hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
表皮細胞間接着・細胞骨格分子間結合制御と各種水疱症発症機序の分子生物学的研究

本研究の目的はdesmosome構成分子の構造と機能の分子制御機構をケラチン中間径線維細胞骨格との分子間結合制御の観点から、その障害に起因する水庖症である天庖瘡と単純型表皮水庖症(EBS)の分子病態解明と相補的、分子細胞生物学的に解明しようとするものである。天庖瘡における細胞間接着離開機序:本研究ではdesmoglein3分子に対する病原性あるいは非病原性モノクローナル抗体を用いて、細胞内シグナル伝達が惹起するかどうか、さらに、desmoglein3欠損desmosomeが出来るかどうか実験的に明らかにし、desmosomeの消失機構と水庖形成機序を解明したところ、病原性抗デスモグレイン3マウスモノクローナル抗体AK23mAbのDsg3への結合は尋常性天庖瘡抗体(PV-IgG)と同様に24時間刺激によりDsg3減少デスモソームを形成すること、4種類の抗Dsg3モノクローナル抗体(AK18,19,20,23mAbs)をそれぞれ各種濃度で単独、及び2種、4種類の混合で有棘細胞癌株DJM-1細胞に刺激(30分、24時間)後、免疫プロット法でプラコグロビン(PG)を内部標準とした時のDsg3の減少率を算出したところ、Dsg3最大減少量は病原活性の強さに比例すること、それらを混合することによって、そのDsg3減少率は相加的に増加することが判明した。さらに。細胞解離測定法(Cell dissociation assay)法による測定では、PV-IgG, AK23刺激共に細胞接着力が63%まで減弱した。単純型先天性表皮水庖症をモデルとした細胞骨格とdesmosome機能:我々は遊走性環状紅斑を伴った特異な臨床を呈したEBSの3例のgenomic DNAを用いてケラチン(K)5、14について3例全てにおいてK5のexon 9にヘテロの1649delG変異を起こしK5のV2ドメイン以下に正常より35個長い変異アミノ酸鎖を生じることを示したが、この遺伝子のトランスジェニック、ノックインマウスを作製したが、フェノタイプがでなかった。さらに。本研究は表皮角化細胞の接着構造であるdesmosome構成分子の構造と機能の分子制御機構をケラチン中間径線細胞骨格との分子間結合制御の観点から、その障害に起因する水疱症である天疱瘡と単純型表皮水疱症(EBS)の分子病態解明と相補的、分子細胞生物学的に解明しようとするものである。本研究の目的の一つは、天疱瘡病原性のある抗デスモグレイン3モノクローナル抗体と病原性のない抗デスモグレイン3モノクローナル抗体を用いて、デスモグレイン欠損デスモソームが形成されるかどうか検討することである。これについては、病原性の強さにデスモグレイン3の減少程度は比例するという結果を得た(米国研究皮膚科学会発表採択平成17年5月4-7日)。また、天疱瘡抗体を新生児マウスに注射すると24時間後に顕微鏡的棘融解を生じるがこのときの表皮内デスモグレイン3の蛋白量を求めると約30%の減少が見られ、デスモグレイン3の減少が水疱形成に重要であることが推察された(米国研究皮膚科学会発表採択平成17年5月4-7日)。

培養細胞に天疱瘡抗体を添加するとデスモグレイン3、E-カドヘリン、βカテニン、プラコグロビンのリン酸化を増強するが、メチルプレドニゾロンの全処理はこれを阻害したことを示した(J Biol Chem,279:2135-2146,2004)。一方、ムスカリンーアセチルコリン受容体阻害剤の処理によってE-カドヘリン、βカテニン、プラコグロビンのリン酸化が増強し細胞間が理解することを示した(Exp Cell Res 294: 534-549,2004)。さらに、コリンアゴニストによってプレドニンの投与量を減ずることが出来ることを報告した(Arch Dematol Res 140:327-334,2004)。本研究のもう一つも目的のケラチン分子病については新規のK5変異のトランスフェクション細胞で解析を行った(未発表)。本研究の目的はdesmosome構成分子の構造と機能の分子制御機構をケラチン中間径線維細胞骨格との分子間結合制御の観点から、その障害に起因する水疱症である天疱瘡と単純型表皮水疱症(EBS)の分子病態解明と相補的、分子細胞生物学的に解明しようとするものである。本年度は天疱瘡において病因抗体であるdesmogleins 3に対する自己抗体が抗原に結合した後の発症機序について研究を継続した。その結果の一部として、desmosome細胞間接着分子のdesmoglein 3対する病原性あるいは非病原性モノクローナル抗体処理によって培養ケラチノサイトにおいて、desmoglein 3欠損desmosomeが形成されることを実験的に明らかにした。さらに、新生児マウスに患者天疱瘡抗体を投与した後、desmoglein 3とβcateninとの量比で表皮細胞中ののdesmoglein 3をwestern blot analysisで解析したところ30% desmogleins 3が減少し、水疱が形成されることが判明した(これらは2005年度米国研究皮膚科学会、日本研究皮膚科学会で発表)。また免疫電顕でdesmoglein 3は減少するがdesmocollin 3は減少しないことを示した(J Dermatol Sci 40:209-211,2005)。一方、adherens junctionの裏打ち蛋白でE-cadherin結合p120cateninがdesmosomeにも存在し、desmoglein 3とも結合することを見いだした。さらに、desmoglein 3対するモノクローナル抗体処理でdesmoglein3結合性のp120cateninチロシンリン酸化がエピトープ特異的に多様に生じることを発見した(2006年度米国研究皮膚科学会、日本研究皮膚科学会発表抄録受理)。天疱瘡における細胞間接着離開機序:本研究ではdesmoglein 3分子に対する病原性あるいは非病原性モノクローナル抗体を用いて、細胞内シグナル伝達が惹起するかどうか、さらに、desmoglein 3欠損desmosomeが出来るかどうか実験的に明らかにし、desmosomeの消失機構と水疱形成機序を解明したところ、病原性抗デスモグレイン3マウス
新しい高速化第一原理分子動力学計算プログラムの開発と金属超微粒子触媒への応用

