hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
津波・高波による浸水被害機構の解明と対策法の研究

1)津波浸水対策検討時の注意点を2016年東海大学紀要に発表。漂砂量係数算定図を作成し、津波地形変化数値モデルによる津波対策計画検討結果を2018年6月のISOPE国際会議で発表。さらに、発展的内容を土木学会論文集に投稿中。2)現地海岸に適用出来るように改良した堤体からの吸出し量算定式、本吸出し防止法、堤体前面洗堀算定図を2015年土木工学論文集で、裏込め材の均等係数と乾燥密度も考慮出来る吸出し量算定式を2016年土木工学論文集で発表。CADMAS-SURFと吸出し算定モデルを組合せた計算システムを2018年7月のICEAST国際会議で発表予定。2015年度の津波による洗掘対策法の研究に関しては、科研費の採択通知を10月に貰い、11月から本格開始したため、自治体訪問、現地聞込み、既往文献の追加・整理と、津波被害再現実験用模型準備までで終わってしまった。2015年度の高波による洗掘・吸出し対策法の研究に関しては、海岸侵食が全国的に進んでおり、台風が毎年来襲する我が国において、海岸保全環境の地球温暖化による一層の悪化も懸念されているため、科研費に採択されなくても実施するつもりであったことから、2015年度5月より開始しており、成果は次のとおりである。高波による堤防前面の洗掘や堤体からの吸出しに関する被災事例を、過去の収集済みデータに加えて、タイ国での現地踏査、我が国での地方自治体や既往文献から追加入手し整理した。また、裏込め材の中央粒径、均等係数や乾燥密度(締固めの程度)の違いによる効果を知るため、これらのパラメータを変えた堤体からの吸出し模型実験も追加実施し、それらのデータを分析することによって吸出し量算定式の改良も試みた。さらに、改良された吸出し量算定式などを用いて、開発済みの洗掘量や吸出し量の数値予測モデルの改良を試みた。以上の成果を、海洋極地工学国際学会(ISOPE)の本年6月の国際会議で発表予定(3月に採択決定)、土木学会論文集B3(海洋開発部門)の論文として本年8月頃に公開予定(4月に掲載決定)、また、土木学会論文集B2(海岸工学部門)にも応募し、第1次査読(4月)を通過したので、概要版が公開される。2015年度の津波による洗掘対策法の研究に関しては、科研費の採択通知を10月に貰い、11月から本格開始したため、自治体訪問、現地聞込み、既往文献の追加・整理と、津波被害再現実験用模型準備までで終わってしまったが、本テーマは喫緊の課題であるため、本格的実験を2016年度早々に実施し、遅れを取り戻すつもりである。2015年度の高波による洗掘・吸出し対策法の研究に関しては、科研費に採択されなくても実施するつもりであったことから、2015年度5月より開始しており、十分過ぎる成果を出している。洗掘・吸出し被災データの補充は、我が国の地方自治体や既往文献から、さらに、タイ国での現地踏査も加えて実施し整理した。また、裏込め材の中央粒径や均等係数の違いに加えて、乾燥密度の違いによる効果も、これらのパラメータを変えた吸出し模型実験から確認し、吸出し量算定式の改良を試みた。さらに、改良された吸出し量算定式などを用いて、開発済みの洗掘量や吸出し量の数値予測モデルの改良も試み、3次元ひな形モデルの開発まで漕ぎ着けた。1.津波対策施設の計画・設計法まず、掃流砂量算定式の係数は海岸毎に検証計算を行って決定する必要があるが、この係数を底質に関わる条件を与えるだけで求められる算定式の提案を目指して、底質の均等係数(粒径のばらつきを表す)と乾燥密度(締固めの程度を表す)を変えた移動床実験を行い、本係数と均等係数や乾燥密度との関係をある程度明らかにした。次に、ワークステーションを用いた高速計算環境を整備し、洗掘を考慮しながら各種対策工による浸水低減効果を評価できるように、津波浸水・洗掘予測数値モデルを改良した。そして、具体的な津波対策計画が進んでいる宮城県岩沼市を対象に、具体的な防護施設計画(粘り強い堤防堤防、避難マウンド、海岸林、掘り等の組合せ)の効果評価を試み、施設計画の改良を目指した検討を行った。2.高波による洗堀・吸出し対策法まず、堤防・護岸からの裏込め材の吸出し量算定式の精度向上を目指して、裏込め材の均等係数や乾燥密度を変えた吸出し実験を行い、これらの影響を精度良く考慮できる算定式を提案した。さらに、入射波の周期と堤体前面水深を変えた吸出し実験も行い、吸出し量と波形勾配や前面水深との関係もある程度明らかにした。次に、時々刻々の吸出し量変化を予測できるようにするため、ワークステーションを用いた吸出し量数値予測モデルを構築し、実験データや現地実測データとの比較から、吸出し量予測精度の向上を図った。また、既発表の前面洗堀予測法の現地海岸への適用を試みた。1.津波対策施設の計画・設計法まず、掃流砂量算定式の係数を決定できる算定式の提案を目指して、底質の均等係数と乾燥密度を変えた移動床実験を行い、均等係数と乾燥密度を大きくするほど、本係数が小さくなることを明らかにした。次に、ワークステーションを用いた高速計算環境を整備し、洗掘を考慮しながら各種対策工による浸水低減効果を評価できるように、津波浸水・洗掘予測数値モデルを改良できた。

