
[2] Y. Hatano, J. Wang, T. Toyama, “Enhanced vacancy annihilation in irradiated W by addition of Re and Cr- What is the mechanism? -”, 6th International Workshop on Models and Data for Plasma-Material Interaction
in Fusion Devices, May 29-31, 2023, Aachen, Germany.

− 21 −

ZE2023A-06

ミトコンドリアを模倣したエネルギー生成システムの構築を目指したミトコンドリア内温度変動の測定
1 産業医科大学

坂口 怜子 1，森井 孝 2
医学部、2 京都大学 エネルギー理工学研究所

細胞内の小器官であるミトコンドリアは、生物が活動するために必須なエネルギーの産生を担っている。ミトコンドリアのエネルギー産生システムは非常に効率が高いことが知られており、外部環境の変化や体内におけるエネルギー需要に応じて産生するエネルギーを調節している。その際、重要な役割を果たしているのが「温度」であり、生物は効率の良いエネルギー産生・消費のために、状況に応じた温度制御を細胞小器官のレベルで能動的に行っている。ミトコンドリアなどの細胞内小器官内の温度の経時変化や空間分布を測定する事が出来れば、生物の用いている効率の良いエネルギーシステ
ムに対する知見が得られ、応用に繋がると考えられるが、細胞内の温度を直接的に計測する手法は限られている。また、哺乳類の熱産生に関しては、特定の細胞内小器官からの熱産生が提唱されているが、これを直接的に評価する方法が不充分であったことから、熱産生の定量的な議論や実際の体温変化への寄与はほとんど理解されていなかった。申請者らはこれまでに、サルモネラ菌由来の温度感知タンパク質である TlpA と GFP を融合した、細胞内および細胞内小器官の温度計測を可能とする温度センサータンパク質(tsGFP)を開発してきた。TlpA は、温度上昇に伴い、そのコイルドコイル構造が可逆的に変化する転写制御タンパク質である。この TlpA のコイルドコイル領域の一部を、GFP の N 末

図 1 tsGFP1 の模式図。TlpA2 量体の温度依存的な結合解離に伴い GFP の蛍光特性が変化し、37℃付近の温度変化を鋭敏にできる(Kiyonaka et al., Nature Methods, 2013 より一部改変)。温度が上がるとレシオが下がる。

端および C 末端に結合させることで tsGFP シリーズを設計した（図１左）。そのうちの一つ、tsGFP1は、哺乳動物の体内温度に相当する、37℃付近の温度変化を鋭敏に感知し、励起スペクトルの 2 つの極大（400 nm と 480 nm）の変化をレシオメトリックな変化として検出することができた（図１右）。
また、TlpA が形成するコイルドコイル領域の長さやアミノ酸配列を操作し、熱安定性を変化させることで、鋭敏に感知できる温度領域を制御することが可能である。
他の細胞内温度センサーと比べた tsGFP の大きな利点として、タンパク質ベースであることから、遺伝子を導入するだけで非侵襲的に生細胞内・組織内で発現させることができ、さらに細胞内小器官
局在シグナル配列を付与することで、各小器官における特異的な観察が可能であることが挙げられる。
これらのセンサーを用いて、小胞体特異的な熱産生や、ミトコンドリア内の不均一な温度分布の可視化にも成功している。これらの変化はいずれも、細胞質内に発現する tsGFP1 では検出できない事象で−22−

ZE2023A-06
あり、熱やエネルギーが産生されるまさにその場所で温度計測を行う事の重要さを示唆している。申請者らはさらに、HeLa 細胞のミトコンドリアの中では「活発にエネルギー産生（ATP 産生）を行っている領域は温度が高い」という相関関係が存在することを、ミトコンドリア型 tsGFP1 を用いて実証している（Kiyonaka et al., Nature Methods, 2013, Kiyonaka et al., Nature Methods, 2015）。
本研究では、ミトコンドリア型 tsGFP1 を用いて、細胞内の温度変化に伴うイオンチャネルの機能制御を観察した。TRP チャネルは非選択的カチオンチャネルのファミリーであり、そのうちの TRPV や TRPM、TRPA
は温度の変化に依存してチャネルが開き、細胞内にCa2+を流入させることでさまざまな細胞応答を司ることが報告されている。しかし、同じファミリーの一員であり、心臓、肺、腎臓などの疾患の原因遺伝子でもある
TRPC は、顕著な温度応答性が知られていない。そこで、TRPC チャネルと腎疾患患者から同定された TRPC の
図 2 tsGFP1 と fura-2 を用いて測定した、細胞点変異体を HEK293 細胞に過剰発現させ、蛍光性細胞
内温度変化に伴う野生型と変異型 TRPC チャ
ネルを介した Ca2+流入の経時変化。
内 Ca2+指示薬、fura-2 で温度依存的な TRPC のチャネル
活性の経時変化を評価した（図２）。その結果、tsGFP1 で計測した細胞内温度の上昇に伴って細胞内の2+
Ca 濃度が上昇し、その傾向が TRPC 変異体ではさらに顕著であることが分かった。患者からみつかったアミノ酸の点変異が、チャネルの温度感受性を高くしている可能性が考えられる。今後、この Ca2+濃度の上昇が、細胞内エネルギー産生に与える影響を ATP センサーなどを用いて検討する予定である。

［論文発表リスト］
該当なし［受賞、プレス発表等］
該当なし［口頭発表リスト］
該当なし− 23 −

ZE2023A-07−24−

ZE2023A-07− 25 −

−26−

− 27 −

ZE2023A-09

電気透析用リチウムイオン伝導性電解質隔膜への緩衝層形成（)RUPDWLRQRIEXIIHUOD\HURQOLWKLXPLRQFRQGXFWLYH
HOHFWURO\WHGLDSKUDJPIRUHOHFWURGLDO\VLV）
佐々木一哉 1,2，向井啓祐 3，菊池叡 1，高橋伊久磨 4，笠田竜太 5 八木重郎 312

弘前大学大学院理工学研究科
弘前大学リチウム資源総合研究機構
3

京都大学エネルギー理工学研究科
45

千葉工業大学工学部

東北大学金属材料研究所

 背景・目的
将来の基幹エネルギーシステムとしての実用化前倒しが検討されている核融合発電は、三重水素（T）と重水素（D）を燃料とする D－T 反応を利用する。稀少な T を 6Li と中性子の核反応で生成することが前提である。6Li を自国内で安定に供給するには、Li 資源の採取／回収と 6Li 同位体濃縮を大量かつ安価な実現が必要である。申請者は、リチウムイオン伝導性固体電解質 La0.57Li0.29TiO3（LLTO）を隔膜として用いる独自の電気透析法を検討している。これまでに、高純度な Li を従来法の 103～106 倍の速さで採取／回収できる方式を考案し、産学連携共同研究として実用化を目指している。更に、6Li 同位体濃縮に関しては、同位体濃縮効率を高められる特殊な電位制御方法を考案し、古典論で予測される同位体濃縮率の理論値（1.08）に近い 1.06－1.07 の安定実証や量子論的効果によって従来理論値を超える 1.12 の実現（PCT 特許出願済）を可能とした。このように、LLTO を隔膜とする電気透析は、Li の採取／回収や同位体濃縮の為の技術として有望であり、更なる高度化が期待される。
これまでの研究で、LLTO と溶液との二相界面での Li+の溶解・溶出反応が律速で、Li+の移動速度に大きな影響を与えることを解明した。2020 年度と 2021 年度の ZE 共同研究では、高周波グロー放電発光分光分析（radio frequency-Glow Discharge Optical-Emission Spectrometry: rf-GD-OES）により、電気透
析時の LLTO の表面近傍に Li+が偏在することを示した。この偏析の解消はこれら技術の高度化に不可欠である。LLTO 表面へ適切な緩衝層形成が有効と考えられ、2022 年度は La/Li 比が異なる LLTO 膜の形成の検討を行った。一方で、緩衝膜として LLTO をベースとするのが良いか否かは不明である。
本研究の目的は、セラミックス系リチウムイオニクスを固体電解質とする電気透析時の隔膜として使用するリチウムイオン（Li＋）伝導性固体電解質板の表面に緩衝層を形成する際に、LLTO をベースとすることが適正か否かを判断する。
 研究方法
市販の /D/L7L2（//72）緻密焼結板（東邦チタニウム、PP×PP×PP）の両面の中央位置（PP×PP のエリア）にライン／スペース＝PP／PP の格子状 3W 電極（厚さ：約 µP）を、高純度 3W 粉末を分散した 3W ペーストのスクリーン印刷・焼成（℃）で形成した。3W 電
極の端にリード線として 3W 線を、3W 粉末とガラス粉末を分散した接着用 3W ペーストを用いて ℃の焼成で焼き付け・固定した。アクリル製の電気透析セルのアノード浴とカソード浴の間にこの //72
板を配置し、シリコンラバーで液漏れを防止しながらねじで固定した。アノード側浴とカソード側浴には、それぞれ、PRO//L2+ 水溶液と純水を入れ、同一の十分な速度でスターラー攪拌した。いずれの液も、3W 線取り付けに使用した 3W ペースト焼き付け部分が溶液に触れないような量とした。//72の両側に固定された 3W 電極の間に、直流電源で電位差を与えた。電圧印加時間 V、印加中断時間
V を繰り返すよう、間欠的に電圧を印加した。印加電圧は 9～9 の間で変化させた。流れた
電流を電流計で測定した。電気透析中のインピーダンスを  極式交流インピーダンス法で測定した。

−28−

ZE2023A-09
実験に用いた /L2+ 水溶液、および、電圧印加によりアノード側浴からの /L＋移動でカソード側浴に生成した /L2+ 水溶液中の /L と /L の濃度を誘導結合プラズマ質量分析法（,&306）で分析し、式（１）
により同位体濃縮比（&RQFHQWUDWLRQ )DFWRU &) ）を決定した。電気透析後の //72 板表面の 3W 電極付近および 3W 電極直下の //72 断面の 7L の原子価状態を ; 線光電子分光法（;36）で分析した。
𝐶𝐶𝐶𝐶＝

⁶𝐿𝐿𝐿𝐿 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑖𝑖𝑖𝑖 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 𝐿𝐿𝐿𝐿
⁶𝐿𝐿𝐿𝐿 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑖𝑖𝑖𝑖 𝐿𝐿𝐿𝐿 𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒ℎ𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚(1)− 29 −

Pt4f7

Pt4f5

Intensity (Arb. unit)

Ti2p1
4+
(Ti )

Intensity (Arb. unit)

Ti2p3
4+
(Ti )

 結果と考察
図  に、印加電圧と &) との関係を示す。本実験で行った間欠的電圧印加では、 9～ 9 の範囲では、&) は印加電圧に依存せず、～ でほぼ一定であった。この間、印加電圧の増大により、カソード側浴へ移動した /L 量は増大した。しかし、電流当たりの /L
移動速度と定義されるファラデー効率は、9 を超えると急激に低下した。また、交流インピーダンス測定にApplication voltage (V)より、この大電圧印加により //72 の粒内抵抗と粒界抵
図１͘印加電圧と同位体濃縮係数との関係．
抗はいずれも小さくなったことを確認した。図２に、3W
LLTO crosssection
電極直下の //72 断面の 7L の原子価状態を調査した ;36 分
析結果を示す。ピークが小さく不明瞭だが、3W 電極との界
① ③
＋
＋
②
面近傍の //72 中に 7L と 7L に帰属するピークが確認された。したがって、3W 電極近傍の //72 内部の 7L は式（）や式（）に示す反応により還元され、7L イオンの周囲に自由電子が生成したと推定される。
Pt electrodeTiTi×→TiTi’＋e’   、 TiTi×→TiTi’ ’＋e’ ’   
これらを総合すると、ファラデー効率の低下は、大電圧印加
により //72 のカソード浴側表面の電位が 7L イオンの還元電位以下となり電子伝導が発現したためと推定される。
図２͘ >>dK板断面のyW^分析（右は分析位置）．
 図３は、7L の還元が生じたエリアの二次元的広がりを明らかにするための、//72 板表面の 3W 電極付近の;36 分析結果である。3W 電極が形成されていない //72の表面のいずれからも 7L＋や 7L＋に帰属するピークは⑥観測されなかった。したがって、//72 中で 7L が還元さ⑤れるエリアは二次元的にはほとんど広がっていない可⑥④
能性があると考えられる。しかし、還元された 7L は短⑤④③
時間の空気暴露で再酸化する可能性があるため、再酸化③②
しない方法・条件での再分析は必要であると考える。
②①①
 まとめref. ref.
/L 同位体濃縮に有望な //72 緻密焼結体を隔膜とす
75
70
470
465
460
455 80Binding Energy / eV
Binding Energy / eV
る間欠電圧印加電気透析に関して下記が判明した。
図３͘ >>dK板表面のWƚ電極近傍のyW^分析（上は分析位置）．
 大電圧を印加すると、高い &) を維持しながら /L 移
動速度も増大する。しかし、 /L 同位体濃縮時も大電圧印加ではファラデー効率が低下する。
 ;36 分析からは、ファラデー効率の低下は、//72 中の 7L 還元の還元による電子伝導の発現に起因すると推定される。
 したがって、緩衝層は 7L を含まない組成とすべきだと推定される。
［論文発表リスト］なし ［受賞、プレス発表等］なし ［口頭発表リスト］・K. Sasaki*, K. Mukai,
et. al., Study of the surface modification layer of lithium-ion electrolyte for electrodialysis, The 14th
International Symposium of Advanced Energy Science, Japan. Aug. 30, 2023, Kyoto, (poster).

ZE2023A-10

酵素活性中心への光増感分子の導入による酵素複合体内光誘起電子移動反応
高島 弘 1，佐藤 優 1，中田 栄司 2
1

奈良女子大学理学部化学生物環境学科
2
京都大学エネルギー理工学研究所

1. 序
現在、生命・医療・環境・エネルギー問題などの観点から、クリーンなエネルギーである光（太陽光）を利用する生体分子の機能発現システムの開発が注目を集めている。生体内では光合成を始めとした、光を利用したエネルギー生産やゼロエミッションな代謝経路等が良く知られており、それらの本質である重要な素過程として、蛋白質・酵素が中心的な役割を担う、高速・高効率な多段階電子移動・エネ
ルギー移動反応が挙げられる。我々は、蛋白質・酵素が行う複雑な生体内光電子・エネルギー移動反応
を、より単純化した系として人工的に再構築することで、その反応機構の解析や新たな蛋白質の光電子移動・エネルギー伝達を利用した反応系への応用に向けての基礎的研究を進めてきている。
このような観点から、本研究では蛋白質・酵素とその反応中心へ共有結合を介して結合する小分子の作用機序に着目して、光増感分子・光機能分子と酵素からなる複合体の構築とその発光特性の検討
や、多段階的な光誘起電子移動反応系の開発を行った。具体的には、構造・機能が良く知られている
加水分解酵素キモトリプシン(CHT)に着目し、その反応中心への特異的共有結合によって人工的な酵
素複合体を構築した。また、電子アクセプターの添加により、生体内多段階電子移動反応において重
要な反応中間体とされる、蛋白質ラジカル種の安定な生成も可能となった。本研究は、複雑な生体内
多段階電子移動反応の素過程解明や、標的蛋白質の蛍光イメージング、あるいはゼロエミッションな
人工光合成を視野に入れた蛋白質の光触媒反応活性発現などへ向けた、有意義な基礎的知見を与えると期待される。
2. 実験および結果
研究初年度からの取りかかりとして、光増感作用や発光特性を有す
る金属錯体の CHT 反応中心への導入と、その光電子移動・エネルギー
移動反応解析を行ってきている。これまでに、調製したルテニウム錯体と CHT の複合体の光誘起電子移動反応について検討した。この複合体において、CHT 中のチロシン残基(Tyr 94)からの蛋白質内電子移動によって生じたと考えられる、チロシンラジカル由来シグナルの観測に成功した。
そこで、金属錯体に限らず、光励起状態からの発光性有機π電子系分子（図 1）を用いた、酵素複合体の設計と調製を行った。具体的には、ピレンやナフタルイミドのような芳香族化合物を CHT 反応中心へ導入した。その酵素複合体の発光特性について検証したところ、ピレン
やナフタルイミドは CHT の酵素反応中心でのキラリティーを反映した円二色性および円偏光発光(CPL)特性を示すことが明らかになった。
また、発光性p電子系分子の合成拡張の観点からも、その光特性や光 図 1 酵素反応中心へ結合可能な
発光性有機p電子系分子
励起状態の安定化を系統的に検討するため、種々の窒素含有配位子のプロトン付加体についての結晶構造解析や発光特性を調べた (図 2)。この発光特性について実験的および DFT 計算による理論的アプローチから詳細に検討し、励起状態由来の発光機構を明らかにした。
これらの成果の一部については、学会で発表し、また今年度の原著論文として学術雑誌に掲載し
た。

−30−

ZE2023A-10[共同研究との関連性]
発光性p電子化合物および調製した酵素複合体の同定については、
質量分析計などによる分子量の評価が不可欠であるため、本共同研究を通じて所内の設備機器である「ラブコン製 真空凍結乾燥機 FZ12SF」「島津製作所製 MALDI-TOF-MS AXIMA」などを利用した。
これらの測定により、精製された酵素複合体全体の分子量の決定と導入したアミノ酸位置の推定が可能となった。装置の利用にあたっては、中田栄司准教授に大変多くのサポートを頂いた。また、本研究計
画の遂行には、蛋白質溶液調製のための消耗品類、質量分析を行う際に必要となる分析用消耗品、クロマトグラフィー担体、各種ガラス器
具類が不足していたため、研究経費はそれらの消耗品の購入に充て、一部は共同利用での訪問にかかる旅費に充てた。

図 2 発光性窒素含有配位子におけるプロトン付加体の結晶構造

3. 「論文発表リスト」および「口頭発表リスト」[論文発表リスト]
1) Naokazu Yoshikawa, Shoko Yamazaki, Ayane Nakaoku, Yui Manabe, Norimitsu Tohnai, Eiji Nakata,
Hiroshi Takashima, “1,10-Phenanthroline-Based Octahedra Induced by Protonation of a Nitrogen Atom:
Structures and Emission Properties”, ChemistrySelect, 2023, 8, e202303561.
2) Yuna Kamimoto, Ryoya Ikemura, Yoshitane Imai, Norimitsu Tohnai, Shoko Yamazaki, Eiji Nakata, Hiroshi
Takashima, “Circularly polarised luminescence from excimer emission of anthracene derivatives complexedwith γ-cyclodextrin in the solid state”, RSC Adv., 2023, 13, 1914-1922.
3) Naokazu Yoshikawa, Shoko Yamazaki, Shiori Eguchi, Ayaka Nishiyama, Yuki Yamashita, Norimitsu
Tohnai, Eiji Nakata, Hiroshi Takashima, “Octahedrons of 1,10-phenanthroline and 4'-chloro-2,2':6',2''terpyridine induced by protonation of nitrogen atoms: synthesis and structural analysis”, J. Mol. Struct.,2023, 1271, 134075.

[口頭発表リスト]
1) 直江麻美・江口詩織・高島弘・今井喜胤・藤内謙光・山崎祥子・中田栄司，“ビス-1,8-ナフタルイ
ミド誘導体およびその類縁体の合成と円偏光発光特性”，日本化学会第 104 春季年会(2024)，2024
年 3 月，日本大学（ポスター）
2) 高島弘・吉川直和・山崎祥子・藤内謙光・中田栄司，“1,10-フェナントロリン誘導体のプロトン化により誘起された八面体構造と発光特性 ”，日本化学会第 104 春季年会(2024)，2024 年 3 月，日本大学（ポスター）3) 高島弘・吉川直和・山崎祥子・藤内謙光・中田栄司，“窒素原子のプロトン化により誘起された
1,10-フェナントロリン誘導体の八面体構造と発光特性 ”， 第 33 回基礎有機化学討論会，2023 年
9 月 12 日，岡山市（ポスター）
4) 高島弘・江口詩織・直江麻美・今井喜胤・藤内謙光・山崎祥子・中田栄司，“ビス 1,8-ナフタルイ
ミド誘導体の分子内エキシマーに基づく円偏光発光特性 ”，2023 年光化学討論会，2023 年 9 月 6日，広島市（ポスター）
5) 高島弘・今井喜胤・藤内謙光・山崎祥子・中田栄司，“疎水性ピレンまたはアントラセン誘導体とγ-シクロデキストリンの水中および固体状態での複合化と光学特性 ”， 第 34 回 配位化合物の光化
学討論会，2022 年 8 月 10 日， 山梨大学（ポスター）
6) 高島弘・江口詩織・直江麻美・今井喜胤・藤内謙光・山崎祥子・中田栄司，“光学活性ビス 1,8-ナ
フタルイミドのエキシマー形成と円偏光発光特性 ”， 第 20 回 ホスト-ゲスト・超分子化学シンポ
ジウム， 2022 年 6 月 17 日，東京都立大学− 31 −

ZE2023A-11−32−

ZE2023A-11− 33 −

ZE2023A-12

液液相分離によって形成される核酸コンデンセートと内包される分子の核磁気共鳴法を用いた解析

黒川理樹 1, 川上愛加 2, 山置佑大 2, 近藤敬子 2, 阪本知樹 2, 永田崇 2, 片平正人 212

埼玉医科大学医学部
京都大学エネルギー理工学研究所

近年、異常伸長した繰り返し配列を持つ核酸が、液液相分離しコンデンセートを形成することが示され、神経変性疾患の発症の直接的な原因である可能性が示唆された。また、核酸コンデンセートは、酵素やリボザイムなどの触媒能を有する生体分子を集積した反応場構築のための分子ツールとなることも期待されている。タン
パク質コンデンセートの研究例は急速に増えてきているが、核酸コンデンセートおよびその内部に存在する分子に関しては、物理化学的な理解が不十分である。神経変性疾患発症の根底にある分子機構を理解し、分子ツールとしての実用化を促進するには、コンデンセートの物
理化学的特性を明らかにすることが非常に重要である。
これまでに 3 本の DNA 鎖からなる Y 字型の DNA 構
造体（Y-DNA）が互いに相補な配列を有する末端部分を介して分子間で相互作用し、コンデンセートを形成する 図 1. 3 種類の DNA 鎖から成る Y-DNA 構
ことが報告されている(図 1) (Sato et al., Sci. Adv., 2020)。 造体。末端の自己相補配列により Y-DNA
本研究では、この Y-DNA のコンデンセートを用いて、 どうしがゆるやかにネットワークを形成す形成に関与する核酸の挙動を解析した。さらに、Y-DNA ることでコンデンセートが形成される。
コンデンセートの内部環境を調べるために、グアニン
四重鎖構造を形成することが知られている DNA 配列であるテロメア DNA (teloDNA)を用いた。本研究
では、Y-DNA コンデンセート内の Y-DNA と teloDNAの両方について、その拡散係数および T2 緩和時間を解析した。
下記の(i)-(iv)の手順で実験を進めた。(i) 3 種類の YDNA 配列を混合し、アニーリングによって Y-DNA コ
ンデンセートを調製した(試料(i)) (図 1、2 上段)。(ii)teloDNA 単独でアニーリングし、グアニン四重鎖構造を形成させた。その後、Y-DNA コンデンセートと図 2. Y-DNA コンデンセート中にコンデンセート
混合した(試料(ii)) (図 2 下段)。(iii) (i)と(ii)のサンプ形成には関与しない teloDNA を導入することで、ルをそれぞれ遠心分離し、分散相(上層)とコンデン核酸で構成されるコンデンセート内部の環境を研セート相(下層)に分離した(図 2、右)。(iv)これら 4究する。各試料は遠心分離によって分散相とコン
つ の サ ン プ ル に 対 し て NMR 測 定 を 行 っ た 。
デンセート相に分離して解析する。

−34−

ZE2023A-12
Diffusion Ordered SpectroscopY (DOSY)を用いて、並進運動を反映する拡散係数を取得した。回転運動を反映する T2 緩和時間は、1-1
エコー実験を用いて測定した。これら 2 種類のパラメーターを、各条件下の Y-DNA および teloDNA について決定した。
試料(i)に関し、コンデンセート状態の YDNA の拡散係数と T2 緩和時間は、分散状態
中に比べ、共に小さい値であった（図 3、上段）。これは、コンデンセート中では、Y-DNA
どうしがネットワークを形成することで、並進運動と回転運動が共に抑制されていることを示唆している。一方、試料(ii)に関し、コンデンセート状態中の teloDNA については、分散状態に比べ、拡散係数は小さい値を示す
が、T2 緩和時間には明確な違いが見られな。このことから、コンデ
かった（図 3、下段）
ンセート状態では、Y-DNA のネットワーク
形成によって teloDNA の並進運動が分散状態に比べて抑制されるが、回転運動はほとん
ど影響されないことがわかった。
これらの知見は、コンデンセートによる区画化された反応場の形成とその将来的な応用という観点から興味深い知見である。

図 3. 分散相(左ボックス)とコンデンセート相(右ボックス)の両方における Y-DNA (上段)と teloDNA (下段)の拡散係数(左)と T2 緩和時間(右)。

[論文発表リスト]
1. Kurokawa, R., “Positive and Negative Aspects of Protein Aggregation Induced by Phase Separation” In:
Kurokawa, R. (ed) Phase Separation in Living Cells Benefits and Risks. Chapter 5, Springer Nature Singapore,(2023) p71-92. doi.org/10.1007/978-981-99-4886-4_5. (謝辞あり)
2. Kurokawa, R., (eds) “Phase Separation in Living Cells Benefits and Risks” Springer Nature Singapore, (2023)
318 pages. doi.org/10.1007/978-981-99-4886-4 (謝辞あり)
3. Katahira, M., “FUS Aggregation by Shear Stress on Pipetting and Its Suppression by Non-coding RNA” In:
Kurokawa R. (ed) Phase Separation in Living Cells Benefits and Risks. Chapter 1, Springer Nature Singapore,(2023) p3-19. doi.org/10.1007/978-981-99-4886-4_1 (謝辞あり)［口頭発表リスト］・オーガナイザー：黒川理樹、片平正人、「Long noncoding RNA and cellular program of gene regulation Molecular Biology of RNA and its binding proteins-」、第 46 回分子生物学会年会、2023 年 12 月 7 日.
・黒川理樹、「Molecular mechanism of suppression of the TLS/FUS precipitation through long noncoding RNA(lncRNA) -Quest for lncRNAs suppressing onset of amyotrophic lateral sclerosis (ALS)-」第 46 回分子生物学
会年会、2023 年 12 月 7 日.
・片平正人、「液液相分離で生じた核酸コンデンセート中の分子の並進運動と回転運動及びインセル
NMR」 第 46 回分子生物学会年会、2023 年 12 月 7 日.

− 35 −

ZE2023A-13

共振器型超放射自由電子レーザーによる革新的テラヘルツパルス光源の構築
坂上和之 1，小林建輝 2，柏木茂 3，全炳俊 4
１

東京大学大学院工学系研究科
東京大学システム創成学科
３
東北大学電子光理学研究センター
４
京都大学エネルギー理工学研究所
２

1. はじめにKU-FEL 内に設置されている THz コヒーレントアンジュレータ放射発生装置(THz-CUR)において、これまでに得られているコヒーレントアンジュレータ放射(Coherent Undulator Radiation: CUR)のミク
ロパルスエネルギーは 1uJ 程度と比較的大きな強度ではあるが、レーザーなどを用いた他の手法による光源の進展も著しく、より顕著な特徴を示すことの重要性が高まっている。テラヘルツ帯の特に高強度な光パルスの応用のトレンドは非線形光学研究や半導体等の物性制御研究、磁性体・超伝導体・強誘電体の物性研究など環境・エネルギーに関連する材料開発研究であり、ユニークな光源の構築によって、これらの研究分野に対して求心力を持つ拠点となることが可能である。
加速器を用いた光生成においてさらに大強度な光を得る手法としては、共振器型の自由電子レーザー(Free Electron Laser: FEL)があり、THz-CUR 装置においては、THz 帯にてすでに電子バンチを十分圧縮した状態から FEL 発振が可能な体制（超放射 FEL）が整っている。そこで光共振器の導入によってテラヘルツパルスの強度を指数関数的に増幅すること、またスペクトル幅が広いシングルサイクルのパルス、つまり高ピーク強度のパルス生成が可能であるため、超放射 FEL 発振を目標として本研究を開始した。この様にして発生させた非常に強力な THz 波はその強力な電場で駆動される新奇なレーザ
ー加工や電子線の高効率高勾配加速、アト秒 X 線パルスの発生、強電場科学研究など、従来の枠を超えた幅広い応用分野への展開が期待される。
2. 超放射自由電子レーザー
一般の自由電子レーザーと比較して、すでに発振光波長以下に圧縮された電子ビームを用いる超放射 FEL では、電子ビームのエネルギー変調・密度変調といった過程をスキップし、速やかにレーザー発振に至ることができる。これは電子ビームからの放射がすでにコヒーレント放射となっていることに起因する。また、その相互作用効率が高いことから、光強度を前方に集中させ、短パルス（広帯域）なレーザー発振が可能である。これまでの研究において、THz-CUR 装置における電子ビームが超放射
FEL に適していることは確認済みであり、本システムに光共振器を設置し、FEL 発振に向けた開発を開始した。
3. 自由電子レーザー用共振器システムと試験結果
KU-FEL 内 THz-CUR 装置に設置した光共振器の模式図を以下の図１に示す。共振器は L 字型の構成として、長さ 1679.5mm（電子ビームパルス繰り返しと同期）に設計した。電子ビームは上流の薄膜ミラーを通過した後、アンジュレーターにおいてテラヘルツ光を生成する。生成したテラヘルツ光は中流
ミラー・下流ミラーで反射され、共振器内を往復することになる。下流ミラーは穴あき凹面ミラーとなっており、安定共振器を構成するとともに一部の光を穴から取り出し、観測する。上流ミラーと下流ミ
ラーはリモートで角度などを調整できるように構成している。構成した共振器のフィネスは 10.2 であり、中流ミラーのアパーチャーが小さいことに起因してロスが大きくなっている。まずは共振器システムの課題を確認する意味で、この共振器構成で実験を行うこととした。

−36−

ZE2023A-13
このように設計・設置した共振器を用いて、超放射 FEL 発振に向けた実験を行った。今回は特に共振器システムの課題の抽出を目的として、得られた課題を次回までに解決し、発振を成功させることを目標としている。下流の穴あきミラー後に設置した焦電素子によってテラヘルツパルス強度を測定しながら、下流穴あき凹面
ミラーを光軸方向に走査した際
図１：設置した共振器の模式図の得られた光強度を以下の図２に示す。
（A）をみてわかる通り、共振器内の光がインコヒーレントに蓄積されている黄色の基準からみて、強度が強い方向への信号が大きく、適切に共振器内に光が蓄積できていることが分かる。
（B）は（A）の中心付近を重点的に測定したグラフである。このグラフからフィネスを算出すると、4.4 であった。設計値の半分程度となり、中流ミラーの中心を用いて共振器を適切に構成できていないことが考えられるものの、コヒーレント
スタッキングには成功していることを確認した。今後は抽出した課題を解決するとともに、共振器内
光モードと電子ビームを適切に重ねることによって FEL 発振を目指す。

（A）

（B）

図２：共振器における共鳴波形（コヒーレントスタッキング）（B）は（A）の中心付近を走査した波形

4. まとめ超放射 FEL 発振に向けた共振器の設計・設置・ビーム試験を行った。その結果、共振器内における
放射テラヘルツ光のコヒーレントスタッキングに成功した。これにより設置した共振器が適切に動作していることが確認できた。一方で、ビーム試験によって共振器の調整や上流ミラーの厚さなどに対していくつか課題が抽出された。これら課題を解決しつつ、超放射 FEL 発振の実現とそれによる高強度テラヘルツパルス発生を行っていく予定である。
5. 発表リスト［ポスター発表リスト］
小林建輝、柏木茂、全炳俊、坂上和之、“プリバンチド自由電子レーザー発振に向けた光共振器開発”、
ビーム物理研究会若手の会、2024 年 3 月 4 日-6 日、仙台（予定）− 37 −

ZE2023A-14

複製開始タンパク質 ORC の DNA 認識機構の構造生物学的基盤

和賀祥 1, 山置佑大 2, Eladl Afaf2, 神庭圭佑 2, 近藤敬子 2, 永田崇 2, 片平正人 2
1 日本女子大学理学部
2 京都大学エネルギー理工学研究所
複製開始点認識複合体 (origin recognition complex: ORC) は、真核生物の DNA 複製過程において、DNA 複製開始点を決定する重要な役割を担う。ORC は DNA 上の複製開始点に結合し、そこに複製に関わる各種タンパク質をリクルートすることで複製開始位置を制御する。しかしながら、ヒトをはじめとする高等真核生物の ORC については、結合する DNA 配列に配列特異性が見られず、染色体 DNA
上の複製開始点をいかにして認識しているのかというメカニズムが不明である。近年、グアニン四重鎖 (GQ) 構造を形成可能なグアニンに富んだ DNA 配列が、ヒトの複製開始点の約 80%に存在することが明らかになっている。さらに、これまでに我々は、ヒト ORC1 (hORC1) が一本鎖状態の DNA や二重鎖構造の DNA よりも、GQ 構造を形成している DNA に優先的に結合することを発見している(Hoshina et al., J. Biol. Chem., 2013; Eladl et al., Int. J. Mol. Sci., 2021)。これらの知見に基づき、hORC1 が染色体 DNA 上に形成された GQ 構造を認識して結合することで、DNA 複製開始点を決定するというモデルを提案している。本モデルに基づき、本共同研究では、hORC1 の GQ 結合領域 hORC1413-511 とGQ 構造を形成している DNA (GQ-DNA) との複合体構造および相互作用様式について、NMR 法をはじめとした各種分光法と生化学的手法を組み合わせて解析を進めている。生物の基盤的な生命現象である DNA 複製機構の理解を目指す本研究から得られる知見は、バイオマス資源としての利用が期待される種々の生物の細胞増殖技術の向上に寄与することが期待される。
昨年度は 13C および 15N 安定同位体標識を施した hORC1413-511 の調製を行い、調製タンパク質を用いた一連の多核多次元 NMR 測定により、hORC1413-511 の主鎖アミドプロトンに由来するシグナルの連鎖
帰属に成功した。得られた NMR シグナルの帰属情報に基づく解析から、hORC1413-511 は短いαヘリックス構造をもつが、大部分が天然変性領域と呼ばれる特異的な立体構造を持たない領域であることを示した。さらに、安定同位体標識 hORC1413-511 と GQ-DNA との複合体の NMR 測定の結果、GQ-DNA と相互作用しているアミノ酸残基の同定に成功した。
上記のように hORC1413-511 は大部分が天然変性領域であることが NMR 測定によって示された。今年
度は、この結果のさらなる検証を進めるため、円偏光二色性(CD)スペクトルの測定を行った。得られた CD スペクトルに基づく二次構造解析の結果、hORC1413-511 は 20%程度のαヘリックス領域と 75%程
度の変性領域から成ることが示された。この結果は NMR による解析とよく一致した。
加えて、今年度は、hORC1413-511 と GQ-DNA との相互作用解析についてもさらに進めた。NMR による解析の結果、hORC1413-511 中のいくつかのアルギニン、リシン、セリン、スレオニン残基が GQDNA との相互作用部位に存在することが示された。アルギニンとリシンは側鎖に正電荷をもち、DNA 主鎖のリン酸基の負電荷と静電引力によって相互作用していると考えられる。セリン、スレオ
ニンは側鎖に水酸基をもち、DNA 主鎖のリン酸基との間で水素結合を形成することで結合に寄与していると考えられる。同定された各アミノ酸残基の結合への寄与をさらに検証するため、アルギニンとリシンをアラニンに置換した変異体(KR-A 変異体)、およびセリンとスレオニンをアラニンに置換した変異体(ST-A 変異体)の二種類の hORC1413-511 変異体を設計、調製した。電気泳動移動度シフトアッセイ（EMSA）により、野生型の hORC1413-511 および二種類の変異体と GQ-DNA として知られる
mtPu22 DNA との相互作用を解析した(図 1)。野生型 ORC では、ORC 濃度の増加に伴って複合体のバンドが増加していくのに対し、KR-A 変異体では、変異体濃度が増えても複合体のバンドは検出され−38−

ZE2023A-14なかった。このことは、変異によって失われたアルギニン残基とリシン残基が hORC1413-511 と GQ-

DNA との相互作用に大きく寄与していたことを示している。一方で、ST-A 変異体では、野生型 ORCと比べて複合体バンドの強度はやや低下しているものの、依然としてはっきりと複合体のバンドが検出された。この理由として、今回変異によって欠損した残基の代わりに、他のセリン、スレオニン残基が相互作用している可能性が考えられた。特に、今回変異させた 420 番目のセリン残基には隣接する 2 つのセリン残基が存在し、これらの近傍のセリン残基が欠損させたセリンの代替として結合に寄与することで結合能が維持されている可能性がある。hORC1413-511 の大部分は相互作用相手に応じて柔軟に構造変化することが可能な天然変性領域であり、上記のように隣接する同種のアミノ酸残基が結合部位の代替と成る可能性がある。
これらの hORC1413-511 の構造解析および

hORC1413-511 と GQ-DNA との相互作用解析に関し、成果を学術論文として発表した(Eladl et al.,Biochem. Biophys. Res. Commun., 2023)。
本研究により、hORC1 による DNA の GQ 構造の認識様式について、さらなる知見を得た。本研
究にて得られた知見を基に、変異体を用いた ORCの詳細な機能解析を進め、hORC1 による GQ 構造
認識機構の全容を明らかにすることを目指す。
図 1. 電気泳動移動度シフトアッセイ（EMSA）による変異体 ORC と GQ-DNA との結合アッセイ.

[参考文献]
1. S. Hoshina, K. Yura, H. Teranishi, N. Kiyasu, A. Tominaga, H. Kadoma, A. Nakatsuka, T. Kunichika, C. Obuse,
S. Waga, J. Biol. Chem., 288, 30161, (2013).
2. A. Eladl, Y. Yamaoki, S. Hoshina, H. Horinouchi, K. Kondo, S. Waga, T. Nagata, M. Katahira, Int. J. Mol. Sci.,
22, 3481, (2021).
[論文発表リスト]
1. A. Eladl, Y. Yamaoki, K. Kamba, S. Hoshina, H. Horiouchi, K. Kondo, S. Waga, T. Nagata, M. Katahira, “NMR
characterization of the structure of the intrinsically disordered region of human recognition complex subunit 1,
hORC1, and of its interaction with G-quadruplex DNAs” Biochem. Biophys. Res. Commun., 683, 149112(2023).
［学会発表リスト］
1. S. Waga, Y. Yamaoki, A. Eladl, K. Kamba, S. Hoshina, H. Horinouchi, K. Kondo, T. Nagata, M. Katahira, “NMR
analysis on the binding sites of human origin recognition complex subunit 1 to G-quadruplex structure of DNA”
The 13th International Symposium of Advanced Energy Science, (Aug. 30-Sep. 1, 2023, Kyoto, Japan).
2. S. Waga, M. Takano, K. Shimada, M. Iwata, Y. Akiniwa, S. Nomura, and C. Shioda, “G-quadruplex binding
may be the common characteristics of the intrinsically disordered regions of the proteins that function for prereplicative complex formation in human cells” 第 96 回日本生化学会大会シンポジウム (2023 年 10 月
31 日-11 月 2 日、福岡).
3. 和賀祥、高野みなみ、島田華奈、能村さくら、岩田麻由子、秋庭結奈「ヒト複製開始因子に共通にみられるグアニン四重鎖結合活性の生物学的な意義の理解に向けて」第 46 回日本分子生物学会年会シンポジウム（2023 年 11 月 27 日-12 月 1 日, 神戸）− 39 −

ZE2023A-15−40−

ZE2023A-15− 41 −

ZE2023A-16

アンジュレータ超放射の電場重畳による高強度 THz パルス発生
柏木茂 1，全炳俊 2，坂上和之 3，川瀬啓吾 4
1

東北大学電子光理学研究センター
京都大学エネルギー理工学研究所
3
東京大学光量子科学研究センター
4
量子科学技術研究開発機構
2

1. はじめに極短電子バンチからの準単色かつ高強度のコヒーレントアンジュレータ放射：CUR（アンジュレータ超放射）を光共振器に蓄積し電場重畳することで、高強度の THz パルスを生成するための基礎研究に取り組んでいる。最終的には、光共振器を周回する THz パルスに対してブリュスター角度に設置したシリコン板に赤外レーザーパルスを照射し、その表面に瞬間的にプラズマを形成することにより蓄積光パルスを共振器から取り出す。これにより極めてピークパワーの大きな THz パルスを得ることができる。この高強度 THz パルスの実現により、「THz 高強度場」を活用した新たな物質分析手法の開発が期待できる。今年度は、光共振器への CUR パルス入射の光学整合を行い、光共振器への THz パル
スの入射効率および共振器内の光蓄積効率の向上を目的に実験を行った。

Signal median [V]Signal median [V]

2. CUR 電場重畳ビーム実験
京都大学エネルギー理工学研究所に設置された
IF002
2023/10/18
1.4
Scen -1.0 ~ 1.0cm
KU-FEL 施設の THz-CUR 光源[1, 2]を用いて、光共振器を50 um step
1.2
Ave.3
用いたアンジュレータ超放射の電場重畳による高強度
1
THz パルス発生に関する試験実験を 2023 年 10 月に実施
0.8した。実験に使用した THz-CUR 光源加速器は、エネルギ
ーチャープセル付き光陰極高周波電子銃[3]とバンチ圧縮
0.6用の磁気シケイン、アンジュレータで構成されている。
0.4
発生した CUR はアンジュレータ下流のビームライン真0.2
空中に挿入されるチタン箔により真空窓を介して大気中0へと取り出される。光共振器は加速器ビームライン脇に
-1
-0.5
0
0.5
1
Stage position [cm]
光学定盤を延長し設置される。THz-CUR 光源加速器では、カソード照射用の UV レーザーパルス[4, 5]をマクロパル
IF002
202310/18
0.07
ス化することにより、バンチ間隔が 11.2 ns（89.25 MHz）
Scen -1.0 ~ 1.0cm
50 um step
0.06 F ~ 0.45THzのマルチバンチ電子ビームを生成する。この電子ビーム
0
Ave.3のバンチ間隔より、光共振器の周長は約 3359 mm に設定0.05される。アンジュレータは周期長：70mm、周期数：10、0.04
ギャップ：80 ㎜である。マイケルソン干渉計により測定0.03
された周波数スペクトルを図 1 に示す。今回、CUR の周
0.02
波数：0.45 THz（波長：約 667 µm）で電場重畳実験を行
0.01
った。
0
図 2 に光共振器への THz パルスの光学整合を行うため
0
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8に真空中より取り出された THz CUR のプロファイル測Frequency [THz]
定用セットアップと測定された空間プロファイルを示す。
図 1： マイケルソン干渉計で測定された
本実験では、真空窓より取り出された THz パルスは 3 つ THz-CUR の干渉パターンと周波数スペクトルの非軸放物面鏡（OPA1~3）により、横方向プロファイル−42−

ZE2023A-16

Flat mirror

Input coupler (BPF)

base: 0.80

0.6
0.4

BPF: 600GHz
32 bunches, 450uJ
dl = 50um

0.2
0
0.6

0.8

1
1.2
Stage position [cm]1.4

図４：共振点付近で計測された干渉パターン[1] S. Krainara, et al., Rev. Sci. Instrum. 90, 103307 (2019).
[2] S. Kashiwagi et al., Infrared Physics & Technology, 106, 103274 (2020).
[3] K. Sakaue et al., Phys. Rev. ST Accel. Beams 17, 023401 (2014).
[4] H. Zen et al., Proceedings of FEL2014, pp.828-831 (2015).
[5] H. Zen and H. Ohgaki, Proceedings of PASJ2019, pp.786-788 (2019).

− 43 −

Concave mirror

0.8Signal [V]3. まとめ京都大学エネルギー理工学研究所 KU-FEL 施設の
THz-CUR 光源を用いて、CUR の電場重畳実験を実施した。本年度は、光共振器内での光蓄積効率向上を目的に THz CUR パルスの光共振器への横方向光学整合を試みた。結果は、これまでの電場重畳実験からの大きな改善を確認することはできなかった。現在、共振器を構成する光学コンポーネントは全て直径 2インチのものを使用しているが、凹面ミラー部分ではビームサイズが大きくなるため、今後は、より大きなミラーを使用することを検討する必要がある。

Concave mirror

Beam radius [mm]と発散角が調整される。
異なる縦方向位置でのプロファイルを計測することにより光の発散角など求め、光共振器への入射前に 4 つ目の非軸放物面鏡（OPA4）を設置することで、図 3 に示した光共振器内の THz CUR のエンベ
ロープに整合するようにした。
また、共振器の入射部のバン
ドパスフィルターは透過中心
周波数 600GHz（MMBPF-600、有限会社オリジン）のものを
図 2： THz-CUR のプロファイル計測使 用 し た 。 こ の BPF の450MHz の THz 波に対する透resonator_cal_envelope
過率はこれまでの実験より 17%である。
25
λ=666um
共振器長を共振点付近において 10 µm ステップで20変化させ信号強度の変化を測定した（図 4）。BPF での反射波と共振器の蓄積パルスの出力パルスが干渉15した結果、周期的な強度変化が生じている。最も強S
10い干渉が見られるステージ位置 1.05cm 付近では最小T
信号強度が 0.35V となっており、共振器より漏れ出
5る出力（S_OUT）が約 0.45V であることが分かる。
0
BPF の 透 過 率 17% か ら 、 共 振 器 内 に は 約 2.05V
0
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500（=0.45/0.17）相当の強度の THz パルスが蓄積できてS [mm]いると考えられる。これは入射パルス強度（0.96V =図 3：光共振器内の THz CUR エンベロープ（計算）0.8/0.83）の約 2.1 倍に相当する。入力カプラーの反CavityScan011
射率を 83%、その他の共振器ミラーの反射率を 99%1と仮定した場合は、
約 4 倍の電場重畳が期待される。

1.6

ZE2023A-17

ウイルス蛋白質由来ペプチドを利用した細胞増殖機構の制御に関する研究楠英樹 1，坂本泰一 2，永田崇 3
1

国立感染症研究所 次世代生物学的製剤研究センター
2
千葉工業大学先進工学部
3
京都大学エネルギー理工学研究所

1 . 背景二酸化炭素の排出を抑えるためには、これまで利用してきた化石資源からバイオ資源へ移行することが有効である。バイオ燃料や化成品の原料となる植物の成長を制御する技術の開発により、効率よくバイオ資源が得られると期待されている。また、新規のバイオ技術を利用・開発する上で、精密分析技術の１つである核磁気共鳴（NMR）は有用である。さらに、ウイルス蛋白質の中には宿主因子と直接相互作用して、細胞増殖機構を制御できるものがある。そこで、そのようなウイルス蛋白質または、宿主因子と直接相互作用する領域を適切に利用することができれば、植物の成長を制御できる新規のバイオ技術の開発に繋がる可能性が高い。例えば、B 型肝炎ウイルス（HBV）X 蛋白質（HBx）は、その BH3領域を介して、抗アポトーシス蛋白質 Bcl-xL と直接相互作用して細胞死を誘導する。以前、我々は、
HBx BH3 領域ペプチド（残基 101-136）が Bcl-xL の疎水性コア領域に直接結合することを NMR 法で解明した。一方で、HBx の C 末側 34 残基が欠失した HBx（残基 1-120）及び K130M/V131 変異体は、がん化（細胞増殖）を引き起こす。この興味深い現象に基づいて、C 末側が欠失した HBx BH3 領域ペプチド（残基 101-120）と Bcl-xL の複合体構造を解明することを目的として、NMR 複合体構造解析を実施した。また、HBx(101–136)-K130M/V131 変異体が溶液中でどのような状態にあるかをサイズ排除クロマト
グラフィー（SEC）と NMR で解析した。
2 . 方法
前年度と同様に、HBx BH3 領域ペプチドの残基 101-120[HBx(101-120)]を His-tag 付きユビキチン融合蛋白質発現系又は GST 融合蛋白質発現系を用いて調製した。また、13C/15N および 15N で安定同位体標
識した HBx(101-120)を調製した。Bcl-xL は下記のように調製した。N 末側に His-tag を付加した BclxL を Ni-NTA アガロース又は TALON カラムで精製した後、トロンビンで His-tag を切断した。最終的に陰イオン交換カラムおよびサイズ排除クロマトグラフィーで精製した。HBx(101-120)と Bcl-xL の複合体構造解析を容易にするため、HBx(101-120)と Bcl-xL をリンカーで連結した HBx(101-120)-linkerBcl-xL 融合蛋白質を調製した。この融合蛋白質を Bcl-xL とほぼ同様な方法で精製した。また、13C/15N お
よび 15N で安定同位体標識したサンプルを調製した。
HBx(101–120)と Bcl-xL の複合体構造を決定するため、Bruker 社 500 MHz AVANCE III と 600MHz
AVANCE III HD（極低温高感度プローブ装着）を用いて、測定温度 35℃で NMR 測定を実施した。NMR 測定用緩衝液は 50 mM リン酸カリウム緩衝液（pH 6.8）
、50 mM NaCl、1 mM DTT、10% D2O、0.02-0.1 mM
13
15
DSS とした。複合体構造解析を容易にするため、 C/ N で安定同位体標識した HBx(101-120)-linkerBcl-xL 融合蛋白質の一連の 3 重共鳴 NMR 測定を実施した。得られた NMR 情報を用いて、CYANA で構造計算を行い、AMBER12 で精密化した。
HBx BH3 領域ペプチドの残基 101-136[HBx(101–136)]の K130M/V131I、K130M、V131I 変異体を Histag 付きユビキチン融合蛋白質発現系を用いて調製し、これら変異体の会合状態を SEC と NMR で解析した。
3 . 結果および考察
前年度は、HBx(101–120)と Bcl-xL 複合体構造解析を以下のように実施して、精密化前の複合体構造−44−

ZE2023A-17を報告した。非標識 Bcl-xL と 13C/15N で安定同位体標識した HBx(101-120)をサンプルとして、この NMR複合体解析を実施した。さらに、13C/15N で安定同位体標識した融合蛋白質の NMR 測定及び解析を行った。最終的に HBx(101-120)と Bcl-xL 複合体の分子内と分子間 NOE 情報を獲得した後、CYANA で構造決定をした。
今年度は、得られた分子内と分子間 NOE を再確認すると共に、CYANA で計算した構造を AMBER12 で精密化した。最終的にエネルギーが低い 20 個の良く収束した構造を得ることができた。この複合体構造
から、HBx(101-120)は Bcl-xL と結合したとき、106 番目のスレオニン（Thr106）から 116 番目のバリン（Val116）でαヘリクッスを形成すること、4 つの残基（Leu108, Phe112, Cys115, Trp120）が Bcl-xLの疎水性コアの結合に関与することが示唆された。HBx BH3 ペプチドの 3 つの疎水性残基（Trp120、
Leu123、Ile127）は Bcl-xL との結合において必須と考えられている。HBx(101–120)は、Bcl-xL との結合に重要となる Leu123 と Ile127 が欠失しているため、Leu108、Phe112、Cys115、Trp120 を介して BclxL と結合していることが分かった（図 1）。さらに、複合体構造は HBx(101-120)の側鎖の大きな Phe112と Trp120 が Bcl-xLの疎水性ポケットに深く入り込むことを阻害している
ことを示した。この
結果は、Bcl-xL をターゲットとした低分子化合物のデザインにおいて、側鎖の大きいアミノ酸を適切に配置する
ことが、Bcl-xL との結合の強さを制御するのに有用であることを示唆する。
ここで、もう１つの細胞増殖に関わる HBx-K130M/V131I
変異体の BH3 領域である HBx(101–136)K130M/V131I に関して溶液中での会合状態を調べた。その結果、この変異体はオリゴマーを形成することが SEC と NMR 解析から示唆された。その理由を調べるため、HBx(101–136)-K130M と HBx(101–136)V131I の会合状態を調べた。その結果、K130M は、K130M/V131I と同様にオリゴマーを形成することが示唆された。つまり、HBx BH3 領域の 130 番目のリジン残基がメチオニン残基に置換されるとオリゴマー化することが分かった。今後、オリゴマーを形成する HBx(101–136)-K130M/V131I 変異体と Bcl-xL がどのように相互作用するかを詳細に解析する予定である。
4. 「口頭発表リスト」
H. Kusunoki, T. Sakamoto, and T. Nagata “Research on the Control of Cell Growth Mechanism
Using Peptides Derived from Viral Proteins” The 14th International Symposium of Advanced
Energy Science, August 30-September 1 2023, Institute of Advanced Energy, Kyoto University
ポスター− 45 −

ZE2023A-18

鉄 と ヘリ ウ ムを 同 時照 射 した タ ング ス テン の 水素 添 加に よ る
硬 さ の変 化佐藤紘一 1，上野健太郎 1，古江耕大 1，藪内聖皓 2，Diancheng Geng3，笠田竜太 31
鹿児島大学大学院理工学研究科
2
京都大学エネルギー理工学研究所
3
東北大学金属材料研究所
1. 緒 言 及 び 研 究 の 目 的CO2 ゼロエミッションエネルギーと位置付けられる核融合炉や、加速器駆動未臨界炉は次世代のエ
ネルギー源として有力な候補である。タングステンは核融合炉ではプラズマ対向材料として用いられることが検討されており、加速器駆動未臨界炉（核破砕中性子源）では中性子を発生させるターゲット
材料として用いられることがある。いずれの機器においても中性子などの高エネルギー粒子によって激しい損傷を受けると同時に、核変換によって多量のガス原子（水素やヘリウム）が生成する。ヘリウ
ムも水素も照射欠陥と結びつき、材料内部に蓄積し、照射欠陥の成長過程に影響を及ぼす。ヘリウムは
ヘリウムバブルの形成に繋がり、大量に形成すると構造材料の寸法が変わる。また、水素については、同位体である放射性を持つトリチウムの材料内部への蓄積が核融合炉機器の交換時の作業者の被ばく面で問題となる。他に、水素同位体の材料内部への蓄積は材料の特性劣化に繋がる（水素脆化として知られる）ことが懸念される。核融合炉構造材料で水素脆化が発生することは核融合炉構造材料の寿命低下を意味する。本研究グループはこれまでに 573K で Fe イオン照射したタングステンの表面硬さが水素添加によって上昇することを報告した。本研究では、より核融合炉実機環境に近づけた照射実験を行うために、573K で Fe イオンと He イオンを同時照射した材料に水素を添加し、機械的特性の変化を調べることを目的とする。
2. 実験方法
MaTecK 社製の純度 99.999at%の単結晶タングステン（φ3×50mm）から直径 3mm、t0.5mm のディ
スク状の試料をワイヤー放電加工により切り出した。この試験片両面を 9µm、3µm、1µm のダイヤモ
ンドスラリーで機械研磨した。0.08µm のコロイダルシリカを用いて最終仕上げを行った。試料に対する欠陥の導入には京都大学エネルギー理工学研究所の複合ビーム材料照射装置（DuET）を用いた。
6.4MeV の Fe3＋イオン（6.10×1019/m2）とエネルギー分解した He+イオン（5.62×1019/m2）を同時照射した（損傷量は損傷ピーク位置（表面から約 1.7µm）で 5 dpa）
。また、照射温度は 573K であった。照射後に、鹿児島大学において、543K で圧力 5.8MPa の水素ガスに 100 時間曝して水素チャージを行った。
硬さ試験には東北大学金属材料研究所に設置されている NanoIndenter G200 でバーコビッチ圧子を用いて試験を行った。連続剛性測定法（CSM）を用いて、約 2µm までの硬さと深さのプロファイルを取得した（12 点）。試験温度は 298K（室温）で、ひずみ速度は 0.05/s であった。
3. 結 果 及 び 考 察
笠田らは下記の式において、各押し込み深さにおけるバルク相当硬さを提案している。
H0 h

H h

2

1 dH h1hdh2

図 1 に 573K で Fe イオンを照射した単結晶タングステンの各深さにおけるバルク相当硬さを示す。図2 に 573K で Fe イオンと He イオンを同時照射した単結晶タングステンの各深さにおけるバルク相当
硬さを示す。どちらの照射においても 100－700nm の範囲で照射後に硬くなった。これは照射欠陥の形−46−

ZE2023A-18
成による硬化である。また、図 1 と図 2 を比較して、Fe と He を同時照射した試料が Fe のみを照射したものよりも硬いことが分かる。He は点欠陥と結び付き、点欠陥の移動を抑制するため、照射後に残存する欠陥の濃度が Fe と He の同時照射の方が高いと考えられる。そのため、硬さの上昇も大きかったと考えられるが、正確な欠陥濃度を知るためには TEM 等による組織観察が必要である。いずれの照射においても、水素チャージ後に深さ 250－400nm の範囲でバルク相当硬さが上昇した。R3 年度の実験において、高い照射温度（773K、1023K、1273K）で照射した材料のバルク相当硬さは水素チャージ
後に上昇しないことが分かっている。773K 以上の照射温度では大きな原子空孔集合体であるボイドが形成すると考えられるため、ボイドが水素を捕獲しても硬さの上昇には寄与しないと考えられる。573K
では原子空孔の拡散速度が低いため、カスケード損傷内において格子間原子との再結合や原子空孔同士の集合を逃れた原子空孔は単独で、あるいは、小さな原子空孔集合体を形成して試料中に残存すると考えられる。この原子空孔や小さな原子空孔集合体が水素を捕獲すると、水素捕獲前に比べて強く転位運動を阻害し、573K での照射材で水素チャージによって硬さが上昇したと考えられる。Fe イオン
のみを照射した材料と Fe と He を同時照射した材料の水素チャージによる硬化率はそれぞれ 3.4－8.8%と 7.1－12.4%であり、Fe と He の同時照射材の方が硬さの上昇率が高い。これは前述したように Fe とHe を同時照射した方が原子空孔や小さな原子空孔集合体の残存濃度が高く、水素チャージによる硬化に寄与する欠陥濃度が高いためであると考えられる。上述の通り、内部に He を含まないボイドが水素を捕獲しても硬くならないと考えられるが、He を含むボイドが水素を捕獲して硬さの上昇に寄与する可能性を除外することはできない。そのため、773K、1023K、1273K の照射温度でも Fe イオンと He イ
オンを同時照射し、水素チャージによる機械的特性変化を調べる必要がある。
［口頭発表リスト］
K. Sato, K. Ueno, D.C. Geng, R. Kasada, M. Ando, K. Yabuuchi, Q. Xu, M. Hatakeyama, Y. Watanabe, T. Nozawa，“Effect of hydrogen on mechanical properties in single-crystal tungsten irradiated with Fe ions at hightemperatures”，約 500 名，21th International Conference on Fusion Reactor Materials，2023 年 10 月 26 日，
スペイン・グラナダ，（ポスター）

Bulk-equivalent hardness, H0(h) (GPa)

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6
4
2
0

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1000

2000

Bulk-equivalent hardness, H0(h) (GPa)3+573K,Fe 照射(MaTecK社製)
UnirradiatedIon-irradiatedIon-irradiated+H-charge(5.8MPa)

573K,Fe3+/He+照射(MaTecK社製)
UnirradiatedIon-irradiatedIon-irradiated+H-charge(5.8MPa)

10
8
6
4
2
0

0

1000
Indentation depth, h (nm)Indentation depth, h (nm)

図 2 573K で Fe 及び He 照射した単結晶
タングステンのバルク相当硬さの押し込
み深さ依存性図 1 573K で Fe 照射した単結晶タングス
テンのバルク相当硬さの押し込み深さ依
存性− 47 −

2000

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ZE2023A-20分子振動励起によるポリウレタンの波長選択的分解

川﨑平康 1，全炳俊 2
1

高エネルギー加速器研究機構加速器研究施設
2
京都大学エネルギー理工学研究所

1. 目的
ポリウレタンは石油由来成分を原料として合成される人工ポリマーであるため、将来的に石油の枯渇が憂慮される現代では、ポリウレタンをリサイクルするための資源循環プロセスの開発が重要である。現状、ポリウレタンを分解する方法として微生物を用いた酵素的分解方法が開発されているが、培養方法の煩雑さなど汎用性において一長一短がある。紫外線や熱水によっても加水分解されるが、モノマー体の構造を保持したまま分解することは一般に困難である。本研究の目的は、環境に負荷を与えないでウレタン結合のみを選択に切断し、モノマー体の構造を保持したまま収率良く回収する方法を開発することにある。

2. 方法
赤外自由電子レーザー(IR-FEL)は、線形加速器により光速近くまで加速された電子ビームが、永久磁石が交互に並んだ周期磁場(アンジュレーター)の中で放射光と強く相互作用し、増幅されることで発振に至る。IR-FEL の光学的特長は、1)赤外吸収領域で波長可変、2)フェムト～ピコ秒パルス、3)高輝度・高エネルギーである。これにより分子の振動状態(伸縮振動など)を励起して結合を解離することが可能となる。市販のポリウレタンに対し大気圧下、IR-FEL を 15 分間室温にて照射した後、FT-IRを用いて解析した。

3. 結果及び考察
粉末状のポリウレタンフォームに対して ATR モードにて赤外吸収スペクトルを測定した（図図１）。高強度のピークが 1076 cm-1 に観測され、中強度ピークが 1532 cm-1 に観測された。そこでこれらのピー
クに相当する波長 9.3 m 及び 6.5 m で IR-FEL を照射した。対照として吸収の無い波長 5.0 m(2000
cm-1)での照射実験も実施した。
波長 9.3 m の時のマクロパルスのエネルギーは 43-44 mJ であり、照射に伴い試料表面から発煙が起こるのが確認できた。波長 6.5 m のマクロパルスエネルギーは約 39 mJ であり、この時も発煙が生じた。また照射後のポリウレタンフォームの質量は照射前に比べて 0.02 g 減少した。一方、波長 5.0 mのマクロパルスエネルギーは 41 mJ であったが、試料にはほとんど変化が生じなかった。
以上の観察結果から、赤外吸収のある波長でのレーザー照射によってウレタン構造に大きな変化が起こったと推察される。波長 6.5 m での照射ではポリウレタンの質量が減少したことから、ポリマー
構造がフラグメント化したことが予想される。波長 6.5 m はウレタン構造に含まれる N-H 変角振動に相当するため、IR-FEL による振動励起の結果ウレタン骨格が分解した可能性が示唆される。
今後はエレクトロスプレーイオン化質量分析計等を用いて詳細な構造解析を実施する予定である。

−50−

ZE2023A-20

図1

ウレタンフォームの赤外吸収スペクトル青矢印：IR-FEL の照射波長4. 「論文発表リスト」および「口頭発表リスト」について［口頭発表リスト］
1) Takayasu Kawasaki, Yuusuke Yamaguchi, Hideaki Kitahara, Akinori Irizawa, Masahiko Tani
“Terahertz radiation to amyloid fibrils”
Q-BASIS2023 (Quantum Beam Application for Sciences and Industries 2023), 25 April. 2023,
Invited Speaker2) 川崎 平康
“赤外波長選択的振動励起による生体関連物質の化学変換”
UVSOR/SPring-8 赤外ビームライン合同ユーザーズミーティング
2023/9/29 分子研研究棟 201 号室 口頭発表
3) 川崎 平康、手島 史綱、田中清尚“難分解性生体材料の放射光顕微赤外分光解析”
UVSOR シンポジウム 2023
2023 年 12 月 2 日 自然科学研究機構岡崎コンファレンスセンター ポスター

− 51 −

ZE2023A-21

カリウムイオン電池開発のための化合物系負極の創製とイオン液体電解質との適合性に関する研究
道見康弘 1，坂口裕樹 1，薄井洋行 1，山本貴之 2，野平俊之 2
12

鳥取大学大学院工学研究科
京都大学エネルギー理工学研究所

Discharge capacity / mA h g -1

 はじめに 脱炭素社会の構築に向けて資源的制約の無い元素で構成された高性能な蓄電池の開発が必須である。
リチウムイオン電池 (LIB)は高い作動電圧を有するため、高エネルギー密度化に有利であるが、Li 資
源が政情不安定な南米に偏在しており、資源の安定供給に不安を抱えている。他方、カリウムイオン電
池 (KIB)は資源的制約が無いこと (地殻中濃度 K: 2.14%, Li: 0.0018%)に加え、作動電圧も LIB に匹敵する (標準電極電位 K+/K: －2.94 V, Li+/Li: −3.04 V)ため、幅広い用途の蓄電デバイスとして有望である。KIB 用炭素系負極の可逆容量は 250 mA h g−1 程と報告されているが 1、より高容量の新たな負極活物質の開発が望まれている。アンチモン (Sb)は高い理論容量 (660 mA h g–1)を有するため大変魅力的な
KIB 負極活物質であるが、K 吸蔵－放出にともなう大きな体積変化に起因して電極が崩壊してしまう
ため乏しいサイクル性能しか得られない。このような欠点を補うため LaSb と Sb とを複合化させた
LaSb/Sb (10/90 wt.%)コンポジット電極に対して所内研究者の山本貴之助教らが開発した KIB 用イオン
液体電解質 K[FSA]-[C3C1pyrr][FSA]を適用したところ 2、優れたサイクル安定性が得られることを昨年
度までに見出してきた。今年度はその他の希土類アンチモナイド (RESb)と Sb からなるコンポジット
電極の KIB 負極特性を調べた。
 実験
 メカニカルアロイング (MA)法により RESb/Sb (10/90 wt.%, RE: Ce, La, Sm, Y)試料を調製した。RESbの各原料粉末を化学量論比となるように秤量しステンレス製ポットに封入し、回転速度 380 rpm、10 時間の条件で処理した後、Sb 粉末を追加して 10 分間の MA 処理することによりコンポジット試料を得た。導電助剤にアセチレンブラック (AB)を、結着材に Styrene-butadiene rubber (SBR)を、増粘剤にCarboxymethyl cellulose (CMC)を用いて活物質：AB：SBR：CMC＝70：15：5：10 の重量比で作製したスラリーをデスクトップ塗工機（宝泉製、HSCM-MJS02）により銅箔基板上に塗布し試験極を作製した。塗工量は 1.10±0.06 mg cm–2 とした。K 金属を対極に、K[FSA]–[C3C1pyrr][FSA] (20:80 mol.%、C3C1pyrr:
N-methyl-N-propylpyrrolidinium, FSA: bis(fluorosulfonyl)amide)をイオン液体電解質として用い 2032 型二極式コインセルを構築した。充放電試験は電流密度 200 mA g−1、電位幅 0.005–2.000 V vs. K+/K、測定温
度 303 K の条件で実施した。

600
YSb/Sb
LaSb/Sb 結果と考察
Sb
500
SmSb/Sb CeSb/Sb
 Fig. 1 は種々の RESb/Sb (10/90 wt.%)電極の充放電サイク400
ル寿命を示す。コンポジット化させた RESb の種類により寿命が異なっており、特に CeSb/Sb 電極が最も長い寿命を示300した。このような性能の違いが電極崩壊に起因していると200予測し走査型電子顕微鏡により充放電後の電極の断面を観100察した。その結果，Sb 単独電極では電極層が崩壊しており、
RESb/Sb (10/90 wt.%)0
一方で寿命が長い電極では崩壊や電極層の膨張が抑えられ
0
50
100
150
200
250
Charge-discharge cycle numberていた。K+が RESb 中を移動しやすい程、電極層全体が K+を均質に吸蔵でき電極崩壊が抑制されていると推察し 、 Fig. 1 Cycle life of various RESb/Sb (10/90wt.%) electrodes.