地球環境と調和した技術体系の構築には、より高性能、高選択的な触媒の開発がその成功の鍵となるが、従来の担持貴金属触媒は資源的に乏しい貴金属の使用など省資源化の観点から大きな問題点を持つ。環境触媒技術を普及させ世界規模での環境保全および資源の有効利用を達成するには、より安価な金属を用いた触媒やまったく新しい概念に基づく高活性触媒の開発が求められている。そのためには実験のみならず理論的手法による触媒表面構造、反応機構、電子状態解析などからの触媒作用の解明が欠かせないが多種多様な元素の複雑極まる原子配列を有する実用触媒上での反応ダイナミクスを理論的に取り扱うためには、高速かつ大規模で温度効果も含めた第一原理分子動力学法の開発が急務である。本研究では、触媒活性点近傍を量子分子動力学法で、それ以外の部分を古典分子動力学法で取り扱う高速化量子分子動力学計算プログラムの開発を行い、様々な担持金属触媒系やシリコンなどの幅広い固体材料へ応用した。またその妥当性を示すため密度汎関数法による第一原理計算結果との比較も行った。具体的な検討例として、Pd(111)表面と水素分子の相互作用を挙げて説明する。ここで、水素分子とそれが吸着するサイトのみ量子化学的に扱い、またそれ以外の金属部分を古典力学的に扱うことで高速化に成功した。結果として、水素分子が吸着による活性化を受けるダイナミクスを解明することができた。このような検討への従来の古典分子動力学法の適用は不可能であり、また通常の第一原理分子動力学法では無限の計算時間を必要とするためその適用範囲はごく限られたものであったが、本研究で新規に開発した高速化量子分子動力学計算プログラムによってこのような研究が初めて実現可能となった。今後はさらに多様な固体材料表面への応用を目指す。近年、経験的なポテンシャル関数を使用せずに、量子化学的に系の電子状態を解き、そこから得られる原子間力に従って、系のダイナミックスを求める量子分子動力学法が注目されている。しかし、従来の量子分子動力学法では、計算時間の関係上、貴金属を多量に含む触媒系の計算は全く不可能であった。そこで、本研究では触媒の活性点を量子分子動力学法で、それ以外の部分を古典分子動力学法で計算し、吸着や触媒反応のダイナミックスを有限温度で計算することが可能なHybrid量子分子動力学計算プログラムColors2を開発した。さらに、本プログラムを貴金属単結晶表面上での各種分子の吸着過程に適用した。各種金属単結晶表面上での様々な分子の吸着過程について検討を行ったが、Pd(111)面上でのH_2分子の吸着過程について説明する。吸着が起こる金属表面部分とH_2分子のみを量子化学的に扱い、吸着にあまり関与しない金属部分を古典力学的に扱いHybrid化により、従来の量子分子動力学計算では不可能であった多数の貴金属原子を含んだ触媒系の計算が可能となった。上記吸着過程におけるH-H距離の変化を解析したところ、0.2ピコ秒のところで急にH-H距離が増大し、吸着によりH_2分子が活性化されている様子が理解できた。古典分子動力学法では、吸着による分子内結合距離の変化や分子の活性化をシミュレーションすることは不可能であり、量子分子動力学法の活用とその高速化手法の実現によって、上記のような吸着過程ダイナミックスの再現が可能となった。本プログラムは、金属単結晶表面上での吸着や化学反応のみならず、担体やゼオライト骨格を構成する原子の大部分を古典力学的に扱うことにより、担持金属触媒系やゼオライト触媒系への展開も今後可能である。近年、経験的なポテンシャル関数を使用せずに、量子化学的に系の電子状態を解き、そこから得られる原子間力に従って系のダイナミックスを求める量子分子動力学法が注目されている。

しかし、従来の量子分子動力学法では、計算時間の関係上、貴金属を多量に含む触媒系の計算や多数の原子を含むクラスターの計算は全く不可能であった。そこで本研究ではTight-binding量子分子動力学計算プログラムColorsに対して、対角化法とシミュレイテッドアニーリング法のハイブリッド化や原子間力計算へのカットオフ導入による高速化を試み、これに成功した。併せてイオン化ポテンシャルの変化を考慮することによる計算精度の向上も図った。本研究ではこのプログラムをシリコン表面のプラズマ酸化過程の解明や貴金属単結晶表面上での各種分子の吸着過程の検討に適用した。ここでは、シリコン表面のプラズマ酸化過程に関する研究実績の概要を述べる。シリコンと酸化シリコンの界面構造はデバイス特性を大きく左右するため、急峻かつ平坦な界面を実現する手法の探索が続けられている。そこでプラズマ酸化によるシリコン表面の初期酸化過程を追跡するため、本研究で発展させたColorsを用いて酸素原子によるSi(100)表面の酸化過程の検討を行った。その結果、酸素原子の入射エネルギーが大きくなるにつれて酸素原子がシリコン表面の深部まで到達すること、それに伴いシリコンの格子が受ける擾乱も大きくなることなどの知見が示され、プラズマ酸化過程の最適条件に関する示唆を得た。また、へとれに加えて、貴金属微粒子担持触媒に関しても本プログラムを用いて知見を得た。
LHC実験をふまえた新しい素粒子像

LHC実験において標準模型を越える物理がどのように明らかにされるかを研究し、またLHCの物理の定量的な研究によって、暗黒物質、フレーバーの物理をさらに深く理解できることを明らかにした。LHC実験において標準模型を超える物理の手がかりが発見されれば、素粒子に関わる多くの現象を統一的に理解、予言する手がかりが得られると予想される。Higgsの物理精密測定、暗黒物質探索との関わりを研究することで、新しい物理の姿を幅広くとらえることを目標とする。1)超対称模型とは異なるダイナミクスで階層性問題を解決する模型として、Little Higgs模型がある。この模型のなかでもT parityという対称性をもつものは、最も軽いゲージパートナーが安定で暗黒物質となる。またこの粒子はトップパートナー等、強い相互作用をする粒子も含むため、LHCにおいては、トップパートナーが対生成され、さらにこれらが暗黒物質とトップクオークに崩壊するといったシグナルが期待される。この模型では、トップパートナーの質量が1TeV程度と軽いと考えられるため、トップパートナーの探索は有望である。そこでわれわれは、この模型でゲージパートナー暗黒物質となるパラメーターをしらべ、そのようなパラメーターでダークマターのシグナルを発見することが可能であるか検討した。この結果トップパートナーが1TeV近い質量であっても発見が可能であることを明らかにした。2)一部の超対称模型では、アノマリーメディエーションからの超対称性の破れと、モジュライからの寄与が両方とも重要になる模型がある。このような模型では、超対称粒子の質量スペクトラムは必ずしも階層的ではなく、縮退したものも可能である。超対称粒子発見の可能性をこのような縮退した場合についてもとめ、もつとも軽い超対称粒子の質量が、親となる強い相互作用をする粒子の50%より重くなってくると発見がむずかしくなることを示した。3)超対称模型の生成のなかでも、スカラークオークの対生成過程はT channelにグルイーノの交換がおこることが必要であり、またこの時グルイーノのマヨラナ質量に起因するカイラリティフリップが必要である。スカラークオーク対生成プロセスの測定可能性について検討し、論文にまとめた。4)レプトンフレーバーの破れ、ミューオン異常磁気能率についての研究を行った。LHCの実験データによって、暗黒物質を予言するような模型にたいしてどのような制限が得られるかを見当した。特に1)京都大学学生の竹内氏とT parityをもつlittle Higgs模型において、その質量やトップクオークの偏極にたいしてどのような制限が得られるかを検討し、論文にまとめた(投稿中)2)グルイーノがスカラークオークよりもかなり軽い模型について、スカラークオークとグルイーノの質量をinclusiveに決定する方法を開発し(論文投稿中)、この拡張について名古屋大学の大学院生の櫻井等とと、論文にまとめつつある。これは階層性のある超対称模型のパラメーターを調べるのに特に有効である。またこの模型においては、グルイーノがスカラートップとトップクオークに高い確率で崩壊するが、そのトップを効率的に発見する方法を開発した。(論文準備中)3)レプトンのフレーバーの破れをLHC実験で発見する、あるいは、重いスカラークオークやグルイーノからでてくる弱い相互作用をする超対称粒子の測定によって、レプトンフレーバの破れの構造がよりはっきりすることが期待されている。このため、岡田は超対称模型におけるフレーバーの破れについて研究し、また萩原および、本研究費で雇用した岡村はT2K実験およびその拡張によって、フレーバの破れの元となる、ニュートリノ振動を明らかにする方法について研究した。また野尻は学生のWarintorn SreethawongとLHCにおけるレプトンを含む超対称なシグナルについて検討し、3つ以上のレプトンを含むシグナルを解析することで、左巻きスレプトンや重たいニュートラリーノの性質があきらかになることを示した。4)また萩原は精密測定のデータの検討、超対称模型におけるタウ粒子を含むシグナル、ヒッグス粒子生成における高次効果の検討等をおこなった。1.2008年夏ごろからPamela Aticなどが宇宙線異常を報告したため、このような異常が示唆する模型とそのLhCとの関係が重要となった。このため2008年後半よりこのような状況を説明する模型について論文3本を書き現在投稿中である。(arXiv:0811.3357,arXiv:0812.4496,arXiv:0903.1971)特にArXiv:00-3.1971ではATICのアノマリーに直接寄与することが可能なSplit-UEDのシグナルについて考察した。2.超対称模型では、湯川相互作用などフレーバー対称性を破る相互作用や、soft termのフレーバーの破れによってLFVが出ることが知られている。このような模型ではmu->eγなど標準模型では起こらないプロセスが期待されるがこのような模型とLHCとの関係を調べた3.超対称粒子の中でも一番軽いものは暗黒物質の候補であり、その質量、相互作用の決定は重要である。LHCでは主に重たい超対称粒子が作られるが、その多段崩壊の中に多数のレプトンが含まれる場合について、LSPの相互作用を調べる方法についてしらべた。この中で、崩壊分布におけるlepton charge asymmetryと2j+missing energy/4j+missing energyの数の比率が重要な情報になることを示した。