そして、具体的な津波対策計画が進んでいる宮城県岩沼市を対象に、具体的な防護施設計画の効果評価を試み、施設計画の改良案を提案できた。現在、これらの成果を発表すべく論文としてまとめつつある。津波関係の進捗状況は、論文発表が遅れている分、当初予定より若干遅れ気味である。2.高波による洗堀・吸出し対策法まず、裏込め材の中央粒径だけでなく、均等係数や乾燥密度の影響も精度良く考慮できる吸出し量算定式を提案した。次に、任意形状の堤防や護岸からの吸出し量経時変化を予測できる、ワークステーションを用いた吸出し量数値予測モデルを構築し、実験データや現地実測データとの比較から、吸出し量予測精度の向上を図った。これらの成果を第26回ISOPE国際会議プロシーディングと土木学会論文集B2Vol.72No.2で発表した。また、ISOPEジャーナルに投稿中である。さらに、精度向上を図った前面洗堀予測法を用いてタイ国Khlong Wan海岸での検討成果を土木学会論文集B3Vol.72No.2で発表した。また、タイ国Chumphon海岸での検討成果を土木学会論文集B2Vol.73に投稿中である。高波関係の進捗状況は、当初予定より進んでいる。以上から、総合的な進捗状況は概ね順調と言える。1)津波対策施設の計画・設計法の開発1通常のPCを用いて、広範囲・小格子間隔での予測計算を実行できるように、山本ら(2009)が開発した平面二次元の地形変化予測数値モデル(防潮林の低減効果と構造物の有無を考慮できる)の入出力法を簡便にして、マニュアルも作成したので、近日中に一般公開すべく準備中である。2Ribberink(1998)の掃流砂量算定式の補正係数を、底質の中央粒径、均等係数などによって決定できる算定図を提案し、2011年東日本震災による宮城県での津波被害に対する検証に基づく、海岸堤防・避難マウンド周辺での洗堀予測結果を2018年6月のISOPE国際会議で発表予定(決定)であり、さらに、発展内容を土木学会論文集B2に投稿中である。したがって、堤防の安定性と洗掘状況を考慮しながら、各種対策工による被害低減効果を評価できる数値モデルを造り上げたと言える。2)高波による洗掘・吸出し対策法の開発1学生と共に、裏込め材の中央粒径の違いを考慮して、堤体からの吸出し量を予測できる算定式とCADMAS-SURFとの組合せ計算法を発表していたが、現地海岸でも使える様に改良した算定法と吸出し対策法を2015年の土木学会論文集B2で発表した。また、裏込め材の均等係数と乾燥密度の影響も考慮できる算定式と、前述の組合せ計算法の改良法を、2016年の土木学会論文集B2で発表した。さらに、通常のパーソナル・コンピュータを用いて準三次元的に時々刻々の吸出し量と吸出し断面を予測できる数値計算システムも構築した。現地海岸への適用結果を土木学会論文集B2へ投稿中である。2洗掘量を簡便に推定できる算定図も作成し、2015年の土木学会論文集B2で発表した。したがって、三面張り堤防や二面張り護岸に対する効果的な洗掘・吸出し対策検討を可能にする手法を準備出来たと言える。1)津波浸水対策検討時の注意点を2016年東海大学紀要に発表。漂砂量係数算定図を作成し、津波地形変化数値モデルによる津波対策計画検討結果を2018年6月のISOPE国際会議で発表。さらに、発展的内容を土木学会論文集に投稿中。
マイクロ材料試験による鋼のマルテンサイト強度発現機構の解明と強靭化設計への展開

マルテンサイト組織は鋼の強化設計の基盤となるきわめて重要な組織であるが、そのintrinsicな機械的性質や強化メカニズムについては、現在でも不明な点が残されている。これはマルテンサイトの微視組織が複雑な階層的構造を呈しているためである。本研究では研究代表者らが開発したマイクロ材料試験技術に加え、結晶塑性有限要素シミュレーションを活用して、マルテンサイトの強度発現機構を明らかにするとともに、マルチスケール的な強化設計へと展開し、強度・靱性に優れる鉄鋼材料設計の指導原理の提案へとつなげる。平成30年度においては、複数ブロックやパケット構造を模擬した試験片に対して結晶塑性有限要素シミュレーションによる引張試験を行い、実際のマイクロ引張試験結果と比較することで、マルチスケールシミュレーションへの展開の可能性について検討した。前年度までの成果で、ラスマルテンサイト組織については、ラスの集合体であるブロックが機械的性質を支配する最小組織単位と見なせることがわかったが、同時に結晶塑性異方性が生じることも明らかとなった。