hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
算数文章題を対象とした構造的理解の支援に関する研究

本研究は,複数の演算で解決される算数・数学の文章題を,1回の演算関係で表すことのできる単位文章題が連結されたものであるとし,さらに単位文章題を三つの数量概念の連結されたものとして捉えた上で,それらを頂点に配置した三角形で表現する三角ブロックモデルを提案し,この三角ブロックモデルを用いた算数・数学の文章題の学習支援システムの設計・開発およびその実践運用を試みたものである.一つの三角形は一つの単位文章題を表現し,各辺は各辺の両端の数量概念の演算によって対頂点に存在する数量概念が導かされることを表現している.単位文章題の連結は,ある単位三角ブロックの底辺に対する対頂点の数量概念と,別の単位三角ブロックの底辺の数量概念とを重ねることで行われる.平成30年度においては,中学校での数学の文章題に対する立式過程の支援の試みとして,(1)文章題中に明示的には表れない中間数量概念の推定演習,(2)組み立てられた三角ブロックを変形することで異なる演算で構成される等価な数量関係の作成演習,を実装し,実践を行った.プレテストとポストテストのスコアの分析結果として,基本的な問題については,プレテストにおける下位群がポストテストにおいて大きく成績を向上させていること,応用的な問題に対しては,上位群が成績を向上させていることが分かった.また,インタビュアーテストの結果としても,学習者の方程式に対する説明能力の向上がみられた.これらの結果から,三角ブロックを用いた立式過程の支援が有効であることが示唆された.平成30年度が最終年度であるため、記入しない。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。本研究では,階層的三角ブロックモデルに基づく複合文章題の構造的理解の支援環境の設計・開発と,その実践的運用・評価を目指している.構造的理解の支援としては,(I)単位文章題と単位三角ブロックの対応づけ,(II)複合文章題からのブロック表現の組み立て,(III)物語式・計算式や一部の「量」を与えた上でのブロック表現の組み立て,(IV)ブロック表現を通した複合文章題の単純な文章題への分割,といった四つの活動を可能にしたうえで,その活動に対する教育的フィードバックを適応的に行えるようにする.平成27年度においては,前記のうちの(I)および(II)を行った.さらに,その結果についての研究報告を予定しており,一部は既に報告を行っている..(I)については,小学校5年生で取り扱う割合の文章題を対象としたシステムを実装し,小学校5年生に対して2時限の利用を行った.この際,結果として,システムを用いが学習活動が問題なく行えることとが確認できた.(II)については,6年生を対象とした実験的なシステム利用を行い,6年生であれば問題なく三角ブロック表現を組み立てることができることを確認している.さらに,この実装においてフィードバック機能を実現しているが,そのフィードバックを用いることで,ブロック表現組み立ての行きづまりを減少させることができることを,実験的に確認できた.これらの結果基づくことで,次年度のより実践的な運用を行ううえでの基礎ができたといえる.当初目的としていた,(I)単位文章題と単位三角ブロックの対応づけ,(II)複合文章題からのブロック表現の組み立て,に関する機能の実装と,その実験的な利用が行えており,順調であると判断している.本研究では,階層的三角ブロックモデルに基づく複合文章題の構造的理解の支援環境の設計開発と,その実践的運用・評価を目指している.構造的理解の支援としては,(I)単位文章題と単位三角ブロックの対応付け,(II)複合文章題からの三角ブロック表現の組み立て,(III)物語式・計算式や一部の「量」を与えた上でのブロック表現の組み立て,(IV)ブロック表現を通した複合文章題の単純な文章題への分割,といった四つの活動を可能にしたうえで,その活動に対する教育的フィードバックを適応的に行えるようにする.平成28年度においては,(II)と(III)を行い,その結果についていくつかの研究報告を行っており,平成29年度においても引き続き研究報告も行う予定である.(II)については,鶴亀算の問題などの代数的には連立1次方程式で解く範囲の問題を算術的に解く場合の問題の構造的理解を対象としたシステムを実装し,まず小学校及び中学校の教員による試験的利用,さらに,中学1年生による試験的利用まで行っており,利用可能性は確認できた.今後さらにこれを発展させ,実践利用可能なものにする予定である.(III)については,すでに作成した問題の一部を変更することで新しい問題を作成する演習環境として試作しており,この実践利用と評価については平成29年度の課題としている.計画していたI)

単位文章題と単位三角ブロックの対応付け,を実現し,その評価を終えている.(II)文章題からのブロック表現の組み立て,についても複合的な文章題についても対応可能になっている,(III)物語式・計算式や一部の「量」を与えたうえでのブロック表現の組み立て,についても試作できており,平成29年度に評価を行う予定である.これらから得た知見を通して,(IV)ブロック表現を通した複合文章題の単純文章題への分割,の可能性も見込めると判断している.本研究では,複数の演算で解決される算数・数学の文章題を,1回の演算関係で表すことのできる単位文章題が連結されたものであるとし,さらに単位文章題を三つの数量概念の連結されたものとして捉えた上で,三角ブロックモデルを提案し,この三角ブロックモデルを用いた算数・数学の文章題の学習支援システムの設計・開発およびその実践運用を試みている.三角ブロックモデルでは,単位文章題は,三角形の各頂点にそれぞれ数量概念を配置し,各辺は各辺の両端の数量概念の演算によって対頂点に存在する数量概念が導かされることを表現している.単位文章題の連結は,ある単位三角ブロックの底辺に対する対頂点の数量概念と,別の単位三角ブロックの底辺の数量概念とを重ねることで行われる.平成29年度においては,この三角ブロックモデルに基づく文章題の学習支援として,物語式・計算式や一部の「数量」を与えた上での三角ブロック表現の組み立て演習をインタラクティブに行うシステムを設計・開発した.これにより,三角ブロックを組み立てる一連の活動が演習として実現できるようになった.三角ブロックを変更・比較するよりメタな演習は,次年度の課題となる.また,中学校における方程式を立てて解く文章題に関しても,方程式を立式するまでの過程は算数の文章題と同様に数量概念間の関係を見つけ,組み立てる過程であると考え,中学校における数学文章題の立式支援の過程に適用する試みも行い,立式支援として活用可能であることを確認した.予定していた機能がおおむね開発できていると共に,中学校における方程式立式の文章題に対しての適用も試みることができたことから,研究課題としての進展は順調であると判断している.本研究は,複数の演算で解決される算数・数学の文章題を,1回の演算関係で表すことのできる単位文章題が連結されたものであるとし,さらに単位文章題を三つの数量概念の連結されたものとして捉えた上で,それらを頂点に配置した三角形で表現する三角ブロックモデルを提案し,この三角ブロックモデルを用いた算数・数学の文章題の学習支援システムの設計・開発およびその実践運用を試みたものである.一つの三角形は一つの単位文章題を表現し,各辺は各辺の両端の数量概念の演算によって対頂点に存在する数量概念が導かされることを表現している.単位文章題の連結は,ある単位三角ブロックの底辺に対する対頂点の数量概念と,別の単位三角ブロックの底辺の数量概念とを重ねることで行われる.平成30年度においては,中学校での数学の文章題に対する立式過程の支援の試みとして,(1)文章題中に明示的には表れない中間数量概念の推定演習,(2)組み立てられた三角ブロックを変形することで異なる演算で構成される等価な数量関係の作成演習,を実装し,実践を行った.プレテストとポストテストのスコアの分析結果として,基本的な問題については,プレテストにおける下位群がポストテストにおいて大きく成績を向上させていること,応用的な問題に対しては,上位群が成績を向上させていることが分かった.また,インタビュアーテストの結果としても,学習者の方程式に対する説明能力の向上がみられた.これらの結果から,三角ブロックを用いた立式過程の支援が有効であることが示唆された.平成27年度の成果に基づき,物語式・計算式や一部の「量」を与えた上でのブロック表現の組み立て演習環境を設計開発し,実践利用を試みる予定である.
高エネルギー密度シリコン負極の実用に向けた電極界面制御とイオン伝導機構の解明