またleptonがなくても超対称粒子の質量が決定てきるMT2という分布について詳細にしらべ、一般的な崩壊パターンについても有用になるように拡張を行った。1) Pamela実験Atic実験などによって、宇宙空間に陽電子が多数存在していることが観測された。このような陽電子は暗黒物質の対消滅等から生成される可能性があるため、暗黒物質を予言する様々な模型において、陽電子フラックスを研究した。特に暗黒物質の崩壊様式の違いによって、陽電子のスペクトラムが異なると考えられるので、これによって模型の識別を行う方法を検討した。さらにLHCで観測される事象によってそのような暗黒物質を発見する方法について検討した。2)超対称大統一理論においてはレプトンフレーバの破れが予想される.LHC実験をもちいて、LFVに影響する超対称模型のパラメータを決定する方法を研究した。3)超対称標準模型では第3世代の超対称粒子の質量にたいして、現象論的な制限が弱い。また第三世代の超対称粒子の質量は階層性問題や、フレーバ問題と大きく関わっている。そこで第三世代の超対称粒子が重い場合と軽い場合についてコライダー現象論を詳しく調べて、期待されるコライダー現象を明らかにした。4)ヒッグス粒子が軽いスカラー粒子2体をかいして4つのgluonに崩壊する場合について、幅の狭いジェットを要求することで、発見することが可能であることを明らかにした。
動原体機能障害で発現するノンコーディングRNAの意義

kdRNAが観察されたCENP-Sタンパク質遺伝子のノックアウト細胞において、セントロメアクロマチン構造に違いが存在するかどうか、セントロメアの位置決めに必須なCENP-Aのゲノム上の存在領域について、ニワトリZ染色体のセントロメアを対象に比較解析を行った。具体的には、抗CENP-A抗体を用いたChIPseq法によりセントロメアクロマチンの正確な位置の特定を行った。比較解析の結果、CENP-Sノックアウト細胞では細胞増殖を経る過程でセントロメアクロマチンの位置が正常細胞と比較し高頻度に動く現象を見いだした。この現象は、CENP-Uノックアウト細胞においても同様に観察された。CENP-S, -Uは動原体の構成因子であり、これらノックアウトを行っても細胞増殖は可能であるが、動原体構造が部分的に欠損すると考えられる。CENP-Sノックアウト細胞ではセントロメア上のCENP-H複合体タンパク質量の減少が観察され、CENP-Uノックアウト細胞ではCENP-H複合体タンパク質の塩抽出に対する安定性が減少することが分かった。これらの結果から、両ノックアウトで生じるCENP-H複合体の減少や不安定化が、セントロメアクロマチンが高頻度に動く原因の一つである可能性が示唆された。動原体は細胞分裂において微小管と結合し染色体分配を担う構造であるが、同時にセントロメアクロマチンをゲノム上の任意の場所に安定に維持する機能も担っていることを本研究により示した(Hori et al., J. cell Biol., 2017)。CENP-H複合体タンパク質の減少や不安定化、あるいはセントロメアクロマチンが高頻度に動く現象とkdRNAがセントロメアから生じる現象との関連は今後の課題であり、kdRNAのセントロメアクロマチン構築における役割解明に向けた重要な知見である。28年度が最終年度であるため、記入しない。kdRNAの転写の活性化にかかわる因子の探索、kdRNAを含む複合体の精製と構成因子の同定およびセントロメアクロマチン構築との関連性の解明を目指し、以下の3点を中心に研究を行った。1. kdRNAの転写の活性化にかかわる因子の探索:約150bのkdRNAが出現する現象が同様に観察されたCCN人工動原体に集合する動原体タンパク質群をLacIタンパク質と融合させ、LacO-LacIシステムにより染色体上に異所局在化を行い、kdRNA転写に関与する因子の特定を試みたが、LacO領域由来の150bの核酸の誘導は確認されなかった。そのため、CCN人工動原体の誘導に直接関与するCENP-CのN末(1-643)、あるいはCCN人工動原体そのものが150bの核酸の出現に関与する可能性が示唆された。2. kdRNAを含む複合体の精製と構成因子の同定:ニワトリDT40細胞で樹立したCENP-Sタンパク質遺伝子の条件的ノックアウト細胞を利用し、kdRNAの出現が亢進するタイミングで細胞の固定を行い、定法に従いニワトリのセントロメアDNA配列をプローブとしてRNA-FISH法を行い、kdRNAの細胞内の局在性を解析した。その結果、セントロメア上に明瞭なシグナルは得られず、kdRNAがセントロメアから遊離する可能性が示唆された。3.セントロメアクロマチン構築との関連性の解明:ニワトリDT40細胞で樹立したCENP-Sタンパク質遺伝子のノックアウト細胞を利用し、抗CENP-A抗体を用いたChIPseq解析を行い、セントロメアクロマチンのゲノム上の位置を特定し比較解析を行った。その結果、正常細胞と比べCENP-Sノックアウト細胞はセントロメアの位置が高頻度に動く現象を見いだし、kdRNAの出現との関連が示唆された。平成27年度において、CCN人工動原体の誘導に直接関与するCENP-CのN末(1-643)、あるいはCCN人工動原体そのものが150bの核酸の出現に関与する可能性を示唆する結果を得た。しかしながら、計画していた共免疫沈降実験によるkdRNA出現に関与する複合体の精製と構成因子の同定には至っておらず、今後の課題である。また、RNA-FISH解析からkdRNAがセントロメアから遊離する可能性を示唆する結果を得た。しかしながら、計画していたリボ核酸アナログによるkdRNAのBiotin標識とプルダウン実験によるkdRNA複合体の精製と相互作用因子の同定には至っておらず、今後の課題である。一方で、CENP-S遺伝子のノックアウトにより高頻度にセントロメアの位置が動く興味深い現象を見いだした。この発見は、kdRNAのセントロメアクロマチン構築における役割解明に向けた重要な知見と言える。以上の理由により、やや遅れているといえる。

