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胎児大脳皮質発生調節機構における胎盤TLR3の役割の解明

3)胎盤TLR3を介したシグナル伝達の抑制モデルの作成胎盤でのTLR3シグナルの抑制モデルを母体にTLR3のinhibitorを腹腔内投与することで作成した。TLR3 inhibitorの投与量は、3点(0.25 mg/マウス, 0.5 mg/マウス, 1.0 mg/マウス)を設定し、胎盤におけるinhibitorの効果を免疫組織化学およびウエスタンブロッティング等で検討している。当初の予定では, TLR3を介したシグナル抑制モデルにおける胎児脳発生に与える影響について、母胎間LIFシグナル伝達に注目して解析する予定であった。TLR3を介したシグナル抑制モデルの作成にあたっては、TLR3シグナルを認める胎盤の部位、細胞種を明らかにする必要が生じ、この解析のためにEGFP transgenicマウスを導入し追加実験を要したため、研究計画の変更と遅れが生じた。最終年度は、下記の課題について、解析を行った。1)胎盤組織培養系でのTLR3を介したシグナル伝達の刺激実験の追加を行い、TLR3を介したシグナル伝達を評価した。妊娠12.5日の胎盤のスライスを準備し、組織培養を行った。培養3日目で組織の固定を行い、ヘマトキシリン・エオジン染色で通常の形態学的評価を行った。明らかな脱落膜、栄養膜細胞層における組織構造の乱れは認められなかったが、PAS染色を行うと、栄養膜層細胞層内に存在する内皮細胞の基底膜の染色性が著しく低下していた。培養液中にpoly (I:C)を添加すると、対照群に比し生体でみられたように脱落膜で顕著にTLR3を介したシグナルにより生じるpIRF3の反応を認めることができた。2)胎盤での炎症性サイトカイン産生に関わるインターフェロンβの遺伝子発現の解析を行った。TLR3/TRIFシグナル伝達経路は、pIRF3を介してインターフェロンβの遺伝子発現を誘導することが知られている。そこで、poly (I:C)投与によるTLR3シグナルの活性化が、インターフェロンβの遺伝子発現に影響しているかどうかを定量PCR法で確認した。母体免疫活性化群で、有意にインターフェロンβの遺伝子発現が上昇していることが明らかになった。3)TLR3を介したシグナル抑制モデルにおける母胎間LIFシグナル伝達に与える影響を解析した。母胎間LIFシグナルリレー経路に与える影響については、ELISA法およびウエスタンブロッティング法を用いて解析を行った。対照群に比べてTLR3 inhibitor 0.5 mg/ml投与により、母体血清中LIF濃度の減少がみられたが、胎児血清中ACTH濃度の増加を認めた。胎児脳脊髄液中のLIF濃度に関しては増加する傾向を認めた。SOCS3の発現およびpSTAT3レベルについては、両群間で差はみられなかった。1)正常においても, TLR3を介したシグナルがdeciduaで生じており,そのシグナルが母胎間シグナルに果たす役割について解析を継続する.2)TLR3を介したシグナル抑制モデルでの胎児脳発生に与える影響を解析する.最終年度は、下記の課題について解析を行う予定である。
封じ込め技術の信頼性向上に向けた、遮水壁の品質管理手法の開発と汎用性の向上

原位置の土とベントナイトを混合・攪拌することによって構築されるソイルベントナイトを対象とし,(1)オンサイトでの品質評価手法の確立,(2)変形や損傷に対する遮水性能の変化ならびに自己修復性,の2点について各種実験を行った。その結果,地盤調査に広く用いられる電気式静的コーン試験を応用することで,オンサイトで空間連続的な品質評価が可能であること,ソイルベントナイトの高い柔軟性と試料中のベントナイトの再膨潤による自己修復性が期待でき,損傷が発生しても遮水性能は著しく低下しない可能性が示された。土壌汚染や廃棄物が存在する土地を活用する際,有効な対策方法の一つとして「封じ込め工法」がある。これは当該範囲を遮水材で囲むことによって拡散を防止する技術であり,遮水性や均質性の担保,及び汚染物質の輸送挙動評価が肝要である。平成25年度は,前者に関しては,特にソイルベントナイト遮水壁の自己修復性,及び粘土系遮水材の遮水性能評価を行った。その結果,ソイルベントナイトに損傷が発生した場合であっても,化学物質を含まない溶液が流入する条件でれば遮水性能を自己修復しうること,ジオシンセティッククレイライナーの遮水性能は不同沈下を受けた場合であっても高い遮水性能を発揮することが期待できること,等を明らかにした。特にソイルベントナイトの遮水性能は,サイトの地下水中に含まれる化学物質濃度によって大きく影響を受けることが知られているが,今年度実施した室内実験結果より,化学物質濃度が高く比較的透水係数が大きい場合であっても,ソイルベントナイトの自己修復特性により,健全な状態と同等の遮水性能を維持しうることが明らかとなった。後者に関しては、地下水位変動条件下での非水溶性流体の挙動評価を行い,降雨条件が非水溶性流体に及ぼす影響を可視化した。一次元のカラム試験及び二次元の土槽試験から,汚染範囲の拡大を防止するためには,雨水浸透を抑制し,鉛直方向の移動を抑止するとともに,鉛直遮水壁により地下水による水平方向の物質輸送を抑止することが有効であることが示された。土壌汚染や廃棄物が存在する土地を活用する際,対策方法の1つとして「原位置封じ込め工法」がある。これは当該範囲を遮水材で囲むことによって,汚染物質の拡散を防止する技術であるため,均質性を確保することが極めて重要である。しかし,原位置土とベントナイトを混合することで構築されるソイルベントナイト遮水壁は,施工後も柔軟性が高く,また地中で構築される構造体であるため,品質評価が困難である。そこで本研究では,初めに地盤調査等に広く用いられている静的コーン貫入試験を応用し,ソイルベントナイトの品質の差異を検知すべく,実験的検討を行った。具体的には,高さ100cm,直径80cmの大型土槽内に,実際の遮水壁に見立てたソイルベントナイトを異なる配合で充填し,鉛直方向に配合の差異を検知可能か,検証を行った。その結果,先端抵抗,周面摩擦といった強度特性が,ベントナイト量が減少すると増大すること,過剰間隙水圧はベントナイト量によって異なる挙動を示すことが明らかとなった。また間隙水圧の消散速度は,周辺地盤の透水性に大きく影響を受けることから,間隙水圧消散試験を実施し,透水係数の算出を試みた。その結果,間隙水圧消散試験によって,透水試験で得られる透水係数と同程度の透水係数を算出でき,静的コーン貫入試験を品質評価手法として適用しうる可能性が示唆された。次に,新たに変形付与型透水試験装置を作製し,地震等で遮水壁に変形が生じた場合であっても遮水性能を保持しうるか,検討を行った。実験の結果,現時点では定量的な評価には至っていないものの,平均せん断ひずみで15%程度の変形量であれば,ソイルベントナイト遮水壁に破断は生じず,著しい漏水量の増加には至らないことが実験的に明らかとなった。平成26年度は,ソイルベントナイト中での濃度勾配による拡散輸送を評価するため,塩化物イオンをトレーサー物質としてカラム試験および土槽試験を行った。その結果,ソイルベントナイトの見かけの拡散係数は1.54.0×10-10 m2/sであることや,対策地内外の水位を適切に管理し移流輸送を抑制することが重要であることを示した。研究期間全体を通じ,(1)ソイルベントナイトのオンサイトでの品質評価手法の確立,(2)損傷に対する自己修復性,(3)地盤内での物質移動における拡散輸送の寄与,を明らかにした。(1)に関しては,地盤調査法として実績も多い電気式静的コーン試験を用いることで,遮水壁内部の不均質箇所を特定でき,透水係数もある程度精度良く評価できることを示した。