前年までの結果により、Si負極上に人工被膜を形成することにより電解液分解が抑制されることが明らかになり、電池寿命の向上が期待された。しかし、充放電に伴うSiの大きな体積変化に起因して、せっかく形成した被膜が破壊されてしまう。この体積変化は純Siを用いる限り本質的に避けることが出来ない。そこで、本年度はSi負極の組成制御による膨張抑制に取り組んだ。Si電極成膜時の酸素量を系統的に変化させて、酸素含有量の異なるSiOx薄膜を作製した。酸素量(x)が0.2および0.5の場合では、初期容量は純Siと同等の高い値を示したのに対し、容量維持率には大きな向上は見られなかった。一方、酸素量が多いx = 1.1および1.8の場合には、初期容量が低下する代わりに容量維持率が大幅に向上した。充放電サイクルによる電極形態の変化と寿命特性の関係を明らかにするため、充放電後のSiOx薄膜のSEM観察を行った。純Si薄膜は繰り返しの充放電によりひび割れが進行し、スポンジ状のポーラス構造が形成され、電極厚みが大幅に増加していた。一方、高酸素量のSiOx薄膜では、充放電サイクルに伴うひび割れの進行が抑制されるとともに電極膨張も抑制されていた。SiOxの初回充電時にケイ酸リチウムが形成され、これが体積変化のバッファーとして働き、寿命特性を向上させたと考えられる。酸素量を制御したSiOx負極にフッ素化合物や炭素成分を含有する人工被膜を形成することにより優れた電池寿命を示すことが期待される。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。大容量リチウムイオン電池の負極材料として従来の黒鉛負極の10倍程度の容量を持つシリコン材料が注目されており、その実用化を目指す。シリコン負極の実用化のためには、電池寿命の向上が必要不可欠である。本研究では、我々が実用シリコン活物資として開発している鱗片状シリコン粉末のモデル電極としてシリコン薄膜を用いる。清浄な表面を有するシリコンモデル電極を作製し、電池寿命の低下要因である電解液の分解機構を把握する。さらにシリコン薄膜上に表面被覆処理を施すことにより電解液分解の抑制を図り、シリコン負極の寿命向上の指針を示すことを目的とする。研究課題の遂行にあたり、シリコン薄膜モデル電極作製に使用するスパッタ装置を導入した。清浄なシリコン表面を担保するため、大気非暴露でグローブボックスに搬送可能な設計とした。装置導入後に成膜条件の最適化を行い、クーロン効率(充放電効率)の高いシリコン薄膜が安定的に得られるようになった。このシリコン薄膜に炭素被覆層を大気非暴露で形成し、電気化学特性に与える影響を調べた。炭素被覆層の形成により、平均クーロン効率および容量維持率が向上した。サイクル後のシリコン電極のSEM観察結果等より、炭素被覆により電解液の分解が抑制されるとともに、シリコン薄膜の割れが抑制されることが明らかとなった。また、シリコン電極の電気化学特性は炭素被覆層の構造にも依存していることが分かってきた。これら炭素被覆によるシリコン電極の特性変化に関して、インピーダンス測定およびin-situ AFMによる解析も進めている。さらに被覆材料としてフッ化物の検討も行い、シリコン電極上での電解液分解の抑制に有効であることが分かってきた。予定通りシリコン薄膜上に炭素被覆を行い、シリコン負極特性の改善が得られており、炭素被覆が電解液分解の抑制に有効であることが分かってきため。さらには、当初予定していなかった、フッ化物被覆も電解液分解抑制に有効であることが明らかになってきたため。大容量リチウムイオン電池の負極材料として従来の黒鉛負極の10倍程度の容量を持つシリコン材料の実用化を目指す。本研究では、我々が実用シリコン活物質として開発している鱗片状シリコン粉末のモデル電極としてシリコン薄膜を用いる。シリコン表面の被覆材として炭素に加えてフッ化物を検討した。フッ化物被覆により充放電時のクーロン効率が大幅に向上し、電解液分解抑制に有効な成分であることが示唆された。表面被覆を施したシリコン負極の表面をin-situ AFMにより観察した。被覆なしのシリコン電極表面には電解液分解に起因する堆積物が不均一に形成される様子が観察された。一方、フッ化物被覆を施したシリコン電極表面には堆積物がほとんど観察されず、電解液分解が抑制されることが明らかになった。また、炭素被覆では被覆なしのシリコン電極と比較して、電解液分解に由来する被膜が均一に形成されることが分かってきた。シリコン電極上に炭素被覆とフッ化物被膜を多層膜として形成することにより、さらに特性が向上する傾向が見られ、今後より最適な被膜組成の検討を行っていく。シリコン負極表面の被覆材として、炭素に加えフッ化物を検討した。さらに、炭素とフッ化を二層組み合わせた混合被膜についても、電気化学特性に与える影響を調査した。30年度の研究計画内容と前後したが、28年度の研究成果を引き継いで十分な成果が得られた。