そこで単一ブロック組織に対する変形挙動のシミュレーションの精度を向上させるために、適用するパラメータの最適化を進めた。その結果、単一ブロック試験片のマイクロ引張試験について、昨年度よりも精度よく変形挙動を再現することが可能となった。また、複数ブロックから構成される試験片及びパケット境界を有する試験片に対しても改善したパラメータを用いることで、強度、変形挙動に対するシミュレーションの精度を大きく向上させることができた。上記の結果は、本研究で開発した結晶塑性有限要素シミュレーションにより、階層的微視構造を有するマルテンサイト組織の力学特性を完全に再現できることを示しており、バルクのマルテンサイト組織鋼の機械的性質評価が、本シミュレーションによって可能になることを示唆している。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。これはマルテンサイト組織が複雑な階層的構造をしているためである。研究代表者らは材料組織から微小試験片を採取し、微小領域における変形挙動及び機械的性質を評価できる手法を世界で初めて開発している。本研究ではこの新しい材料試験技術を利用して、複雑な階層構造を有する鋼のマルテンサイト組織の強度発現機構の解明を行うことを目的としている。平成27年度においては、[1]ラスマルテンサイトの各階層組織から微小試験片を採取する手法と、そのマイクロ引張試験技術の確立を行うとともに、[2]単一構成組織要素の試験結果に基づいて、マルテンサイトラスのintrinsicな強度を明らかにした。また、[3]各構成組織要素の結晶塑性モデリングを行い、計測結果との比較検討を行った。その結果、[1]に関しては、FIBとEBSDを用いて、1つのパケットから微小試験片切り出し、本研究室で開発したマイクロ材料試験機を用いることで、引張試験を行うことに成功した。[2]に関しては、ブロックの晶癖面の方位を変えた試験片を切り出して引張試験を行うことで、一つのブロックにおける臨界分解せん断応力(CRSS)を算出することができた。その結果、晶癖面内すべりのCRSSは、面外すべりのCRSSより低いこと、また、マルテンサイトも一つのブロック内では大きく塑性変形することも判明した。[3]に関しては、[2]で算出したCRSSに基づいて結晶塑性有限要素を用いて、計算機シミュレーションにより応力ーひずみ曲線及びその方位依存性を求めたところ、マイクロ引張試験片で計測された結果と一致した。この結果は、材料組織の構成要素から、マクロな機械的性質を予測できる可能性を示唆している。本年度に目標としていた3つの研究計画について、すべて順調に実施することができただけでなく、次年度に行う予定であった複数の構成組織要素を含む計算機シミュレーションの一部を前倒しで行うことができたことから、当初の計画以上に進展していると判断した。研究代表者らは材料組織から微小試験片を採取し、微小領域における変形挙動及び機械的性質を評価できる手法を世界で初めて開発しており、本研究ではこの新しい材料試験技術を利用して、複雑な階層構造を有する鋼のマルテンサイト組織の強度発現機構の解明を行うことを目的としている。平成28年度においては、[1]ラスマルテンサイトの単一ブロック、単一パケットから切り出した微小試験片に対してマイクロ引張試験を行うことで、ラスマルテンサイトの強化機構を明らかにするとともに、[2]ラスマルテンサイトのパケット構造を模擬したモデル結晶に対して結晶塑性有限要素シミュレーションを行うことで、変形機構の検証を行った。[1]に関しては、FIBとEBSDを用いて、ブロック境界を含まない単一ブロック試験片とブロック境界を含む単一パケット試験片を作製し、マイクロ引張試験を行った。その結果、単一ブロック試験片においても、晶癖面内、面外すべりの活動により、その降伏挙動に異方性が生じること、また、単一パケット試験片においては、晶癖面外すべりが活動したときには、ブロック境界がすべりの障害となり、強度上昇に大きく寄与することを明らかにした。さらに、[2]については、上記の力学的異方性を各ブロックの変形挙動に取り入れて結晶塑性有限要素シミュレーションを行うと、上記の変形挙動を完全に再現できることが確認でき、ラスマルテンサイトの強化機構の検証を行うことに成功した。