これまで遮水壁の品質評価は,現地採取した試料を実験室に持ち帰り評価していたが,本研究の成果により,オンサイトで比較的短時間で,空間連続的に品質を評価できる可能性が示唆されたことから,実務的意義は大きい。(2)に関しては,地震や地盤変状等でせん断変形を受けた場合であっても,ソイルベントナイトは高い遮水性能を維持しうることを明らかにした。遮水壁は地下水流を遮断することで,汚染物質の隔離を図るものであることから,たとえ部分的であっても破断あるいは損傷の発生による遮水性能の低下が許容されない。意図的に設けた亀裂や開孔に対してソイルベントナイトは自己修復できることを明らかにしたことから,フォールトトレランス設計としての機能が期待できる。また(3)について,低透水性材料は飽和作業など試料の取り扱い,実験実施そのものが極めて困難であるが,その中で拡散輸送の寄与を明らかにしたことは意義が大きい。遮水壁内での物質輸送を抑制するためには,適切な水位管理が極めて重要であることを改めて示している。地盤環境工学平成25年度は主に,(1)亀裂等の損傷を受けたソイルベントナイトの自己修復性,(2)変形を受けた遮水材の遮水性能,(3)非水溶性物質の地盤中での挙動,を評価した。(1)に関しては,比較的簡便な手法で定量的な評価を達成し,地盤中の化学物質濃度との関連性を精査した点で学術的意義が大きい。(2)については,前年度課題であった定量的評価を実現し,ソイルベントナイトのような柔軟性を有する材料であれば,変形を受けた場合であっても同等の遮水性能を維持しうることを示した点で実務への反映が期待できる。(3)のテーマは,工法選定に資する基礎データとして新たに検討した。これらにより封じ込め技術の有用性を様々な観点から検討しており,研究は順調に進捗していると判断できる。本研究は,土壌地下水汚染対策として有効な「原位置封じ込め工法」に用いられるソイルベントナイト遮水壁を対象に,原位置での品質評価手法の確立,及び地震時挙動の評価を通して,汎用性の向上を目指すものである。初年度にあたる平成24年度は,(1)静的コーン貫入試験の品質評価への実施可能性を検証すること,(2)地震等でソイルベントナイト遮水壁に変形が生じた場合,健全性を保持しうるか検証すること,を計画目標とした。(1)については,大型土槽試験を実施し,現在までに定量的な評価を実現できており,ある程度の実現可能性が確認できていると判断できる。(2)については,当初計画では一般的な透水試験を通して評価する予定であったが,より実現象を再現しうる試験装置を開発し,実験に着手することができた。現在のところ,定量的な評価には至っていないものの,変形発生時であっても顕著な漏水が生じないことを定性的に確認できている。そのため,全体として概ね順調に進展していると判断できる。平成26年度は,特に拡散による物質輸送に着目し,実験的検討を行う予定である。遮水材に用いられる低透水性材料の場合,動水勾配に起因する移流による物質輸送が僅かであるため,濃度勾配に起因する拡散による物質輸送が無視できなくなる。ソイルベントナイト等の粘土鉱物を有する遮水材では吸着による濃度減衰も考えられることから,これらの現象を考慮した物質輸送の全体的なメカニズムを評価し,封じ込め技術の信頼性向上へつなげる。また掘削された土砂に含まれる汚染物質の適正な封じ込めを目的に,GCL等の粘土系遮水材へ検討対象を広げ,合理的な対策手法の推進を目指す。大型土槽試験を通じ,静的コーン貫入試験による品質評価手法は,平成24年度で概ね実現性を確認できたと判断できる。
社会的位置と自己呈示

本年度は、特に「小さな世界(small world)問題」の観点から、村落に見られるような小さくて密度の高いネットワークと、都市に見られるような大きくて境界がはっきりせず密度の低いネットワークにおける、人々の自己呈示について理論的・実証的研究を行った。理論については、ネットワークの構造によって、自己卑下的な自己呈示をする程度に違いがあることを示し、それに加えて、テンニースのゲマインシャフトとゲゼルシャフトの概念を問い直し、また、山岸俊男の信頼の解放理論を再検討した。信頼の解放理論については、ある限られたネットワーク構造の場合のみ成立することを示し、この理論の一般性には問題があることを発見した。また、これらの研究過程で、日本人の知人数の推定が必要となり、その測定法を工夫した。さらに、これらの理論を検証するため、2002年5月6月にかけて、新潟県栃尾市(村落部を多く含む)と東京都板橋区における村落-都市の比較調査を行い、理論を検証した。その結果、ネットワーク構造が近隣の親族の中で密な場合に、自己卑下的な傾向が高いことが検証された。また、信頼の解放理論に関しては、都市部と村落部で一般的信頼感に差がないことを示し、小さな世界をもとにしたわたしの理論の方が、部分的には妥当性が高いことが示された。しかし、この調査は地点を有意抽出したために、統計的分析において、各種不都合があることから、2月3月にかけて、千葉県を対象とし、その中の都市部と村落部をクラスター分析によって抽出し、その中から、ランダムに3市区町村ずつ(都市部:千葉市中央区・柏市・松戸市、村落部:銚子市・小見川町・一宮町)を抽出して調査を行った。現在、その結果について分析中である。今年度は、自己呈示モデルを2001年秋の数理社会学会で1つ提出した(針原・辻,2001)。現在、新潟県栃尾市と、東京都板橋区で社会調査をするために、すでにサンプリング作業に入っている。以下、これらについて説明する。針原・辻(2001)では、自己高揚的自己呈示は、それが相手に信用されれば「自分を高く呈示することによって報酬(R≧0)が得られる」という正の効用があるものの、信用されなければ[自分の実力が実際は低いことが分かり損失(L≦0)を被る」という負の効用があると考える。一方、自己卑下的自己呈示は、その逆の効用となる。ここで相手が信用する確率をq、信用しない確率を1-q、ある人の実際の位置をS、その人の自己呈示位置をPとする。また、自己高揚・自己卑下によって得られる報酬も、被る損失も、どれだけ実際の位置よりもかけ離れて自己呈示するかの程度に応じると考え、R=|P-S|, L=-|P-Sとする。自己高揚・自己卑下に関わらず、自己呈示の効用関数は、U=Sum[q^i(P-S)]_<i=1^t>-Sum[(1-q^i)(P-5)]_<i=1^t>となる。その結果、信用される確率に依存せず、先の時点まで考慮するにつれて、自己高揚ではなく自己卑下が適応的になることが分かる。これは、人々の付き合いが一時的であるか長期的であるかによって、取られる自己呈示の仕方が異なることを意味する。栃尾市と板橋区の調査は、上記のモデルの知見を確認するために行われる。栃尾市は、いくつかの集落が統合されて市制がひかれた経緯があり、実際には長期的な関係に基づく村落的な社会であるが、板橋区は、東京都心部へのベッドタウンであり人口の流入出も大きく、そこでの社会関係は、比較的短期的である。これらの市による実証的な比較研究を行うことで、モデルの正否が確認できると期待される。