しかし、充放電に伴うSiの大きな体積変化に起因して、せっかく形成した被膜が破壊されてしまう。この体積変化は純Siを用いる限り本質的に避けることが出来ない。そこで、本年度はSi負極の組成制御による膨張抑制に取り組んだ。Si電極成膜時の酸素量を系統的に変化させて、酸素含有量の異なるSiOx薄膜を作製した。酸素量(x)が0.2および0.5の場合では、初期容量は純Siと同等の高い値を示したのに対し、容量維持率には大きな向上は見られなかった。一方、酸素量が多いx = 1.1および1.8の場合には、初期容量が低下する代わりに容量維持率が大幅に向上した。充放電サイクルによる電極形態の変化と寿命特性の関係を明らかにするため、充放電後のSiOx薄膜のSEM観察を行った。純Si薄膜は繰り返しの充放電によりひび割れが進行し、スポンジ状のポーラス構造が形成され、電極厚みが大幅に増加していた。一方、高酸素量のSiOx薄膜では、充放電サイクルに伴うひび割れの進行が抑制されるとともに電極膨張も抑制されていた。SiOxの初回充電時にケイ酸リチウムが形成され、これが体積変化のバッファーとして働き、寿命特性を向上させたと考えられる。酸素量を制御したSiOx負極にフッ素化合物や炭素成分を含有する人工被膜を形成することにより優れた電池寿命を示すことが期待される。28年度の結果より、シリコン電極の電気化学特性が表面被覆により向上するとともに、被覆材料に大きく依存することが分かってきた。被覆材料として、これまで検討した炭素に加え、酸化物やフッ化物を用い、さらには二種類の混合組成の検討により、さらなる特性改善に取り組む。上記の表面処理を施したシリコン電極を充放電特性、サイクル寿命、インピーダンス特性の観点から評価を行うと伴に、in-situ AFM、SEM/EDXにより表面の観察を行い、電解液分解と表面被覆層の関係を調べる。この評価結果をもとに、シリコン負極における被膜形成機構と劣化機構の解明に取り組むとともに、シリコン負極特性向上に適した被覆組成を検討する。上記実施内容の進捗状況にあわせて、表面被膜だけではなく、シリコン自身の合金組成の調整による特性改善にも取り組む予定である。これまでの結果により、表面被覆材に依存してサイクル寿命、クーロン効率、表面被膜形態が異なることが分かってきた。30年度では、これまでに引き続き、被膜組成と電気化学特性の関係を詳細に調べていく。特に、被覆材として酸化物材料を使用するとともに、二組成の混合被膜についても最適な組み合わせを調べる。上記の表面処理を施したシリコン電極を充放電特性、サイクル寿命、インピーダンス特性の観点から評価を行うと伴に、in-situ AFMにより電解液分解と表面被覆層の関係を調べる。これらを総合して、シリコン負極における被膜形成機構と劣化機構の解明に取り組むとともに、シリコン負極特性向上に有効な被覆組成を明らかにする。さらに、シリコン活物質組成の制御による特性改善にも取り組む予定である。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。
我が国高齢者社会における医療政策の産業関連を取り入れた数値解析的動学一般均衡分析

医薬、病院、介護、社会福祉を産業としてとらえたとき、税・補助金政策変は、もしその財源を考慮しないのであれば、病院部門のさらなる補助金配分が経済全体では優位性を持つが、その財源を考慮するのであれば、逆に病院部門への補助金カットが一番望ましい政策となる。これらの産業間のみで制度改革を行う場合、病院部門への補助金をカットし、それによって生じた新たな財源を社会福祉サービス部門へ再分配する政策が経済効率上は一番望ましい結果となる。急速な高齢化社会が我が国で予想される中、我が国の私的な医療産業はますます重要性を持つであろう。それは安定的な経済成長を持続するための重要な産業であるばかりでなく、公的医療制度が安定的に維持されるためにも補完的な役割としてますます重要な産業となる。このような問題意識の中、当該研究では、様々な医療政策の効果を数値解析的な一般均衡シミュレーションモデルによって体系的に分析した。具体的には最新の産業連関表に基づいて静学的な数値解析的な一般均衡シミュレーションモデルを構築した。当該研究でわかったことは以下の通りである。まずはじめに、様々な医療政策(税・補助金政策)のなか、民間病院や民間医療検査機関が含まれる産業への補助金政策が社会全体の厚生を引き上げるためには一番有効であることがわかった。たとえば、仮に、民間病院が含まれる産業への補助金率を現行水準から10%引き上げた場合、その効果は約974億円に上ると推定される。ただ、これは補助金の財源を考慮しない場合であり、一種の公債発行による補助金政策である。一方、同じ補助金政策を行うと同時にその財源を所得税に求めた場合、逆に約542億円の損失になることが推定される。したがって、政策議論を展開する場合、如何にその財源をどこに求めるかということが重要な鍵となる。一方、同じ補助金政策の財源を同じ産業、すなわち民間病院や民間医療検査機関が含まれている産業に課されている税によって賄った場合、このようなマイナスの効果は生じない。たとえば、民間病院が含まれる産業への補助金率を現行水準から10%引き上げ、かつその財源を同じ産業への税によってまかった場合は、社会全体で約1200万円のプラスの効果が予想される。将来の急速な高齢化社会到来を念頭に置いて、最新の産業連関表を用いながら我が国の医療関連産業を明示的に包括的に取り入れ、様々な医療政策の効果を数値解析的な一般均衡シミュレーションモデルによって体系的に分析した。具体的には最新の2005年産業連関表から独自の社会会計表を作成し、107部門に分かれた社会会計表を作成した。そこではこのように107部門に分けられた産業構造の中でも、特に医薬品産業、民間病院、民間介護保険産業、民間老人ホームなどの民間部門への税・補助金政策を分析の対象とし、様々な税・補助金政策の効果を分析した。また、その分析の大きな特徴は政府の予算負担方法を明示的に考察した点である。多くのシミュレーション分析は予算制約式を明示的に考慮していないが、当該研究はその点を克服している。すなわち、均衡予算を前提とせず、公債発行等によって財源補填する場合と、均衡予算原則に基づき、政府予算制約式を満たすように税・補助金政策を変更する場合に明示的に分けて分析した貢献は大きい。その結果は次の通りである。まず第一に、民間病院等にすでに拠出されている補助金を10%増加した場合、経済全体では974億円ほどの厚生が上昇する。様々な政策の中、民間病院産業への補助金増額政策が一番高い厚生水準が達成される。ただしこの場合、この補助金増加の財源はすべて公債発行によってまかなった場合である。一方、公債発行に頼らず、いわゆる均衡予算原則、それも賃金所得税の増税で同額の補助金増額を行った場合には逆に543億円の厚生水準の低下をもたらすことになる。第二に、医薬産業は民間病院の経済活動に大きく依存し、民間病院への現在政策や補助金増額政策によっても大きな恩恵を受けることがわかった。第三に、医薬産業は医薬産業自体への減税政策よりも、むしろ民間病院産業への減税政策によってより多くの恩恵を受けることが示された。当該年度では前年度までに精緻化された最新の社会会計表、産業連関表を使ったFORTRANプログラムで計算を行い、幾つかの論文に仕上げることができた。その中でも我が国の医療制度改革の経済成長などへの長期的影響分析、また、医療政策として、どのような医療産業への課税、補助金政策が経済全体にとって望ましいかという厚生分析を行った。これらは既に発表論文として公表されている。まず、我が国の医療制度改革の経済成長などへの長期的影響分析であるが、公的医療保険制度に於ける自己負担率の上昇は各人の貯蓄を上昇させ、長期的には経済成長にプラスに作用することが数値的に示された。一方、医療技術の進歩による国民医療費の上昇への効果はかなり小さく、むしろ人口高齢化の影響が大きいことが示された。