上記の結果は、計算機シミュレーションによる材料強化設計に大きく寄与するものとなる。平成28年4月に発生した熊本地震により、使用する機器が大きな損傷を受け、約6ヶ月ほど研究が中断し、研究の進捗が危ぶまれた時期もあったが、その後、平成28年度の年度末までに研究を加速させることで、当初に計画した内容をすべて実施することができた。そのため、おおむね順調に進展していると判断した。マルテンサイト組織は鋼の強化設計の基盤となるきわめて重要な組織であるが、そのintrinsicな機械的性質や強化メカニズムについては、現在でも不明な点が残されている。これはマルテンサイト組織が複雑な階層的構造をしているためである。本研究では研究代表者らが独自に開発したマイクロ材料試験技術を利用して、複雑な階層構造を有するマルテンサイトの強度発現機構を明らかにすることで、マルチスケール的な強化設計へと展開し、強度・靱性に優れる鉄鋼材料設計の指導原理の提案へつなげる。平成29年度においては、前年度までに得られたラスマルテンサイト組織鋼におけるマイクロ引張試験の成果を基にし、結晶塑性有限要素シミュレーションの結果と合わせて、ラスマルテンサイトにおける変形及び強化メカニズムの解明を進めた。また、新たにレンズマルテンサイト組織鋼についても、マイクロ材料試験を行い、その強度発現機構の検討を行った。ラスマルテンサイト組織については、前年度のブロック境界の影響に加え、変形挙動に及ぼすパケット境界の影響を調査した。マイクロ引張試験において、すべり線の発達状況を詳細に観察するとともに、透過型電子顕微鏡により下部構造を観察した結果、パケット境界もすべりの障害となり、ラスマルテンサイトの強化に大きく寄与することが示唆された。また、引張試験時の結晶塑性有限要素シミュレーションを行った結果、実験と同じ挙動が再現できた。以上の結果から、ラスマルテンサイトにおいては、ブロック境界に加え、パケット境界も強化機構として働くことが判明した。レンズマルテンサイトについては、全面レンズマルテンサイト組織としたFe-30%Ni合金から、組織要素(ミッドリブ領域、ナノ双晶領域等)ごとに微小試験片を切り出し、マイクロ引張試験を行った。その結果、ナノ双晶が強度に大きく寄与していることが判明した。本年度は目標としていたラスマルテンサイトの微視レベルでの強化機構の解明について目途をつけることができた。また、結晶塑性有限要素シミュレーションとの連携も行えるようになり、実験結果をうまく再現できる手法の開発に成功した。さらに、レンズマルテンサイトについても、マイクロ材料試験を実施できた。以上のように、当初の目的を達成できていることから、「概ね順調に進展している」と判断した。マルテンサイト組織は鋼の強化設計の基盤となるきわめて重要な組織であるが、そのintrinsicな機械的性質や強化
高プラトー応力と広プラトー領域を兼ね備えた革新的ポーラスアルミニウムの開発

ポーラスアルミニウム(Al)はAl内部に多くの気孔を含む多孔質構造を有するため超軽量な材料である.加えてポーラス化により衝撃吸収能や吸音性,断熱性といった優れた機能を持たせることができる.これらの機能により衝撃吸収材にポーラスAlを適用することで衝突時の衝撃緩和などの効果が期待される.更に,調和組織を利用することで,ポーラスAlの高プラトー応力と広プラトー領域を兼ね備えたポーラスAlが得られる.ポーラスアルミニウムは多孔質構造を有する素材である.そのため,緻密材と比べ,軽量なだけでなく優れた衝撃吸収性,断熱性,吸音性などを有する.軽量性により,自動車用部材へ適用することで燃費の改善が可能となる.また,自動車部材への適用に際して安全性を確保するために,圧縮特性の向上が必要である.しかし,純アルミニウム単体のポーラスアルミニウムでは圧縮特性の向上には限界がある.そこで,圧縮特性を向上させる目的として純アルミニウムに高強度なアルミニウム合金粉末を添加することを考えた.アルミニウム合金粉末は優れた比強度を有している.そのため,ポーラスアルミニウム中に高強度なアルミニウム合金粒子が存在することにより,圧縮特性のさらなる向上が期待できる.ポーラスアルミニウムの作製方法として,摩擦粉末焼結法(Friction powder sintering process)を採用した.摩擦粉末焼結法は,摩擦熱および圧縮過重負荷を部分的に数十秒間加えることにより,混合粉末を焼結させることができるため,雰囲気全体を長時間加熱する必要がない作製方法である.加えて,焼結とスペーサー粒子の除去に外部熱源が不要であることから,生産性の向上および環境負荷の低減が可能である.本研究では摩擦粉末焼結法を用いて気孔率70%のアルミニウム合金粉末を添加したポーラスアルミニウムの作製を試みた.静的圧縮試験によりポーラスAlの圧縮特性の評価を行った.これによりアルミニウム合金粉末添加が圧縮特性にどのような影響を及ぼすか検討した.純Al粉末(粒径3 μm),アルミニウム合金粉末(粒径26-38 μm)とNaCl粉末(粒径300-425 μm)を原材料として用いた.このように,段階的に変化させることが,良好な焼結性が得られると経験的に分かった.それら粉末を混合し,摩擦粉末焼結法により焼結させた後,NaClを水洗により除去することで,本研究のポーラスアルミニウムを得た.水洗時における焼結不足による崩れは見られなかった.