しかし、この調査は地点を有意抽出したために、統計的分析において、各種不都合があることから、2月3月にかけて、千葉県を対象とし、その中の都市部と村落部をクラスター分析によって抽出し、その中から、ランダムに3市区町村ずつ(都市部:千葉市中央区・柏市・松戸市、村落部:銚子市・小見川町・一宮町)を抽出して調査を行った。現在、その結果について分析中である。
RC 構造の鋼材腐食量を完全非破壊で定量的に測定する新奇な手法の確立

本研究では,本研究では,電磁誘導加熱(IH)と熱伝導解析を用いた新たな非破壊診断法によって,鉄筋コンクリート部材内の鉄筋の腐食状況について定量的な診断を行なうことを目指した.その結果,かぶりコンクリートをIHで加熱することは可能であり,また,コンクリートの表面温度と鉄筋の温度を測定することにより,両者の温度はかぶりコンクリート,鉄筋径,腐食量によって影響を受けることが明らかとなった.特に鉄筋に腐食が生じた場合には,腐食生成物の熱伝導率が低いことから,鉄筋の温度が高くなる,コンクリート表面温度が低くなる,という特徴が明らかとなった.本研究では,本研究では,電磁誘導加熱(IH)と熱伝導解析を用いた新たな非破壊診断法によって,鉄筋コンクリート部材内の鉄筋の腐食状況について定量的な診断を行なうことを目指した.その結果,かぶりコンクリートをIHで加熱することは可能であり,また,コンクリートの表面温度と鉄筋の温度を測定することにより,両者の温度はかぶりコンクリート,鉄筋径,腐食量によって影響を受けることが明らかとなった.特に鉄筋に腐食が生じた場合には,腐食生成物の熱伝導率が低いことから,鉄筋の温度が高くなる,コンクリート表面温度が低くなる,という特徴が明らかとなった.コンクリート構造物の劣化要因の中でも特に鉄筋腐食は,劣化の速度が大きく,劣化が性能低下に与える影響も大きい。また,昨今の公共事業縮小の動きのもとで,限られた財源の中でできるだけ劣化の初期段階で,かつ,多くの構造物を正しく診断する為に,非破壊で,かつ定量的に劣化診断を行うことのできる手法の開発が求められている。そこで,電磁誘導加熱(以下IH)と赤外線サーモグラフィを併用して鉄筋腐食を非破壊で調査する方法を利用した。この方法は,腐食生成物は健全な鉄筋に比べ,2桁ほど,更にコンクリートと比較しても1桁熱伝導率が小さく,腐食した鉄筋にIHにより発生した熱がコンクリート中へ拡散しにくい性質を利用している。IHを使うことでかぶりコンクリート下の鋼材のみを熱し,コンクリート表面の温度分布をサーモグラフィによって計測し,温度の違いによって鉄筋の腐食を検知する非破壊診断技術である。本研究では,この手法の確立を目指し,基礎的検討を行った。具体的には鉄筋腐食量と鉄筋径が温度性状に及ぼす影響の評価を行った。得られた結果を以下に示す。(1) IHで鉄筋加熱する際に,鉄筋径が大きくなるほど温度上昇量も大きくなる(2)加熱直後のコンクリート表面の温度は腐食量が大きいものほど低く,小さいものは高い。(3)かぶり1cmの鉄筋コンクリートの場合,腐食量が5%程度あれば加熱終了後,経過時間による温度減少が起こらず,逆に若干の上昇が見られる。(4)かぶり1cmの場合,腐食量が5%を超えるとそれ以上はコンクリート表面の温度性状がそれほど変わらない。(5)腐食量5%を超える際に発生する大きなひび割れについては,熱の伝播を阻害する。本研究では,IHで鉄筋を加熱し,サーモグラフィでコンクリートの表面温度を計測する手法を用いて,鉄筋腐食量を非破壊で定量的に把握する手法の確立を目指し,基礎的検討を行った。具体的には鉄筋腐食率と鉄筋径が温度性状に及ぼす影響の評価を行った。直径125mmの円柱供試体で,かぶり10mmの位置に外径100mmのφ10またはφ13円形丸鋼を配置した。コンクリートの配合強度は35N/mm^2とし,鉄筋の目標腐食率は0,2,5,10%とし,実験を行った。腐食には電食を用いた。加熱開始時から熱電対によって鉄筋の温度を5秒間隔で測定した。加熱終了後はコンクリート表面をサーモグラフィカメラで撮影した。供試体からカメラまで50cmで撮影し,撮影時間は加熱終了30秒後から390秒間で撮影間隔は30秒間隔とした。(1)IHで鉄筋加熱する際に,鉄筋径が大きくなるほど温度上昇量も大きくなる(2)加熱直後のコンクリート表面の温度は腐食率が大きいものほど低く,小さいものは高い。(3)かぶり1cmの鉄筋コンクリートの場合,腐食率が5%程度あれば加熱終了後,経過時間による温度減少が起こらず,逆に若干の上昇が見られる。(4)かぶり1cmの場合,腐食率が5%を超えるとそれ以上はコンクリート表面の温度性状がそれほど変わらない。(5)腐食率5%を超える際に発生するひび割れ幅0.6mm程度の大きなひび割れについては,熱の伝播を阻害する。塩害などによる鉄筋の腐食は,コンクリート構造物の劣化の原因のうちの重大な一つであるが,劣化が顕在化した段階では相当に性能の低下が生じている可能性があり,対策も大規模な物とならざるを得ないことから,本研究では,電磁誘導加熱(Induction Heating,以下,IH),赤外線サーモグラフィー,および熱伝導解析を用いた新たな非破壊診断法によって,鉄筋コンクリート部材におけるかぶりコンクリート下の鉄筋の腐食状況について,劣化が顕在化する前の段階で非破壊的に定量的な診断を行なうことを目指した.鉄筋のかぶりや鉄筋径,腐食量の影響を調査した.更に,熱伝導解析も実施した.その結果,かぶりコンクリートをIHで加熱することは可能であり,また,コンクリートの表面温度と鉄筋の温度を測定することにより,両者の温度はかぶりコンクリート,鉄筋径,腐食量によって影響を受けることが明らかとなった.特に鉄筋に腐食が生じた場合には,腐食生成物の熱伝導率が低いことから,鉄筋の温度が高くなる,コンクリート表面温度が低くなる,また加熱を中止してからもコンクリート表面の温度がしばらくの間は緩やかに上昇しつづける,という特徴が明らかとなった.