また、医療政策としての税・補助金政策は医療供給主体をそれ自身産業としてとらえ、既に課税されている様々な医療産業への税・補助金政策がどれほどまでに各医療産業や経済全体に影響を与え、経済全体として厚生が上昇するような医療政策があるか否かを数値的に分析した。そこでは病院産業に既に分配されている補助金を減少させ、その財源を福祉部門に再配分する政策が経済全体にとっても厚生を上昇させることが示された。当然のことながら、このような政策下では病院部門が不利益を受けるわけであるが、少なくとも病院部門の所得が不変に保つように定額補助を病院部門に与える事によって病院部門も不利益を被ることなくこのような政策が可能な点も数値的に示すことができた。これは病院部門への多くの補助金を減少させる事による経済効率性の上昇が結果的には経済全体にプラスに作用し、そのプラスの効果によって病院部門への定額補助が新たな財源を確保することなく政策を実施させることができるからである。
二層立体ラチス壁構造のじん性に期待した設計法の開発と耐震補強壁としての適用の検討

本研究では、1質点系振動モデルに置換する方法、すなわち、壁頂部の降伏変位、剛性、降伏耐力、1次固有周期を求める簡便計算法の適用性と妥当性を示した。そして、本提案法とエネルギー一定則を用いることで本ラチス壁構造の等価弾性最大歪エネルギーを求めるとともに、これに基づいて本立体ラチス壁構造の耐震性能をエネルギー的に評価することを示した。さらに、耐震診断基準の構造耐震判定指標Isとの関係を解明するとともに、以下のことを明らかにした。(1)二層立体ラチス壁構造を研究の対象とした。そして、部材の細長比、境界条件、壁構造のアスペクト比等をパラメータとして変化させた解析モデルの作成を行った。本モデルの部材特性は、軸剛性のみを仮定したものであり、部材と部材の接合はピンと仮定した。(2)本ラチス構造においても1質点系振動モデルに置換する方法、すなわち、壁頂部の降伏変位、剛性、降伏耐力、1次固有周期を求める簡便計算法の適用性を示し、本提案法とエネルギー一定則を用いることで本ラチス構造の等価弾性最大歪エネルギーを予測する。また、本解析結果の分析・検討に基づいて、本ラチス壁構造の降伏震度をどれくらいに設定すれば、入力地震波の主要部の間はボルト降伏のみの破壊形式となることを明らかにした。(3)本立体ラチス構造のエネルギー的評価に基づいて、耐震診断基準の構造耐震判定指標Isとの関係を求めた。また、既存不適格建物の耐震補強壁構造としての適用・実用化についての検討課題を洗い出し、補強効果を検証しうる計算法を提案した。接合部の引張降伏によって定まる崩壊機構をもつ本壁構造の静的耐力を明らかにするために、本研究で対象とする二層立体ラチス壁構造の静的弾塑性解析を行い、ボルト降伏の進展が本壁構造のじん性能に及ぼす影響を解析的に求めた。また、このことを耐震性能評価すなわち本構造の限界値に反映させる目的で以下のことを明らかにした。すなわち、(i)静的崩壊挙動に関しては、崩壊時の壁構造の変形性状ならびに連鎖的なボルト降伏破壊の進展と最大荷重の関連性、(ii)壁頂部の水平荷重と水平変位の関係を求めるとともにその非線形性の程度、そして(iii)限界値の明確化である。解析方法は、接合部のボルト降伏、部材の座屈挙動ならびに幾何学的非線形を考慮したものであり、最大荷重の手前までは荷重増分法、それ以降の釣り合い経路は変位増分法を用いている。そして、部材の細長比、境界条件、壁構造のアスペクト比、アルミニウム合金製ストラットの強度(圧縮に対しては座屈強度、引張に対しては溶接部強度)、鋼製ボルトの降伏強度、両者の強度比、ラチス壁構造の降伏震度等をパラメータとして変化させた解析モデルを作成した。本モデルの部材特性は、軸剛性のみを仮定したものであり、部材と部材の接合はピンと仮定したものである。なお、本研究においては、地震波の最大入力加速度と壁頂部の最大応答水平変位をプロットしていき、変位が急激に増加した場合を本壁構造の動的崩壊と定義している。また、動的崩壊に至らしめるに必要な入力地震波の最大加速度を崩壊最大加速度と定義し、解析により崩壊最大加速度のデータを蓄積することができた。

そして、部材の細長比、境界条件、壁構造のアスペクト比等をパラメータとして変化させた解析モデルの作成を行った。本モデルの部材特性は、軸剛性のみを仮定したものであり、部材と部材の接合はピンと仮定した。(2)本ラチス構造においても1質点系振動モデルに置換する方法、すなわち、壁頂部の降伏変位、剛性、降伏耐力、1次固有周期を求める簡便計算法の適用性を示し、本提案法とエネルギー一定則を用いることで本ラチス構造の等価弾性最大歪エネルギーを予測する。また、本解析結果の分析・検討に基づいて、本ラチス壁構造の降伏震度をどれくらいに設定すれば、入力地震波の主要部の間はボルト降伏のみの破壊形式となることを明らかにした。(3)本立体ラチス構造のエネルギー的評価に基づいて、耐震診断基準の構造耐震判定指標Isとの関係を求めた。また、既存不適格建物の耐震補強壁構造としての適用・実用化についての検討課題を洗い出し、補強効果を検証しうる計算法を提案した。
組合せ理論と群表現論に基づく大規模システムの構造解析手法の研究

1.大規模方程式系に関するマトロイド理論的構造解析手法を精密化し,内部自由度を有するシステムの設計変数選択の下での組合せ論的正準形(CGF)分解の共通細分がある種の劣モジュラ関数の基本構造によって特徴づけられることが明らかになった.この結果を,より一般的な立場から考察し,その応用範囲を拡げていくことが望まれる.分散システムの耐故障性に関連して,二面体群によって記述される対称性を有するシステムの自律可制御性を解析する手法を開発した.多項式・有理式行列の小行列式の最大次数を組合せ最適化算法を利用して,高速かつ正確に求める方法を開発した.この問題は,制御理論における外乱の除去や,代数微分方程式系の初期値設定など,応用範囲が広い.新しい方法を計算機プログラムとして実現し,ある程度大規模な問題に対しても実際に効率的であることを確認した.1.大規模方程式系に関するマトロイド理論的構造解析手法を精密化し,内部自由度を有するシステムの設計変数選択の下での組合せ論的正準形(CGF)分解の共通細分がある種の劣モジュラ関数の基本構造によって特徴づけられることが明らかになった.この結果を,より一般的な立場から考察し,その応用範囲を拡げていくことが望まれる.分散システムの耐故障性に関連して,二面体群によって記述される対称性を有するシステムの自律可制御性を解析する手法を開発した.多項式・有理式行列の小行列式の最大次数を組合せ最適化算法を利用して,高速かつ正確に求める方法を開発した.この問題は,制御理論における外乱の除去や,代数微分方程式系の初期値設定など,応用範囲が広い.新しい方法を計算機プログラムとして実現し,ある程度大規模な問題に対しても実際に効率的であることを確認した.
超高強度高靭性次世代型金属系ナノ組織構造材料の開発とその変形強化機構の研究