−52−

ZE2023A-21
10-12
LaSb
CeSb

-13

DK+ / cm 2 s-1

RESb 中の K 拡散係数 (DK+)を電気化学的に調べた。
 Fig. 2 は各物質の格子定数に対して K 拡散係数をプロットしたものである。格子定数とともに拡散係数も増大する
ことが明らかとなり、特に高い拡散係数を有する LaSb および CeSb を用いた電極は優れた性能を示すことがわかった。
したがって、予想通り K 拡散が早いほど電極層全体が K+を均質に吸蔵－放出し、Sb からの応力が局所に集中することなく電極層の崩壊が抑えられると結論した。ただし、寿命が最も長いのは CeSb を用いた電極であるが、拡散係数が最も高いのは LaSb であったことから、サイクル寿命に寄与するパラメータは他にも存在すると考え、硬さすなわち参考破壊強度に着目し測定を行った。参考破壊強度とは Fig. 3 の挿入図に示すような平面圧子を用いて単一粒子に負荷を加え加圧方向に元の粒径の 10 %変形するのに必要な力を表しており、この値が低いほど柔らかいことを意味する。測定の結果、CeSb が本研究で調べた RESb の中で最もやわらかい性質を有することがわかった (Fig. 3)。この CeSb が硬い Sb の間に存在することにより Sb からの応力を緩和し、Sb の微粉化が抑制され電極の構造が安定化したと推察される．CeSbの K 拡散係数は LaSb のそれよりも僅かに低いものの優れた機械的性質を有するため，CeSb/Sb コンポジット電極が優れたサイクル寿命を示したと結論した。

10

SmSb
YSb
-14

10

Sb
-15

10

0

0.4

0.5
0.6
Lattice parameter / nm

0.7

Fig. 2 Correlation between DK+ and lattice
parameter

References
1) Z. Jian, W. Luo, and X. Ji, J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 11566–
Fig. 3 Reference breaking strength of various
11569.
RESb (RE: Ce, La, Sm, and Y).
2) T. Yamamoto, K. Matsumoto, R. Hagiwara, and T. Nohira, J.
Phys. Chem. C, 2017, 121, 18450–18458.
 「論文発表リスト」および「口頭発表リスト」について
>論文発表リスト@
Y. Domi, H. Usui, K. Kuritani, N. Wada, K. Nishikawa, T. Yamamoto, T. Nohira, and H. Sakaguchi, “Anode
Properties of Sb-Based Alloy Electrodes for K-Ion Batteries in an Ionic-Liquid Electrolyte”, ACS Appl. Energy
Mater., 6, 11583–11591, 2023/11/9, 発行済．
［受賞、プレス発表等］
第  回希土類討論会学生講演（日本希土類学会）、2023 年 5 月 31 日、和田直也
［口頭発表リスト］
1) 和田直也、道見康弘、薄井洋行、山本貴之、野平俊之、坂口裕樹、“希土類アンチモナイドとアンチモンからなるコンポジット電極のカリウムイオン電池負極特性”、第 64 回電池討論会、2023 年 11月 29 日、大阪．
2) Y. Yamasaki, Y. Domi, H, Usui, T. Yamamoto, T. Nohira, and H. Sakaguchi, “Anode Properties of Bi-Sb Alloy
Electrodes Alkali-Metal-Ion Batteries”, The 14th International Symposium of Advanced Energy Science,
2023/08/30, Kyoto (Poster)3) Y. Yamasaki, Y. Domi, H, Usui, T. Yamamoto, T. Nohira, and H. Sakaguchi, “Effect of Difference in Charge
Carriers on Charge-Discharge Properties of Bi-Sb Alloy Electrodes”, The 14th International Symposium of
Advanced Energy Science, 2023/08/30, Kyoto (Poster)4) 和田直也、道見康弘、薄井洋行、山本貴之、野平俊之、坂口裕樹、「希土類アンチモナイドを用いたカリウムイオン電池用負極の創製」、第 39 回希土類討論会、2023 年 5 月 30 日、札幌．

− 53 −

ZE2023A-22

中赤外自由電子レーザーを用いた光誘起自由キャリアプラズ
マ吸収分光によって決定するガーネット蛍光体中 3 価セリウ
ムのイオン化エネルギー
北浦 守 1，全 炳俊 2
1

2

山形大学理学部
京都大学エネルギー理工学研究所

1. はじめにガーネット蛍光体は固体レーザーや白色 LED、シンチレータとして広く利用され、科学技術のみならず我々の暮らしにおいても必要不可欠な物質系である。ガーネット蛍光体ではドーパントである 3
価セリウムのイオン内遷移と 3 価セリウムから母体の伝導帯への電荷移動遷移が競合し、前者の光学遷移のしきい値エネルギーが後者のしきい値エネルギーよりも大きくなると発光が消光すると考えられている[1]。そのため、両者のしきい値エネルギーを実験を通して正確に評価することはガーネット
蛍光体の発光消失現象を理解する上で重要である。一方、3 価セリウムのイオン内遷移の吸収は明瞭なピークを示すため、そのしきい値エネルギーを決定するのは容易であるが、3 価セリウムから母体への電荷移動遷移の吸収は弱く[2]、またイオン内遷移による吸収と重なるために、吸収測定からしき
い値エネルギーを決定するのは困難である。申請者はこの数年来、世話人とともに非発光な関接遷移型半導体中に作られた自由キャリアの振る舞いを調べるために、中赤外域での自由電子レーザーを使った光誘起自由キャリアプラズマ吸収分光を行ってきた。この分光法によって光励起キャリアによる
中赤外吸収構造を調べることでガーネット蛍光体中に電荷移動遷移によって自由キャリアが生成されたかどうかを知ることができる。今年度は、この分光法に波長可変レーザーシステムを組み合わせて、これまで調べることが困難であった非発光のガーネット蛍光体(Gd3Ga5O12:Ce; GGG:Ce)における電荷移動遷移のしきい値エネルギーを分光測定によって直接決定することに成功した。ここではその成果の一部を報告する。
2. 実験
実験に用いた GGG:Ce 結晶はマイクロ引き下げ法で育成された。セリウムイオンの仕込み濃度は約0.5%であった。試料をクライスタットに取り付けて真空中に設置して冷却した。光誘起自由キャリア
プラズマ過渡吸収分光は京都大学エネルギー理工学研究所において行った。YAG レーザーシステムからの第 3 高調波を光パラメトリック発振器に入射して得た 2.2 eV から 2.9eV の出力をポンプ光として用いた。自由電子レーザーからの中赤外光マクロパルスをプローブ光として用いた。中赤外領域にはReststrahlen 反射が存在するので、中赤外光マクロパルスの波長はその反射の高エネルギー側の 0.19 eV
n い設定した。ポンプ光とプローブ光の出力はそれぞれ約 10 µJ と 120 µJ に設定した。中赤外光マクロパルスを参照測定用と透過測定用を分割し MCT 検出器を用いて検出した。MCT 検出器の出力信号はデジタルストレージオシロスコープに入力しパーソナルコンピューターに取り込んで解析した。
3. 実験結果と考察
図 1 に GGG:Ce 結晶において測定した光誘起自由キャリアプラズマ吸収分光の時間応答を示す。ポンプ光の光子エネルギーは(a)2.52 eV、(b)2.69 eV、(c)2.79 eV であり、それぞれ 3 価セリウムイオンの 4f5d 吸収端の低エネルギー側、吸収端、吸収端の高エネルギー側に位置する。吸収端の低エネルギー側を光励起する時、吸収変化は現れない。吸収端や吸収端の高エネルギー側を光励起する時、吸収変化が現れる。吸収端の高エネルギー側を光励起する場合には、短寿命と長寿命の吸収成分が観測される。短−54−

ZE2023A-22

(a)

(b)

(c)

Fig.1: (a) 2.52 eV, (b)2.69 eV, (c)2.79 eV で励起して得られた GGG:Ce 結晶のプラズマ吸収の時間応答。測定温度は 6K であった。

Fig.2: GGG:Ce 結晶のプラズマ吸収の時間応答に見られた短寿命成分と長寿命成分の生成
スペクトルと吸収スペクトルの比較。

寿命成分は吸収端での光励起において観測されない。短寿命成分と長寿命成分の積分強度を励起光の光子エネルギーに対してプロットしたのが図 2 である。長寿命成分は 3 価セリウムイオンの 4f-5d 吸
収端近傍から生じ、短寿命成分は吸収端の高エネルギー側から生じる。短寿命成分と長寿命成分のしきいエネルギーはそれぞれ 2.70 eV と 2.64 eV であった。
3 価セリウムイオンの 4f-5d 吸収スペクトルと比較すると長寿命成分のしきいエネルギーは比較的よく一致する。これは長寿命成分が 3 価セリウムイオンの 4f-5d 吸収端で生じていることを示す。3 価セリウムイオン内の 4f-5d 吸収で生じた励起電子はプローブ光によって伝導帯に励起され、その結果としてプラズマ吸収が現れると考えられる。母体の伝導帯に励起された電子は 3 価セリウムイオンの 5d 準位へと緩和する一方、格子欠陥準位において捕獲と放出を繰り返されて長寿命成分が現れると考えられる。一方、短寿命成分は長寿命成分の高エネルギー側で生じていた。3 価セリウムイオンの 5d 準位と母体の伝導帯底部は近接して存在することを考慮すると、短寿命成分は 3 価セリウムイオンの 4f 準位から母体の伝導帯底部への電荷移動吸収によって生じると考えられる。
これまで Dorenbos 氏が提唱した真空準位基準結合エネルギー図[1]からガーネット蛍光体において 3
価セリウムイオンの 4f 準位から母体の伝導帯底部への電荷移動遷移エネルギーが求められている。
GGG:Ce においてそのエネルギーは約 3.0 eV であり不確かさ(約 0.5eV)を考慮すると短寿命成分が生じるしきいエネルギーと一致する。したがって、GGG:Ce 結晶において 3 価セリウムイオンの 4f 準位は
GGG の伝導帯底部を基準として約 2.70 eV だけ下がった位置に存在すると結論できる。
4. まとめ本研究では、光誘起光誘起自由キャリアプラズマ吸収分光によって GGG:Ce 結晶における 3 価セリウ
ムイオンの 4f 準位から母体の伝導帯底部への電荷移動遷移のしきい値を決定した。短寿命成分が生じたしきいエネルギーは 2.70 eV であり、3 価セリウムイオンの 4f-5d 吸収端の約 60 meV 上部に位置していた。真空準位基準結合エネルギー図から予見されていた値と不確かさの範囲で一致していた。
参考文献[1] P. Dorenbos: J. Lumin. 134 (2013) 310.
[2] M. Kitaura, H. Zen et al.: Appl. Phys. Lett.112 (2018) 031112.

− 55 −

ZE2023A-23−56−

ZE2023A-23− 57 −

ZE2023A-24

核融合炉における先進中性子増倍材の水素吸着脱離挙動の実験的な検証
金 宰煥 1、 八木 重郎 2、向井 啓祐 3、中道 勝 1、黄 泰現 1、笠田 竜太 4、薮内 聖皓 2
1

量子科学技術研究開発機構、2 京都大学エネルギー理工学研究所、3 核融合科学研究所、
4
東北大学金属材料研究所

1. 研究背景と目的核融合炉では、核融合反応で生じる中性子をリチウムにあてて生産するが、より効率よく燃料を生産するため、炉心の周りを覆っているブランケット内において中性子の数を増やすための機能材料である中性子増倍材が不可欠である。その中性子増倍材の候補材であるベリリウムやベリライドは、トリチウムを生み出す核反応を有しているため、この材料における水素同位体の吸着脱離挙動が極めて重要な課題である。本研究では、ベリリウムとベリライドを高温高圧水素（H2）の雰囲気中に暴露
し、材料の吸蔵・吸着挙動を実験的に検証することを目的とする。
2. 研究手法
最大 10MPa、加熱条件最大 400℃まで調整可能な試験系統を考案し、1 次圧
15MPa、2 次圧最大 10MPa まで圧力調整器を組み立て、その試料ホルダを管状炉にセットし、温度調整を行った。また、
10MPa まで測定可能な圧力計を設置し、外部出力でその圧力変化を読み取った。
詳細は図 1 に示す。試料（ベリリウム及びベリライド）の表面に酸化層があると水素の吸収を阻害するため、酸化層などの不純物を取り除いて水素を吸収しやすくするため、数回水素吸収・放出を繰り返す処理を行った。

図 1。水素暴露試験用の装置構成

3. 結果と考察
先進中性子増倍材であるベリライドにおける水素同位体の吸着脱離挙動が極めて重要な課題であるため、本試験では、ベリライドの水素暴露試験を行い、水素吸着・吸蔵特性を調べた。先ず、常圧
高温での暴露試験を行った結果、バックグラウンドと同様な水素放出傾向を示したため、ベリライドの常圧高温における水素暴露試験では、水素吸着・吸蔵は起きないことを明らかにした。
次に活性化処理（真空中で 400℃で加熱）を実施し、その後高圧水素（10MPa）で暴露し、時間変化における圧力測定値を図２に示した。試験温度によって水素圧力の測定値が異なることと時間が経過することによって、僅かであるが吸蔵されていくことが分かった。この圧力変化は、水素吸着・吸蔵量の違いに起因すると考えられる。

−58−

ZE2023A-24

図２。ベリライド（Be12Ti）の水素吸蔵における温度・時間特性

図３。ベリライドの水素吸蔵量における温度依存性

図２の水素圧力の変化から、容器の容積、水素圧力と試料装荷量から、水素吸蔵量を計算し、吸蔵量における温度依存性を図３に示した。一般的にベリライドは金属間化合物で非常に複雑な結晶構造を有しているため、水素が安定に存在できる場所は存在しないことが報告されている[1]。しかし、
本研究課題では、高圧水素暴露試験においてベリライドに約 0.3wt％の水素が吸蔵されることを実験的に検証した。今までの重水素イオン照射による重水素放出試験を実施してきたが、非常に長い時間を要することや照射欠陥が生じるがその影響を反映することが困難であること等の短所があったが、この検証で得られた成果によって、ベリライドに水素を吸蔵させ、その水素放出特性を容易に測定できるようになる。次のステップとして、水素放出試験を実施し、水素放出挙動を調べるとともに、京都大学の施設設備である軟 X 線発光分光装置を用いて、水素吸蔵済ベリライドを用いて、化学状態の分析を行う予定である。
4. 参考文献[1] Jae-Hwan Kim, Taehyun Hwang, Suguru Nakano, Mitsutaka Miyamoto, Hirotomo Iwakiri,
Masaru Nakamichi, Deuterium desorption and retention of Beryllium intermetallic compounds
for fusion applications, Journal of Nuclear Materials 550 (2021) 152936
5. 発表先[1] Jae-Hwan Kim, Taehyun Hwang, Yutaka Sugimoto, Masaru Nakamichi, Keisuke Mukai,
Kiyohiro Yabuuchi, Ryuta Kasada, Hydrogen absorption and desorption properties ofberyllium intermetallic compounds, The 14th International Symposium of Advanced Energy
Science, Aug 31th-Sept 1, 2023

− 59 −

ZE2023A-25

発光性太陽光集光器に適用可能な固体発光材料の開発
清水正毅 1，坂口浩司 212

京都工芸繊維大学 分子化学系
京都大学エネルギー理工学研究所

1. はじめに原理自体は 1970 年代に提案された発光性太陽光集光器が、低コスト、低環境負荷、軽量を利点とする太陽光エネルギー変換システムとして近年、再注目されている 1)。発光性太陽光集光器は、
高屈折率透明高分子材料にドープされた発光材料が太陽光スペクトルの大部分を吸収し、フォトル
ミネッセンスプロセスを通じて放出された光子を発電に利用する光電変換素子である。発光ドーパ
ントから放出された光子は、高分子ホストマトリックスの屈折率に応じてホストプレート内に閉じ込められ、全反射を繰り返すことによってプレートの末端に設置された光電変換

OMe

セルに導かれてそこで電気エネルギーに変換される。したがって、発光性太陽光集

Ar

光器が革新的発展を遂げるためには、高屈折性を示す高分子の薄膜中で効率よく

Ar

MeO

発光する蛍光分子材料の創製が極めて重要である。

1

こ こ で はそ う し た 蛍 光 材 料 と し て 、 紫 外 領 域 に 発 光 極 大 を 有 す る 2ʹ,5ʹdimethoxy-p-teraryls 1 の合成と熱および光物性について報告する。

2. 結果と考察
まず、ターアリール 1 の合成について述べる（スキーム１）。溶媒メタノール中 1,4−ジメトキシ

ベンゼンに過ヨウ素酸を加えて環流することにより、2,5−ジヨード−1,4−ジメトキシベンゼンを収率92%で調製した。このジヨードベンゼンに触媒としてテトラキス（トリフェニルホスフィン）パラ

ジウムを、塩基として炭酸カリウムを用いて対応するアリールボロン酸を鈴木−宮浦カップリング
することにより、目的の 1 を良好ないし高収率で合成した（下表）。各化合物の融点（Tm）および5%熱分解点（Td）を下表に示す。融点は 136~273 °C であり、概してアリール基の嵩が大きくなると上昇する傾向にあった。一方、熱分解点は 208~273 °C であり、融点の挙動に見られたアリール
基の嵩高さとの関連性は認められなかった。
スキーム 1 ターアリール 1 の合成、熱物性および紫外可視吸収特性
OMe

MeO

1

1a

Ar
Yield (%)
Tm (°C)
Td (°C)labs (nm)e (M–1 cm–1)

ArB(OH)2
Pd(PPh3)4 (cat.)

OMe

I2
H5IO6

I

MeOH
reflux
92% yield

MeO

1b

1c

I

K2CO3
toluene/H2O (2/1)
reflux

Ar

Ar

MeO
1

1d

1e

92
197
261
320
16800

1f
S

OMe

100
154
217
319
12500

OMe

MeO

Me

82
188
235
307
9900

92
208
208
305
5700

−60−

65
273
273
310
12800

92
136
219
359
8400

1g
N

84
187
241
326
9700

ZE2023A-25
溶媒ジクロロメタン中での 1 の吸収極大波長（labs）およびモル吸光係数（e）をスキーム１中の表に示す。フェニル体 1a と比較すると、1b や 1g の吸収極大波長は 1a とほぼ同じであるのに対し、1c、1d、1e は吸収極大波長が短波長シフトした。オルト位置換基の立体効果によりターアリール骨格がねじれた立体配座を取るためと考えている。このねじれた配座のために 1c と 1d のモ
ル吸光係数は 1a や 1b よりも小さい値となっている一方、1e のそれは 1a や 1b と同程度であった。この違いは、ナフチル環が中央ベンゼン環に対してねじれているものの、ジナフチルベンゼン
骨格がターフェニルよりも共役系の拡張をもたらしているためと考察している。
溶媒ジクロロメタン中、固体状態、およびポリ（メチルメタクリレート）（PMMA）フィルムに分散した状態での発光特性を表１に示す。ジクロロメタン中では、発光極大波長（lem）は 359~396 nm
であり、いずれも紫外発光を示した。発光量子収率（F）は 0.18~0.49 で、1a、1b、1g が 0.4 を超える値を記録した。一方、固体状態での蛍光極大波長は 356~518 nm であり、ジクロロメタン中での極大波長と比べると、1b、1f、1g を除き、いずれも短波長シフトしていた。この結果は固体状態
においてこれらのターアリールでは電子的な分子間相互作用が顕著に生じていないことを示している。また、1c、1d、1f ではそれぞれ 480、480、544 nm を極大波長とする微弱なりん光発光も観測した。りん光が観測されたということは、これらの固体サンプルでは項間交差が起こっていることを意味しており（ねじれた立体配座や硫黄の重原子効果に因る項間交差が促進されたと推測される）、そのために 1c、1d、1f では他の誘導体よりも発光量子収率が低くなったと考えられる。PMMA
フィルム中での 1 は、1f を除き、発光極大波長を 351~388 nm に示す紫外蛍光を発した。蛍光量子
収率は 0.10~0.45 であった。固体状態での発光量子収率と同様の傾向を示していて、1c、1d、1f の量子収率は他よりも低い（0.10~0.16）のに対し、1a、1b、1e、および 1g の量子収率は 0.30 以上を記録し、最高値は 1g の 0.45 であった。発光性太陽光集光器への応用を指向した紫外蛍光材料は例がなく、これらの結果は注目に値する。
表１ ターアリール 1 の発光特性
1
1a
1b
Ar

1c

1d

1e

N

396
0.36

396
0.18

390
0.49

390
0.36

518, 544
0.25

404
0.62

383
0.37

413
0.14

388
0.45

Me

MeO

lem (nm)
F

375
0.48

lem (nm)
F

372
0.20

387
0.30

lem (nm)
F

381
0.30

377
0.30

1g

S

OMe

380
0.42

1f

In CH2Cl2
374
359
0.27
0.20
In the solid state
356, 480
357, 480
0.16
0.18
In PMMA film
360
351
0.16
0.10

3. 「口頭発表リスト」
Masaki Shimizu, Hiroshi Sakaguchi，“Development of Solid-State Emitters Applicable to Luminescent SolarthConcentrators”，The 14 International Symposium of Advanced Energy Science, Institute of Advanced
Energy, Kyoto University, 2023 年 8 月 30 日, Kyoto University（ポスター）【参考文献】
1) B. Zhang, G. Lyu, E. A. Kelly, R. C. Evans, Adv. Sci. 2022, 9, 2201160; I. Papakonstantinou, M. Portnoi,
M. G. Debije, Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2002883; Roncali, J., Adv. Energy Mater. 2020, 10, 2001907.

− 61 −

ZE2023A-26−62−

ZE2023A-26− 63 −

ZE2023A-27

ハイエントロピー化合物超伝導体の照射影響評価
大野直子 1，櫻井洸太 1，山下愛智 2，水口佳一 2，藪内聖皓 3
1

横浜国立大学大学院理工学府, 2 東京都立大学理学部, 3 京都大学エネルギー理工学研究所

1. 緒言
銅酸化物系高温超伝導体(REBCO)は、冷却のエネルギー効率や高い臨界電流密度から、核融合炉の超伝導マグネットとして有望である。しかし REBCO の超伝導特性は～1022n/m2 以上の照射で消失する[1]。シールドによる線量の低減はマグネットを大型化することから非効率的であるため、我々は発想を転換し、本質的に照射に強い超伝導体を使用することを考えている。近年、水口ら[2]によって提案されたハイエントロピー合金型銅酸化物超伝導体(HE-REBCO)は、REBCO の希土類(RE)サイトに 5 種
類以上の金属元素をほぼ等モル比で置換させた超伝導体で、ハイエントロピー合金と同様に耐照射性を持つことが期待される。2022 年度は HE-REBCO のエピタキシャル薄膜に、DuET を用いて室温で He+
イオン照射を施した。超伝導量子干渉計(SQUID)を用いた超伝導特性の計測からは、YBCO の RE サイ
トに Sm、Eu、Dy、Ho を多元素置換すると臨界電流密度が照射前の 1/1000 程度と著しく低下する一方で、超伝導転移温度の低下が大幅に抑制される結果となった(照射後に僅か 2~3K の低下： 参照材のYBCO では 12K の低下)。2023 年度はこの試料の微細組織観察を実施し、従来の YBCO と開発材の HEREBCO に対して照射がもたらす効果/影響をより詳細に解析することを目的とした。
2. 試料の選定・実験方法
供試材はパルスレーザー堆積法によって SrTiO3 基板上に c 軸配向となるように製膜された YBCO とHE-REBCO の薄膜[3]で、測定した膜厚はいずれも約 200nm であった。表 1 に 2023 年度の観察対象とした試料条件の詳細を示す。超伝導転移温度(Tc)は 1[mT]の外部磁場中で、臨界電流密度(Jc)は温度 2 [K]において 0|~7 [T]の磁場をかけたときの照射前後の SQUID の測定値である。これらの試料から収束イ
オンビーム装置(FIB)で 30keV の Ga イオンを用いて照射表面から断面方向の試料を削り出し、透過型
電子顕微鏡(TEM)観察用の薄膜試料とした。試料の厚さは 100nm 以下で、FIB の仕上げに加速電圧を2keV まで低下させ、表面の加工ダメージ層を除去した。横浜国立大学の JEM-2100F を使用して制限視
野回折像と高分解能像を取得し、京都大学エネルギー理工学研究所の JEM-2200FS を使用して電子エネルギー損失分光分析を行った。
表 1 観察対象とした試料の条件
Tc [K]
試料名(組成)照射条件+
YBCO(#RE1: YBa2Cu3O7-δ)
1.0MeV He
85 → 73< 27.4℃
4.36×1015ions/cm2
HE-REBCO(#RE5:
86 → 83
Y0.12Sm0.08Eu0.26Dy0.18Ho0.36Ba2Cu3O7-δ)(薄膜部分で 4.5～13mdpa)

Jc [kA/cm2]
27500~2500→ 5000~1800
10000~2500→ 8~1

3. 成果の概要
図 1 に、各試料の照射前後の高分解能 TEM 像を示す。多結晶試料の場合とは異なり、YBCO の場合も HE-REBCO の場合も、照射後の試料において微かに照射前よりも格子の配列がぼやけているように見える。しかし、全体的に格子が見えており、高分解能像からだけでは照射による変化を読み取ることが難しかった。しかし、より広い範囲の回折パターン(図 1 下左)からは、照射後に照射前の試料には見られなかったアモルファス由来のリングが見られた。YBCO と HE-REBCO の両方で照射後にリングが確認できたため、リングの相対的否回折強度を測定することで照射前後のアモルファス領域の大小を比較した。図 1 下中央と右は、透過波からの距離を横軸にして整理した、YBCO と HE-REBCO の照射
前後の回折強度の比較である。これらを見ると、HE-REBCO において、明らかに照射後のアモルファ−64−

ZE2023A-27
スリング位置の回折強度が高くなっていた。一方で YBCO
では、照射後もリング由来の回折強度が弱かった。照射によりアモルファス領域が形成されると、その領域は超伝導特性を消失するため、HE-REBCO のJc の低下は、アモルファス領域の拡大が原因であると考えられる。アモルファス領域の大きさが Jc に影響する一方で、照射による酸素原子の欠損は Tc
低下の原因となる。図 2 は、
図 1 上段：照射前後の各試料の高分解能像 下段：照射後の YBCO の回折
EELS によって取得した YBCOの照射前後のエネルギーロス パターン(左)、透過波で規格化した照射前後の YBCO の回折強度(中)およびスペクトルである。酸素(O)の HE-REBCO の回折強度(右)K 殻吸収端、銅(Cu)の L 殻吸収端において、それぞれ照射前後で明確な違いが見られた。Cuの L 吸収端の形は著しく変化しており、照射によって Cu 周
りの化学結合状態と原子の配置が両方とも大きく変化したことが見て取れる。YBCO については過去に酸素ドープ量を変化させた材料で EELS 解析 図 2 YBCO の照射前後のエネルギーロススペクトル 左：O の K 吸収端をした報告が存在し[4]、
図 2 左 右：Cu の L 吸収端のように O の K 吸収端の立ち上がりが高エネルギー側へシフトすることは、酸素ドープ量の低下によるものであることがわかっている。以上から、YBCO で照射後の Tc が低下した理由は、酸素の欠損である可能性が高いといえる。
4. 参考文献[1] J.C. Barbour et al., Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B, 65 (1992) 531-538.
[2] Y. Shukunami et al. Phys. C: Supercond. App. 572 (2020) 1353623.
[3] A. Yamashita et al., Jpn. J. Appl. Phys. 61 (2022) 050905.
[4] N. Gauquelin et al., Nature Commun. 5 (2014) 4275.
5. 成果リスト[論文発表リスト]
K. Sakurai; A. Yamashita; Y. Mizuguchi; K. Yabuuchi; N. Oono, “Irradiation effects on copper oxide
superconductors including high-entropy REBCO(HE-REBCO)”, Nuclear Materials Energy, 投稿中.
［口頭発表リスト］
櫻井洸太、大野直子、山下愛智、山中慎大、水口佳一、藪内聖皓、「高エントロピー化した銅酸化物超伝導体薄膜の照射影響」、日本原子力学会 2023 年秋の年会、2023 年 9 月 7 日、名古屋市、口頭発表.
K. Sakurai; N. Oono; A. Yamashita; Y. Mizuguchi; K. Yabuuchi, “Irradiation effects on copper oxide
superconductors including high-entropy REBCO(HE-REBCO)”, 約 500 名, 21th International Conference on
Fusion Reactor Materials (ICFRM-21), 2023 年 10 月 22-27 日, Granada (Spain), ポスター発表.

− 65 −

ZE2023A-28

核融合炉構造材料中のバブル・ボイド形成に対する照射及び材料条件依存性
⼭本琢也 1，薮内聖皓 2， G. Robert Odette1
1

University of California Santa Barbara, 2 京都大学エネルギー理工学研究所

1 . 緒言ゼロエミッション社会のエネルギー源の要となる核融合炉の実現に向け、その過酷な使用環境に耐え得る構成材料の開発が急務となっている。特に構造材料中では、高エネルギー中性子による核変換によって大量の He 原子が生成し、結晶粒界へのバブル状析出やボイド形成の促進によって、材料破壊靱性の著しい低下やスウェリングが引き起こされ、材料寿命を左右する一因となっている。
材料中の He の挙動は、He 生成量・生成速度、照射損傷量、損傷速度、He 対損傷量比、照射温度などの照射環境条件や材料の微細組織に依存して複雑に変化し、その依存性は、未だ十分に解明されていない。設計条件はもとより、位置、時間によって大きく変化する実際の照射環境における材料中の He 挙動の予測には、系統的に変化させた条件下の He 挙動を実験的に把握し、それらの結果を包括的に記述できる予測モデルを開発することが必要不可欠である。そこで、DuET 装置を利用した Fe-He イオン同時照射実験により、広範な変位損傷及び He 注入条件下でのフェライト系構
造材料中の組織変化を明らかにし、特に He/損傷量比と損傷速度へのスウェリング量依存性と、組織変化による機械的特性の変化を明らかにすることが、本研究の目的である。

He (appm)

dpa, He/dpa

2. 実験⽅法
100
1000
核融合炉構造材候補フェライト鋼 F82H の２種類のヒー
dpa
He/dpa
ト材について、DuET 装置を用いた Fe イオン(6.4MeV)－He
He (appm)
80800
イオン(1MeV)同時照射実験を、500℃にて実施した。 図１に示すように、フェライト系材料中に、各イオンにより、約 1.560600
μｍと 1.1μｍのそれぞれにピークを持つ変位損傷(dpa)分40
400
布と He 注入量分布が得られる。図には、それらの比(He/dpa)
を緑点線で示しているが、約 600nm 深さ付近から 1100nm 付
20200
近まで、この比がほぼ一定になるように、He 分布が調節されている。この He/dpa が１５、３０、４５appm/dpa の各ケ
0
0
0
0.5
1
1.5
2
ースで、600nm での照射量が 80dpa、3700appmHe までの照射
depth (µm)
実験を行った。その照射後の試料から、FIB 加工により、深
図１フェライト鋼中の変位損傷とさ 0～2 領域に渡るサンプルを切り出して、透過型電子顕微
He 量分布の例
鏡観察を行い、 その深さ方向に 100nm 間隔で区切った領域
毎に、キャビティ組織のサイズと数密度を求め、そのキャビテイの体積分率をスウェリング量とした。各 100nm 領域での損傷と He 量は、SRIM2008 による評価値の深さ範囲での平均とする。これまでに蓄積されたキャビティ及び転位組織のデータから導かれる理論的スウェリング速度と実際のスウェリング量についての比較を行った。またキャビティ組織と照射硬化を関連づけるためのナノ微小硬さの深さ依存性を測定した。
3 . 微細組織に基づくスウェリング速度モデル

ボイドスウェリングは、照射下での原子の弾き出し損傷によって基本的に同数生成する原子空孔(V)と SIA が、特に転位に吸収される際の吸収効率の違い(SIA > V)に起因して、その結果余剰となる V がキャビティ（ボイド）により多く吸収されることによって成長し続ける結果であり、微細組織中に存在する点欠陥のシンクとしての転位、バブル、ボイドそれぞれのシンク強度(kd,kb,kv)とバイアス(Bd,Bb,Bv）から、照射下での SIA 及び V の流れ DiXi と DvXv は、それぞれ、
DiXi = hfsdpa/{kd(1 + Bd) + kb(1+ Bb) + kv(1 + Bv)}
DvXv = hfsdpa/(kd + kb + kv)
−66−

(1a)
(1b)

ZE2023A-28と記述される。ここで照射粒子フラックスf、dpa 断面積sdpa、及び点欠陥がカスケードから逃れる割合hの積、hfsdpa は、実質的な点欠陥生成速度であり、通常照射損傷速度としているfsdpa の
1/3 程度である。これらのボイドシンクへの流入量の差から、照射損傷速度fsdpa で規格化したス
ウェリング速度は、ボイドが十分成長するまでは Bb ≈ Bv であることを考慮して、
fv’ = hkvkd(Bd-Bb)/[(kd + kb + kv){kd(1+Bd) + kb(1+Bb) + kv(1+Bb)}](2)となる。これまでに蓄積された DuET 照射 F82H 鋼中の微細組織データベースを利用し、それぞれのスウェリング量評価データ点において、バブル、ボイド組織から kv と kb を求め、ここに測定されていない転位組織については、代表的測定値からの kd を共通に使用して、Bd>>Bb≈0 としてさらに簡略化したモデルで、各データ点からの fv’=fv(dpa – dpai)を最小自乗フィッテングすることによって、実効バイアス Bd-Bb を求めた。図１はフィッテイング後のモデル（kb/kv 及び kv/kd の関数としての曲線）と各データ点での fv’(kb/kv,kv/kd)の比較である。最適化されたモデルから、実効バイ
アス Bd-Bb は 1.2%程度と評価され、注入 He 量から割り出した平均的バブルサイズを元に構築した
スウェリング予測モデルにおける実効バイアス 1.5%ともよく一致した。
4 . ナノ微小硬さの押込み深さ依存性

図２に、600nm 深さにおける照射条件 81dpa、3750appmHe までのデュアルイオン照射を行った
F82H IEA 鋼のナノ微小硬さ（ビッカース硬さ換算値）の深さ依存性を示す。表面付近(100〜150nm)の結果を除けば、照射前データはほぼ一定値〜250kg/mm2 を示したが、それに対して、照射後は、深さと共にほぼ一様に硬化量が増加している。通常、この温度 500℃では変位損傷による照射硬化怒らないと考えられる、また、硬さ測定はその圧子下に押込み深さの約３倍程度までに形成される塑
性変形領域における材料特性を反映した結果と考えられているので、深さ 1050nm まで He 注入量が増加していることを反映していると考えられる。現在進めている行う同試料でのバブル、ボイド、
転位組織観察結果が得られたのち、欠陥数密度及びサイズから予測される硬化量との比較を行い、He バブルが硬化に与える強度因子を明らかにする予定である。
400

F8IADI19BL
F8IADI19DI
F8IADI19DI-BL

350
300

Hv

250
200
150
100
50
0

図１ バイアスを最適化したスウェリング
モデル曲線と測定データ

0

100

200
depth (nm)

300

400

図２ デュアルイオン照射前後のナノ微小硬さ(BL, DI)とその変化分(DI-BL)の押込み深さ依存性

5. まとめ
これまでに蓄積された DuET 照射された低放射化フェライト鋼 F82H におけるキャビティ微細組
織データベースを利用して、点欠陥シンクバイアスに基づいたスウェリング予測式を実験結果にフィッテイングすることにより、実効的転位バイアスを 1.2％と評価した。また、デュアルイオン
照射後試料のナノ微小硬さが、He 注入量増加と共に増加しているという測定結果を得た。

6 . 論文発表
本年度は無し− 67 −

ZE2023A-29

耐腐食性セラミックス被膜への照射効果
近藤創介 1，宮岸太一 1,2，岡田航太 1,3、藪内聖皓 4
1

2

東北大学金属材料研究科
東北大学大学院工学研究科量子エネルギー工学専攻
3
東北大学工学部機械知能・航空工学科
4
京都大学エネルギー理工学研究所

1. 緒 言炭化ケイ素（SiC）セラミックスは高温でも強度が低下しにくいことなどの優れた諸特性から、より事故耐性の高い燃料被覆管材料として考えられている。しかし、照射された SiC は高温高圧水環境下で腐食しやすくなることが近年報告されており、燃料被覆管に SiC を使用するためには腐食対策が必須である。我々の研究グループでは化学気相蒸着法を用いてセラミックスを用いた緻密で薄い多層コーティングを開発した。コーティングは３層からなり、構成はベース層を SiC、接着を担う中間層をム
ライト（3Al2O3∙2SiO2）、トップ層をアルミナ(Al2O3)とした（図 1）。本研究ではムライト中間層を最適化するために非晶質・結晶の２種類のムライト層を比較対象とし、超微小試験技術を用いてコーティ
ング各界面の強度に及ぼす照射効果を調査した。
2. 実験方法
本研究に用いた試料は、レーザー援用化学
気 相 蒸 着 装 置 （ Chemical Vapor Deposition,CVD）を用いて SiC 基板上に製膜されたアルミナ被覆ムライト中間層 SiC である（産業技術総合研究所にて製膜）。膜厚はそれぞれ約
40、20、20 µm とし、成膜温度は 1047℃（非晶質ムライト膜）、および 1150℃（結晶化ムラ
イト膜）である。作製した試料は、3×3 mm に切断し、断面をクロスセクションポリッシャ（Cross section Polisher, CP、日本電子㈱製）にて平滑化し、断面に対して京都大学エネルギ
ー理工学研究所の DuET 施設にて Si イオン照射試験（300℃、10dpa）を行った。
上述の断面は照射前後に光学顕微鏡、および 走 査 型 電 子 顕 微 鏡 （ Scanning Electron
Microscope, SEM)にて形状観察を行い、元素分
析には電子プローブマイクロアナライザー（Electron Probe Micro Analyzer, EPMA）を使用した。
界面強度の測定は照射損傷深さの制約上、µm スケールでの強度試験が必要とされるため、超微小試験技術の一種であるダブルノッ
チせん断圧縮（Double Notch Shear, DNS）試験
法によって界面強度を測定した。CP 後の断面
SEM 像、および多層コーティング界面に作製した試験片の模式図を図１に示した。

(e)
20 μm ea.
Irradiated surface

5 μm

5 μm

~1 μm

図 1 各試料断面の SEM 像（赤枠内が CP によって平滑にされた領域）(a-b)照射前の断面 SEM 像、(cd)照射後の断面 SEM 像、(e) 多層コーティング界面に作製した試験片の模式図．

−68−

ZE2023A-29
3. 結果、および考察
図 2 に示した未照射試料の元素分布から
SiC/ムライト界面では、ムライト層内に比べSi 濃度が減少し、Al 濃度が増加する傾向が認められた。アルミナ/ムライト界面ではアルミ
ナ、ムライト両層内に比べ C 濃度が増加する
傾向があり、最表面はやや粒状の組織をもっていることがわかる。各層間に一般にトラン
ジション層と呼ばれる界面相が形成してはいるが、照射前後で元素の移動は顕著ではなく（ただし、照射後の方が同一層内でより均一な元素分布にはなっていた）剥離なども認められなかった。
図 3 に DNS 試験結果を示す。結晶性の低い
ムライト層を含む界面では、照射後に概して界面強度が低下していることが分かる。
Weibull 係数（m 値）は SiC/ムライト界面において、照射前の 8.84 に比べ照射後では 2.35 と減少した。アルミナ/ムライト界面も照射前の1.24 に比べ、照射後では 0.94 となり、SiC/ム
ライト界面と同様の結果が得られた。ワイブ
ル特性強度は、SiC/ムライト界面において、照射前の 1069 MPa に比べ照射後では 799 MPaと低下した。アルミナ/ムライト界面も照射前の 436 MPa に比べ、照射後では 174 MPa とな
り、SiC/ムライト界面と同様の結果が得られた。一方、結晶化ムライトを含む界面では照射後も強度が変化しないか、むしろ上昇している傾向が認められた。

図 2 照射前後の結晶化ムライトを含む断面組織．

4. 結 言界面強度測定の結果、非晶質ムライトを採用したコーティングの界面では照射によって強度が低下したが、結晶性のムライトを採用したコーティングではむしろ強度が向上する
傾向が得られた（図２）。ムライト中間層のTEM 回折像から照射によって非晶質ムライト
は結晶化し、逆に結晶ムライトは非晶質化していることが確認できた。この結晶構造変化
は照射による界面強度変化の原因の一つと考えられる。
5. 成果発表
HTCMC11（韓国・済州・招待講演）、REI-21（福岡・口頭）、ICFRM21（スペイン・グラナ
ダ・口頭およびポスター）の国際会議、およびその他の国内会議にて成果発表を行った。

SiC/非晶質ムライト アルミナ/非晶質ムライト

SiC/結晶ムライト

Unirr.

Irrd.

Unirr.

Irrd.

Unirr.

Irrd.

アルミナ/結晶ムライト

Unirr.

Irrd.

Unirr.

Irrd.

Unirr.

Irrd.

Unirr.

Irrd.

Unirr.

Irrd.

図 3 照射前後の界面強度測定結果．

− 69 −

ZE2023A-30

低密度積層 &17 と高強度レーザーとの相互作用の素過程
に関する実験研究
松井隆太郎 1,2，林 直仁 1，升野振一郎 2,3，橋田昌樹 2,3,4，阪部周二 2,3，時田茂樹 2,3，岸本泰明 1,2,5，
松田一成 51

京都大学大学院エネルギー科学研究科
2
京都大学プラズマ科学ユニット
3
京都大学化学研究所
4
東海大学総合科学技術研究所
5
京都大学エネルギー理工学研究所


1. 研究背景と目的
近年のレーザー技術の進展により、集光強度が 1019-21 W/cm2 領域のフェムト秒極短パルス高強度レーザーが実現している。このようなレーザーを物質に照射することで生成する高エネルギー密度プラ
ズマは、学術・産業・医療等への応用が期待されている一方で、パルス幅と集光径の時空間領域に局在する非平衡状態であり、慣性時間（プラズマサイズを音速で割った時間）で飛散する。したがって、慣性時間を上回るバルクプラズマの生成・保持や、指向性等のプラズマの制御が実現すれば、水素・ホウ素熱核融合反応や小型粒子線がん治療装置の開発などへの幅広い応用が期待できる。我々は先行するシミュレーション研究により、波長オーダ（サブm）の微細構造を付与した有限サイズの物質（ロッド集合体）をターゲットに用いることで、(1)物質内部へのレーザーの TM 波様伝播、(2)比表面積の増大によるバルクプラズマの生成、(3)プラズマ中での自己組織化過程を通じて、プラズマを閉じ込める機能を有する準定常強磁場（kT）の生成が実現可能であることを見いだしている。
我々は「バルクプラズマの生成と制御」を目的として、これを検証する理論・シミュレーション、実験研究を進めている。具体的には、シミュレーション結果に基づき、最新の半導体製造技術を用いて、直径がサブm で高さが数 10 m の高アスペクト比の円柱状ケイ素が多数整列した物質（ロッド集合体）の独自開発に成功し、照射実験の準備を進めている。2022 年度の共同研究課題では、ロッドのアスペクト比を大きくした極限物質としての位置づけで、エネルギー理工学研究所（エネ研）の松田一成
教授より貸与のカーボンナノチューブ（CNT、図  参照。nm オーダの繊維状炭素の集合体で質量密度が固体炭素の 10-20%。側面(b)と上面(c)で構造が異なる）に注目した。これに京都大学化学研究所（京大化研）の T6 レーザー（集光強度領域：1018-19 W/cm2）を照射する実験を実施し、CNT の側面・上面の２方向に電子スペクトルメータ（ESM）を用
いて電子温度を計測した。その結果、側面・上面の２方向でスペクトル構造が大きく異なる
等、CNT ターゲットは（レーザー波長に対して構造上の特性を持たない）低密度の一様媒質とは異なる特徴を有することが見いだされた。これを踏まえ、2023 年度の共同研究では、CNT が
図 1.(a)レーザー照射実験で使用した積層 CNT の SEM
バルクプラズマの生成と保持（制御）を実現し得るとの着想に基づき、CNT と高強度レーザー 画像。謝辞：エネルギー理工学研究所・松田一成教授提供。(b)側面、(c)上面の拡大画像。高さ方向に指向性を有との相互作用に関する照射実験を実施し、高エしている様子が確認できる。
ネルギー電子の空間分布特性の詳細を調べた。
2. 研究の方法と得られた成果
 エネ研・松田教授により提供を受けた積層 CNT を用いて、これに京大化研の T6 レーザーを照射する実験を実施した。具体的には、厚さ 500 m のシリコン基板上に作製された高さ 300 m の CNT に対
−70−

ZE2023A-30
して、パルス幅が 40 fs（FWHM）・集光径が 5 m（FWHM）で集光強度が 2×1019 W/cm2 の高強度レーザー（中心波長：0.81 m）を、図２に示すように、(a) CNT の側面方向、(b) CNT のマクロな軸方向（上面方向）、(c)面精度の良いシリコン基板の表面方向（硫酸化水で酸化洗浄処理後スピン乾燥を施している）からそれぞれ照射して、２方向に設置した ESM（ESM1, ESM2）により電子のエネルギースペク
トルの空間分布を同時計測した。なお、CNT のマクロな軸方向 R（R: CNT の整列方向の単位ベクトル）とレーザー電場の振動方向 E（E: レーザー電場の振動方向の単位ベクトル）に対して、(a)と(b)はそれぞれ側面照射（R∥E）と上面照射（R⊥E）に対応している（図２参照）。


図 2. レーザー照射実験の配位。レーザー光軸は図の x 軸方向に対して 22.5°傾けて（固定）照射し、ターゲットを回転させることでターゲットに対する照射方向を変更している。(a) CNT の側面方向から照射。(b) CNTのマクロな軸方向(上面方向)から照射。(c)シリコン基板の表面に照射。

その結果、(a)側面照射（R∥E）の場合は、電子の高エネルギー成分(> 1 MeV)は側面方向と比較して上面方向が大きく、かつ上面方向の低エネルギー領域（<1 MeV）には特徴的な平坦構造の形成が見られた（図  D の赤点線領域を参照）。一方で、(b)上面照射（R⊥E）の場合であっても、上面方向の低エネルギー領域に同様の平坦構造が形成される（図  E の赤点線領域を参照）ことから、この構造はレーザーの偏光方向（照射方向）によらず、CNT の上面方向に特有であることが明らかとなった。また、(c)面精度の良いシリコン基板の表面に照射した場合には CNT で観測された平坦構造は形成されないことがわかり、この構造は CNT と高強度レーザーとの相互作用においてのみ現出する可能性がある。本結果
は、CNT が方向性を持つ媒質であることを示唆しており、医療応用可能な指向性を持つプラズマ流の生成[D. Roa, T. Tajima, G. Mourou, F. Tamanoi et al., Photonics
9, 403 (2022).]の観点からも興味深い。2024 年度の共同
図 3. CNT の(a)側面方向、(b)マクロな軸方向(上面研究課題では、CNT の表面構造の不均一性およびプ方向)から照射した場合の、CNT の軸方向に設置
レパルスの影響、CNT 内部に MA レベルの電流とそされた ESM による電子のエネルギー分布。
れに伴う kT オーダの磁場が生成されるとする先行研
究との関連について調べる予定である。
［口頭発表リスト］
㻝㻚 松井隆太郎，林㻌 直仁，金銅亮弥，松田一成，升野振一郎，橋田昌樹，阪部周二，時田茂樹，岸本㻌 泰
明㻘㻌 「レーザー駆動高エネルギー密度バルクプラズマの生成・制御に向けた 㻯㻺㼀 ターゲットの異方性の検証と新機能の創出」（口頭），レーザー学会学術講演会第 㻠㻠 回年次大会．㻞㻜㻞㻠 年 㻝 月 㻝㻥 日，東京。㻌
㻞㻚 㻾㻚㻌㻹㼍㼠㼟㼡㼕㻘㻌㻺㻚㻌㻴㼍㼥㼍㼟㼔㼕㻘㻌㻹㻚㻌㻵㼟㼔㼕㼔㼍㼞㼍㻘㻌㻷㻚㻌㻹㼍㼠㼟㼡㼐㼍㻘㻌㻷㻚㻌㻲㼡㼗㼍㼙㼕㻘㻌㻴㻚㻌㻿㼍㼗㼍㼓㼡㼏㼔㼕㻘㻌㻿㻚㻌㻹㼍㼟㼡㼚㼛㻘㻌㻹㻚㻌㻴㼍㼟㼔㼕㼐㼍㻘㻌㻿㻚㻌
Sakabe, S. Tokita and Y. Kishimoto, “Exploring high energy density plasmas with exotic character by theinteraction between high intensity laser and CNT/rod assembly”㻌㻔㼛㼞㼍㼘㻕㻘㻌㻴㻱㻰㻿㻞㻜㻞㻟㻘㻌㼅㼛㼗㼛㼔㼍㼙㼍㻘㻌㻭㼜㼞㼕㼘㻌㻞㻝㻘㻌㻞㻜㻞㻟㻚㻌
− 71 −

ZE2023A-31

人工生体材料の開発のための生体高分子の NMR 解析
熊谷紀志 1，神庭圭介 2，万里 2，永田佳代子 3，高折晃史 3，片平正人 2，永田崇 2，坂本泰一 11

千葉工業大学・先進工学部， 2 京都大学・エネルギー理工学研究所，3 京都大学・院医学研究科

1. 背景
近年、人工核酸および人工ペプチドは医薬品として使用されており、新しい創薬モダリティとして注目されている。このような人工の生体高分子を機能材料として利用する技術は，遺伝しない安全な技術であるので、バイオ燃料となる植物の成長を制御したり、セルロースを糖化する細菌の増殖を制御したりすることに応用すれば、安全で有用な技術となることが期待される。このような技術革新のためには、人工生体高分子の物性を明らかにする必要がある。そこで本研究では、人工 RNA や人工ペプチドの作用メカニズムについて明らかにし、安全に生物の成長や増殖を制御する人工核酸および人
工ペプチドの開発の基盤技術を確立することを目的とした。これを実現できれば，ゼロエミッション
エネルギーを安全に達成できることが期待される。
HIV-1 の Virion infectivity factor（Vif）は、CBFβ，ELOB，ELOC および CUL5 とよばれるタンパ
ク質と複合体（VCBCC 複合体）を形成し、宿主タンパク質である APOBEC3G（A3G）をポリユビキチン化
することが知られている。A3G は、シチジン脱アミノ化活性をもつ抗ウイルスタンパク質である。逆転
写反応によって HIV-1 のゲノム RNA から一本鎖 DNA（マイナス鎖 DNA）が生成されると、A3G は DNA の
dC を dU に変換する。その結果、プラス鎖 DNA に G から A への変異が導入され、アミノ酸の変異や停止コドンの出現により新たなウイルスの複製が抑制される。そこで本研究では、VCBCC 複合体の働きを制御する人工 RNA を開発し、その制御機構について原子座標レベルで明らかにすることを目的とした。
人工 RNA による Vif complex の認識メカニズムを解明することによって、人工 RNA を設計するための分子基盤を確立することを目的とした。
2. 方 法
人工 RNA を取得するために、はじめに His タグ付き CBFβ の VCBCC 複合体を調製した。次に、天然型の RNA のアプタマー（VN アプタマー）、また C および U のリボースの 2’位を F 化した RNA のアプ
タマー（VF アプタマー）を 8 ラウンドの SELEX 実験によって取得した。配列解析には、次世代シーケ
ンサーMiniSeq（Illumina 社）を用いた。
VN アプタマーの転写反応では、鋳型 DNA を北海道システムサイエンス社に依頼合成し、T7 RNA ポリ
メラーゼを用いた試験管内転写合成法により調製した。VF アプタマーでは、転写反応液に 2’位を F化した CTP と UTP を用い、T7 RNA ポリメラーゼの変異体を用いて転写反応をおこなった。転写後は、ポリアクリルアミドゲル電気泳動により精製した。
アプタマーと VCBCC 複合体の相互作用解析では、BiacoreX100 (Cytiva 社)を用いた。5’末端をビオチン化した poly dT をセンサーチップ SA に固定化した。一方、アプタマーの 3’末端には poly A を付加し、poly dT と poly A の塩基対形成によってアプタマーをセンサーチップに固定化した。様々な濃度の VCBCC 複合体をアナライトとして注入し、センサーグラムを得た。相互作用解析用の緩衝液として、20 mM Tris-HCl (pH 8.0), 500 mM NaCl, 1 mM MgCl2, 1 mM DTT, 0.005% Tween20 を用いた。
3. 結果および考察
SELEX 実験の結果、VF アプタマーとして VF1 および VF2 が濃縮された。さらに、VN アプタマーとして VN49 が濃縮された（図 1）。VCBCC 複合体に対する VF1, VF2 および VN49 の解離定数を解析したところ、それぞれ約 4 nM, 約 25 nM, 約 10 nM であった。次世代シーケンサーの配列解析の結果、図 1の赤字の配列の保存性が高いことが明らかとなった。二次構造を比較すると、どのアプタマーも UAGN

−72−

ZE2023A-31
テトラループを持ち、テトラループに隣接するステムには 5 つの塩基対があり、さらに内部ループを持つことが明らかになった。この内部ルー
プには 2 つの A 残基が共通している
ことも明らかとなった。これらの二次構造および配列の共通部分は、
VCBCC 複合体との相互作用に必要であることが示唆された。そこで、プライマー結合配列およびその近傍の配列を削ったところ、結合活性を保持することが明らかとなった。UAGN
テトラループ、AA を有する内部ルー
プおよび 2 つのステムの約 30 残基
が VCBCC 複合体との結合に必要であることが明らかとなった。
2023 年に Li らが、A3G と Vif,
CBFβ, ELOB, ELOC の複合体の立体構造をクライオ電子顕微鏡（CryoEM）により解析したところ、A3G とVif の間に RNA が存在することが明らかとなった（図 2）。Li らは、A3Gのポリユビキチン化に必要な Vif との相互作用において、RNA が糊のはたらきをしていると考察している。
そこで、Cryo-EM で見つかった RNA とVCBCC 複合体の相互作用を調べたところ、この RNA は VCBCC 複合体に結合しないことが明らかとなった。
VCBCC 複合体に対して、アプタマー
はこの RNA とは異なる様式で結合していると考えられる。今後は、このアプタマーが A3G と Vif の相互作用を阻害するか否かを明らかにすることを計画している。

図1
VF1, VF2 および VN49 の二次構造
赤字は保存性が高い残基、小文字は SELEX 実験のプライマー結合配列

CBFβ
β

A3G

RNA

Vif

ELOB

ELOC

図 2 Cryo-EM で発見された A3G と Vif の間の RNA(Li Y.-L. et al. Nature, 615, 728–733 (2023); PDB ID 8CX0）

4. 口頭発表リスト
1) 遠藤朱梨，伊藤愛純，関口真裕，阪本智樹，片平正人，永田崇，石川岳志，山岸賢司，坂本泰一，
抗体に結合する aptamer の改変体の結合能の解析，2023 年度日本生化学会関東支部例会，2023 年
6 月，山梨，ポスター
2) 長谷川 拓矢，阪本智樹，関口真裕，石川岳志，片平正人，永田崇，山岸賢司，坂本泰一，IgG1 に対する RNA aptamer と Chimera aptamer の構造特性の比較，第 46 回日本分子生物学会，2023 年 12月，神戸，ポスター
3) 遠藤朱梨，関口真裕，阪本智樹，堀内正隆，石川岳志，片平正人，永田崇，山岸賢司，坂本泰一，
抗 体 に 結合 す る aptamer の 改 変 体の 結 合能の 解 析 ，第 46 回日本分子生物学会，
2023 年 12 月，
神戸，ポスター− 73 −

ZE2023A-32

プラズマ対向材料におけるプラズマ駆動水素同位体透過に及ぼす照射損傷影響
大矢恭久 1，星野柚香 2，三福寺旭 2, 奥村慎郷 3, 加用敦也 3, 早川歩 3 ,三浦剣士郎 3,
檜木達也 4, 藪内聖皓 51

静岡大学学術院理学領域
静岡大学大学院総合科学技術研究科
3
静岡大学理学部
4
京都大学オープンイノベーション機構
5
京都大学エネルギー理工学研究所
2

1. 目的
核融合炉では重水素(D)とトリチウム(T)による核反応を利用してエネルギーを得るが、このときプラ
ズマ対向壁は高エネルギー粒子や中性子による熱負荷や損傷を受ける。プラズマ対向材には直接水素同位体が照射され、材料内部へ拡散することにより滞留量が増加する可能性が危惧されている。そのため、燃料リサイクリングや安全運転の観点から材料中の水素同位体滞留挙動を理解することが重要な課題となっている。また、核融合炉プラズマは核反応で生成したヘリウムを含むため、水素同位体とヘリウムとの相互作用についても明らかにする必要がある。現在、高融点、低スパッタ率、低水素溶解度という特徴をもつタングステン(W)をプラズマ対向材の候補とすることが検討されている。しかし、タングステンは核融合反応時に発生する高エネルギー中性子により照射欠陥が導入されるとともに、核反応によりレニウム(Re)へと核変換される。そのため、核融合炉プラズマ対向壁を跨ぐ水素同位体透過挙動を予測するためには、タングステン―レニウム(W-Re)合金における透過挙動についての知見が必要不可欠である。本研究では種々の温度における W-10%Re 合金および中性照射試料の水素同位体透過挙動を評価し、その中性子照射損傷影響について考察することとした。
2. 方法
実験にはアライドマテリアル社製の直径 6 ㎜ φ、厚さ 0.5 mmt の W と W-10％Re 合金を使用した。
この試料に対し、不純物除去のため高真空下(< 10-6 Pa)で 1173 K にて 30 分間加熱処理を行った。試料に対し、オークリッジ国立研究所の HFIR 炉にて 773 K, 1073 K の温度で 0.45 dpa の損傷量まで中性子照射を行った。
その後、静岡大学に設置した線形 RF プラズマ駆動装置(PDP)を用いて水素―重水素(HD)プラズマ駆動透過実験を 673 K～813 K の温度で行った。放電電力 550 W にてプラズマを生成し、重水
素プラズマフラックスは 1.0×1021 D m-2 s-1 とした。試料を透過した H, D を質量分析器にて測定した。
また、HFIR にて中性子照射試料に対し陽電子寿命測定法(PAS)にて欠陥のサイズ評価を行い Re 添加お
よび照射損傷の影響を評価した。
3. 結果・考察
図 1 に中性子照射を行った W と W-3％Re、非照射 W と W-10％Re に対して 673 K から 813 K の温度
で HD プラズマ照射を行った際の H の定常透過フラックスを示す。非照射試料を比較すると、W-10％
Re は W に比べて定常透過フラックスが増加しており、水素同位体透過挙動において Re 添加影響が示唆される。HIFR にて照射欠陥を導入した W、W-3％Re の定常透過フラックスはそれぞれ非照射 W、
W-10％Re に比べて増加していた。この H の挙動は同様に D の定常透過フラックスの結果中性子照射によって生成された照射欠陥が H 透過、拡散の経路となり定常透過フラックスを増加させたことが示唆される。中性子照射を行った W-3％Re では非照射 W-10％Re に比べて、750 K までは定常透過フラ−74−

ZE2023A-32

図 1 ⾮照射試料および中性⼦照射試料におけるH の定常透過フラックスの温度依存性
undamaged W
undamaged W-10% Re
neutron damaged W (773 K)
neutron damaged W (1473 K)
neutron damaged W-3% Re (773 K)
neutron damaged W-3% Re (1473 K)

10−2Counts / -ックスが増加し、その後減少した。750 K までの低温領域は、中性子照射による照射欠陥が拡散に影響したことが示唆される。750 K 以上の高温領域では照射欠陥回復による影響が示唆される。図 2 に非照射 W、W-10％
Re および中性子照射 W、W-3％Re における陽電子寿命
スペクトル、図 3 に非照射 W および中性子照射 W における陽電子平均寿命を示す。図 3 の陽電子平均寿命は図 2 のスペクトルから算出した。中性子照射照射を行った試料は非照射試料に比べて陽電子寿命が長くなっていたことから、中性子放射による照射欠陥の生成が確認された。中性子照射 W と W-Re 試料を比較すると、W-Re の方が W に比べて陽電子寿命が短いことが確認できた。Re 添加による照射欠陥生成の抑制が示唆される。また、中性子照射の温度を比較すると、1473 Kで照射した試料は、773 K で照射した試料に比べて陽電子寿命が短く、強度が増加した。中性子照射の温度の上昇により、照射欠陥の回復が進み欠陥の寿命が短くなったことが考えられる。また、中性子照射による照射欠陥回復は 773 K から 1173 K の間で起きることが示唆される。
今後は、中性子をはじめ軽水素やヘリウム、電子線を用いて照射エネルギー、照射損傷量、照射温度をパラメータとして、HD 混合プラズマ照射した際の HD 拡散・透過挙動評価を行い、プラズマ照射温度およびフラッ
クス、フルエンスが様々な照射欠陥を持つ W-10％Re 内部で水素同位体透過挙動へ及ぼす影響について検討する。また、W-K や W-Ta、W-Mo などの W 合金を試料とし、水素同位体滞留量との関係についても調べる。表面構造の観察も行うことで構造変化が透過挙動に与える効果についても照射温度などの条件を変化させて実験を行うことで評価する。さらに、プラズマ照射後の試料に対するグロー放電発光分析法(GD-OES)や β 線誘起X 線検出法(BIXS)などの分析手法も用いることで水素同位体深さ分布等のより詳細な検討も行う予定であ
る。

10−3

10−4

10−5
0

1

2

3

4

Time / ns

図 2 ⾮照射試料および中性⼦照射試料における陽電⼦寿命スペクトル

図 3 ⾮照射試料および中性⼦照射試料における陽電⼦平均寿命− 75 −

ZE2023A-33

Investigation on interaction structure and dynamics of roomtemperature ionic liquid solvation using pulse-selected MIR
free-electron laser
Sakhorn Rimjaem 1，Monchai Jitevisate2，Hideaki Ohgaki3，Heishun Zen3
1

Department of Physics and Materials Science, Faculty of Science, Chiang Mai University
2
School of Physic, Institute of Science, Suranaree University of Technology
3
Institute of Advanced Energy, Kyoto University!" Outline of Research Project
The objective of this project is to investigate the interaction lifetime and orientational decay of ions in
mixtures of ionic liquids (ILs) using a pump-probe (PP) experiment with a pulse-selected mid-infrared freeelectron laser (MIR FEL) to mitigate the heating effect. The plasma mirror, employing a YAG laser and asilicon wafer, has been utilized to select the desired number of FEL pulses per macro-pulse for the pump beam.
The results indicate a significant reduction in FEL pulse energy, likely preventing the activation of non-linear
effects and resulting in the absence of a detected PP signal.
#" Introduction
Room-temperature ionic liquids (RTILs) have been considered as promising electrolytes for modern
electrochemical energy storage devices, owing to their unique properties, such as wide electrochemical window,
extremely low vapor pressure, high temperature, and chemical stability. One crucial aspect for enhancing theefficiency of these storage devices is the free-charge carrier density in RTILs. This quantity is related to theshort-range ion interactions and the short-life interactions between ions and surrounding molecules, typicallyoccurring on the time scale of picoseconds to femtoseconds.
The distinctive properties of the MIR FEL, with high peak power and picosecond pulses, make it suitable
for the experiment to study aforementioned interactions. However, the long pulse train structure of the FEL
can cause a heating problem due to the excessively high average power. Such phenomenon was observed inour experiment during the experimental period in FY2022. To cope this issue, a PP experiment utilizing onlya small fraction of the FEL pulses per macro-pulse has been considered. A plasma mirror, employing a YAG
laser and a wafer with the proper material, was used to select the desired number of FEL pulses for the pump
beam. The setup for the PP experiment, including optical components and a controlled moving stage developed
during the experimental period of FY2023, was modified and employed in this experiment.
$" Methodology
In this project, we aim to investigate the interaction lifetime and orientational decay of ions in the mixturesof ionic liquid 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide ([Emim][NTf2]) and themolecular solvent dimethyl sulfoxide (DMSO) using pulse-selected MIR FEL. Additionally, experiments
involving KSeCN dissolved in [Emim][NTf2] and EmimSeCN dissolved in [Emim][NTf2] were also
conducted to facilitate benchmarking with experiments documented in the literature.
3.1 Sample preparation: To observe the effect of mixing ratio, [Emil][NTf2] and DMSO were mixed withmole fractions of 1.0, 0.9, 0.75, 0.5, 0.25, and 0.1. Similar mixing ratios for EmimNTf2/KSeCN and
EmimNTf2/EmimSeCN were also employed. All these chemical substances were purchased and prepared in
the ambient laboratory environment at Chiang Mai University (CMU).
3.2 FTIR spectroscopic measurement: Spectral line shifts in the IL/solvent mixtures were investigated using
FTIR spectrometer at CMU. During the experiment, the sample was sandwiched between two diamondwindows of an IR liquid cell with PTFE spacers for pathlength control. The pathlength in this experimentvaried between 50 and 250 micrometers to obtain an optimized signal.
3.3 Experimental setup preparation: The preparation and testing for production of plasma mirror, using a
YAG laser and a silicon wafer, were conducted before the experiment with ILs. A schematic layout and apicture of the FEL pulse-selecting setup using a plasma mirror are presented in Fig. 1. Subsequently, the setup
for the polarization-selective PP experiment was aligned and installed at the MIR-FEL experimental station(Fig. 2). The plasma mirror was introduced into the pump-beam path upstream of the liquid cell to selectively
choose FEL pulses before reaching the sample.
−76−

ZE2023A-33
Ge wafer
plasma mirror
incident beam𝜇𝜇𝜇-long pulse

selected pulse

reﬂected beam

ns-long pulse(to generate plasma)Fig.1. Schematic layout and picture of the FEL pulse-selecting

setup using a plasma mirror.