CENP-S, -Uは動原体の構成因子であり、これらノックアウトを行っても細胞増殖は可能であるが、動原体構造が部分的に欠損すると考えられる。CENP-Sノックアウト細胞ではセントロメア上のCENP-H複合体タンパク質量の減少が観察され、CENP-Uノックアウト細胞ではCENP-H複合体タンパク質の塩抽出に対する安定性が減少することが分かった。これらの結果から、両ノックアウトで生じるCENP-H複合体の減少や不安定化が、セントロメアクロマチンが高頻度に動く原因の一つである可能性が示唆された。動原体は細胞分裂において微小管と結合し染色体分配を担う構造であるが、同時にセントロメアクロマチンをゲノム上の任意の場所に安定に維持する機能も担っていることを本研究により示した(Hori et al., J. cell Biol., 2017)。CENP-H複合体タンパク質の減少や不安定化、あるいはセントロメアクロマチンが高頻度に動く現象とkdRNAがセントロメアから生じる現象との関連は今後の課題であり、kdRNAのセントロメアクロマチン構築における役割解明に向けた重要な知見である。共免疫沈降実験によるkdRNA出現に関与する複合体の精製と構成因子の同定を行う。さらに、リボ核酸アナログによるkdRNAのBiotin標識とプルダウン実験によるkdRNA複合体の精製と相互作用因子の同定を行う。同定したkdRNA出現に関与する複合体およびkdRNA複合体形成に関与する因子について、ニワトリDT40細胞によるノックアウト細胞の作製、および異所局在等によりセントロメアを誘導する活性を有するか検証実験を行う。さらに、セントロメアクロマチンの位置が動く現象について、他のセントロメア関連遺伝子の変異体においても検証を行い、kdRNAとの関連性も含めたメカニズムの解明を目指す。これら研究を推進し得られた結果を踏まえて、動原体構築の障害で誘導されるkdRNAが持つ機能および生物学的意義について考察する。28年度が最終年度であるため、記入しない。
光駆動型ハイブリッド触媒の開発と環境調和型物質変換反応

環境汚染物質である有機塩素化合物(ジクロロジフェニルトリクロロエタン(DDT)、パークロロエチレン、四塩化炭素、クロロホルムなど)の安全でクリーンかっ高効率な分解・無害化技術の開発を目的とし、天然の脱塩素化酵素(ビタミンB_<12>依存性酵素)と人工のナノマテリアル(酸化チタン・高分子・無機材料など)をハイブリッドさせた、環境浄化触媒を合成した。本触媒の特徴は、光エネルギーを駆動力として活用する点であり、クリーンで省エネルギーなハイブリッド型触媒の開発を目指した。本研究は、(1)ビタミンB_<12>錯体の合成、(2)ハイブリッド型触媒の開発、(3)有機塩素化合物の分解に大別でき、当初の計画に基づき研究を推進した。その結果、大いに研究は進展し、目標であった各種ハイブリッド型触媒の合成および脱塩素化能評価まで達成することができた。具体的には、酸化チタンと複合させた系では、わずか数mgのハイブリッド触媒にブラックライトを照射するのみで、数百倍モルのDDTを脱塩素化することに成功した。塩素原子は、無害な塩化物イオンとして脱離することも確認できた。さらに本ハイブリッド触媒が有機ラジカル生成能が高いことに着目し、ラジカル型有機合成反応へと応用した。その結果、フェニル官能基転移反応、環拡大反応(6員環8員環)、二量化反応など、様々な反応に適用できることが確認できた。これは、有毒なすず化合物を用いた従来の法の代替法として有望である。ビタミンB_<12>はコバルトを中心金属とする錯体であり、メチオニン生合成、官能基転位反応、脱塩素化呼吸を司り、合成化学的観点からも極めて興味深い。その鍵中間体はコバルト-炭素結合を有する有機金属錯体である。この結合はCo(I)種と有機ハロゲン化物との反応により生成し、また可視光照射により開裂させることが出来る。コバルト-炭素結合はその生成においては脱ハロゲン化反応を、開裂においては有機ラジカル種の生成という性質を併せ持つ。本研究ではこのようなビタミンB_<12>コバルト錯体の特徴に着目し、ビタミンB_<12>錯体を合成し、酸化チタンと複合化させることで、光増感作用を付与したハイブリッド触媒の開発を行った。酸化チタンの光照射により生成する伝導帯の励起電子は、-0.5V vs. NHEの還元力を有し、ビタミンB_<12>錯体を反応活性なCo(I)種へ還元出来る。そこで側鎖にカルボキシル基を有するビタミンB_<12>錯体を合成し、酸化チタン表面に固定化したハイブリッド触媒を合成した。本ハイブリッド触媒をエタノールに懸濁し紫外線照射すると、Co(I)種の生成を示す暗緑色へと変化した。基質として有機塩素化合物(DDT)を加えたところ、脱塩素化反応が進行した。反応後は濾過するのみでハイブリッド触媒を容易に回収出来、クリーンな光反応を駆動力とした点と併せ、環境に優しい物質変換技術と言える。さらに本性質を利用し、Bu_3ShH/AIBN法の代替となるラジカル型有機合成反応へと応用した結果、環拡大反応(5員環7員環)、フェニル基転位反応、環化反応などが効率良く進行することを見出した。
腱・腱鞘滑膜細胞特異的遺伝子改変 マウスを利用した腱疾患の治療開発