超高強度を有する金属ガラス合金(MGA)とナノ結晶合金(NCA)について、超高強度とともに高延性も有するBMGとNCAを開発し、その変形強化機構を検討した。BMGは過冷却液体の粘度が10の8乗以上でかつ同液体中にナノ準結晶が析出する組成において、引張応力下で約0.3%程度の加工硬化を伴う塑性変形と、それに引続き約0.7%のセレーションを伴い加工軟化する塑性変形の発現に成功した。NCAは電析Cu基板の表面粗さでコントロールされる試験片表面粗さにより、ナノ結晶Ni-1418at.%W合金の引張強度は約3GPaに達し、0.53%の塑性変形発現にも成功した。バルク金属ガラスの引張塑性変形は約0.02秒程度で終了するため、高速度ビデオカメラで引張破壊過程を観察したところ、金属ガラスの塑性変形は一つの貫通したせん断帯(主せん断帯)が連続的にすべり、せん断帯の厚さを15nmと仮定した場合、粘性値は過冷却液体で測定されている値とほぼ一致した(以下の11.研究発表[雑誌論文の一つ目])。すなわち、せん断帯のすべりは過冷却液体を介して起こっていると見られた。そこで、引張試験を粘性値が上がる低温下133K(-140°C)で実施したところ、10%を大幅に超える大きな塑性変形を生じた。試験片表面では常温中と比べて、多くのせん断帯と、さらには複数の主せん断帯が観察された。しかし、依然として加工軟化を示した。次にナノ結晶合金の引張破断面をSEM観察した結果、破面はマクロにはしぼれていたが、ミクロにも数百nmの大きさのディンプルからなり、典型的な延性破壊を示した。ただし、ディンプルの底には核となる介在物等は見られず、従来の結晶合金のディンプル形成機構とは異なり、完全結晶であるナノ結晶内ですべるのではなく、Niの多い網目状をなすナノ結晶粒の境界が関与してすべりが生じ、このようなディンプルが形成されていることも考えられた。ディンプルの大きさは試験片の表面で観察されるNiの多い網目状組織の大きさと概略対応するが、試験片内部ではNiの多い網目状組織は膜厚方向に細長く、ディンプル形状と対応しない。また、ディンプルが生成されるためにはより小刻みに滑ることが必要である。そこで、超高分解能SEM(日立SU8000)により、ディンプル破面を観察したところ、数nm20nmの粒状物がディンプル内で観察され、これはアモルファス合金では観察されなかったため、ナノ結晶であると見られ、すべりは予想通りその境界で生じているように見られた。なおディンプル形成の核は、ナノ結晶自体であることが考えられた。金属ガラス合金(MGA)とナノ結晶(NCA)合金の塑性変形機構解析のため、高速度ビデオカメラも用いて塑性変形過程の観察を行った。MGAについては、Zr基MGAの組成を過共晶(Zr45at%)から亜共晶(Zr65at%)まで振って作製し、塑性変形の出やすい低温下で引張試験を実施した。その結果、Zr5565at%で一部塑性変形が出たが、破面様相は従来の様相と変わらず、Zr濃度の変化によるガラス遷移温度、結晶化温度および粘性の変化だけでは、大幅な延性の増加と加工硬化の発現は難しいことが分かった。NCAの塑性変形はNiの多い網目状をなすナノ結晶粒の境界に沿い生じるのではなく、むしろ網目状組織とは無関係に直線的にせん断すべり変形していることを確認した。また,破面近傍のくびれ機構については、発生したせん断帯が交互に切合ったため生じたと考えられた。せん断帯は、破断直前の1×10^<-3>1×10^<-5>秒間に一方の表面から他方の表面まで断面を直線的に走り、これらの時間内で破断することを確認した。組成を変えた高粘性Zr基MGAの探索・作製については、共同研究者の山崎教授により従来よりも粘度が約1桁大きい(1×10^<-7>Pa・sec以上)組成の探索はほぼ完了し、この試料を作製して圧縮試験を実施した。その結果、20%を超える大きな塑性変形が生じた。引張試験は準備を行っており、次年度に実施する。NCA粒径と網目状ナノ組織構造の寸法を変えたナノ結晶合金の製作では、酸素が材料の脆化に関係していることから、Arガスバブリングを行い、酸素濃度を落としたNCAの開発を先行させた。その結果、従来、高強度なものは20μm厚さまでしか作製できなかったが、50μm厚さのものまで作製できるようになった。

しかし、20μm以下の薄い場合も塑性変形が生じにくくなった。また、一部、網目状組織が塑性変形に寄与している例が見られた。金属ガラス合金(MGA)においては、分担者の山崎徹教授が昨年度探索した組成よりもさらに高粘性化(約10の8乗Pa・sec以上)に成功したナノサイズの準結晶が析出する組成の材料(主としてZr66.5CuAlX3)を作製し、代表者の藤田和孝と分担者の徳永仁夫准教授が引張試験を実施した。常温における引張試験の結果、昨年度までと同様、約1%の塑性変形が生じた。しかし、昨年度までの加工軟化のみではなく、本材料は明瞭な加工硬化が約0.3%塑性ひずみまで生じ、その後、約1%塑性ひずみまでは多くの明確なセレーションを生じながら加工軟化した。せん断帯を高速度ビデオカメラと走査型電子顕微鏡により詳細に観察した結果、平行部長さの約75%の領域で多数のせん断帯が生じており、セレーション発生時には、表面に僅かに段差ができる程度の大きなせん断すべりを生じていることが明らかになった。0.3%程度の塑性ひずみではあるが加工硬化を初めて生じ、また明らかにすべっては止まることを繰返すことによりセレーションが生じたのは、一旦すべり出しても、過冷却液体の粘度が高いまま、あるいはさらに高くなっていることを示唆している。分担者の山崎教授らは、圧延時に生じたせん断帯中にナノサイズの準結晶の析出を確認しており、これにより過冷却液体の粘度が維持あるいは上昇したことが推測された。代表者の藤田らによる共晶組成のMGAのねじり試験の結果、10%を超える大きなせん断塑性ひずみが生じ、多くのせん断帯の交切が見られたが、加工硬化することはなかった。また、ナノ結晶合金(NCA)の塑性変形は、時間が経過すると、塑性変形が生じにくくなる傾向があることが分かった。これも、ナノ結晶が時間とともにかなり大きく成長している可能性が考えられた。加えてナノ結晶合金の破壊過程をより詳細に明らかにした。金属ガラス合金(MGA)とナノ結晶(NCA)合金の塑性変形機構解析のため、高速度ビデオカメラ(H22年度購入)も用いて塑性変形過程の観察を行った。まず、金属ガラス合金(MGA)においては、分担者;山崎徹教授が探索をほぼ終了した高粘性でナノメートルサイズの準結晶が析出する組成の材料(主としてZr65CuAlX3)を作製し、代表者;藤田和孝と分担者;徳永仁夫准教授が引張試験を実施した。なお同材料は昨年度の圧縮試験においては20%を超える大きな塑性変形が生じている。常温における引張試験の結果、従来の亜共晶材と同様、約1%の塑性変形が生じ、加工軟化を示した。しかし、本材料は従来材ではほとんど生じなかった明瞭なセレーションが多数生じ、より多くのせん断帯の発生・成長・交切を確認した。このセレーションは、本材料では、主として塑性変形中に準結晶が析出・成長することやせん断帯の交切等により、すべり抵抗が桁違いに大きくなり、一旦、一つのせん断帯ですべってもすべり切らず停止することを繰返したため生じたものとみられる。SEM観察においても、明らかにより多くのせん断帯が見られた。より詳細な機構の検討は、次年度に行う。また、NCAの塑性変形は、昨年度、Niの多い網目状をなすナノ結晶粒に沿いせん断すべりが生じるのではなく、むしろ網目状組織とは無関係に直線的にせん断すべり変形していることを確認した。しかし、今年度、研究分担者;山崎徹教授により電析基盤の表面あらさを変える等、製法を変え作製された材料では、強度は変わらないが、従来材よりもより大きな塑性変形が出る場合があり、この時、せん断すべりはNiの多い網目状をなすナノ結晶粒に明らかに影響を受け生じており、Ni同士の金属結合が多いナノ結晶において、塑性変形が助長されていると見られた。
永久磁石同期電動機の商用電源による起動回路構成と制御