また,作製したポーラスアルミニウムに対してX線CT撮像を用いてNaClの除去の完了の確認およびポーラスアルミニウムの気孔形態の観察を行った.X線の透過率の違いからアルミニウムが存在する部分は白く写り,黒い部分はポーラスアルミニウムの気孔であると判別できる.このことからNaClは完全に除去されたことが確認できた.そして,気孔形状に注目してみるとポーラスアルミニウムの気孔はスペーサーであるNaClの形状を転写した形状を有していることが確認された.得られたポーラスアルミニウムの応力ひずみ曲線から,アルミニウム合金粉末の混合の有無にかかわらず,ポーラス金属の特徴である応力値がほぼ一定となるプラトー領域が確認された.また,アルミニウム合金粉末を混合することで,圧縮応力およびプラトー応力値は上昇することが分かった.ポーラスアルミニウム(Al)は多孔質構造を有する素材である.そのため,緻密材と比べ,軽量なだけでなく優れた衝撃吸収性,断熱性,吸音性などを有する.軽量性により,自動車用部材へ適用することで燃費の改善が可能となる.また,自動車部材への適用に際して安全性を確保するために,圧縮特性の向上が必要である.しかし,純Al単体のポーラスAlでは圧縮特性の向上には限界がある.そこで,純Alに高強度なAl合金であるADC12Al合金粉末を添加することで圧縮特性の更なる向上を目指す.ポーラスAlの作製は,摩擦粉末焼結法(Friction powder sintering process)により行った.摩擦粉末焼結法はスペーサー法の一種であり,気孔形態の制御が容易なため圧縮特性の安定化につながると考えられる.本研究では摩擦粉末焼結法を用いて,A6061およびADC12Al合金粉末を添加したポーラスAlの作製を試みた.得られたポーラスAlはX線CT撮像により気孔形態の観察を行った.その後,静的圧縮試験によりポーラスAlの圧縮特性の評価を行った.これによりADC12Al合金粉末添加が圧縮特性にどのような影響を及ぼすか検討した.これら合金粉末を添加した場合でも,ポーラスAlは水洗時による崩れが見られず,十分な焼結が行われていた. X線CT撮像による気孔観察では,気孔はNaClの形状を転写した形を有していることが確認された.このことから気孔率,気孔形態の制御が可能であり,摩擦粉末焼結法の特徴を満たしていると考えられる.また,応力ーひずみ線図も合金粉末の添加量の増加に伴い,プラトー応力の上昇が見られ,かつ延性的な曲線を示した.以上のことから合金粉末添加ポーラスAlの機械的性質は向上したと考えられる.ポーラスアルミニウム(Al)はAl内部に多くの気孔を含む多孔質構造を有するため超軽量な材料である.加えてポーラス化により衝撃吸収能や吸音性,断熱性といった優れた機能を持たせることができる.これらの機能により衝撃吸収材にポーラスAlを適用することで衝突時の衝撃緩和などの効果が期待される.更に,調和組織を利用することで,ポーラスAlの高プラトー応力と広プラトー領域を兼ね備えたポーラスAlが得られる.

アルミニウム合金粉末の混合量と,プラトー応力の関係を整理することや,他の焼結法(スパークプラズマシンタリング)等と,比較を行うことなどを検討する.また,スペーサーとして,どの粒径のものが最適かについても検討する.気孔率は,60%,70%,80%となるようにNaClを混合し,それぞれについて比較を行う.金属材料工学
近代日本形成期の地域社会構造と地方制度

近世-近代移行期の、地方諸団体において発生する機能不全の問題と、その変容の過程についての研究を行なった。具体的な内容は以下のとおりである。1災害時救済をめぐる機能不全とその変容の検討。対象としては、「小川家文書」「当麻家文書」「当麻伝兵衛家文書」(以上、小平市中央図書館所蔵)、「東京府文書」(東京府公文書館所蔵)、「堀江家文書」(中野区立歴史資料館に複製所蔵)、「大熊(正)家文書」、「埼玉県行政文書」(以上、埼玉県立文書館所蔵を利用した。第一に近世中後期の武蔵野新田地帯における災害・凶作時の諸救済の類型化を行ない、天保飢饉以降、村を単位とする富裕者による貧困層の救済が比重を増すこと、それが村の共同性の成熟であると同時に腐朽であることを解明した。第二に、それを引き継ぐ維新期直轄県における備荒儲蓄政策はその隘路を打開するという政策目的を持っていたが、結果的には救済の主体たりえず、失敗に終わることを論じた。2幕末維新期の村方騒動と、それに対応した村落運営の再編過程の検討。対象としては「武蔵国大里郡大麻生村古沢家文書」(国立国文学研究資料館史料館所蔵)を利用した。当該村では文政期以降、くりかえし村方騒動が発生しており、明治期に入ると対応策として村内での意思決定過程が制度化されてゆくことを明らかにし、それに平行して近世期の「組」を単位とする共同性が一村レベルの共同性へ集約されてゆくことを論じた。