Tppp3-CreERT2/R26Rマウスにおいてタモキシフェン投与後,膝蓋腱断裂モデルを作製した.術後1週時には腱断裂部は線維芽細胞で置換されていたが,これらはX-gal陰性であり,腱鞘滑膜細胞および関節滑膜細胞の腱再生への関与は乏しいことが示唆された.1)腱の恒常性維持機構を利用した新規腱疾患治療薬のスクリーニング2)腱再生医療実現のための腱修復細胞の同定1)においては、解析に使用を予定しているScx-EGFPマウスが近々得られる予定である。2)においては、Tppp3-CreERT2とRosa-LacZレポーターマウス(R26R)を交配し、タモキシフェンを投与することで、腱鞘滑膜細胞に特異的な遺伝子組換えを確認できた。また、Scx-CreERT2においては、近日同様の実験を行う予定である。Scx-EGFP,Tppp3-EGFP, Scx-CreERT2,Tppp3-CreERT2の4ラインを本学へ搬入したが、すべてにおいてクリーンナップを要することとなり、実験計画に2ヶ月程度の遅れが生じた。Scx-EGFP、Tppp3-EGFPマウスにおいて、蛍光実態顕微鏡や免疫染色よって、それぞれ腱特異的、腱鞘滑膜特異的EGFP発現を確認した。Scx-EGFPマウスにおいて、ホモマウスとヘテロマウスにおいてEGFP発現量を比較したところ、ホモマウスにおいてより強いEGFP発現が観察された。この結果から、Scxはbiallelic発現であることが示唆された。また、Tppp3-EGFPマウスにおいては気管支、神経、皮膚、毛嚢等でもEGFP発現が観察されたことから、腱鞘滑膜に限定的な発現を示す遺伝子ではないことが判明した。Tppp3-CreERT2/R26Rマウスにおいてタモキシフェン投与後、膝蓋腱断裂モデルを作製した。術後1週時には膝蓋腱断裂部は線維芽細胞で置換されていたが、これらはβ-gal陰性であった。腱再生において膝蓋腱周囲の腱鞘滑膜細胞および関節滑膜細胞の関与は乏しいことが示唆された。Scx-CreERT2/R26Rにおいては、薬剤選択カセット除去に時間を要したため、現在実験中である。Tppp3-CreERT2/R26Rマウスにおいてタモキシフェン投与後,膝蓋腱断裂モデルを作製した.術後1週時には腱断裂部は線維芽細胞で置換されていたが,これらはX-gal陰性であり,腱鞘滑膜細胞および関節滑膜細胞の腱再生への関与は乏しいことが示唆された.1)腱の恒常性維持機構を利用した新規腱疾患治療薬のスクリーニング野生型マウスにおいて、腱へのメカニカルストレスを変化させることでScx発現が変化することを確認しており、同様の実験をScx-EGFPマウスを用いて行う。Scx-EGFPマウスより腱細胞を採取し、in vitroにてEGFP発現に影響を与える薬剤をスクリーニングする。2)腱再生医療実現のための腱修復細胞の同定29年度が最終年度であるため、記入しない。整形外科学29年度が最終年度であるため、記入しない。
断層帯の中速～高速領域における摩擦特性に対する水の影響:フィールドと実験の融合

地震の発生機構を理解するためには,断層の力学的性質を実験的に決定し,実測された性質に基づいて地震現象を再現する必要がある.断層がゆっくりすべる低速領域の断層の性質は1980年前後以降詳しく調べられ,速度・状態依存構成則に基づいて地震を再現する研究が進展した.一方,この10年間で地震発生時の高速断層運動を再現する研究が大きく進展し,高速断層運動にともなう摩擦加熱によって断層は著しい強度低下をおこすこと,それによって断層はより不安定になって大地震の発生が促進されることが明らかになった。本研究の最大の目的は,高速領域で摩擦強度が大きく低下する機構を明らかにすること,及び中速領域の摩擦の性質を調べて低速から高速領域で断層の性質がどのように移行するかを明らかにすることであった.摩擦の強度低下の機構については,炭酸塩鉱物からなる断層ガウジの実験によって,摩擦熱によって鉱物の脱ガス分解がおこりナノ粒子からなるガウジが形成されることが明らかになった.ナノ粒子ガウジはおそらく粒子の相互回転によって低い摩擦強度を示すことから,ナノ粒子の形成が断層強度の低下の機構になりうることを提唱した(Han et al., 2009).中速領域では,低速・高速摩擦試験機(高速2号機)を用いて岩石どうしの摩擦実験をおこない,花崗岩・ハンレイ岩などは速度の増加とともに摩擦抵抗が増加する速度強化の性質をもつが,滑石など一部の岩石は中速域でも速度弱化の性質をもつことが明らかになった.中速域の速度強化の性質は,断層を安定化して不安定になった断層運動が大地震に成長するのを抑制する働きをするはずである.中速域の速度強化のバリアをのりこえてどのように大地震が発生するかは,今後の重要な理論的研究の課題である.そのほか,断層ガウジの物質変化と組織,断層帯の浸透率構造,地すべり粘土の高速摩擦実験を共同でおこなって学会で報告した.この10年間の高速摩擦の研究によって、地震発生時の摩擦加熱によって断層は著しい強度低下をおこすこと、それによって断層はより不安定になって大地震の発生が促進されることが明らかになった。本研究では、それらの研究をさらに発展させて、(1)断層の高速摩擦に対する水の影響に関する実験的研究、(2)断層帯スリップ・ゾーン中の変形機構と地震性断層運動の地質学的証拠、および(3)ほとんど体系的な研究がなされていない中速領域において断層の摩擦の性質を調べることを試みたい。これらの研究によって低速摩擦から高速摩擦まで水の影響を含めて理解でき、地震の発生機構がより総合的に解明されることが期待できる。本年度は、断層ガウジの高速摩擦実験と天然の断層岩の観察によって地震性断層運動時に層状鉱物の同心円状組織が形成されることを示し、この組織が地震性断層運動の証拠となる可能性があることを示した(実験の立ち上げに貢献)。また、マントルの岩石の摩擦熔融実験を初めて体系的におこない、摩擦熔融の理論で実験結果が説明できることを示した(ほとんどの実験をおこなった)。これらの成果は2編の論文として印刷中である。新しい研究として、ナノ粒子から構成された断層ガウジを用いた摩擦実験、および化学反応が起こりうる石英と方解石を組み合わせた高速摩擦実験をおこなった。その結果、ナノ粒子ガウジはおそらく粒子の相互回転によって非常に低い摩擦を示すこと、および地震性断層運動が起こる短い時間に石英と方解石の化学反応がおこることを初めて示した。これらの成果は、摩擦熱による温度上昇に加えて、ナノ粒子の形成と摩擦熱に誘発された化学反応も断層の強度低下に大きく貢献する可能性が高いことを示した点で極めて重要である。これらの成果は2編の論文として投稿し、8つの学会発表で報告した。本研究の最大の目的は,高速領域で摩擦強度が大きく低下する機構を明らかにすること,及び中速領域の摩擦の性質を調べて低速から高速領域で断層の性質がどのように移行するかを明らかにすることであった.摩擦の強度低下の機構については,炭酸塩鉱物からなる断層ガウジの実験によって,摩擦熱によって鉱物の脱ガス分解がおこりナノ粒子からなるガウジが形成されることが明らかになった.ナノ粒子ガウジはおそらく粒子の相互回転によって低い摩擦強度を示すことから,ナノ粒子の形成が断層強度の低下の機構になりうることを提唱した(Han et al., 2009).中速領域では,低速・高速摩擦試験機(高速2号機)を用いて岩石どうしの摩擦実験をおこない,花崗岩・ハンレイ岩などは速度の増加とともに摩擦抵抗が増加する速度強化の性質をもつが,滑石など一部の岩石は中速域でも速度弱化の性質をもつことが明らかになった.中速域の速度強化の性質は,断層を安定化して不安定になった断層運動が大地震に成長するのを抑制する働きをするはずである.中速域の速度強化のバリアをのりこえてどのように大地震が発生するかは,今後の重要な理論的研究の課題である.