空調,ファン,ブロアなどの商用電源による一定速用途のモータには,起動器を必要とせずに商用電源で直接起動できる誘導電動機が用いられている。誘導電動機に比較して,損失が小さい永久磁石(PM)同期電動機は,その制御に高価なインバータなどの可変周波数電源が必要なため,可変速用途のみに使用され,一定速用途には用いられていない。本研究では,商用電源でPM同期電動機を一定速駆動するための起動器を提案し,従来の誘導電動機駆動システムに比較して,損失を1/2にするシステム開発を行い,地球温暖化防止に貢献することを目的にする。本提案方式をもとに,具体的に3項目について研究を進め、以下の研究成果がそれぞれ得られた。1.任意電源におけるPM同期電動機トルク制御の理論展開による新たな学術分野の創出PM同期電動機の起動のためのトルク制御理論を,モータ線電流に基づいた理論展開とすることで,十分な電源電圧が与えられていない場合のPM同期電動機の制御法としての基礎理論を確立した。2.PM同期電動機の起動制御法の確立1.で導出した線電流に基づく起動制御法により,PM同期電動機の安定な起動を実験で確認できた。3.位置センサレス制御による起動制御法の確立起動制御法において装置の小型化と低コスト化のためにPM同期電動機の位置センサレス制御アルゴリズムを確立し,実験で検証した。定格速度の1/2までのセンサレス制御を実現し,センサレス制御実現への目処が立った。以上により,PM同期電動機の任意電源駆動に対する基礎理論とPM同期電動機の起動器実用化への基礎技術を確立した。1.任意電源におけるPM同期電動機トルク制御の理論展開による新たな学術分野の創出モータの電流不連続状態を考慮した解析モデルとして電力変換回路とモータを一体化したPM同期電動機のモデルを提案した。提案モデルに基づいて電流零を保持する基本的なスイッチング制御法を導出した。2.PM同期電動機の起動制御法の確立負のトルク発生を抑制する制御アルゴリズムを開発し,45%負荷でのPM同期電動機の起動を実験で確認できた。さらなる高トルク発生アルゴリズムの開発を進めている。3.位置センサレス制御による起動制御法の確立三相マトリックスコンバータを用いた起動装置でPM同期電動機の位置センサレス制御アルゴリズムを確立し,実験で検証した。提案起動回路でのセンサレスアルゴリズムを開発中である。
触媒ポケットによる高安定化を目指したカーボン表面孤立化Ptナノクラスターの創製

選択酸化反応触媒や燃料電池電極触媒への応用を目指し、平均粒径が小さく且つ粒子の凝集抑制が期待できる高安定性カーボンナノチューブ(CNT)固定化Ptナノクラスター触媒の創製を目指した。Pt4核錯体をCNT上に固定化した後、Ptの凝集を防ぐ「触媒ポケット」構築のためにポリピロール(PPy)薄層マトリックスでCNT表面を修飾したのち、加熱水素還元によりPtナノクラスターへの変換を行った。TEMにより平均粒径約1.0 nmのPtナノクラスターが生成しており、PPy修飾がない場合と比較して、Ptの粒径分布が狭く粒径の揃ったPtナノ粒子が形成されたとともに、触媒安定性も向上したことが分かった。本年度は、カーボン担体に固定化した白金ナノクラスター触媒の周囲に、有機ポリマーの壁から成る「触媒ポケット」を設けることで、触媒反応時に高い安定性、耐久性発現が期待できるカーボン担体固定化白金ナノクラスター触媒の調製を目指した。まず、カーボン担体に固定化が可能であるピレンを、カルボキシレート配位子の置換反応を利用して4個導入した新規白金4核錯体を合成した。続いて、白金4核錯体をカーボン担体への固定化能を検討した。比表面積が比較的大きく(200 m2g-1)、分散固定化が可能な多層カーボンナノチューブ(MWCNT,直径6-9 nm,長さ5 mm)を用い、超音波分散時間は一定とし、固定化時間、固定化白金量を変化させたところ、最大で約2 wt%の白金が載ることが分かった。また、Pt LIII端EXAFSより固定化後も白金4核構造は維持されていることが分かった。さらに、有機ポリマーとして導電性を有するポリピロールを、白金4核錯体を固定化したMWCNT表面上に重合した。XRFによる固定化白金量重量減少によりポリピロール積層量を見積もったと共に、TGAより、ポリピロールの存在が確認された。最後に、加熱水素還元により白金ナノクラスターへの変換を行った。BETによる比表面積測定より、カーボンナノチューブの比表面積は殆ど変化していないことが分かった。TEMからは平均粒径が約1nmの微小なナノクラスターが得られたことが分かった。ポリピロールを積層しない場合の対照実験ではより粒径の大きなナノクラスターの存在が確認されたことから、ポリピロール積層は調製段階でナノクラスターの粒径制御に関与していることが示唆された。本年度は、昨年度調製に成功した、ポリピロールからなる壁、「触媒ポケット」を構築したMWCNT固定化白金ナノクラスター触媒の、ポリピロール積層の有無による粒径制御の効果、及びポリピロールの有無による触媒安定化効果について中心に検討した。これまでに、「触媒ポケット」を構築したMWCNT固定化白金ナノクラスター触媒(白金: 1 wt%)のTEMからは平均粒径が約1nmの微小なナノクラスターが得られたことが判明し、Pt LIII端XANESからは、白金は0価付近であることが分かった。これに対し、ポリピロールを積層せず、MWCNT固定化白金4核錯体を直接加熱還元をした対照触媒では、Pt LIII端XANESより白金は前者同様0価付近であるものの、TEMでは、粒径分布が幅広く、34 nm大きなナノクラスターの存在が確認された。本結果は、白金の固定化量を2倍(2 wt%)にしても同様であったことから、ポリピロール積層による「触媒ポケット」形成は、ナノクラスターの調製段階で、その粒径制御に関与していることが強く示唆された。「触媒ポケット」を構築したMWCNT固定化白金ナノクラスター触媒と「触媒ポケット」のない対照触媒を用い、アニリンのベンジルアルコールによるN-アルキル化反応を検討し,触媒活性、耐久性を比較した。前者ではイミン生成物が選択的に得られたのに対し,後者ではイミン生成物とアミン生成物が1:1程度の割合で生成した。また,後者は触媒再利用1回目からアニリン転化率が低下したのに対し、前者は少なくとも触媒再利用2回目までアニリン転化率に低下が見られず、ポリピロールによる表面修飾により触媒の安定性が向上したことが示唆された。平成26年度は、カーボン担体に固定化した白金ナノクラスター触媒の周囲に、有機ポリマーの壁から成る「触媒ポケット」を設けた新規カーボン担体固定化白金ナノクラスター触媒の調製を行うところまでを主眼としており、概ね達成できたと考えている。触媒反応活性評価を行う準備も並行して進めていたため、平成27年度が開始し次第すぐに実験を開始することができる。無機化学、錯体化学、触媒化学、電気化学平成27年度は、「触媒ポケット」を設けた新規カーボン担体固定化白金ナノクラスター触媒を用いた触媒反応特性評価、電極固定化と酸素還元反応評価を行う。有機ポリマーを積層していない触媒と比較を行うことで、触媒安定性、耐久性に対する「触媒ポケット」の評価を行う。