カロリー制限関連ｍｉｃｒｏＲＮＡ：ヒト加齢疾患マーカーとしての可能性

microRNA(miRNA)は、細胞内において蛋白質翻訳抑制に関与する非コードRNAである。近年、血液中にmiRNAが存在することが明らかとなり、新たなmiRNAの機能が明らかにされつつある。中でも、個体の栄養状態や老化によって、c-miRNA発現量が変化するのは興味深い。そこで本研究では、ヒト血漿試料における血液循環型miRNA(c-miRNA)の機能解析及びヒトバイオマーカーへの応用を試みた。その結果、高血圧及び肥満において有意に発現変動するc-miRNAが存在することが明らかとなった。生活習慣病のバイオマーカーとして応用可能であると考えられる。本研究計画では、実験的(カロリー制限マウス血漿に存在する循環型miRNA (circulating miRNA: c-miRNAs)網羅的解析)及び疫学的(長崎県離島地域における動脈硬化と遺伝子多型解析)アプローチによって得られた解析結果を統合し、c-miRNAを指標とした加齢・加齢性疾患・生活習慣病のバイオマーカーの探索を目的とする。近年、様々な病態に関与している血液中循環型c-miRNAsの存在が認められた。従って、加齢や生活習慣病の発症にmiRNAが何らかの役割を担っていると考えられているが、分子メカニズムは未だ明らかにされていない。そこで本研究では、まず初めに、長崎県五島市・雲仙市の住民健診受診者を対象とした疫学調査で集積された約3300の血漿、疫学データを利用して、肥満、高血圧、動脈硬化を有する人を、各群30名程度を抽出し、それら血漿サンプルを調整した。そして、抗ヒトAgo2抗体を用いた免疫沈降法を用いて、調整された血漿サンプルに含まれるc-miRNAを精製した。最後に、定量PCR用サンプルを作製した。複数のmiRNAを定量した結果、特定のmiRNAの発現レベルが高血圧群と肥満群において有意に低かった。さらに他のmiRNAを検索中であるが、いくつかのmiRNAの発現レベルと生活習慣病関連病態との相関が予測された。カロリー制限マウスで有意に変動したmiRNAは、代謝に関連していることが示唆された。今後、これらのmiRNAが制御する代謝経路の解析を進める予定である。miRNAは、細胞核内で既存遺伝子と同様に転写され、核外へ移行する。その後、細胞質内で様々な修飾を受けて最終的にArgonaute2(Ago2)蛋白質と複合体を形成して、標的mRNAへの結合を介して蛋白質翻訳制御に関与する。近年、血液中において循環型c-miRNAsの存在が認められ、様々な病態に関与していることが示されていた。従って、加齢や生活習慣病においても何らかの役割を担っていると考えられているが、分子メカニズムは未だ明らかにされていない。そこで本研究では、まず初めに、長崎県五島市・雲仙市の住民健診受診者を対象とした疫学調査で集積された約3300の血漿、疫学データを利用して、ヒト血漿サンプルの分類を行った。具体的には、年齢、性別、動脈硬化指数、BMI、血圧、中性脂肪、コレステロール等の血液生化学、喫煙、飲酒習慣などの基本データを用いた分類である。次に、動脈硬化疾患保有者、動脈硬化指数高度群、高中性脂肪群、高コレステロール群等、各群30名程度を抽出し、それら血漿サンプルを調整した。来年度は、マウスを用いた実験的アプローチによって得られた結果を基に、老化・生活習慣病関連c-miRNAを抽出して、ヒトにおける発現様態を詳細に解析する予定である。本年、まず初めに、長崎県五島市・雲仙市の住民健診受診者を対象とした疫学調査で集積された約3300の血漿、疫学データを利用して、ヒト血漿サンプルの分類を行った。次年度、候補となるmiRNAの定量を行う予定であり、研究計画に従い進行している。

昨年度、凍結保存された血漿からヒトAgo2抗体を用いた免疫沈降法を応用してmiRNAを高純度に含むRNA画分を調製した。今後、SYBR Green法(Exiqon)、TaqMan Probe法を用いて定量的qPCRを行いmiRNA発現レベルを定量する。miRNA測定は、一般的なmRNAのqPCRと比べ、技術的に不安定な場合があるが、我々の研究室では、独自にqPCR法を用いたmiRNA発現定量実験系を確立し、経験も豊富である。また、マウスで同定されたカロリー制限(CR)によって特異的に変動する36種類のmiRNAに焦点を絞ることによって、代謝疾患に特異的に変化するmiRNAを同定できる可能性が高い。有意に変動するCR関連miRNAを同定できた場合、解析対象数をさらに拡大し、メタボリック症候群の各種検査所見との関連性を統計学的に解析する。これらの所見と有意な相関を示すmiRNAは、新規メタボリック、老化マーカーへの応用が期待されるため、知的財産本部と協議のうえ、特許申請、技術移転を行う。一方、CR関連miRNAの機能解析を行う。まず、CR関連miRNAの標的mRNAを同定する。引き続き、miRNA分泌細胞、臓器と標的細胞の同定、バイオインフォマティクスによる新規miRNA候補の同定などを試みる。研究費の全額は、miRNAの定量、タンパク質やmRNAの定量のための試薬に使用される。