[Emim][NTf2][SeCN]DMSO

Fig.3. IR absorption spectra of both EmimSeCN and KseCN

with their molecular structures.

Fig.2. Picture of pulse-selected MIR-FEL
polarization PP setup.

Fig.4. Spectral line shifts in IL/solvent(DMSO) mixture.

3.3 Pump-probe experiment with pulse-selected MIR free-electron laser: The MIR-FEL pump-probe
experiment, utilizing a pulse-selecting technique with a plasma mirror, was conducted to measure ion
relaxation in both pure ILs and mixtures at varying concentrations.
%" Results and Pitfalls
The linear FTIR spectroscopy of [Emim][NTF2]/DMSO mixtures, with SeCN added as a vibrational probe,
was investigated. The chosen probe exhibits a distinctive absorption band, making it suitable for PP study. The
spectra show IR absorption in the range of 2050 - 2120 cm-1 with a peak at 2085 cm-1, indicating CN permanent
dipole stretching, for both EmimSeCN and KSeCN (Fig. 3). This shows that addition of SeCN results in linear
absorption at this wavenumber in the IL samples. Additionally, the introduction of a solvent (DMSO) clearly
reveals the solvation effect, with the vibrational line of the probe shifting (red-shift) as depicted in Fig. 4.
A pulse selection technique was implemented in the PP experiment, utilizing the plasma mirror to reduceaverage power and prevent sample heating. However, it was observed during the experiment that the FEL pulse
energy was also significantly reduced. As a result, the activation of non-linear effects became unattainable,
leading to the absence of detected pump-probe signals in our attempted experiments.
&" Conclusion
A proposed experimental study aims to investigate the dynamics of ion interaction in ionic liquid/solvent
mixtures using pulse-selected MIR-FEL pump-probe spectroscopy. The project involves investigating the IR
absorption spectra of the samples through FTIR spectroscopy at CMU, constructing the pump-probe
experimental station equipped with a plasma mirror setup at KU FEL, and conducting the experiments.
Unfortunately, no observable pump-probe signals were detected in any of the samples. This challenge isattributed to low FEL pulse energy, rendering it incapable of activating non-linear effects. Based on this current
finding, it appears that additional techniques may be necessary in the future to successfully conduct such
experiments using the MIR-FEL.
'" List of Research Achievements: None

− 77 −

ZE2023A-34

バイオマスの高度利用に向けた細胞壁リグニンの構造解析：
細胞壁各層におけるリグニン構造の差異の精密解析
松下泰幸 1，西本泰城 1，片平正人 2
12

東京農工大学大学院農学研究院
京都大学エネルギー理工学研究所

1 . 目 的 およ び 背 景
セロエミッションを達成するために、バイオマスの重要性はますます大きくなっている。しかしながら、地球上の有機物の中で2番目に多いリグニンは、未だ有効利用されていないのが実情である。その原因はひとえにその構造の複雑さにある。リグニンは、モノリグノールと言われる前駆物質がラジカルカップリングをくり返すことにより高分子化されるが、モノリグノールラジカルが数種類の共鳴構造体を有するため、数多くの結合様式が形成され、結果的に、リグニンは非常に複雑な構造を持つ高分子となる。植物の種類や組織によってもリグニン構造が異なっており、さらに、細胞壁における細胞間層、一次壁（P）、二次壁外層（S1）、二次壁中層（S2）、二次壁内層（S3）それぞれにおいても、リグニンの構造に差異があることも知られている。
植物バイオマスの有効利用については、多くの研究者が発表しているものの、リグニンそのものの構造がきちんと解析されていないため、なかなか低エネルギーで有効な機能性物質へ変換する方法が見出されていないのが実情である。
本研究では、植物バイオマスの効率的な利用方法の開発のため、リグニンの構造を明らかにすることを目的とした。特に、細胞壁の各層におけるリグニン構造の違いに着目して研究を行った。
2. 実験
試料としてイチョウの正常材とあて材を用いた。試料の柾目面を滑走式ミクロトームで切削し，厚さ 120 μm の薄い柾目切片を作成した。柾目切片を、エタノール：ベンゼン＝1：2 の溶液を用いてソックスレー抽出（6 時間以上）を行った。ボールミル容器の大きさに合わ
せたイチョウの円盤状ディスク（ディスク）を作成し、エタノール：ベンゼン＝1：2 の溶液にて、3 日間室温抽出を行った。
柾目切片及びディスクを飽水状態にしたのち、図 1 に示すように、柾目切片をボールミル
容器の外側に張り付け、その容器の中心にディスクをセットした。遊星型ミル（Pulverisette6, Fritsch）にて、弱い粉砕処理（wet-beating 処理）を行った。
粉砕試料を 50 mL メスシリンダーに移し、水を加えた後、数日間沈殿させた。上澄みと沈殿物に分け、上澄みはセルロース透析チュー
ブ（MWCO 3500）に移し、メタノールで一晩
図 1 Wet-beating 法による細胞壁の分画透析した。セルロース透析チューブ内の内容
物を取り出し、風乾させた（透析物）。
得られた透析物を電子顕微鏡にて観察した。また、チオアシドリシスにてリグニン分析を行った。

−78−

ZE2023A-34
3 . 結 果 及び 考 察
得られた試料の電子顕微鏡画像を図 2 および図 3 に示す。

図 2 正常材 wet-beating 処理サンプルのSEM 画像; (a) 透析物 (× 400), (b) 透析物(× 3000), (c) 沈殿物 (× 1000), (d) 沈殿物(× 3000)

図 3 あて材の正常材 wet-beating 処理サンプルのSEM 画像;(a) 沈殿物, (b) 透析物

図 2 より、正常材を wet-beating 処理を行うことにより、複合中間層と S1 との間に破壊が起こり、主に複合中間層が透析物として得られたことが分かった。
あて材は厚い S1 層を持つことが知られている。あて材を wet-beating 処理に供すると、S1 と S2 との間で破壊が起き、透析物として複合中間層と S1 の混合物が得られることが分かった（図 3）。
表1

正常材のチオアシドリシス分析結果
透析物(μmol/g)

切片(μmol/g)

488

1827

(5-5)

5

8

(5-5)
(4-O -5)

33

70

6

14

(β-1)

46

91

(β-1)

10

30

(β-5)

33

55

monomer yielddimer yield

(β-5)

33

56

total

166

324

表 2 あて材のチオアシドリシス分析
結果（モノマー）
透析物(μmol/g)

切片(μmol/g)

total

248

1066

G unit2111029

H unit

37

37

H/G

0.15

0.04

表 3 あて材のチオアシドリシス分析結果（ダイマー）

これらの画分のリグニン分析を行ったところ、正常材、あて材とも透析物には β-O-4 型構造が少なく、縮合構造が多いことが分かった。このことは、複合中間層（正常材）や S1 層（あて材）では、リグニン構造が S2層と異なり、縮合型構造が多いことを示している。
4 . 「 論 文発 表 リ ス ト 」 お よ び 「 口 頭 発 表 リ ス ト[論文発表リスト]

透析物(μmol/g)

切片(μmol/g)

G-G (5-5)027

G-G (β-5)022G-G (β-1)231G-G (4-O -5)

0

4

G-G (β-β)03H-G (5-5)0

2

H-G (β-1)

0

0

total

2

89

S. Imamura, M. Hosokawa, Y. Matsushita, D. Aoki, K. Fukushima, M. Katahira. Quantitative analysisof the β-1 structure in lignin by administration of [ring-1-13C]coniferin. Holzforschung, online published,
DOI: 10.1515/hf-2023-0100− 79 −

ZE2023A-35

有機材料アブレーション時の表面反応に対する化学的アプローチ
藤岡1

隼 1，中嶋 宇史 1，築山

光一 2，全炳俊 3

東京理科大学総合研究院ナノカーボン研究部門
2
東京理科大学理学部
3
京都大学エネルギー理工学研究所【研究背景・目的】
近年，様々な分野で金属材料に替わり，軽量化等，様々なメリットのある樹脂材料の導入が進み，その加工（アブレーション）にはレーザーが多用される．適切な加工法開発は軽量・機能的な材料の普及を促進し，エネルギーの有効活用へ繋がると考えられる．樹脂材料は 5～20 m の中赤外領域に構造に起因する複数の分子振動モードが存在し，光吸収を起こす．しかし，既存のレーザー加工機に実装される光源の発振領域は紫外・可視領域が殆どで（光吸収に乏しい），中赤外領域に発振する光源は稀である．この為，光吸収を伴う加工が有利であることは既知であるが，光吸収を伴う
赤外領域におけるレーザー加工技術は未確立である．樹脂の光吸収は赤外領域に多数存在するが，炭酸ガスレーザー（10.6 m）を除いて赤外領域に発振する光源を実装する既製品のレーザーは皆無であり，炭酸ガスレーザーを含め樹脂の光吸収に合致するケースは極めて少ない．また，光吸収の波長は樹脂によって異なる複数のピークとして出現する為，全てに対応するレーザーの複数製作は現実的ではない．これらの原因の為，赤外レーザーを用いた切削加工に関する知見は殆ど報告されていない（Sandeep Revi et al, Procedia Manufacturing 34 (2019) 316-327）のが現状である．また，加工時の反応機構も未だ不明な点が多く，この解明はレーザー加工のパラメータ決定に大きな貢献をもたらすと考えられる．本拠点における過去 3 年間の共同利用・共同研究において，様々な種類の樹
脂基板に分子の振動準位に対応する赤外レーザーを照射し，波長と加工深さの相関やアブレーショ
ン時発生気体の同定を進め，知見を得た．樹脂サンプルの中でもエチレン骨格のハロゲン置換高分子においては難加工性を示す化合物が多く，これまで多種類のサンプルを供試した．一連の実験から得られた結果を踏まえて，本年度はこの種のサンプルを対象として，アブレーション時の気体発生条件を詳細に追跡し，アブレーション時における反応を解明することとした．
【方法】
1, エチレン骨格のハロゲン置換高分子化合物として PCTFE（Poly Chloro Tri Fluoro Ethylene）を被照射サンプルとして選定した．予め FT-IR スペクトルを測定しした FT-IR スペクトルから樹脂サ
ンプルの吸収ピーク波数を算出した．
2，サンプルをガスセルに封入し，ターボ分子ポンプで 2.0×10-2 Pa まで減圧した．ガスセルは 2軸の対になっている窓から構成されており，1 軸には KBr 窓が，もう 1 軸には BaF2 窓材が装着されており，それぞれ照射用，FT-IR 測定用となっている．吸収ピークと共鳴する波長（8.4 m，asCF2に対応）照射後にガスセルを FT-IR 装置内に設置して発生した気体の FT-IR スペクトルを測定した．
照射条件と発生気体の相関を追跡する為，①パルスエネルギー42 mJ における照射パルス数依存性（60, 120, 180, 240, 360, 600 puls），②照射パルス数 360 puls におけるパルスエネルギー依存性（16, 26, 42 mJ）の条件下で実験を行った．②においては，パルスエネルギーは光路内に偏光子を挿入し，減光させることにより照射エネルギーを変化させた．
【結果・考察】
上記①，②で得られた発生気体の赤外吸収スペクトルを示す（Fig. 1～6）
．Fig. 1-3 は①に，Fig. 46 は②に対応している．PCTFE に 8.4 m（CF）の FEL を照射した後は 1327，1212，1060 cm-1 に
主要なピークが認められ，CF3Cl が生成していると考えられる．60 plus では 898 cm-1 のピークは不鮮明であるが，240 puls からはピーク形状が明確となってきている．また，照射パルス数の増加と共に主要な気体由来のピーク高さは増加して鮮明なピークとなっている．一方，照射エネルギーは16 mJ と 26 mJ ではピーク高さに差は殆ど認められないが，42 mJ 照射時のそれは他の低いエネル
ギー2 つよりも低くなっている．1866，846 cm-1 のピークが不明瞭となっていることから，発生気体−80−ZE2023A-35の構造に変化が起こっている可能性が示唆される．以上の結果より，PCTFE においては，照射パルス数は 240 plus，照射エネルギーは 16 mJ が最適であると考えられる．今後，同様の実験を行う際に，今回得られたパラメータが有用であると考えられる．

Abs

0.24

0.24

0.2

0.2

Abs

0.1

0
2000

1500
Wavenumber [cm-1]

Fig. 1

Abs

1000

0.1

0
2000

800

60 puls 照射後Fig. 4

0.24

0.24

0.2

0.2

Abs

0.1

0
2000

1500
Wavenumber [cm-1]

Fig. 2

Abs

1000

0
2000

800

0.24

0.2

0.2

Abs

1500
Wavenumber [cm-1]

Fig. 31000

800− 81 −

1000

800

1000

800

26 mJ 照射後

0.1

0
2000

1500
Wavenumber [cm-1]

Fig. 6600 puls 照射後

800

16 mJ 照射1500
Wavenumber [cm-1]

Fig. 5360 puls 照射後

0.1

1000

0.1

0.24

0
2000

1500
Wavenumber [cm-1]

42 mJ 照射後

ZE2023A-36

形状自由度の高い強力超伝導バルク磁石の開発
元木 貴則 1，仙波 実怜 1，下山 淳一 1，紀井 俊輝 2
12

青山学院大学理工学部
京都大学エネルギー理工学研究所

1. 研究背景
REBa2Cu3Oy (REBCO, RE : 希土類元素) は液体窒素温度(77 K) を超える 90 K 級の高い臨界温度(Tc)を有する高温超伝導体である。磁場中での臨界電流密度(Jc)特性が他の超伝導材料に比べて優れており、高磁場応用に向けた材料開発が盛んに進められている。その中でも、REBCO 溶融凝固バルクは、内部を周回する永久電流により永久磁石よりはるかに強い磁場（最高で 17.6 T @~30 K [J. H. Durrell etal Supercond. Sci. Technol. (2014)]）を捕捉可能であることから、強力バルク磁石としての様々な応用が期待されている。超伝導バルク磁石の応用には強磁場だけでなく、磁場の高い均質性や様々なバルクの形状が求められる。例えば、アンジュレーター用途には半月状の、卓上型の小型 NMR 装置には中空リング状の均質なバルクが必要である。従来の一般的なバルクは、REBCO ペレット表面中心に小型の種結晶を設置し、溶融状態から徐冷することで種結晶を核としてバルク全体を 2 軸配向させる
Top-Seeded Melt Growth (TSMG) 法により育成されてきた。この方法では、円柱状や角柱状といった単純な形状のバルクしか得られない。複雑形状のバルクはこれらバルクを機械的に加工することで成形されるが、クラックの発生といった機械的損傷が課題となっている。また、種結晶を起点とする 3 次
元的な結晶成長機構であるため、大型化が困難で再現性、均質性が低いという課題を有する。このよ
うな課題に対して、我々は希土類元素の異なる REBCO の部分溶融温度(包晶温度, Tp) の差を利用して大型溶融凝固バルクを種結晶として一方向のみに結晶成長させる一方向溶融成長(Single-Direction
Melt Growth, SDMG) 法を開発して報告してきた[T. Motoki et al., Supercond. Sci. Technol. (2022)]。この方法は、結晶成長が鉛直一方向のみに進行するためバルク形状の自由度が高いだけでなく、大型化も容易で均質なバルクを再現性良く得ることができる。最近、この SDMG 法を用いた高機能なリング
バルクの直接育成に成功し、77 K におけるリング内磁場の世界記録~1.8 T を達成した[T. Motoki et al.,Appl. Phys. Express (2023)]。SDMG 法 REBCO 溶融凝固バルクの捕捉磁場特性はこれまで液体窒素浸漬
下(77 K) でのみ評価してきたが、実際の応用が想定される 60 K 以下での中低温における 2 次元的な捕捉磁場特性は評価できる設備が世界的にも限られている。本共同研究により、強磁場ソレノイドとヘリウム連続フロークライオスタットを活用することで、SDMG 法 DyBCO バルクの低温捕捉磁場特性を昨年度はじめて評価した。
2. 実験方法
日本製鉄社製 EuBCO 溶融凝固バルクを切り出してseed plate とし、EuBCO よりも包晶温度の低い RE を用
いて、様々な形状の REBCO ペレット(RE = Y, Gd, Dy)
を seed plate にのせ SDMG 法により溶融凝固し REBCO
バルク磁石を育成した。REBCO ペレットには、機械的強度向上と Tp の低下のため 10 wt%の Ag2O を添加している。一例として、直径 35 mm の円柱もしくはリング状ペレットを用いて育成した YBCO バルクの外観を図 図 1 SDMG 法を用いて EuBCO seed plate 上に1 に示す。育成したバルクは seed plate から切り離し、 育成し YBCO 溶融凝固バルクの外観
酸素雰囲気における長時間の低温アニールを行うことでキャリア量を最適ドープ状態とした。さらに、直径 24.0 mm となるよう研磨し新たに設計した窒化アルミニウム(AlN)製のサンプルホルダに固定し、捕捉磁場特性を評価した。

−82−

ZE2023A-36
3. 結果と考察
昨年度の低温評価の結果より、試料ホルダーに無酸素銅を用いた場合は、バルク着磁評価の際の磁場変動時にホルダーにも誘導電流が誘起され捕捉磁場が低く評価される可能性が示唆された。そこで、今年度は絶縁性の AlN ホルダーを新たに開発し、図 1 の左に示す円柱状の YBCO バルクを直径 24 mmに加工し、予察的な実験として液体窒素浸漬下における捕捉磁場特性の AlN ホルダーの有無の影響を評価した。図 2 (a)に AlN ホルダーの外観を、図 2 (b)および(c)にそれぞれホルダーなしおよび AlN ホ
ルダー装着後に測定したバルク表面の 77 K における捕捉磁場分布を示す。AlN ホルダーを用いること
で、捕捉磁場の低下は全く見られず、低温測定時の試料ホルダーとして AlN が適していることを実証した。今年度中にこのホルダーを用いた低温捕捉磁場特性評価を実施予定である。
(a)

(b)

B

T,max

(c)

= 0.75 T

BT,max = 0.77 T

図 2 バルク装着後の AlN ホルダーの外観(a), YBCO バルクのみ(b)もしくは AlN ホルダー装着後(c)に評価した 77 K における同一の YBCO バルク表面の捕捉磁場分布

また、大型化や様々な形状のバルクを育成する試みの一環として、図 3 (a)に示すよ
うな一辺 50 mm の大型の角柱状の金型を設計開発し、現在成型、熱処理による大型角柱状のバルク育成(図 3(b))を進めている。得られたバルクを複数枚並べて大型の seed plateとし、さらに大型のバルクを育成する試みも進行中である。

(a)(b)

図 3 設計開発した 50 mm 角金型(a)と、金型を用いて成型後緻密化熱処理した GdBCO バルクの外観(b)[論文発表リスト]
T. Motoki, M. Miwa, M. Semba, J. Shimoyama，“Greatly Improved Trapped Magnetic Fields of REBCO
Melt-Grown Bulks Through Reductive High-Temperature Post-Annealing”，IEEE Trans. Appl. Supercond.
Vol. 33, 6800205, 2023, in press
T. Motoki, M. Semba, J. Shimoyama，“Direct fabrication of high-quality ring-shaped REBa2Cu3Oy bulk
magnets by the single-direction melt growth (SDMG) method”，Appl. Phys. Express, Vol. 16, 095501, 2023,
in press［受賞、プレス発表等］

CONECTUS Award (EUCAS 2023), 2023/9/7, Takanori Motoki, "Development of homogeneous and highperformance REBCO bulks with various shapes by the single-direction melt growth (SDMG) method"［口頭発表リスト］
Takanori Motoki, Mirei Semba, Shin-ichi Nakamura, Toshiteru Kii, Jun-ichi Shimoyama, “Advancements in
Single-Direction Melt Growth (SDMG) for Preparation of Large and Uniform REBCO Melt-Textured bulkswith Various Shapes”(Invited), MRM2023/IUMRS-ICA2023 Grand Meeting，2023/12/16，Kyoto, Japanほか 6 件− 83 −

ZE2023A-37

小型マイクロ波高純度負イオン源の開発とナノプロセスへの応用
比村治彦 1，西尾昴 1，鞆津匠人 1，丹波天晴 1，堀江凌矢 1，稲垣滋 2
1
2

京都工芸繊維大学電気電子工学系
京都大学エネルギー理工学研究所

1. 背景と目的
核融合エネルギーの開発研究に付随して見出された学術的知見を他分野へと応用する試みが近年さかんに議論されている（NIFS ユニット検討会、他 (2020-2022)）。本提案は、核融合プラズマ
加熱法の一つ、NBI 加熱法で用いられる水素負イオンを電子デバイス分野での超薄膜の膜質向上に対して寄与させることの可否について調べるために、小型でマイクロ波を用いた不純物のない水素負イオン源を開発し、実際に照射試験を行うものである。
水素負イオンはヒドリドと呼ばれる化学的活性度の高いラジカルである。このヒドリドの反応力が原子層スケールの超薄膜内でも発現する場合、例えば窒化膜生成時にアンモニアガスから予期せずに混入する水素原子をその超薄膜から効率的に引き抜けることになる。これにより膜質が向上するので、超薄膜をさらに薄くできる。これはデバイスの小型化・省電力化に直結する。また、核融合エネルギー開発で培われた水素負イオンをエレクトロニクス分野に応用できれば、当該分野のス
ピンオフの一つになる。これらのゴールは、どれもゼロエミッションエネルギー研究が目的とする
革新的技術の開発に寄与するものである。
しかしながら、水素負イオンを用いた超薄膜の膜質改善試験は、我々の研究室が初めてその端緒についた所であり、学術的に未開拓である。この技術開拓には NBI 加熱装置のノウハウが不可欠であるが、申請者の研究室はそのノウハウを有していない。そこで、このノウハウに通じておられる京大ヘリオトロングループとの共同研究で本提案を実施する。
上記のスピンオフを狙う装置の技術的ポイントは、DC アークではなく不純物フリーなマイクロ波を使う点、そして、大型ではなく小型である点、セシウムフリーの体積生成の 3 点である。これ
らは負イオンの生成難易度が高くなることを意味しており、これらの点にも技術的進歩が得られる
ことが期待される。
2. マイクロ波を用いた体積生成負イオン源の試作と小型負イオン引き出し機構の開発
図 1 は、マイクロ波を用いた体積生
成負イオン源をサイドオンから見た鳥観図である。装置の左側から 900
MHz 帯のマイクロ波がセラミックス
盤を介して右側の中空型円筒真空容器内に入る。セラミックス盤の直下にガスが入るように、フランジの側面に電磁バルブが取り付けられている。この電磁バルブから主として水素ガスを入れて動作試験が行われている。
プラズマが着火する場合、プラズマは中空型円筒真空容器内に張られて
図 1 900 MHz 帯マイクロ波を用いた小型負イオン源の鳥観いる多極カスプ磁場により、動径方向
図。左端のセラミックス盤を通してマイクロ波でプラズマをに膨張することが極力抑えられてい生成して、体積生成で負イオンを作り、その負イオンのみをる。これで真空容器内壁でのプラズマ
選別して引き出す構成がとられている。

−84−

ZE2023A-37
損失を抑制し、プラズマ密度の低下を回避している。一般に、プラズマ密度を高く維持することは、プラズマの電子温度を下げる効果を持つことが知られており、同様の効果の発現が期待されている。
ことがかつ、右方の１対の永久磁石で張られている磁気フィルター領域により、その磁気フィルタ
ーを通過できるのが低速電子と振動励起分子になる。プラズマにならなかったガスは、中空型円筒
真空容器内で膨張させる。これで右方にプラズマが流れ出る。
3. シミュレーション
図 2 は、水素負イオン引き出しのためのシミュレ
ーション結果の一例である。このシミュレーショ
ンでは水素負イオンだけが選別できて右方に引き出されていることがわかる。このの設定値を実験での基準値として、実際の印加電圧や磁束密度の最適値を求めていく手法をとる。
4. 初期実験結果の一例
図 3 は、水素負イオンを引き出した時に、中間電極に流れ込む電流値の時間変化を表している。この中間電極でのみ水素負イオンの出力電流が顕著に測定されるが、その値はシミュレーションの 10
分の 1 程度にとどまっている。この結果は、プラ
ズマ電極から射出される際の発散角がシミュレー
ションでの仮定値より大きいことを強く示唆している。現在、この発散角を小さくするための改造をプラズマ電極に施している。
5. 「論文発表リスト」および「口頭発表リスト」について［口頭発表リスト］
1. 西尾 昴 他，“コンパクト選別器による高周波プラズマからの H-イオンの選別・引き出し実験”，
プラズマ・核融合学会，2023 年 11 月 30 日，アイーナ・いわて県民情報交流センター，（ポスター）

図 2 水素負イオンの軌道シミュレーション
例。このシミュレーションには自己電場も考慮されている。シミュレーションでは特定のイオンのみが確かに通過している。

図 3 中間電極には水素負イオン引き出し周期に応じた信号が観測される。しかしながらその電流値は~1uA であり、これはシミュレーションから産出される期待値の 10 分の 1程度である。

2.

鞆津 匠人 他, “効率的な反応性負イオン生成に及ぼすガイド磁場の効果”，プラズマ・核融合学会，2023
年 11 月 30 日，アイーナ・いわて県民情報交流センター，（ポスター）3.

堀江 凌矢 他,“レーザー光脱離を用いた負イオン量を最大にするオペレーションの実験的探索”，
応用物理学会，2023 年 9 月 21 日，熊本城ホール

4.

丹波 天晴 他, “反応性負イオンビームの引き出し装置の開発及びフラックス計測”，応用物理学会，2023 年 9 月 21 日，熊本城ホール− 85 −

ZE2023A-38

遺伝子発現を調節可能な四重鎖の探索
田中 陽一郎 1，永田 崇 2, 杉本 千佳 3
1

横浜国立大学研究推進機構機器分析評価センター
2
京都大学エネルギー理工学研究所
3
横浜国立大学大学院工学研究院

1. 背 景バイオ燃料の利用増加に伴い、その合成の効率化と低価格化は重要な課題となっているが、その達成には、遺伝子組換えを用いたバイオ燃料産生生物によるエネルギー生成の高機能化が非常に効果的である。バイオ燃料産生に使われる多くの生物種で共通に利用可能な遺伝子発現調節法を開発すれば、様々なバイオ燃料産生法に応用できる。本研究では、ゼロエミッションエネルギーを達成するためのバイオ技術を利用したエネルギー生成の基盤技術として、新たな遺伝子発現調節法の開発を目指している。
本研究では、モデル生物として大腸菌を使用し、遺伝子発現調節に使用可能な四重鎖を同定し、四重鎖による遺伝子発現調節法の基盤を確立することを目標としている。遺伝子発現を調節可能な四重鎖の候補として、大腸菌ゲノム中の遺伝子発現調節領域に存在し、他の生物種でも保存されている四重鎖を形成すると推定される配列から選択した(表 1)。これまでに開発した原子間力顕微鏡(AFM)を用いた解析によって、MalK と OxyR が明
表 1. 本研究で使用した DNA オリゴマー
確に四重鎖を形成し、YhiP と TufB は、
Name
Sequence
Length (nt)remarks
より安定な条件で測定が可能な NMR
15 or 16
Cont15(16)(T)TTGTTTGTTTGTTTT
single strand
15
G3T
GGGTGGGTGGGTGGG
well-known quadruplex (parallel)
によって四重鎖を形成しうることがわ
MalK*
15
CAGGGGGTGGAGGAT
expected quadruplex motif (Quad Base)
かった。
OxyR*
15
GGCGATGGAGGATGG
expected quadruplex motif (Quad Base)
RpsA*
17
GGCATGGAGCCAGGTGG
expected quadruplex motif (Quad Base)
四重鎖による遺伝子発現調節のレポ
YhiP*
16
GGATGGTATTGGAAGG
expected quadruplex motif (Quad Base)ータープラスミドによる評価系を作製
TufB*
17
GGTAAGGGTGAGGTCGG
expected quadruplex motif (Quad Base)GabP*
15
GGCCGGGTAAGGCGG
expected quadruplex motif (Quad Base)
し(図 1)、導入した各四重鎖による遺伝＊：DNA の名称は大腸菌ゲノム上で近傍に存在する遺伝子名
子発現調節能力を調べたところ、OxyR
及び MalK を導入したプラスミドでは、
K+イオンをトラップして四重鎖を不安
定 化 さ せ る ク ラ ウ ン エ ー テ ル (18Crown-6)と K+イオンと競合して四重鎖を不安定化する LiCl を加えることで
GFP の発現が増加し、四重鎖によって抑制された遺伝子発現の解除が可能である結果が得られた。しかし、四重鎖を 安 定 化 さ せ る 試 薬 TMPyP4(5,10,15,20-tetra-(N-methyl-4-pyridyl)
図 1. (A) 作製したレポータープラスミドのプロモーター領域。下流
porphine)を加えても、MalK 及び OxyRに GFP 遺伝子をコードしている。Insert 部分に四重鎖を導入した。
による遺伝子発現の抑制は強くならな(B) 四重鎖が遺伝子発現に及ぼすモデル図。(C) 作製したレポーター
かった。そこで、試薬の添加による四プラスミドからの GFP 発現レベルを蛍光測定により評価した。
重鎖の安定化について検討した。

−86−

ZE2023A-38
2. 方 法・非変性 PAGE (Polyacrylamide Gel Electrophoresis)
各 DNA 分子をバッファ(50mM KCl, 10 mM MgCl2, 20 mM HEPES (pH7.0))で 0.5μM に溶解し、95℃
で 5 分間加熱後、8 時間で 15℃まで徐冷した。試料によって、10μM となるように TMPyP4 またはNMM (N-methyl mesoporphyrin IX)を加えた。16%変性ポリアクリルアミド TBE ゲル及び 14%ポリアク
リルアミド TB(Tris-Borate)非変性ゲルにアプライし、泳動後四重鎖特異的に染色可能な Thioflavin Tで染色してゲルを撮影した。その後、SYBR Gold 染色液で再度染色して撮影した。

SYBR GOLD染色3. 結果及び考察
非変性 PAGE の結果、MalK では変性
PAGE よりも高分子量側でバンドが検出さ(A)れ、さらに、四重鎖を染色する Thioflavin
T でもバンドが染色された。また、同様に
Thioflavin-T染色
OxyR も染色され、四重鎖を形成していることを示す結果が得られた(図 2B)。さらに、四重鎖を安定化する 10μM TMPyP4(B)
存 在 下 で 泳 動 し た 場 合 、 YhiP で は
Thiflavin T によってバンドが染色され、試薬による安定化によって四重鎖が形成されたことを示唆する結果が得られた(図 2C)。
別の四重鎖を安定化する試薬である NMM(C)
でも同様の結果が得られた。YhiP は NMR
によって四重鎖を形成していることを確認しているが、MalK や OxyR より安定性が低く、非変性 PAGE の条件では、四重鎖を安定化する試薬を加えた場合にのみ四重鎖
図 2. 各 DNA の電気泳動結果 (A) 変性 PAGE(SYBR GOLD 染を形成していると考えられる。
色 (B) 非変性 PAGE(左:SYBR GOLD 染色、右: Thioflavin T 染
今後、これらの結果を踏まえて、OxyR 色) (C) 非変性 PAGE、10μM TMPyP4 (左:SYBR GOLD 染色、と MalK の配列に変異を加え、安定性等の 右: Thioflavin T 染色)
性質を変化させることで、発現を精密にコントロール可能な遺伝子発現調節法の作製をめざす。さらに、YhiP については四重鎖を安定化する事によって遺伝子発現を抑制する方法を検討する予定である。
4. 口頭発表リスト
1) Tanaka Y., Nagata T., Sugimoto, C., "Identification of quadruplexes that can regulate
gene expression.", The 14th International Symposium of Advanced Energy Science, 2023 年 8 月
30 日, 京都，ポスター− 87 −

ZE2023A-39

全固体 Li イオン電池における電極/電電解質界面の現象解析、および界面設計に関する研究髙橋

伊久磨 1, 2，梶 瑛裕 1，渡邊

飛翔 1，米山 麗凛子 2、佐々木 一哉 3，八木 重郎 41

千葉工業大学大学院 工学研究科
2
千葉工業大学 工学部3
弘前大学大学院 理工学研究科
4
京都大学 エネルギー理工学研究所

1. 背景と目的
ゼロエミッションエネルギーである太陽光発電を有効活用に向けては、電力平準化のための蓄電シ
ステムが必要となる。この蓄電システムには、高容量、低コスト、および高温環境下で安全な性能が求められる。本研究では、従来の正極材料の 2 倍以上の容量を示し、コバルト含有量が少なく低コスト、かつ熱安定性の高いリチウム過剰層状酸化物 (Li-rich) 正極と、酸化物電解質を組み合わせた上記条件を満たす全固体電池の開発を進めている。
Li-rich 正極は、電解液を用いた系では初回充電時に活物質表面で酸素脱離する特有の現象が生じ、充放電サイクル中に容量の低下、電圧低下する劣化が課題となっている 1)。また、酸化物電解質は、熱的、化学的に安定であるが、Li 酸化物正極/酸化物電解質界面形成時の高温焼成において、Li イオン移動に高抵抗となる不純物相生成の課題が報告されている 2)。そこで私たちは、Li-rich 正極と酸化物電解質を組み合わせて、酸化物電解質の被覆による Li-rich 正極表面からの酸素脱離抑制と高抵抗相生成の抑制を両立させた界面作製を目標とし、材料構成と作製プロセスの検討をしてきた。これまでに酸化物電解質であるガーネット型の Li6.25Al0.25La3Zr2O12 (LLZO)、ペロブスカイト型の Li0.33La0.56TiO3 (LLTO) 、および NASICON 型の Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 (LATP) の粉末を作製、ペレット成型し、イオン伝導率を測定した結果について報告した 3)。ここでは、最もイオン伝導率の高かった LLZO 電解質を基板として用い、Li-rich/LLZO 界面、および負極として Li4Ti5O12 (LTO) /LLZO の界面を作製し、電池評価を行なった内容について報告する。
2. 実 験
Li-rich 正極活物質には、Li1.2Ni0.13Co0.13Mn0.54O2 (Li-rich NCM) を用いた。正極と負極薄膜は、ゾルゲ
ル法により合成した活物質粉末をエチルセルロースに分散させたスラリーを作製し、スピンコート法
により作製した。Li-rich NCM/LLZO 界面は、スピンコートにより複数回塗布成膜し、150℃、15 分乾燥後、600℃、5 時間焼結を行った。LTO/LLZO 界面は、同様にスピンコートにより複数回塗布成膜後、150℃、15 分乾燥し、600℃、10 時間焼結を行った。作製した Li-rich NCM/LLZO/LTO セルは、走査型電子顕微鏡エネルギー分散型 X 線分析分光法 (SEM-EDX) を用いて断面観察、および元素分析を行った。また、電流を一定に制御した充放電測定を行った。
3. 実験結果と考察
Fig. 1 に Li-rich NCM/LLZO、LTO/LLZO 界面の SEM 像と EDX マッピング像を示す。スピンコート
により作製した Li-rich NCM と LTO 薄膜は 30 - 40 µm であった。また、Li-rich NCM/LLZO、LLZO/LTO
ともに界面に空隙や亀裂は見られなかった。LTO/LLZO 界面の LLZO 中に一部 Ti の存在が観察されるが、これは断面出しの際に LTO 粉末が付着したものである。以上から、EDX マッピングで観察できる領域においては、Li-rich NCM/LLZO 界面、LLZO/LTO 界面で不純物相や元素の偏析は見られなかった。

−88−

ZE2023A-39
(a)

(b)

Fig. 1(a) Li-rich NCM/LLZO、(b) LTO/LLZO 界面の SEM 像と EDX マッピング像

次に、5.0、7.0、および 10 μA で充電した際の充電特性を Fig. 2 に示す。横軸は、厚みから算出した正極の重量換算した容量である。一般的に、Li-rich
正極は充放電で 2.5 – 4.2 V vs. Li/Li+、LTO 負極は1.8 V vs. Li/Li+付近にプラトーな電位を示すことか
ら、本実験で用いたセル構成では 0.7 – 2.4 V 程度の電圧を示すと見積もられる。しかし、7.0 μA の微小電流で 2.5 V の高電圧を示しており、非常に高いセル抵抗が予想される。これは、LLZO 基板の厚みが約 1 mm と厚く、電解質抵抗が高いことによると考えている。

Fig. 2Li-rich NCM/LLZO/LTO の充電特性

4. まとめLLZO を基板とした Li-rich/LLZO/LTO セルをスピンコートにより作製し、SEM-EDX による断面観察、および定電流による電池性能評価を行なった。SEM-EDX 観察から、Li-rich/LLZO で不純物相のな
い均質な界面が形成されていることが確認できた。しかし、電池性能評価では微小電流による充電で高電圧を示し、これは LLZO 基板の高い抵抗が要因と考えている。今後は、酸化物電解質の薄膜化による低抵抗化を行ない、Li-rich/薄膜酸化物電解質界面を作製、評価していく予定である。
References
1) Ikuma Takahashi et al, ACS Appl. Energy Mater. 2019, 2, 8118−8124
2) Younggyu Kim et al, Chem. Mater. 2020, 32, 1928-1943
3) 髙橋伊久磨ら、2022 年度京都大学エネルギー理工学研究所 ZE 研究拠点 成果報告書 p.88-89
5. 論文発表リスト」および「口頭発表リスト」
I. Takahashi et al., “Analysis and Design of Electrode/Electrolyte for All-Solid- State Li ion Battery”, The 14th
International Symposium of Advanced Energy Science, Institute of Advanced Energy Kyoto University, August30, 2023, Kyoto, Poster− 89 −

ZE2023A-40

好冷菌型ハイブリッド酵素による結晶性セルロース低温分解システムの開発
堀内正隆 1，片平正人 2，永田崇 2
12

北海道医療大学薬学部
京都大学エネルギー理工学研究所

1. 研究の背景と目的
現代社会における化石燃料の使用は、温暖化を引き起こす要因とされ、社会情勢の変化などによって、その供給の不安定性が生活や産業活動に与える影響は大きい。そのため、バイオマスに由来する代替燃料の生産性を向上させることが、喫緊の課題となっている。バイオマスを利用する際には、それぞれの地域の地形や平均気温に最適な戦略をとる必要があり、代表者が居住する北海道のように、バイオマスは豊富であっても、低温期間の長い地域では、既存の高温型酵素を用いた代替燃料の製造は高コストとなってしまう。
本研究では、研究チームがこれまでに確立したハイブリッド酵素作製のノウハウと、氷温で増殖する好冷菌の酵素群を組み合わせることにより、バイオマスの共通成分である結晶性セルロースをグルコースのレベルまで、低温域でも高効率に分解することのできる“好冷菌型ハイブリッド酵素”を開発し、低エミッション型バイオマス利用の基盤を構築することを目的としている。
2. 結果および考察
2023 年度当初は、キャラクタリゼーションの済んでいる好冷菌 Sclerotinia borelis 由来の ß-ガラク
トシダーゼ (sbBGL) の結晶化に注力したが、sbBGL の結晶の形状が球状晶から変化しなかったことから、X 線回折実験には至らなかった。また、セロビオヒドロラーゼ 2 (sbCBH2) については、
低温でのセロビオース遊離活性が弱いことに加え、構造解析するには発現量が不十分であることから、引き続き生産条件を検討することにした。
そこでより良い好冷菌由来のセルラーゼを増やすべく、セルロースの還元末
端側からセロビオースを遊離するセロ
ビオヒドロラーゼ 1 (CBH1) と、セルロース表面にニックを入れる小型エンド
グルカナーゼ (EG3) 遺伝子のクローニ、sbCBH1 および sbBGL
ングおよびそれらの組換えタンパク質の 図 1 好冷菌型セルラーゼ sbEG3、による結晶性セルロースの協同的分解モデル生産を試みることにした (図 1)。
まず既知の CBH1 である Trichoderma reesei CBH1 (UniProt ID: P62941) のコード領域と相同性をもつ配列を、S. borelis のゲノム配列から DELTA-BLAST により探索した。その結果、2 種類の CBH1
相同配列 ESZ95596.1 および ESZ96488.1 が見出された (図 2A)。S. borealis cDNA ライブラリーから、PCR によってこれらの遺伝子の増幅を試みたところ、
ESZ96488.1 のみが増幅された。
ESZ96488.1の全長組換えタンパク質を Brevibacillus 中で発現させると、培地中に分泌されることが確認された(図 3A)。以後、このタンパク質を sbCBH1 と呼ぶことにした。さらに sbCBH1 の触媒ドメイン(sbCBH1-CD) のみも分泌発現させることに成功した。分泌量は培地によって異なり、TMNm 培地
を用いた方が、SYNm 培地を用いた場合よりも分泌量が多くなることがわかった。
次に、既知の EG3 である T. reesei EG3 (UniProt ID: O00095) のコード領域と相同性をもつ配列を、
S. borelis のゲノム配列から探索した。その結果、2 種類の EG3 相同配列 ESZ95313.1 およびESZ95627.1 が見出された (図 2B)。S. borealis cDNA ライブラリーから、これらの遺伝子の増幅を試みたところ、ESZ95627.1 のみが得られた。配列分析の結果から、この cDNA は 3’末端側のスプラ
イシングバリアントであることがわかった。この断片を Brevibacillus において発現させると、培地中に分泌されることが確認された (図 3B)。以後、このタンパク質を sbEG3 と呼ぶことにした。
sbEG3 も TMNm 培地を使用した方が、SYNm 培地に比べて分泌量が多くなることがわかった。
−90−

ZE2023A-40

図2

DELTA-BLAST による sbCBH1 (A)おおよび sbBGL (B) の探索

図 3 Brevibacillus において分泌発現した sbCBH1 (A)おおよび sbEG3 (B) のイムノブロットによる確認
TMNm 培地または SYNm 培地中で 1~3 日間振とう培養を行い、培地画分のみを回収し、各組換えタンパ
ク質の C 末端に付加した His-tag を、抗 His-tag 抗体により検出した。

3. 今後の方針
Brevibacillus による分泌発現に成功した sbCBH1 と sbEG3 について、低温活性の確認などのキャ
ラクタリゼーションを進める。また、これまでに入手した好冷菌のセルラーゼ酵素群を融合させて、高効率な低温型ハイブリッドセルロース分解酵素を作製する。これらのハイブリッド酵素は精製時の利便性を考慮して培地中に分泌させ、その後、培地組成の影響を受けにくい GRP-tag とカードラ
ンビーズを用いたアフィニティーシステムを利用して、低コストにハイブリッド酵素を精製する予定である。
4. 口頭発表リスト
M. Horiuchi, S. Kuninaga, I. Saito, M. Katahira, T. Nagata “Development of the crystalline cellulose
degradation system consisting of the psychrophilic fungus-type hybrid enzymes.” The 14th International
Symposium of Advanced Energy Science, Zero-Emission Energy Research, Institute of Advanced Energy,
August 30th, 2023, (ポスター)− 91 −

ZE2023B-01(c)

原子層ヘテロ構造体の物性解明(d)岡田晋 1，松田一成 2，高燕林 1, 丸山実那 1
1

2

筑波大学数理物質系
京都大学エネルギー理工学研究所

1. 六方晶窒化ホウ素に埋め込まれたグラフェンネットワークの電子物性（文献[1]）原子層物質合成技術の発展により、種々の原子層物質からなる複合構造が注目されている。面内で六方晶窒化ホウ素(hBN)とグラフェンからなる複合構造は、その典型的な構造として知られている。ここでは、三角形状を有する炭化水素 ([n]triangulene: n は三角形の各辺に包含される６員環数)を重合させることによって得られる２次元炭素蜂の巣格子ネットワークが埋め込まれた六方晶窒化ホウ素のエネルギー安定性と電子構造の探索を行った[図 1]。その結果、すべての構造において、グラフ(e)(f)
ェンと hBN の境界に局在した状態に起因する平坦バンドがフェルミレベル近傍に出現することが明らかになった。この平坦バンドは、境界局在状態による０次元的な電子／正孔系に起因するものであり、境界の制御により、ヘテロ構造上の電子／正孔系の次元性を制御できることを明らかにした。また、詳細な電子構造は、グラフェンネットワークを構築する triangulene の種類と組み合わせに依存する。すなわち、同種の triangulene を重合化させたネットワーク構造と hBN からなるヘテロ構造は
図 1.グラフェン/hBN 面内ヘテロ構造の例。グラフ
0.7eV の直接バンドギャップを有する半導体であェン領域は[4]triangulene と[2]triangulene が蜂るのに対して、異種 triangulene の組み合わせかの巣状に配置された構造を有する。黒、赤、緑の(g)
らなるヘテロ構造はフェルミレベルに平坦バンド
丸はそれぞれ、炭素、窒素、ホウ素を表す。
を有する金属、もしくは狭いバンドギャップを有する半導体であることが明らかになった。
2 . 2 層 W S 2/ M o S 2 面内ヘテロ構造の電子構造（文献 [ 2 ] ）WS2 と MoS2 が面内で接合したヘテロ構造遷移金属カルコゲン化合物では、その境界において比較的急峻なバンドベンディングが形成され、両者の間でタイプ II のバンド端配列が実現される。ここでは、それぞれ 1.6nm の幅を有する WS2 帯と MoS2 帯からなる２次元超格子構造の２層積層構造を考えた。積層の際、超格子の方向を互い違いに す る こ と に よ り 、 W/W, W/M,
Fig. 1. (Color online) Geometric structures of in-plane heterostructures comprising hBN and graphene ﬂakes. Heterostructures of [6]triangulene and [0]Mo/Moの４通りの面間遷移
triangulene Mo/S,(C monomer)
embeddedin hBN with (a) CB- and (b) CN-rich borders. Heterostructures of [5]triangulene and [1]triangulene (C6 ring) embedded in
金属原子の配置が実現される(図hBN with (c)CB- and (d) CN-rich borders. Heterostructures of [4]triangulene and [2]triangulene embedded in hBN with (e) CB- and (f) CN-rich borders. (g) A
heterostructureof この４通りの面間金属配置を[3]triangulene embedded in hBN. Red, black and green balls indicate B, C and N atoms, respectively.
２)。
反映して、この系では拡張されたタイプ
II のバンド端配置が出現
hBN (Fig.
1). Notethat [0]triangulene and [1]triangulene each atom was less than 1.33 × 10−3 Hartree/Bohr under the
する。
すなわち、
価電子帯における
correspond to the C monomer
and C6 ring, respectively. For ﬁxed lateral periodicity.
バンド端は、W/W
領域が最も浅く、
each pair of [n]triangulene and [m]triangulene, we considered
W/Mo 領域、
Mo/W 領域、
Mo/Mocorresponding領域
two different
arrangements
in hBN,to CB- 3. Results and discussion
図 2.2 層 WS2/MoS2 面内ヘテロ構造のユニットセル（左図）と局の順で深くなる。
他方、伝導帯端はand CN-richborders. The heterosheet
was separated
from its To study the stability of the copolymer of [m]triangulene andMo/Mo
領域に存在し、Mo/W
領域、
periodic images by 1 nm vacuum spacings to 所状態密度（右図）。原点はフェルミエネルギーに対応。
simulate an [n]triangulene embedded in hBN, we investigated the formaW/Mo of
領域、W/W領域の順で浅くな
isolated sheet
the heterostructure.
The geometric structure tion energy of the heterostructures using the chemicalof the heterostructure was optimized until the force acting on

potentials of diborane, nitrogen and methane molecules,

025001-2−92−© 2023 The Japan Society of Applied Physics

ZE2023B-01
ることが明らかになった（図２）。この結果は、この系に電界効果によるキャリア注入を行うと、キャ
リア密度の増加に伴い、蓄積キャリアの次元性が０次元→１次元→２次元と連続的に変化することを示唆したものであり、実際、電界効果による当該系状のキャリア次元性の制御が可能であることを予言した。
Phys. Express 16, 075004 (2023)
Y. Gao and S. Okada
3. 2 層ヤヌス WSSe の物性探索（文献[4]）ectively. All 異なる上下のカルコゲン原子層により遷移金属原
atoms were fully optimized until the force
g on each atom
was less than 0.005 Ry Å−1. Integrations
子層を挟まれたヤヌス遷移金属カルコゲン化合物は、
the Brillouinzone for the self-consistent electronic
新たな原子層内ヘテロ構造として注目を集めている。
ture calculation
were performed using 20 × 20 × 1 and特に、上下の異なるカルコゲン原子に起因する原子層10 × 1 k 鉛直方向の電場は、多くのユニークな物性現象を引き
meshes for AB-stacking and twisting interorientation,
respectively. Because Janus
WSSe2 hasan WSSe
起こすことが知られている。
ここでは、
層ヤヌス
nsic dipoleに注目し、その積層構造と電子構造を明らかにした。
moment normal to its layer, we adopted anboundary特に、物性の層間カルコゲン原子配置依存性に注目しcondition in terms of the electrostatic intern to avoidた解析を行った。層間距離と層間束縛エネルギーにつunintentional dipole interaction between thee layer andthat in the adjacent image cells using the
いては、カルコゲン原子のイオン半径に依存し、WSSe. With a relative
permittivity of a vacuum, this effectiveが本質的に有する分極の影響は小さいことが明らかになった。他方、電子構造については、面鉛直方向のning medium
is located at the cell boundaries normal to
Fig. 2. Binding energies per atom of bilayer Janus WSSe with ABayer.50) 分極に起因するバンド構造の変調が誘起されること
図 3. 2 層 WSSe の層間距離と層間束縛エネルギ
stacking and twisted interlayer orientations, each of which possesses S–Se,が明らかになった。
特に、ヘテロ界面が存在する場合、
e considered bilayer Janus WSSe with AB-stacking and S–S, andーの層間距離依存性。
Se–Se interfaces as a function of interlayer spacing.
面間で並行な分極により、上下層のバンドの混成が抑ed interlayer
orientation to clarify their energetics and
制され、上下層間でタイプ
IIarrangement.
のバンド端配置が誘起されることが明らかになった。
ronic structuresin terms of the stackingAs
he AB-stacking bilayer WSSe, we consider 1 × 1 lateral hindrance of chalcogen atoms. The optimum interlayer
4. an
業績
リスト lateral lattice parameter ofdicity with
optimized
spacings are 3.3, 3.4, and 3.5 Å for twisted bilayer Janus「論文発表リスト」
Å. As for the twisting bilayer WSSe, we consider a WSSe with the S–S, S–Se, and Se–Se interface, respectively.
H. Zhang,
M. Maruyama,
Y. Gao,S. Okada, Electronic
structurecovalent networks
triangular graphene
er structure[1]witha twistingangle of 38°.
Accordingly,
it Theselarge ofinterlayer
spacingsof substantiallydecrease theflakes embedded in hBN, Jpn. J. Appl. Phys. 62, 025001 (2023).
a lattice parameter of 8.44 Å containing 14 W, 14 S, and interlayer binding energy, the calculated binding energies[2] M. Maruyama, N. Ichinose, Y. Gao, Z. Liu, R. Kitaura, S. Okada, Gate-Induced Trans-dimensionality of Carrier
Se atoms. Distribution
Because of
the large
twisting
angle,ofthe−22formeVfor eachapplications,of the twisted
because theyin Bilayer
In-plane
Heterosheet
MoS2being
and WS2electronics
ACSbilayers
Appl. Nano
mized lattice
parameter
is insensitive to the stacking are insensitive to the interface atomic arrangements.
Mater.
6, 5434 (2023).
gement. In[3]addition
to themutualstacking orientation,
Thestructure
correlation
betweenthin
thefilms
energetics
the interlayer
N. Sultana,
Y. Gao,M. Maruyama,
S. Okada, Electronicof graphene
under anandexternal
electrichas
field,
J. Appl. degree
Phys. 62,of075001(2023).
er Janus WSSe
anJpn.
additional
freedom
for atomic arrangement is ascribed to the interlayer orbital
[4]
Y.
Gao,
S.
Okada,
Energetics
andelectronic
structureof bilayer JanusFigure
WSSe,3Appl.
Phys.
16, electron
075004 density
nterlayer atomic arrangement. For each stacking orienta- hybridization.
shows
theExpress
valence(2023).
S–Se, S–S, and Se–Se interfaces were considered modulation upon the formation of bilayer structures of Janus[6] H. Zhang, Y. Gao, M. Maruyama, S. Okada, Trans-dimensionality of electron/hole channels in multilayer in1].
the values
evaluatedusing (DOI: DOI
plane heterostructures comprising graphene and hBNWSSe;
superlattice,Jpn. were
J. Appl.
Phys. (2024).
gure 2 shows
the binding energy per atom of the bilayer
10.35848/1347-4065/ad1718)
Dr (r ) = r BL (r ) - r U (r ) - r L (r ) ,s WSSe asa function of interlayer spacing d. The［口頭発表リスト］(r ),WS2r Uthin(r ), andr L (r ) denote The
where r BLof
the 65th
valence eleclayer spacing
andMaruyama,binding Field-induced
energy of bilayer
Janus modulation[1] M.
structuralfilms,招待講演,
tron densitiesof bilayer 博多.
WSSe, the upper layer, and the lower
e stronglyFullerenes-Nanotubes-Graphenedepend on the stacking orientation
General andSymposium,
9 月 4-6 日(2023)
respectively.
We foundthe charge densityThe
modulation
face atomic
optimum interlayer
spa- layer,[2]arrangement.
M. Maruyama,The
Field-effecton two-dimensional
materials
and their
complexes,招待講演,
establishedby thedipole momentof each Janus WSSes, which reﬂect
van der Waals
radius of thechalcogen23rd theInternational
Conference
on theScience andApplicationof Nanotubes
and Low-Dimensional
midway between upper and lower layers. For the bilayers, are 3.0,Materials,
3.1, and 3.2
Å 4-9
for 日(2023),
the AB-stacking
bilayer
6月
Arcachon(Bordeaux).
[3] 丸山実那,
ヘテロ構造体の電子物性,
第 11 回フラーレン・ナノチューブ・グラフ
with AB-stacking
orientation and Se–Se interface, we founds WSSe with
the S–S, vdW
S–Se,
and Se–Se interface, 招待講演,
ェン若手研究会、8月 30
日（2022）東京都立大学。
ectively; under
their optimum
interlayer
spacing, the a high charge density midway between upper and lower
[4]
丸山実那,
遷移金属カルコゲン化合物ヘテロ構造体の電子物性,
招待講演,
MOS デバイス・メモ
overlap
between wave functions
ulated binding energies are −28, −30, and −31 meV, layers, indicating substantial
リ・パワーデバイス高性能化−材料・プロセス技術（応用物理学会シリコンテクノロジー分科会）,6
ectively. Thus,
the interlayer binding energies are sensi- belonging to constituent layers. Changing the月 interface
21 日（2022）名古屋大学。
o the interface
atomic arrangement but insensitive to the arrangement decreases this high charge density. The bilayere–dipole interaction between the constituent layers. with AB-staking orientation and S–S interface has the lowest
n the bilayer Janus WSSe has stacking misorientation charge density midway between upper and lower layers
ted stacking), the interlayer spacing is wider than that for corresponding to the smallest interlayer binding energy. For
93 − bilayer with twisted orientation, the charge density
AB-stacking bilayer Janus WSSe because of the steric − the(a)ZE2023B-02

二次元ヘテロ構造の高効率創出法の開発
奥田 純平 1、寺西 開知 2、宮内 雄平 2、北浦 良 1
1

物質・材料研究機構ナノアーキテクトニクス材料研究センター
2
京都大学エネルギー理工学研究所

 背景
二次元物質(図 1)を構成要素とする多彩な積層・接合構造（二次元ヘテロ構造）の科学が大きく発展し、そのインパクトは基礎科学にとどまらず、太陽電池などのエネルギー技術への応用に渡る広範なものとなっている。これら広範囲にわたる可能性を拓いていくためには、二次元ヘテロ構造の優れたポテンシャ
ルを最大限に発揮させることが必要不可欠であり、ここで重要な役割を果たすのが、「清浄な積層および接合界面をもつ二次元 図 1 代表的な二次元物質の一つでヘテロ構造を作製し、それを様々なデバイスに組み込む技術」 ある遷移金属ダイカルコゲナイドである。しかしながら、広く用いられている手法は歩留まりが (TMD)の構造極めて悪く、現状では多くの研究で二次元ヘテロ構造およびデバイスの作製過程がボトルネックとなっている。特に、基板によって支えられている二次元ヘテロ構造とは異なり、その架橋構造は作製過程
で壊れやすく、架橋構造ならではの物性探索やデバイス開発において大きな障害となっている。
以上の背景を踏まえ、本研究では二次元ヘテロ構造の作製過程、特に架橋構造の作製法を開発し、ピエゾ素子を組み込んだデバイスと組み合わせることで、ひずみ制御による機能開拓「ストレイントロニクス」への展開を図った。
 実験
本研究で用いたのは、ピエゾ素子と T 型貫通スリット入り基板を組み合わせたデバイスである (図2)。このデバイスでは、ピエゾ素子の伸縮によってスリットに架橋された二次元ヘテロ構造に引っ張りひずみが印加される。スリット幅が約 9 mm であるのに対しピエゾ素子は 0.1 nm の分解能で伸ばすことができるため、原理上は 0.001 %近い精度でひずみ印加が可能である。二次元結晶（MoS2 など）およびスリット入り基板は、粘着性テープを用いた機械的剥離法およびフォトリソグラフィ/ウェ
ットエッチングによってそれぞれ作製した。また、鍵となる二次元ヘテロ構造の架橋構造を作製には、ポリマースタン
プを用いた乾式転写をベースとする方法を適用した。作製したデバイスを用いたひずみ印加の評価は、顕微ラマン分 図 2 本研究で用いたデバイス構造。架橋構造が中央に配置されている。
光および光電流の測定によって行った。
 結果と考察
架橋デバイスの作製における最大の問題は、スリットに架橋した二次元結晶が壊れやすいという点にある。ここで、六方晶窒化ホウ素(hBN)とのヘテロ積層構造を用いることで、たとえ極薄の二次元物質であっても構造が安定化され、架橋構造が作製できると期待される。なお、hBN とのヘテロ積層構−94−

ZE2023B-02
造とすることは、環境効果の低減を通して二次元物質の高品質化にもつながるため、一挙両得である。
もう一つの大きな問題に、二次元ヘテロ構造と基板の接触面積が小さく、溶媒を用いたポリマー除去プロセ
スで基板から剥がれてしまうということがある。この問題は、基板へ金を蒸着することによって基板と二次元ヘテロ構造との相互作用の増強した。なお、蒸着した金は光電流計測の際に電極として利用することができるため、こちらも一挙両得である。このようにして作製した架橋デバイスの光学顕微鏡像を図 3 に示しておく。
作製した架橋ヘテロ構造へのひずみ印加を、ラマン
図 3 スリットに架橋したヘテロ構造の写真
分光測定によって評価した。ラマンスペクトルには、今回用いた MoS2 に特徴的なラマンバンド(A1g モード
および E2g モードなど)が現れた。他のバンドとの重なりが小さな E2g モードに着目して引張に対するラマン
シフトの変化を調べたところ、スリット幅が広がるにつれてラマンモードが低波数シフトすることが確認できた(図 4)。この低波数シフトは、結合長の伸びによってばね定数が小さくなったことに対応しており、本研究で開発した方法がひずみ印加の一手法として機能することを示している。
また、光起電力の測定ではひずみの変化に応じて光電流が増減することが確認できた。詳細はこれから調べる必要があるが、ひずみ印加による対称性の破れが
図 4 E2g ラマンモードのスリット幅依存性励
光起電力の出現に関わっている可能性がある。今後は起波長は 633 nm を用いた。
光起電力とひずみの関係を精密に調べるとともに、本研究で確立した動的ひずみ印加手法をモワレ超格子を含む種々の二次元系に適用し、ひずみに起因する様々な物性開拓を進めていきたい［口頭発表リスト］
Kitaura, Ryo，“2D-materials-based Heterostructures”，参加者概数 100 名, MANA International Symposium
2023, Nov. 9th 2023, Ibaraki, Japan
Kitaura, Ryo，“Modulated Spectroscopy for Probing Excitonic States of 2D Systems”，参加者概数 80 名, 13th
A3 symposium on emerging materials. 2023, Oct. 29th 2023, Korea Univ., Korea
Kitaura, Ryo，“Heterostructures based on Two-dimensional Materials”，参加者概数300名, 65th KVS Summer
Annual Conference and IFFFM 2023, Aug. 22th 2023, Jeju, Korea
Kitaura, Ryo，“Heterostructures based on Two-Dimensional material”，参加者概数350名, THE 23RD
INTERNATIONAL CONFERENCE on the Science and Applications of Nanotubes and Low-Dimensional
Materials, Jun. 6th 2023, Bordeaux, France− 95 −

ZE2023B-03

グラフェンナノリボンを触媒に用いた半導体の表面加工
深見一弘 1，坂口浩司 2
1

2

京都大学大学院工学研究科
京都大学エネルギー理工学研究所

1. 緒言
半導体を用いて太陽エネルギーを化学エネルギーや電気エネルギーに変換するにあたり、半導体材

料の表面加工は必須の技術である。シリコンは半導体の代表的材料であり、その表面加工は工学的に極めて重要な要素技術といえる。近年、金属触媒を用いたシリコンなどの半導体表面の湿式加工が注目を集めている。リソグラフィを用いれば所望の位置に所望の形状の触媒を担持でき、その直下のシリコンを選択的に溶解させること（一種の局部腐食プロセス）で所望の表面加工が可能である。一方、半導体と金属が接合するとショットキー障壁などのエネルギーバンド構造の変調が生じることや、シリコンと合金を作る金属を触媒として用いることで当該金属が不純物として混入することが課題となっている。炭素材料は金属に代わる触媒材料と期待されているものの、貴金属に比べて触媒性能が低く、金属触媒と比べて桁違いにシリコンのエッチング速度が低い。シート状の 2 次元炭素材料では、構造の末端が化学反応に対して高い活性をもつと期待されることから、末端構造の比率の高い炭素材
料は金属に代わる触媒として大いに期待できる。グラフェンナノリボンはエッジ構造を制御して合成することが可能な炭素材料であり、シリコンのエッチングにおける炭素材料の触媒性能について系統的に考察するうえで大変理想的な材料といえる。そこで、本研究では各種グラフェンナノリボンを触媒として用いることでシリコンの湿式加工が可能か、どのようなエッジ構造を設計すればより高速のエッチングが可能か明らかにすることを目的とした。
2. 実験手法
本研究で用いたグラフェンナノリボンは 2Zone-CVD 法によってガラス基板上の Au 薄膜表面上へ合成した[1]。グラフェンナノリボンの合成後、Au 薄膜を化学エッチングすることで基板からグラフェン
ナノリボンを剥離し、シリコンウエハ上へ転写した。本
研究では、アームチェア型エッジ構造をもつ炭素原子 5個分幅からなるグラフェンナノリボン（5-Armchairedged GNR: 5-AGNR）、炭素原子 7 個分幅からなるグラ
フェンナノリボン（7-Armchair-edged GNR: 7-AGNR）、
および入江型のエッジ構造をもつ六員環 3 個分幅からなる（3-Cove-edged GNR: 3-CGNR）を合成し、シリコンエッチングの触媒として用いた。転写するシリコンには水素終端化処理を施した比抵抗 10-20 Ω cm の pSi(100)を用いた。GNR の合成及び Si 基板への転写を確認するために Raman 分光測定を行った。作製した試料を温度 50 ˚C に加熱した[HF] : [H2O2] = 25.9 : 0.19 (molL–1)のエッチング液の蒸気を満たした PFA ジャーに密封して 1 時間の気相エッチングを行った．エッチング−96−

図 1．ラマン散乱スペクトル。上から順にエッ
チングされたシリコン表面、5-AGNR を担持したエッチング前のシリコン表面、5-AGNR を合成した Au 表面、水素終端シリコン表面でのスペクトルを示している。

ZE2023B-03
速度の評価は、シリコンの断面を FE-SEM により観察し、エッチングされた領域の深さから見積もった。
3. 結果と考察
Raman 分光測定の結果を図 1 に示す。金/ガラス基板上へ成膜した物質から GNR に由来する D バンド及び G バンドが観測されたこと、および基板表面の STM 観察においてリボン状の構造体を確認したことから、GNR の合成に成功したと判断した。
次に、転写作業後の Si 基板からも同様のラマン散乱が得られたことから GNR の転写を確認した。5-AGNR を用いて気相エッチングを行った後のシリコン表面を FE-SEM で観察したところ、シリコンが粗面化した箇所が見られ 5-AGNR 由来のラマン散乱シグナルが確認された。図 2 にはエッチング後の断面
FE-SEM 像を示す。グラフェンナノリボンのグレインごとにエッチングレートは異なるが、5-AGNR 被覆部が周囲のシリコンに比べて 4 時間のエッチングで 4.7 µm 程度深いことが明らかとなり、確かに 5-AGNR がシリコンエッチングの触媒として機能していることが分かった。
図 3 には各種グラフェンナノリボンを触媒に用いた場合、ならびに比較対象として従来から触媒に用いられてきた Au 薄膜の場合のエッチングレートをまとめて示す。これまでグラフェ
ンや酸化グラフェンなどの 2 次元炭素材料はシリコンのエッチ

図 2．5-AGNR を触媒に用いてエッチングしたシリコンの断面 FE-SEM像。(a)は 1 時間のエッチング、(b)は4 時間のエッチングを行った試料の観察結果を示す。

ング触媒としては機能し難いことが知られていたが、本研究では、5-AGNR や 3-CGNR は Au に匹敵するエッチングレートを達成できる可能性があることが分かった。
参考文献[1] H. Sakaguchi, et al., Adv. Mater., 26, 4134–4138 (2014)
図 3．各触媒を用いた際のエッチングレート。左から順に、5-AGNR、7-AGNR、
3-CGNR、Au 薄膜の結果を示す。

4. 成果［論文発表リスト］
Hiroshi Sakaguchi, Takahiro Kojima, Yingbo Cheng, Shunpei Nobusue, Kazuhiro Fukami,"Electrochemical on-surface synthesis of strong electron-donating graphene nanoribbon catalyst"
Nat. Commun. (Revision 中)［口頭発表リスト］
グラフェンナノリボンを触媒とするシリコンの気相エッチング, 多田敦哉，小島崇寛，李澤驍，邑瀬邦明，坂口浩司，深見一弘, 第 38 回 ARS 姫路コンファレンス, 2023/11/6（ポスター）− 97 −

ZE2023B-04
ZE2023B-04−98−

ZE2023B-04
ZE2023B-04− 99 −

ZE2023B-05

光エネルギー変換素子の実現に向けた
二次元ヘテロ構造の作製と評価
張文金 1牧野恭敬 1小川朋也 1遠藤尚彦 1中西勇介 1渡邊賢司 2谷口尚 2宮内雄平 2松田一成 2宮田耕充 1
1

2

東京都立大学理学研究科
国立研究開発法人物質材料研究機構
3
京都大学エネルギー理工学研究所

研究背景The use of nanomaterials is attracting a great deal of attention for device applications such as highly efficient energy
conversion. Recently, two-dimensional (2D) heterostructures, which can be created by stacking 2D atomic layers, are quite
attractive because of their tunable physical properties. However, conventional 2D atomic layers are generally prepared using
micrometer-sized flakes by mechanical exfoliation from their bulk crystals, or transferring grown flakes by using solution
assisted or wet etching process of substrate, which severely limits their practical use. In this project, we will use large-areafilms of 2D atomic layers for energy conversion devices based on 2D heterostructures. In particular, large-area monolayersof semiconducting 2D transition metal dichalcogenides (TMDCs) will be grown by chemical vapor deposition (CVD), andthen be stacked by using a customized vacuum transfer system. The optical properties and a scanning transmission microscope(STEM) analysis were used to evaluate the quality of fabricated heterostructures

実験方法
Sample preparation: TMDC monolayers, including MoS2, WS2, WSe2, and MoSe2, were grown on SiO2/Si (SiO2 thickness:
285 nm) substrates by CVD. Thin flakes of hBN were prepared on SiO 2/Si substrates by mechanical exfoliation from bulk
hBN.
Transfer process: The transfer of TMDC samples was performed through the polymer-assisted lifting and peeling processusing acrylic resin stamps. First, a dome-shaped stamp of acrylic resin with a size of 1 mm was made on glass slide. The glass
slide and the SiO2/Si substrate were fixed in a lab-made transfer system with xyz stages, a hot plate, and an optical microscope(Figure 2a). The TMDC samples or exfoliated hBN on SiO2/Si substrates was gradually lifted and stacked with the stamp. To
peel the sample from the stamp, the stamp was placed on a target substrate at room temperature and melted at 185 ºC. Finally,
the acrylic resin on the substrate was washed away with chloroform.
Characterizations: Optical images were recorded with an optical microscope (Nikon, ECLIPSE-LV100D). PL spectra were
measured by a micro spectrometer (Renishaw, inVia) with an excitation laser operating at 532 nm.