また、「触媒ポケット」の「出来具合」について、種々の構造解析を並行して進めていきたいと考えている。さらに、白金ナノクラスター触媒の触媒反応時におけるin-situ構造解析を行うことで、白金ナノクラスター上の反応基質、触媒自身の反応活性種、および劣化過程についての情報を得、カーボンの壁による「触媒ポケット」による白金ナノクラスターの孤立化、安定化効果を解明することを目指す。平成26年度は、白金4核錯体をカーボン担体への固定化特性の検討、有機ポリマー積層特性の検討、及び真空加熱還元によるナノクラスター化の検討を重点的に進めたため、触媒反応検討の中で、燃料電池電極触媒反応の検討を行うことができなかった。このため、電極触媒反応活性評価に使用する回転リング電極の購入を行わなかったため、余剰額分を平成27年度へ繰越を行った。平成27年度は、「触媒ポケット」を設けた新規カーボン担体固定化白金ナノクラスター触媒を用いた触媒反応特性評価に関わる物品、特に、燃料電池電極触媒活性評価を行うための回転リング電極一式と触媒の電極固定化に必要な恒温炉を購入する。さらに、選択酸化反応、還元反応を行うための常圧、高圧反応容器を購入するとともに、生成物の分析に用いるキャピラリーGCカラムを購入する。触媒構造解析に必要なXAFSセルについても新規に設計、製作する。その他、触媒調製、反応実験に必要な試薬類、高純度ガス、ガラス、一般実験器具を購入する。高分解TEM測定使用料、放射光施設使用料、及び国際、国内学会における成果発表のための旅費が必要である。
癌細胞への標的指向能を付与した表面修飾脂質ベシクルの創製とその機能

目的癌細胞への"ミサイル装置"(リガンド)を装着した、人工細胞(脂質ベシクル)を創製し、DDS(Drug Delivery System)に利用することを目的とした。標的分子のリガンドとしては、大別して二種類のリガンド、すなわち、1)癌細胞の特異抗原としての糖鎖を認識するESA(トゲキリンサイ海藻由来のレクチン)、および2)癌細胞の特異抗原を認識する抗体(モデル抗体として抗IgM抗体を使用)、について研究を進める。結果まず、従来の二段階乳化法に代わり、新規な超音波処理法による簡便なベシクル調製法を開発した。このベシクルの粒径は約70120nmの範囲にあり、物質包括能はベシクル懸濁液中の全トレーサー濃度に対して、最大約8%の値となった。このベシクル膜のSpan80中に混入させたIsothiocyanic Acid Dodecyl Ester(IADE)とESAを共有結合させて、ESAをベシクル膜に活性劣化させることなく、かつ効率良くベシクルに固定化する事が出来た。このESA固定化ベシクルは癌細胞に対して特異的に結合すること、およびESAが癌細胞に対してアポトーシスを誘導することが示唆された。さらにESA、およびESA固定化ベシクルをラットに投与して検討した結果、ESA特異抗体が若干発現するものの、どのラットも体重減少も無く約5週間健康に生存し、現段階でのこのベシクルの安全性が確認された。次に、抗体のベシクル固定化については、プロテインAを媒介として、抗体のFabフラグメントを外方向に配向させて、固定化させることができた。またカチオンペプチド脂質(CPL)とIADEをSpan80中に混入させ、さらにそのIADEとプロテインAをアミド結合させた後に抗IgM抗体を固定化して、カチオン性イムノベシクルを調製した。このイムノベシクルが、IgMを産生するHB4C5に対し、標的的に結合し、ベシクル内に包括した遺伝子を効率良くHB4C5に導入出来た。
負屈折率状態実現に伴う新奇プラズマ生成現象の観測と応用