後頭頂連合野における刺激顕在性の表現様式

探索条件に応じて目標刺激が決まり、目標刺激の刺激特徴が多様に変化する視覚探索課題をサルに行わせ、後頭頂葉におけるLIP野と7a野から単一ニューロン活動を記録した。その結果、非空間性と空間性選択過程が後頭頂葉の同一領域に混在することを示し、非空間性から空間性選択過程への変換過程の場として後頭頂葉(LIP野、7a野)が重要な役割を果たしていることを示唆した。これらの知見は、後頭頂葉がvisual salience mapとして機能している生理学的証拠を提示した。視覚的選択が行われる過程では、知識や予測にもとづいて特定の空間位置や刺激特徴に注意を向けるトップダウン型の注意だけでなく、ボトムアップ型の注意も重要な役割を果たしている。例えば、多数の赤いリンゴの中で1つだけある黄色いミカンのように、基本的な特徴次元で周囲とコントラストをもつ刺激はポップアウトし(視覚的顕在性が高く)、我々の注意を自動的に惹きつける。注意や視覚選択の理論モデルは、視覚的顕在性にもとづいて複数物体の中から1つの物体が選択されるためには、特徴次元に関係なく各物体の視覚的顕在性を表現する2次元地図(saliency map)が脳内に存在する必要性を指摘している(Koch & Ullman, 1985;Itti & Koch, 1999)。本研究では、このような特徴次元に依存しない視覚的顕在性(visual saliency)が後頭頂連合野(LIP野、7a野)で表現されている可能性を調べることを目的とする。本研究では、(1)"視覚的顕在性の強さ"を心理物理実験によって行動学的に評価する。複数刺激の中で1つだけ異なる刺激を目標として探す視覚探索課題をサルに行わせ、目標に向かうサッカード眼球運動の潜時を計測して、"視覚的顕在性の強さ"を間接的に示す行動学的な指標とした。次に、(2)ニューロン活動記録実験では、(1)の心理物理実験と同一の視覚刺激セットを呈示し、ニューロン応答を後頭頂連合野から記録した。その結果、後頭頂連合野ニューロンが、行動学的に推定された視覚的顕在性の強さを反映するニューロン活動を示すことが見出された。本研究結果の一部は、英文専門誌に投稿・受理された(Journal of Neurophysiology, Ogawa & Komatsu, 2009)。多数の赤リンゴの中で1つだけある青リンゴのように、基本的な特徴次元で周囲とコントラストをもっ刺激は視覚的顕在性が高く、我々の注意を自動的に惹きつける。注意や視覚選択のモデルでは、視覚的顕在性の強度を表現する"saliency map"の存在が示唆されてい(Koch & Ullman, 1985;Itti&Koch, 1999)。本研究では後頭頂連合野(LIP野、7a野)がsaliency mapとしての機能を果たしている可能性を検討するため、刺激の視覚的顕在性の強度を様々に変えた場合、その強度変化がニューロン活動においてどのような形式で表現されているかを調べた。サルには複数刺激の中で1つだけ色の異なる刺激を目標として探す視覚探索課題を訓練し、目標刺激と妨害刺激の色コントラストの大きさを様々に変えて実験を行った。目標刺激の顕在性強度は、目標刺激が呈示されてから選択されるまでに必要な時間を行動学的に計測することにより評価した。その結果、提示された視覚刺激の特徴にかかわらず、視覚的顕在性が強く(弱く)なるほど、視覚刺激が提示されてからニューロン活動が有意に増大するまでの時間が短縮(伸長)することを見出した。このことは、後頭頂連合野において視野内に現れた視覚刺激の顕在性を、その刺激が有している刺激特長にかかわらずに表現できることを示唆している。多数の赤リンゴの中で1つだけある青リンゴのように、基本的な特徴次元で周囲とコントラストをもつ刺激は視覚的顕在性が高く、我々の注意を自動的に惹きつける。注意や視覚選択のモデルでは、視覚的顕在性の強度を表現する"saliency map"の存在が示唆されている(Koch & Ullman, 1985 ;Itti & Koch, 1999)。その結果、提示された視覚刺激の特徴にかかわらず、視覚的顕在性が強く(弱く)

なるほど、視覚刺激が提示されてからニューロン活動が有意に増大するまでの時間が短縮(伸長)することを見出した。このことは、後頭頂連合野において視野内に現れた視覚刺激の顕在性を、その刺激が有している刺激特長にかかわらずに表現できることを示唆している。
局所体のガロア表現の分岐の研究