結果と考察
Figures 1a and 1b show the optical and PL images of hBN-encapsulated MoS2/MoSe2 heterostructure on an SiO2/Si substrate,
respectively. In Figure 1b, bright PL can be observed from small triangles of monolayer MoSe 2 around the larger grain ofmonolayer MoS2. Furthermore, the dark small triangles within monolayer MoS2 single crystal correspond to MoS2/MoSe2
heterobilayes with various twist angles. The weak PL signal in stacked area is mainly from the charge and energy transfer
induced PL quenching of A excitons of MoS2 and MoSe2. Figure 4c shows the PL spectra of these twisted heterobilayes

ϭͬϮ

−100−

ZE2023B-05
measured at room temperature. Here, clear peaks derived from interlayer excitons were observed at 1.35 eV for theheterobilayers with a smaller (or larger) twist angles of 3, 5 and 60 degree. These peaks can be assigned to interlayer excitons.
In contrast, such peaks can be hardly detected for the other intermediate twist angles. This indicates a crystal orientationinduced variation in interlayer coupling strength. These findings provide a basis for fabrication of high quality vdWheterostructures which can be used for the future optical energy conversion and energy saving devices. 1Figure 1. PL properties of MoS2/MoSe2 heterobilayers with various twist angles. (a) Optical images of hBN encapsulated
MoS2/MoSe2 heterobilayers. (b) PL intensity image (smaller white triangles are 1L MoSe 2 and larger triangle is 1L MoS2, thedark triangles within MoS2 are twisted area). Scale bars are 10 μm. (c) Room-temperature PL spectra of twisted area withvarious twist angle. The dashed line indicates the trend of interlayer exciton peak.

発表リスト
>学会発表リスト@
(1) W. Zhang, Z. Liu, H. Nakajo, S. Aoki, H. Wan, Y. Wang, Y. Gao, M. Maruyama, T. Kawakami, Y. Makino, M. Kaneda,
T. Chen, K. Aso, T. Ogawa, T. Endo, Y. Nakanishi, K. Watanabe, T. Taniguchi, Y. Oshima, Y. Yamada-Takamura, M.
Koshino, S. Okada, K. Matsuda, T. Kato, and Y. Miyata, “Chemically-tailored semiconductor moiré superlattices”, JSAPOSA, 2023.9, Kumamoto.
(1) W. Zhang, Y. Makino, T. Ogawa, T. Endo, Y. Nakanishi, K. Watanabe, T. Taniguchi, Y. Miyauchi, K. Matsuda, Y.
Miyata, “Fabrication and characterization of two-dimensional heterostructures for energy conversion applications”. IAE,
Kyoto University, 2023. (Poster).

>論文発表リスト@*corresponding author

(1) H. Naito, Y. Makino, W. Zhang*, T. Ogawa, T. Endo, T. Sannomiya, M. Kaneda, K. Hashimoto, H. E. Lim, Y. Nakanishi,
K. Watanabe, T. Taniguchi, K. Matsuda, Y. Miyata*. High-Throughput Dry Transfer and Excitonic Properties of Twisted
Bilayers Based on CVD-Grown Transition Metal Dichalcogenides. Nanoscale Adv. 2023, 5, 5115–5121.
(2) W. Zhang*, Z. Liu, H. Nakajo, S. Aoki, H. Wan, Y. Wang, Y. Gao, M. Maruyama, T. Kawakami, Y. Makino, M. Kaneda,
T. Chen, K. Aso, T. Ogawa, T. Endo, Y. Nakanishi, K. Watanabe, T. Taniguchi, Y. Oshima, Y. Yamada-Takamura, M.
Koshino, S. Okada, K. Matsuda, T. Kato*, and Y. Miyata*, “Chemically-tailored semiconductor moiré superlattice of Janus
heterobilayers”, Under revision.

ϮͬϮ− 101 −

ZE2023B-06

細胞内エネルギー代謝に関係するタンパク質の
細胞内動態観察を可能とする基盤技術の創生
佐藤慎一 1，藤 浩平 1，中田栄司２，森井 孝２
１

京都大学化学研究所
京都大学エネルギー理工学研究所

２【研究背景と目的】
細胞は、核酸やタンパク質などの機能性生体分子の時空間的な発現量を絶妙に調整することで恒常性を保っている。それら生体分子の時空間的な動態や濃度変化を視覚的に捉えることができれば、複雑な生命現象を解明する上で大きな知見を得ることができる。細胞生物学研究において、これまでにも様々な生体分子のイメージング法が利用されてきた。しかし、生細胞内の生体分子の動的・空間的な制御機構の大部分は未だ謎に包まれている。その一因は、細胞自身が生産する内在性の生体分子を天然のままで観察・解析するためのツールが少ないなど技術面の難しさにあった。誰もが簡便かつ合目的に利用可能な研究ツー
ルの開発が課題であろう。本研究提案では、高い分子認識能を付加できる RNA の性質に着目し、細胞自身が生産する内在性タンパク質を生細胞内観察する方法の開図１．蛍光化合物プローブと RNA アプタマーを利用した発を目的とする。

RNA 蛍光標識法

これまでに申請者は、種々の蛍光波長で標的 RNA を検出可能な小分子蛍光プローブの開発を行ってきた [Chem. Commun. 2011]。このアプローチでは、まず、蛍光クエンチャーBHQ1 分子に親和性を有する RNA アプタマーを選出する。この RNA アプタマーは、BHQ1 により消光されている「蛍光基－BHQ1 プローブ」の BHQ1 部分に結合し、BHQ1 のクエンチャーとしての機能を無効化することで、プローブの蛍光を回復させる。BHQ1 は幅広い波長領域の蛍光を消光する性質を持つため、様々な「色」の蛍光で標的 RNA アプタマーを蛍光標識することが可能となった（図１）。
また申請者は、
この RNA
標識法を哺乳動物細胞内で任意の mRNA を観察可能 な 方 法 へ と 改 良 し た [ACIE 2015, Chem.
Commun. 2018]（図２）。本研究では、BHQ1 認識
RNA アプタマーにタンパク質認識能を付与することで、生細胞内における内在性タンパク質検出法

図２．HeLa 生細胞内 mRNA の顆粒形成過程の可視化（Chem. Commun. 2018）の開発を目指した。

−102−

ZE2023B-06【方法と実験結果】
内在性タンパク質イメージング法の開発：：内RNA 標的アプタマーは、BHQ1 認識ループと相補鎖形成を利用して選択的に標的 RNA を捕らえるア ーム配列からなる。そのアーム配列をタンパク質を認識するアプタ
マーに置きかえることで、標的タンパク質存在下でのみ
BHQ1 認識ループが安定化し、 BHQ1 プローブを捕えることができるようなタンパク質標的アプタマーになると予想できる（図３）。
申請者は、RNA 標的アプタマーのアーム領域にランダムな配列を組み込んだ RNA ライブラリーを作製し、βアクチンタンパク質に対する In vitro selection を行った。In vitro selection において、βアクチンタンパ
ク質に結合する RNA アプタマーの溶出は、抗βアクチン抗体を利用した。得られた RNAアプタマーの配列は、共同利用機器 DNA シーケンサーにより確認した。

図３．BHQ1 アプタマーによるタンパク質標識 (a)BHQ1 認識ループとタンパク質認識アームの配置(b)標的タンパク質の検出モデル (c) in vitro 実験におけるアクチンタンパク質蛍光ラベル (d) 固定細胞でのアクチンタンパク質染色 （Nucleic Acids
Res., 2021）

プローブ結合性 RNA アプタマーによる生細胞内タンパク質イメージング：：プ
生細胞内タンパク質検出には、BHQ1 クエンチャーと Cy3 をコンジュゲートしたプローブを利用した（図３）。蛍光プローブは合成後、HPLC で精製し、共同利用機器 MALDI-TOF マスによって分子量を測定した。生細胞内のβアクチンタンパク質を本手法で観察するために、in vitro selection により得られた RNA アプタマーを、shRNA 発現ベクターである pSuper に組み込み、ヒト HeLa 細胞に形質導入することで細胞内に強発現した。次に、RNA アプタマーを発現した HeLa 細胞を蛍光プローブで処理し、βアクチンタンパク質の観察を行った。その結果、生細胞内においてタンパク質認識アプタマーを発現している細胞で、固定細胞で観察されたもの（図３ｄ）と同様の強い蛍光シグナルを観察することに成功した。その成果は、国際的学術論文に報告した。
：細細胞内局在を大きく変化させることが知られるタンパク質のイメージングへの適用を検討：
申請者は、方法の有効性を確認するため、細胞膜上からサイトゾルへ移行する KRAS タンパク質を標的としたイメージングを試みる。KRAS タンパク質に結合する RNA アプタマーを In vitro selection による取得し、KRAS タンパ
ク質の生細胞内観察を目指した。In vitro selection には抗βKRAS 抗体を利用した。得られた RNA アプタマーの配列
は、共同利用機器 DNA シーケンサーにより確認した。得られた KRAS 結合 RNA アプタマーを利用して、試験管内で KRAS タンパク質を蛍光標識できることを確認した。今後、これまでに確立している生細胞内のβアクチンタンパ
ク質の観察条件を基に、KRASタンパク質の生細胞内動態観察を試みる予定である。
［論文発表リスト]
1.
Katsuda, Y., Kamura, T., Kida, T., Saeki, T., Itsuki, Y., Kato, Y., Nakamura, T., Nishida, M., Kitamura, Y., Ihara, T.,
Hagihara, M., Sato, S., In Vivo mRNA Hacking with Staple Oligomers Prevents Myocardial Hypertrophy, Posted to bioRxiv,
2023.04.18.537290.
2.
Toh, K., Nishio, K., Nakagawa, R., Egoshi, S., Abo, M., Perron, A., Sato, S., Okumura, N., Koizumi, N., Dodo, K.,
Sodeoka, M., Uesugi, M., Chemoproteomic Identification of Blue-Light-Damaged Proteins, J. Am. Chem. Soc., 144(44), 20171–
20176, 2022
［受賞、プレス発表等］
該当なし「口頭発表リスト」
1. 佐藤 慎一, 生細胞内でRNA を操る（招待講演），愛知，日本，名古屋大学，日本核酸医薬学会 第8 回年会，2023
年 7 月12 日− 103 −

ZE2023B-07

ゼロエミッションエネルギー社会に貢献する高機能性新素材としての分子修飾カーボンナノチューブの開発
白木智丈 1,2，佐伯颯斗 1，齊藤里桜江 1，島一樹 1，西中間洋紀 1，西原大志 3，宮内雄平 312

九州大学大学院工学研究院応用化学部門
九州大学カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所（I2CNER）
3
京都大学エネルギー理工学研究所

1. 緒言
炭素原子のみで構成されるカーボンナノチューブ（CNT）は、CO2 の炭素固定先として有望なナノ炭素物質である。CNT は優れた機械的強度、熱や電子の高い伝導性、特異な光学物性を有している。近年、有機化学的に分子を化学修飾した単層 CNT が 1000 nm 以上の波長域に発光効率が向上した近赤外発光（フォトルミネッセンス：PL）を示すことがわかってきた[1]。すなわち、ナノ材料への分子修飾が飛躍的な機能の向上や全く新しい物性発現を行うためのツールとなることが明らかにされつつある。
この分子修飾の作用機構は、sp2 混成の炭素からなる単層 CNT の半導体構造体中において、分子が結合した炭素が sp3 型となることを利用して、部分的な構造欠陥の導入を行っている。この欠陥ドープ
により、電子構造の変化（低バンドギャップ化）と励起子トラップ（励起子の局在化により PL への効
率的な変換を実現）の機能が得られる。つまり、分子修飾が局所的な電子構造変化を誘起することで、励起子をチューブの特定の場所（修飾位置）にとらえ、有効活用するための技術をもたらす。よって、分子修飾は単層 CNT への分子機能の複合化だけでなく、欠陥導入による電子構造の変化や励起子の挙動制御が行えるなど、CNT の有用性を飛躍的に高めるポテンシャルを有している。
本研究では、様々な分子を修飾した CNT の合成とそのナノ物性評価を行うアプローチから、欠陥ドープ作用のメカニズム解明および励起子の超有効利用を実現可能な修飾 CNT 開発することを目的とする。ここでは特に、修飾 CNT の基礎物性評価ならびに新たな応用展開の開拓を目指し、生体透過性の高い第二近赤外光領域（1000〜1700 nm）の低エネルギー光子による超解像生体イメージング応用などの可能性を有する二光子励起に基づく修飾 CNT の発光特性評価を行った結果について報告する。

PL intensity / a.u.

2. 実験
市販の CNT 粉末（本報告書では CoMoCAT 製の(6, 5)カイラリティーリッチの単層 CNT を用いた結果を示す）を、界面活性剤を溶解させた重水中で超音波照射することで分散させ、超遠心分離後に上澄み（約 80%）を回収することにより、CNT を孤立分散させた CNT 溶液を得た。修飾分子の合成は、種々のアニリン誘導体を合成し、ジアゾ化反応を行うことで CNT を化学修飾するための修飾分子であるアリールジアゾニウム塩を合成した。修飾 CNT の合成は、CNT溶液と合成したアリールジアゾニウム塩を混合し、暗所下で静置することで行った。修飾 CNT のフォトルミネッセンス（PL）測定を行った後（ここまで九州大学で実施）、京都大学にて二光子励起発光特性評価を行った。二光子励起にはフェムト秒レーザーの出力を光パラメトリック増幅器により波長変換した近赤外超短パルス光（パルス幅~200 fs, 繰返し周波数 200 kHz）を利用し、検出には液体窒素冷却 InGaAs フォトダイオードアレイ検出器を用いた。
3. 結果と考察
図 1 に合成した修飾 CNT（ここでは代表例として、パラメチル
アリール基修飾のサンプル）の PL スペクトルを示す。ここでは、−104−

900 1000 1100 1200 1300 1400
Wavelength / nm

図 1 修飾 CNT の PL スペクトル（励起波長：570 nm）。

ZE2023B-07
981 nm と 1130 nm にピークが観測された。これらは、それぞれ(6, 5)カイラリティーの修飾 CNT が示
す未修飾部位の最低エネルギー遷移に由来する E11 PL と修飾（＝欠陥ドープ）部位が示す欠陥 PL（E11*PL）に帰属される[2]。以上により観測された E11* PL を対象として、二光子励起実験を行った。修飾
CNT を 1580 nm の光で励起した際に得られた二光子励起発光スペクトル（図 2a）において、1130 nm
付近にピークが観測され、その波長域が E11* PL と一致することがわかった。また、図 2b に示すように、二光子励起の励起光強度を変化させた際に検出された発光強度をプロットしたところ、概ね励起強度の二乗に比例する関係が得られた。以上の結果より、今回観測された発光は二光子励起により生じた E11* PL であると考え (a)(b)
られる。さらに、二光子励起（PLE）スペクトル測定から、E11 の Rydberg 励起子
準位の二光子励起を介して本発光が生じる挙動も観測された。この結果か
ら、修飾 CNT の二光子励起で生じた励起子が、チューブ中を拡散する過程で修飾サイトにトラップさ
1200
れて E11* PL が生じるプロセスが起きるうることが図 2 修飾 CNT の (a) 二光子励起発光スペクトル（励起波長：1158 nm）と示唆された。
(b) 観測された発光強度の励起光強度依存性。(a) 中のスペクトル線の色の違
いは(b)に示す励起光強度の違いに対応（赤：低強度→青：高強度）。

4. 結言
本実験により、修飾 CNT の二光子励起によって E11* PL が生じる挙動を観測することに成功した。
この知見から、
修飾 CNT の二光子発光材料としての新たな応用展開の可能性が開拓されただけでなく、修飾 CNT を使った近赤外顕微システム構築や低エネルギー光の有効活用技術の開発などにより、ゼロ
エミッションエネルギー社会の実現に貢献することが期待される。
5 . 参 考文 献
[1] T. Shiraki, Y. Miyauchi, K. Matsuda, N. Nakashima, Acc. Chem. Res. 2020, 53, 1846. DOI:
10.1021/acs.accounts.0c00294[2] B. Yu, S. Naka, H. Aoki, K. Kato, D. Yamashita, S. Fujii, Y. K. Kato, T. Fujigaya, T. Shiraki, ACS Nano 2022,
16, 21452. DOI: 10.1021/acsnano.2c09897
6 . 発 表リ ス ト［口頭発表リスト］（1）T. Shiraki, Y. Niidome, T. Fujigaya，“Microenvironment Responsiveness of Defect Photoluminescence ofLocally Functionalized Single-Walled Carbon Nanotubes and Its Sensing Applications”，564 人，243rd ECS
Meeting，2023 年 6 月 1 日，ボストン（アメリカ合衆国）（2）白木智丈，“単層カーボンナノチューブの表面修飾による近赤外蛍光特性変調 とバイオセンシン
グ応用への展開”，第 13 回ナノカーボンバイオサテライト，2023 年 9 月 2 日，九州大学西新プラザ（福岡）（3）白木智丈、余博達、島一樹、藤ヶ谷 剛彦，“オルト置換基構造の異なるアリール基修飾を利用した分子修飾カーボンナノチューブの近赤外発光特性変調”，第 72 回高分子討論会，2023 年 9 月 28 日，
香川大学幸町キャンパス（香川）（4）白木智丈，“カーボンナノチューブ上の有機ものづくり戦略”，第 13 回 CSJ 化学フェスタ 2023，
2023 年 10 月 19 日，タワーホール船橋（千葉）− 105 −

ZE2023B-08

レーザーパルスの最適制御による光化学反応の高効率化
大槻幸義 1，中嶋 隆 2
1

2

東北大学大学院理学研究科
京都大学エネルギー理工学研究所

1. 序
光子試薬・光子触媒を用いることができれば，物質を用いずに光化学反応を高効率化できる。これを目標に，量子最適制御理論に基づき最適なレーザーパルスの数値設計および最適な制御機構の解明を進めてきた。具体的には (i)非共鳴光を用いる場合，実際に吸収・消費されるのは分子振動・回転の励起に対応する非常に小さな光子エネルギーのみである。すなわち化学反応に伴う原子核の再配置を直接制御でき，エネルギー効率が高い。一方，(ii)近年の AI 技術の進歩により機械学習が実験・理論いずれにおいても盛んに利用されており，ゼロエミッションエネルギーへの効果的な応用も期待される。
また，(iii) 応用は限定的であるが小型の量子コンピュータが商品化され，量子化学計算での利用も視野に入りつつある。量子誤り訂正も組み込めるまでに量子ビット数を増やすことができれば，極めて小さなエネルギーで大規模な量子化学計算が可能となることから，化学反応の高効率化に大きく寄与すると期待されている。そのため，量子コヒーレンスを壊してしまうデコヒーレンスの抑制法の開発が急務となっている。本年度は以上の３つの目標の下，以下に説明する具体的な課題を通して共同研究を進めた。
2. 非共鳴ラマン遷移を使った分子振動状態の最適制御 [1]分子の原子核の運動は振動波動関数で記述される。したがって，安定な原子核の配置（定常状態の反応物）から別の安定な原子核の配置（定常状態の生成物）へ，非定常状態を経由する過程と化学反応を捉えることができる。このような観点からは，光化学反応の制御とは，光を用いて複素確率振幅
を高確率で制御すること考えられる。序で説明したように，非共鳴パルスを使えればエネルギー効率を向上できる。一方，非共鳴パルスを用いた場合，分子波動関数と光との振動数の大きなずれのため，（サイクル平均により）光振動数や振動数成分間の相対位相などは制御に使えない。このことから，
非共鳴パルスがどの程度，分子波動関数すなわち複素確率振幅を制御できるのかが疑問となる。複素
確率振幅は絶対値（分布）と相対位相から成ることから，本研究ではヨウ素分子の電子励起 B 状態の振動波束を場合研究とし，3 つの基本制御目的すなわち①選択的な分布遷移（確率振幅の絶対値のみの制御），②波束整形（絶対値と相対位相の同時制御）③波束変形の抑制（絶対値は一定に保ちつつ相対位相のみを制御）の制御を考えた。
結果，強度や遅延時間を（パルス間隔）を調整したパルス列を使えば，いずれの制御目的も高確率で実現できることを明らかにできた。具体的には，①に対しては，フーリエ成分が目的の分布遷移のラマン遷移振動数に一致するように，等間隔のパルス列を照射することが直観的な制御法である。ただし，十分な振動数分解を得るためには長い制御時間を要する。我々は最適制御シミュレーションを使い，直観的な制御法から予想される時間よりも 5 分の 1 程度の時間でほぼ 100％の分布性が達成できることを明らかにした。ただし，制御時間が短くなると制御に要するパルスフルエンスは徐々に大きくなる。これは，多準位系における量子干渉を積極的に利用するために，ラマン共鳴条件からずれた−106−

ZE2023B-08
振動数成分を活用するためである。②において，複数の準位に目的の分布を遷移させるため，ラマン
共鳴条件を満たさない短時間でのみパルス列が現れる。一方，相対位相は振動ポテンシャル上の振動波束の自由時間発展を利用して調整される。後者の位相制御法は共鳴パルスを用いた時の波束整形制
御と同じ機構である。最も非直観的かつ難しい制御③に対しては，ほぼ正確に等間隔であるパルス列を照射中は波束の変形を抑制できることを示した。ただし，この制御法が有効であるには，振動波束には制限がある。すなわち，振動の１周期の間であるならば，ある程度形を保たれる波束に限られる。
解釈としては，非共鳴（分極）相互作用は振動座標に依存しており，振動波束が空間的に広がってし
まうと，各空間部分に異なる力が作用してしまうためである。本研究は場合研究ではあるものの，①～③を通して，非共鳴パルスは共鳴パルスとほぼ同程度に量子制御可能であることを示している。
3. 機械学習を用いた光化学およびレーザー加工への応用 [2, 3]
光化学において重要な「分子の向き」のレーザー誘起の制御法を予測するため，畳み込みニューラ
ルネットワークに基づき機械学習モデルを開発した。剛体で近似すると一般の分子は非対称コマで表され，形から扁平・扁長に分類される。本研究では扁長分子の回転波束すなわち時間に依存した複素振幅の制御を，達成度の俯瞰図（ランドスケープ図とよぶ）を予測することを示すことができた[2]。
共同研究者の中嶋隆先生のグループは昨年，アブレーション支援近赤外ナノ秒レーザー加工とレー
ザークリーニングの組み合わせによる完全乾式法による光拡散板の作製法を提案した[3]。ただし，もくてきに即した加工パラメータを決めるのは非常に煩雑である。現在，共同研究を通して加工パラメーターのスクリーニングを目的に，機械学習モデルの開発を進めている。準備評価として，光拡散板を透過した光のビームプロファイルを予測した。加工パラメーターには，レーザーパルス強度（Power）・
アブレーション用の 金属基板とガラス基板との距
離・加工回数・加工速度の 4 つがあり，機械学習モデ
ルに入力する。CNN モデルは，ビームプロファイルの予測と実測のピクセル値の平均二乗誤差（MSE）が最小になるように訓練される。画像中の各ピクセル値
図 1 (a) 実験から得られたビームプロファイ
ルと(b) CNN モデルにより予測されたビームプ
は 0.0－1.0 の範囲で 256 分割して表した。
ロファイル
結果の１例を図 1 に示す。ここでの MSE（平均二乗誤差）は 3.0×10-4 であった。CNN モデルはビームプロファイルの特徴をよく再現しており，現在，訓練データ数を増やし，加工パラメーターの任意の値から正しくビームプロファイルを予測できるようにモデルを拡張している。
4. デコヒーレンスに対してロバストな量子ゲートの開発
昨年度，単一量子ビットモデル系を用いて，デコヒーレンス抑制のための最適なパルスを準備評価
した[4]。本年度はそれを拡張しダイヤモンド窒素-空孔中心の電子スピンおよび 13C 核スピンに適用した。両スピンを量子ビットとし，水素分子の full-CI/STO-3G（6-31G）を行う量子アルゴリズムの実装
を量子最適制御法によりシミュレーションした。デコヒーレンスが存在しない理想系ではほぼ 100％の高精度でアルゴリズムを実現できたが，積極的にデコヒーレンスを抑制するには至っていない。この
課題の克服に向けて現在，超高精度（99.999999%）を実現する量子最適化法の開発に取り組んでいる。
5. 参考文献[1] R. Ishii, T. Namba, H. Katsuki, K. Ohmori, and Y. Ohtsuki, arXiv:2310.16440 (2023).
[2] T. Namba and Y. Ohtsuki, to be submitted (2024).
[3] W. Rong, K. Ando, and T. Nakajima, Opt. Lasers. Eng. 167, 107621 (2023).
[4] Y. Ohtsuki, S. Mikami, T. Ajikii, and D. J. Tannor, J. Chin. Chem. Soc. 70, 328 (2023).

− 107 −

ZE2023B-09

自由電子レーザー発振中におけるコヒーレントエッジ放射の時間発展の研究
清 紀弘 1，全 炳俊 2，大垣 英明 21

産業技術総合研究所計量標準総合センター分析計測標準研究部門
2
京都大学エネルギー理工学研究所

 研究目的
相対論的電子ビームから効率よくエネルギーを抽出できる自由電子レーザー（FEL）の発振技術開発に貢献するため、産業技術総合研究所は京都大学エネルギー理工学研究所と共同し、FEL 施設 KU-FEL
にて、テラヘルツ帯コヒーレント放射源の開発とそれを利用した電子ビーム計測技術の研究を推進している。コヒーレント放射には電子バンチの運動方向の電子密度情報が含まれており、この放射のスペクトルを観測することで電子密度分布を評価することができる。これまでにアンジュレータ上流の偏向磁石から射出されるコヒーレントシンクロトロン放射の観測を行い、電子バンチ長評価技術を確立した[1]。さらに既存の光共振器内に、FEL とコヒーレントエッジ放射（CER）とを分離する中空平面鏡を挿入することで FEL 発振中の CER を観測することに成功し、FEL 発振によって電子バンチが伸縮することを明らかにしている[2]。
KU-FEL のような共振器型 FEL では、電子ビームマクロパルスの中で FEL ミクロパルス出力が著しく変化するため、電子バンチ長も FEL と共に変化していると考えられる。しかしながら、これまで使用していた中空平面鏡は既存真空容器の容量に制約されて小さかったため[2]、CER の取り出し効率が低くて CER スペクトルのマクロパルス内時間発展を計測することができなかった。そこで今年度は、観測可能な CER 出力の増大を目指して、中空平面鏡を含めた CER 抽出システムの改良を実施した。
 コヒーレントエッジ放射観測系の整備
コヒーレント放射は真空容器にて反射すると位相が反転するため、反射した成分を電子バンチ計測に利用することは不適切である。従って、FEL 相互作用による電子バンチ形状変化の時間発展を計測するためには、真空容器に衝突しない CER の直接成分を広い立体角で観測する必要がある。そこで、
下流偏向磁石の真空容器と FEL 用共振器ミラーの真空容器との間の輸送管を ICF70 規格から ICF114
規格へ拡張すると共に、CER 取り出し用の中空平面鏡をより大きくする更新を実施した。図 1 が示すように新たな中空平面鏡は二つの楕円形の孔が開いたアルミニウム製平板であり、一軸導入器によってその位置を遠隔制御できる。FEL 光軸に対して水平面内にて 45 度傾けて配置されており、FEL が通過する中空部分は FEL 光軸に対して円形になり、それらの有効直径は 15 mm および 21 mm である。
30

Intensity[nW/mm2]0.76

203.650E-15

Vertical [mm]3.194E-15

102.738E-15

2.281E-1500.381.825E-15

1.369E-15-109.125E-16-20

4.562E-16

0

0.000

-30
-30



-20

-10

0

10

20

30

Horizontal [mm]

図 &(5 ビーム強度の  次元空間分布。

図 新中空平面鏡の断面図。

−108−



ZE2023B-09
電子エネルギー40 MeV、平均電流 0.67 A の電子ビームが発生する周波数 0.3 THz の CER について計算した、中空平面鏡の位置における 2 次元空間分布を図 2 に示す。この図において外側および内側の四角形はそれぞれ新旧の中空平面鏡の輪郭を表しており、円形の点線は FEL が通過する孔（直径 15mm）の輪郭を表している。新しい中空平面鏡は従来よりも約 5 倍の出力の CER ビームを反射して FEL
共振器から取り出すことが可能である。反射された CER ビームは z カット結晶石英窓を透過して大気中に輸送され、スペクトル測定に利用される。CER ビーム出力が増大することで、広範な帯域において CER ミクロパルスの時間発展を計測できることが期待できる。

1.0

0.8

Transmission

 予備実験
中空平面鏡を設置する前に、既存の干渉計を利用して本研究の実験に使用する z カット結晶石英窓（Torr Scientific 社：BVPZ64NQZ）の透過スペクトルを測定した。この真空窓の有効直径は 60 mm、厚さは 4 mm である。予備実験に使用した電子ビームの電子エネルギーは 27.1 MeV と低いためにバンチ長が比較的長く、透過率測定に有効な周波数領域は 0.1～1.0
THz であった。測定した真空窓の透過スペクトルである図 3 が示すように、サブテラヘルツ領域において透過率はほぼ一定の 0.8 であり、文献値と一致していた[3]。サブテラヘルツ帯における結晶石英の屈折率が 2.15 であることを考慮すると、真空窓の表面及び裏面による反射が 20%ほどあるので、真空窓における吸収は無視して良いことが確認できた。

0.6

0.4

0.2

0.0

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Frequency [THz]図  ] カット結晶石英窓の透過スペクトル。

 まとめFEL 発振中の CER スペクトルを観測して電子バンチの時間発展を評価するため、FEL 共振器からCER ビームを取り出す抽出システムを改良した。CER ビームを大気へ抽出するための z カット結晶石
英窓は、CER をほとんど吸収しないことを確認した。新しく設置した中空平面鏡は、真空容器に反射することなく FEL 共振器から取り出す CER ビーム出力を従来の約 5 倍増大することが期待できる。
来年度は広い帯域において、CER ミクロパルスの時間発展を計測することができるであろう。
参考文献

1. N. Sei, H. Zen and H. Ohgaki, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 832 (2016) 208.
2. N. Sei, H. Zen and H. Ohgaki, Phys. Scr. 98 (2023) 025510.
3. D. Grischkowsky et al., J. Opt. Soc. Am. B 7 (1990) 2006.

発表リスト
>論文発表リスト@
・ 清 紀弘、「線形加速器施設における共振器型自由電子レーザーが誘起する電子バンチ変形の観測」、
放射光 37 No.3 (2024) 印刷中. >口頭発表リスト］・ 清 紀弘、早川 恭史、境 武志、早川建、田中 俊成、住友 洋介、大垣 英明、全 炳俊、「自由電子
レーザー相互作用観測のためのコヒーレントエッジ放射光源の開発」、日本物理学会第 78 回年次大会、2023/9/17．
・ 清 紀弘、大垣 英明、全 炳俊、早川 恭史、境 武志、高橋 由美子、早川 建、田中 俊成、「電子バ
ンチ観測のためのコヒーレントエッジ放射測定システムの改良」、第 37 回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム、2024/1/12（ポスター発表）

− 109 −

ZE2023B-10

低水素濃度条件で高増殖能をもつ水素酸化細菌株の開発
相澤康則 1，山崎翔太 1，森井孝 2
12

東京工業大学生命理工学院
京都大学エネルギー理工学研究所【目的】
水素酸化細菌は、水素の還元力を使って二酸化炭素を固定化できる独立栄養培養が可能な特殊環境
微生物の一種である。そのため同微生物の代謝ネットワークを様々に改変することで、糖成分を加えずに、水素と二酸化炭素のガスを使った培養だけで種々の物質を生産できるポテンシャルがあることから、カーボンリサイクル社会実現に向けて現在注目されている微生物である。しかし、高い水素濃度条件下での培養においてのみ水素酸化細菌の増殖や物質生産能は高いものの、それを実現するためには高水素濃度での培養な可能な安全で大規模な培養施設が必要になってしまうという大きな課題を抱えている。理想的には低水素濃度での培養で、高水素濃度培養の時と同様の高い増殖能と代謝能を発揮できるような株を作成できれば望ましい。
我々はこれまでに、水素酸化細菌の中でも最も研究されている種のひとつである Cupriavidus necator
H16（以下、CnH16 株）を対象に、高水素濃度（80%）と低水素濃度（4%）での培養において細胞増殖に必須な遺伝子群を同定することに成功している（論文準備中）。そこで本申請研究では、この必須遺伝子データを元に代謝ネットワークを改変するためにゲノム遺伝子改変を施し、低水素条件下でも増殖能の高い CnH16 株の変異体を作製することを目的に研究を実施した。この株作成に成功すれば、この変異株にさらに様々な酵素遺伝子を導入することで、多種多様な物質生産を二酸化炭素と水素から合成する技術プラットフォームが手に入ることになる。
【方法と結果】
我々の仮説では、高水素濃度条件のみで高発現している遺伝子群を CnH16 株のゲノム内で強制的に発現させることで、低水素濃度条件でも増殖が早くなると考えている。我々はすでに、高水素濃度条件
のみ発現量が高い遺伝子群を上述の発現解析データからすでに同定している。それら遺伝子の中でも水素を細胞内に取り込むことが知られている３遺伝子と、二酸化炭素の固定に中心的な役割を果たしている９遺伝子が含まれていたため、本研究では、これら遺伝子を誘導型プロモーターで転写発現するかたちでゲノム上に組み込んだ株の作製を試みた。具体的には、CnH16 株ゲノム DNA を鋳型に各ORF をクローニングしたあと、誘導型プロモーターとターミネーターの間にサブクローニングした。
その後、CnH16 のゲノム上にすでに導入していた Landing Pad 配列上にこれら遺伝子カセットを相同組み換えでゲノム挿入した。現時点では、12 種類の全て遺伝子の挿入株が完成していることを、各株のゲノムに対するシークエンシングによって確認できている。

−110−

ZE2023B-10【考察と今後の展望】
Landing Pad 配列をあらかじめゲノム挿入していた CnH16 株を本研究前に作製していたため、非常に効率よく 12 種類の挿入株を得ることができた。今後は、得られた挿入株をアラビノース存在下かつ低水素濃度条件下で培養し、細胞分裂速度の測定や、CnH16 が元々生産する生分解性プラスティック PHBの生産量測定を行い、遺伝子挿入によってこれら細胞表現型が変化するかどうかを評価する予定である。
現時点では、一度に１種類の遺伝子のみを挿入してその影響を調べる計画であるが、それで期待する表現型が観察されない場合は、12 種類の遺伝子すべてを同時に細胞に導入することも視野に入れている。当研究室ではこれまで、150 万塩基対もの出芽酵母染色体の全合成の経験があることから、12 種類の遺伝子を搭載させた長鎖 DNA 合成も実施可能である。
【発表歴】
なし。

− 111 −

ZE2023B-11

Rooftop PV Hosting Capacity in AC Low Voltage Distribution
Systems: Future Perspective in Cambodia
Vannak Vai 1，Hideaki Ohgaki 2
1

Department of Electrical and Energy Engineering, Institute of Technology of Cambodia
2
Institute of Advanced Energy, Kyoto University

1. Introduction
The carbon neutral energy transition changes rapidly with trends of decentralization and electrification withrenewable energy sources which will signify a huge change in the traditional way of providing electricity withrenewable energy into low voltage (LV) grids. The rooftop PV connected to LV grids is more attractive. However,despite its benefits, the problem of voltage and current beyond limits may rise. In Cambodia, rooftop PVs can beconnected to the grid, but with the regulation of capacity and electricity excess. In rural areas, most of the mainline
with 3-ph systems are built practically to deliver energy to 1-ph consumers, causing unbalanced current and power
loss increase. Therefore, the proposed tariff metering schemes with the optimal LV grid-connected rooftop PV
hosting capacity issues for electrification in Cambodia are considered in this paper. This work proposes a technoeconomic analysis of the rooftop PV penetration at households integrated into the LV grid with different tariff
metering schemes (i.e., no sellback price and with sellback price) between electricity producers and distributors
for future LVAC distribution systems in Cambodia. The rest of the paper is structured as follows. The proposed
methodology and formulation to achieve the objectives are described in section 2. Section 3 presents the case study,
simulation results, and discussion. Lastly, section 4 gives the conclusion and future work.
2. Methodology
The proposed method is carried out in the following steps. First, the input data of location (transformer, poles,
and households) and demand (P, Q) with a 3% growth rate is needed for a radial topology and phase balancing
using shortest path (SP) and descending order of first-fit bin-packing (D-FFBP). Next, cable modeling andparameters are required for cable and protective device sizing. The penetration levels of rooftop PVs into different

Fig.1. Several Steps of the Proposed Method

Fig.2. Radial Topology and Load Balancing including
Rooftop PV Locations−112−

ZE2023B-11
topologies are then provided. Finally, techno-economic analysis is performed over 30 years of planning study. The
different steps of the proposed methodology are shown in Fig. 1. All completed algorithms and concepts (i.e., SP,
PB, LB, D-FFBP) and mathematical formulations (i.e., short circuit current and NPC) are provided in a subsection.
3. Simulation Results and Discussion
The LV distribution system in a rural village, in Batheay district, Kampong Cham Province in Cambodia ischosen to validate the method. The location of households, poles, and a transformer of the system is shown in Fig.
2. There are 22 poles and 107 households in the system 1. The load and averaged PV curves for the simulation are
shown in Fig. 3. With two different strategies of phase balancing
and rooftop PV penetration into the LV distribution system during
the planning study, several indicators were found and are shown in
Table 1. Based on the result in Table II, we observed that all thecases are profitable except the case that of PV integration without
the sellback price. Also, the system with load balancing gives ahigher value of NPC compared to that with pole balancing. For theload balancing, the integration of rooftop PV with sellback priceprovides a good option with the NPC of 41.01 k$ for the decision
Fig.3. Normalized load and PV curve in thein our case study.
case study

Table 1. Several Indicators of the Proposed Method
Grid without Rooftop PVs
Items
Total energy sold to consumers [GWh]
Total energy sold back to grid [GWh]
Total energy purchased from grid
[GWh]
CAPEX [k$]OPEX [k$]NPC [k$]Grid with Rooftop PVs

4.12
0

4.12
0

No sellback price(50% PVs)
SP-PB
SP-LB
4.12
4.12
0
0

4.24

4.23

3.55

3.54

3.55

3.54

15.97
34.69
18.72

15.97
35.04
19.07

96.52
7.92
-88.6096.52
8.25-88.2796.52
137.1840.66

96.52
137.53
41.01

SP-PB

SP-LB

With sellback price(50% PVs)
SP-PB
SP-LB
4.12
4.12
2.22442.2249

4. Conclusion
The digital tools for optimal radial topologies with phase balancing have been developed and validated. Two
methods for phase balancing of the pole balancing (PB) and the load balancing (LB) based on the descending orderof first-fit bin-packing (D-FFBP) have been proposed and compared together. Suitable cable sizes and protective
devices were also provided. The maximum rooftop PV penetration level for a given number and locations,
respecting the current regulations in Cambodia, was analyzed considering different tariff metering schemes. In termsof net present cost (NPC) value over the planning study of 30 years, the LB with a sell-back price is the best option
in our case study. The sensitivity analysis of the rooftop PV penetration including sellback price will be investigatedin future work.
5. Lists of papers and oral presentations[1] Vannak Vai and Hideaki Ohgaki, Techno-Economic Analysis of Rooftop PVs in Low Voltage Distribution
Systems for Rural Electrification: A Case Study in Cambodia, 2023 IEEE PES 15th Asia-Pacific Power andEnergy Engineering Conference (APPEEC 2023), December 6th-9th, 2023.
[2] Vannak Vai and Hideaki Ohgaki, Rooftop PV Hosting Capacity in AC Low Voltage Distribution Systems:
Future Perspective in Cambodia, The 14th International Symposium of Advanced Energy Science, August 30 September 1, 2023, Online, Poster.
L. You et al., "Optimal Topology of LVAC in a Rural Village Using Water Cycle Algorithm," 2022 IEEE International
Conference on Power Systems Technology (POWERCON), Kuala Lumpur, Malaysia, 2022.

1− 113 −

ZE2023B-12

特殊なマイクロ空間内で形成された階層性分子組織構造の構造評価
沼田宗典 1, 乃村翔太 1, 中田栄司 2，藪内聖皓 2, 檜木達也 3
12

京都府立大学大学院・生命環境科学研究科
京都大学大学院・エネルギー理工学研究所
3
京都大学・オープンイノベーション機構

1. 研究背景と研究目的
我々はマイクロフロー空間を反応場とする独自の分子集積システムの開発を行っている。溶液の微小化に伴い現れるいくつかの性質の中で、超分子形成に主に作用するのは迅速な分子拡
散と粘性作用の２つである。前者は主に溶液の混合を迅速化することにより、均質な分子環境を作り出すことに寄与する。一図 1 : マイクロ流体デバイスと内部における流体運動–分子会合変方、粘性応力は流体の運動に伴換機構の模式図
い必ず発生する溶液内部での摩(a)
擦であり、流れというマクロな流体運動を分子会合の駆動力へと変換する作用とみなすことができる（図１）。
これまでに、プロトン化を鍵として超分 子 会 合 を 引 き 起 こ す Tetrakis(4sulfonatophenyl)porphyrin (TPPS) を用
い、マイクロフロー空間内における定常的な溶液の流れが、能動的な分子会合を引き起こす駆動力となることを報告してきた（図２a）。最近、この研究成果を基に、TPPS を基本骨格とし、

H2TPPS

H4TPPS

J-aggregate(b)
TPPS-TEG2

TPPS-TEG4メソ位のフェニル基に結合した４つのスルホン酸のうち、対称な２か所のTPPS-TEG6

TPPS-TEG8

TPPS-TEG18+
みをオリゴエチレングリコール鎖に 図２: (a) TPPS ポルフィリンの構造と H 化によりナノファ
イバー形成へ至る反応スキーム；(b) 新規 TPPS 誘導体
置き換えた５種類の新規 TPPS 誘導体 （TPPS-TEG2 TEG4 TEG6 TEG8 TEG18
,
,
,
,
）の構造。
（ TPPS-TEG2, TEG4, TEG6, TEG8,
TEG18）を新たに設計・合成した。これら新規 TPPS 誘導体は–SO3-間の静電反発が緩和されるため、従来の TPPS と比較して速度論的な会合が起こりやすいと期待されたため、これらをモノマー分子とした−114−

ZE2023B-12
マイクロフロー空間内における超分子重合を実施することにした。既に、昨年度までに TPPS-TEG2 を用いた実験を開始し、特徴的な二重らせん超分子構造の創製を確認している。本年度はこの実験の再現性を含めた検証、得られる超分子構造の詳細な構造解析、さらに二重らせん構造が誘起されるメカ
ニズムの検証などを実施した。主に走査型電子顕微鏡(SEM)による二重らせん構造の観察結果を基に、上記課題の検討を行った。
2. 実験
本年度は新規 TPPS 誘導体の中で最も側鎖の立体障害が小さい TPPS-TEG2 を用いた実験を継続して実施した。まず TPPS-TEG2 のメタノール溶液と弱酸性の塩酸水溶液をマイクロフロー空間で混合し、速度論環境下においてプロトン化させた。塩酸水溶液の pH を段階的に変化させて、それぞれの流出溶
液を一定量分取した。これらの溶液の UV-Vis スペクトル測定を実施した（図２b）。同時に流出溶液を基板にキャストして、原子間力顕微鏡 (AFM) 観察及び電子顕微鏡 (SEM, TEM) 観察を実施した。
参照実験として、メタノール溶液と水を混合することにより、中性水溶液中における会合挙動も同様に評価した。また、濃度、pH 及びメタノール/水混合比を同じ値に調整した溶液をバイアル管を用いて調製し、これら溶液についても同様の評価を実施した。
3. 結果と考察

UV-Vis スペクトル測定及び AFM を用いた詳細な解析を行った結果、マイクロフロー空間内におけるH+化と疎水相互作用の著しい促進効果により、酸塩基平衡下にある２種類のモノマー（非プロトン体
及びプロトン体）分子を取り込むランダム共重合体が引き起こされることがわかった。さらに、興味深いことに、この共会合体は時間経過に伴い大きく変化し、UV-Vis スペクトルにおいて 700-800 nm にブ
ロードなピークを与えることが明らかとなった（図３）。経時変化後の溶液をシリコン基板にキャストして SEM によ
8 min
る観察を実施したところ、創製したこの共重合体は表面電荷の解消を駆動力として自発的に会合し、µm サイズの二重60 minらせん構造へと組織化することが確認できた。さらに、マイクロチャンネルに導入する TPPS-TEG2 溶液と塩酸の流速を変化させた実験も実施し、流れの影響が二重らせん構造の60 min形成に及ぼす影響も検証した。その結果、一定の範囲内で流速を速くしても同様の二重らせん構造が形成することを
8 min
SEM 観察の結果明らかとした。さらに、マイクロチャンネ
ルの材質がらせん誘起に及ぼす影響についても精査することにした。現在、ガラス製のマイクロチャンネルに加え、様々な材質のマイクロチャンネルを用いて検証を試みてい 図３:流出溶液の UV-Vis スペクトルるところである。今後は、これらの結果を総合的に考察する （25 μM, 1 mm cell, r.t.）ことにより、詳細な共重合メカニズムや共重合体がマイクロスケールの二重らせん構造へと階層化するメカニズムの解明を進めていく予定である。
4. 論文発表リスト(1) M. Numata, C. Kanzaki, Supramolecular Chemistry of a Moving Solution: Flow Drives New Non-covalent
Bond Formation, Chem. Lett. 52, 602–610 (2023).

− 115 −

ZE2023B-13

メカニカルアロイングにより作製した酸化物分散強化合金粉末の酸化挙動岩田憲幸 1，森園靖浩 1，木村晃彦 2，藪内聖皓 2 者
1

久留米工業高等専門学校材料システム工学科
2
京都大学エネルギー理工学研究所

1. 背景と目的
鉛ビスマス冷却高速炉（LBE-FR）や超臨界圧水冷却高
速炉（SCW-FR）などの先進原子力システムを実現するた
めには、高温環境下における強度特性、耐照射性能および耐食性に優れた構造材料を開発することが不可欠である。
酸化物分散強化（ODS）フェライト合金は、Fe マトリック
ス中にナノサイズの酸化物粒子を分散させた材料であり（図 1）、高温で優れた強度特性や耐照射性能を示すことから、高燃焼度対応型の燃料被覆管材料の最有力候補として広く注目されている。
これらの特徴を持つ ODS 合金は、従来の溶解法とは異なり、メカニカルアロイング（MA）
法を利用した粉末冶金技術によって製造される。すなわち、この合金がそれらの性能を発現する主な要因は、母相中に分散されたナノ酸化物粒子のサイズと数密度であり、その図 1 ODS フェライト合金の組織分散状態は MA 処理や熱間固化成形など、それぞれの製造工程の条件に応じて変化する。一方、これまでに ODS 合金の酸化挙動については広く調査がなされてきたが、その二次原料である合金粉末の酸化挙動についての調査はほとんど行われていない。本研究では、プレミックス法による MA 処理を施して ODS 合金粉末を作製し、加熱過程における酸化挙動を調査することを目的とした。

2. 実験方法
Fe-2W-0.1Ti-0.35Y2O3（wt%）を基本組成として、これに Ti と Y2O3 をともに一定量増大させた合金
成分の ODS 合金粉末を準備した。先ず、アルゴン（Ar）ガス雰囲気にしたグローブボックス中で所定量の各種金属元素粉末および Y2O3 粉末を秤量・プレミックスした。次に、遊星ボールミルを用いて、このプレミックス粉末にミリングを施し、MA 粉末を作製した。なお、ミリング条件は、雰囲気を高純度 Ar ガス、ミリング時間を 48h、回転速度を 180rpm、粉砕ボールと粉末の重量比を 15：1 とした。
MA 処理後、電界放出走査型電子顕微鏡/エネルギー分散型Ｘ線分光分析装置（FE-SEM/EDS）により
MA 粉末内部の元素分布を観察した。粉末断面試料は、MA 粉末を熱間埋込樹脂に埋設し、鏡面研磨を施して仕上げた。
得られた MA 粉末に対して、昇温速度 10℃/min、ガス流量 200 mL/min の Ar 流通下で室温から最高
1200℃まで加熱を行い、その前後における重量変化を測定した。また、これと同様の熱処理条件下において、各試料粉末の加熱変化を TG-DTA 測定装置により調査した。ここでは、装置に導入される Ar
ガス流量合計が上記と同じになるように、パージガス（P）および反応ガス（R）流量をそれぞれ変化させて測定を行った。さらに、CoKαを線源とした粉末 X 線回折（XRD）測定を行い、各試料粉末の加熱前後の結晶相を同定した。

−116−

ZE2023B-13
Fe-16Cr-1Ti-3.5Y2O3

Fe

W

Ti

Y

10µm

図2

メカニカルアロイングにより作製した MA 粉末断面の FE-SEM/EDS 分析結果

3. 結果と考察
図 2 に MA 粉末断面の FE-SEM/EDS 分析
結果を示す。各元素のマッピング像から、すべての成分金属元素が粉末内部で均一に分布していることがわかる。
XRD 測定を行った結果、プレミックス粉末では全原料成分の回折線が認められたが、この粉末にミリングを施した MA 粉末では Fe と Ti、
Y2O3 の回折強度がそれぞれ減少し、ピーク半値幅が大きくなった。また、Ti およびY2O3 の回折線がほとんど見られなくなり、
α-Fe の回折線のみが観察されたことから、
図 3 Ar 流通下の TG/DTA 測定で、パージガス（P）
母相中に各元素が固溶していると言える。
および反応ガス（R）流量（mL/min）をそれぞ
Ar 流通下の TG/DTA 測定で、パージガス
れ変化させて得られた MA 粉末の TG 曲線（P）および反応ガス（R）流量（mL/min）
を変化させて測定した MA 粉末の TG 曲線を図 3 に示す。P50/150, P150/R50 いずれの条件でも、180℃付近から重量増加が見られる。さらに加熱温度が上昇すると、P50/150 ではおよそ 700℃までの増加の傾きが大きくなるが、それよりも高温になるとこの傾きが小さくなる。これに対して P150/R50 では、その後ほぼ線形的に重量増加することがわかる。また、1200℃まで加熱した MA 粉末の XRD 測定を実施したところ、いずれのガス流量条件においても、Fe 酸化物や Ti 酸化物、および Y-Ti 複合酸化物が生成していることが確認された。このことから、本研究で使用した TG-DTA 測定装置では、反応ガスよりパージガスの流量を大きくすることで、
Ar 流通下における酸化反応を抑制できると考えられる。
4. まとめ各種金属元素粉末および Y2O3 粉末を MA 処理するプレミックス法を用いて、ODS 合金粉末を作製した。Fe-2W-0.1Ti-0.35Y2O3（wt%）を基本組成とし、これに Ti と Y2O3 を複合的に一定量増大させた合金成分の MA 粉末を Ar 流通下で室温から最高 1200℃まで加熱したところ、Fe 酸化物や Ti 酸化物、および Y-Ti 複合酸化物が生成することが明らかになった。
［口頭発表リスト］
・甲斐友也，岩田憲幸，藪内聖皓，木村晃彦，“先進原子炉用 ODS 鋼原料粉末の合金化過程”，令和5 年度国際原子力人材育成イニシアティブ事業フォーラム，2023.12.26，いわき市生涯学習プラザ，
福島県いわき市，ポスター
・Noriyuki Y. Iwata，Yasuhiro Morizono，Kiyohiro Yabuuchi，Akihiko Kimura，“Oxidation behavior ofmechanically alloyed oxide dispersion strengthened alloy powders”，14th International Symposium of
Advanced Energy Science，2023.8.30-9.1，Uji Obaku Plaza, Kyoto University, Kyoto, Japan，ポスター− 117 −

ZE2023B-14

シグナル増強システムを介したナノ構造形成による
細胞内金属種のＡＦＭ/ＥＭイメージング髙嶋1

一平 1，中田

栄司 2

東北大学多元物質科学研究所、2 京都大学エネルギー理工学研究所

1. 研究課題の概要
マンガンは主に+2/+3 の酸化還元性を活かして、ミトコンドリア内のエネルギー産生における制御因子として機能する重要な微量元素として知られる。しかし、マンガンのミトコンドリアへの移行経路
や生体内局在の解明は未だに課題となっている。その要因として、細胞内のマンガンを高解像度で可視化検出する手段がなく、局所濃度を追跡できないことが挙げられる。本研究ではマンガンの機能解析を指向して、ミトコンドリアに取込まれるマンガンの濃度分布を明らかとする。一般的に生化学研
究では、金属種の挙動を蛍光解析することで多くの事象を明らかとしてきた。しかし、蛍光顕微鏡はレーザー光の回折限界に伴って解像度が限られており、ミトコンドリア等の組織内での微細な分子挙動を解析できない。加えて、マンガンの常磁性による金属消光やマンガン選択的な結合分子が未開発であるために蛍光解析は困難であった。そこで細胞内微小環境でのマンガンの挙動を解析するために、筆者らは高速原子間力顕微鏡(以下、AFM)や電子顕微鏡(以下、EM)に注目した。これらの技術は高解像度である一方で、小さい分子や金属種(マンガン)は直接に解析できない。そこでこれら顕微鏡観察において高いシグナル比を有するタグ構造を導入する。過去には遺伝子工学的に導入したタグ構造による
AFM イメージ[Y. F. Dufrêne, Integr.Biol., 2012]や EM イメージ[R.Y. Tsien, PLOS Biol., 2011; G. He, Nat.
Methods, 2020]の報告例はあるものの、その適用範囲は限られた種類のタンパク質のみであった。本研
究は、多様な化学種に対して AFM/EM イメージを可能とするタグシステムを提供し、マンガンのミト
コンドリア内の濃度分布を高解像イメージングすることを目指している。
2. 研究成果
筆者らはこれまでに亜鉛や銅を標的としたシグナル増強システムの開発に成功してきた。今回は本技術でのシグナルを蛍光分子から変更し、AFM イメージや EM イメージにて検出可能な自己集合体構
造の構築へと展開している。通常のプローブ分子は標的分子と１：１で反応するため、生成物の蓄積量が少なく自己集合体形成は難しい。しかし、本戦略ではマンガン特異的に駆動する酵素反応を介して(つまりシグナル増強システムを介して)高濃度に生成物を蓄積させて凝集体を形成する。本凝集体にAFM プローブのリガンドや、EM イメージで観察可能な電子密度の高い元素を取り入れて、凝集体のサイズや濃度から金属種の細胞内分布を解析する。
これまでに筆者らはマンガン特異的に機能するタンパク質 MJ0936 の特性評価を行い、実際にマンガンでの活性化を受けることを見出した(図 1)。一方で、Mg2+や Zn2+でわずかに酵素活性が見られており、さらに検出濃度域が高い問題が見られた。そこで、本タンパク質での金属選択性や活性を改善する
ために活性部位の金属配位サイトでの変異構造を検討している。金属配位サイトは図 2 に示す Arg、
His、Asp で構成されており、これらアミノ酸残基を変更することで金属選択性や金属配位能 (検出濃度域) への影響を評価する。
現在までに PLIC.B2 ベクターにコードされる MJ0936 について、
site-directedmutagenesis kit を用いて D8N、D36N、N59D、N60D の変異体群のプラスミドを調製した。今後はこれ
ら変異体の評価を順次行っていく予定である。
研究計画での購入計画および電子顕微鏡での検討は予定通り行うことができた。来年度の研究計画として MJ0936 および基質分子の構造最適化を完了させる方向で進めていく予定である。

−118−

ZE2023B-14

図 1 単離した MJ0936 での酵素活性評価。吸光度から生成物濃度を算出。
50 mM diethanolamine, 40 mM NaCl, pH 9.8, at 70 oC for 10 min。

図 2 MJ0936 の金属配位サイトの拡大図 (PDB: 1S3N)。
金属配位に関わるアミノ酸残基で変異導入箇所は赤字表記している。
3. 「論文発表リスト」および「口頭発表リスト」について[論文発表リスト]
特に無し。
[受賞、プレス発表等]
特に無し。
[口頭発表リスト]
Ippei Takashima, Chihiro Ikenaga, Zhimin Yang, Eiji Nakata, Kensuke Okuda, Shin Mizukami, AFM/EM
imaging of intracellular metals with nanostructures constructed via signal amplification systems. 第 14 エネ
ルギー理工学研究所国際シンポジウム、Institute of Advanced Energy, Kyoto University / The Joint
Usage/Research Center for Zero Emission Energy Research、2023 年 8 月 30 日-9 月 1 日、京都大学宇治
おうばくプラザ。

− 119 −

ZE2023B-15ゲノムアプローチによるリゾクトニア属真菌の微生物間競合機能の解明
志波優 1, 原富次郎 2, 髙塚由美子 2, 横田健治 31

東京農業大学生命科学部

2 京都大学エネルギー理工学研究所
3

東京農業大学応用生物学部

1 . 本 研 究 の 背景 と 目 的Rhizoctonia solani D138 株は、イネ、コムギ、ジャガイモなど多くの作物に重要な病害を引き起こす
糸状菌 Rhizoctonia 属の一種である。特に、D138 株は小麦ふすま培地上で強力な酵母溶菌酵素群を分泌する点が特徴であり、その機構は 1980 年代にエンド型β-1,3-グルカナーゼやプロテアーゼであると報告された（Totani K et al., Agric. Biol. Chem., 47:1159-62, 1983、Usui T & Oguchi M, Agric. Biol. Chem., 50:5357, 1986、Totsuka A & Usui T, Agric. Biol. Chem., 50:543-50, 1986）。2019 年に原らは、同じ分泌酵素群に水
稲病害性糸状菌として著名なフザリウム属やピリキュラリア属、トリコデルマ属に対する強力な生育阻害活性と分生子形成阻害活性を認め、そのメカニズムにはエキソ型、あるいはエキソ型とエンド型両方のβ-1,3-グルカナーゼが関与すると考えられた。微小な電子エネルギー転移に起因する微生物間競合機構の解明にゲノム情報からも迫ることを目指し、本研究では、D138 株の全ゲノム配列をショー
トリード型とロングリード型の次世代シーケンサーを用いたハイブリッドアセンブリにより取得し、増殖抑制活性に関与する遺伝子の探索とその発現制御機構を明らかにすることを目的とする。
2 . ロ ン グ リ ー ド シ ー ケ ン ス に 必 要 な 長 鎖 ・ 高 濃 度 D NA の 濃 縮 条 件 の 検 討
ロングリード型シーケンサーには長鎖かつ高濃度の DNA が要求される。そこで昨年度の本研究課
題において、複数の DNA 抽出キットを比較検討した結果、ISOPLANT（ニッポン・ジーン社製）キットを用いて、最終的に 1.5 g 湿菌重の菌体から DNA 濃度 19 ng/µL、DNA 収量約 19 µg の DNA を得られたが、シーケンスにはさらに高濃度の DNA が必要であった。そこで、今年度の本研究課題において、DNA の鎖長を損なわずに濃縮する手法を検討した結果、高純度なゲノム DNA 抽出・精製キットである Genomic DNA Clean & Concentrator Kit（ZYMO RESEARCH 社）を用いることで、シーケンサーに必
要な、長鎖かつ高濃度の DNA を得ることができた（図 1）。
3 . ロ ン グ リ ード シ ー ケ ン ス ・ ハ イ ブ リ ッ ド ア セ ン ブリ ・ の 実 施
前項で得られた長鎖かつ高濃度の DNA からライブラリーを調製し、GridION X5（Oxford Nanopore
Technologies 社）によるロングリードシーケンスを実施した。その結果、約 16 万リード、N50 長 19 kbのシーケンスリード配列を得ることができた（表 1）。続いて、ショートリード配列と、本研究で得られたロングリード配列を用いたハイブリッドアセンブリを実施した。ショートリード配列のみから構築されたゲノム配列とハイブリッドアセンブリから得られたゲノム配列を比較した結果、スキャフォ
ールド数が前回の約 6 万から約 300 配列まで収束し、最大スキャフォールド長が 1.3 Mb から 3.4 Mb まで伸長し、さらにスキャフォールドの N50 長においても 10 kb から 479 kb と大幅に伸長した（表 2）。
結果、本研究のハイブリッドアセンブリにより、昨年度の本研究課題で得られたショートリード配列のみで構築されたドラフトゲノム配列と比較し、大幅に質の向上したドラフトゲノム配列が得られた。
現在、得られたゲノム配列のアノテーションを実施中であり、その後増殖抑制活性に関与する遺伝子の探索を行う予定である。

−120−

ZE2023B-15
表1

Summary statistics of nanopore reads.