近年注目されているメタマテリアルの概念・機能を、高密度プラズマ生成現象に応用した。負の透磁率空間をメタマテリアル構造により実現し、その空間を減圧下として数100 Wレベルのマイクロ波を入射することにより、誘電率が負となる高密度プラズマの生成と診断に成功した。誘電率と透磁率が同時に負となることで屈折率が負の空間が動的に生成され、その形成過程には強い非線形性が関与していると示唆された。すなわち、新たなプラズマ源の提案・新規の非線形メタマテリアル応用技術の実証を同時に行ったものと言える。まず、放電プラズマをメタマテリアルに導入するに当たり、通常のメタマテリアルとは異なる特質について、理論検討を行った。1点目はプラズマ導入に伴う誘電率の複素数化に関してであり、特に損失性が大きい場合には誘電率の実数部が正であっても屈折率の実数部は負となりうることを示し、プラズマ・メタマテリアルに限らず普遍的な性質としての負屈折率媒質の成立要件の拡張を行った。また、2点目はプラズマを含むことで生じる非線形性に伴う特性に関してであり、伝搬電磁波の振幅に依存して誘電率がサドルノード分岐を起こし、値として遷移(ジャンプ)しかつ履歴現象を伴うこと見出した。次に、それらの理論検討結果に基づき、負屈折率実現とプラズマ生成の同時進行現象に関する実験検討に着手した。直列共振構造体としては負の透磁率体として実績のある2重分割リング共振器のアレイ構造を選択し、まず電磁界数値解析により共振周波数を使用マイクロ波(2.45GHz)に合うよう構造をデザインした。そして、実際にアレイ構造を作製し、ベクトルネットワークアナライザにより特性を測定したところ、確かに使用マイクロ波周波数で透磁率が負となっていることを確認した。そして、最後に2重分割リング共振器のアレイ構造をプラズマ生成部に設置し、マイクロ波(約100W)を導入したところ、プラズマ生成が確認できた。2重分割リング共振器のアレイ構造が無い場合にもプラズマは生成されたが、構造が有る場合には発光強度が有意に強くなることが確認され、コンセプト通り空間の透磁率が負である場合にプラズマ密度の高密度化がなされることが示唆された。前年度に確認したプラズマ生成について、"L-C共振構造の設計およびプラズマ生成の実証"に関して詳しく解析を行うと共に、"メタマテリアル逆問題法"を通したプラズマおよび屈折率等の巨視的パラメータの検討を行った。メタマテリアルとしてミクロなプラズマ密度分布がどのようにマクロなパラメータに影響を与えているか関連付けを行うため、プラズマのメタマテリアルが持つ微視的な誘電率分布を測定した。これは、L-C共振構造体に大電力(<500W)マイクロ波を投入したときに生成されるプラズマに対して、プラズマパラメータ測定を可動式プローブ法を適用することで行った。結果として、プローブ法により、電子密度が2x10^<11>cm^<-3>以上、電子温度が1-4 eVと得られたため、微視的な複素誘電率は実数部が最大となる場合に-2.2+0.1jとなることがわかった。すなわち、誘電率が有意に負の値を取ることが実証できた。また、マクロ情報の取得についてベクトルネットワークアナライザ(VNA)によるパラメータ抽出法を適用し、プラズマが無い場合には複素透磁率が-0.54+0.13jであることが明らかとなった。プラズマが有る場合にもVNAによるパラメータ抽出法の適用を試行し、透過波・反射波強度の変化について、定性的にはミクロなパラメータとマクロなパラメータの相関が取れることが明らかとなった。また、独自に開発した光周波数コム型レーザ光システムをアルゴンの準安定励起粒子密度の測定に適用し、生成されたプラズマパラメータとの相関が理論予測通りであることを確認した。前年度に引き続き、メタマテリアルの内部要素として生成されるミクロなプラズマ密度分布がどのようにマクロなパラメータに影響を与えているか、ミクロな分布の観測を可動式プローブにより行い、メタマテリアル逆問題法による関連付けを行った。前年度に確認した、高出力(数百W)マイクロ波による負の屈折率状態と高密度プラズマの同時形成現象について、特にその密度の立ち上がり時の特性把握を行ったところ、最初はマイクロ波周波数で規定されるカットオフ密度程度で頭打ちの状態にあるものが、ある時点で急激にマイクロ波吸収電力が増加すると共に、カットオフ密度を大幅に越える電子密度へと上昇することがわかった。これは、屈折率が虚数から負状態に遷移する現象と、マイクロ波の入射エネルギーの増加、さらにプラズマ密度上昇が相互に影響を与えながら進行していることを示唆するものである。メタマテリアルにおけるこのような遷移現象の実証と確認は、世界的にみても画期的な成果となった。また、前年度開発した光周波数コム型レーザ吸収分光法を確立し、上記のようなパラメータのプラズマ診断が可能であることを示した。さらに、このプラズマ生成と負屈折率状態の同時実現現象を、実際のプラズマプロセスへと応用するため、電子レンジ型バッチプロセス装置の開発を行った。

すなわち、市販の電子レンジの中にL-C共振器アレイとプラズマ生成用ガスの保持空間を確保し、電子レンジの電力(2.45 GHz)投入によりプラズマ生成を行った。放電用ガスとしてはアルゴンガスをガラス管に大気圧で封入したものをアレイ状に多数配列し、L-C共振器アレイと組み合わせて配置した。すると、部分的にではあるが、ガラス管内に大気圧マイクロ波プラズマの生成を確認した。すなわち、大気圧下で、しかも安価に入手できる電子レンジにより、メタマテリアル効果を通したプラズマ生成法の提案に至った。計画通り研究を遂行し、行った理論予測が実験で実証されている。24年度が最終年度であるため、記入しない。当初の計画通り、研究を遂行する。
癌関連遺伝子の増幅、発現と腫瘍内環境因子の関連性の解明

1)食道癌生検組織を用いて、腫瘍増殖能の指標となる細胞周期関連抗原PCNA、Ki-67を免疫組織染色し、局所制御率、生存率との関連を検討した。その結果、PCNA、Ki-67陽性細胞数と放射線治療による食道癌の局所制御率との間に有意な相関を認め、PCNA、Ki-67陽性細胞数が高く、すなわち増殖期細胞(P細胞)が多く、休止期細胞(Q細胞)が少ない腫瘍の局所制御率が高かった。また、予後不良なPCNA陽性細胞数の低い腫瘍において、加速多分割照射によって局所制御率の改善が見られた。本研究によって、腫瘍の細胞周期関連抗原の発現(PCNA,Ki-67)が放射線治療での局所制御率に影響を与えることが示された。この結果は、腫瘍中に休止期細胞分画(Q細胞)が高いと照射効果が悪くなることを示唆している。これらの放射線抵抗性の腫瘍に対して、加速多分割照射が有効であり、腫瘍の細胞周期関連抗原の発現が照射法選択の指標となる可能性が示された。2)マウスSCCVII腫瘍を用いて、40°C60分の温熱が、放射線抵抗性のQ細胞の低酸素分画に与える影響を検討した。その結果、40°C60分の温熱はQ細胞の低酸素分画を少なくとも3日間は有意に減少させることが明らかになった。また、ヌードマウスに移植したヒト大腸癌腫瘍(LS-180)およびマウスSCCVII腫瘍を用いて、44°C30分の温熱が起こす血管損傷が、残存腫瘍部にVEGFを誘導することを明らかにした。以上より、40°C60分間という軽度な温熱が放射線抵抗性のQ細胞の低酸素分画を有意に減少させることを明らかにした。これは、臨床でも十分加温可能な温熱が、放射線抵抗性腫瘍の照射効果を増強させることを示唆している。一方、44°C30分の温熱は血管損傷を来たし、残存腫瘍に血管新生因子(VEGF)を誘導することが示された。