そのほか,断層ガウジの物質変化と組織,断層帯の浸透率構造,地すべり粘土の高速摩擦実験を共同でおこなって学会で報告した.
新規フッ素化合物による薬物送達システムの新たな展開

本年度は2テーマについて取り組み、以下の結果を得た。1:DPPCと部分フッ素両親媒性物質(F8C50H、F8C5PC)2成分系のLanmui単分子膜特性DPPC/F8C5OH,DPPC/F8C5PC系における、表面圧-面積、表面電位-面積等温線が2成分の組成の関数として20°C、0.15MNaCl上で測定した。2成分混合による表面正則混合を仮定して,2成分の崩壊圧と組成の関係より、Joos式を用いて相互作用パラメーターと相互作用エネルギーを計算した。その結果、正の共沸混合と負の共沸混合の相図が得られた。FM画像とBAM画像より、F8C5OHとF8C5PCは両系において秩序だったマイクロメーターサイズの固体膜DPPCドメインを溶解させる。しかしながら、ナノメータースケールにおいてDPPCと部分フッ素化合物が部分溶解或は相分離がAFM解析により明らかとなった.特にF8C5OH/DPPC系においてトリスキャリオンの形状が発見された。これら結果は、1:部分フッ素化合物はDPPC単分子膜を流動化させる。2:これらの化合物はビオメディカル分野における革新的応用の発展に寄与するであろうことを示唆する。2:鎖長の異なる炭化水素スペーサーを持つ新規フッ化両親媒性物質の単分子膜挙動4種のCnBP(FCl4)_2(n=2,6,10,14)は安定なLangmuir膜を形成することを確認した。下相液が純水の場合、単分子膜の極限面積はスペーサー長に依存し、スペーサー部分が親水部として働くことが明らかとなった。一方、下相液をNaCl水溶液とすると、NaCl濃度に依存し著しい単分子膜の凝集効果を示した。以上よりNa^+とCl^-がスペーサーの構造変化を誘発することを示唆する。また温度変化により、一次の相転移挙動を示した。それらの熱力学量は全て負の値を示し、短スペーサーの場合エントロピー的に無理な充填状態であることが明確となった。更にこれらの結果はFM、BAMの形態観察においても支持された。更にこの説明はCnBP(FC14)_2化合物の疎水部分に相当するFC14脂肪酸の単分子膜物性、BAM,FMの形態学観察の類似性により支持された。本年度は、新規フッ素化合物とモデル膜構成成分(DDPC)の二成分系の基礎物性を界面科学的に明らかにした。結果を以下に示す。2)Langmuir膜の基本物性測定の結果各系において次のことが明らかになった。気/水界面におけるF6PH5PPhNa:(F6)とF8PH5PPhNa:(F8)のLangmuir膜としての安定性は、F8が安定であったが、外挿値分子面積には特異的な差は見られなかった。2-2-(a).両系において相転移圧と崩壊圧を基に二次元の相図を作成した。これによるといずれの系も0【less than or equal】X【less than or equal】0.3の範囲において正の共沸混合物を形成し、それ以降のモル分率は理想曲線と一致する二つの領域に分けられた。2-2-(b).両系の混和性は相転移圧、崩壊圧、蛍光顕微鏡画像、原子間力顕微鏡の結果より支持された。本年度は、新規フッ素化合物とモデル膜構成成分(DDPC)の二成分系及び多成分系の基礎物性を界面科学的に明らかにした。結果を以下に示す。1)新規フッ素化合物の合成:新規フッ素化合物による薬物送達システムを考慮し,一分子内に炭化フッ素鎖と炭化水素鎖の両性質を合わせ持つ新規フッ素化合物及び部分フッ素化両親媒性物質を設計,合成物を得た。2)Langmuir膜の基本物性測定の系統的に行い次のことが明らかになった。二種の部分フッ素化両親媒性物質(FHCn)を人工調製肺サーファクタントに組込み、それらの気液界面における基本物性を測定した。人工調製肺サーファクタントとして、DPPCとDPPC/Hel 13-5(肺サーファクタントタンパク質アナログ)混合物を用いた。1.FHCnの添加によってDPPC単分子膜の凝縮が妨げられるが、膜の崩壊後FHCnは不可逆的にDPPC単分子膜から排出され、下相液側からDPPC単分子膜を安定化する。2.長鎖FHCnはDPPC単分子膜の凝縮を促進し、高圧においてDPPC単分子膜の充填剤として働き、膜の安定性を増加させる。次に肺胞呼吸に見立てたヒステリスカーブ(圧縮・拡張過程)において、Hel 13-5はDPPC単分子膜から脱着、吸着を繰り返す。FHCnの添加によって、この現象は以下のように促進された。1.FHCnは膜の圧縮に伴ってHel 13-5と共にDPPC単分子膜から排出される。2.長鎖FHCnは、Hel 13-5の排出現象を促進する。特にF8C11OHを510wt%添加すると、高圧部においてDPPCと混合単分子膜を形成することにより著しい膜安定化作用を示した。以上これらの結果、部分フッ素化両親媒性物質(特に長鎖FHCn)の添加によって高価なHel 13-5を少量化でき、さらに人工調製肺サーファクタントの薬効の増大が期待できる。尚安全性を評価する必要が有る。1:DPPCと部分フッ素