これらの結果を踏まえて,コンクリートの表面温度から腐食量を逆解析により求める熱伝導解析を実施したが,現在までのところ未だ実験結果との乖離が大きく,結果の信頼性が低いため,本手法を実用化するには,解析方法の改良を行なう必要がある.想定した以上に,実験結果が環境の影響を受けやすく,ばらつきが大きかった.そのため,実験結果を解析で検証するに至らなかった.24年度が最終年度であるため、記入しない。本年は供試体の作製時に,より多くの熱電対を設置し,基礎的データを多くとることにより,試験データの精度向上をはかる.また,昨年,試行錯誤的に試験装置の改良を図り,試験装置から発生する熱が供試体に与える影響を減少させることができた.これらにより,実施予定の熱拡散解析が容易になるものと考える.24年度が最終年度であるため、記入しない。
スーパー神岡実験における核子崩壊および大気ニュートリノの研究

本研究ではスーパー神岡実験における核子崩壊および大気ニュートリノの研究のためのシミュレーションの開発、および解析手法の確立をめざした。スーパー神岡実験は現行神岡核子崩壊実験と比較して20倍以上のデータを得ることができる。そのため、その大量のデータに見合うだけの精密なシミュレーションを開発する必要がある。核子崩壊および大気ニュートリノの解析においては、大気ニュートリノが検出器中の核子と反応して起こす事象が重要になる。特にニュートリノと核子が反応して一つまたはそれ以上のpi粒子が生成される反応は核子崩壊の最も重要なバックグランドになる。そのため、この反応についてはニュートリノ実験で良く使われているRein-Sehgelのコードを使い、現行神岡実験で使っているFogli-Narduliとの比較を行った。また、生成されるpi粒子の方向依存性も導入した。次に生成されたpi粒子の核内での反応をシミュレートした。これは核内での平均自由行程を計算して反応が起きたかどうかを判断しながらpi粒子が原子核からでていくまで追いかけることによりおこなった。この時、核内の核子の密度とパウリブロッキングの相関を入れることによりこれまでの実験結果と良く合うようになった。また、フォトプロダクション反応等の実験結果も良く再現した。解析の手法については、1リング事象に対してニューロを使ってチェレンコフリングのエッジの抽出を行うことができた。スーパー神岡実験ではマルチリングでのエッジの抽出が必要なため現在の手法を拡張する必要がある。
超解像蛍光イメージングによるアクチンフィラメントとミオシンの動態解析

アクトミオシンは,アクチンフィラメントとミオシンから構成される蛋白質複合体であり,アデノシン5'ー三リン酸(ATP)の加水分解反応によって得られるエネルギーを用いて一方向性の運動や力発生を行う蛋白質分子機械である.本研究では,アクトミオシンが動作するときにアクチンフィラメント上で起こるイベントを超解像蛍光イメージングによって数10 nmの分解能で解析することにより,その動作メカニズムの解明を目指すものである.今年度は,SPoD(Superresolution by Polarization Demodulation)超解像顕微鏡の改良を行った.SPoD顕微鏡を用いた超解像イメージングでは,照明光に高い偏光度が要求される.昨年度に製作したSPoD顕微鏡を検討したところ,照明光の偏光度が偏光面の角度に依存して変動し,偏光比の極小値は10:1以下にまで低下した.そこで,SPoD顕微鏡の照明光学系を全面的に見直し,偏光度の低下を抑えるための措置を行った.照明光学系を詳細に検討したところ,ミラー上での反射に伴う光波の位相シフトの偏光依存性が照明光の偏光度低下の主たる原因であることが判明した.そこで,このような光波の位相シフトを補償するメカニズムを照明光学系に組み込むことで,照明光の偏光度は10倍以上の改善を達成した.さらに,このSPoD顕微鏡の性能評価のためにヒト由来細胞内のアクチンフィラメントや中間径フィラメントを蛍光標識して超解像イメージングを行ったところ,約50 nmの空間分解能を達成した.本研究課題の研究計画では平成30年度中に,(1)本研究課題で開発したSPoD超解像顕微鏡を用いたアクトミオシン系の測定と,(2)SPoD超解像顕微鏡技術の応用展開に取り組む予定であった.しかし,当初予期していなかった問題として,開発したSPoD超解像顕微鏡において照明光の偏光度低下があることが判明したため,今年度はその問題解決にあたる必要があった.偏光度の低下の原因を究明した結果,SPoD超解像顕微鏡にそれを補償するための改変を加えたことで,問題点はほぼ解決されたと思われる.ただし,この当初予期していなかった問題点を解決することにより,当該SPoD超解像顕微鏡技術はより高い完成度を達成したと言える.ここで発生した進捗の遅れは,当該課題の研究実施を1年間延長することで取り戻す予定である.次年度は,(1)今年度改良したSPoD超解像顕微鏡を用いてアクトミオシン系の測定を行うとともに,(2)SPoD超解像顕微鏡技術の応用展開に取り組む.アクトミオシン系の計測では,超解像顕微鏡を用いて,アクチンフィラメントのナノメーターレベルの形とその屈曲運動等のダイナミクスを解析する.さらに,アクチン結合タンパク質やATPの存在する条件において超解像観察を実施し,アクチンフィラメントのダイナミクスと化学力学共役によるエネルギー変換との関係について解析を行う.SPoD超解像顕微鏡技術の応用展開については,ヒト由来培養細胞を使った超解像イメージングを行う.この超解像顕微鏡では比較的少ないフレーム数の取得で超解像画像再構成に必要な画像データセットを取得できるので,超解像タイムラプス観察が可能である.これにより,細胞動態を従来にないような高解像度での観察に取り組む.さらに,この超解像顕微鏡技術のライブセルイメージングにおける有用性を検証する.本研究は,アクトミオシンが動作するときにアクチンフィラメントにおいて起こるイベントを超解像蛍光イメージングで明らかにすることで,その動作メカニズムのより良い理解を得ようとするものである.このために,水溶液中で活きた状態のアクチンフィラメントとミオシンを超解像蛍光顕微鏡で観察し,それらの挙動を高空間分解能で解析する.本年度は,この研究実施に必要な超解像蛍光顕微鏡イメージング手法の開発を行った.超解像蛍光顕微鏡イメージングは,SPoD (superresolution by polarization demodulation)法をベースとし,その改良を行った.SPoDでは,直線偏光かつ偏光面を機械的に回転させた励起光を用いて蛍光試料からの蛍光に変調を掛けながらタイムラプス観察を行う.このようにして取得した蛍光変調を含む画像データから,正則最尤計算によって超解像画像を得る.蛍光変調振幅と空間分解能との関係を調べるために,計算機シミュレーションを行ったところ,蛍光変調の振幅の深さが空間分解能に影響し,蛍光変調振幅が深い方が高空間分解能が得られることが分かった.蛍光変調振幅を深くするために,励起光光学系で用いるミラー等の光学素子や使用する光の波長幅を慎重に選択・調整することで,できうる限り励起光の偏光比の向上を図った.また,測定した画像データから超解像画像をえるための再構成計算の改善も行った.従来のSPoD法における再構成計算法は,計算速度および再構成計算結果の画像にアーティファクトが発生するという2点の問題がある.これら2点に対してまずは別々のアプローチを行い,計算速度については再構成計算プログラムのFORTRANへ移植と並列化のための最適化を行った.アーティファクトについては正則最尤計算の改変によって改善を図った.本研究の当初計画では,本年度は,顕微鏡装置の製作,従来の再構成計算法の改良,そしてアクチンの測定の着手を計画していたが,顕微鏡装置の製作と,再構成計算法の改良が途上で終わっている.