Metrics
number_of_reads

160,942

number_of_bases

1,779,145,355.0

median_read_length 7733.0
mean_read_length

11,054.6

read_length_stdev

10,665.0

n50

19,025.0

mean_qual

14.1

median_qual

14.3

Sample Table
Well

DIN

Conc. [ng/µl]

B1

9.4

99.1

Sample Description

Alert

D138

図 1 Length distribution and concentration of genomic DNA.
表 2 Comparison of genome assembly metrics for hybrid genome assembly (short reads & long reads) and shortreads alone assembly.

Hybrid genome
assembly of shortand long reads(flye&pilon)

Short read only
assembly(SPAdes_scaffolds)

Main genome scaffold total:

328

66,703Main genome contig total:

328

70,009Main genome scaffold sequence total:

46.647 MB

55.184 MB

Main genome contig sequence total:

46.647 MB

Depth scaffold total / num of bases

38.1

54.862 MB
131.7

Main genome scaffold N/L50:

19/479.121 KB

758/10.271 KB

Main genome contig N/L50:

19/479.121 KB

2071/4.381 KB

Main genome scaffold N/L90:

141/68.648 KB

25336/206

Main genome contig N/L90:

141/68.648 KB

28865/204

Max scaffold length:3.402 MB1.399 MBMax contig length:3.402 MB1.237 MB

Number of scaffolds > 50 KB:% main genome in scaffolds > 50 KB:

163

102

92.87%

26.59%[口頭発表リスト]
Yuh Shiwa, Tomijiro Hara, Yumiko Takatsuka, Kenji Yokota. Elucidation of the novel competitive function
between microorganisms of genus Rhizoctonia by genomic approach. The14th International Symposium of
Advanced Energy Science～Research Activities on Zero-Emission Energy Network～, 2023 年 8 月 30 日, 京
都・ハイブリッド開催（ポスター）− 121 −

ZE2023B-16

細胞内エネルギー産生・利用を制御する
RNA 編集核酸の開発
福田 将虎 1，緒方 悠岐 1, 森井 孝 2
1 福岡大学理学研究科
2 京都大学エネルギー理工学研究所【研究背景・目的】

生物が行うクリーンかつ高効率なエネルギー
産生・利用システムは、遺伝情報に従って合成される様々なタンパク質の働きで構築されている。細胞は、エネルギー産生・利用を適切に行えるように、タンパク質の発現量や機能を転写や翻訳の段階で調節している。すなわち、遺伝子発現の過程でタンパク質機能を自在に改変できれば、細胞内のエネルギー産生・利用を人為的に制御することが可能になる。このような技術
は、タンパク質により構築されるエネルギーシ
ステムを理解するための基礎研究はもちろん、生体を用いた有用物質の産生を始め、生物のエ
図1

ネルギーシステムの社会実装に応用できる。
これまでに我々は、RNA 編集を原理とする遺伝子改変技術（RNA 編集技術）を開発してきた。
ヒトを含め高等生物には、RNA レベルで塩基配R N A 編集機構と R N A 編集技術の概要

RNA 編集技術（部位特異的 A-to-I RNA 編集技術）は、エネルギー産生・利用に関わるタンパク質の機能制御に応用できる。

列情報を変換する A-to-I RNA 編集機構が備わっている。A-to-I RNA 編集機構は、内在的に発現している RNA 編集酵素（二本鎖特異的アデノシンデアミナーゼ（ADAR））により、転写中もしくは転写後に特定のアデノシン（A）がイノシン（I）に変換される機構である。mRNA 上に生じた I は、タンパク質
翻訳の際にグアノシン（G）として認識されるため、A-to-I RNA 編集は RNA レベルの A-to-G 遺伝子変異と等価の意味を持ち、タンパク質機能が改変することができる。我々は、ADAR の RNA 編集活性を
標的 RNA に誘導し、標的部位に A-to-I RNA 編集を導入する機能性核酸（AD-gRNA）を開発し、それを用いた RNA 編集技術を開発してきた（図 1）。本研究は、AD-gRNA を用いた RNA 編集技術を代謝系遺伝子の適用し、細胞内エネルギー利用・産生を人為的に制御する方法論の開発を目的としている。
本方法論の開発には、高効率かつ選択的に標的 RNA を編集することができる RNA 編集核酸が必要である。そこで本研究では、従来の AD-gRNA にリンカー配列を導入することにより、RNA 編集核酸の高機能化が可能であるかを検証した。
【実験方法・結果】
・AD-gRNA の ADAR 誘導領域（ARR）とアンチセンス領域（ASR）の間のリンカー検討

AD-gRNA は、相補的な配列で標的 RNA を認識するアンチセンス領域（ASR）と、編集酵素 ADAR

−122−

ZE2023B-16の編集活性を効率的に誘導するためのステムループ領域（ADAR 誘導領域：ARR）で構成される（図2a, c）。本研究では、GluR2 pre-mRNA の編集部位周辺構造を基盤とした ARR に ASR を連結した ADgRNA を用いた。また、ARR の 5’末端に ASR が連結した 5’AS 型（5’AS_AD-gRNA）と、3’側に連結した 3’AS 型（3’AS_AD-gRNA）の RNA 編集誘導の特性がそれぞれ異なる 2 種類の基本骨格について検討を行った。本研究では、これら従来型 AD-gRNA 基本骨格に対して、ARR と ASR の間にリンカー配列を導入することで、RNA 編集誘導効率どのように変化するかを解析した。具体的には、
GFP_A200 を標的とする 5’AS_AD-gRNA 及び 3’AS_AD-gRNA に対して、10 nt（L10）および 20 nt（L20）の任意の RNA 配列を ASR と ARR の間に導入した各種 AD-gRNA について、組換え ADAR2 タンパク質を用いた in vitro RNA 編集アッセイにより RNA 編集誘導能を評価した（図 2b, d）。この時、ARR ス
テムが機能していることを確認するため、ARR が二本鎖構造を形成しない配列で構成される AD-gRNA
変異体（5’AS_ncAD-gRNA および 3’AS_ncAD-gRNA）も同時に評価した。結果、3’AS_AD-gRNA においてはリンカー配列の導入により編集誘導活性が低下したが、5’AS_AD-gRNA では活性が向上した（図2b, d）。また、ncAD-gRNA では効率的な編集誘導は確認されなかった。以上の結果より、リンカー配列を用いて ASR と ARR が形成する二本鎖構造の位置関係を最適化することで、従来よりも高い活性を有する AD-gRNA を構築できる可能性を示した。
(a)target RNA

original

(L10)

(L20)

100
80

3’
ASR

ARR

3’

% editing

(L0)

(b)

A

(10 nt)

60
40
20
0

3’
(20 nt)

L0

L10

L20

L0

3’ AS_ncAD-gRNAtarget RNA(L0)

original

(L10)

5’

5’

(d)

A

(10 nt)3’ AS_AD-gRNA

80

ARR
ASR

L20

100

% editing

(c)

L10

60
40
20

(L20)

5’

(20 nt)

0

L0

L10

5’ AS_ncAD-gRNA

L20

L0

L10

L20

5’ AS_AD-gRNA

図 2 A R R と A S R の間にリンカーを導入した A D - g R N A の設計と i n v i t r o R N A 編集解析（a）3’AS_AD-gRNA (L0)とリンカーを導入した変異体 (L10, L20) の設計。（b）3’AS_AD-gRNA 及びリンカー導入体の GFP mRNA A200 に対する in vitro RNA 編集解析結果。ncAD-gRNA は、ARR ステムを形成しないように配列改変した骨格。（c）5’AS_AD-gRNA (L0) とリンカーを導入した変異体 (L10, L20)。
(d) 5’AS_AD-gRNA 及びリンカー導入体の GFP mRNA A200 に対する in vitro RNA 編集解析結果。

− 123 −

ZE2023B-17−124−

ZE2023B-17− 125 −

ZE2023B-18

赤外自由電子レーザーによるグラム陽性菌の殺菌効果の検討
遠山歳三 1，全炳俊 2，1

2

神奈川歯科大学口腔細菌学
京都大学エネルギー理工学研究所【研究背景・目的】。
グラム陽性菌は，歯牙組織の破壊と歯槽骨吸収を特徴とするバイオフィルムを形成するデンタルプラークを構成する。歯周病治療、う蝕治療において，病原細菌および 菌体成分・LPS の排除が必須であるが，デンタルプラークは複数の細菌が形成するバイオフィルムである上，思春期以降の口腔に安定して定着している常在細菌であるため，その完全な除去は非常に困難である。また，内毒素である LPS
は菌体内で産生され菌体が破壊されることにより放出され，広範囲な細胞に対して耐熱性の毒性を発揮するため、現在の治療においては切削や発熱を伴うレーザーによる物理的な除去が困難である。光
線力学療法 (Photodynamic Therapy：PDT) は，様々な波長の光を用いることで外来色素や生体内分子を励起させ，そのエネルギーを用いて抗悪性腫瘍作用や抗菌効果を発揮する治療法である。とくに，殺菌作用を発揮する PDT は抗菌光線力学療法 (anti-microbial PDT：aPDT) として注目されており，近年歯科治療において新たな殺菌法として目覚ましい発展を遂げてきている。しかしながら，グラム陽性菌と陰性菌などが混在するデンタルプラーク中の LPS に対する失活効果についての検討や殺菌メカニ
ズムの詳細な解析の報告はほとんど行われていないなどの問題点を含んでいる。このような背景を踏
まえ，本研究では，波長可変性を有し，温度変化を伴わない赤外自由電子レーザー（FEL）を用いて LPSをはじめとする菌体由来病原因子の失活可能な波長を発見することにより、グラム陽性菌が関与する，
バイオフィルム形成の抑制や除去，および 菌体由来病原成分の失活を施すことで感染領域における細菌由来因子の不活性化作用の検討を目的とした。
【方法】
1. 本研究ではグラム陽性菌として Streptococcus mutans（S.mutans）を用いた。培養には brain heart
infusion (BHI, Beckton, Dickinson and Company, Sparks, MD) に 0.5％ yeast extract (Beckton, Dickinson
and Company）を加えた物を用い、必要に応じて Bacto agar (Beckton, Dickinson and Company) を 1.5％
濃度で添加し、平板培地とし嫌気下で培養した。
2. 培養した S.mutans の赤外吸収波長の解析は，赤外吸収波長分光計（FT-IR）を用いて解析を行った。
嫌気下にて培養し，発育条件を一定にした後，凍結乾燥機にて一昼夜、乾燥させた後、FT-IR にて
使吸収波長を解析し，照射波長及び照射時間を決定した。
3. 決定された条件で各波長の FEL の照射を行い，照射後の細菌を各種培地に塗抹、培養し生菌数を算出する Colony Forming Unit 測定により FEL の殺菌効果の評価を行った。また，照射後の各種細菌を走査型電子顕微鏡で観察し菌体の構造変化を観察した。
【結果・考察】赤外吸収波長分光計（FT-IR）にて複数の波長のスペクトルが得られた。これらの波長を S.mutans に 5分、10 分、15 分赤外自由電子レーザーを照射した結果、図 2 に示すように波長 6.62、9.26、9.41、10.46㎛において有意な殺菌効果が認められ、電子顕微鏡においても菌体破壊増が認められた。これらの結果を踏まえ、今後、プラーク形成に関与する S.mutans の glucosyltransferase 活性に対する影響及びグラム陰性菌が算出する LPS に対しての赤外自由電子レーザーの照射効果を検討する予定である。
「論文発表リスト」および「口頭発表リスト」について
遠山歳三, 全炳俊, 藤岡隼, 渡辺清子, 吉田彩佳, 稲葉啓太郎, 築山光一, 吉野文彦, 浜田信城
赤外自由電子レーザーの殺菌効果の検討−126−

ZE2023 整理番号
ZE2023B-18
第１４回エネルギー理工学研究所国際シンポジウム
京都大学宇治キャンパス 宇治おうばくプラザ 2023 年 8 月 30 日 - 2023 年 9 月 1 日

赤外自由電子レーザーによるグラム陽性菌の殺菌効果の検討
遠山歳三 1，全炳俊 2，1

2

神奈川歯科大学口腔細菌学
京都大学エネルギー理工学研究所【研究背景・目的】。
グラム陽性菌は，歯牙組織の破壊と歯槽骨吸収を特徴とするバイオフィルムを形成するデンタルプラークを構成する。歯周病治療、う蝕治療において，病原細菌および 菌体成分・LPS の排除が必須であるが，デンタルプラークは複数の細菌が形成するバイオフィルムである上，思春期以降の口腔に安定して定着している常在細菌であるため，その完全な除去は非常に困難である。また，内毒素である LPS
は菌体内で産生され菌体が破壊されることにより放出され，広範囲な細胞に対して耐熱性の毒性を発揮するため、現在の治療においては切削や発熱を伴うレーザーによる物理的な除去が困難である。光
線力学療法 (Photodynamic Therapy：PDT) は，様々な波長の光を用いることで外来色素や生体内分子を励起させ，そのエネルギーを用いて抗悪性腫瘍作用や抗菌効果を発揮する治療法である。とくに，殺菌
FT-IR にて得られた S.mutans のスペクトルFig.1
作用を発揮する PDT は抗菌光線力学療法 (anti-microbial PDT：aPDT) として注目されており，近年歯科治療において新たな殺菌法として目覚ましい発展を遂げてきている。しかしながら，グラム陽性菌と陰性菌などが混在するデンタルプラーク中の LPS に対する失活効果についての検討や殺菌メカニ
ズムの詳細な解析の報告はほとんど行われていないなどの問題点を含んでいる。このような背景を踏
まえ，本研究では，波長可変性を有し，温度変化を伴わない赤外自由電子レーザー（FEL）を用いて LPSをはじめとする菌体由来病原因子の失活可能な波長を発見することにより、グラム陽性菌が関与する，
バイオフィルム形成の抑制や除去，および 菌体由来病原成分の失活を施すことで感染領域における細菌由来因子の不活性化作用の検討を目的とした。
【方法】
1. 本研究ではグラム陽性菌として Streptococcus mutans（S.mutans）を用いた。培養には brain heart(BHI, Beckton, Dickinson and Company, Sparks, MD) に 0.5％ yeast extract (Beckton, Dickinson
赤外自由電子レーザーの殺菌効果
Fig.2infusion
and Company）を加えた物を用い、必要に応じて Bacto agar (Beckton, Dickinson and Company) を 1.5％
濃度で添加し、平板培地とし嫌気下で培養した。
2. 培養した S.mutans の赤外吸収波長の解析は，赤外吸収波長分光計（FT-IR）を用いて解析を行った。
嫌気下にて培養し，発育条件を一定にした後，凍結乾燥機にて一昼夜、乾燥させた後、FT-IR にて
使吸収波長を解析し，照射波長及び照射時間を決定した。
3. 決定された条件で各波長の FEL の照射を行い，照射後の細菌を各種培地に塗抹、培養し生菌数を算出する Colony Forming Unit 測定により FEL の殺菌効果の評価を行った。また，照射後の各種細菌を走査型電子顕微鏡で観察し菌体の構造変化を観察した。

AB【結果・考察】赤外吸収波長分光計（FT-IR）にて複数の波長のスペクトルが得られた。これらの波長を S.mutans に 5分、10 分、15 分赤外自由電子レーザーを照射した結果、図 2 に示すように波長 6.62、9.26、9.41、10.46㎛において有意な殺菌効果が認められ、電子顕微鏡においても菌体破壊増が認められた。これらの結果を踏まえ、今後、プラーク形成に関与する S.mutans の glucosyltransferase 活性に対する影響及びグラFig.3 S.mutans の電子顕微鏡像
ム陰性菌が算出する LPS に対しての赤外自由電子レーザーの照射効果を検討する予定である。
FEL コントロール（A）、FEL 照射後、菌体破壊増が認められた（B）「論文発表リスト」および「口頭発表リスト」について
遠山歳三, 全炳俊, 藤岡隼, 渡辺清子, 吉田彩佳, 稲葉啓太郎, 築山光一, 吉野文彦, 浜田信城
赤外自由電子レーザーの殺菌効果の検討− 127 −

ZE2023B-19

原子炉圧力容器モデル合金中の照射硬化に及ぼす
Ni,Si 添加効果の研究
福元謙一 1、藪内聖皓 2
1

福井大学附属国際原子力工学研究所、2 京都大エネルギー理工学研究所

1. 緒 言原子炉圧力容器を構成する圧力容器鋼は優れた強度と延性を持つが、中性子照射により材料が脆くなる
照射脆化が発生することが周知されている。圧力容器の照射脆化については多くの研究がなされており、照射によって圧力容器鋼内部に形成された溶質原子クラスタとマトリックス損傷等の照射欠陥が主な照射脆化要因とされている。近年の研究により低 Cu 圧力容器鋼において Mn-Ni-Si クラスタが形成されることやマトリックス損
傷として格子間原子型の転位ループの形成が明らかになっている[1]。しかし Mn-Ni-Si クラスタについては脆化因子とされていた Cu リッチ析出物と比べ知見が少なく、未解明な部分が多い。低 Cu 原子炉圧力容器鋼に発生する Mn-Ni-Si クラスタの脆化への寄与を調べることで現在供用中の圧力容器の安全性の向上に寄与すると考えられる。本研究では Ni および Si を添加した圧力容器鋼モデル合金に Fe イオン照射を実施した。その後 Fe イオン照射した圧力容器鋼モデル合金の TEM 観察を行い、転位ループ形成に対する Ni,Si 添加の影響を調べた。
２．実験方法試験片は原子力安全システム研究所から提供された低 Cu 圧力容器鋼の化学組成を模したモデル合金計
7 種を用いた。組成は Fe-1.5Mn 合金 1 種, Fe-1.5Mn-xSi (x=0.25,0.5,1.0): Si 添加合金 3 種, Fe-1.5Mn-yNi(y=0.5,1.0,2.0): Ni 添加合金 3 種、計 7 種類である。試験片は長さ 13mm、幅 3mm、厚さ 0.5mm の短冊状に加工した。加工後京大エネ理工研 DuET にてイオン照射実験を実施した。イオン照射は Fe3+でエネルギーは6.4MeV であった。Fe イオン照射のピーク損傷深さは 1500nm で最大飛程は 1800nm であった。試料表面からの深さ約 600nm での照射量/照射速度は 0.17dpa/4.2×10-5dpa/s , 0.03 dpa/4.2×10-5dpa/s の 2 条件であった。この条件での最大損傷深さは両条件とも約 1500nm 位置であり照射量はそれぞれ 0.48dpa と 0.08dpa であった。
合金試料から集束イオンビーム加工装置(FIB)を用いて厚さ約 150nm の薄膜試料を切り出した後,精密イオ
ン研磨装置による 0.5kV のアルゴンイオンビームスパッタリングを用いて加工時の Ga イオン照射によるダメー
ジ層を除去した.薄膜試料に対しウィークビーム暗視野法を用いた TEM 観察で転位ループの観察を行った.欠陥の数密度の測定は回折ベクトル g=200 で撮影された暗視野像で行った.
３．結果
本研究では表面からの深さ 600nm 及び 1500nm の２条件で転位ループの解析を実施した。図 1 には照射したモデル合金のウィークビーム暗視野法を用いた TEM 観察像を示す。観察条件は入射方位 B=011、回折ベクトル g=200 で表面からの深さ 600nm の観察像を示す。上側の 0.03dpa では歪コントラストがまばらに分布している。一方、下側の 0.17dpa では転位ループと考えられる歪コントラストが高密度に分布していることから、照射によって多量転位ループが形成されたことが確認された。
図 2 に観察された転位ループの数密度の結果を示す。低照射材(0.03dpa)では照射量や合金組成に関わらず全ての合金で約 1.0×1022/m-3 程度の転位ループが観察された。また,照射に影響されない損傷領域外(2000nm 以上の深さ)においても同程度の歪コントラストが観察されたため、観察された歪コントラストは転位ループでなく酸化物により生じたコントラストであると推察される。
一方、高照射材(0.17dpa)では合金組成の変化により数密度が大きく変化した。Ni 添加した Fe-1,5Mn-2.0Ni−128−

ZE2023B-19
合金では未添加材と比べ数密度が大きく増加した。しかし Si を添加した Fe-1.5Mn 合金では、転位ループの形成が大きく抑制され低照射材と同程度の値を示した。
4．考察
Ni 添加により転位ループの形成が促進される傾向が見られた理由には、溶質原子の転位ループの捕捉作
用によるものと推察される。通常、転位ループは転位等の点欠陥シンクに引き寄せられ消滅する。しかし合金中の溶質原子が転位ループを捕捉し移動度を減少させたことで、転位へのループの到達率が減少したと考えられる。その影響でループの生存確率が増加し、数密度を増加させたことが示唆された。
一方、Si 添加では転位ループの形成が抑制される傾向が見られた。 第一原理計算を通じてα-Fe 中の溶質原子の拡散機構が調べられており[1]、Si の拡散が空孔機構を介して行われることが示された。そのため Siの増加が Si-空孔の数密度を増加させる可能性があり、空孔と SIA の再結合による SIA の消滅を促進したため
転位ループの形成が抑制されたと考えられる。
参考文献[1] L.Messina, Solute diffusion by self-interstitial defects and radiation-induced segregation in ferritic Fe-X
(X=Cr, Cu, Mn, Ni, P, Si) dilute alloys”acta Matrialia 191 ” (2020) 165-185左図1

照射モデル合金のウィークビーム暗視野法を用いた TEM 観察像。

上側：0.03dpa＠600nm 深さ

下側：0.17dpa＠600nm 深さ
右図2

転位ループ数密度に及ぼす合金組成と照射量の影響。

− 129 −

上側：0.03dpa、下側：0.17dpa

ZE2023B-20長波長赤外強光子場における気体の電離反応の 研究
羽島良一 1，川瀬啓悟 1, 全炳俊 2，大垣英明 2
1

2

量子科学技術研究開発機構
京都大学エネルギー理工学研究所

1. は じめ に
京都大学の共振器型自由電子レーザー（Free-Electron Laser; FEL）施設、KU-FEL では、発振に寄与する電子数（N）の二乗でピーク強度が増大し、1/N に比例してパルス幅が短くなる超放射発振が実現している。このような発振では、FEL パルスを集光した時の光強度が、原子や分子にトンネル電離を生じる強度（およそ 1013 W/cm2）を超え、これを用いた強光子場科学研究の展開が可能となる。また、
ミクロパルス列は 2.856 GHz の高い繰り返しを持つ。強光子場科学研究は、チタンサファイアレーザー（波長 0.8 µm）、Yb レーザー（波長 1 µm）、および、これらレーザーを波長変換して得られる中赤外パルスを用いた実験が行われているが、長波長赤外（8-15 µm）の実験、また、GHz 繰り返しの実験は未開拓である。本研究では、超放射領域で動作する共振器型 FEL で発生する数サイクルパルスを利用した長波長赤外領域の強光子場実験の第一歩として、気体の電離実験を行った。
2. 実 験 結 果
アルゴンガスを封入した容器中に ZnSe 窓を通して FEL パルスを入射し、容器中に設置した非球面レンズにて FEL パルスを集光した。集光位置における電離反応に伴う発光について、時間波形の測定を行った。この際、中性アルゴンおよびアルゴンイオンの発光線（励起準位間の遷移に伴う）に合わせた
バンドパスフィルター（BPF）を用意し、光電子増倍管（PMT）の前方に BPF を挿入することで、それぞれの励起準位の寿命測定を試みた。
図 1 は、1 気圧アルゴンからの発光の時間波形例である。ここでは、1 価イオン（Ar-II）、中性原子（Ar-I）の発光線にそれぞれ対応する 488 nm、810 nm の BPF を挿入した時の発光波形を、FEL マクロ
パルスの波形とともに示した。発光は二つの波長で異なる時間波形を示しており、中性原子の励起準位がイオンの励起準位に比べて長い寿命を持っていることがわかる。

図 1：488 nm、810 nm のバンドパスフィルターを通した発光の時間波形と FEL マクロパルス波形。

−130−

ZE2023B-20

3. カ スケ ード 電 離の シミ ュレ ーシ ョン
観測された電離発光のメカニズムを調べるため、カスケード電離のシミュレーションを行った。シミュレーションでは、Ar 原子の基底準位、第一イオン化準位に加えて、14 の励起準位を考慮し、逆制動放射による電子加熱、電子衝突励起、電子衝突イオン化、三体再結合、放射脱励起、電子拡散を組み込んだ。図 1 に示した 810 nm の発光は、Ar-I の励起準位間の遷移（810.59 nm: 2p7→1s4、811.7542
nm:2p9 →1s5）によるものと考えられる。シミュレーションにて、これら励起準位に蓄積される原子数の変化を調べた。図 2 は、FEL マクロパルス内での励起準位にある原子数の変化を計算した結果である。第一励起準位（1s）、第二励起準位(2p)ともにミクロパルスの繰り返しごとに原子数が増大していることがわかる。

図 2：FEL ミクロパルス列によるアルゴンの電離シミュレーション。励起準位（1s、2p）の原子数
がミクロパルスの繰り返しにともなって増大している。

また、実験では、容器の清浄度と放電発光の頻度に相関があることが示されたが、シミュレーションに基づく放電発光モデルでこの実験結果を説明できることがわかった。

[論文発表リスト]
R. Hajima, H. Zen, H. Ohgaki, “Laser-induced gas breakdown at KU-FEL”, Proceedings of the40th International Free-Electron Laser Conference, DOI:10.18429/JACoW-FEL2022-MOP28
R. Hajima, K. Kawase, J.K. Koga, H. Zen, H, Ohgaki, “Laser-induced gas breakdown by a trainof femtosecond long-wave infrared FEL pulses”, 2023 48th International Conference on
Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz), Montreal, QC, Canada, 2023, pp. 1-2,
DOI: 10.1109/IRMMW-THz57677.2023.10299282.
［口頭発表リスト］
羽島良一, 川瀬啓悟, 全炳俊, 大垣英明, 境武志, 早川恭史“赤外 FEL による強光子場科学の開拓”,
第 37 回日本放射光学会・放射光科学合同シンポジウム, 2024 年 1 月 11 日,アクリエ姫路, 口頭発表
Ryoichi Hajima, Keigo Kawase, James K. Koga, Heishun Zen, Hideaki Ohgaki, “Laser-inducedgas breakdown by a train of femtosecond long-wave infrared FEL pulses”, The 48th
Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz 2023) 口頭発表

− 131 −

ZE2023B-21

外部共振器を活用した広帯域テラヘルツの大強度化技術の開発÷ĕ Ć 1ş¢ ċ 2şĿÏłħ 112ŝbwe¬Ŋ¹ěġÿüŐÃÇbweĒÐÇěġâ

1 . P@UM÷ěġP¬Ŋ¹IēáAYĚxq
řÅ{9WĖēAYgzuts OªĔãą\ŕĖAY1
KU-FEL O THz-CUR ĳī9WĖēAY
gzuōğìÌ(CTR) ĉP0ŝĀĢŖv\èGÕÒ½tsylOyl¨\ēáI;Y1Áŏ£ê¹Oåİ\Ĕ5H0Âyl\őN¶[CY=JMVX0|f×Ö\ÀÃA
図 1 テラヘルツパルス列を外部共振器で重ね合わせる概念
YJ·òMĢŖvĨÖ\¸I;
Y(º 1)1=ZMVX07QďāLĢ
ŖvOóČ\ªĔ?HvŎçėMĎŃ\­ńAY0LKOßĔ:öÚI;Y1
2 . £ê¹OûĸÕÒ½Oyl\ĮĠAYEUM0Áŏ£ê¹ÛMPď©LĹķ:ÞĵI4Y1ĐÒ½yl\ËŀMAYŉÓO¿¶P0£ê¹Ŕ\ylŖŘOîíM¶[CY0J56øOT\ĈECQĭ5:0ÕÒ½yl\ËŀJAY¿¶P0d^b~Ę\»ÉAYÞĵ:4X0£ê
¹OôđMø:¬[Y1=ZP0 ùOØÜ¼ËĞ£ê¹O¿¶P0£čČ¼OĹķM
ŗÉ>ZY=J:§9Y1 OxqĪXň?I4Y0 . M¶[CHôđ±Ù\ăUE£ê¹\Ċ?E1
3 . ÊŜnru^r~ÊŜP    O ñŖIįFE1 řÅœIĖē?E  $ *!,("%!,("%$+ OřÅ{\{ME5?H
ÖMë¡>ZEŒÎýėMıģ?H  Öð¸MĖē?E  \ts ĉJ?E1ts P   . OÕÒ½Olfu\èG1
SB0ÃĂM²X¦?Ets \mIÔį°?0Ň\¦AĽî\įFE1tsû¦¹\ Āld?H~}]`OÝ\Ĝļ?0D=M^` ui\ĽîAY0J56ãŚ\ĴíĥâIį6=JI0ĦÖĭ<{ŇOéýJL
Y^` ui\ĹÉAYãą\ĜĤAY=J:I;E1=O^` ui\¾ĊJ?H0Áŏ£ê¹OĹī\įF
図2

セットアップ写真−132−

ZE2023B-21
E1nru^r~¥ę\º MĝA1Áŏ£ê¹P¾÷ėM ùOËĞ£čČ¼£ê¹\ÄIæXň?E  Æ¼O`^auJ

図3

共振器とテラヘルツ光の経路およびプロファイル?0æXň?Č\¡«c~J?E1¡«c~MPtsÒOxvyl}_pJ?HÑŁ>ZH5YŒÎrjüŋO\Ĕ5E1£ê¹
O`^auJµČIO¡«tsO~}]`\º MĝA1
4 . ÊŜĩú£ê¹ObvOī\¯9?0£ê¹Ŕ\ldAY=JI0£
ê¹O£Ş´\Ķć?E1º P¤¼
ėLĩúI4Y1£ŞOďà\ĝAê¯\ĶćAY=J:I;E1
図 4 共振器長をスキャンしたときの入力カプラーか
らの反射強度の変化
5 . SJU£ê¹M  Otsyl¨:¡«>Z0£ŞAY=J:ĜļI;E1Û0ÕÒ½yl¨O®đėLĮĠ\ÊĺAYMP0¡«ts Ovh`mOõŌ°J0¡«c~Oõ
Ō°:ÞĵI4Y1=ZW\ņS70VXÂíOyl:ä7YŅÍ¬Ŋ¹IOĻŜ\ûĸ?E51

6 . 2 ľ ï Ė Ĳ  l u 3 8 V R 2 ³ ś Ė Ĳ  l u 3Š³śĖĲluš÷ĕĆ¢ ċ, ĿÏłħ, “ÕÒ½tsylĮĠOEUO Ç£ê¹jltOŕĖ/ñ÷¬Ŋ¹Ç 2023.8.29-9.1, ñ÷ÃÇĒÐÇŏĬþdyl (lp))(# $( (&' - , “High intensity broadband THz pulse generation using external optical cavity/obrjjka 2023.8.30, ŐÃÇÈĄdyl (lp)
− 133 −

ZE2023B-22

超高感度電気化学遺伝子センサーの開発
山名一成 1，高田忠雄 1，森井孝 2
1

2

1.

兵庫県立大学大学院工学研究科
京都大学エネルギー理工学研究所

緒言
DNA や RNA の電気化学検出法は、生化学・生物医学研究および遺伝子診断において高感度・低コ

ストな方法として注目されている。これまでのアプローチには、DNA 補足プローブと標的核酸を電極上でハイブリダイゼーションさせた後、外部の酸化還元メディエーターを用いて表面電荷を検出する
方法、表面に固定した DNA プローブの構造変化をモニターする方法、酸化還元応答分子をラベルした
DNA を捕捉プローブとして標的核酸とハイブリダイゼーションさせた際の電流シグナル変化を検出する方法などが報告されてきた。また、電気化学バイオセンサーと光化学反応を組み合わせた光電気化
学バイオセンサーは、標的分子の高感度な検出をリアルタイムに実現する新しいタイプのバイオセンサーとしても注目されている。DNA や RNA のア
プタマーは、標的タンパク質や低分子に特異的に結合する能力を持つ核酸分子であり、核酸版抗体とみなされ、これらを用いたバイオセンサーの設計に応用されている。
本研究では、酸化還元プローブを有する DNA
を用いた電気化学センサーの検出感度向上を目的とした技術開発を行った。三次元ナノ加工によって作製したピラー型電極を利用したセンサーの開発と機能評価を行った（図 1）。また、核酸
アプタマーを利用した光電流応答型電気化学バ
イオセンサーの開発を行った（図 2）。

図 1. DNA ハイブリダイゼーションを利用した電気化
学検出センサーの概念図。

図 2. DNA 光化学バイオセンサーの原理図。アプタマーが標的分子に結合することによって生じる構造の変化が光電流シグナルの変化を引き起こす。DNA アプタマーに組み込まれた光応答分子は、アプタマーのコンフォメーションの変化に伴い、その周囲の環境が変わることで光電流シグナルに影響を与える。この図では、タンパク質との結合が起こった際の光電流強度の予想される変化を表している。

−134−

ZE2023B-22
2.

結果と考察
3'末端に SH 基、5'末端にアントラ

キ ノ ン (AQ) を 修 飾 し た Molecularbeacon 型 DNA を用いて、SH 基を介して金電極表面に固定した電極（MBE-sensor）を作製した。二本鎖形成によりプローブ DNA の構造が変化し、これによりアントラキノンと電極表面間の距離が変化し、電気化学応答が減少することが分かった（図 3）。 図 3. ナノ構造電極表面上に修飾した MB E-sensor の 0.1V/sec で測定
ピラー型電極では良好な応答が確認したサイクリックボルタモグラム（CV）、カソード電流と CV スキ

され、CV 電流のスキャン速度に対す

ャン速度の関係。

る直線的なプロットからアントラキノンの酸化還元に由来することが示された。また、このセンサーは 10 nMの低濃度でも十分なシグナル変化を示し、広い濃度範囲に対応可能であることが分かった。
次に、トロンビン用アプタマーセンサーとして、5'末端に光酸化分子のナフタルイミド（NI）とアントラキノ
ン（AQ）、3'末端にチオール（SH）基を持つ DNA を用いた。このセンサーは、ターゲット分子（トロンビンお
よび RNA）との結合に伴う光電流強度の信号変化を通じて核酸バイオセンサーとしての性能を評価するために使用した。NI を修飾した電極表面に 340 nm の光を照射すると、光電流応答が観測され、トロンビン存在下では減少することが確認された（図 4）。この電流強度の変化は、標的分子の結合によって引き起こされるアプ
タマーのコンフォメーション変化と、それに伴う NI 近傍の塩基配列変化および電極までの距離変化に起因す
図 4. 光増感剤 NI と AQ を修飾したトロン

ると考えられる。
3.

ビンアプタマー、および 340 nm 光照射時
結論の光電流応答本研究では、ピラー型電極を使用した電気化学的 DNA センサーの開発を行い、高感度な DNA 配列

検出方法であることを示し、マイクロ RNA などの生物学的および臨床的に重要な核酸配列の電気化学的検出に本手法が有望であることが示唆された。さらに、光増感分子を修飾した DNA アプタマーを表面に修飾した電極を作製し、紫外光照射による光電流の発生を示した。モデル標的分子であるトロン
ビンに対する光応答 DNA アプタマーの結合は、分光測定および電気化学測定により確認され、標的分子の結合による光電流強度の変化が明らかとなり、DNA アプタマーを用いた光電流応答型バイオセンサーの有用性が示された。

− 135 −

ZE2023B-23

分⼦振振動励起による酵素を使わない
糖鎖の選択的構造制御研究
本田孝志 1，川西邦夫 2，全炳俊 3，久野敦 4
1

高エネルギー加速器研究機構 物質構造科学研究所
2
筑波大学 医学医療系
3
京都大学 エネルギー理工学研究所
4
産業技術総合研究所 細胞分子工学研究部門

また、医薬品として活用されるヘパリンナトリウム塩の酵素によらない選択的脱離にも成功しており、2022 年度に製作したガスセルを用いた脱ガス成分の評価も行った。ガスセル内の試料に硫酸基に対する振動励起波長（8.2、9.6 µm）を照射し、脱ガス成分を KUFEL 付設の FT-IR で赤外スペクトルを測定した。
図 3(a)に照射前後試料のスペクトルを、図 3(b)に脱ガス成分のスペクトルを示す。図 3(a)の#2 のスペクトル変化は−136−

Absorbance (arb. unit)

糖鎖は第 3 の生命鎖として着目されるが、その生合成には酵素が必要である。糖鎖末端に位置する
シアル酸分子種のうち、N-glycolylneuraminic acid（Neu5Gc）は Neu5Ac を基質として、特異的な酵素である cytidine-5'-monophosphate(CMP)-Neu5Ac hydroxylase（CMAH）により合成される。
Neu5Ac と Neu5Gcの構造の違いは一水酸基（-OH）のみだが、生体内のシアル酸は多量であり、糖鎖の組成に与える影響は大きい。ヒトは Neu5Gc を合成できないが、ヒトの動脈硬化や癌組織に Neu5Gc が蓄積し、抗 Neu5Gc抗体との間で生じる微小炎症がその進展メカニズムの一つであることが報告されている。2022 年度にNeu5Gc に対する赤外自由電子レーザー（IR-FEL）照射実験を行い、照射前後で赤外スペクトルが大きく異なることが観測されている。シアル酸における粉末状態の構造はアノマー状態を有しているが、溶液下では構造が一意に決まっていることが知られていることから、粉末試料を水溶液中に攪拌させた状態での実験を行った。
実験波長は赤外吸収の大きいアミド結合に関する振動励起波長（6.4、8.8、9.6 µm）を用いて照射したところ、図 1 のように実験終了後溶液の色が用いた波長が長くなるにつれて褐色化することが判明した。照射後試料に対してそれぞれ赤外分光光度計（FT-IR）でスペクトルを観測したところ、溶液中試料のスペクトルは類似していたが、乾燥後試料において 6.4 µm 照射後試
図 1 IR-FEL 照射後の溶液試料。
料のみ溶液中構造（準安定構造）を保っており、8.8 及び 9.6 µm 照射後試料は照射前の粉末試料構造（環状構造）へ一部相転移していることを観測した。図 2 に
powderin liquid
Neu5Gc の粉末試料、6.4 µm 照射後の溶液中、乾燥後試
dried
料の赤外スペクトルを示す。1500-1700 cm-1 の Amide I、
II の振動モードに対応するスペクトルが環状構造と準安定構造を区別する指標となっている。現在筑波大学において高速液体クロマトグラフィーによる解析も行っている。

1000 1200 1400 1600
Wavenumber(cm -1)

1800

図 2 粉末、6.4µm 照射後の溶液中および乾燥後 Neu5Gc 試料の赤外スペクトル。

ZE2023B-23
図 3(b)の 1120 cm-1 のピークに対応し、硫酸ナトリウムのスペクトルと一致していることを確認した。
図 3(a)の#1 の変化も同物質のスペクトルに対応しており、脱硫酸反応が起きていることが明らかとなった。脱硫酸サイトに関して、現在 FT-IR 実験に加えキャピラリ電気泳動などの手法から多角的な評価を行っている。
(a)

(b)

図3

(a)未照射/照射後試料および(b)脱ガス成分の赤外スペクトル。

［口頭発表リスト］
T. Honda, K. Kawanishi, H. Zen, A. Kuno, “Enzyme-free selective structural control of glycan by means ofmolecular vibrational excitation”, The 14th International Symposium of Advanced Energy Science -Research
Activities on Zero-Emission Energy Network-, 2023 年 8 月 30 日-9 月 1 日、京都大学宇治キャンパス、Poster
Presentation− 137 −

ZE2023B-24

糖尿病関連インスリンボールに対する赤外自由電子レーザーの適用
土岐明子 1，中村和裕 1，全 炳俊 2
1

群馬大学大学院保健学研究科 生体情報検査科学2
京都大学エネルギー理工学研究所

目的; インスリンボールに対する治療法として赤外自由電子レーザー(FEL)を用いることを可能かど
うか in vitro, in vivo で検討することを本課題の目的とした。
方法；遺伝子組み換えヒトインスリンを同量のグリシン－塩酸溶液（pH2.5）と混合し 55℃で 48 時間
震盪させたのち、遠心（20,000 g; 20 分; 4℃）により生じたペレットを生理食塩水で 5 回洗浄し、インスリン凝集体を作成した。
凝集体を水で希釈して 2.8 mg/ml とし、6 ミクロンの波長の自由電子レーザー（FEL）照射を行った。
照射前後のインスリン凝集体を透過型電子顕微鏡（TEM）と動的光散乱法(DLS)を用いて観察した。
マウスは ICR（日本エスエルシー株式会社）を用い、背部を剃毛し左右に FEL 照射ありと照射なしのインスリン凝集体（1mg/ml）を 70 µl ずつ皮下注射した。１週間後に解剖し、皮膚から筋組織までを切り取った。4％パラホルムアルデヒドで固定し、スクロースによって脱水後、クリオスタットで 25 µlの薄切切片を作成しヘマトキシリン・エオジンにより組織を染色後、光学顕微鏡を用いて観察した。
結果； TEM では低倍率で FEL 照射の有無によらず塊状に見えたが、高倍率では照射によってフィブリル構造を持つ凝集体が断片化された状態が観察された（図１）。
DLS で凝集体の大きさを比較したところ、様々な大きさの凝集体が検出された。照射後の凝集体は照射前の凝集体よりも小さなもの（図 2 矢印）も検出された（図２）。
マウスの皮下組織を光学顕微鏡で観察したところ、投与したインスリン凝集体による組織破壊の程
度は、照射によって大きくは変化しなかった（図３）。
照射なし

照射なし

200nm

2µm
照射あり

照射あり

200nm

2µm

−138−

図１電顕画像ZE2023B-24

個数分布 (%)

30
25
20

15
10
5
0

図２

1

10

100

DLS による凝集体の大きさの解析、上段

1000

10000

100000照射なし：下段

照射あり

1000000

光学顕微鏡によるマウスの皮下組織の観察；A は FEL 照射なし、B は FEL 照射あり。
B
A

図３

光学顕微鏡によるマウスの皮下組織の観察；A は FEL 照射なし、B は FEL 照射あり。

考察；インスリン凝集体に対する赤外自由電子レーザー照射は、凝集を解離することが示唆された。しかしながら、マウスにインスリンを皮下注射したときの組織破壊の程度の差については、光学顕微鏡
レベルの弱拡大では明らかな変化を検出できなかった。今後は電子顕微鏡による強拡大を試し、また、頻回な皮下注射によって組織への大きな変化を引き起こした時の照射による差異を検討したい。
「論文発表リスト」および「口頭発表リスト」[論文発表リスト]
Okumura H, Itoh SG, Zen H, Nakamura K. Dissociation process of polyalanine aggregates by free electron laser
irradiation. PLOS ONE, 18, e0291093, 2023.
［受賞、プレス発表等］該当なし［口頭発表リスト］
Katano-Toki A, Yoshida K, Shirota Y, Zen H, Nakamura K.
Contribution of infrared laser irradiation to diabetes-related pancreatic dysfunctions
第１４回エネルギー理工学研究所国際シンポジウム, 2023 年 8 月 京都 ポスター

− 139 −

ZE2023B-25

中赤外自由電子レーザーにより半導体表面に形成される微細周期構造のその場計測
橋田昌樹 1,2，升野振一郎 2，全 炳俊 3
1

東海大学 総合科学技術研究所、2 京都大学 化学研究所、3 京都大学 エネルギー理工学研究所

1 . はじめに本課題ではレーザー誘起微細周期構造（LIPSS）の中でもこれまで理解がほとんど進んでいなかった微細 LIPSSについて、その形成機構解明の手掛かりを得るために形成過程のその場観察を行い、微細 LIPSS 形成の初期状態明らかにすることを目標としている。これまで、中赤外の自由電子レーザー照射によりできる微細 LIPSS をパル
スレーザーにより時間分解計測することで微細 LIPSS を形成する表面プラズマ波を捉えることに成功している。
表面プラズマ波の初期形成過程を調べるためには、ミクロパルス列を単一にし、単一レーザーパルス照射によりできるプラズマ密度変調を捉える必要があることが推察された。ミクロパルス列を単一にする第一ステップとして本年度は、プラズマミラーによりミクロパルス列を 6000 程度から 30 程度に切り出す実験を開始した。

2 . 実験
プラズマミラーの光学配置を図１に示す。中赤外（ピーク波長11.4µm）自由電子レーザーはマクロパルス幅
2µs、繰り返し周波数0.5Hzで出力されたものを実験に用いた。プラズマミラー（Ge）は２枚設置しマクロパルス
幅を短くした。プラズマミラーにはYAGレーザーを照射することでプラズマを生成し、そのプラズマで中赤外自由電子レーザーパルスを反射させた。中赤外自由電子レーザーのマクロパルス幅は2µsであるがプラズマミラー
によりパルス幅は10ns（FWHM）になった。10nsのパルス幅中に含まれるミクロパルス列は29pulseであった。ミクロパルスを少なくしてもSi表面にはLIPSSが形成されることを確認した。
微細LIPSS形成実験ではSiの他にSiCも実施し、加工痕周辺にできる微細LIPSSと中央部にできるLIPSSを確認（図２）。微細LIPSSはレーザーの偏光方向に平行、LIPSSは偏光に垂直方向にできていた。今後、Siの他にSiCにできる微細LIPSSとLIPSSを観察し、形成時間の違いも観測する計画である。

3 . 論文発表リスト[論文発表リスト](1) R. Miyagawa, D. Kamibayashi, H. Nakamura, M. Hashida, H. Zen, T. Somekawa, T. Matsuoka, H. Ogura, D. Sagae, Y.
Seto, T. Shobu, A. Tominaga, O. Eryu & N. Ozaki: " Crystallinity in periodic nanostructure surface on Si substrates
induced by near- and mid-infrared femtosecond laser irradiation", Sci. Rep. 12(2022)20955.
(2)橋田昌樹、古川雄規、井上峻介、升野振一郎 ：”レーザー誘起微細周期構造形成機構解明のためのその場計測”：光アライアンス 2022 年７月号（2022)pp.6-9.
(3)Shin-ichiro Masuno, Masaki Hashida, Heishun Zen: “Formation of periodic surface structures on semiconductors
under mid-infrared free electron laser irradiation”, IEEJ Transactions on Fundamentals and Materials 143(2023)pp.320-324.

−140−

ZE2023B-25［受賞、プレス発表等］
プレスリリース 2023 年 1 月 10 日 LIPSS の結晶性に関する成果（Sci. Rep. 12(2022)20955）
https://www.kuicr.kyoto-u.ac.jp/sites/icr/topics/230110/［口頭発表リスト］(i)
S. Masuno, M. Hashida, H. Zen, M. Kusaba, S. Tokita "Pump probe measurement of the periodic
surface structure formation by 11.4μm laser", APLS20232023 年 9 月 6 日（Hakodate, Japan）(ii)
橋田昌樹：”パルスレーザーアブレーションによる微細構造物形成の基礎と応用”、招待講演、第70 回応用物理学会春季学術講演会、2023 年 3 月 16 日（上智大学四谷キャンパス）(iii)
升野振一郎、橋田昌樹、全 炳俊、時田茂樹：”中赤外線自由電子レーザーパルス列を用いた微細周期構造形成のポンププローブ計測”、口頭発表、第 70 回応用物理学会春季学術講演会、2023
年 3 月 17 日（上智大学四谷キャンパス）(iv)
橋田昌樹：”先端ビームによる微細構造形成解明のためのその場観察”、口頭発表、第 9 回 高強度レーザーと物質の相互作用に関する研究会、2022 年 12 月 8 日（核融合科学研究所）(v)
橋田昌樹：”太陽電池性能向上を目指した高品位レーザ加工による表面構造付与” 招待講演、2022
年度天田財団助成式典、2022 年 12 月 3 日（日比谷コンベンションホール）(vi)
橋田昌樹：”FEL による微細構造形成のその場計測”、福井セミナー（レーザー普及セミナー）、2022 年 8月 103.
(vii)
M. Hashida, S. Masuno, Y. Tanaka, H. Zen, T. Nagashima, N. Ozaki, H. Sakagami, S. Inoue, S. Yamaguchi
and S. Iwamori: ”In situ measurement of LIPSS formation with high-spatiotemporal resolution", 21 April(2022)
SLPC2022, Pacifico Yokohama,(viii) S. Masuno, M. Hashida, H. Zen, T. Nagashima, N. Ozaki, H.Sakagami , S. Yamaguchi, S. Iwamori: "Spatial
profile measurement of mid-infrared free electron laser for LIPSS research", 21 April(2022) SLPC2022,
Pacifico Yokohama. 10 日（リモート開催）− 141 −

ZE2023B-26

ヘリオトロン J 装置におけるインコヒーレントディジタル
ホログラフィを用いた三次元発光分布計測システムの開発
川染 勇人 1，西野 信博 2，門 信一郎 3，宮崎 貴大 1
1

香川高等専門学校情報工学科
2
バウヒュッテ
3
京都大学エネルギー理工学研究所
1. はじめに
ヘリオトロン J 装置は、特徴的な立体磁気軸を有しており、その磁場配位による粒子閉じ込め改善の検証が重要な課題の一つとして挙げられる。立体磁気軸配位は３次元構造であり、それに起因する物理特性を３次元で測定することが、効果的であると言える。通常、分光計測は線積分値であり、このような測定において、２次元分布を得るには、計測視線を複数本並べるアレー等を用いて、アーベル変
換や CT 法を適用する。また、同様に３次元画像は、２次元画像を残された１軸方向にスキャンすることで得られる。しかしながらヘリオトロン J 装置では、２次元分布を得るために必要な視線アレーの確保や観測ポートの制限によりトロイダル方向へのスキャンが困難であり、また、限られた放電回数
内でのスキャニングは非効率的であり、現実的ではない。そこで、本研究では、インコヒーレントディ
ジタルホログラフィによる３次元発光分布画像の測定の有効性を検証することを目標とする。本年度
は、Off-axis 光学系により検証実験を行った。
2. Off-axis 光学系によるインコヒーレンディジタルホログラフィ
インコヒーレントディジタルホログラフィでは、観測物体にインコヒーレントな光源を照射して、その反射光を用いて自己干渉を起こすことによりホログラムを記録する。本研究では、プラズマ自体が発光体であることを利用するため、参照光の照射は必要ない。令和４年度は He-Ne レーザーを光源とした位相シフト法による検証実験を行った。位相シフトを実現する際に通常は、ピエゾ素子を用いるが予算の都合上、高分解能電動ステージを使用した。その結果、レーザー光源の像再生を行うことが出来た。しかしながら高分解能電動ステージの動作を高磁場下で保証することが難しいことから、本
年度は、フーリエ変換法(FT 法)により物体光を割り出し像再生する手法を検証する事とした。
図１に構成された Off-axis 光学系とその模式図を示す。CCD カメラは、位置を調整出来るように分解能の高い光学ステージ上に置かれている。FT 法では、測定された干渉パターンに２次元フーリエ変
Mirror-1

Mirror-2

Beamsplitter
He-Ne laser

Aperture
CCD detector

図 1 構築した Off-axis 光学系(左図)と off-axis 光学系の模式図(右図)。

−142−

ZE2023B-26
換を施し、パワースペクトルとして０次光、物体光および共役像を得る。このパワースペクトルにマスクを施し画像処理を行うことがで、物体光のみを取り出して像再生を施す。この際、物体波と参照波とが同軸でイメージセンサーに入射する On-axis 光学系では、０次光と物体光や共役像が重なってしまうため適切なマスクを設定することが困難となる。一方、物体波と参照波を別々の光路で伝搬させてイメージセンサー上で合流させる Off-axis 光学系では、０次光、物体光、共役像をそれぞれパワース
ペクトル空間上で分離することが出来る。
3. Off-axis 光学系による干渉縞の測定とフーリエ変換法による像再生
図２に Off-axis 光学系により測定されたパターンとそれに２次元フーリエ変換を施したパワースペ
クトル図を示す。パワースペクトル図では、共役像、０次光および物体波がそれぞれ分離されているこ

共役像

０次光

物体波

Off-axis 光学系により測定された干渉縞(コントラスト調整済)(左図)とそれに２次元フーリ
エ変換を施したパワースペクトル(右図)。

図２とが分かる。像再生に必要となるのは物体波のみであるので、それを残すように設定されたマスクを作成して画像処理を施す。その後、画像処理されたものに逆フーリエ変換を施し、さらに光線追跡により像再生したものが図３である。光源は He-Ne レーザーであるので、再生像はそのスポット像を表す。したがって、図３の再生像は妥当であり、Off-axis 光学系により IDH を行うことが十分に可能であると言える。しかしながら CCD 受光面の位置調整が甘く図２の左図に示すように干渉縞が鮮明に測定できておらず、光学的アライメントをシステマティックに行う手法の確立が課題として挙げられる。
4. まとめIDH 用いて、ヘリオトロン J 装置において Ha線の発光強度分布を３次元計測することを目標として、He-Ne レーザーを光源とし、Off-axis 光学系による自己干渉縞の測定とその再生像をフーリエ変換法により取得する方法の原理検証を行った。その結果、妥当な再生像を得ることができた。しかしなが図３ 再生像。再生位置は CCD 受光面から光路上 50cm の位置。
ら、光学アライメントの系統的に実施する手法の開発の重症性が示された。現在、解決策として CCD 受光面の位置調整のための干渉計用レーザーを新たに設置することを検討している。その後、インコヒーレント光であるLED と水素ランプを光源とした自己干渉縞の測定と像再生を行う。また、実際にヘリオトロン J 装置での測定に向けて、観測ポートの選定や治具の設計製作および光学系の再構築を行う予定である。

− 143 −

ZE2023B-27

高燃焼度炉心材料用粒子分散型ハイエントロピー合金の創製
岡弘 1，橋本直幸 1，新野拓夢 2，藪内聖皓 31

北海道大学大学院工学研究院材料科学部門
2
北海道大学大学院工学院材料科学専攻
3
京都大学エネルギー理工学研究所

1. 目 的原子炉および核融合炉などの次世代型エネルギー炉の安全な稼働には、高温かつ高エネルギー粒子
照射環境に十分な耐性を持つ構造材料が必要である[1]。既存炉心材料の中でも FCC 構造を有する 316
ステンレス鋼は、優れた高温強度及び耐食性を有するが、燃料の高燃焼度化による長期間の中性子負荷環境下では、照射による原子弾き出し及び照射欠陥の蓄積に起因する体積膨張（ボイドスウェリング）が課題である。近年、特異な材料特性を有するハイエントロピー合金が盛んに研究され、構成元素数やその組み合わせによっては優れた高温強度[2]や耐照射性[3]をもつとして注目されている。特に原子力材料として Co を含まない CrFeMnNi 系 FCC 型ハイエントロピー合金は、中性子照射データが取得され[4]、材料構成原子の拡散挙動や照射欠陥形成挙動に関する報告も増えつつある[5]。一方、機械的特性や耐照射性の向上が期待できる手法として、母相中に高温下でも安定な酸化物を分散させる酸
化物分散強化（ODS）が挙げられ、特にフェライト鋼を中心として多数の適用例が存在する。ナノサイ
ズの酸化物粒子と母相の界面は、照射による欠陥の消滅場所となり、材料中に導入することで耐照射性を向上させるものと期待される。本研究では、CrFeMnNi 系 FCC 型ハイエントロピー合金を母材とし、ナノサイズ酸化物を微細かつ高密度に分散することで耐スウェリング性を向上させた新しいハイエントロピー合金を創製し、その引張強度特性及び照射下でのキャビティ形成挙動について調査した。
2. 実験方法
新しい合金の母材として FCC 型ハイエントロピー合金である Cr0.8FeMn1.3Ni1.3 合金を選択し[6]、Y2O3
粉末及び Ti 粉末を添加して遊星型ボールミル（FRITSCH pulverisette 5）によりメカニカルアロイング（MA）を行った。本研究では、創製プロセスを確立することを念頭に、Cr, Fe, Mn, Ni の各単体金属粉末（純度 99.9 %）から作製する場合と、ガスアトマイズ法で作製した合金粉末を使用する場合の 2 通りを実施した。単体金属粉末の粒径は MA 粉末の収率に大きく影響するため、本研究では 75 μm 以下の粉末を使用した。また、MA に用いたポッドは高硬度ステンレス（SUS440C 相当； Fe-17Cr-0.5Mo1.1C）を採用した。MA によって得られた粉末を放電プラズマ焼結装置（住友石炭鉱業㈱製、DR.SINTER.LAB SPS-510L、Fig. 1）を用いて、真空度 0.1 Pa 以下、900 ⁓ 1100 °C の条件下で焼結し、バルク焼結体（20 mmφ × 8.0 mm）を得た。X 線回折（XRD、リガク SmartLab）にて SPS 前後の結晶構造を同定するとともに、各試料の機械特性、結晶粒径、分散粒子のサイズ分布について、それぞれビッカース硬度試験、室温引張試験、電子後方散乱回折（EBSD）、透過型電子顕微鏡（TEM）により評価した。

−144−

Fig. 1 Configuration of spark plasma
sintering equipment

に お け る ト リ プ ル イ オ ン 照 射 （ Fe3+, 15 appmHe/dpa, 40
appmH/dpa）を行った。照射後、FIB 法にて TEM 観察用薄膜試料を作製し、注入された He 及び H が分布している領域である表面から深さ 1～1.5 µm の領域（Fig. 2、23.4 dpa に相当）に形成したキャビティの数密度およびサイズ分布を

100

Ion injection rate (appm/dpa)

また、照射下でのキャビティ形成を評価するため、500 °C

100
H

80

80

dpa

60

60

40

40

20
0

20

He
0

1

Depth(µm)

230Displacement Damage (dpa)

ZE2023B-27

Fig. 2 Depth distribution of displacement
damage, helium and hydrogen in triple-ion
irradiated specimen

調査した。
3. 結 果MA 後の XRD 結果からは、いずれの試料においても FCC 構造由来のピークのみが確認されたことから、単体金属粉末は MA により合金化し FCC 単相となることが分かった。また、単体金属粉末または合金粉末どちらの場合においても、MA 後には Y2O3 の明確なピークは見られなかったことから、本研究の MA 条件下において Y2O3 は Cr0.8FeMn1.3Ni1.3 母相に強制固溶するものと推察される。SPS 焼結材の TEM 観察の結果、Y を含む析出物が確認されるとともに、ビッカース硬度と Y2O3 添加量に相関がみられた。従って、SPS 時の入熱により Y 系析出物が再析出し、分散強化機構により強度上昇に寄与したと考えられる。焼結温度と室温引張特性との関係を調査したところ（Fig. 3）、1000 °C 焼結材は 810
MPa 程度の降伏応力及び十分な延性を示した一方で、高温側の 1100 °C 焼結材では降伏応力、引張強
さともに低下した。EBSD 及び TEM 観察の結果より、強度低下は高温で焼結したことによる母相結晶粒の粗大化及びナノ粒子の粗大化に起因していることが示された。トリプルイオン照射の結果、Y2O3
無添加試料に比べ、0.5 wt%Y2O3 添加試料ではキャビティスウェリングが減少し、キャビティのいくつかはナノ粒子に隣接しているものが観察された。これは、ナノ粒子界面が点欠陥のシンクサイトとして機能し、空孔と格子間原子が再結合して消滅することで、キャビティの核生成頻度が減少したことを示唆している。一方、焼結体中に形成する粗大 CrMn 酸化物近傍には粗大なキャビティの形成がみられる傾向にあることから、さらなるスウェリング抑制のためには粗大CrMn 酸化物の形成を抑制する必要がある。
References[1] J.L. Straalsund et al., J. Nucl. Mater. 108–109 (1982) 299.
[2] Y. Lu et al., Sci. Rep. 4 (2014) 1–5.
[3] C. Lu et al., Nat. Commun. 7 (2016) 13564.
[4] C. Li et al., J. Nucl. Mater. 527 (2019) 151838.
[5] C. Parkin et al., Acta Mater. 198 (2020) 85–99.
[6] N. Hashimoto et al., J. Nucl. Mater. 566 (2022) 153767.