両親媒性物質(F8C50H、F8C5PC)2成分系のLanmui単分子膜特性DPPC/F8C5OH,DPPC/F8C5PC系における、表面圧-面積、表面電位-面積等温線が2成分の組成の関数として20°C、0.15MNaCl上で測定した。2成分混合による表面正則混合を仮定して,2成分の崩壊圧と組成の関係より、Joos式を用いて相互作用パラメーターと相互作用エネルギーを計算した。その結果、正の共沸混合と負の共沸混合の相図が得られた。FM画像とBAM画像より、F8C5OHとF8C5PCは両系において秩序だったマイクロメーターサイズの固体膜DPPCドメインを溶解させる。しかしながら、ナノメータースケールにおいてDPPCと部分フッ素化合物が部分溶解或は相分離がAFM解析により明らかとなった.特にF8C5OH/DPPC系においてトリスキャリオンの形状が発見された。これら結果は、1:部分フッ素化合物はDPPC単分子膜を流動化させる。2:これらの化合物はビオメディカル分野における革新的応用の発展に寄与するであろうことを示唆する。2:鎖長の異なる炭化水素スペーサーを持つ新規フッ化両親媒性物質の単分子膜挙動4種のCnBP(FCl4)_2(n=2,6,10,14)は安定なLangmuir膜を形成することを確認した。下相液が純水の場合、単分子膜の極限面積はスペーサー長に依存し、スペーサー部分が親水部として働くことが明らかとなった。一方、下相液をNaCl水溶液とすると、NaCl濃度に依存し著しい単分子膜の凝集効果を示した。以上よりNa^+とCl^-がスペーサーの構造変化を誘発することを示唆する。また温度変化により、一次の相転移挙動を示した。それらの熱力学量は全て負の値を示し、短スペーサーの場合エントロピー的に無理な充填状態であることが明確となった。更にこれらの結果はFM、BAMの形態観察においても支持された。更にこの説明はCnBP(FC14)_2化合物の疎水部分に相当するFC14脂肪酸の単分子膜物性、BAM,FMの形態学観察の類似性により支持された。
ピコ秒レ-ザ照射による衝撃波の発生と固体表面の構造変化の研究

本研究で得られた結果の概要を以下にまとめる。1.高速トランスデュ-サ-法による衝撃波の検出高速トランスデュ-サ-を用い,レ-ザ-光から音響信号への変換効率を測定した。レ-ザ-のスポット径が音波の伝播特性や変換効率などに影響を与える事を見いだした。さらに,表面にレ-ザ-プラズマが形成されると縦波が非常に強く発生した。高速トランスデュ-サ-を用いて薄膜試料の縦波と横波の音速を測定できる可能性を示した。2.光学的測定法による衝撃波の伝播特性の研究ガラス(BK7)中を伝播する音波の挙動を光弾性法で研究し,縦波および横波も指向性を持って固体中を伝播する事を明らかにした。さらに衝撃波は急激(200ns以内)に減衰することも示した。3.透明トランスデュ-サ-を用いた光音響分光法システムの開発レ-ザ-光を吸収しない透明な圧電トランスデュ-サ-を開発することにより表面から音波を直接検出することができた。LiNbO_3単結晶とITO透明電極を用いて透明トランスデュ-サ-を作成した。これを用いて表面に敏感な光音響分光システムも開発した。さらに,このシステムは焦電効果と圧電効果の両方を利用でき,積層試料において構成層の情報を分離独立に抽出できることも示した。4.パルスレ-ザ-照射による固体表面の構成変化レ-ザ-誘起の講造変化を反射率および透過率の変化を測定して研究した。特にGeTeの薄膜を中心に用いて液体を経る構造変化の動的挙動を明らかにした。レ-ザ-照射後の状態をラマン分光法および電子顕微鏡を用いて詳細に研究した。その結果,過冷却液体の存在時間の大小がレ-ザ-照射後の薄膜の結晶性を決定することを明らかにした。本年度では光音響分光法を主な実験手段として用いて、ピコ秒パルスレ-ザ-照射により発生する音波や衝撃波の発生機構ならびに伝播の挙動を明らかにするために以下の研究を行った。1.高速トランスデュ-サ-法による音波の検出光学的に不透明な試料(半導体や金属など)とトランスデュ-サ-を用い、レ-ザ-光から音響信号への変換効率を測定した。音源の大きさ(レ-ザ-のスポット径)が音波の伝播特性や変換効率などに影響を与える事を見いだした。さらに、表面にレ-ザ-プラズマが形成されると縦波が非常に強く発生した。また横波の検出には、試料の表面状態やトランスデュ-サ-と試料の密着などが実験の再現性に影響を与えた。2.光学的測定法ガラス(BK7)中を伝播する音波の挙動を光弾性法で研究し、縦波および横波も指向性を持って固体中を伝播する事を明らかにした。3.透明トランスデュ-サ-の開発光学的に透明な試料にレ-ザ-光を照射した場合、レ-ザ-光を吸収する従来の圧電トランスデュ-サ-では音波を検出できない。一方、光学的手段では音波の圧力や変換効率などの定量的な測定は非常に困難である。そこで、レ-ザ-光を吸収しない透明な圧電トランスデュ-サ-LiNbO3を新たに開発し、ガラスなどの透明な試料中における光-音波の変換効率の測定を可能とした。次年度ではこのトランスデュ-サ-を中心に用いて研究を推進させる予定である。平成2年度では以下の2つの実験を中心に研究を行った。1.透明トランスデュ-サ-を用いた光音響分光法システムの開発表面の構造変化により発生する音波の発生機構を研究するには表面で音波を検出する必要がある。

レ-ザ-光を吸収しない透明な圧電トランスデュ-サ-を開発することにより表面から音波を直接検出することができ、光ー音波の変換効率の測定が可能となった。LiNbO_3単結晶とlTO透明電極を用いて透明トラスデュ-サ-を作成した。これを用いて表面に敏感な光音響分光システムも開発した。さらに,このシステムは焦電効果と圧電効果の両方を利用でき,固体内部の情報も得ることができる事を実験および理論両面から明らかにした。さらに積層試料において構成層の情報分離独立に抽出できることも示した。2.パルスレ-ザ-照射による固体表面の構造変化光学的に透明な試料な半導体薄膜におけるレ-ザ-誘起の構造変化を反射率および透過率の変化を測定して研究した。特にGeTe薄膜を中心に用いて液体を経る構造変化の動的挙動を明らかにした。レ-ザ-照射後の状態をラマン分光法および電子顕微鏡を用いて詳細に研究した。その結果,過冷却液体の存在時間の大小がレ-ザ-照射後の薄膜の結晶性を決定することを明らかにした。
ヘテロジニアスモデリングによるアダプティブ溶液プロセスシミュレーション手法の開発