顕微鏡装置については,通常の落射蛍光顕微鏡の励起光光学系を使用するだけでは,励起光の偏光比が十分でないということが明らかになったため,その偏光比の改善に時間を要した.また,従来使われていた超解像画像再構成計算プログラムが特殊なアルゴリズムを使っていることが明らかになったため,それを並列化するに当たり,手法の解析に時間を要した.アクトミオシンは,アクチンフィラメントとミオシンから構成される蛋白質複合体であり,アデノシン5'ー三リン酸(ATP)の加水分解反応によって得られるエネルギーを用いて一方向性の運動や力発生を行う分子機械である.アクトミオシンにおけるATP加水分解の化学エネルギーから力学仕事へ変換する化学力学共役のメカニズムの従来の理解では,大きな構造変化を起こして能動的に力発生を起こすのはミオシンであり,アクチンフィラメントは並進運動のための単なる足場の役割を担っていると考えられている.本研究では,アクトミオシンが動作するときにアクチンフィラメント上で起こるイベントを超解像蛍光イメージングによって数10 nmの分解能で解析することにより,その動作メカニズムにおけるアクチンフィラメントの役割の解明を目指すものである.昨年度中に,超解像イメージング技術であるSPoD(Superresolutionby Polarization Demodulation)顕微鏡および超解像画像再構成プログラムの開発を進めたところ,顕微鏡の照明光や再構成計算に問題点が発生した.そこで,本年度は,これらの問題点の解決に取り組んだ.SPoD顕微鏡の蛍光照明では,レーザーを光源に使用することが原因で試料面において照明光の干渉縞が発生し,一様な強度での照明が困難であった.そこで,本年度では光源をレーザーからLEDに変更して照明光学系を再構築することで干渉縞の発生を解決した.また,撮影データから超解像画像を得るための再構成計算では,過剰補正が原因と考えられるアーティファクトのパターンがしばしば計算結果に顕れた.この問題は,再構成計算で用いたL1正則化をLp正則化に変更することで解決を図った.本研究課題の研究計画では平成29年度中に,製作したSPoD超解像蛍光顕微鏡を用いて,アクチンフィラメントの物性計測や,アクトミオシンの物理化学計測を行う予定であった.しかし,開発した超解像蛍光顕微鏡における照明光の不均一性の問題があり,これを解決するのに時間を要した.この照明光の不均一性は,レーザー光源をLED光源に置換し,それに伴う光学系の最適化を行うことで解決した.また,超解像顕微鏡から得られる画像データから超解像画像を再構成する計算法に問題があり,計算結果に過剰補正に起因するアーティファクトのパターンが発生した.これを解決するために,画像再構成計算法の基本的な原理から見直して修正することを余儀なくされた.この修正では,線形逆問題を解く最尤計算において,L1正則化をLp正則化に変更した.これらの問題点を克服したことにより,ここで開発した超解像蛍光顕微鏡技術の内容を取りまとめて,国際誌であるMicroscopy誌に投稿することができ,受理された.以上より,平成28年度29年度で,時間を掛けてここに挙げた問題点を解決したことは,本超解像顕微鏡技術の将来的な応用や移転のためには有意義であったと考えられる.
微量元素の濃度や化学状態に基づくバライト１粒を用いたＥｈ－ｐＨ－温度計の開発

平成28年度は、共沈プロセスそのものの理解を基に、微量元素のバライトへの共沈過程を分子レベルで系統的に理解することで、新たな古環境復元の手法の開発や有害元素の効果的な除去法の確立といった、地球化学・環境化学的な応用を行った。地球化学的な応用として、天然の様々な環境で沈殿する鉱物であるバライト中に取り込まれるセレン(Se)とヒ素(As)のオキソアニオンに着目して実験を行い、バライト中のSeの価数比(Se(IV)/Se(VI)比)とヒ素の価数比(As(III)/As(V)比)が共存する水のEhを反映するかどうかを示すことで、「バライト中に取り込まれた微量元素の組成および化学種を併用した水質計の開発」を行った。これらの水質計を用いることで、過去の海洋環境の詳細なEh、pH、温度といった情報の復元が可能となり、今後の地球進化の研究に大きく貢献すると考えられる。また環境化学的な応用として、バライトは高い安定性と除去効率を持ち、周囲の環境が変化しても元素を保持し続ける性質を利用した、「バライトを用いた有害元素の安定化処理技術の開発」を行った。これらの研究は、一般的に廃棄物固化体からの溶出を抑制する技術が乏しいセレンなどの陰イオン形態、特にオキソアニオン形態を取る放射性核種を対象としており、放射性廃棄物の処理処分技術においてブレークスルーとなり得る有望な研究であり、「バリウム系有害物質除去資材の開発」として東京大学・新日鉄住金セメントとともに現在特許の申請を準備中である。28年度が最終年度であるため、記入しない。本研究では、バライト中に取り込まれた微量元素(セレン(Se)、ヒ素(As)、希土類元素(REE))の組成および化学種を併用することで、バライト1粒子から過去の詳細な地球化学的環境の復元を行う水質計の開発と利用を目的とする。平成26年度では、バライトへのAsの詳細な共沈メカニズムを分子レベルで解明の行い、申請者がこれまで研究してきたSeと同様にEh, pH計として用いることができるかの検討を行った。バライト中のAsをEh計として用いるためには、バライト中のAs価数比が水中のAs価数比を反映することを示す必要がある。室内実験の結果、バライト中に取り込まれたAsの価数比は溶液中の価数比を強く反映して取り込むことが明らかになった。この傾向は異なるpH条件(強酸性温泉水:pH 2、海底熱水: pH 4、陸水・海水: pH 8、強アルカリ温泉水: pH10)においても同様に見られ、バライト中のAs価数比から溶液中の価数比の復元が可能であることが示唆された。またこれら異なるpH条件における価数別の分配係数は、pHに応じて異なる値を示した。これはpHに応じた溶存化学種の変動に対応しており、バライトのAsの価数別の分配比を用いた沈殿時のpHの復元可能であることを示唆している。次に室内実験での結果が天然においても同様に見られることを確認するため、高濃度のAsが溶存する強酸性温泉(pH 1.2)として知られている秋田県の玉川温泉にて沈殿したバライト試料に対して分析を行った。X線マイクロビームを用いた局所分析の結果、溶液中でAs(III)として溶存している玉川温泉において、AsはAs(III)としてバライト中に取り込まれていることが明らかになった。これらの結果からバライト中のAsの濃度や化学状態を用いることによって、バライト沈殿時のEh-pHの特定が可能であることが明らかになった。本研究では、微量元素のバライトへの共沈を明らかにすることで、1古環境復元の手法の開発、2共沈機構を支配する要因の解明、3有害元素の除去法の確立といった地球化学・環境化学的観点からの研究を行った。平成27年度はこれらのうち主に1と2について行った研究結果について述べる。1微量元素の濃度や化学状態に基づくバライト1粒を用いたEh-pH計の開発の試み本研究では、バライト中に取り込まれた微量元素として、セレン(Se)とヒ素(As)のオキソアニオンに2つに着目して実験を行い、詳細な地球化学的環境の復元を行うEh-pH計として利用できるかどうかの評価を行った。実験の結果、As・Seともに固相中の価数比は溶液中の価数比を強く反映して取り込むことが明らかになった。また、室内実験により求められたAs(III)、As(V)、Se(IV)、Se(VI)の価数別の分配係数は、pHに応じた溶存化学種の違いを反映してそれぞれ異なる値を示した。これらの結果は、バライト中に取り込まれたAs・Seの価数別の濃度比からバライト沈殿環境のpHの復元が可能であることを示唆している。2セレン酸・亜セレン酸のバライト共沈を支配する要因の解明鉱物への微量元素の分配を決定する要因の特定を行うために、類似した化学的な性質で異なる配位構造を持つセレンのオキソアニオン(セレン酸: SeO42-,亜セレン酸: SeO32-)に対して実験を行い、これらの微量元素がバライト中へ取り込まれる過程を分子レベルでそれぞれ明らかにした。実験の結果、バライトへのセレンのオキソアニオンの分配では、結晶生成初期においては溶存化学種と鉱物表面イオンとの表面錯体の作り易さ(=化学的な親和性)が、また結晶成長過程では鉱物の結晶構造内の置換サイトでの安定性(=構造規制)の2つの要素が強く働くことが明らかになった。