Fig. 3 Stress-strain curves of particle-dispersedhigh entropy alloy sintered at different temperature

4. 「口頭発表リスト」▪ H. Oka, T. Niino, K. Ono, N. Hashimoto, “Microstructure and tensile properties of reduced activation ODS
medium-entropy alloys” The 21st International conference on Fusion reactor materials (ICFRM-21), Granada,
Spain, 2023.10.22-27.
▪ [招待講演] 岡 弘、原子力用粒子分散ハイエントロピー合金の開発研究、東北大学金属材料研究所
大洗・アルファ合同研究会, 東北大学東京オフィス, 東京, 2023.9.27.
▪ [基調講演] 岡 弘、新野 拓夢、佐藤 幹、橋本 直幸、ナノ構造を有する原子力材料用 MEA の開発
研究日本金属学会 2023 年秋期(第 173 回)講演大会, 富山大学五福キャンパス, 2023.9.19-22− 145 −

ZE2023B-28

大気圧プラズマ照射による活性酸素ラジカル
生成過程の最適化
松浦寛人 1,2，ブイスアンニャットソン 2，仲野匠 2，吉永直樹 2，
朝田良子 1,2，土戸哲明 1，坂元仁 1, 武村祐一朗 3, 門信一郎 41

大阪公立大学研究推進機構
大阪府立大学大学院工学研究科
3
近畿大学理工学部
4
京都大学エネルギー理工学研究所
2

1. 本研究の目的
プラズマプロセスは 20 世紀後半に製造業の基盤技術として発展し、その応用の対象が生体を含んだ医療、農業、環境保全の分野に広がってきている。申請者は、これまでに一連の研究課題で、これらの新しい分野に適用可能な、熱的非平衡大気圧プラズマ源の開発、分光法およびこれを補う計測法の開発を進めてきた。また、申請者のグループが開発改良しているプラズマ源を用いて、液中の有害化学物質の分解や大腸菌の不活化に大気圧プラズマジェットが生成する活性酸素ラジカルが有効な働きを示すことを見出してきた。
本研究課題では、プラズマ照射界面での化学反応を物理的に計測する触媒プローブをプラズマ源の最適化研究に新たに導入する。触媒プローブ法は、大気圧プラズマと固体触媒表面での化学反応を、熱量計測を通して定量化するものであるが、熱量モデリングの共通化にはいたっておらず、特に日本では久しく研究が途絶えている。エネルギー理工学研究所で永年培われたプラズマ分光計測を適用する
ことにより気相中での活性酸素ラジカルや分子イオンの挙動、ラジカル生成の効率化のための基礎データを習得できると期待される。これまでの、本拠点での共同研究で開発した化学プローブは、プラ
ズマ源周りの気相中およびプラズマ照射された液相中のラジカル研究に有用なツールとなった。本申請の触媒プローブは両相での化学過程を結びつける知見を与えると期待される。また、熱量計測に関しては、本拠点での研究とは直接の関係がないが、双方向共同研究でのダイバータプラズマの熱流計
測での知見を流用し、本研究での知見を逆に波及したりする可能性がある。
2. 酸素ガス混合の効果
図 1 は、誘電体バリア放電プラズマジェットを照射した水ターゲットの温度上昇から評価した熱流束をターゲットの設置位置の関数としてプロットしたものである。低圧プラズマと異なり、プラズマ熱流束はター
ゲットバイアスの影響がこれまで認められておらず、電子などの荷電粒子ではなく中性粒子、例えば化学活性種が主なキャリアとなっていると考えられている。
放電ガスへの酸素混合がない場合、活性種の元になる
酸素はジェット外周から拡散または混合によってのみ供給されるのに対し、酸素ガスを混合すると効率的に活性種の生成反応が促進され、そのために熱流束が 図 1 プラズマジェット軸方向の熱流束分布に50%ほど増加していると考えられる。
対する酸素ガス添付の効果。

−146−

ZE2023B-28
3. 水表面パルス放電の基礎
大気圧プラズジェットは一般にサイズが小さいため、農業や環境応用を考えると必ずしもベストのプラズマ源ではない。しかしながら、電極の一つを水に置き換え、プラズマの生成を気液界面で起こせば処理すべき水中に効果的に化学活性種を送ることができると期待される。既存の針電極と金属円盤を用いた研究を元に、界面放電の特性を調べた。図 2 にその例を示す。設置電極を沈めた水の深さが大きい
ためか、既存の直流電源では放電は起こらなかったが、パルス電源を使うことで安定な放電が維持できた。用いた電源の優劣を評価するため、放電維持電力の大小の評価を開始している。今後は、DBD プラ
ズマジェットと同様にラジカル計測も進める予定である。

表 1 フォーマットは自由ですが、キャプションには MS 明朝 10pt（数字やアル
ファベットには Times New Roman 10pt）を用い、表の上側につけてください

図 2 金属針と水面の間のパルス放電。生成されたプラズマが界面に 1 センチ程度広がっている。

[論文発表リスト]
T.N.Tran, M.Hu, T.Ogasawara, Y.Iwata, H.Suzuki, J.Sakamoto, M.Akiyoshi, H.Toyoda, H.Matsuura,“Polyvinyl alcohol–potassium iodide gel probe to monitor the distribution of reactive
species generation around atmospheric-pressure plasma jet”, Plasma Science and Technology,
Vol.25, 2023, (発行済)DOI 10.1088/2058-6272/ac9891.
［口頭発表リスト］
H.Matsuura, T.Nakano, Y.Okamoto, M.Hu, T.N.Tran, R.Asada, Y.Iwata, H.Suzuki, H.Toyoda,“Study on oxygen gas addition effect on radical production of argon atmospheric pressureplasma”，，15th International Symposium on Advanced Plasma Science and its Applications for
Nitrides and Nanomaterials，March 6, 2023，Gifu University, (ポスター).
松浦寛人、トラントラングエン、岡本陽太、胡敏、仲野匠、岩田悠揮、鈴木陽香、豊田浩孝, “大気圧プラズマによるラジカル生成に及ぼす酸素ガス混合の効果”，，第 70 回応用物理学会春季学術講演
会，令和 5 年 3 月 15 日、上智大.
仲野匠、胡敏、トラントラングエン、朝田良子、松浦寛人, “触媒金属が受けるプラズマ熱流束の増加現象を用いたラジカル密度測定”，，第 70 回応用物理学会春季学術講演会，令和 5 年 3 月 15 日、上智大.
H.Matsuura, T.Nakano, " Consideration on heat generation by catalytic reaction of platinum
plate ",,25th International Symposium on Plasma Chemistry, May 26, 2023, Kyoto.
関林、松浦寛人、仲野匠, “パルス電源を用いた気液界面放電の基礎特性”，，応用物理学会関西支部
2023 年度第 2 回講演会，令和 5 年 11 月 2 日、関西学院, (ポスター).
H.Matsuura, T.Nakano, L.Guan, R.Asada, " Comparison of chemical probe reaction and biologicaleffect of atmospheric pressure plasma jet under radical production promotion condition ",,13th Asian-European International Conference on Plasma Surface Engineering, November 7, 2023,
Busan,(ポスター).
T.Nakano, H.Matsuura, M,Akiyoshi, R.Asada, " Study on Energy Carriers’ contribution of
Atmospheric Pressure Plasma Jet ",, 44th International Symposium on Dry Process,November 22, 2023, Nagoya, (ポスター).
松浦寛人、中野匠、ブイスアンニャットソン、朝田良子，“プラズマ熱流束のエネルギーキャリアに関する再考察”，，プラズマ・核融合学会第 40 回年会講演会，令和 5 年 11 月 27 日，盛岡．

− 147 −

ZE2023B-29

複雑なエネルギーシステムの先進的な故障診断・信頼性評価手法の実験研究吉川榮和 1、森下和功 2、小林進二２、新田純也 3、 松岡猛 4、黒江康明 5、辻倉米蔵６、
安部正高 7、五福明夫 8、李徳衡 9、出町和之 10 
1京都大学名誉教授、2 京都大学エネルギー理工学研究所、

３

アルカデイア・システムズ㈱、4 宇都宮大学地域創成推進機構、

5

京都工芸繊維大学、6（元）関西電力、日本原子力研究開発機構、

７

京都大学エネルギー科学研究科、8 岡山大学ヘルスシステム統合科学研究科、
9Redasen Co.、10東京大学大学院工学系研究科


1. はじめにー2022 年度の研究と 2023 年度の研究計画
本研究は昨年度から 2 年間継続の提案型共同研究で、その趣旨は、京大エネルギー理工学研究所にはゼロエミッションエネルギーインフラを構成する計測器、電動機、変圧器、弁、配管、電線ケーブル等が多数の実験設備で用いられているので、個々の機器の劣化や故障診断手法の開発検証の場として活用し、設備全体の信頼性評価やリスク予測
解析手法の開発検証を実験的に行い、複雑なエネルギーシステムの運用管理のための高度ＩＣＴ基盤の構成に役立てるものとした。
昨年度はシンビオ社会研究会主催の令和 4 年度第 1 回研究談話会で、リスク情報に基づく保全（risk-informed maintenance）に移行する機運にある原子力発電事業におけるリスク情報に基づく保全の指向する方法論の講演や原子力施設でのセキュリテイ対策の一環として施設の監視カメラ画像に AI 画像認識を適用する研究状況の出町氏による講演を発表した。(1)また機器構成が比較的単純なエネルギー理工学研究所の DuET 実
験施設に電気機器の高調波診断システムを設置しその施設を構成する電動機等の電気機器の劣化検知診断実験を行った。令和 4 年度の ICT 適用による保全工学高度化に関する共同研究計画の紹介、実験結果の新田純也氏による報告、松岡猛氏によるシステムの動的信頼性解析法 GO-FLOW の解析機能の向上について、令和 4 年度第 2 回研究談話会で
（２）
発表した。


今年度の研究では、機器構成の複雑なヘリオトロン核融合実験施設を対象にその構成機器の劣化診断、故障検知実験を行うだけでなく GO-FLOW による信頼度解析モデルにより動的信頼性の定量評価を行うことにした。また核融合プラズマのシミュレーションに
データ同化の概念を適用する新たな研究課題を調査することとした。
２．2023 年度の研究実施結果の要約
本年度に行った共同研究について実施順に概要と結果を述べる。
(1) 令和５年５月１１日の第１回シンビオ講演会で小林進二氏によるヘリオトロン J

−148−

ZE2023B-29

実験装置の紹介とプラズマ計測についての講演。(3)
(2) 令和５年 6 月 29 日エネルギー理工学研究所で ZOOM 併用のハイブリッド形式で共同
研究の全メンバーによるワークショップを行い、令和 5 年度の共同研究の実施計画を討議するとともにヘリオトロン核融合実験施設の実験設備の見学会を行った。その結果、本年度ヘリオトロン J 設備を対象に、①電気機器の高調波診断システムによる劣化診断（新田純也）、②GO－FLOW によるヘリオトロン実験設備の信頼性評価（松岡）、③データ
同化の適用によるプラズマシミュレーションの高度化（黒江康明）の 3 つのテーマを実施することとした。
(3) ２０２３年８月３０日、上記(2)に述べた３つの研究テーマの結果報告と今後の予定を第１４回先進エネルギー科学国際シンポジウム（ゼロエミッションエネルギーネッ
トワークの研究活動での Ze ポスターセッションで英文ポスター発表した。（４）
(4) 上記以降は、3 つのテーマのグループが個々にヘリオトロンの小林進二氏と連絡を取りながら個別に研究を実施した。
(5)その後令和 5 年 12 月 13 日に令和 5 年度第 1 回研究談話会を開催し 3 つの個別テー
マの実施結果の報告とレビュー、核融合科学研究所六ケ所研究センター横山雅之氏による招待講演「核融合研究におけるデータ駆動アプローチから統計数理核融合学の提案」ののち、今後の共同研究課題を討議した。(5)
３．結論と今後の展望
本年度実施の 3 テーマのうち、①、②は今後もヘリオトロン J 装置を対象に今年の結果を踏まえ研究を深化したいとする一方で、③は本年度にはヘリオトロン装置を対象に実験や解析が行われたわけでなく、今後新たに共同研究メンバーを募って別途に研究計画を立てたいとの黒江氏の希望を踏まえ、ヘリオトロンを対象にしたテーマ①、②の継続発展を図るとともに昨年度着手のシステム故障や劣化診断、リスク解析による信頼度
評価による安全対策やセキュリテイ対策に関する高度 ICT 技術の研究調査と統合して、企画共同研究テーマ３（エネルギー科学におけるデイジタルトランスフォメーション）
へ発展を期すことにした。
参考文献
(1) Symbio N＆R, Vol.12,No.1, 2023 (symbio-newsreport.jpn.org)
(2) Do, Vol.12, No.2, 2023 (do).
(3) Do, Vol.12, No.３,2023 (do).
(4) Do, Vol.12, No.6,023 (do).
(5) Do, Vol.12, No.8,2023 (do).

− 149 −

ZE2023B-30

ホウ素イオンを含む溶融塩のラマン分光測定
片所優宇美 1，法川勇太郎 2，大石哲雄 1，野平俊之 2
1

産業技術総合研究所ゼロエミッション国際共同研究センター
2
京都大学エネルギー理工学研究所

1 . 研究背景および目的
高純度ホウ素は、太陽電池をはじめとし、半導体産業におけるドーパンド材として重要な原料であるが、現在は引火性や爆発性が高いジボランを経由する方法で合成されている。溶融塩電解による単体ホウ素の製造は、上記ジボランを扱う必要がなく、単一工程で製造できるという利点がある。最近、
著者ら(片所・大石)は、LiCl–KCl ベース浴における単体ホウ素の生成を報告し、溶融塩電解によるホウ素製造の可能性を示した 1。一方、より適切な溶融塩組成や電解条件の導出には、溶融塩中へのホウ素
化合物の溶解形態に関する知見が必要であるが、現状では未知な部分が多い。本研究では、ホウ素イオ
ンを含む溶融塩のラマン分光測定により、ホウ素イオンの溶解形態を考察し、最終的にはこれと電解挙動および溶融塩組成との因果関係を明確化することにより、ホウ素電解に最適な溶融塩組成の特定を目指す。また、本研究において溶融塩中のホウ素化合物の挙動が明らかになれば、この知見をホウ素
製造プロセスの開発だけでなく、溶融塩を用いたホウ素を含む廃製品（太陽光パネルやネオジム磁石）のリサイクルプロセス開発にも生かすことができる。
2 . 実験方法
昨年度に引き続き、本研究ではホウ素源としてこれまでの研究 1-3 で実績のあるテトラフルオロホウ酸カリウム(KBF4)を用いた。初めに、ラマン分光測定用の溶融塩の調整および採取を行った。LiCl–KCl–
KBF4 (モル比 48：35：17) 20 g をグラッシーカーボンるつぼにセットし、電気炉付きグローブボックス
内で 723 K に昇温した。その際、溶融塩採取時の操作性のため、電気炉の蓋にパイレックスガラスを採用した。パイレックス管(内径 3 mm× 外径 5 mm)およびピペットポンプを用いて塩を採取した。採取した塩は、グローブボックス内で保管した。試料の持ち運び時には、グローブボックス内で真空パックした状態を保ち、オープンドライチャンバー内（露点－50℃以下）での作業直前まで、大気中の水分との接触を避けた。同様に LiCl–KCl–CsCl–KBF4 (モル比 52：12：26：10) 25 g をグラッシーカーボンる
つぼにセット・溶融し、パイレックス管で塩を採取した。次に、これらの塩および試薬の KBF4 をラマ
ン分光測定に使用した。試料はオープンドライチャンバー内で大きさ約 1～3 mm の粒状に砕き、白金パンに充填し、顕微鏡用加熱ステージ(リンカム社製)にセットした。その後、加熱ステージを顕微ラマ
ン分光装置(Nanofinder30、東京インスツルメンツ社製)にセットし、LiCl–KCl–KBF4 は室温から 723 K、
LiCl–KCl–CsCl–KBF4 は 623 K の条件下で波長 532 nm もしくは 632.8 nm のレーザーを使用して、ラマン分光測定を行った。試薬の KBF4 は 298 K および 723 K で同様の測定を行った。ラマンスペクトルのピーク波数の計算値は、Materials Project4 から得た LiBF4、KBF4、CsBF4 の結晶構造を用いて Quantum
ESPRESSO 6.55 の Phonon パッケージを使用し算出した。
3 . 実験結果
図 1(a)に LiCl–KCl–KBF4 (723 K)のラマン分光測定結果を示す。室温から 573 K 付近までは複数のピークが見られていたが、623 K 付近から 723 K までのスペクトルでは 767 cm−1 のピークのみが検出された。一方、昨年度は同様の系で 773 K において複数のピークが見られたと報告した。一般的に、無機
固体では、結晶構造が残存している状態の方がピーク数は多くなるため、昨年度の測定ではおそらく温度制御の不具合か加熱時間が十分でないなどの理由で溶融した状態で測定されていなかったと考えらえる。図 1(b)に LiCl–KCl–CsCl–KBF4 (623 K)のラマン分光測定結果を示す。LiCl–KCl–KBF4 よりも低波数側の 729 cm−1 に比較的明瞭なピークが見られた。図 1(c)、(d)にそれぞれ 723 K、298 K におけるKBF4 のラマン分光測定結果を示す。298 K ではピークが多数見られたが、723 K ではピーク数が減少
し、361、529、771 cm−1 にのみピークが見られた。

−150−

ZE2023B-30(a)767
LiCl–KCl–KBF4(723 K)

(b)

729

Intensity / a.u.

表 1 に結晶構造から算出されたラマンピーク波数の計算値と KBF4(298 K)で得られた実験値の比較を示す。実験値が計算値より高波数になる傾向がある
ものの、KBF4 のラマンスペクトルのピーク位置は、
報告値 6 とおおよそ一致した。一方、今回の測定では、文献 6 で報告されている 1010 cm−1 付近のピークは見られなかった。これの原因については現時点で不明であり、今後さらなる検討が必要である。
KBF4 を含む溶融塩のラマンスペクトルは、CsClの有無に関わらず明瞭なピークは 700 cm−1 台に観測された。このピークは、[BF4]－の対称伸縮運動 ν1 に由来すると考えられる。各種アルカリイオンホウフ
ッ化物塩(ABF4, A=Li, K, Cs)の[BF4]－の ν1 の計算値と実験値を表 2 に示す。LiCl–KCl–KBF4 のピーク位
置は KBF4 の[BF4]－ν1 の位置に近く、Li+イオンより
K+ イオンの影響をより大きく受けていると考えられる。LiCl–KCl–CsCl–KBF4 の[BF4]－ν1 に由来するピークは、LiCl–KCl–KBF4 よりも低波数側に見られた。
これは、Cs+イオンの影響を強く受けたためと考えられる。ただし、CsBF4 のラマンピークは著者による計算値以外に報告例が無いことから、今後実験値を得る必要が有る。

(c)

LiCl–KCl–CsCl–KBF4(623 K)
771

361 529
KBF4(723 K)
768

4 . まとめと今後の課題
428
707
1390
溶融 LiCl–KCl–KBF4 および溶融 LiCl–KCl–CsCl–
351
523
1263
KBF4 の顕微ラマン分光測定を実施した。その結果、(d)－[BF4] の対称伸縮振動に由来すると考えられるピー
KBF4(298 K)
クが検出され、Cs 含有浴では、このピーク位置がより低波数側に存在した。また、上記の傾向は、KBF4
500
1000
1500
-1
および CsBF4 の結晶構造から第一原理計算により得Raman shift / cm
られたラマンスペクトルでも同様であり、溶融状態 図 1 顕微ラマン分光測定結果(a) LiCl–KCl–KBF
4
でも[BF4]－イオンの挙動に対して Cs+イオンが強く (723 K)、(b) LiCl–KCl–CsCl–KBF (623 K)、(c) KBF
4
4
影響していることが示唆された。今後の課題とし (723 K) (d) KBF (298 K).
4て、CsBF4 のラマンスペクトルの測定、LiCl–KCl–
CsCl–KBF4 浴中におけるホウ素イオンの電気化学挙 表 1 KBF4 ラマンピーク波数の計算及び実験値動の解明等が挙げられる。
参考文献
1. Y. Katasho and T. Oishi, J. Electrochem. Soc., 168,122503 (2021).
2. S. Majumdar, J. Electrochem. Soc., 167 062507 (2020).
3. Q. Wang, Y.L. Wang, H.J. Liu et al., RSC Adv., 6,55953–55960 (2016).
表 2 ABF4(A=Li, K, Cs)の[BF4]－ν1 計算値及び実験値
4. A. Jain, S.P. Ong, and G. Hautier et al., APL Materials,
1, 011002 (2013).
5. P. Giannozzi, S. Baroni, N. Bonini et al., J. Phys.:
Condens. Matter, 21, 395502 (2009)
6. O. Zavorotynska, M. Corno, A. Damin et al., J. Phys.
Chem. C, 115(38), 18890–18900 (2011).

− 151 −

ZE2023B-31

アパタイト被覆表⾯修
修飾有機⾼分分⼦微微⼩球
球の常温常圧合成
薮塚 武史 1，高井 茂臣 1，藪内 聖皓 2
1

京都大学大学院エネルギー科学研究科
2
京都大学エネルギー理工学研究所

1. 目 的アパタイトは哺乳動物の骨や歯を構成する主要な無機物質であることから、生体親和性および生体活性を有することが知られており、人工骨や歯科材料として広く臨床応用されている。さらに近年では、アパタイトの極めて高い生体親和性に着目した新規ドラッグデリバリーキャリアへの応用も研究されている。筆者らはこれまでに、種々の機能性微小球表面に低結晶性リン酸カルシウム微粒子（アパタイト核）を導入し、これをヒトの血漿と類似の無機イオン濃度を有する擬似体液に浸漬すること
で、微小球をアパタイトで被覆する研究を報告してきた。
本研究では、カルボキシ基ならびにヒドロキシメチル基で表面修飾されたポリスチレン微小球表面にカルシウムイオンを導入し、その後ポリスチレン微小球をリン酸カルシウムに対して過飽和な水溶液に浸漬することにより、ポリスチレン微小球表面をアパタイト膜で被覆したアパタイト被覆ポリス
チレン微小球の形成を行った。表面を修飾していないポリスチレン微小球に対しても同様の実験を行い、表面修飾の有無が微小球表面でのアパタイト形成に与える影響を調べた。

2. 方 法3.75 mol·dm-3 Ca2+、1.5 mol·dm-3 HPO42-、2.25 mol·dm-3 Mg2+を含むリン酸カルシウム過飽和水溶液を調製し、pH = 7.25、36.5 ℃に調整した。1 mol·dm-3 塩化カルシウム水溶液中で 24 時間処理したカル
ボキシ基ならびにヒドロキシメチル基修飾ポリスチレン微小球を上述のリン酸カルシウム過飽和水溶液に添加し、超音波分散させた。このリン酸カルシウム過飽和水溶液をポリプロピレン製スクリュー
バイアルに入れ、36.5 ℃のインキュベーター内で回転振盪器を用いて 3 日間振盪し、アパタイト被覆
表面修飾ポリスチレン微小球を作製した。リン酸カルシウム過飽和水溶液浸漬後のカルボキシ基ならびにヒドロキシメチル基修飾ポリスチレン微小球を平均孔径 0.8 μm のニトロセルロースメンブレンフ
ィルターを用いた吸引濾過で回収し、蒸留水で洗浄後、36.5 ℃で乾燥させた。
本研究で使用もしくは作製した試料について、フーリエ変換赤外分光光度計（FT-IR）、粉末 X 線
回析装置（XRD）、電界放出型走査電子顕微鏡（SEM）、エネルギー分散型 X 線分析装置（EDX）
を用いて観察した。XRD 測定では、X 線源として CuKα 線を用いた。比較のため、非修飾ポリスチレ
ン微小球を用いて同様の操作を行った。

3. 結 果塩化カルシウム水溶液処理に次ぐリン酸カルシウム過飽和水溶液浸漬後のカルボキシ基ならびにヒドロキシメチル基修飾ポリスチレン微小球の FT-IR スペクトルにおいて、ポリスチレンの芳香環に由来する微弱な吸収バンドが検出され、さらに 560 cm-1、600 cm-1、1020 cm-1、1120 cm-1 付近にリン酸基に由来する吸収バンドが新たに検出された。これらの結果より、カルボキシ基ならびにヒドロキシメチル基修飾ポリスチレン微小球を塩化カルシウム溶液で処理した後にリン酸カルシウム過飽和水溶液に浸漬することで、リン酸塩が形成したことが分かった。一方、非修飾ポリスチレン微小球では、上述のリン酸基に由来する吸収バンドは検出されなかった。
未処理のカルボキシ基ならびにヒドロキシメチル基修飾ポリスチレン微小球の XRD パターンにおいて、2θ = 15° ~ 30°の走査角度領域にポリスチレンに由来するブロードなピークが観察された。一方、塩化カルシウム水溶液処理後にリン酸カルシウム過飽和水溶液に 3 日間浸漬したカルボキシ基な−152−

ZE2023B-31
らびにヒドロキシメチル基修飾ポリスチレン微小球の XRD パターンでは、新たに 2θ = 26°付近および
2θ = 32°付近にアパタイトに帰属するブロードな回折ピークが検出された。このことから、カルボキ
シ基ならびにヒドロキシメチル基修飾ポリスチレン微小球を塩化カルシウム水溶液で処理した後にリン酸カルシウム過飽和水溶液に浸漬すると、微小球表面に低結晶性のアパタイトが形成したことが分かった。一方、非修飾ポリスチレン微小球では、アパタイトに帰属する回折ピークは検出されなかった。
塩化カルシウム水溶液処理に次ぐリン酸カルシウム過飽和水溶液浸漬後のカルボキシ基ならびにヒドロキシメチル基修飾ポリスチレン微小球では、微小球表面がアパタイトの鱗片状結晶で構成される膜で被覆されている様子が観察され、EDX ではアパタイトの主要構成元素であるカルシウムとリンのピークが観察された。塩化カルシウム水溶液処理によって表面にカルシウムイオンが導入されたカルボキシ基ならびにヒドロキシメチル基修飾ポリスチレン微小球は、リン酸カルシウム過飽和水溶液に浸漬することによって微小球表面でアパタイト形成が誘起され、微小球全体がアパタイトで被覆されたことがわかった。一方、非修飾ポリスチレン微小球表面では、アパタイトによる被覆は認められなかった。これらの結果から、カルボキシ基ならびにヒドロキシメチル基による表面修飾が、ポリスチ
レン微小球表面におけるアパタイト形成能の発現に有利に働くことが示唆された。

4. 論文発表リストおよび口頭発表リスト［論文発表リスト］[1] 薮塚 武史, 「常温常圧プロセスによる生体・環境適合アパタイトマイクロカプセルの開発」,
Phosphorus Letter, 108, 24-33 (2023), 発行済.
［口頭発表リスト］[1] 薮塚 武史, 中西 晃太, 高井 茂臣, 「水溶液法による低結晶性アパタイト被覆表面修飾ポリスチレ
ン微小球の作製」, 一般講演（国内）100 名, 無機マテリアル学会第 146 回学術講演会 (2023.06.0102), 明治大学生田キャンパス.
[2] 薮塚 武史, 「アパタイト核の生体活性能に着目した表面制御による生体環境適合材料の創出」, 招待講演（国内）200 名, 日本セラミックス協会関西支部第 17 回学術講演会 (2023.07.14), 近畿大学
東大阪キャンパス.
[3] 薮塚 武史, 中西 晃太, 高井 茂臣, 「コアシェル型アパタイト被覆ポリスチレン微小球の形成における表面修飾の影響」, 一般講演（国内）100 名, 第 32 回無機リン化学討論会 (2023.09.21-22), 熊
本大学黒髪南キャンパス.
[4] 薮塚 武史, 中西 晃太, 高井 茂臣, 「水溶液法によるカルボキシ基修飾ポリスチレン微小球表面でのアパタイト被膜合成」, 一般講演（国内）100 名, 第 25 回生体関連セラミックス討論会(2023.12.01), 名古屋工業大学御器所キャンパス.
[5] Takeshi Yabutsuka, “Fabrication of Bioactive Functional Materials Utilizing Apatite-forming Ability ofApatite Nuclei”, 基調講演（国際）50 名, The 21th Asian BioCeramics Symposium (2023.12.17), Viettel
Tower, Ho Chi Minh, Vietnam.

− 153 −

ZE2023B-32

高効率・高機能エネルギー変換に向けた
量子マテリアルの熱放射の解明
小鍋哲 1，宮内雄平 2
1

法政大学生命科学部環境応用化学科
2
京都大学エネルギー理工学研究所

1. 本研究の目的
量子マテリアルは、トポロジカル電子状態や低次元電子状態に起因した様々な量子効果を示す。量子マテリアルが示す量子効果をうまく利用することができれば、既存の物質には無い全く新しい高効率・新機能エネルギー変換プロセスが得られる。本研究では、特にトポロジカル物質であるワイル半金属に注目し、従来の物質では困難であったプランクの法則に従わない熱放射の可能性を理論的に明らか
にする。
2. 背景
熱放射は、有限温度のすべての物体が示す普遍的な物理現象であり、そのスペクトル分布はプランクの法則に従う。そのため、熱放射エネルギーの利用においては、プランク分布で表される黒体限界が原
理的な制約を与える。しかし、近接場放射のような熱波長未満の距離にある物体間の放射熱伝達においては、プランクの法則に従う必要が無いため、物体を十分に近づければ黒体限界を超えることができる。本研究では、ワイル半金属のトポロジカルな性質を利用することで、近接場放射が成り立つような特殊な状況ではなく、遠視野においてもプランク則に従わない熱放射の可能性を検討した。
ワイル半金属は、トポロジカル特性を持つ 3 次元量子物質であり、その低エネルギー電子状態は、右巻きと左巻きのワイルフェルミオンで表される。このような系では、量子異常(=古典力学で成立していた保存則が量子効果により破れる現象)の 1 つであるカイラル異常が存在するため、異常ホール効果
やカイラル磁気効果などの特徴的な輸送現象を引き起こす可能性がある。特に、本研究で注目するのはカイラル磁気効果で、これは磁場の方向に電流が流れるというものである。物質の熱放射特性は、物質の電磁応答特性に密接に結びついていることから、カイラル磁気効果のような異常な電磁応答は、
熱放射特性に大きな影響を及ぼすことが期待される。
3. 結果
ワイル半金属表面からの反射率から熱放射を特徴づける放射率を計算することができる。放射率𝜂𝜂は、振動数と放射角度の関数となり数値的に求める必要があるが、振動数と放射角度がゼロの極限では以下のような解析的な表式を得ることに成功した。
2𝜎𝜎! 𝜎𝜎" [𝑐𝑐(𝜎𝜎#$ + 𝜎𝜎!$ ) − 𝜎𝜎! 𝜎𝜎" ]𝜂𝜂 = $(𝜎𝜎# + 𝜎𝜎!$ )[(𝑐𝑐𝜎𝜎! + 𝜎𝜎" )$ + (𝑐𝑐𝜎𝜎# )$ ]ここで、𝜎𝜎# ,𝜎𝜎! ,𝜎𝜎" はそれぞれ、電気伝導率、異常ホール伝導率、カイラル磁気伝導率で、ワイル半金
属の電磁応答を特徴づける量である。また、𝑐𝑐は光速度を表す。
通常、放射率は0 ≤ 𝜂𝜂 ≤ 1の値を取る。しかし、上式を見ると明らかなように、𝜎𝜎" < 0のとき、放射率は負になる。その物理的な原因は、𝜎𝜎" < 0のときには、カイラル磁気効果により、ワイル半金属中で磁場が動的不安定性を起こすことにより、その大きさが時間とともに増大し、反射率が 1 を超えるためである(カイラル磁気効果が生じるためには、磁場とともに電場を印加する必要があり、これら外部
電磁場からエネルギーが供給されているため、反射率が 1 を超えても物理的に問題は無い)。このような磁場の不安定性をカイラル磁気不安定性という。
また、𝜎𝜎" > 0の場合にはカイラル磁気不安定性は生じないが、𝜎𝜎! 𝜎𝜎" > 𝑐𝑐(𝜎𝜎#$ + 𝜎𝜎!$ )のときにやはり放−154−

ZE2023B-32
射率が負になる。これは、カイラル磁気効果のために、放射光に含まれる右円偏光と左円偏光の間で相互変換が生じることによる(放射率を𝜎𝜎" (を適切に無次元化したもの)の関数としてプロットすると図1 のようになる)。
4y deriving the analytical expressions.
he zero frequency limit at (θ, φ) = (0, 0)
d as)2 + (cσE)2(cσE )2(cσE )2-0.5

(σ M > 0),

-1.5

(22)

-2.0
-2.5
-3.0
-0.5

σ2H σ2M

H + σM0.0-1.0

σ2H σ2M

H + σM

0.5)2 + (cσE)2(σ M < 0),

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

(23)

1 a放射率の𝜎𝜎FIG. 5. limω→0 η(0,図0) as
function of!σ依存性
˜M . Solid and dashed lines
represent the cases of σ̃E = 1 and σ̃E = 10, respectively.

放射率が負になると、熱が低温から高温に移動することが可能になるため、熱放射エネルギーの全(24)
く新しい利用方法につながる。ところで、熱が低温から高温に移動すると熱力学第二法則に抵触する
amplification of reflected wave decreases the chirality imbalように見えるが、そもそもここで得られた現象は外部電磁場を印加した非平衡状態であるため、第二ance [29].
The anomalousreflection is expected for σE ≤ σH ≈法則を破っているわけではない。
また、この現象は振動数の低い領域に限られており、全ての振動数に|/c[29]
althoughtheactualvaluesofthecurrent
situa|σM
ついて積分すると熱放射は0 ≤ 𝜂𝜂 ≤ 1の間の値を取る。

(σ M > 0),tion satisfies σ M /c  σH  σE . To demonstrate the impact of these different conditions, the reflectances are plotted
4. 「論文発表リスト」 by rewriting them in terms of the dimensionless conductivities σ̃E ≡ σE /σH and σ̃ M ≡ σ M /cσH . Figure 4 showss are noted in[論文発表リスト]
these expressions.
thereflectances
for radiationσ̃E = 1 and σ̃10 as
a function
E = toandinterconversion
reflectances
R++ “Anomalous
SatoruKonabe,thermaldue
thechiralof magnetic effects in Weylσ̃ M (−1 ≤ σ̃ M ≤ 2.5). In regions where σ̃ M is negative, both
values for σ Msemimetals”,> 0 and σ M < 0, respecPhysicalR Review
B, 投稿中。
−− and R+− are well above unity for σ̃E = 1, while R−− isd to the chiral magnetic effects, as inless
than
unity
and R+− is slightly above unity for σ̃E = 10.
ears in the numerators of Eqs. (22) andSuch behavior is expected from the term
ral magnetic effect within Maxwell’sB. Anomalous emissivity
field is expressed as the superpositioni(k(1) ·r−ωt)i(k(2) ·r−ωt)s E1 e+ E2 e; thereEmissivity is determined by reflectance, as indicated byesents the chiral magnetic effect in theequations (4) and (5); therefore, anomalous behavior of rebecomes iµσ M (k(1) × E1 + k(2) × E2 ).
flectance is expected to have a significant influence on emishat polarization mixing in the electric(i)sivity. To demonstrate how anomalous reflectance affects theroccur, depending on the form of k .
mal radiation, an analytical expression for emissivity is des that R+− exceeds unity for any σ M <rived, which is given for both σ M > and σ M < 0:exceeds unity below a specific value of
2σH σ M c(σ2E + σ2H ) − σH σ Mlim η(0, 0) = 2
 . (27)ω→0(σE + σ2H ) (cσH + σ M )2 + (cσE )2+ σ2H ) −σH + 4σ2H − σ2E(26)
For far field thermal radiation, emissivity takes the value
3σ2H − σ2E
0 < η < 1. However, (27) clearly shows that emissivity assumes negative values when σ M < 0. This is ascribed to thes negative. The physical origin of thefor σ M < 0 at (θ, φ) = (0, 0) is clarified
anomalous reflectance due to the chiral magnetic instability.
ersion relation kz (ω) given by (17) has
Furthermore, it is noted that emissivity can be negative,
for the finite range of ω for σ M < 0.
even for σ M > 0, when σH σ M > c(σ2E + σ2H ). In this case, thethe electromagnetic wave grows expochiral magnetic instability is irrelevant to the negative emisrection of its propagation as a result ofsivity since σ M > 0; rather, the negative emissivity is dueto the interconversion reflectance R++ being finite due to thety of the magnetic field, referred to aschiral magnetic effect.
tability [28, 29, 33]. Accordingly, theSimilarly to reflectance, the conductivity dependence ofat z < 0 in the Weyl semimetal anomaemissivity is examined by rewriting (27) using the dimensione surface, which leads to the reflectanceless conductivities. Figure 5 shows emissivity for σ̃E = 1 andnote that the chiral magnetic instabilσ̃E = 10 as a function of σ̃ M . As anticipated, for σ̃E = 1, thebrium with chirality imbalance and the(cσE )2(cσE )2(σ M < 0).

(25)− 155 −

ZE2023B-33

量子物質メタマテリアルによる新たな熱ふく射制御法の展開
鈴木

佳那 1，熊谷12

希生 2，西原 大志 3，宮内 雄平 3，櫻井 篤 1

新潟大学工学部工学科機械システムプログラム
新潟大学自然科学研究科材料生産システム専攻
3
京都大学エネルギー理工学研究所

1. はじめに新潟大学の研究グループは、ナノ構造を活用したメタマテリアルを用いて、熱放射の波長選択性制
御に関する研究を推進し、自然材料では達成できない新たな熱放射材料の開発を提案してきた。しかしながら、熱放射は温度が上昇するほどエネルギーの価値が増す一方で、従来のメタマテリアルの構造では、一般的には金や銀などの貴金属が多く使用されるため、耐熱性に課題があり、高温環境での工学的な応用が制限されていた。
一方で、京都大学の宮内教授の研究グループは、カーボンナノチューブ膜（以下、CNT 膜）などの量子物質を使用することで、高温環境（1000℃以上）でも安定し、新たな物理現象（熱励起子放射）に基づく熱放射材料の研究を推進している。この研究では、CNT 膜を使用した新たな高温熱放射メタマ
テリアルについての共同研究が行われている。
具体的な応用例として は、太陽光の熱エネル ギーを利用した熱光電 力発電システム（SolarThermophotovoltaic：STPV）がある。太陽エネルギーを効率よく利用するために、本システムのアブソーバーには波長選択性太陽光吸収材料(Solar Selective Absorber: SSA)が必須である。この材料は、可視光域では吸収率が高く、赤外波長域では放射率を低く保つことで、太陽エネルギーを効果的に熱エネ
ルギーに転換できる。従来、メタマテリアル構造を用いた SSA では、耐熱性や構造の複雑性などに課題があったが、その解決策の一つとして CNT 膜を主要要素として，できる限りシンプルな構造の新たな SSA 用のメタマテリアルを提案することを目指している。
2. 計算方法と計算モデル
本研究では、構造体の数値解析手法に厳密結合波解析(Rigorous Coupled-Wave Analysis : RCWA)法を用いた。
本研究では、高い熱安定性と反射率を持つタングステン(W)を基板として、その上に誘電体層と CNT層を重ねた構造を使用する。誘電体層には可視光の反射を抑えて吸収を高める性質を持つ MgF2 を用いて比較する。この構造モデルを図 1 および図 2 に示す。図１のモデルでは，CNT(10,3)および MgF2 で構成された SSA であり，図２のモデルでは CNT(10,3)，CNT(6,5)および MgF2 で構成された SSA を示している。括弧内の数値は，CNT のカイラリティを示す。これらの CNT 膜の厚さや MgF2 層の厚さを変化させながら最適化し、太陽光吸収特性を調査した。

図1

CNT(10,3)および MgF2 で構成された SSA

図2−156−

CNT(10,3)，CNT(6,5)およびMgF2 で構成された SSA

ZE2023B-33
3. 結果と考察
図 3 に CNT(10,3)および MgF2 で構成された SSA の吸収率/放射率特性を，
図 4 に CNT(10,3)，
CNT(6,5)および MgF2 で構成された SSA の吸収率/放射率特性を示す。図中の FOM とは，太陽光吸収性能指数を示しており，１に近いほど性能が良いことを示す。図 3 の結果より CNT(10,3)のみを用いた SSA では，可視光帯から近赤外光帯にて若干の吸収率が低下している部分があるものの，FOM は 0.76 と比較的良い性能を示している。一方，図 4 の結果より，異なるカイラリティを持つ CNT(6,5)を含めて最適化した場合には，CNT(10,3)のみを用いた SSA で低下した吸収率を補完する吸収特性が現れ，FOM が0.78 まで上昇した。
図 5 および図 6 に，それぞれの構造ごとに電力散逸密度を可視化した結果を示す。図 5 の結果より，
W 基板と CNT(10.3)層は、0.5～2.0 µm の波長領域でエネルギーを吸収することがわかる。図 6 では、CNT(6.5)層が吸収を補完する働きをしていることが明らかであり，良好な FOM が得られた理由を説明できる。
以上の結果より，CNT 膜を用いることにより，できる限りシンプルな構造の新たな SSA を実現できる可能性が示唆された。作製が比較的用意である CNT 膜一層の場合でも良い太陽光吸収性能を示すことから，今後はこちらの構造を主として実証実験を進めていく予定である。

図3

CNT(10,3)および MgF2 で構成された SSA の吸収率/放射率特性

CNT(10,3)，CNT(6,5)および MgF2 で図4構成された SSA の吸収率/放射率特性

図4

CNT(10,3)および MgF2 で構成された SSA の電力散逸密度

図5

CNT(10,3)，CNT(6,5)および MgF2 で構成された SSA の電力散逸密度

口頭発表リスト
1. Kana Suzuki, Kio Kumagai, Taishi Nishihara, Akira Takakura, Yuhei Miyauchi, Atsushi Sakurai, "Developmentof a New Method for Controlling Thermal Radiation by Quantum Metamaterials", The 14th International
Symposium of Advanced Energy Science, 2023.
2. Kio Kumagai, Hiroto Shibuya, Taishi Nishihara, Akira Takakura, Yuhei Miyauchi, Atsushi Sakurai,"Development of a New Method for Controlling Thermal Radiation by Quantum Metamaterials", The 13th
International Symposium of Advanced Energy Science, 2022.

− 157 −

ZE2023B-34

高速カメラ画像解析の自動化アルゴリズムの開発
西野信博 1，大西春歌 2，川染勇人 2，宮崎貴大２，岡田浩之３，門信一郎 3
1

バウヒュッテ
香川高等専門学校情報工学科
3
京都大学エネルギー理工学研究所
2

1. はじめに
高速カメラは、1 秒間に撮影できるフレーム数が多いビデオカメラとして知られており、プラズマか
らの可視光画像を高い時間分解能で取得することができる。そのため、核融合プラズマ分野における高速カメラ計測で、比較的短時間で挙動する周辺揺らぎ（フィラメント状揺動、単に、フィラメントとも呼ばれる）を含むプラズマの巨視的な動きを捉えることができる。従って、高速カメラ計測の主な目
的は、画像解析技術を用いてプラズマの巨視的な動き、特に周辺部のフィラメントの挙動を推測することである。従来の画像解析では、画像中のフィラメントを研究者の目で確認していた。この場合、判定基準が人の目であるため、画像ごとに判定結果が異なる場合があるという問題がある。また、本研究で解析対象とするヘリオトロン J 装置の実験では、計測の収集は半自動で行われており、画像データは膨大となっている。従って、人間の目による解析は将来的に間に合わなくなる。そのため、人為的なミスの回避や、目視による判定の要する時間の節約のためにも解析を自動化する必要がある。
本研究では、自動化への第一歩として、入射されたペレットが分裂しているか否かを判定するソフ
トウェアモジュールを開発することを目的とした。これは、入射されたペレットが分裂している画像
は、後段のフィラメント解析を困難にするため、その画像を排除する必要があるためである。
2. 事前処理モジュールによる二値化処理
図１は、入射されたペレットが溶発過程で、分裂して２つに分れた様子を高速カメラで撮影した画像である。前述した様に分裂した状態では、フィラメントを正確に識別することが困難なため、この様な画像は、以後の解析対象から除外する必要がある。本システムではフィラメント状の揺らぎを認識しやすくするために、入射されたペレットが分裂しているかどうかを判定するための、画像の前処理を行うソフトウェアモジュールを開発した。以下に、その判定方法を示す。
１）二値化閾値の自動設定
図１ 高速カメラで撮影したペレット溶発雲。
画像中の溶発雲を検出するために、PythonOpenCV を用いた。このライブラリでは、画像中の物体のカテゴリーや位置を判別することができる。
まず、解析したい画像(図１)を読み込み、読み込んだ画像を最適な閾値で二値化処理する。閾値の設定
は、従来は研究者の目視により主観的に決定されており、この手順に、多くの時間が費やされていた。
しかし、本モジュールでは、閾値は OpenCV で実装した大津の手法１（判別分析法）を使い、自動的に決定される。大津の手法は、クラス間分散とクラス内分散から求められる分離度が最大となる閾
値を用いることで、最適な二値化処理を行う手法である。図２に図１の分離度を示す。横軸は二値−158−

ZE2023B-34
化の際に用いる閾値であり、縦軸は分離度である。図より分離度が、閾値 65 において最大となることが分かり、それを設定閾値として二値化する。
２）輪郭の抽出
次に、1)の作業で二値化した画像から、溶発雲の輪郭を抽出する。抽出した輪郭の個数を数えることで、割れているかどうかを判別することができる。検出された輪郭の個数が１なら割れていない、１以外ならば、割れている揺動だと判定する。輪郭の抽出には、 Canny 法２を用いた。
図３に、元画像(図１)を大津の手法で求めた閾
値 65 による二値化処理の結果と、検出した輪郭（赤色）を示す。

図２

図１の分離度。

３）画像の保存と解析対象外のファイルの選別
分裂しているペレットの画像を記録し、ペレットが映っていない画像は自動的に判定して除外する。大量の画像ファイルに対して、１)と２)の手順を一括して処理を行う。
3. 結果
高速カメラから得た画像を二値化処理により、画像中の溶発雲を検出し、ペレットの分裂を判定する。二値化処理では、画像によって適切な閾値を自動的に計算するため、毎回適切な値で画像が出力される。図４に、二値化されて解析対象外として設定された画像を示す。ここで、本アルゴリズムを用いることで、解析に掛かる研究者の手作業が大幅に減ると思われる。

図３

図１の二値化と輪郭の抽出。

4. まとめヘリオトロン J における高速カメラ計測の解析を自動化するために、ペレット溶発過程におけるペレットの分裂を判定するソフトウェアモジュールを開発した。このモジュールは、フィラメント画像の処理を行う前に、ペレットの分裂を描写する画像を除外することができる。その結果、第一段階の画像選択が自動化され、研究者の作業負担が軽減され
図４ 本モジュールにより二値化された図１
る。今後の作業では、自動化スキームの残りの要素の画像。この画像は解析対象から除外されを実行する予定である。
る。
参考文献
１．大津, ``判別および最小２乗基準に基づく自動しきい値選定 法,' 電子通信学会論文誌, Vol.J63-D,
No.4, pp.349-356, 1980.
２．Canny, J., A Computational Approach To Edge Detection, IEEE Transactions on Pattern Analysis
and Machine Intelligence, 8(6):679–698, 1986.

− 159 −

ZE2023B-35

エネルギー高効率利用を実現する可視光誘起リビング
ラジカル重合の反応機構の解明
三宅祐輔 1，岩見崇大 1, 田鍋果歩 1, 中前唯楓 1, 葛野砂凪 1, 小笠原澪 1, 金折賢二 1，坂口浩司 212

京都工芸繊維大学分子化学系
京都大学 エネルギー理工学研究所

 序
近年, 温暖化や大雨などの災害といった環境問題解決のためにあらゆる分野において SDGs の実現が求められている。ポリマー材料分野において注目されるのは、低環境負荷を考慮した新規機能性ポリマーの開発であり、材料生成の過程で用いられるエネルギー消費量の低減であると言える。開始反応には系内のラジカル発生の均一性から熱重合がよく用いられているが、自己集合体形成によるポリ
マーデザインの更なる発展とエネルギーの高効率化から光誘起反応の利用が注目されている。[1] 可視
光は紫外光に比べて太陽光分量が多く、材料劣化をもたらすリスクが低いため有効な活用が期待される。本研究は環境負荷の低減を考慮し、重金属を含まない RAFT 添加剤を用いるリビングラジカル重合法である RAFT 重合に着目した。
可視領域から近紫外領域に吸収極大を有する光重合開始剤や RAFT
添加剤の光分解反応、または、増感剤利用によるエネルギー移動反応や光誘起電子移動(PET)反応を利用した光誘起 RAFT 重合において、未だ報告例のないラジカル反応過程と反応性の解明を目指した。
光開始剤使用の反応においては、ポリマー機能低下において憂慮される RAFT 剤との副反応の経路と反応性評価を、PET においては発生ラジカル種の構造特定と発生効率の評価を、各種電子スピン共鳴(ESR)分光分析法を用いて試みた。
 実験
サンプルは、近紫外可視領域に吸収波長を有する光重合開始剤 Diphenyl(2,4,6-trimethylbenzoyl)
phosphine oxide (TMDPO、図 1(a))、TMDPO 由来のラジカル種との反応速度定数が既知である複数種のビニル系モノマー(図 1(b))、置換基構造(図 1(c)中の R 基、Z 基)の違いにより吸収極大波長が異なる 6
種類の RAFT 添加剤、PET の報告例がある各種光増感剤、短寿命ラジカル計測に有効なスピントラッ
ピング(ST)剤 2-Methyl-2-nitrosopropane (MNP、図 1(d))を用い、各種有機溶媒によってサンプルを調整した。ESR 計測には X-band ESR 装置 (TE-100/300, JES-X310, JEOL)を用い、シリンジポンプ (PHD2000,
HARVARD)によって一定送液下で測定系内に押し出された酸素脱気処理済のサンプルを光照射下において測定した (概略は図 2)。 光源には LC-8 (HAMAMATSU)を用い、各種バンドバスフィルターによって波長のコントロールを行った。DFT 計算には Gaussian16 /GaussView6(Gaussian Inc.)を用いた。[2](a) 㻌(b)      (c)    (d)㻌Phos・

図 1 各種サンプルの構造式。(a) TMDPO、(b)ビニル系モノマー、(c) RAFT 剤、(d) MNP。

図 2 流通型 ESR 装置の概略図。㻌

 結果と考察
 図 3(a), (e)に光照射下で測定した TMDPO と RAFT 剤 1, 2(構造は表 1)のサンプルの ESR スペクトルをそれぞれ示す。RAFT 1, 2 は Z 基が共通構造であり、R 基に異なる構造を有する。(b)、(f)は各シミュ
レーションスペクトル((b)は(c), (d)、(f)は(g)- (k))の合計であり(a), (e)とそれぞれ良い一致を示した。

−160−

ZE2023B-35
いずれの RAFT 剤も開始剤 TMDPO から生じた 2 種のラジカル種との反応を生じ RAFT 2 では 2 種、RAFT 2 では 5 種類の異なるラジカル種の発生が確認され、DFT 計算との比較から構造特定に至った。
他の RAFT 剤も同様の測定、解析を行った結果、観測された信号のほとんどは RAFT 剤の C=S 結合へのラジカル種の付加および R 基の脱離により予測されるラジカ (a)ル種の構造に帰属された。帰属されなかったラジカル種の存在は(b)
RAFT 剤の光分解が寄与する可能性示唆する。
表 1 に TMDPO より生じたリン中心ラジカル(Phos・)と各種(c)
RAFT 剤の反応速度定数 k を示した。この値は、添加した各種モノマーの濃度に伴う Phos・由来の ESR 信号強度の変化率と、Phos・ (d)と各種モノマーの反応速度定数の文献値[3]から検量線を作成し、2 mT同様に添加した各種 RAFT 剤の濃度に伴う Phos・Phos・由来の (e)ESR 信号強度の変化率から導出した値である。いずれも 1 × 107[M-1 s-1]を超える値を示しており、Phos・とモノマーとの k の値 106 (f)~ 108 [M-1 s-1]と同等の値を示した。これは、重合の素反応である(g)
開始、生長反応を上回る副反応が開始ラジカルと RAFT 剤との反(h)応より生じることを意味する。
(i)
PET では、エネルギー移動反応とポリマー生成の報告例[4]があ (j)る複数種の光増感剤と RAFT 剤を組み合わせて用い、同様の系に (k)2 mT
よる反応過程の観測を試みたが、ラジカル種の発生量が不充分だ
図 3 RAFT1, 2 サンプルについてったためか観測には至っていない。一方、液体窒素デュワー内ま観測された ESR スペクトル((a), (e))
たは常温下で ST 剤 MNP を添加したサンプルの光照射下 ESR 測 とシミュレーションスペクトル。
表 1 各 RAFT 剤と Phos・の k。
定を行った結果、光増感剤の無い条件で RAFT 剤の自己分解反応
Structurek /107 M⁻¹ s⁻¹に由来する信号が確認された。これは提唱されている PET 以外に No.
RAFT 反応を優位に進行する経路の存在を示唆する。
12.76
 まとめと今後の予定
2
3.00
光誘起リビングラジカル重合のうち、光重合開始剤ではラジカル反応の測定および解析法を確立し、生成過程で生じる短寿命ラジカ
31.79
ル種の構造決定と数値的評価から RAFT 重合へ影響を与え得る副反応の提示を行うに至った。PET では、低温条件または ST 法を用いた 4
3.95
ESR 分光法によって生成ラジカル種の構造特定と提唱されている経路以外の反応の可能性の提示に至った。今後、副反応を防ぐために、 56.38
反応速度定数と RAFT 構造の相関性を明らかにすると共に、流通型
ESR 法と ST 法、低温系を組み合わせ PET-RAFT のラジカル反応過程
62.32
解明および発生効率評価に取り組みたい。
（参考文献）[1] J. Tan et al. Polym. Chem. 8, 6853 (2017). [2] Gaussian 16, Revision B.01, M. J. Frisch et al;
Gaussian, Inc., Wallingford CT, 2016. [3] H. Takahashi et al, JPC A 119, 8261 (2015). [4] M. D. Thum et al. JPC A,
124, 4211 (2020).
［発表リスト］
1) 三宅祐輔, 田鍋果歩, 岩見崇大, 金折賢二, 坂口浩司, “RAFT 剤の構造が光重合開始剤ラジカルとの反応機構に与える影響”, 第 62 回電子スピンサイエンス学会年会, 2023 年 11 月 3 日, 神戸.
2) Y. Miyake, T. Iwami, M. Ogasawara, K. Kanaori, H. Sakaguchi, “Study on reaction mechanism of visible lightinduced living radical polymerization for highly efficient energy utilization”, The 14th International symposium of
Advanced Energy Science, 30th, Oct. 2023, Kyoto (Poster).
− 161 −

ZE2023B-37

統計加速を利用した先進ヘリカルプラズマの高ベータ化
吉川正志 1、小林進二 2、中嶋洋輔 1, 小波蔵純子 1, 門 信一郎 2, 羅 茂原 3, 張 朋飛 3, 宮下 顕 3,

Wang Chenyuu3, 藤田智大 3, 山戸瞭雅 3, 田附勇人 3, 加藤駿人 4
1

2

筑波大学プラズマ研究センター
京都大学エネルギー理工学研究所
3
京都大学エネルギー科学研究所
4
筑波大学数理物質科学研究群

1. 本研究の目的
高性能プラズマの制御手法の確立はプラズマエネルギーの高度利用にとって必須の課題である。ヘリカル軸へリオトロン高温プラズマ実験装置（以下ヘリオトロン装置）では、プラズマのベータ値の増加に伴い、磁場配位のポロイダル対称性の向上、捕捉粒子閉じ込めの改善を狙って磁場配位が設計されている（ベータ効果）。そのため、このベータ効果を実験的に検証することが、先進ヘリカル配位の将来性を議論するためにも非常に重要である。代表者らは非共鳴のマイクロ波加熱により予備電離を行い、続く中性粒子ビーム入射（NBI）を適用することで、磁場強度に依らないプラズマ実験を可能にした。本研究課題では、この手法を応用し高ベータプラズマ生成実験を行い、熱輸送・エネルギー閉じ
込めに関する解析を行った。
2. 予備電離を活用した高ベータ NBI プラズマ生成の手順
予備電離プラズマは非共鳴マイクロ波である

2.45GHz のマグネトロンを入射して生成した。図 1 に予備電離プラズマと、続く NBI を用いた主放電の波形を示す。非共鳴の 2.45GHz マイクロ波は、主放電のおよそ 400ms 前から入射されている。マグネトロン入射中は連続的にガス導入を行っており、21018m-3 程度の_線平均電子密度(ne)が維持されている。その後 NBI 入射に移行したのち、高強度短パルスガスパフ(HIGP)を導入することで、高密度プラズマを生成した。NBI の入射パワーは 0.6MW、磁場配位は
本研究ではこの手法を利用して磁場強度を 1.4T から 0.7T まで変化させて実験を行った。FIR 干渉計で計測された線平均密度は 1.4T の場合で 61019m-3 であるが、 0.7T まで磁場強度を下げると、その半分の約31019m-3 まで低下した。この実験では、各磁場強度でそれぞれ最大の蓄積エネルギーが得られるように

HIGP 強度を調整している。蓄積エネルギーは 1.4T の場合に 6kJ あり、磁場強度を下げるにつれて 0.7T では 2kJ まで低下した。なお、0.6T の磁場強度では有意な蓄積エネルギーを持つプラズマが生成できなかっ−162−

図 1. 非共鳴マイクロ波による予備電離プラズ
マ生成を利用した NBI プラズマ着火。B = 0.7T
から 1.4T にわたり広範囲の磁場強度でプラズ
マ実験を行った。

ZE2023B-37
た。NBI 入射後に放射障壁を超えた効率的な加熱が行われなかったためと考えられる。
3. イオン温度・エネルギー閉じ込め時間の磁場強 度依存性
図 2 に荷電交換再結合分光（CXRS）計測によるイオン温度の径方向分布の磁場強度依存性を示す。全般的に磁場強度が高い場合にはフラットで高いイオン音温度分布が得られた。1.4T の場合には中心イオン温度が 200eV 近く、r/a =0.6 程度まで 150eV 程度の高い温度が観測されている。一図 2. CXRS 計測によるイオン温度分布の磁場強度依存性。

方で磁場強度が下がるとともに分布の形状が細くなり中心の温度も下がった。 0.7T の場合には中心イオン温度が120eV であり、放物線型の分布が得られた。
NBI 吸収パワー解析からエネルギー閉じ込め時間を算出
し、国際ステラレータスケーリング則 ISS95 から得られる
閉じ込め時間で規格化することで、閉じ込め改善度 HISS95 を評価した。この結果 1T の条件において最も高い改善度が得られた（図 3 参照）。このデータを用い、電子温度・イオ
ン温度・電子密度分布より kinetic なベータ値<>に対して

図 3. 閉じ込め改善度 HISS95 の磁場強度依存性。

プロットしたところ、kinetic ベータ値の増加に伴い、閉じ込め改善度が良くなることがわかった（図 4 参照）。
ベータ値の上昇に伴って閉じ込め改善度が良くなった要因はまだ明らかになっていない。想定されるシナリオとしてはベータによるポロイダル対称性の向上がポロイダル流
速およびそのシアを大きくし、乱流が抑制されること、もしくはベータ値により捕捉イオンの輸送が改善すること、等が想定される。これらのシナリオを実験的に検証するために、ポロイダル CXRS 計測や乱流計測、イオン輸送解析

図 4. Kinetic ベータ値<>に対する閉じ
込め改善度。

を進める必要がある。
4. 成果報告・ 第 40 回プラズマ・核融合学会年会, 吉川正志, “GAMMA 10/PDX における粒子補給制御を用いた高密度プラズマ流束による⾮接触プラズマへの影響”, 27Bp01, 口頭・ 日本物理学会 2023 年年会, 小林進二, 他, “ヘリオトロン型磁場配位における非共鳴波動加熱を利用した統計加速モデルの考察”, 18pA105-6, 口頭・ 第 40 回プラズマ核融合学会年会, CY. Wang1, S. Kobayashi2,その他, “Improvement of Core Heat Transport in
NBI Plasmas of Heliotron J using High-Intensity Gas Puffing”, 27P17, ポスター
・ 第 40 回プラズマ核融合学会年会, 藤田智大、小林進二, その他, ” ヘリオトロン J における⾮共鳴マイ
クロ波加熱プラズマ中のＸ線エネルギー分布のシミュレーション”, 29P15, ポスター
・ 第 40 回プラズマ核融合学会年会, 田附勇人, その他, “ヘリオトロン J におけるビーム放射分光を用いた二次元密度揺動解析”, 28P31, ポスター

− 163 −

ZE2023B-38

ハロ酸脱ハロゲン化酵素の酵素反応機構解析中村 卓 1，中田 栄司 2，森井 孝 2
1

長浜バイオ大学バイオサイエンス学部
2
京都大学エネルギー理工学研究所（研究背景と目的）
ゼロエミッションエネルギーシステムの実現には、有害物質の排出を可能な限り抑制することが必要である。我々は、環境汚染物質である有機ハロゲン化合物の分解研究のために、Pseudomonas sp. YL
由来の L-2-ハロ酸脱ハロゲン化酵素（L-DEX YL）の反応機構解析を行っている。L-DEX YL は、2 位の炭素にハロゲンのついたカルボン酸（2-ハロ酸）を加水分解して、対応する 2-ヒドロキシ酸に変換する酵素で、2 位の炭素が不斉炭素の場合、L-体の 2-ハロ酸選択的に反応する（Scheme 1）。代表的な基質
は、L-2-クロロプロピオン酸（L-2-CPA、R=CH3、X=Cl）やモノクロロ酢酸（MCA、R=H、X=Cl）など
塩素のついたハロ酸である。一方、フッ素のついたフルオロ酢酸（MFA、R=H、X=F）については、塩素のついたハロ酸の 1/100 から 1/1000 しか分解できないことが知られている。

Scheme 1. L-DEX YL が触媒する脱ハロゲン化反応の反応機構 B は酵素内の塩基性残基、R は水素又はアルキル基、X はハロゲンを表す。

 これまでに、L-DEX YL の酵素活性はチオシアン酸水銀による塩化物イオンの比色定量法などで測定されてきたものの、比色定量法では検量線の範囲に適合する反応生成物の濃度範囲が限られており、反応性の低い基質の活性や反応しない化合物の結合親和性を測定することが出来ない。そこで、等温
滴定型熱量計（Isothermal Titration Calorimeter、ITC）を使って、反応しない、あるいは反応性が低い基質である D-2-CPA や MFA の L-DEX YL への結合親和性が観測できるのではないかと考えた。ITC は、
温度一定下の条件において 2 種の分子が相互作用するときに生じる反応熱を直接測定する。そのために、結合パートナーが混合されるときに生じるリファレンスセルとサンプルセルとの間の温度差をゼロに保つためにセルヒーターにかかる電力の差を測定している。従って ITC を利用して反応熱を測定することで、L-DEX YL と反応しない化合物（D-2-CPA や乳酸、グリコール酸のような反応生成物）の結合定数や、基質の速度論的パラメータ（Km、kcat）を算出できると期待されたため、実際に測定した。
その結果、2017 年から 2019 年度の結果として、MFA との反応については、Single Injection Method(SIM)による反応熱のグラフから、反応は進行するとみられるものの生成物阻害が起きていると見られ、既存の解析ソフトでは Km、kcat を決定できなかったものの、L-DEX YL の代表的な基質である L-2-CPA
や MCA に対する Km、kcat を決定するための最適な測定条件を探索し、文献値とよく一致する Km、kcat
値を算出できた。
2022 年度からは特定毒物にも指定されている MFA の酵素反応による分解機構に注目し、L-DEX YL
よりも MFA を分解する能力が高い Burkholderia sp. FA1 由来のフルオロ酢酸脱ハロゲン化酵素（MFADEX）の Km、kcat を算出し、L-DEX YL と活性や至適 pH、生成物阻害の違いなどを比較して酵素が MFAを効率よく分解する機構を明らかにすることを目的とした。本研究の成果は、化学的に非常に安定な
炭素―フッ素結合を酵素がどのようにして効率よく切断するのかを明らかにするとともに、環境中で非常に安定な有機フッ素化合物の分解技術の開発につながることが期待される。

−164−

ZE2023B-38（方法）
ITC は Spectris 株式会社 Malvern 事業部の MicroCalTM iTC200 System を使用した。MFA-DEX の精製や基質溶液（MCA）、バッファー（0.1 M グリシンバッファー pH 9.5）の調製は研究代表者の所属機関（長浜バイオ大学）で行った。主に反応のエンタルピー変化を求めるための SIM と、Km、kcat を算出するための Multi Injection Method (MIM)の 2 つの方法で測定した。30°C の条件下で酵素を含む 0.1 M グ
リシンバッファー (pH 9.5) をサンプルセルに入れ、同じバッファーに溶解した基質溶液を滴定シリン
ジに入れて、基質を酵素に滴定する形で測定した。SIM では、170 µM の酵素溶液と 5 mM の基質溶液
を、MIM では 1150 nM の酵素溶液と 500 mM (MCA)の基質溶液を使用した。また、1 回の基質添加から次の基質添加までの時間（spacing time）については、SIM の場合、1000 sec で測定し、MIM の場合、
60 sec で測定した。滴定は SIM では 10 µl を 3 回、MIM では 1.0 から 4.0 µl の滴定を複数回ごとに分けて合計 19 回行った。データ解析は、測定機に付属のソフトウェアを使用した。
（結果・考察）今年度は 2022 年度の結果と比較するために MFA-DEX による MCA (MFA よりも反応性が低い基質)の脱塩素化、加水分解反応に関する Km、kcat 算出を目指した。SIM 測定において、3 回の測定結果に大きな熱量の変化はなく、L-DEX YL と MFA との反応で見られた生成物阻害は確認できなかった（図1a）。この結果より Km、kcat を算出するために必要なエンタルピー変化（∆Happ）を−14699 µcal/mol とした。次に MIM 測定の結果（図 1b）と∆Happ から pH 9.5、30℃の条件で MFA-DEX の MCA 分解反応
に対する Km, kcat は 34±8 mM, 1.4±0.2 sec-1 (n=5)となり、比色定量で得られた文献値の Km（15mM）、kcat（1.5 sec-1）とほぼ同程度の値となった。この結果を 2022 年度の MFA-DEX による MFAの脱フッ素化、加水分解反応に関する結果（Km が 11±1 mM、kcat が 21±4 sec-1 (n=5)）と比較すると、Km, kcat ともに MFAの方が MCA よりも高い基質親和性と反応性を有していることが示され、kcatの違い（15 倍）が活性に大きな影響を与えていることが明らかになった。
MFA-DEX では脱離するフッ化物イオンと相互作用するアミノ酸残基が 3 つあり、MFA の脱フッ素化反応に適した配置になっているものの、フッ素より大きな塩素原子に対してはこれらの相互作用の様式がうまく機能せず、MFA に対する脱フッ素化反応より MCA に対する脱塩素化反応の効率が低下するものと考えられる。
(a)

(b)

図 1. フルオロ酢酸脱ハロゲン化酵素 MFA-DEX とクロロ酢酸（MCA）の pH 9.5 における反応の(a) Single
Injection Method, (b) Multi Injection Method の測定結果。等温滴定カロリメーターに付属の解析ソフトで解析した結果を示している。

（口頭発表リスト）
Nakamura, T., Nakata, E., and Morii, T. “Analysis of reaction mechanism of haloacid dehagenase”, The 14th
International Symposium of Advanced Energy Science, 2023 年 8 月 30 日、京都大学宇治おうばくプラザき
はだホール、ポスター発表− 165 −

ZE2023B-39

Kinetic study on the Paraquat Dichloride removal in the water.
Pannipha DOKMAINGAM1, Hideaki OHGAKI2
1

Mea Fah Luang University, Chiang Rai, Thailand, 2Institute of Advanced Energy, Kyoto University, Japan

1. Introduction
In northern Thailand, there is mainly agricultural land. Some pesticides and herbicides are used andcontaminate water bodies. The highest concentrations of paraquat can be found in natural water bodies for fresh
water. Food and Drug Administration the Ministry of Public Health announced in the Government Gazette that ahigh concentration of paraquat results in harm to human health. If prolonged exposure to large doses of chemicals
can cause carcinogens.
Diseases caused by pesticide poisoning. We can protect ourselves by using water treatment technology suchas ozone bubbles, micro nano to purify the water, and can protect ourselves by using some water treatment
technology such as membrane as a microbial mixture to remove wastewater. Ozone micro-nano bubble technology
has become popular because micro-nano-ozone bubbles with unique physical properties have the potential topurify water, so in this project, the use of Ozone micro-Nano Bubbles technology in the treatment of pesticides
and herbicides in wastewater has been studied to guide the development of Ozone micro-Nano Bubbles technology.
2. Methodology
Microbubbles and Nanobubbles (MBs and NBs) concepts are tiny bubbles with a diameter of 10–50 nm andhave been explored for a wide range of applications. The total free energy of the system should increase with theformation of the nanobubbles. Small bubbles tend to gradually shrink and collapse due to prolonged stagnationand the dissolution of the internal gas into the surrounding water. The methodology is summarized in Fig.1.