本研究の目的は、溶液プロセスによる有機半導体薄膜形成メカニズムを解明・解明するためのヘテロジニアス分子モデリングを用いたアダプティブシミュレーション手法を確立することにある。低製造エネルギー化を可能とする溶液プロセスによる有機薄膜トランジスタや有機薄膜太陽電池等の実用化には、その薄膜形成メカニズムの理解が必須である。本研究では、有機半導体薄膜の溶液プロセスの分子シミュレーションにおいて、溶液を構成する溶質・溶媒それぞれを粗視化度の異なるモデルを組み合わせたヘテロジニアスなモデリングを用い、さらにその粗視化度を、溶液濃度の変化等の系の発展に応じてダイナミックに変化させるアダプティブシミュレーションを可能にすることを目指す。H30年度は、スピンコート等の溶液印刷プロセス時に加わるせん断場の考慮を可能とする枠組みを中心に検討し、まず、ベースとしている分子動力学パッケージであるGROMACSの機能としてのシミュレーションボックスのせん断変形による方法を試み、次に、より一般的な方法であるSLLODアルゴリズムを、GROMACS開発チームの一員であるProf. Berk Hess (KTH Royal Inst. of Tech., Sweden)らによる関連文献を基に追加実装し、上記手法との比較検討を水等の基本的な溶媒について行い、基本的に同等の結果が得られることを確認した。上記により、せん断場を考慮した溶媒粗視化度のアダプティブシミュレーション手法の開発の基盤を築くことができた。スピンコート等の溶液印刷プロセス時に加わるせん断場の考慮を可能とする枠組みを検討し、まず、ベースとしている分子動力学パッケージであるGROMACSの機能としてのシミュレーションボックスのせん断変形による方法を試み、次に、より一般的な方法であるSLLODアルゴリズムをGROMACS開発チームの一員であるProf. Berk Hess (KTH Royal Inst. of Tech., Sweden)らによる関連文献を基に追加実装し、上記シミュレーションボックスのせん断変形による方法との比較検討を水等の基本的な溶媒について行い、基本的に同等の結果が得られることを確認した。併せて、上記手法の適用先となる候補プロセスについては、バーコーティングプロセスによるターシャルブチル置換フタロシアニンのアニソール溶媒溶液中のフタロシアニン自己配列プロセスを選定、基礎検討を行った。上記により、せん断場を考慮した溶媒粗視化度のアダプティブシミュレーション手法の開発の基盤を築くことができたと考える。今後は、残課題である溶媒分子モデルの段階的粗視化を、VOTCA-CSGのスクリプトエンジンを用いることにより、溶液濃度の変化等に応じて溶媒分子の粗視化度をアダプティブに可変とする枠組みを開発する。上記手法の適用先となる具体的なプロセスについては、バーコーティングプロセスによるターシャルブチル置換フタロシアニンのアニソール溶媒溶液中のフタロシアニン自己配列プロセスについて解析を行う予定である。これにより、本研究の目的である、溶液プロセスによる有機半導体薄膜形成メカニズムを解明・解明するためのヘテロジニアス分子モデリングを用いたアダプティブシミュレーション手法を確立する。H29年度は、上記手法の開発を行うのに最も適した具体的な溶液系の検討を行い、有機溶媒のみならず、水溶媒も含む、より広範囲の溶媒・溶液系の系統的な研究を考慮し、ターシャルブチル置換修飾した有機溶媒可溶性フタロシアニンおよび、スルホン酸ナトリウム置換修飾した水溶性フタロシアニンの溶液系を選択し、その溶媒・溶液の基本的な分子モデリングと溶液挙動の確認を行った。次に、手法開発の基盤としている粗視化モデリングツールVOTCA-CSGの、特に段階的な粗視化モデリング機能を、水、トルエン等の具体的な溶媒分子に関して確認し、上記の可溶性フタロシアニン溶質分子との溶液系の基礎検討をおこなった。上記により、溶媒粗視化度を、溶液濃度の変化等の系の発展に応じてダイナミックに変化させるアダプティブシミュレーション手法の開発の基盤を築くことができた。溶質としての可溶性有機半導体材料の候補として、まず、研究計画書に例示したアルキル鎖修飾した可溶性フタロシアニンを検討したが、有機溶媒のみならず、水溶媒も含む、より広範囲の溶媒・溶液系の系統的な研究を考慮し、ターシャルブチル置換修飾した有機溶媒可溶性フタロシアニンおよび、スルホン酸ナトリウム置換修飾した水溶性フタロシアニンを選定した。これらそれぞれの置換体可溶性フタロシアニンのモデリングを行い、有機溶媒としてトルエン、DMFおよび水溶媒溶液中でのシミュレーションを行い、πスタッキングによる1次会合体形成等の溶液中の自己組織化挙動を確認した。次に、上記溶液系を対象に、溶媒分子モデルの粗視化度をアダプティブに可変とするシミュレーション手法の枠組み構築を目指し、研究計画にあるように、VOTCA-CSGを用いて、溶媒分子の段階的粗視化モデリングの可能性を検討、確認した。

本研究では、有機半導体薄膜の溶液プロセスの分子シミュレーションにおいて、溶液を構成する溶質・溶媒それぞれを粗視化度の異なるモデルを組み合わせたヘテロジニアスなモデリングを用い、さらにその粗視化度を、溶液濃度の変化等の系の発展に応じてダイナミックに変化させるアダプティブシミュレーションを可能にすることを目指す。H30年度は、スピンコート等の溶液印刷プロセス時に加わるせん断場の考慮を可能とする枠組みを中心に検討し、まず、ベースとしている分子動力学パッケージであるGROMACSの機能としてのシミュレーションボックスのせん断変形による方法を試み、次に、より一般的な方法であるSLLODアルゴリズムを、GROMACS開発チームの一員であるProf. Berk Hess (KTH Royal Inst. of Tech., Sweden)らによる関連文献を基に追加実装し、上記手法との比較検討を水等の基本的な溶媒について行い、基本的に同等の結果が得られることを確認した。上記により、せん断場を考慮した溶媒粗視化度のアダプティブシミュレーション手法の開発の基盤を築くことができた。スピンコート等の溶液印刷プロセス時に加わるせん断場の考慮を可能とする枠組みを検討し、まず、ベースとしている分子動力学パッケージであるGROMACSの機能としてのシミュレーションボックスのせん断変形による方法を試み、次に、より一般的な方法であるSLLODアルゴリズムをGROMACS開発チームの一員であるProf. Berk Hess (KTH Royal Inst. of Tech., Sweden)らによる関連文献を基に追加実装し、上記シミュレーションボックスのせん断変形による方法との比較検討を水等の基本的な溶媒について行い、基本的に同等の結果が得られることを確認した。併せて、上記手法の適用先となる候補プロセスについては、バーコーティングプロセスによるターシャルブチル置換フタロシアニンのアニソール溶媒溶液中のフタロシアニン自己配列プロセスを選定、基礎検討を行った。上記により、せん断場を考慮した溶媒粗視化度のアダプティブシミュレーション手法の開発の基盤を築くことができたと考える。今後は、昨年度確認した溶媒分子モデルの段階的粗視化を、VOTCA-CSGのスクリプトエンジンを用いることにより、溶液濃度の変化等に応じて溶媒分子の粗視化度をアダプティブに可変とする枠組みを開発する。さらに、スピンコート等の印刷プロセス時に加わるせん断場の考慮を可能とする枠組みを追加する。せん断場の取り込みは、GROMACSの機能としてのシミュレーションボックスのせん断変形による方法をまず試み、この方法が妥当な結果を与えない場合には、より一般的な方法であるSLLODアルゴリズムをGROMACSに追加実装することを試みる予定である。