本研究課題では、バライト中の微量元素の着目した古環境復元のための手法開発を進めており、概ね当初の目標に近い結果が得られた。これらに加え、平成27年度からは新たに、これらバライトへの元素の分配の関係を利用した、溶液中から有害元素を除去する除去剤としての研究もまた進めている。また、これらの結果のいくつかは既に論文として投稿済である。そのため、研究進行状況としては当初の計画以上に進行しているといえる。平成28年度は、共沈プロセスそのものの理解を基に、微量元素のバライトへの共沈過程を分子レベルで系統的に理解することで、新たな古環境復元の手法の開発や有害元素の効果的な除去法の確立といった、地球化学・環境化学的な応用を行った。地球化学的な応用として、天然の様々な環境で沈殿する鉱物であるバライト中に取り込まれるセレン(Se)とヒ素(As)のオキソアニオンに着目して実験を行い、バライト中のSeの価数比(Se(IV)/Se(VI)比)とヒ素の価数比(As(III)/As(V)比)が共存する水のEhを反映するかどうかを示すことで、「バライト中に取り込まれた微量元素の組成および化学種を併用した水質計の開発」を行った。これらの水質計を用いることで、過去の海洋環境の詳細なEh、pH、温度といった情報の復元が可能となり、今後の地球進化の研究に大きく貢献すると考えられる。また環境化学的な応用として、バライトは高い安定性と除去効率を持ち、周囲の環境が変化しても元素を保持し続ける性質を利用した、「バライトを用いた有害元素の安定化処理技術の開発」を行った。これらの研究は、一般的に廃棄物固化体からの溶出を抑制する技術が乏しいセレンなどの陰イオン形態、特にオキソアニオン形態を取る放射性核種を対象としており、放射性廃棄物の処理処分技術においてブレークスルーとなり得る有望な研究であり、「バリウム系有害物質除去資材の開発」として東京大学・新日鉄住金セメントとともに現在特許の申請を準備中である。平成26年度の成果より、バライト中のヒ素濃度や化学状態を用いることによって、バライト沈殿時のEh-pHの特定が可能であることが明らかになった。これらバライト鉱物中に取り込まれた微量元素を用いた古環境復元の手法の研究は国内・国際学会にて高い評価を受けており、平成26年度に行われたGoldschmidt conference 2014では招待公演に選ばれた。また、本研究成果は既に執筆済みであり、平成27年度中に国際学会誌に投稿する予定である。今後はこれまで研究を行ってきたセレンやヒ素のオキソアニオン以外の有毒元素に対しても同様の実験を行い、それぞれの元素を効率的に水溶液中から除去するための条件の特定を行う。有害元素として、放射性物質を含む汚染水や汚染海水に含まれるセシウム(Cs)、ストロンチウム(Sr)などの陽イオンや、選択的な除去・回収が難しいといわれているヨウ素(I)、レニウム(Re)の陰イオンに着目する。また、これまで得られた研究結果(2)・(3)の論文はまだ投稿されていないため、これらの論文作成も同時に行う予定である。28年度が最終年度であるため、記入しない。今後は、バライト鉱物中の取り込まれた希土類元素を利用した温度計の確立を同様に行い、バライト鉱物中の複数の微量元素を利用したマルチ水質計の確立を行う。加えて、これらの水質計の応用を天然試料に対して行って行く予定である。
Ｉｎ　Ｖｉｖｏ脊髄痛覚シナプス伝達の中枢性制御