Fig. 1 Conceptual framework of study

3. Results
Firstly, the sample was added micro-nano bubbles and exposed in ultraviolet (UV). After that pH, DO and paraquat
dichloride removal were analyzed for 30-330 minutes. It was found that pH drops to a minimum over a 70-minuteperiod due to the use of oxygen for paraquat degradation. The pH average is around 6.29, as shown in Fig.2.
Meanwhile, DO values improve due to the presence of oxygen in the bubbles. The average DO is approximately
8.28 mg/L, as shown in Fig.3. The percentage of Paraquat dichloride removal is 96.97%−166−

ZE2023B-39

Fig. 2 pH of Air Micro-Nano bubble mixed with
Paraquat dichloride 0.379 ㎍/ml exposed in ultraviolet

Fig. 3 DO of Air Micro-Nano bubble mixed with
Paraquat dichloride 0.379 ㎍/ml. exposed in ultraviolet.

Other conditions, the sample was added micro-nano bubbles without exposed in ultraviolet (UV). pH was dropped
to a minimum over a 60-minute period due to the use of oxygen for paraquat degradation. The average pH isaround 6.43, Fig. 4. DO average is around 8.35 mg/L, Fig.5. And The percentage of Paraquat dichloride removal is97.82%

Fig. 4 pH of Air Micro-Nano bubble mixed with
Paraquat dichloride 0.379 ㎍/ml without ultraviolet

Fig.5 DO of Air Micro-Nano bubble mixed with
Paraquat dichloride 0.379 ㎍/ml. without ultraviolet

4. Conclusion
This is because it is a widely used paraquat. The use of ozone in water treatment therefore requires considerationof its impacts. The purpose of this manuscript is to study the feasibility and efficacy of using ozone. The basic
characteristics and mass transfer behavior of MNB in ozone have been studied and the efficiency of water
regeneration in ozone MNB has been studied through laboratory tests. This study examined an integrated method
using nanobubble technology to treat paraquat wastewater. As a result, there is a high probability of successfuladhesion to suspended particles. This experimental micro-nano-foaming technology uses paraquat to eliminate thepH value drops to as low as 6.29 due to the use of oxygen from micro-nano bubbles to break down the paraquat
contained in synthetic wastewater. In addition, DO is reduced by the binding of oxygen to paraquat. However,some contaminants still require further investigation of disposal efficacy when using micro-nanobubble technology.
This experiment used paraquat for elimination. It was found that the paraquat contained in the water gradually
decreased and the pH DO in nano foamed paraquat water tended to decrease. This indicates that paraquat passes
through nano bubbles as oxygen in water binds to paraquat and decomposes. The pH of water decreases. However,experiments using only air as a pump yield less oxygen than an ozone pump and because the pH of DO increases,
oxygen increases to [OH-].
5. Acknowledgements
We are grateful to Kyoto University's Institute of Advanced Energy and JURC for Zero-Emission Energy
Research for their crucial support, which has greatly enriched our pursuit of sustainable energy solutions.

− 167 −

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核融合炉における電子サイクロトロン波による高効率電流駆動
飛田 健次 1，長﨑 百伸 2，清野 智大 1，福山 淳 3，前川 孝 3，柳原 洸太 41

東北大学工学研究科，2 京都大学エネルギー理工学研究所，3 京都大学, 4 量研機構

1. 研究の背景と目的

電子サイクロトロン波（EC 波）による電流駆動（ECCD）は、核融合炉システム工学の観点からみて有力なプラズマ電流駆動方式である。実際、EC 波発振管の故障に際してもバックアップ用発振管への切り替えにより入射パワーの低下を補償できるためトカマク運転の計画外停止を抑制できること、
さらには、核融合炉の近傍に設置する真空窓によって導波路や発振管のトリチウム汚染を回避できる
ことは、他の電流駆動方式にはない特筆すべき特長といえる。他方、電流駆動効率が課題とされることから、本研究では、核融合原型炉に対して、EC 波の周波数､入射位置、入射角等の重要な入射変数について網羅的な ECCD シミュレーションを行い、高効率 ECCD が可能になる条件を探索・分析した。
2. 研究の方法
図１に示すように、EC 波の入射方向を３つの変数𝛼𝛼, 𝜗𝜗, 𝜑𝜑で定義する。プラズマ外部の EC 波入射（出射）位置に相当する角度𝛼𝛼は、低磁場側赤道面から高磁場側赤道面まで、プラズマの上半分となる𝛼𝛼 = 0~ 180°（角度刻みは 5°）の範囲を 13 点の入射位置でカバーする。EC 波の入射方向を示す２つの変数（q, 𝜑𝜑）については、5°刻みで変化させ、さらに、
周波数 f は 100–300 GHz の間を 10 GHz
刻みでスキャンした。EC 波は O モード, 入
射パワー1MW とした。本研究では、光線追跡コード TRAVIS [N.B. Marushchenko et al.,Comput. Phys. Commun. 185 (2014) 165–176.]
を解析コードとして採用した。これは、短時間で EC 波のパワー吸収及び駆動電流の解析が可能なため、大量のパラメータスキャンに向くからである。一連の解析では、核融合原型炉 JA DEMO のプラズマ条件を入力として
図１．EC 波の入射方向に関する３つの変数𝛼𝛼, 𝜗𝜗, 𝜑𝜑の定義
与え、プラズマの中心電子温度および密度を、それぞれ、34 keV, 1.0×1020 m−3 とした。
3. 解析結果(1) 高効率 ECCD の条件
ECCD 解析は𝛼𝛼, 𝑓𝑓, 𝜗𝜗, 𝜑𝜑の４つの変数に対して実施した。高効率 ECCD となる入射条件に注目するため、 与えられた２つの変数𝛼𝛼, 𝑓𝑓 に対する最大電流駆動効率𝜂𝜂!"# (𝛼𝛼, 𝑓𝑓)を次式で定義する。

𝜂𝜂!"# (𝛼𝛼, 𝑓𝑓) = max [ 𝜂𝜂'( (𝛼𝛼, 𝑓𝑓, 𝜗𝜗, 𝜑𝜑)] ．
$,&

𝜂𝜂!"# を(α, f )空間のカラーマップに整理したものが図 2(a)である。合わせて、𝜂𝜂!"# となる条件での EC
吸収パワーが最大になる半径rを同図(b)に示す。これらの結果から以下のことが明らかになった。

l 低磁場側入射（0º ≤ a < 90º）の場合：f が適正値（180-250 GHz）のとき、高効率 ECCD（𝜂𝜂!"# >35 kA/MW）となる(𝜗𝜗, 𝜑𝜑)の組み合わせが存在し、これは中心駆動（r < 0.5）に対応する。低磁場側入射の場合、赤道面入射（a ~ 0º）から上部入射（a ~ 90º）まで広い範囲にわたって高効率入射条件が存在することは重要な知見である。これは、EC 入射ポートの選択にはフレキシビリティがあり、他の機器との干渉を避けるようにポートを配置しても高効率 ECCD を実現する入射条件を見−168−

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出しうることを示唆する。ただし、駆動効率の低下を招く高次高調波の吸収を避けることが肝要である。f が適正値でないときには、周辺駆動（r > 0.7）となり、電流駆動効率は𝜂𝜂!"# < 20 kA/MWの低効率に留まる。

l 高磁場側入射（90º < a ≤ 180º）の場合：高次高調波共鳴により EC 波パワーの多くは周辺で吸収され、全般的に低効率（𝜂𝜂!"# < 25kA/MW）である。

(2) ECCD による電流分布制御性
原型炉 JA DEMO は、ブートストラップ電流（BS 電流）割合が約 60%、外部駆動電流割合が約 40%で定常運転が可能になるように設計されている。このときの BS
電流はr ~ 0.5 及び 0.95 で大きく、中心領域（r < 0.5）では大きく減少するため、そのままでは強い負磁気シアになる。安定で制御性に優れる弱い負磁気シアにするた
めには、中心領域での電流分布制御性が求められる。そこで、中心領域での電流分布制御性及び電流効率に着目して解析結果を分析した。
EC 波の赤道面入射（a ~ 0º）の場合には、f = 210 GHzのとき高効率 ECCD（𝜂𝜂!"# > 35 kA/MW）が 0 ≤ r <0.5
で可能であり、角度𝜑𝜑の刻み幅∆𝜑𝜑 = 5°に対する電流駆動位置の分解能はDr = 0.05 - 0.1となった。弱磁場側斜め上入射（a ~ 60º）の場合には、同じ周波数のときやや広い 0 ≤ r <0.6 で高効率 ECCD が可能であり、電流駆動
位置の分解能はやや粗いDr = 0.15 - 0.2であった。実用上は、赤道面入射、斜め上入射とも高効率での電流分布
図 2 (a) 𝜂𝜂!"# の(a, f)依存性、及び (b) 𝜂𝜂!"# と制御性があると考えられる。
なる条件における EC 波吸収パワー（駆動電流）が最大となる半径r4. 発表リスト[論文発表リスト]
1) Tomohiro Seino, Kota Yanagihara, Hiroyuki Takahashi, Kenji Tobita, Kazunobu Nagasaki, Atsushi Fukuyama,
Akinobu Matsuyama, Tetsutaro Oishi, Takashi Maekawa, “Systematic numerical analysis of ECCD exploring
injection conditions with high CD efficiency and current profile controllability in JA DEMO”, Fusion
Engineering and Design （投稿中）［受賞、プレス発表等］
なし［口頭発表リスト］
1) 清野智大、柳原洸太、高橋宏幸、大石鉄太郎、飛田健次、福山淳、長﨑百伸、前川孝、小田靖久，“核融合原型炉を対象とした高効率 ECCD と駆動電流分布制御の両立性”，第 40 回プラズマ・核融合学会年会，2023 年 11 月 27 日- 11 月 30 日，アイーナ・いわて県民情報交流センター，ポスター
2) T. Seino, R. Yanagihara, K. Tobita, K. Tobita, A. Fukuyama, K. Nagasaki, T. Maekawa, Y. Oda, "High-efficient
plasma current drive by electron cyclotron waves in fusion reactor,” 14th Int. Symposium of Advanced Energy
Science, Kyoto University, 30th Aug., 2023.
3) Y. Oda, K. Nagasaki, A. Fukuyama, T. Maekawa, H. Idei, T. Seino, K. Yanagihara, N. Aiba, R. Ikeda, K.
Kajiwara, S. Kubo, K. Tobita, H. Utoh, Y. Sakamoto, “Physics and Engineering Design of Electron
Cyclotron Current Drive System for JA DEMO,” IAEA Fusion Energy Conference 2023, London, UK, Oct.
2023.

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カーボンニュートラルを目指した新型半導体
電力制御デバイスの開発―ペロブスカイトダイスターの試作―岡本研正 1，岡本賢一郎 2，森下和功 21

特定非営利活動法人光半導体デバイス応用技術研究所
2
京都大学エネルギー理工学研究所

1. まえがき
本研究は既存のトランジスタとは原理も構成も全く異なる新型電力制御デバイス、パワーダイスタ
ーを開発しようとするものである。昨年度まではダイスターにおける受光素子として Si 太陽電池を使っていたが、今年度は将来 Si 太陽電池に取って代わることが期待されているペロブスカイト（PVSK）
太陽電池を使ってもダイスターを作ることができるかどうか実験研究を行った。本報告ではその成果について述べる。
2. PVSK 太陽電池の特性と PVSK ダイスターの試作
図 1 は高光力赤色 LED を 3 個直列につないだ光源と 3cm 角太陽電池 1 枚からなるパワーダイスタ
ーを使ってモータ制御を行う基本回路である。我々はこのような方式でもってすでにシニア用電動カートの駆動制御に成功している。本研究では図１の Si 太陽電池の代りに図２のペロブスカイト薄膜
太陽電池(桐蔭横浜大学の宮坂力教授、池上和志教授ご提供)でもダイスターが作れるかどうか調べた。
試作に先立ち、まずはこの PVSK 太陽電池試料膜（図２）の Ip-Vp 特性（電流電圧特性）を調べた。

．

図１ LED3 個と Si 太陽電池 1 枚からなるダイスターを用いたモータ制御回路

図３ 4 枚並列とした PVSK 膜に波長 656nm の
赤色 LED 光を照射(全光量 348mW)した
ときの Ip-Vp
特性．FF
値は 0.51.
３が得られた
Ip-Vp
特性である。

図２ 本研究で用いた PVSK 太陽電池膜（受光面積 1cm 角）.
（右）は裏面の金電極膜．桐蔭横浜大学にて作製．

図４ 1 枚の PVSK 膜に赤色 LED1 個の光を照射したときの LED 入力電流 IL と PVSK 膜に流れる光電流 Ip の関係．α=Ip/IL>0.9 ならダイスターができる．

図３がその結果であり、この特性から PVSK 膜の FF 値を求めると FF=0.51 となった。この FF 値は
Si 結晶太陽電池の一般的な値 0.72～0.75 と比べると非常に低い。だがこれは PVSK 膜を代表するよう−170−

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な値ではなく、大学研究室において作製された試料の一例にすぎない。LED と太陽電池でダイスターができる条件は、図４(左)のように LED と太陽電池を対向密着（d=0 mm）させ LED に電流 IL を流したとき太陽電池に生じる短絡光電流 Ip の比 α（トランジスタのベース接地電流増幅率に相当）＝Ip/ILの値が概ね 0.9 以上となることである。
（より詳しく言えば 1>α>0.9 の場合はトランジスタモード、α≧1 の場合はサイリスタモードとなる。）図２の 1cm 角 PVSK 膜 1 枚について照射 LED1 個の入力電流 ILと Ip の関係を調べたものが図４(右)のグラフである。IL が 30mA 付近までは Ip は IL に比例する。そこ
でこの点で α 値を求めると α≒0.27 となる。このことから図２の PVSK 膜で α>1 ないしは α≒0.9 とするには PVSK 膜を照射する LED の数を４個直列とする必要がある。図５はこれらの実験データを基に試作した
PVSK ダイスターであり、図６はこの PVSK ダイスターを用いて DC モータの駆動に成功した写真である。
本研究において Si 太陽電池の代りに PVSK 太陽電池を使ってもパワーダイスターを作れることが明らかになった。今後もっと性能が良く耐久性のある PVSK 膜が開発され商品化されれば、電力制御デバイス（＝新型パワートランジスタ）という PVSK 膜の太陽光発電以外の新たな用途の開拓につながるであろう。
図５(左) ４枚並列の PVSK 膜と４個直列の赤色 LED からなる
試作 PVSK ダイスター．
図６(右) 試作 PVSK ダイスターを用いた回転翼付モータの駆動．

3. 論文発表リストおよび口頭発表リスト[論文発表リスト]
1. 岡本賢一郎、岡本研正、森下和功（京大）、池上和志（桐蔭横浜大）、宮坂力（東大先端研）、「ペロブスカイト太陽電池使用光電変換トランジスタを用いたモータ制御」、電子情報通信学会電子通信エネルギー技術研究会（EE）信学技報（IEICE Technical Report）、Vol.122、No.418、pp.7-12、2023
年 3 月 6 日．
2. 岡本賢一郎、岡本研正、森下和功（京大）、奥野敦史（グリーンプラネッツ）、「新増幅デバイス
・ダイスターとバイポーラトランジスタの静特性比較における形状同一性」、電子情報通信学会技術研究報告(信学技報) IEICE Technical Report EE2023-14、pp.73-78、2023 年 7 月 21 日．
口頭発表リスト][口
1. 岡本賢一郎、岡本研正、森下和功（京大）、池上和志（桐蔭横浜大）、宮坂力（東大先端研）、「ペロブスカイト太陽電池と LED からなる光電パワートランジスタ」、2023 年応用物理学会春季学術
講演会、講演番号 15a-A401-2、3 月 15 日．
2. 岡本賢一郎、岡本研正、森下和功（京大）、池上和志（桐蔭横浜大）、宮坂力（東大先端研）、「ペロブス カイト太陽電池のソーラー発電以外での新応用」、2023 年第 3 回日本太陽光発電学会学術
講演会、講演番号 PB-28、2023 年 6 月 29 日、京都テルサ．
3. Ken-ichiro Okamoto、Kensho Okamoto、Kazunori Morishita、Masashi Ikegami、Tsutomu Miyasaka、“Development of New Semiconductor Power Control Aiming for Carbon Neutrality － Development of
Perovskite Distar－“、The 14th International Symposium of Advanced Energy Science ZE、2023B-41、
August 30、2023、Kyoto University.
4. 岡本賢一郎、岡本研正、森下和功、「高光力ダイスター交流発振器を用いたメガソーラーシステム
からの無歪低ノイズ、三相交流発電」、令和 5 年度電気・電子・情報関係学会四国支部連合大会、講演番号 5-2、講演論文集、p.89、四国電力屋島研修所、2023 年 9 月 23 日．
5. 岡本賢一郎、岡本研正、森下和功（京大）、奥野敦史（グリーンプラネッツ）、「正弦波発振器と高出力ダイスター交流アンプを用いた低ひずみ・低ノイズ三相交流電源の開発」、令和 5 年度電気・電子・情報関係学会関西連合大会、講演番号 G6-12、関西学院大学，2023 年 11 月 26 日．

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高繰り返しナノ秒ファイバーレーザーを用いたレーザー除染
Laser decontamination using a high repetition-rate nanosecond fiber laser
小菅 淳 1，曽田 圭亮 2，中嶋 隆 2
1

日本原子力研究開発機構 敦賀総合研究開発センター レーザー・革新技術共同研究所
2
京都大学 エネルギー理工学研究所

 緒言
福島第一原子力発電所や運転期間を終えた原子炉の廃止措置において大量の放射性廃棄物が発生する。廃棄物の大部分は低レベル放射性廃棄物であり、この放射能レベルの低い原子炉配管などの金属部品を効率的に除染を行うことにより、廃棄物の量を減らし、保管コストを大幅に下げる事が可能となる[1]。一般的に用いられている化学除染や機械除染などと比較して、レーザーを用いる除染は、非接触で遠隔操作が可能であり、作業員の被ばく量の低減や二次廃棄物の発生を大幅に抑制することができる。
ステンレス鋼の金属配管や隔壁などの除染を行う場合、表面に付着した汚染物を取り除くだけでは完全に除染することはできず、金属母材の亀裂の中に入り込んだ汚染物を取り除く必要がある。そのため金属母材の表面を数十µm 程度の深さまで削り取らなくてはならない（アブレーション除去）。原子力機構では高出力連続波レーザーを用いたレーザー除染の研究開発を進めてきた[2]が、強いレーザ
ーを照射すると金属母材と表面の汚染物質が溶融してしまい、汚染物が金属母材内部にもぐりこんでしまう問題がある。本研究では、金属母材が溶融することなく瞬時的に蒸発除去することを目指し、より熱の影響の少ない高繰り返しナノ秒パルスファイバーレーザーを用いてパルスレーザー除染のための最適なレーザー照射条件の探索を行った。ただし、今回は取り扱いを簡単にするため、汚染物質の付着していない金属試料を用いた。
 実験結果除染試験には波長 1064 nm の高繰り返しナノ秒パルスファイバーレーザーを用い、ファイバーからの出射光を平行光にコリメートし、2 枚の高速で動くミラーで反射した後、fθ レンズで金属試料(厚さ5 mm の SUS304 ステンレス鋼)上に集光する。2 枚のミラーを高速で動かすことにより集光スポットを
高速で掃引することができる。図１に(a)レーザー照射装置の配置図と(b)レーザーの照射パターンを示す。

図 1 (a) レーザー照射装置の配置図(b) レーザーの照射パターン(Line Mode)−172−

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図 2 (a)平均剥離深さのパルス幅依存性、レーザー照射後の表面の顕微鏡画像(b)パルス幅: 14 ns、(c)パルス幅 192 ns

レーザーの照射パラメータとして、レーザー出力、パルス時間幅、掃引速度、掃引間隔、掃引繰り返
し数などが考えられるが、今回はパルス時間幅を変化させた時に金属が除去される深さを調べた。可変パラメータとしてパルス時間幅を 14 ns から 192 ns まで 8 段階に変化させた。パルス時間幅以外のレーザーパラメータは、レーザー出力 14 W、繰り返し周波数 150 kHz ( = パルスエネルギー93.3 µJ)、
集光ビーム径 50 µm、掃引速度 1000 mm/s、ライン間隔 (Δy) 10 µm、掃引回数 50 回に固定し、3 x 10mm2 の範囲をレーザー照射した。平均除去深さは、レーザー照射後、レーザーの掃引方向と垂直の方向のラインプロファイルを白色共焦点顕微鏡を用いて測定し、除去深さの平均値とした。
図 2(a)に平均除去深さのパルス時間幅依存性のグラフと(b)にパルス時間幅が一番短い 14 ns、(c)にパルス時間幅が一番長い 192 ns でレーザー照射後の試料表面の顕微鏡画像を示す。パルス時間幅が長くなりにつれて平均除去深さは増大し、パルス時間幅が 150 ns 付近で最大となっている。さらにパル
ス時間幅が長くなると平均除去深さは減少する。また、レーザー照射後の顕微鏡測定によると、パルス幅が短い（14 ns）場合、レーザースポットの移動方向と同じ方向の照射痕が観測されたのに対し、パルス幅が長い（192 ns）場合は、レーザースポットの移動方向とは異なる方向の構造も現れた。これらの実験結果から、レーザーの総照射エネルギー（レーザーパワー x 照射時間）が同じであっても照射するレーザーパルスの時間幅によって SUS304 表面の除去深さや表面構造に違いが現れることが確認
できた。
 まとめ
我々は、レーザーフルエンスが同一の場合、短いパルスの方がアブレーション閾値が低くなることが知られていることから[3]、平均除去深さも増大するであろうと考えていた。しかし、今回の結果から、最大除去深さを得るためにはパルス時間幅に最適値があり、パルス時間幅はある程度長い方が良いということがわかった。今後、さらにレーザー出力、掃引速度、掃引間隔、掃引繰り返し数なども変化させることによって除染に最適なレーザー照射条件の探索を進める予定である。
 参考文献[1] OECD. R&D and Innovation Needs for Decommissioning Nuclear Facilities: Radioactive Waste
Management 2014. Paris: OECD Publishing; 1-313 (2014).
[2] 小菅 淳 他, 日本原子力学会 2022 年春の年会など[3] T. Endo, et al., Opt. Exp. 31, 36027-36036 (2023)− 173 −

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光温度計測を可能とする
カーボンナノチューブの発光熱特性
青田 駿 1，劉 知鋭 2，西原大志 2，松田一成 2，宮内雄平 212

兵庫県立工業技術センター
京都大学エネルギー理工学研究所

1. 背景と目的
近年, 情報化社会における IoT 機器, ネットワーク設備, データセンターなどで使用されている集積回路の数と密度は爆発的に増加しており, CO2 のゼロエミッション化に向けて集積回路の熱損失低減による更なる省エネルギー化が求められている. 一方で, 熱損失対策のため極微細構造をもつ集積回路の発熱解析を行う際に, 従来の赤外線熱放射を用いたサーモグラフィカメラなどの熱計測方法では空間分解能に制限があるため, 極微細構造内の温度分布を測定することが出来ず解析に限界があった. そこで本研究では, 従来の解析限界を凌駕する高空間分解能な光温度計測機能を有した貼り付け型カーボンナノチューブシートの開発を研究目的とする.
今年度の目標は, カーボンナノチューブの極薄膜化と, カーボンナノチューブの室温から 150℃程
度までの発光スペクトルの温度依存性を利用した光温度計測に利用出来る特徴とその感度評価を行う.
2. 実験方法
本研究では, 直径が約 0.7 nm の半導体型単層カーボンナノチューブ(以下ナノチューブ)の孤立分散水溶液を用いた. この水溶液をシート形状にするため, 吸引ろ過[1]を用いた極薄膜シートの作製を行った(図 1(a)). シートの光学特性を把握するため, 吸収スペクトルと PLE(Photoluminescence excitation)測定を行った. また, ナノチューブのアップコンバージョン発光の熱特性(励起波長：1064 nm, 試料
加熱温度：295.2 K～432.1 K)を測定し, 光温度計測として用いるための温度計測方法の検討と感度性能を評価した.

図 1 (a) 吸引ろ過用のメンブレンフィルター上に形成されたカーボンナノチューブ極薄膜シートの外観写真,(b) 発光熱特性測定用の光学系システムの概要図.

3. 結果と考察
吸収スペクトルと PLE 測定の結果を図 2 に示す. 図 2(a)より 0.7 nm 程度の直径のナノチューブに起因する吸収ピーク(E11, E22)が確認された. また, 図 2(b)よりナノチューブの自由励起子準位由来の発光ピーク(E11)が確認された. また, E11 よりも長波長側(低エネルギー側)に, ナノチューブ作製時に偶発的な酸素ドーピングによる局在励起子準位ピーク(E11*)も確認された. 酸素ドーピングされたナノチューブは, ストークス発光だけでなくアップコンバージョン発光が発現する[2,3]. ナノチューブにおけるアップコンバージョン発光は, 照射した励起光により生成された局在励起子が熱励起され, 自由
励起子準位から発光するユニークな発光現象である.

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図 2 (a) ナノチューブ極薄膜の吸収スペクトル, (b) ナノチューブ極薄膜の PLE.

そこで, ナノチューブを加熱した際のアップコンバージョン発光スペクトルを図 1(b)の測定装置を用いて測定した結果を図 3(a)に示す. 加熱温度を上昇させると, 自由励起子準位(E11)からの発光強度が増加している. そこで, 1.35~1.41 eV 領域の発光強度を積算した値を温度に対してプロットした結果を図 3(b)に示す. 温度増加と共に発光強度が単調増加していることが確認された. また, 室温(295.2 K)の発光強度に対して規格化することで, 発光強度比を用いた温度計測の可能性があることがわかった. 最後に感度評価として相対感度 SR 値[4]を用いて評価すると, 平均 1.4 %/K となった.

図 3 (a) アップコンバージョン発光の温度依存性, (b) 温度に対する発光強度比(295.2 K で強度を規格化).

4. まとめと今後
水溶液試料を吸引ろ過法で極薄膜シート化したナノチューブ試料を作製した. アップコンバージョ
ン発光の温度依存性より, 室温から 150℃まで発光強度が単調増加することを確認した. 室温を基準に強度比を用いることで, 平均 1.4 %/K の感度を持つ温度計測の可能性があることがわかった. 一方で,温度計測方法として室温基準の計測方法は実用性に乏しい. そこで今後は, 励起波長を変更することで, 複数の準位からの発光ピーク強度比を用いた計測方法を検討し, 実用性の高い計測技術を模索す
る. 更に, 取り扱い性の良い貼り付け型シート材料を目指すため, ナノチューブ極薄膜を用いたシート材料の開発も同時に検討する予定である.
5. 参考文献[1] T. Nishihara, et al., Nanophotonics 11, 5, 2022. [2] N. Akizuki, et al., Nat. Commun. 6, 8920, 2015. [3] S.
Aota, et al., Appl. Phys. Exp. 9, 045103, 2016. [4] L. Marciniak, et al., Coor. Chem. Rev. 469, 214671, 2022.

− 175 −

−176−

− 177 −ZE2023C-01

一電子入射によるシンチレーション発光素過程の理解、および、暗黒物質探査用異方性結晶の中性子応答評価
黒澤俊介 1,2,3，山路晃広 1,2，浦野雄介 2，松倉大佑 2，全1

炳俊 4，大垣英明 4東北大学 未来科学技術共同研究センター
2
東北大学 金属材料研究所
3
大阪大学 レーザー科学研究所
4
京都大学 エネルギー理工学研究所

1 . 一電子入射によるシンチレーション発光過程の理解
シンチレータとは放射線によって励起された電子が脱励起の際に蛍光を生じる物質のことで、光検出器と組み合わせることで放射線検出素子として利用されており、高発光量・優れたガンマ線のエネル
ギー分解能（ΔE/E）を持つシンチレータ材料が多くの応用で求められている。
無機物シンチレータでの発光機構は、図 1 のようにバンド構造で説明でき、(a)放射線によって生じた電離電子がさらに多くの電子を電離させ、(b)それらが価電子帯から電子を励起させ、伝導帯を輸送されて発光中心に到達し、(c)脱励起（ホールとの再結合）で発光が生じる。各シンチレータのバンドギャップエネルギーEgap と発光量の関係は、図 2 のようにプロットでき、Erad 、S および Q をそれぞれ入射ガンマ線のエネルギー、電子正孔対が発光中心に輸送される効率および発光中心での発光効率（量子収率）とすると、式 1 のように書ける。
(発光量)= {Erad / (β×Egap)}×S×Q<1>

ただし、0≤S×Q≤1、β は現象論的に 2.3～2.5 程度で、β はEgap に対する電子・ホール生成エネルギー(w)との比(β＝w/Egap)と解釈できる。
発光量を向上させるためには、Egap を小さくすることが有効な手段の一つではあるが、その場合、発光中心である
Ce3+の励起準位（5d 軌道）と伝導帯が被ってしまい、消光してしまう問題がある。そこで、われわれは式 1 の中で、S や Q を理想値の１に近づけるような材料の探索を行っており、その結果、 開発した Ce 添加(La,Gd)2Si2O7（以下、Ce:La-GPS）が該当することが分かっている[1] [2]。
今年度は La で Gd の一部を置換していない Ce 添加
Gd2Si2O7 の調査を進め、La 置換による効果について議論を 図 1 シンチレータの発光機構の概念図進めた。現在、論文作成に向けて実験を進めているところであるが、La 置換による発光量の向上について、蛍光寿命などから推定する電子輸送の効率が関与していることを議論している。

2 . 暗黒物質探査用異方性結晶の電子線応答
宇宙の構成成分の約 23％を占めるとされる仮説上の「物質」である暗黒物質（ダークマター）の正
体を突き止めることは現代物理学の 1 つの大きなテーマであるが、その 1 つの候補となっているのがWeakly interacting massive particles(WIMPs )と呼ばれる質量があり（重力相互作用がある）、弱い相互作
用は起こし、電磁相互作用は無視できるほど小さいか 0 である物質である。この WIMPs は銀河に付随−178−

ZE2023C-01
していると考えられ、太陽系が天の川銀河内を約 230 km/sの速度で円周運動をしており、地球からみて白鳥座の方向に進んでいるため、あたかも WIMPs の風が白鳥座から吹いているように見えると期待されている。
暗黒物質がシンチレータ内の構成元素の中の原子核との弱い相互作用によって原子核を散乱させれば、散乱で生じたエネルギーの解放としてシンチレーション発光が見える。さらに、暗黒物質が入射する結晶面ごとの発光量 図 2 KU-FEL での光学的異方性の調査のが異なる場合には方向の推定が可能になる。従来、シンチ 様子
レーション現象での発光量は入射する放射線の到来方向に依存しない、発光現象が起きた時に、その発光は一様等方であるというのが「常識」であった。しかし、ZnWO4 をはじめとするいくつかの結晶ではその常識から外れることが、ここ 8 年程度のアルファ線や陽子線などの再現性実験を経て、信憑性を帯びてきている。
これまで、KU-FEL の電子源を用いて、入射する放射線の結晶方位ごとに発光量が異なるか（光学的異方性の調査）を ZnWO4 に電子を照射させて調査を進めている（図 2）。電子線は原子核ではなくシンチレータの電子と電磁相互作用を起こして電子線のエネルギーをシンチレータに渡して発光している
ため、アルファ線や陽子線とは電子の電離までの過程およびエネルギー輸送過程が異なる。これまでの結果から、電子線については顕著な発光量と入射面との関係性を見ることができなかった。これは、これまでのアルファ線やガンマ線などとは異なった結果であり、非常に興味深い。当該現象はいまま
での「常識」を覆すため、慎重に反例を集める必要があり、今後も結晶のサイズ、組成の異なる結晶、
入射電子線のエネルギーなど様々な条件を変えて実証する。また、同様に PbWO4 などの似た構造をもつ材料についても同様に測定を進めている。

なお、今年度（昨年度の報告書後からの差分む含む）の関連受賞、対外発表は以下の通り。
［口頭発表リスト］
1. Shunsuke Kurosawa, Heishun Zen , Daisuke Ohsawa, Masakazu Oikawa, Yusuke Urano, Hiroki Kochi,
Yasuhiro Nakajima, Hideaki Ohgaki, Koichi Ichimura, Hiroyuki Sekiya, “Anisotropic Effect of ZnWO4
Scintillator for Direction-Sensitive Dark Matter Search”, The XVIII International Conference on Topics in
Astoparticle and Underground Physics (TAUP2023)、TAUP2023 IOC/LOC(実行委員会)主催、2023 年 8月 31 日発表
2.

Shunsuke Kurosawa, Shohei Kodama, Chihaya Fujiwara, Akihiro Yamaji, “History of Halide Scintillations
Materials with Red and Infrared Emissions” OPTICS & PHOTONICS International Congress 2023, 2023
年 04 月 21 日 （招待講演）

ほか 2 件[参
参考文献 ][1]S. Kurosawa et al., NIMA744 30 - 34 (2014)[2] S. Kurosawa et al., IEEE TNS 65(8) 2136-2139 (2018)− 179 −

−180−

− 181 −ZE2023C-03

トロイダルプラズマ周辺乱流の径方向相関解析と配位間比較
永島芳彦 1，大島慎介 2，藤澤彰英 1，稲垣滋 2
1

2

九州大学応用力学研究所
京都大学エネルギー理工学研究所

1. 本研究の背景と目的
核融合プラズマ研究では、核融合反応を発生させる上で求められる高性能プラズマの実現に向けて、プラズマの乱流輸送の大域的構造とその形成メカニズムの解明が急務である。プラズマの境界から離れたスクレイプオフ層ではブロッブと呼ばれる非拡散的輸送が注目され、スクレイプオフ層の密度勾配が拡散モデルと比較してフラットになる原因とされ、ブロッブが周辺部のプラズマ分布構造を支配している。ブロッブをトリガーする粒子や熱の起源はプラズマ境界の強い乱流揺動に内在すると考えられるが、両者を直接結びつける研究は希少である。本研究課題では、究極には境界乱流揺動データの統計解析を通じて、両者の関係性を明らかにすることを目的としている。乱流揺動は主に強く線形不安定性な微視的揺動を起源とし、スペクトルではピーク周波数と同オーダーのスペクトル広がりが観測され、ライフタイムが短く時空間に局在構造を持つ。波の情報がある程度保存されている場合はウェーブレット解析が有用であるが、そうでない場合は統計解析が有用である。本研究課題では、統計解
析によって乱流揺動場に内在する見えにくい局在構造を捉えることを目標としている。本研究に先立
ち、閉じ込めプラズマではないが準乱流状態の大域的揺動駆動粒子・運動量輸送の確率密度関数の非ガウス性特に大偏差統計にかかわる研究を行ってきた[1]。また、統計解析には観測物理量として高時空分解能が求められる、通常観測可能なイオン飽和電流や浮遊電位よりもより輸送の統計量を得るのに必要な電子温度揺動や電子密度揺動を局所的にプローブで取得し[2]、大域観測が可能な発光トモグ
ラフィーシステムとプローブ計測を比較しトモグラフィー計測から局所電子温度・電子密度揺動を得る手法の開発[3, 4]など、多角的に研究を行っている。
2. 本研究課題に於ける前年度の研究の進捗
前年度はヘリオトロン J の多チャンネルプローブ[5]の周辺乱流データに対し、因果律の向きを特定可能とされている Transfer Entropy 解析[6]を適用した。#79398 の観測位置の異なる２つのイオン飽和
電流データ X[x1,x2,…,xn,…]と Y[y1,y2,…,yn,…]を用い、クロススペクトル解析から得られたコヒーレン
スと位相データから推定される支配的な波動の伝播方向と、Transfer Entropy 解析から推定される因果律の向きを比較した。
まず線形スペクトル解析では、パワースペクトルに 15 kHz 付近のコヒーレントなピークが観測され、クロススペクトル解析からその揺動は Y から X に伝播していることが示唆された。
次に、Transfer Entropy 解析では、2 つの時系列データ X[x1,x2,…,xn,…]と Y[y1,y2,…,yn,…]に対し、現在のデータに対し k+1 の時系列ステップ分だけ過去のデータの条件を指定した条件付確率密度関数を用い、Transfer Entropy TY→X（Y から X）もしくは TX→Y（X から Y）を計算した。情報の流れは双方向だが、両者の差から Net Transfer Entropy の向きが判明し、値の正負が情報の向きを決める。計算の結果、k=0 と 9 で計算すると、Net Transfer Entropy はそれぞれ～0.032 と～0.016 なり、いずれも Y から X
への情報の流れを支持していた。すなわち、線形スペクトル解析と Transfer Entropy 法のいずれも Y から X への情報の伝播を示唆する結果が得られた[7]。
3. 本年度の研究の進捗
本年度は、改良した計測回路を用いた実験データの解析によって、周辺乱流揺動の領域とブロッブが存在する領域を網羅した同時観測データが得られた。図１は、#83937〜#83972 において多チャンネ−182−

ZE2023C-03
ルプローブをショット毎に径方向にスキャンして得られた揺動量の径方向分布である。(a,b)ではそれぞれ浮遊電位揺動およびイオン飽和電流揺動の３次モーメント（歪度）の径方向分布を示している。歪度が０から乖離するにつれ、揺動のガウス分布からのズレと正負の凸構造が顕著となり、ブロッブ様の揺動時系列構造が卓越する。横軸の Radius が増大するにつれてコアプラズマから離れた観測点となる。補正式トリプル
プローブ回路であるため、同じ径方向位置に浮遊電位とイオン飽和電流データが２つあり、黒と赤（灰）でプロットされている。R〜50-55mm 付近の赤（灰）の縦線を境に、プラズマ外側で歪度が急激に変化する様子がわかる。この実験データは、観測点が外側に移動するにつれて揺動の構造が質的に変化していることを示している。(c-e)では、R〜50mm 付近の、径方向位置が異なる３つの観測点における浮遊電位揺動の波形のスナップショットを示す。(c,d,e)の順に径方向外側へ向かうデータを示しているが、このデータの中に（コアプラズマ側の）乱流揺動と（周辺プラズマ側の）ブロッブ的揺動の関係性の有無が潜んでいると考えられる[8]。現在データを検証しつつ解析中である。

(a)

(c)

(d)

(b)
(e)

図１ 揺動３次モーメントの径方向分布。(a)は浮遊電位揺動、(b)はイオン飽和電流揺動。黒と赤（灰）は２つの電極のデータ。縦線は３次モーメントが変化する空間位置。(c-e) 計測器
が(a)の縦線に設置された時の、径方向空間３点同時計測による浮遊電位揺動波形。(c), (d),(e)の順に径方向外側に向かっている。赤（灰の矢印は）突発的揺動イベントを示している。

4. 今後の課題
本実験で得られたデータは補正トリプルプローブ
データの径方向分布であり、原理的には電子温度揺動やプラズマ電位揺動を取得可能であるため、それらが算出可能かどうか現在データの検証を行なっている。
また、同じ径方向位置で浮遊電位揺動を２点測定していることから、擬似的にポロイダル電場揺動の情報を得て揺動駆動径方向輸送の情報を得られる可能性がある。輸送量は周辺プラズマへの密度供給に関わる量であり、因果律の特定には決定的に重要である。例えば、今回得られた径方向空間３点の同時計測データによって、密度連続の式から因果律を特定できる可能性がある。現在はデータの精度を検証しつつ、スペクトル解析や統計解析などこれまで本拠点で培われてきた揺動解析法を適用して、径方向の揺動の因果関係の有無を慎重に調べており、今後も解析を継続する予定である。

5. 参考文献[1] Y. Nagashima, et al., Phys. Plasmas 18 (2011) 070701[2] Y. Nagashima, et al., J. Phys. Soc. Jpn. 84 (2015) 063501[3] Y. Nagashima, et al., J. Phys. Soc. Jpn. 89 (2020) 093501[4] Y. Nagashima, et al., J. Phys. Soc. Jpn. 92 (2023) 033501[5] S. Ohshima, et al., Nucl. Fusion 56 (2016) 016009[6] B. P. van Milligen, et al., Nucl. Fusion 58 (2018) 076002[7] Y. Nagashima, et al., 第１３回エネルギー理工学研究所国際シンポジウム 2022 年 9 月 6 日[8] Y. Nagashima, et al., 第１４回エネルギー理工学研究所国際シンポジウム 2023 年 8 月 30 日

− 183 −

ZE2023C-04

重イオン照射タングステンからの等温制御 による重⽔素
素脱離効果 芦川直子 1, 2，笠井一輝 3，鳥養祐二 3，濱地志憲 1，藪内聖皓 ，

核融合科学研究所 ヘリカル研究部
総合研究大学院大学 数物科学研究科

茨城大学 理学研究科

京都大学 理工学エネルギー研究所


１． 研究背景 
核融合原型炉における定期メンテナンスの実施を想定し、固定された構造物に対するトリチウム除染法の確立が必要となる。現在稼働中の核融合実験装置も含め、このような構造物の温度調整は緩やかに行われる。特にプラズマ対向面では、プラズマ照射と共に中性子照射負荷による損傷が想定される。原型炉ブランケット材料のうち、トリチウム蓄積の観点からプラズマ対向面に被覆されるタング
ステン W 材への蓄積量評価が重要であり、同材料を対象にした水素同位体の除染効果の研究を行っている。対象となる材料の中性子照射効果の考慮が重要であるが、実際の中性子照射実験および同試料が取り扱い可能な施設は世界的にも限定されているため、本共同研究によって中性子照射効果の模擬として複合ビーム材料照射装置（DuET）を使い W 試料に対して鉄イオン照射を実施している。
年度の本報告では、前述のように DuET による鉄イオン照射を施した W 試料に対し、等温脱離法による水素同位体の脱離特性評価を行ってきた。 年度は同様の照射履歴を有する W 試料を使った派生
効果として、主に残留トリチウム評価法の確立を目的とした研究を実施した。

２．実験
本研究で対象とする材料は径 6 mm、厚み 1 mm の再結晶 W（アライドマテリアル社製）である。
DuET 装置において、セシウムスパッタリングイオン源を有するタンデム型加速器により鉄(Fe)ターゲットへのスパッタリングを経て、最終的にターゲット試料が設置される複合ビーム材料照射ステーシ
ョン（Dualbeam Materials Irradiation Station; DuMIS）にて 6.4MeV Fe3+イオンを得、W 試料に対して照射を行った。DuMIS の試料背面にある黒鉛ヒーターによって、鉄イオン照射時の温度は ℃となる
よう設定した。また W 試料に対する弾き出し損傷量（dpa: displacement per atom）は DuET 装置を利用した文献の事例を参考にし、十分なはじき出し
損傷量として 3dpa とした。
イオン照射後のタングステン試料は、量研機構
六ケ所研究所が有する直線型プラズマ装置にて重水素プラズマ曝露を行った（注：別共同研究枠による実施）。同プラズマ照射は W 試料表面近傍におP
ける照射損傷による変質と、W 試料への水素同位体滞留（本プラズマ実験では重水素）を目的としている。W 試料は大気中に取り出し、次の処理、例
えばトリチウムガス曝露実験（注；富山大学との共同研究で実施）等を行った。
図１ 走査型電子顕微鏡による、重水素プラズ

マ照射後の W 試料の表面変化。直径数m のブ
３ ．結果およびまとめ 
リスターが多数観測されている。
 図１は走査型電子顕微鏡（SEM）による、重水素−184−

ZE2023C-04
プラズマ照射後の W 試料の表面変化を示す。直径 PP 程度の表面変化が多数観測され、重水素プラ
ズマ照射環境であることと径の大きさから水素ブリスターであると考えられる。同 SEM 像では、すでに破裂したもの（図中では白く生じされている）や、破裂前の表面変質が少ない状況のものなどを含めると、全体にわたりブリスターおよびその予備軍が観測されている。本実験の W 試料の一部は、別途DuET による Fe イオン照射を行っており、水素同位体吸蔵という観点からは、プラズマ照射および鉄イオン照射共に、捕捉要因となる可能性があった。
 2023 年度の研究では、このような履歴を有する W 試料に対し、１）トリチウムガス曝露処理、２）
その後の残留トリチウム測定（トリチウム・イメージング・プレート(TIP)法による測定）、および３）
化学エッチング処理によるトリチウム深さ
情報分析、を行った。
 図２はプラズマ照射、鉄イオン照射を有す
る W 試料へのトリチウム残留量評価に関す
る初期データである。これら W 試料をトリチウムガスへの曝露を行った後、化学エッチ
ング前の TIP 測定および化学エッチング後のTIP 測定の結果である。図２で示す５枚の試料のうち、４枚は鉄イオン照射履歴を有する試料である。非鉄イオン照射履歴である 19 試料と、他の４か所の試料の結果と比較すると、
19 試料では１度のエッチング（約 0.5 mm）
後の事後測定では TIP 値が ND であったことに対し、他の４枚では化学エッチング後にも
図２. 化学エッチング処理前、後の比較。トリチ
トリチウム濃度が観測されている。従来より本 DuET 実験のような鉄イオン照射材ではよ ウム表面濃度は、トリチウム・イメージング・プ
り深い領域に対して照射欠陥が生じること
レート(TIP)法にて測定。試料番号(15-19)のうち、を示されていたが、本結果では TIP 法によっ
15-18 は鉄イオン照射あり、15-16, 19 はプラズマて視覚的に残留トリチウムが最表面よりも照射あり。
内部にあることを示した。
 図２で取り扱った W 試料では、プラズチ
ックテープで化学エッチング処理以外の領域を保護している。しかしながら、化学エッチング（化学反応）により同処理中のテープ粘着効果の低減など懸念事項がいくつかあった。15-18 試料では試料半面をテープにより保護をしたが（保護した面については図２に記載）、その結果 17-18 試料では化学エッ
チング後の TIP 測定結果で、マスクの下部で強いタングステン濃度があることを示した。これは、最表面トリチウムが高い、もしくは表面から約 0.5mm 程度の深さ領域までの間でトリチウム量の勾配がある、といった状態を示唆している。このように、プラズマ照射および鉄イオン照射を組み合わせ、かつトリチウムガス曝露を行った W 試料を用いることで、W 試料表面近傍のトリチウム深さ方向分析が可能であることを示した。また、TIP による表面トリチウム濃度測定に関するこれまでの結果では、化学エッチング直後と１か月以上経過した後で、少なくともトリチウム量の増加は見られないことも明らかとなった。
この結果を踏まえ、化学エッチング法を用いたトリチウム測定は別共同研究にて実施している JET
装置の ITER 様 W 材における残留トリチウム分析に適応され、2023 年 12 月の段階で最初のデータ取得に成功することが出来た。
「発表リスト」 
特になし− 185 −

ZE2023C-05

Role of irradiation defects in the formation of plasma induced
surface structures on tungsten
M. Zhao 1，S. Masuzaki1,2，K. Yabuuchi3
1

National Institute for Fusion Science, National Institutes of Natural Sciences2
Graduate University for Advanced Studies, SOKENDAI
3
Institute of Advanced Energy, Kyoto University

1. Abstract
Two kinds of ITER grade tungsten (W) samples were exposed to the LHD helium (He) plasma at the divertor
Leg position. One is the un-irradiated W sample. The other on is the iron (Fe) ions irradiated W sample. The
periodic structures are formed on these two kinds of samples after exposing to the He plasma. The evaluation or
the distribution of the periodic structure on the W samples as well as the irradiation defects effect are studied inthis work.
2. Introduction
Tungsten (W) is a leading candidate plasma facing material for fusion reactor. As a plasma facing material, W
will be exposed to the hydrogen isotopes and helium (He) plasma and fusion neutron. Various surface structures
can be formed on W surface by the interaction with He plasma, such as pinholes, fuzz and periodic structures.
Such surface modifications will degrade the mechanical and thermal properties of W. Therefore, understanding of
the hydrogen isotope plasma induced surface modifications of W are crucial to fusion reactor from the view pointsof wall security and steady sate plasma operation. The previous studies show that the He plasma induced W surface
modifications are closely associated with the plasma parameters. In fusion reactor, the plasma parameters on
divertor are un-uniform. On the other hand, the fusion neutron induced irradiation defects distribution uniformly
throughout W which means the irradiation defects always exist in the plasma surface interaction process. In orderto obtain a comprehensive picture of the expected material degradation during the operation of fusion reactor, theexperimental results under a actual divertor environment, where is a combination of un-uniform plasma parameter
distribution and uniform neutron irradiation defect in depth, is necessary. Therefore, the ITER grade W with andwithout irradiation defects were exposed to the LHD deuterium plasma at divertor leg position in work. The
distribution of divertor plasma induced surface modifications as well as the irradiation defects effect are studied.
3. Experiments
The ITER grade W purchased from A.L.M.T. Corp. wasused in this study. The surface perpendicular to the rolling
direction was mirror finished and used as the experimental
surface, which is consist with the ITER specification. To
remove the residual stress, all the samples were heated to1173K and kept for 30min under high vacuum. Part of thesamples were irradiated by iron ion (Fe3+) through Dual-Beam
Facility for Energy Science and Technology (DuET). The Fe
ion irradiation experiment was carried out under room
temperature with the ion beam perpendicular to the sample
surface. The Fe ion incident energy and fluence are 6.4 MeV,
and 1.23×1015 ions cm-2. Fig.1 shows the depth profile of thedisplacements per atom (dpa) which is calculated by the
SRIM results by using the Norgett-Robinson-Torrens (NRT)
Fig. 1. The depth profile of dpa.
NRT formula. The peak damage 0.92 dpa occurs at a depth of
1.12 µm.

The un-irradiated and pre-irradiated W samples were exposed to the LHD He plasma at the divertor
leg position by the retractable material probe of 10.5 low port. The He plasma flux at strike point isaround 1×1021 ions m-2 s-1. And the exposed time is 400 s. After the plasma exposure experiments, the PSI induced−186−

ZE2023C-05
surface modifications were characterized by scanning electron microscopy (SEM).
4. Results and discussion
The pictures of He plasma exposed W samples are shown in Fig. 2. The surface color of samples is changed dueto the plasma surface interactions induced surface modification. And the surface color shows a position
dependence which is due to the un-uniform distribution of divertor plasma. The strike point of LHD on divertor
generally has a few millimeter width, the black color region at 15 mm- 19 mm is considered to be the strike point.

Fig. 2. The pictures of W samples after the He plasma exposure. The left one is the un-irradiated W sample. The
right one is the Fe ions irradiated W sample. The yellow lines represent the coordinate on sample.
As shown in Fig. 3, three kinds of structures are formed by the He plasma, wavy structure (Fig. 3(a)), pyramidal
structure (Fig. 3(b)), flat surface (Fig. 3 (c)). The structures show a grain orientation dependence. As shown in Fig.
4 (a), the possible formation mechanism of the wave structure is that relative large size He bubbles (marked by the
red ellipse) are formed under surface at a specific direction. And the He bubble chain (marked by the red line) may
enhance the sputtering at a specific direction leading to the formation of wave structure. The flat surface isconsidered to be due to the uniform distribution of the he bubbles under surface, as shown in Fig. 4(b). The detailanalysis of the structures distribution and the irradiation defects effects is undergoing.

Fig. 3. The W surface morphology after the He plasma exposure. (a) and (b) are taken at the 2 mm of unirradiated W sample. (c) is taken at the 12 mm of the irradiated W sample.

Fig. 4. The surface morphology of the irradiated W sample. (a) is taken at 4 mm. (b) is taken at 2 mm.

− 187 −

ZE2023C-06

Study of ion irradiation effects on oxide dispersion
strengthened ferritic steel
Jingjie Shen 1, Kiyohiro Yabuuchi 2
National Institute for Fusion Science
Institute of Advanced Energy, Kyoto University
1

2

Abstract
In this study, it is to investigate the stability of nanoscale oxide particles in the oxide dispersion strengthened steel
and clarify the hardening mechanisms under ion irradiation at elevated temperatures, the effects of the dual-beamions irradiation on microstructure evolution and hardening behavior of as-fabricated and recrystallized 12 Cr ODS
steel were studied. Hardening was not obviously characterized for the as-fabricated specimen, while hardness
increased a little for recrystallized specimen.
 Introduction
Owing to the proper high-temperature strength, high thermal stability, and good irradiation damage resistance,
Oxide Dispersion Strengthened (ODS) steels are considered as a candidate structural material for blanket
application in fusion reactors. Nanoscale oxide particles, introduced by mechanical alloying, can act as barriers
for dislocation migration during deformation and sinks for irradiation induced defects. This alloy is generally
shaped by hot extrusion and/or cold rolling process, which produces elongated fine grains with preferredorientations and high density of dislocations, leading to anisotropic mechanical properties and poor ductility forthe ferritic matrix. Aiming at improving the ductility and formability, a novel thermomechanical process, namely,
multi-directional cold rolling and subsequent annealing, was developed to obtain recrystallized microstructure thatconsists of coarse grains with much less dislocations, making easily figure out the response of nanoscale oxide
particles under ion irradiation. In the present study, it aims at investigating the microstructural stability ofrecrystallized ODS steel under high energy helium and iron ion irradiation. The effects of dual-beam ions (Fe3+,
He +) on the microstructure evolution (e.g., irradiation defects formation, oxide particle changes) and hardening
behavior of recrystallized ODS steel were investigated.
 Experimental
The material used in this study is a 12Cr ODS steel, which has a nominal composition of Fe-12Cr-2W-0.3Ti0.25Y2O3, in wt%. This alloy was fabricated by powder metallurgy, including mechanical alloying, consolidation
by hot extrusion at 1423 K, and hot forging at 1423 K. Then, it was annealed at 1373 K for 1 h, cold rolled with athickness reduction of ~40% and finally annealed at 1323 K for 1 h with air cooling. To obtain recrystallized
microstructure, the multi-directional cold rolling process and annealing were subsequently performed. That is,about 3 mm thick specimens were prepared by cutting through the original normal direction (ND)-transverse
direction (TD) section from the as-fabricated plate. Then, specimens were cold rolled on the original ND-TD
section with a thickness reduction of 90%, giving rise to a final thickness of about 0.3 mm. Specimens were thenannealed at 1373 K for 3 h in a vacuum for recrystallization.
3 mm in diameter disks were punched out and mechanically ground by series of SiC abrasive papers. Then, they
were electropolished on one-side to remove the deformation surface layer by TenuPol-5 with 5 vol% perchloric
acid and acetic acid at room temperature. 6.4 MeV Fe3+ and 1 MeV He+ irradiation experiments were conducted
for as-fabricated and recrystallized 12Cr ODS steel at 973 K using dual-ion beam irradiation experimental test
facility (DuET) at Kyoto University. The non-irradiated specimens were mounted on the same holder to experience
the same heat treatment as the irradiated specimens during the irradiation experiments. The irradiation dose isabout 10.5 displacements per atom (dpa) at the damage peak of 1500 nm, and the helium concentration
is about 8900 appm at the depth of 1000 nm. After the irradiation experiments, nano-indentation tests were−188−

ZE2023C-06
performed on the irradiated surface up to a depth of 200 nm, and the load was parallel to ion implantation direction.
An average value was obtained by examining 90 points with a spacing of 20 μm for each specimen.

Nanoindentation hardness (GPa) Results and discussion
Figure 1 shows the nanoindentation hardness of the as-fabricated and recrystallized specimens before and after
irradiation. No obvious hardening was observed in the as-fabricated specimen, while the hardness slightly
increased for the recrystallized specimen after dual-beam irradiation at 973 K. TEM observations were conducted.
The results showed that helium bubbles were seen in the irradiated regions. As for the as-fabricated specimen, theaverage diameter of helium bubbles at the grain boundaries and grain interior were 5.8 ± 1.3 nm and 1.6 ± 0.3 nm,
respectively. Helium bubbles located at the grain boundaries were larger than that of the grain interiors, indicatingthat helium bubbles preferentially nucleate at the grain boundaries. Regarding the recrystallized specimen, helium
bubbles in the grains have an average diameter of 1.7 ± 0.3 nm, which is almost the same as the as-fabricatedspecimen. It suggests that reducing the grain boundaries and dislocations by recrystallization process seems tohave no significant effects on helium bubble formation after dual-beam ions irradiation at 973 K. It is probably
due to more uniform distribution and much finer oxide particles after the recrystallization process. In addition, thebarrier strength factor for helium bubbles is estimated at 0.077, which is much smaller, suggesting that helium
bubbles do not result in evident hardening in the present experiment conditions.
8

As-fabr.
Rex

6
4
2
0

Unirrad.

Dual-beam

Figure 1 Nanoindentation hardness of the as-fabricated and recrystallized samples before and after irradiation.