本来生体に備わる痛みを中枢性に制御する内因性抑制系、特に青斑核からのノルアドレナリン神経を介した下行性抑制機構の本質をin vivoシナプスレベルで明確にした。また、臨床で用いられる鎮静剤が低用量でこの鎮痛機構を賦活化することを見出すなど、内因性抑制系を利用した新たな鎮痛法を開発した。これらの成果は国際誌や国内外の学会で公表を終えるなど、本研究成果は慢性疼痛に対する新たな鎮痛・治療法の開発に極めて有用であり、ヒト健康増進など社会に大きく還元できる。本来生体に備わる痛みを中枢性に制御する内因性抑制系、特に脳幹青斑核から下行性に制御される脊髄痛覚抑制機構に着目し、以下の点を明らかにした。1)青斑核からのin vivoパッチクランプ法を用い、生理的な刺激によって誘起される応答をシナプスレベルで解析した。記録細胞は、電極内に添加したneurobiotinにより記録細胞を染色し、ノルアドレナリンの合成酵素との2重染色や記録電極先端の位置から同定した。青斑核ニューロンは数ヘルスの自発性の発火を伴い、皮膚への痛み刺激によってその発火頻度を一過性に上昇し、その後抑制する2相性の応答を示した。その発火頻度上昇には緩徐な内向き電流が関与し、興奮性および抑制性シナプス入力は関与しないことが明らかに出来るなど、青斑核の作動原理を明らかにした。2)レンチウイルスを用いてチャネルロドプシンを青斑核ニューロンに発現する動物の作出に成功した。チャネルロドプシンを発現する細胞は青斑核に限局し、その細胞はノルァドレナリンの合成酵素と共発現した。光依存性に青斑核ニューロンの活動をコントロール出来ることを脳幹スライス標本にて確認・評価し、光依存性に青斑核ニューロンの発火頻度が上昇した。作出した動物は、光で青斑核ニューロンを選択的に活性化できるため、次年度以降の下行性痛覚抑制機構の全容解明のみならず、慢性疼痛に対する新規治療法・下行性抑制系に作用する鎮痛薬の開発に極めて有用である。青斑核から脊髄へ下行するノルアドレナリン神経を選択的に制御するために、逆行性にノルアドレナリン神経にチャネルロドプシンを発現する動物を作出した。次いで、前年度に作出した動物など、これらノルアドレナリン神経を制御できる動物にin vivoパッチクランプ法やスライスパッチクランプ法を適用し、また、作動薬や拮抗薬を用いた薬理学的解析や固定標本を用いた免疫組織化学的解析も併せて行い、シナプスレベルで痛覚抑制機構の詳細な解析を行った。その結果、ノルアドレナリン神経の賦活化により同様に脊髄における抑制性シナプス応答の発生頻度が著明に増大することを確認した。一方、脊髄における興奮性シナプス伝達に対する影響はみられなかった。免疫組織化学的解析からノルアドレナリン神経は脊髄後角に密に投射し、脊髄後角における抑制性介在ニューロンであるGABAニューロンから記録を行うと、一部のGABAニューロンはノルアドレナリンにより活動電位を発生した。このGABAニューロンの賦活化にはα1受容体を介することが明らかとなり、ホールセルクランプ法でもセルアタッチド法でも同様の作用が確認できた。一方、疼痛モデルを用いた解析ではこの抑制機構に著しい変調は見出されなかった。以上のin vivo標本などを用いた統合的解析から、下行性抑制系の1つであるノルアドレナリン神経は、脊髄GABAニューロンを利用して有効に痛み入力を抑制すること、その機構の詳細が明らかとなった。本研究により、中枢性の痛みの抑制機構が明確となり、極めて重要な基礎的知見が蓄積された。これらの成果は今後の新規鎮痛薬の開発や、難治性疼痛などの治療法の開発に寄与できる。本来生体に備わる痛みを中枢性に制御する内因性抑制系、本年度は特に光操作による脳幹青斑核ニューロン活動制御とその興奮に伴う脊髄痛覚抑制機構の詳細を明らかにした。1)ウィルスベクターを用い青斑核ニューロンに選択的にチャネルロドプシンを発現した動物からin vivoでその活動を記録した。青斑核に留置した光ファイバーで青斑核を刺激すると、光の強度に依存性に発火頻度が上昇した。一方、青斑核ノルアドレナリンニューロンが投射する小脳など青斑核周囲の細胞から記録を行って光刺激を加えると、その活動は抑制された。スライス標本を用いた解析と同様に、in vivoでも青斑核の光刺激によってノルアドレナリンニューロンの活動を制御することに成功した。2)次いで、脊髄後角からin vivoパッチクランプ記録を行い、上記と同様に光操作して青斑核ノルアドレナリンニューロンを興奮させた。静止電位付近の電位固定下に脊髄後角ニューロンは自発性の興奮性シナプス後電流を発生した。青斑核刺激を行うと、興奮性シナプス後電流の発生頻度や振幅に変化は現れなかった。

一方、0 mVの電位固定下に抑制性シナプス後電流を記録すると、青斑核の光刺激によってその発生頻度と振幅が著明に増大した。以上より、作出した動物は光操作によって青斑核ニューロンの活動を制御でき、その活性化に伴って脊髄後角における抑制性シナプス伝達が増幅されることが明らかになった。青斑核からのin vivoパッチクランプ法による下行性抑制系起始核の動作原理を明らかにして、国際雑誌や学会などに報告し、また、本研究の遂行に重要な青斑核ニューロンの活動が光で操作できる動物の作出にも成功するなど、当初の目的が極めて順調に進んでいる。25年度が最終年度であるため、記入しない。下行性痛覚抑制機構に関する成果を国際・国内の雑誌や学会などに報告し、また、本研究の遂行に重要な青斑核ニューロンの活動が光で操作できる動物の作出・更にin vivoでの活動制御に成功するなど当初の目的は極めて順調に進んでいる。順調に進展しているため、当初の目的・計画の通りに研究を遂行する。
吸着水の構造と水の濡れ性挙動の関連性の理解による水の動的挙動の制御

平成30年度は,以下の研究開発を行った。(1)様々な濡れ性挙動を示す表面形成技術の確立およびその表面における濡れ挙動の評価:本研究では,表面構造の影響を含まない平滑なシリカ表面への有機分子膜処理を実施し,低ヒステリシス表面の形成条件を探索した。具体的には,アルキル鎖長の異なる2種類の有機シラン分子を同時に吸着させて作製した表面の濡れ性挙動を評価し,濡れ性とアルキル鎖長の関連性を調査した。また、低ヒステリシス表面の耐久性を調査した。原料には,アルキル鎖長の異なるButyltrimethoxysilane(C4) ,Hexyltrimethoxysilane(C6) ,Octyltrimethoxysilane(C8) ,Decyltrimethoxysilane(C10) ,Dodecyltrimethoxysilane(C12) ,Hexadecyltri-methoxysilane(C16) ,Octadecyltrimethoxysilane(C18)を用いた。C6とC18を原料に用いた場合に、接触角ヒステリシスが56°程度の低ヒステリシス表面が得られた。また、摩耗試験後の静的接触角は大きな変化は見られず、108°で一定の値を示した。また、接触角ヒステリシスについても同様に大きな変化は見られず、摩耗試験後において低ヒステリシス表面が維持されていることを明らかにした。(2)モデル表面における吸着水の構造の解明:上述のモデル表面における吸着水の構造をFT-IRを用いて調べた結果,自由水と結合水に起因するピークに波形分離が可能であることを明らかにした。低ヒステリシス表面では,自由水に起因するピークが主成分であった。(3)吸着水の構造と水の動的挙動の関係:SPMにより吸着水の吸着力を計測した結果、ヒステリシスと吸着力には相関関係があることを明らかにした。平成30年度の研究項目である(1)様々な濡れ性挙動を示す表面形成技術の確立およびその表面における濡れ挙動の評価,および(2)モデル表面における吸着水の構造の解明、(3)吸着水の構造と水の動的挙動の関係、に関する研究開発を行い,低ヒステリシス表面を形成するための皮膜形成条件を確立すると共に,これらのモデル表面での吸着水の構造を解明し、ヒステリシスと吸着力の関係を明らかにすることに成功したため。今後も,昨年度に引き続き,(1)様々な濡れ性挙動を示す表面形成技術の確立およびその表面における濡れ挙動の評価,および(2)モデル表面における吸着水の構造の解明、(3)吸着水の構造と水の動的挙動の関係に関する研究開発を行い、最終年度である平成31年度には低ヒステリシス表面を形成するために必要な因子を明らかにする。(1)様々な濡れ性挙動を示す表面形成技術の確立およびその表面における濡れ挙動の評価では,平成28,29,30年度の結果に基づき,有機分子を用いた低ヒステリシス表面形成技術の開発とその表面特性の評価に関する研究を行う。特に,成膜条件と表面特性の関連性を中心に調査する。(2)モデル表面における吸着水の構造の解明では,平成28,29,30年度に得られたスペクトルの物理化学的な解釈を明らかにするために,量子化学的手法を用いた構造・振動解析を試みる。(3)吸着水の構造と水の動的挙動の関係では、低ヒステリシス表面の接触角ヒステリシスと水の吸着力との関連性を調査するとともに、低ヒステリシス表面の物理化学的特性を調査する。また、水以外の液体に対する濡れ性も調査する。平成28年度は,以下の2項目に関する研究開発を行った。(1)様々な濡れ性挙動を示す表面形成技術の確立およびその表面における濡れ挙動の評価(2)モデル表面における吸着水の構造の解明上述したモデル表面における吸着水の構造を調べるために,ラマン分光やFT-IRを用いて,水の水素結合に関連する30003600 cm-1のピークを中心に調査した。その結果,このブロードなバンドが自由水と結合水に起因するピークに波形分離可能であることを明らかにした。平成28年度の研究項目である(1)様々な濡れ性挙動を示す表面形成技術の確立およびその表面における濡れ挙動の評価,および(2)モデル表面における吸着水の構造の解明に関する研究開発を行い,低ヒステリシス表面を形成するための皮膜形成条件の一部を確立すると共に,これらのモデル表面での吸着水の構造を解明することに成功したため。平成29年度は,以下の研究開発を行った。(1)様々な濡れ性挙動を示す表面形成技術の確立およびその表面における濡れ挙動の評価本研究では,表面構造の影響を含まない平滑なシリカ表面への有機分子膜処理を実施し,低ヒステリシス表面の形成を試みた。原料には,アルキル鎖長の異なるEthyl-trimethoxysilane(C2) ,Propyltrimethoxysilane(C3) ,Butyltrimethoxysilane(C4) ,Hexyltrimethoxysilane(C6) ,Octyltrimethoxysilane(C8) ,Decyltrimethoxysilane(C10) ,Dodecyltrimethoxysilane(C12) ,Hexadecyltri-methoxysilane(C16) ,Octadecyltrimethoxysilane(C18)を用いた。ODSとそれ以外の有機シラン分子の混合原料を被覆した表面の静的接触角は組み合わせる

アルキル鎖長の増加に伴い増加し,アルキル鎖長が6以上の有機シラン分子では105°付近で一定の値を示した。また,接触角ヒステリシスは,ODSとアルキル鎖長の差が812の場合に,接触角ヒステリシスの小さい表面が作製できることを明らかにした。(2)モデル表面における吸着水の構造の解明上述したモデル表面における吸着水の構造を調べるために,FT-IRを用いて,水の水素結合に関連する30003600 cm-1のピークを中心に調査し,自由水と結合水に起因するピークに波形分離が可能であることを明らかにした。低ヒステリシス表面に置いては,自由水に起因するピークが主成分であった。平成29年度の研究項目である(1)様々な濡れ性挙動を示す表面形成技術の確立およびその表面における濡れ挙動の評価,および(2)モデル表面における吸着水の構造の解明に関する研究開発を行い,低ヒステリシス表面を形成するための皮膜形成条件の一部を確立すると共に,これらのモデル表面での吸着水の構造を解明することに成功したため。平成30年度は,以下の研究開発を行った。(1)様々な濡れ性挙動を示す表面形成技術の確立およびその表面における濡れ挙動の評価:本研究では,表面構造の影響を含まない平滑なシリカ表面への有機分子膜処理を実施し,低ヒステリシス表面の形成条件を探索した。具体的には,アルキル鎖長の異なる2種類の有機シラン分子を同時に吸着させて作製した表面の濡れ性挙動を評価し,濡れ性とアルキル鎖長の関連性を調査した。また、低ヒステリシス表面の耐久性を調査した。原料には,アルキル鎖長の異なるButyltrimethoxysilane(C4) ,Hexyltrimethoxysilane(C6) ,Octyltrimethoxysilane(C8) ,Decyltrimethoxysilane(C10) ,Dodecyltrimethoxysilane(C12) ,Hexadecyltri-methoxysilane(C16) ,Octadecyltrimethoxysilane(C18)を用いた。C6とC18を原料に用いた場合に、接触角ヒステリシスが56°程度の低ヒステリシス表面が得られた。また、摩耗試験後の静的接触角は大きな変化は見られず、108°で一定の値を示した。また、接触角ヒステリシスについても同様に大きな変化は見られず、摩耗試験後において低ヒステリシス表面が維持されていることを明らかにした。(2)モデル表面における吸着水の構造の解明:上述のモデル表面における吸着水の構造をFT-IRを用いて調べた結果,自由水と結合水に起因するピークに波形分離が可能であることを明らかにした。低ヒステリシス表面では,自由水に起因するピークが主成分であった。(3)吸着水の構造と水の動的挙動の関係:SPMにより吸着水の吸着力を計測した結果、ヒステリシスと吸着力には相関関係があることを明らかにした。
ポリマー中に拡散したフォトクロミック化合物の分子間相互作用と光構造変化

光照射によって構造が可逆的に変化し、それに従って色も可逆的に変化するフォトクロミック化合物は書換え可能な光記録材料として注目されている。記録密度の限界、及びこの分子を保持するポリマーマトリックスのフォトクロミック反応に対する影響を調べた。化合物として熱的に安定なフルギドを用い、これをポリマーの中に拡散した。その結果、(1)閉環体(C体)における分子間相互作用は電気双極子によるもので、分子間のエネルギー移動は平均分子間距離が3040Aから顕著になる。(2)この相互作用は開環体(E体)の存在に彰響されないし、また、E体からC体へのエネルギー移動も認められなかった。これらの結果は有機フォトクロミック化合物を用いた場合の記録密度の限界を与えるものである。(3)分子・ポリマーマトリックス相互作用はポリマーによる閉込め効果(cage効果)として見られた。すなはち、77KではE→C変換において低エネルギー励起によって生成されたC体の吸収スペクトルのピークを低エネルギーに現れること、言替えれば、励起光によってポリマー中の分子は選択的に励起されることが分かった。この大きなcage効果にヒントを得て、光による物質制御が可能であることに思い付いた。(4)単結晶は分子が密に積層しているから、大きな構造変化をする分子では変換は表面層だけとなる。光による表面物質制御である。実際、フルギド単結晶に紫外光を照射したところ表面が赤色になり、できた膜は偏光スペクトルの測定により良く配向していることも分かった。この膜は可視光照射によって完全に元の状態に戻ることも確かめた。これらの結果は光による物質制御であり、物性研究の新分野の端緒を見出したものと言えるだろう。