 Lists of papers and oral presentations[1] Jingjie Shen, Kiyohiro Yabuuchi, Irradiation effects of as-fabricated and recrystallized 12Cr ODS steel underdual-ion implantation at 973 K, Nuclear Materials and Energy, under review.
[2] Jingjie Shen, Kiyohiro Yabuuchi, Study of ion irradiation effects on oxide dispersion strengthened ferritic steel,The 14th International Symposium of Advanced Energy Science, August 30-31, 2023,Kyoto University, Kyoto.
Poster[3] Jingjie Shen, Takeo Muroga, Kiyohiro Yabuuchi, Sho Kano, Hiroaki Abe, Ion irradiation effects of 12Cr ODS
steel after a novel recrystallization process, 2023 Fall Meeting of AESJ, September 7, 2023, Nagoya University,
Nagoya. Oral
[4] Jingjie Shen, Kiyohiro Yabuuchi, Huilong Yang, Sho Kano, Hiroaki Abe, Ion irradiation effects on as-fabricatedand recrystallized 12Cr ODS steel at 973 K, 21st International Conference on Fusion Reactor Materials(ICFRM21), October 22-27, 2023, Granada, Spain. Poster− 189 −

ZE2023C-07

グラファイト-SiO コンポジット負極の緩和時におけるリチウム移動高井茂臣 1，森井孝 2，付佳瑋 1，薮塚武史 1，八尾健 31

京都大学大学院 エネルギー科学研究科，2 京都大学 エネルギー理工学研究所，3 京都大学

1 . は じ めに
電気自動車への世界的シフトや再生エネルギーの平準化の必要性から、リチウムイオン電池の需要は増加の一途をたどっている。現在リチウムイオン電池の負極材料はその性能や価格からグラファイ
トが主に使われているが、近年では Si や SiO，合金系負極なども部分的に実用化されるようになってきた。我々はこれまでグラファイトに Li を電気化学的に挿入・脱離し、その後の構造緩和の挙動について X 線回折を用いたステージ構造の観点から詳細に研究を行ってきた。一方、Si や SiO などでは Liと反応すると生成物は微細な構造となるため X 線回折ピークがほとんど検出できず、同様の構造緩和
解析は困難であった。一方これらの物質は導電性や電極反応の速度を維持するため、一般にグラファ
イトとのコンポジットが用いられる。したがって、グラファイト側の緩和解析を行うことにより緩和
時におけるグラファイトと SiO との間のリチウムの移動を観測できる。とくにグラファイト-SiO コン
ポジット系では、単純なインターカレート反応のグラファイトに対して複雑な電極反応を伴う SiO 側
では充電時のリチウム挿入速度が遅く、充電終了直後では平衡状態に比べてグラファイト側では Li が過剰になり SiO 側では Li が不足し、その後緩やかにリチウムがグラファイト側から SiO 側に移動するものと考えられる。
そこで本研究はグラファイト-SiO コンポジットにリチウムを電気化学的に挿入し、充電停止後から
経時的にコンポジット中のグラファイトのステージ構造の変化を観測し、リチウムのグラファイトSiO コンポジット内での移動を明らかにすることを目的とした。
2. 実 験
活物質には SiO(Sigma Aldrich, 325 mesh)およびグラファイト(日本炭素, LB-GC)を用い、SiO およびグラファイト、AB(導電材)、PVdF(結着剤)を Table 1 のような重量比で混合し、NMP とともに Cu 箔に塗布・乾燥し、試験極を作製した。対極には金属リチウムを、電解液には 1 M LiPF6 EC/DMC 溶液を用いて 2 極式セルを構成し、0.04 C および 0.1 C の定電流でリチウムを電気化学的にリチウムをコンポジッ
ト試料に挿入した。グラファイトの容量を 372 mAhg-1、SiO を 1710 mAhg-1 とし、それぞれのコンポジット試料において重量比で定格容量まで充電を行った。
Table 1

Weight ratio of the SiO-graphite composites.
Si

GraphitAB

PVdF

30-SiO

30

60

3

7

45-SiO

45

45

3

7

60-SiO

60

30

3

7

充電終了後直ちにグローブボックス内で電池を解体し、集電体ごとアルゴンガスでパージした気密
試料ホルダにセットし、X 線回折(Rigaku, Ultima IV)をおこなった。本研究では、充電終了直後から 3
時間ごとに 12 時間までおよび 24 時間後の X 線回折データを収集した。得られた回折データは集電体
および SiO 成分はバックグラウンドとして取り扱い、1 次元 Rietveld 法(RIEVEC)でグラファイト(LiGIC)成分の解析を行い、ステージ構造の変化からグラファイト側から SiO 側に移動したリチウム量の時間変化を見積もった。

−190−

ZE2023C-07
3 . 結 果 と考 察
Fig. 1 に 45-SiO についてリチウム挿入後に測定した X 線回折パターンを示す。2θ = 24～25°付近のStage I の 001 反射および Stage II の 002 反射に着目すると、挿入直後ではほとんどが Stage I であったのに対し、緩和時間の増加とともに次第に Stage II の割合が増加する挙動を示した。この回折パターン
に対して Rieveld 解析を行い、Stage I および Stage II のモル分率を求めた。Fig. 2 にそれぞれの試料で得られた Stage I のモル分率の緩和時間依存性を示す。
Stage I と II の 2 相共存で解析しており、1 から Stage I(a)のモル分率を差し引いた値が Stage II のモル分率である。いずれの試料でも緩和時間とともに Stage I のモル分率は低下しており、SiO の割合が多いほど低下量は顕著となった。これはリチウムの供給源のグラファイ
トの量が少なく、リチウムを受け取る SiO の量が多いほど相対的に残るリチウムの割合が少なくなることと整合性を示す。
(b)Stage I の組成を LiC6、Stage II を LiC12 と仮定し、縦軸を LixC6 のリチウム濃度に変換して緩和曲線をプロットすると Fig. 3 のようになる。リチウム移動の駆動力がグラファイトと SiO の平衡状態からのリチウム化
学ポテンシャル差であると仮定すると、緩和曲線は 1次反応で近似できる。実際に 1 次反応の減衰でフィッ
トすると実線のようによくフィットでき、確かにモデルと一致したと考えられる。今後はラマン散乱などでFig. 1 XRD patterns of 30-SiO composite obtained
このモデルの検証を行ってゆく予定である。
for various relaxation times. Current density: (a) 0.04
C and (b) 0.1 C.

Fig. 2 Mole fraction of stage I plotted versus relaxation
time. The rest of the unity is of stage II.

− 191 −

Fig. 3 Variation of lithium amount in Li-GIC
expressed as LixC6 during the relaxation time.

ZE2023C-08

Corynebacterium matruchotti への FEL 照射による菌体内石灰化の変化
河野哲朗 1，寒河江登志朗 1，岡田裕之 1，境武志 2，早川建 2，早川恭史 2，
全炳俊 3，紀井俊輝 3，大垣英明 31

日本大学松戸歯学部
日本大学 量子科学研究所
3
京都大学エネルギー理工学研究所
2

1. はじめにレーザーの応用分野はきわめて広く，精密計測，製品加工，光通信，情報処理などの他，臨床医学などでも利用されている。レーザーは従来の光源とは異なり，単色性，指向性，収束性および干渉性など優れた特性を有している。ただし，市販のレーザー機器で発生する光の波長は，波長が限られる欠点がある。そこで，注目されたのが加速器で発生する自由電子を利用する自由電子レーザー(Free Electron Laser: FEL)である。FEL は波長可変で，遠赤外から軟 X 線領域まで利用可能である 1)。
日本大学電子線利用研究施設 Laboratory for Electron Beam Research and Application; LEBRA)では，高調波への波長変換を含め、波長 400 nm~ 6 µm の範囲で FEL が得られる。一方，京都大学
エネルギー理工学研究所(Kyoto University: KU)では，波長 3.4~ 24 µm の範囲で FEL が得られる。
両 FEL 施設を共同利用することにより，分子の指紋領域(5~20µm)に対応する中赤外線領域の主要な波長の照射実験に対応できる環境がある。また，短波長側の中赤外線領域は両施設の FEL は重複波長になるので，実験の追試ならび検証に貴重な波長となっている。そこで，当研究グループ
では中赤外線領域の FEL が生物の生理作用にどのような影響をもたらすか，両施設の FEL を照射することで炭酸ガス固定の増進を指標に，先行研究として，貝類にて光生物反応の研究を行ってきた。
今回の研究は，実験対象生物において培養実験が容易かつ石灰化能を有する Corynebacterium
matruchotti (C. m, ATCC: 14266○T ) を選択した。C. m は成熟した歯垢のプラーク中にみられる
corncob の芯の部分に位置する細菌であり，カルシウムやリンの存在下で菌体内に石灰化が起きる。いくつかの動物において歯石はハイドロキシアパタイト結晶を成分とする報告がある 2- 4) 。
本研究の目的は C. m の光依存性を確かめるために，さまざまな波長領域での石灰化物生成能の多寡を調べることである。
2. 方法
C.m は Brain Haert Infusion (BHI)＋0.5 %Yeast 液体培地にて培養したものを BHI＋0.5 %Yeast 寒天培地を 24 well plate (φ2.0 cm/ well)上に作製し，播種したものを用意した。24 well plate は FEL 照
射直前まで冷温下にて保存し，細菌の成長を抑制した。実験群は KU-FEL を波長 10.6 µm，9.6 µm，8.17 µm，7.0 µm，6.45 µm および 5.75 µm で，1 plate あたり 1, 5, 10 および 20 分間照射した。いずれもエネルギー密度は偏光板を介して 4.0 mJ/cm2 に設定し行った。対照群は同じ環境下で FEL が照射されない箇所に同じ時間，静置した。照射後，実験群および対照群の Plate は 37 ℃，5 % CO2の恒温器内でコロニー形成が確認できるまで培養を行った。コロニー形成を確認後，実体顕微鏡下による観察を行い，コンタミネーションが無いことを確認した。24 well plate 上に増殖した C. m
をさらにφ8.0 cm の plate に分離培養用と増殖培養用にそれぞれ plate 2 枚に播種し，先程と同じ条
件で恒温器内にて培養した。分離培養用の plate からは，独立したコロニー形態を実体顕微鏡にて観察した。石灰化評価セット(PG リサーチ株式会社，東京，日本)を用いて石灰化物(リン酸カルシウム)を染色し，λ= 450 nm にて吸光度測定を行い。石灰化の評価を行った。また，増殖培養用の−192−

ZE2023C-08
plate からは，増殖した細菌を全て回収し，1.5 mL マイクロチューブ中に蒸留水にて懸濁後，直ちに-80 ℃にて凍結し，凍結乾燥器にてフリーズドライ化した。フリーズドライ化した菌体は，エックス線回析装置(XRD)にて菌体内の結晶構造や分子構造の変化を測定した。また，微小部フーリエ変換赤外分光光度計(micro-FTIR)にて，C.m の菌体の組成変化を探求した。
なお，本研究で使用した菌は国立感染症研究所病原体等安全管理規定において BSL1 であり，日本大学松戸歯学部バイオセイフティー委員会に届出済みである。
3. 結果および考察
前年度までのデータでは，照射したすべての FEL 波長において，FTIR では 1740
cm-1，3300 cm-1 付近のピークに変化みられた。粉末 XRD の結果では，一部の試料からハイドロキシアパタイトの前駆物質である Octacalcium phosphate (OCP)と考えられる回折線が確認された。今年度，我々はアリザリンレッド染色を用いた吸光度測定の方法を確立した。その結果，FEL 波長と照射時間の関係から菌体の石灰化物生成量に差が出ることが示唆された。特に FEL
Fig.1 Evaluation of C.m mineralization
波長 8.17 µm では，照射時間 1 min でも石灰化物生成量が減少する可能性が考えられた。他に FEL 波長 5.75 µm や 10.6 µm では，照射時間に比例して石灰化生成能が抑制される傾向が確認された（Fig.1 統計処理は現在実施中）。波長5.75 µm，8.17 µm，10.6 µm はそれぞれ，C=O 伸縮振動モード，C-O 伸縮振動モード，O-H 変角振動モードに対応している。これらが C.m 菌体内に生成される石灰化物の生成過程に対し，分子振動を励起することで，OCP 生成抑制や OCP からハイドロキシアパタイト結晶への成長抑制が現れる可能性が示唆された。また C.m の分離培養において，石灰化物生成の抑制が見られるに従い C.m のコロニー形態に変化があることを確認した。
4. 参考文献
1） 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構: 自由電子レーザー装置(08-01-03-15)
https://atomica.jaea.go.jp/data/detail/dat_detail_08-01-03-15.html (Accessed 2024-01-17)
2） 高添一郎：菌体内石灰化現象，日細菌誌，28: 489-497, 19733） 伊藤康雅：口腔衛生と口腔内細菌，耳展，45: 226-234, 2002
4） Ooi SW, Smillie AC, Kardos TB, et al.: Intracellular mineralization of Bacterionema matruchotii. Can.
J. Microbi, 27: 267-270, 1981
5） Sammons R, Wang A, Thackray A, et al.: Bacterial Calcification: Friend or Foe?. Nano Biomed, 2: 7180, 2010.
6） Toyama T, Fujioka J, Watanabe K, et al.: Investigation of bactericidal effect of a mid-infrared free electron
laser on Escherichia coli, 12: 18111, 2022. doi: 10.1038/s41598-022-22949-9
5. 「論文発表リスト」および「口頭発表リスト」について[論文発表リスト]・Sasamoto Y, Kono T, Sakai T., Dependence of Pit Formation in Hard Tissue of Human Teeth on Free
Electron Laser Pulse Structures., Int J Oral-Med Sci 21(4):137–146, 2023. doi.org/10.5466/ijoms.21.137[口頭発表リスト]
・Kono T, Sakae T, Okada H, Hayakawa Y, Sakai T. Zen H, Kii T, Ohgaki H., C Effect of FEL irradiation on
the efficiency of carbon dioxide fixation in bacterial cells., 京都大学, 第 13 回エネルギー理工学研究所国際シンポジウム, 2023 年 8 月 30 日

− 193 −

ZE2023D-01「広帯域エネルギー融合科学の概念に基づく非線形・非平衡
プラズマの物性・制御」に関する分散型研究集会の開催
岸本泰明 1,2，松田一成 21
京都大学大学院エネルギー科学研究科・非線形・非平衡プラズマ科学研究ユニット
2
京都大学エネルギー理工学研究所
開催概要：本提案は、非線形・非平衡をキーワードとして幅広いプラズマ研究を追求する「非線形・非平衡プラズマ科学研究ユニット」がゼロエミッションエネルギー概念を中心に据えた「広帯域エネル
ギー融合科学」を推進する当該拠点の豊富で多様な知見を取り入れて次世代のプラズマ研究を展開することを目的に、関連分野の国内外の専門家が集い最新の研究成果や情報を報告・議論する場を設けることを趣旨とする。令和 2 年度（第 1－7 回）、令和 3 年度（第 8－22 回）、令和 4 年度（第 23－27 回）に続いて、本年度は第 28－33 回の計 6 回のセミナー（うち国際集会 1 回）を実施し、最新の研究成果についての情報共有と意見交換を行った。計 190 名が議論に参加した。
本研究集会は、異分野融合・連携を通して新しい領域を切り開くことを目的に、講演者の研究分野の役割・意義・動機を中心にフランクに議論するするとともに、講演者自身も多様な分野の参加者との意
見交換を通して多様な知見を得ることを目的とした discussion seminar として運営を行っている。
1) 核融合プラズマ領域(国際集会 第 28 回・31 回）:韓国ソウル大学の Hahm 教授を招聘して研究集会を開催した。韓国のトカマク KSTAR で話題になっている FIRE モード (Nature 609269, 2022)と呼ばれる内部輸送障壁（ITB）形成時の高速イオンの役割に関して、高速イオンによる希釈（dilution）効
果による乱流の生成に伴う 2 次的（変調）不安定による帯状流の増大などに関する理論研究が報告された。当ユニットでは国内外の核融合装置との連携を念頭に ITB 形成に関して “Center of Transport
Barrier Physics” を設置し，組織的に進めているが，関連分野で共同研究を実施している西南物理研究所（SWIP）からも多数の参加があり、今後に繋がる意義深いセミナーとなった。
2) 非線形・非平衡数理領域／核融合プラズマ領域（第 29 回・30 回）：鳥取大学の古川 勝教授に「疑似アニーリングによるハミルトン系の平衡・安定性解析ー基礎と応用」のタイトルでご講演いただき、
理想 MHD（磁気流体力学）方程式における平衡解を解く手法（疑似アニーリング法）について 2 回に渡って解説いただいた。本講演は核融合・非線形プラズマを専門とする幅広い研究者に加えて学生の参加も多く、活発な質疑応答・意見交換がなされ、緩やかな異分野連携が実現されたと考えている。
3) 核融合プラズマ領域（第 32 回・33 回）
本セミナーは、２回に渡り、小型の球状トカマク(Spherical Torus)に関するセミナーが開催された。第 32 回は、英国トカマクエナジ
ー社[https://tokamakenergy.com/]の高瀬雄一先生より「トカマクエナジーにおける核融合開発」のタイトルでご講演いただき、同社が早期の商用核融合炉実現を目指している、低アスペクト比トカマ
クと高温超伝導 （HTS）コイルを組み合わせた小型球状トカマク
ST40 について紹介がなされた（参加者 50 名）。続く第 33 回は、九図２：講演後の集合写真（第 32
州大学応用力学研究所の花田和明教授より「トーラスプラズマの 回・高瀬先生のセミナーより。）
アスペクト比がもたらすこと」のタイトルでご講演いただき、近年研究の進展が目覚ましい球状トカマクの基本的な仕組みが丁寧に解説されるとともに、球状トカマ
クによる最新の研究成果についての紹介がなされた（参加者 42 名）。いずれの講演も参加者が 40-50
名と盛況であり、近年ベンチャー企業などを中心に実用化に向けた研究が急速に進んでいる球状トカ
マクについての注目度・関心の高さが伺えた。
文献： http://plasma-fusion.energy.kyoto-u.ac.jp/UNIT/index.html−194−

ZE2023D-02

エネルギー科学のパブリックアウトリーチのためのアクティブラーニング
八尾

健 1，森下和功 2，森井孝2

1

2

京都大学エネルギー科学研究科
京都大学エネルギー理工学研究所

1. 緒言
カーボンニュートラルを達成するゼロエミッションのための対象となるエネルギーは、原子力発電と核燃料サイクル技術、各種の再生可能エネルギーに加え、核融合、水素エネルギー、宇宙太陽光発電
等ゼロエミッションに貢献する将来のエネルギー、加えて現在の化石燃料の排ガス処理法の改善をも広く含む非常に広範なものである。さらにこれらの専門領域が、複雑に関係しあっており、ゼロエミッ
ションの実現には、幅広い総合的な思考が不可欠である。各研究者の専門が細分化され、幅広い考察を妨げている弊害を取り除き、先端エネルギー科学の確固たる専門分野を有するとともに、専門外の分野においても、深い理解を示す若い人材の育成を行う、パブリックアウトリーチ活動が重要である。そのため、科学者の伝記を教材として、科学者の業績を時間軸に沿って理解し、幅広い科学知識を学修す
るアクティブラーニングを行った。卓越した業績を上げた科学者は、また幅広い研究を行っている。一人の人間が、幅広い研究を行ったことを実感すれば、若い世代への大いなる刺激にもなるであろう。
2 . ア ク テ ィ ブラ ー ニ ン グ 事 業 の 実 施
2023 年 11 月 13 日（月）と 16 日（木）の 2 日にわたり、京都大学本部構内総合研究 11 号館 2 階 215
講義室において、原子力や核物理に貢献した科学者であるエンリコ・フェルミの伝記を教材に、京都大学の大学院生、学部学生 11 名を対象に、アクティブラーニングを行った。最後に、参加者にアンケー
トを実施した。学生同士が自ら学習するアクティブラーニングの教育形態として、A グループ：科学技術発展に貢献した人物の人間像に焦点をあて、そこから科学への関心を醸成する教育法、B グループ：
科学技術発展に貢献した人物の業績を中心に科学知識を深める教育法、の 2 種類を行った。
A グループでは、アンケートの、①「科学者に興味をもったか」、②「科学に興味をもったか」という 2 つの項目について、文系学生と理系学生で回答が分かれた。文系学生では①②ともに肯定的な回答だったが、理系学生では①よりも②の方が肯定的な回答であった。この結果から、理系・文系の所属によって物事に対する視点が異なることが再確認された。実際に議論を進める中でも、理系学生は自身の将来像となる科学者に対して、文系学生は身近ではない科学そのものに対して、それぞれ親近感が増している傾向がみられた。
B グループでは、エンリコ・フェルミの足跡を追いながら、その業績を一つ一つ理解し、科学知識を身に付けることを目指した。従来の学修が、現在という時間軸の一点において、横方向に広がる科学知識を修得していく、いわば横方向の学修になるのに対し、伝記では、時間軸に沿って、一つ一つ科学知
識を積み上げていく、いわば縦方向の学修になる。横方向の学修に、縦方向の学修が加わることで、学修の効果が格段に上がることが期待される。結果、理系学生は原子力に関する理解を深めることが十分確認され、非常に有効であった。他方、文系学生では、理系のかなり専門的な内容に理解には、十分到達することが困難なところも見られた。翻って考えると、これは、A グループの方式が、文系にとって、「理系離れ」を防ぐ有効な方策となることを示すものとも考えられる。
3 . 「 口 頭 発 表リ ス ト 」
・八尾 健、「アクティブラーニングによるエネルギー科学のパブリックアウトリーチ」、令和 4 年度
第 2 回シンビオ研究談話会、シンビオ社会研究会、2023 年 3 月 8 日− 195 −

第二部

活動実績

京都大学エネルギー理工学研究所
ゼロエミッションエネルギー研究拠点
２０２３年度 共同利用・共同研究【活動実績】
２０２３年４月
４月１０日－１１日 800MHz NMR 技術講習会（参加者数：８名）
４月１４日
議題：

第１回共同利用運営委員会（オンライン会議）
１. ２０２３-２０２４年度 運営委員の紹介
２. ２０２３-２０２４年度 運営委員長の選出
３. ゼロエミッションエネルギー研究拠点の概要説明
４. その他

４月２１日
議題：

第１回共同利用・共同研究計画委員会（オンライン会議）
１. ２０２３-２０２４年度 計画委員の紹介
２. ２０２３-２０２４年度 計画委員長の選出
３. ２０２３年度ゼロエミッションエネルギー研究拠点活動予定
４. 企画型新カテゴリー（テーマ）追加について
５. その他

２０２３年５月
５月１１日 ゼロエミッションエネルギー研究拠点研究会・令和５年度第１回シンビオ社会研究会講演会 「先端エネルギー科学への招待」（研究集会 ZE2023D-2・B-29）（ハイブリッド開催 参加者数：３２名）
５月１７日

第２８回プラズマ科学セミナー（研究集会 ZE2023D-1）「Study of fast ion effects on zonal flow generation using Hasegawa-Mima
equation」（参加者数：３１名）

５月２４日

第２９回プラズマ科学セミナー（研究集会 ZE2023D-1）「疑似アニーリングによるハミルトン系の平衡・安定性解析
用（１）」（オンライン開催 参加者数：３０名）－基礎と応

第２９回プラズマ科学セミナー（研究集会 ZE2023D-1）「疑似アニーリングによるハミルトン系の平衡・安定性解析
用（２）」（オンライン開催 参加者数：３０名）

－基礎と応

５月３１日

２０２３年６月
６月２９日 令和５年度エネ理工 ZE 共同研究キックオフ会議（ZE2023B-29）（参加者数：１０名）− 199 −

２０２３年７月
７月３日
第２回共同利用・共同研究計画委員会（メール会議）「第１回期間外申請外申請に対する採否及び配分額原案の作成」（申請数：３件）
７月１９日

第２回共同利用運営委員会（メール会議）「第１回期間外申請外申請に対する採否及び配分額の決定」（申請数：３件）

２０２３年８月
８月８日
第３１回プラズマ科学セミナー（研究集会 ZE2023D-1）「ExB Zonal and Vortex Flows in a Magnetic Island; Role of Symmetry
Breaking」（ハイブリッド開催 参加者数：７名）
８月３０日－９月１日 第１４回エネルギー理工学研究所 国際シンポジウム
The 14th International Symposium of Advanced Energy Science- Research Activities on Zero Emission Energy Network 場所等：

・オーラルセッション：対面（京都大学宇治おうばくプラザきはだホール）
および YouTube 配信
・ポスターセッション：対面（京都大学宇治おうばくプラザハイブリッドス
ペース）・パラレルセミナー：対面および Zoom

内容：

８月３０日－３１日：全体会議

基調講演者１名、招待講演者１０名、IAE 講演者１名【基調講演】


吉田善章（自然科学研究機構 核融合科学研究所）【招待講演】（順不同）
Gunsu S. YUN（Pohang University of Science and Technology, Korea）



Rong XIANG（Zhejiang University, China）

Jean-Philippe COLOMBIER（The Hubert Curien Laboratory, France）

Atsushi URAKAWA（Delft University of Technology, Netherlands）

Francisco A. HERNÁNDEZ GONZÁLEZ（Karlsruhe Institute of Technology,
Germany）

本多

前川藤夫（日本原子力研究開発機構）

宮崎康次（九州大学）

吉田恭平（熊本県産業技術センター）



藤枝伸宇（大阪公立大学）

充（京都大学）【IAE 講演】永田崇（京都大学）−200−

８月３０日－３１日：ポスターセッション


ZE 研究課題発表：８８件



学生発表：３９件
審査の上、優秀な発表に「Student Poster Award」を授与した。（５件）

９月１日：パラレルセミナーI、II
I : Symposium on Exploring Carbon Negative Energy Science 2023（講演者１７名）
II: High-Temperature Plasma Dynamics and Structure Formation Based on Magnetic
Field Diversity（講演者５名）
全体会議：２５２名（対面２１２名、オンライン４０名）
パラレルセミナーI：４０名（対面２９名、オンライン１１名）
パラレルセミナーII：２１名（対面１３名、オンライン８名）
全期間：２７６名（対面２２３名、オンライン５３名）
延べ参加者数：４６２名

９月１９日

第３回共同利用・共同研究計画委員会（メール会議）「２０２４年度公募原案審議依頼」

９月２８日
議題：

第３回共同利用運営委員会（オンライン会議）
１. ２０２３年度ゼロエミッションエネルギー研究拠点活動状況について
２. ２０２４年度共同利用・共同研究公募について
３. その他− 201 −

２０２３年１０月
１０月１２日 ゼロエミッションエネルギー研究拠点研究会・令和５年度第２回シンビオ社会研究会講演会（研究集会 ZE2023D-2）（ハイブリッド開催
１０月１７日

参加者数：２６名）

第４回共同利用・共同研究計画委員会（メール会議）「２０２４年度共同利用・共同研究公募要項書類案確認依頼」（１０月３０日に確定し、運営委員会に諮る）

１０月２２日 京都大学エネルギー理工学研究所 第２８回公開講演会（参加者数：１００名）
１０月３１日 第４回共同利用運営委員会（メール会議）「２０２４年度共同利用・共同研究公募要項書類案確認依頼」（１１月１３日に確定し、教授会、協議員会に諮る）

２０２３年１１月
１１月１３日・１６日 シンビオ社会研究会「アクティブラーニング授業」（研究集会 ZE2023D-2）（参加者数：１５名）
１１月１５日 経費執行依頼、成果報告会開催のお知らせ
２０２３年１２月
１２月１日
２０２４年度共同利用・共同研究公募開始
１２月４日

成果報告書と研究概要提出依頼

１２月１２日

口頭発表リスト・論文発表リスト提出依頼

１２月１３日シンビオ社会研究会令和５年度第１回研究談話会（研究集会 ZE2023D-2・B-29）（参加者数：２９名）

２０２４年１月
１月９日
共同利用・共同研究推進室アンケート調査依頼
１月１６日

第３２回プラズマ科学セミナー（研究集会 ZE2023D-1）「トカマクエナジーにおける核融合開発」（オンライン開催 参加者数：５０名）

１月１９日

２０２４年度共同利用・共同研究公募期日

１月２３日

第３３回プラズマ科学セミナー（研究集会 ZE2023D-1）「トーラスプラズマのアスペクト比がもたらすこと」（オンライン開催 参加者数：４２名）

１月２６日

第１回ナノ物質熱光科学研究会（参加者数：１１名）−202−

１月３０日

第５回共同利用・共同研究計画委員会（メール会議）「２０２４年度共同利用・共同研究公募申請書 審査依頼」

２０２４年２月
２月２１日 第６回共同利用・共同研究計画委員会（オンライン会議）「２０２４年度共同利用・共同研究課題採否と配分額の原案作成」

２０２４年３月
３月１日
２０２３年度共同利用・共同研究成果報告書の拠点ホームページへの掲載
３月１３日 第５回共同利用運営委員会（オンライン会議）
議題：
１. ２０２４年度公募型共同利用・共同研究課題採否と配分額の決定（確定後、教授会、協議員会に諮る）
２. ２０２３年度ゼロエミッションエネルギー研究拠点活動の総括
３. ２０２４年度活動計画
４. 今後の拠点活動に関する意見交換
５. ２０２４年度運営委員・計画委員について
６. その他
３月２８日 ２０２３年度共同利用・共同研究成果報告会
方法：
オンライン開催（Zoom）
内容：

３月下旬

共同利用・共同研究 研究代表者８名発表（順不同）

西村裕志（京都大学生存圏研究所）



萩原正規（弘前大学理工学研究科）



志波



波多野雄治（富山大学学術研究部理学系）



髙橋伊久磨（千葉工業大学工学部先端材料工学科）



芦川直子（核融合科学研究所ヘリカル研究部）



羽島良一（量子科学技術研究開発機構）



川染勇人（香川高等専門学校情報工学科）

優（東京農業大学生命科学部分子微生物学科）

２０２４年度共同利用・共同研究公募課題の採択結果（内定）の通知− 203 −

第三部

その他

２０２４年度京都大学エネルギー理工学研究所「ゼロエミッションエネルギー研究拠点」
共同利用・共同研究の公募要項
目的
本研究拠点は、地球環境問題を抜本的に解決する「ゼロエミッションエネルギー1」に関するエネル
ギー研究の推進のために、京都大学エネルギー理工学研究所が有する、先端的・分野横断的な知識・情報ならびに研究施設・設備を、全国の関連する研究者に供することを目的としています。
この主旨に沿って、２０２４年度の共同利用・共同研究を下記の要項で公募します。
ただし、当研究拠点での共同利用・共同研究による核融合研究に関しては、自然科学研究機構核融合科学研究所が実施する双方向型共同研究に含まれない研究を実施する課題を募集します。

1.

記
公 募 事 項：ゼロエミッションエネルギーを指向する次の４種類の研究課題を広く公募します。な
なお、研究代表者あるいは利用代表者として申請できるのは、（Ａ）企画型共同研究、（Ｂ）提案型共同利用・共同研究、（Ｃ）共同利用の３種類の内のいずれか１種類のみで、かつ１件のみです。また、集会代
表者として（Ｄ）研究集会に申請できるのは１件のみです。
※（Ｄ）については（Ａ）, （Ｂ）, （Ｃ）に申請していても申請可能です。

（Ａ）企画型共同研究
本研究所共同利用運営委員会（以後、「運営委員会」と略称）が、既存分野間の融合的な研究を促進することを目的にして企画した課題テーマに基づいて、本研究所の研究者と共同で行う研究
課題。
（Ｂ）提案型共同利用・共同研究
申請者が提案し、本研究所の研究者と共同で行う研究課題（Ｃ）共同利用
本研究所の設備・施設を利用する研究計画（Ｄ）研究集会
ゼロエミッションエネルギー研究に関する研究集会の開催
2.

応 募 資 格：大学および国・公立研究所等の研究機関の研究者、または、これと同等の研究能力を有すると本研究所所長が認める者。原則として、所属機関もしくは公的機関による研究倫理教育を受講していること（※必要に応じて受講証明書を提出していただく場合があります）。

3.

応 募 方 法：応募期間内に、該当する申請書（世話人確認済）をGoogleフ
フォームより提出してください。
GoogleフフォームＵＲＬ：https://forms.gle/HFmhojX9stqfyaHz5
問合せ先：
メール：ze-shinsei@mail2.adm.kyoto-u.ac.jp

1

電話：(0774)38-3413（ダイヤルイン）

二酸化炭素、有害物質を可能な限り放出しないエネルギーシステム− 207 −1

4.

応 募 期 限：(Ａ) 企画型共同研究、 (Ｂ) 提案型共同利用・共同研究、（Ｃ）共同利用、（Ｄ）研究集会

２０２４年１月１９日（金）正午

必着

5. 採
否：
採否は、運営委員会の議を経て決定されます。なお、研究期間が年度を超えるような課題についても、次年度以降、公募手続きに従って改めて申請書を提出していただきます。
6.

採否決定通知の時期：２０２４年３月下旬

7.

研 究 経 費：
予算の範囲内において本研究所で支出します。

8. 旅費：
予算の範囲内において国立大学法人京都大学旅費規程により支給します。
9.

保 険 等 の 加 入：大学院学生および学部学生等が共同利用・共同研究のため来所する際には、（財）日本国際教育支
援協会の学生教育研究災害傷害保険（付帯賠償責任保険を含む）またはこれと同等以上の保険に加入していることが条件となります。申請した研究課題が採択された場合、学生（研究生を含む）、所属を持たない名誉教授および国外からの研究者は「学生教育研究災害傷害保険」又は同等の傷害保険に必ずご加入ください。

10. 施 設 等 の 利 用：研究所内諸施設の利用にあたっては、研究所の諸規則を遵守し、所内担当者の指示に従ってください。
11. 放射性同位元素や放射線発生装置等の使用：
放射性同位元素や放射線発生装置等を使用する場合は、原則として、事前に所属する機関で放射性同位元素等取扱者およびエックス線装置取扱者の資格を取得する必要があります。その後、研究所へ登録申請していただきます。ご不明な点は所内の教職員へお問い合わせください。
12. 保健および安全保持に関して：
保健および安全保持に関しては、本学の規程に従っていただきます。詳細は共同利用・共同研究推進室までお問い合わせください。
13. 知的財産権の取扱について：
京都大学発明規程に定めるところによります。
14. 宿 泊 施 設：
研究者用の宿泊施設は特に用意していません。近隣のホテルなどをご利用ください。
15. 共 同 利 用 機 器：
共同利用設備・機器については添付資料を参照してください。
また、Web上（ http://www.iae.kyoto-u.ac.jp/zero_emission/summary/application.html ）に随時更新データを掲載します。
16. 応募期限以降の応募：
応募期限以降も応募を受け付ける場合があります。（企画型共同研究を除く）共同利用・共同研究推進室までお問い合わせください。ただしこの場合、審査は年２回（７月初旬および１０月初旬を予定）まとめて行いますので、審査に時間を要する場合や研究費・旅費を配分できない場合もあります。可能な限り期間内にご応募ください。また、申請書の「期間外の応募となった理由」の欄に、期間外の応募となった理由を記してください。

2
−208−

17. その他：
共同研究費で購入される物品のうち、消耗品以外の備品や少額資産は京都大学エネルギー理工学研究所で保管することが原則となり、管理は所内世話人が責任を持って行います。また、備品や少額資産は京都大学にて資産登録され、共同研究終了後は京都大学にご返却いただきます。
共同利用機器の複合ビーム・材料実験装置（DuET）は、２０２３年度末で運用停止となりました。
その他ご不明な点は、上記共同利用・共同研究推進室までお問い合わせください。

（Ａ）企画型共同研究公募要項
１．企画型共同研究：
運営委員会よりテーマ課題を設定し、これに基づいて本研究所の研究者と共同で行う研究です。本
年度設定されたテーマは以下の三つです。申請に際しては、所内の教員と十分協議してください。
テーマ１ 「太陽光・レーザー・バイオ等を利用したエネルギーシステムに関する研究」
a)

ゼロエミッションエネルギーシステムの一つである太陽エネルギー変換システムに関して、発電、蓄電、省エネルギーに関わる高機能有機／無機／生体材料の開発や、精密分析に関する革新的技術の創成を目指す研究課題b)

超短パルスレーザーや中赤外レーザー、バイオ技術等を利用した環境・エネルギーに関連する精密分析技術の開発や材料創製、エネルギー生成等を目指す研究課題

テーマ２ 「先進原子力システムおよびプラズマ利用に関する研究」
a)

社会基盤となるエネルギー源の開発を目的とした、先進エネルギー材料とプラズマとの相互作用の理解、および、核融合を含めた受動安全性の高い新しい原子力システム実現の可能性を高める金属／セラミックス材料の創製を目指す研究課題b)

核エネルギーの広範囲にわたる応用を目的とした、プラズマ／マイクロ波技術の応用や熱／粒子エネルギーの利用に関する革新的技術の創成を目指す研究課題

テーマ３ 「ゼロエミッションエネルギー新領域開拓に関する研究」「カーボンネガティブ」、「グリーントランスフォーメーション」、または「エネルギー科学に関連したデジタルトランスフォーメーション」に関する研究であり、かつテーマ１、テーマ２に含まれる個別の要素技術に関するものではなく、複数の要素技術や分野の融合に基づいてゼロエミッションエネルギーの新しい学理やシステムの創出を目指す研究課
題
２．研

究

期

間： １年以内

３．研 究 代 表 者： 所外の研究者。ただし、研究組織の中に所内世話人を含む１名以上の所内研究者が参加していなければなりません。ななお、同一人が研究代表者あるいは利用代表者として申請できるのは、（Ａ）企画型共同研究、（Ｂ）提案型共同利用・共同研究、（Ｃ）共同利用の内のいずれか一種類のみで、かつ１件のみです 。
４．内 容 等 の 説 明：研究内容、所要経費等について、共同利用・共同研究計画委員会で説明していただくことがあります。申請書には、当該共同研究が「ゼロエミッションエネ
ルギー」とどのように関連するのかも記載してください。なお、申請における購入経費と旅費の合計額は、テーマ１、テーマ２は６６０万円、テーマ３は７
７０
3− 209 −

万円を上限とします。
５．研 究 報 告 書：研究代表者は、２０２５年１月２４日（金）までに共同研究実施成果報告書（得られた研究成果（Ａ４：２枚）、発表論文リストおよび口頭発表リスト）を所長へ提出していただきます。また、２０２５年３月上旬開催予定の研究成果報
告会において、その研究概要を報告していただきます。

６．謝 辞 に つ い て：

成果発表の際には、謝辞にThis work is (was) supported by the "Joint Usage/Research Program on Zero-Emission
Energy Research, Institute of Advanced Energy, Kyoto University (整理番号).
または、This work is (was) supported by the "ZE Research Program, IAE (整理番号).
の一文を加えてください。

７．旅 費 に つ い て：遠隔地の方は２０２５年３月上旬開催予定の成果報告会に参加するための旅費申請を、２０２４年１１月頃に受け付けます。なお、予算の状況によっては未配分もしくは、一部配分の場合もあります。

（Ｂ）提案型共同利用・共同研究公募要項
１．提案型共同利用・共同研究：申請者が提案し、本研究所の研究者と共同で行う研究です。
申請に際しては、所内の教員と十分協議してください。
２．研

究

期

間： １年以内

３．研 究 代 表 者： 所外の研究者。ただし、研究組織の中に所内世話人を含む１名以上の所内研究者が参加していなければなりません。ななお、同一人が研究代表者あるいは利用代表者として申請できるのは、（Ａ）企画型共同研究、（Ｂ）提案型共同利用・共同研究、（Ｃ）共同利用の内のいずれか一種類のみで、かつ１件のみです 。
４．内 容 等 の 説 明：研究内容、所要経費等について、共同利用・共同研究計画委員会で説明していただくことがあります。申請書には、当該共同研究が「ゼロエミッションエネ
ルギー」とどのように関連するのかも記載してください。なお、申請における購入経費と旅費の合計額は、４４０万円を上限とします。

５．研 究 報 告 書：研究代表者は、２０２５年１月２４日（金）までに共同研究実施成果報告書（得られた研究成果（Ａ４：２枚）、発表論文リストおよび口頭発表リスト）を所長へ提出していただきます。また、２０２５年３月上旬開催予定の研究成果報
告会において、その研究概要を報告していただくことがあります。

６．謝 辞 に つ い て：

成果発表の際には、謝辞にThis work is (was) supported by the "Joint Usage/Research Program on Zero-Emission
Energy Research, Institute of Advanced Energy, Kyoto University (整理番号).
または、This work is (was) supported by the "ZE Research Program, IAE (整理番号).
の一文を加えてください。

７．旅 費 に つ い て：遠隔地の方は２０２５年３月上旬開催予定の成果報告会に参加するための旅費申請を、２０２４年１１月頃に受け付けます。なお、予算の状況によっては未配分もしくは、一部配分の場合もあります。

4
−210−

（Ｃ）共同利用公募要項
１．共

同

利

用： ゼロエミッションエネルギーを指向する研究を促進するために、本研究所の設備・施設を利用する研究計画。申請に際しては、所内の教職員と十分協議して
ください。

２．利

用

期

間： １年以内

３．利 用 代 表 者： 所外の研究者。ななお、同一人が研究代表者あるいは利用代表者として申請できるのは、（Ａ）企画型共同研究、（Ｂ）提案型共同利用・共同研究、（Ｃ）共
同利用の内のいずれか一種類のみで、かつ１件のみです。
４．内 容 等 の 説 明 ： 利用内容、利用期間、所要経費等について、共同利用・共同研究計画委員会で説明していただくことがあります。申請書には、当該共同利用が「ゼロエミッ
ションエネルギー」とどのように関連するのかも記載してください。なお、申４０万円を上限とします。
請における購入経費と旅費の合計額は、４５．研 究 報 告 書： 利用者は、２２０２５年１月２４日（金）までに共同利用実施成果報告書（得られた研究成果（Ａ４：２枚）、発表論文リストおよび口頭発表リスト）を所長へ提出していただきます。また、２０２５年３月上旬開催予定の研究成果報告会において、その研究概要を報告していただくことがあります。
６．謝 辞 に つ い て： 成果発表の際には、謝辞にThis work is (was) supported by the "Joint Usage/Research Program on Zero-Emission
Energy Research, Institute of Advanced Energy, Kyoto University (整理番号).
または、This work is (was) supported by the "ZE Research Program, IAE (整理番号).
の一文を加えてください。
７．旅 費 に つ い て：遠隔地の方は２０２５年３月上旬開催予定の成果報告会に参加するための旅費申請を、２０２４年１１月頃に受け付けます。なお、予算の状況によっては未配分もしくは、一部配分の場合もあります。

（Ｄ）研究集会公募要項
１．研

究

集

会： ゼロエミッションエネルギーを指向する研究者間の情報交換と交流を促進し、ゼロエミッションエネルギー研究のためのネットワークの構築に資する研究集会。申請に際しては、所内の教職員と十分協議してください。

２．開

催

時

期： ２０２４年度内に実施

３．集 会 代 表 者： 所外の研究者。なお、同一人が集会代表者として申請できるのは１件のみです。
４．内 容 等 の 説 明： 研究集会の内容、期間、所要経費等について、共同利用・共同研究計画委員会
で説明していただくことがあります。また、研究集会は当拠点と共催の形をとっていただきます。申請書には、当該研究集会が「ゼロエミッションエネルギー」とどのように関連するのかも記載してください。なお、申請における開催費と旅費の合計額は、４４０万円を上限とします。
５．成 果 報 告 書： 利用者は、２２０２５年１月２４日（金）までに共同利用実施成果報告書（開催
概要Ａ４：１枚）を所長へ提出していただきます。また、２０２５年３月上旬
5− 211 −

開催予定の研究成果報告会において、その成果概要を報告していただくことがあります。
６．旅 費 に つ い て： 遠隔地の方は２０２５年３月上旬開催予定の成果報告会に参加するための旅費
申請を、２０２４年１１月頃に受け付けます。なお、予算の状況によっては未配分もしくは、一部配分の場合もあります。

6
−212−

FY2024 Institute of Advanced Energy, Kyoto University“Zero-Emission Energy Research Base”
About the Public Offerings of Joint Usage/Joint Research
PurposeOur research base provides relevant researchers nationwide with advanced and interdisciplinary
knowledge/information and access to research facilities/installations possessed by the Kyoto University Instituteof Advanced Energy in an effort to promote energy research on Zero-Emission Energy1 with the goal of solving
global environmental problems. In this spirit, we have the following public offerings for joint usage/joint research
in FY 2024. With regard to nuclear fusion research through joint usage/joint research at our research base, weare looking for research themes that are not included in the interactive collaborative research carried out by the
National Institute for Fusion Science within the National Institute of Natural Science.

1.

Description of Public Offerings:

Body

We publicly invite applications for the following four research areas directed towards ZeroEmission Energy: (A) Planned joint research, (B) Proposal-based joint usage/joint research,(C) Joint usage of facilities, and (D) Research meetings. For (A) – (C), applicants may
apply for one category as either a research representative or a user representative.
Additionally, applicants may also apply as a meeting representative for (D).
NOTE: Applicants may apply to (D) in addition to one of (A) – (C).
(A) Planned Joint Research
The applicant proposes research based on the themes set by the Joint Usage Steering Committeeof the Institute (hereinafter abbreviated as "Steering Committee”) to promote integrated researchamong existing fields. Research in this category is conducted in collaboration with researchersof the Institute.
(B) Proposal-based Joint Usage/Joint Research
The applicant proposes a unique research theme, which is conducted jointly with researchers of
the Institute.
(C) Joint Usage of Facilities
The applicant proposes a research plan that utilizes the facilities of the Institute.
(D) Research Meetings
The applicant proposes a research meeting on Zero-Emission Energy research hosted jointlywith the Institute.
2.

Application Qualifications:Applicants must be researchers of a research institution (e.g., university or a national/publicresearch institute) or persons approved by the Director of the Institute to possess an equivalentresearch capability. As a general rule, the applicants are required to have already taken thecourse of research ethics education offered by either his/her affiliated institution or publicagencies. (Depending on the situation, he/she may be required to submit the certificate of course
completion.)

1

Energy system that reduces or eliminates carbon dioxide emissions and harmful substances.

1− 213 −

3.

Application Submissions:Applications must be submitted through Google Forms during the application period. (After yourKey Person has checked the application)
Google Form URL: https://forms.gle/HFmhojX9stqfyaHz5
Contact Information:ze-shinsei@mail2.adm.kyoto-u.ac.jp Tel: +81-774-38-3413

4.

Application Period:
For (A) – (D), applications are accepted until noon on Friday, January 19, 2024 (JST)5.

Application Results:
The Steering Committee determines and accepts the applications. For themes that span multiple
fiscal years, a new application must be submitted each year in accordance to the public offering
procedure.

6.

Notification of Results:
Successful applicants are notified in late March 2024.

7.

Research Expenses:
The Institute provides support within its budget.

8.

Travel Expenses:
The Institute provides support within its budget and in accordance to Kyoto University’s Travel
Expense Regulations.

9.

Insurance:
Graduate and undergraduate students, post-doctoral fellows, and industry researchers at theInstitute for joint usage/joint research must apply for the Personal Accident Insurance forStudents Pursuing Education and Research (including Incidental Liability Insurance) of theJapan Educational Exchanges and Services or its equivalent. Students (including research
students), professors emeritus not belonging to a specific entity, and researchers from abroad
whose applied research theme has been adopted, must apply for the “Personal Accident
Insurance for Students Pursuing Education and Research” or its equivalent.

10.

Facility Usage:
When using the Institute’s facilities, all rules of the Institute and the instructions of thepersonnel in change must be followed.

11.

Radioactive Isotopes and Radiation Generators:
A person, whose research requires the use of radioactive isotopes or radiation generators, must
acquire the qualifications of the Persons Handling Radioactive Isotopes and the Persons
Handling X-ray Equipment from his or her home entity prior to coming to the Institute.
Additionally, he or she must register compliance with the Institute. Please direct all questions
to our faculty or staff.

12.

Health and Safety:
All University rules for health and safety must be followed. For details, please contact the Joint
Usage/Joint Research Promotion Office.

2
−214−

13.

Handling of Intellectual Property Rights:
Intellectual property rights are managed as per Kyoto University’s Invention Regulations.

14.

Accommodations:
Accommodations for researchers are not available. Please use neighboring hotels or the like.

15.

Joint use Equipment:
For joint usage facilities and equipment, see Attachments. Additionally, updated information isavailable on our website.
(http://www.iae.kyoto-u.ac.jp/zero_emission_e/document/)

16.

Applications Submitted after the Application Deadline:
The Institute reserves the right to accept applications after the application deadline. Please contact
the Joint Usage/Joint Research Promotion Office (except for Planned joint research). Suchapplications are reviewed twice a year in July and October. It is possible that research and/or
travel expenses will not be allocated. To secure funding, please apply during the normal
application period. If applying outside the normal period, a justification of why the application
cannot be submitted during the normal application period must be written in the "Reason for
application outside the normal period " column.

17.

Miscellaneous:Of the items purchased with the joint research funds, equipment other than consumables andsmall assets are stored at the Institute and the key person in the facility is responsible formanagement. In addition, equipment and small assets will be registered as assets at Kyoto
University and will be returned to Kyoto University after the joint research is complete. The
operation of the Dual-Beam Facility for Energy Science and Technology (DuET) was
discontinued at the end of FY2023. For other inquiries, please contact the Joint Usage/Joint
Research Promotion Office.

(A) Planned Joint Research Public Offerings
1.

Planned Joint Research:
The Steering Committee selects themes for research to be conducted jointly with the researchersof the Institute. For this fiscal year, the following two themes are selected. Prior to submitting anapplication, please consult with a faculty member of the Institute.
Theme 1

Energy Systems Using Sunlight/Lasers/Biologya)Research on solar energy conversion systems, which are Zero-Emission Energy systems,with the aim of developing high-performance organic / inorganic / biological materials
related to power generation, storage, and energy conservation, or innovative technologies.

b)

Research with the aim of developing precise analytical techniques, creating materials togenerate energy, or investigating the environment and energy using ultrashort pulse lasers,
mid-infrared lasers, or biotechnology.

Theme 2

Advanced Nuclear Power Systems and Plasma Usesa)

Research with the aim of understanding the interactions between advanced energy materials
and plasmas, creating metal/ceramic materials with the potential to realize new nuclear
systems possessing a high passive safety, including nuclear fusion, or developing energy
sources as social infrastructure.

b)

Research with the aim of creating innovations related to applications of plasma/microwave
technologies or using thermal/particle energy for diverse applications of nuclear energy.
3− 215 −

Theme 3

Exploring New Frontiers in Zero-Emission Energy Science

Research on Carbon Negative, Green Transformation, or Digital Transformation related toenergy science, and not on the development of individual elemental technologies thatshould be included in Theme 1 and Theme 2, but on the development of new science orsystems of Zero-Emission Energy based on the integration of multiple elemental
technologies and disciplines.
2.

Research Period:
Less than one year.

3.

Research Representatives:
Outside researchers as well as one or more in-house researchers, including in-house caretakers,
should participate in the research organization. A person can apply as a research representative
or a user representative for (A) Planned Joint Research, (B) Proposal-based Joint
Usage/Joint Research, or (C) Joint Usage of Facilities. Each applicant may submit one
proposal.

4.

Briefing:
An applicant may be required to explain the research content, required expenses, and otherpertinent information to the Joint Usage/Joint Research Planning Committee. The applicationmust clearly explain how the joint research proposal relates to Zero-Emission Energy. The
maximum allowable funding, which includes purchase and travel expenses, per application issix hundred thousand (600,000) JPY for Theme 1 and 2, and seven hundred thousand (700,000)
JPY for Theme 3, respectively.

5.

Research Report:
The research representative must submit a Joint Research Implementation Result Report[research results obtained (A4: 2 sheets), a list of published papers, and a list of oralpresentations] to the Director of the Institute by Friday, January 24, 2025. Additionally, theresearch representative must report the research outcomes at the Research Outcome Meeting,which is scheduled for early March 2025.

6.

About Acknowledgments:
When reporting outcomes, one of the following sentences must be added: “This work is (was)supported by the Joint Usage/Research Program on Zero-Emission Energy Research, Instituteof Advanced Energy, Kyoto University (Reference No.).” or “This work is (was) supported bythe ‘ZE Research Program, IAE (Reference No.)’.”

7.

Travel Expenses:
For those in remote areas, travel expense applications are accepted beginning around November
2024 to participate in the Outcome Meeting scheduled for early March 2025. Travel expenses
may be denied or partially allocated, depending on the budget.

4
−216−

(B) Proposal-based Joint Usage/Joint Research Public Offerings
1.

Proposal- based Joint Usage/Joint Research:
A research project proposed by the applicant and conducted jointly with researchers of theInstitute. Prior to submitting an application, please consult with a faculty member of the Institute.

2.

Research Period:
Less than one year.

3.

Research Representatives:
Outside researchers as well as one or more in-house researchers, including in-house caretakers,
should participate in the research organization. A person can apply as a research representative
or a user representative for (A) Planned Joint Research, (B) Proposal-based Joint
Usage/Joint Research, or (C) Joint Usage of Facilities. Each applicant may submit one
proposal.

4.

Briefing:
An applicant may be required to explain the research content, required expenses, and otherpertinent information to the Joint Usage/Joint Research Planning Committee. The applicationmust clearly explain how the joint research proposal relates to Zero-emission Energy. The
maximum allowable funding, which includes purchase and travel expenses, per application isfour hundred thousand (400,000) JPY.

5.

Research Report:
The research representative must submit a Joint Research Implementation Result Report [research
results obtained (A4: 2 sheets), a list of published papers, and a list of oral presentations] to the
Director of the Institute by Friday, January 24, 2025. Additionally, the research representative
must report the research outcomes at the Research Outcome Meeting, which is scheduled for early
March 2025.

6.

About Acknowledgments:
When reporting outcomes, one of the following sentences must be added: “This work is (was)supported by the Joint Usage/Research Program on Zero-Emission Energy Research, Institute ofAdvanced Energy, Kyoto University (Reference No.).” or “This work is (was) supported by the ‘ZE
Research Program, IAE (Reference No.)’.”

7.

Travel Expenses:
For those in remote areas, travel expense applications are accepted beginning around November
2024 to participate in the Outcome Meeting scheduled for early March 2025. Travel expenses
may be denied or partially allocated, depending on the budget.

5− 217 −

(C) Joint usage of facilities public offerings
1.

Joint Usage:
A research plan to utilize the facilities and/or equipment of the Institute in order to promote researchoriented toward Zero-Emission Energy. Prior to submitting an application, please consult with afaculty member of the Institute.

2.

Use Period:
Less than one year.

3.

Use Representatives:
Outside researchers. A person can apply as a research representative or a user
representative for (A) Planned joint research, (B) Proposal-based Joint Usage/Joint
Research, or (C) Joint Usage of Facilities. Each applicant may submit one proposal.

4.

Briefing:
An applicant may be required to explain the research content, required expenses, and otherpertinent information to the Joint Usage/Joint Research Planning Committee. The applicationmust clearly explain how the joint research relates to Zero-Emission Energy. The maximum
allowable funding, which includes purchase and travel expenses, per application is four hundred
thousand (400,000) JPY.

5.

Research Report:
The user must submit a Joint Research Implementation Result Report [research results obtained(A4: 2 sheets), a list of published papers, and a list of oral presentations] to the Director of theInstitute by Friday, January 24, 2025.
Additionally, the research representative must report the research outcomes at the Research
Outcome Meeting, which is scheduled for early March 2025.

6.

About Acknowledgments:
When reporting outcomes, one of the following sentences must be added: “This work is (was)supported by the "Joint Usage/Research Program on Zero-Emission Energy Research, Instituteof Advanced Energy, Kyoto University (Reference No.).” or “This work is (was) supported bythe ‘ZE Research Program, IAE (Reference No.)’.”

7.

Travel Expenses:
For those in remote areas, travel expense applications are accepted beginning around November
2024 to participate in the Outcome Meeting scheduled for early March 2025. Travel expenses
may be denied or partially allocated, depending on the budget.

6
−218−

(D) Research meetings public offerings
1.

Research Meeting:A research meeting to promote information exchange and communications among researchers
studying Zero-Emission Energy and to help establish a network for Zero-Emission Energy
research. Prior to submitting an application, please consult with a faculty member of the Institute.

2.

To be Held:
Within FY2024.

3.

Meeting Representatives:
Outside researchers. Note that a person can only apply once as a meeting representative.

4.

Briefing:
An applicant may be required to explain the research meeting outlines, meeting period, required
expenses, and other pertinent information to the Joint Usage/Joint Research Planning Committee.
In addition, the research meeting must be organized jointly with this research base. The
application must clearly explain how the joint research relates to Zero-Emission Energy. The
maximum allowable funding, which includes purchase and travel expenses, per application isfour hundred thousand (400,000) JPY.

5.

Implementation Result Report:
Users must submit a Joint Usage Implementation Result Report (meeting outlines; A4: 1 sheet)to the Director of the Institute by Friday, January 24, 2025. Additionally, users may berequired to report the implementation result outlines at the Research Outcome Meeting, whichis scheduled for early March 2025.

6.

Travel Expenses:
For those in remote areas, travel expense applications are accepted beginning around November
2024 to participate in the Outcome Meeting scheduled for early March 2025. Travel expenses
may be denied or partially allocated, depending on the budget.

7− 219 −

２０２３年度 京都大学エネルギー理工学研究所
ゼロエミッションエネルギー研究拠点
共同利用・共同研究推進室 アンケート調査結果

Q 1 ． 共 同 研究 申 請 書 類 は わ か り や す か っ た で す か ？

申 請 書 類に対 す る ご意見 ・ ご 要望



特に問題点は見出せませんでした。



書類については特にありません。今のままでよいと思います。



申請内容を Word にしていただいたので記入しやすかったです。

Excel ファイルと Word ファイルに分かれて、作成しやすくなりました。ありがとうございました。



2024 年度の申請書の後半（研究目的など）を Word にしていただけたのがよかったです。



申請書が Excel ファイルと Word ファイルに分かれたので、書きやすくなりました。



わかりやすい申請書。

Excel の申請書は使いにくかったですが、2024 年度から Word も増えて書きやすくなりました。



年々改良され素晴らしいものになっています。



２ページの制限がつきましたが、簡潔にまとめやすくてよかったと思います。



来年度から Word での申請書となり、とても作成しやすくなりました。



申請者の研究機関と部局を一緒に記載するかどうか不明確だと思う。Excel の最後に研究組織一覧がある
が、研究協力者の所属が研究期間・部局となっているのに対し、先頭の申請者の所属では研究機関のみを記載するように読める。



提案内容の記載が Excel から Word ベースになったため、各段に記載しやすくなった。

−220−

Q 2 ． 共 同 研究 実 施 に 際 し て の 事 務 手 続 き は わ か り や す か っ た で す か ？

事務手続きに対するご意見・ご要望

今後ともよろしくお願いいたします。



事務手続きも分かりやすいです。



いつも大変お世話になっております。ありがとうございます。



放射線登録関係で 2023 年度は京大内の認識が統一されていなかったため、手続きに時間がかかったが次年度は問題ないと思われる。



遠方の研究機関に所属しているので物品の写真検収制度はとても助かっております。

− 221 −

Q3 ． ゼ ロ エ ミ ッ シ ョ ン エ ネ ル ギ ー 研 究 拠 点 の ホ ー ム ペ ー ジ に 各 種 書 類 の 様 式 が 掲 載 さ れ て い る の はご存知ですか？

ホームページへのご要望


装置利用料金の一覧を分かりやすい場所に掲載してほしいです。



現状の形式で特にありません。

Q 4 ． 今 年 度の 実 際 の 配 分 額 で 共 同 研 究 を 計 画 通 り に 行 う こ と が で き ま し た か ？

−222−

Q 5 ． 新 型 コロ ナ ウ イ ル ス の 影 響 に よ る 研 究 活 動 へ の 遅 延 や 影 響 等

特にありませんでした。オンライン打ち合わせ等で充分対応できました。



2023 年度は影響はほぼなかった。



年度当初は新型コロナウイルスにより研究活動にも制限に制限があった。



Face-to-Face の会合が難しかった。



本件は ONLINE を基本とした計画であることから、基本的に影響を受けなかった。

（Q5 で「影響があった」と回答された方にお尋ねします）新型コロナウイルス禍は、共同研究の遂行にどの程度影響しましたか？

役立ったエネ研（世話人）からのフォロー等をご記入ください。


来所・装置利用日程の調整。



論文投稿時に有益なコメントをいただいたおかげで無事に採択されました。



申請書や報告書を丁寧に確認いただいており感謝しております。

− 223 −



永田先生には、本プロジェクトを進めるあたり、NMR 測定、構造解析、ディスカッションをいつも丁寧にしていただき、感謝しております。



化学的な視点から、研究遂行に必要なアドバイスをいただいた。



装置の不具合によって失った実験機会を別日程で保証してくださったこと。



実験試料の保管方法や Lab 装置の利用に関してフレキシブルに対応いただけたことは非常に助かった。

国際シンポジウムの要旨やポスターの作成や、酵素の生産技術において、大変多くのアドバイスをいた
だいた。



出張での対面打ち合わせやメールに加えて ZOOM でもご対応いただき中嶋先生には大変感謝しています。



研究を進めるうえでの助言、また書類等の修正など多岐にわたりご支援を賜りました。



研究に関する重要なアドバイスを多数いただいた。



実験時に親切に対応していただき、また申請書の作成時にもアドバイスをいただけました。



進捗管理および共同実験者としての実験分担。



使用機器の予約状況を逐一教えていただけたこと。



装置担当者との調整など、研究面だけでなくそれ以外でも色々と丁寧にお世話いただき助かりました。



研究の遂行にあたり相談にのっていただいた。

レーザー照射実験を実施するにあたり、世話人の松田先生には照射配位やアライメントの手法、カメラ・レンズの選定など、具体的に指導とご提案をいただき、実験をスムーズに進めることができました。また、光物性の観点から実験結果のコメントをいただき、解析と今後の実験計画を立案する上で大変有益でした。お礼申し上げます。



研究の進行、申請書や報告書の作成等について様々なご助言を頂きました。



全面的な支援を受けた。



測定等をしていただきました。ありがとうございました。



予算執行のアドバイス。



事前の実験条件確認や現場での応急対応。

世話人が所属している研究室が作製した試料を提供していただいた（MTA も締結）。これにより、本研究の迅速な進行に役立った。



共同利用機器の使用にあたり、迅速な対応をしてくださった。



報告書の記載・作製に研究会開催経費を使用する自由度を与えていただき、報告者に参加者の意見をいれるなど、新しいスタイルのセミナーを実施することができている。

−224−

Q 6 ．物 品 購入 の 際 に１０ 万 円 以上の 商 品 は備品 と し て登録 さ れ る場合 が あ ること 、 １ ０万円 未 満 でも
換 金 性 物品は 少 額 資産と し て 登録さ れ る 場合が あ る ことを ご 存 知でし た か ？

Q 7 ．共 同 研究 費 で 購入さ れ る 物品の う ち 、消耗 品 以 外の備 品 や 少額資 産 は 京都大 学 エ ネルギ ー 理 工学研
究 所 で 保管す る こ とが原 則 と なり、 管 理 は所内 世 話 人が責 任 を 持って 行 う こと、 ま た 、備品 や 少 額資産
は 京 都 大学に て 資 産登録 さ れ 、共同 研 究 終了後 は 京 都大学 に ご 返却い た だ くこと を ご 存じで し た か？

− 225 −

Q 8 ． 旅 費 申請 し た 公 共 交 通 機 関 以 外 で の 来 所 は で き な い こ と を ご 存 じ で し た か ？

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Q 9 ． 来 年 度の 共 同 研 究 公 募 に も 申 請 を 予 定 さ れ て い ま す か ？

その他、今後のゼロエミッションエネルギー研究拠点活動に対するご意見・ご要望がありましたら、ご記入ください。


引き続きよろしくお願いいたします。



電気代の節約のためか、掲載されている共同利用装置が長期シャットダウンされていたりします。特に高真空系の装置は稼働していないと必ず不具合が出ますので、共同利用装置に掲載されていいてもいざとい
うときに使えない可能性が高いです。常時使用していない装置を共同利用のために世話人一人でメンテナンスするもの大変でしょうから、掲載する利用機器を見直したほうが良いと思います。



今後も、ゼロエミッションエネルギー研究拠点活動が発展することを願っております。

国際シンポの開催時期が、大学の入試業務や科研費申請時期と重なるので、できれば遅らせてほしい。

エネ研（中嶋先生）との共同研究は非常に有意義であり（共著論文を取りまとめ中）、ゼロエミッション
エネルギーのプログラムが続くことを期待しています。



次年度の申請をしました。引き続き宜しくお願いいたします。



毎年ありがたく活用させていただいています。研究活動を維持する生命線ですので、長く継続していただ
けることを期待します。



本活動は、研究科を中心とした自由度が必ずしも多くない部局の研究者に研究所・センターレベルの企画を行う自由度を付与いただけることは貴重である。一方、当該研究所のスタッフの負担が増えることは留意する必要はあるが、両者が実質的に連携・協力する文化の醸成することが期待される。

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