今年度は主に次の二つの成果を得た。(1)Fontaineによって最初に研究された、実数mとKの有限次Galois拡大Lに対するある条件(Pm)と呼ばれるものがある。昨年度までの結果として、Kの剰余体が完全であるとき、拡大L/Kに対して、条件(Pm)が成立する実数mの下限とL/Kの最大上付き分岐跳躍数が一致することが分かっている。この結果は、振れp進Galois表現の分岐の評価に応用がある。剰余体が完全とは限らない場合でもAbbes-Saitoによるrigid幾何を用いた分岐理論があり、同様の問題を考えることが出来る。今年度は、「L/Kの整数環の各生成元がKの整数環上整閉な加群を生成する」場合に結果を拡張することが出来た。解決の方法として、(Pm)の不分岐基底変換に関する性質と狸猛分岐の消去を用いた。これらの拡大は、下付き分岐と上付き分岐が異なるフィルトレーションを持つようなものも含まれており、一般のGalois拡大に対しても同様に拡張されることが期待される。(2)Kの剰余体が有限体の場合、次数を固定する(正標数の場合は共役差積も固定する)と拡大の個数は有限個であり、Krasnerによってその個数が計算された。同型類の個数については、Mongeによって個数計算の公式が与えられている。Krasnerの公式は、数式処理システムMagmaに既に実装されているが、Mongeの公式についてはまだ実装されていない。Mongeの公式は、基礎体に1の原始p冪乗根を添加した拡大の分岐指数及び剰余次数を計算する必要がある。今年度の結果として、より一般に、代数的元を添加した拡大の分岐指数及び剰余次数を計算するアルゴリズムを与え、Mongeの公式をMagmaで実装することが出来た。また、Deligneの頂切付値環の理論を用いて、正標数の局所体の拡大の生成や個数計算は全て、標数0の場合に帰着出来ることを証明し、Magmaで実装した。(1)研究課題であった完全剰余体を持つ局所体の分岐のFontaineによって導入された(Pm)とよばれる条件による特徴付けについて完全に解決することが出来た。問題解決のために、次の二つを用いた。一つは、局所体上のEisenstein多項式の空間にKrasnerによって導入された超距離を考えることで完全分岐拡大たちを効率良く統一的に扱えるようになった。この結果については、論文「An ultrametric space of Eisenstein polynomials and ramification theory」として纏めジャーナルへ投稿し受理された。二つ目は、Serre-Hazewinkelによる完全剰余体を持つ局所体の類体論を精密化することで完全分岐とは限らない一般のAbel拡大に類体論を適用することが出来るようになった。この結果については学位論文として纏め九州大学へ提出した。シカゴ大学の鈴木貴士氏との共同研究である。(2)上記で得られた結果から応用として、局所のGalois群計算及び拡大識別のアルゴリズムの高速化に関する結果を得た。局所体のGalois群を計算する一般のアルゴリズムはなく、Jones-Robertsによる(分解式を用いて予めGalois群を計算した)データベースとの比較による手法が現在の最も有効なものである。彼らののデータベースでは低次の拡大、剰余標数次の拡大、剰余標数と素な次数の拡大について扱われているが、私は剰余標数次の拡大についてのアルゴリズムの高速化を行い、新たにAbel拡大についてのデータベース生成及び拡大識別のアルゴリズムの高速化を与えた。これらはMagmaのプログラムとしてコードを組みweb上で公開している。九州大学の横山俊一氏との共同研究である。

また、Deligneの頂切付値環の理論を用いて、正標数の局所体の拡大の生成や個数計算は全て、標数0の場合に帰着出来ることを証明し、Magmaで実装した。研究課題の一つであった剰余体完全の局所体の分岐の完全な特徴付けに成功したため。また、そこから得られる応用として、局所体のGalois群計算及び拡大識別についても結果を得ることが出来たため。残った研究課題である剰余体不完全の局所体の分岐の特徴付けについて取り組む。方針として、まずは高次元局所体の場合を考え、加藤の高次元類体論を用いて分岐の特徴付けを行う方針である。また、局所体のGalois群計算及び拡大識別についても拡大のデータベースの次数を上げてデータベースの拡張に取り組む。有理数体と同様に、分解式の計算を高次化することによってGalois群の計算を行う方針である。
超低エネルギー電子－水素分子衝突で発現した新たな散乱現象の研究

超低エネルギーの電子-分子衝突では、電子のde Broglie波長が極めて長くなるだけでなく衝突時間も分子の振動周期程度まで長くなる。このため入射電子と核の運動が強く相互作用することで、特異的な散乱現象が期待される。本研究では、H2について、電子衝突時間が分子の振動・回転周期と近づく超低エネルギー領域の電子衝突全断面積を測定し、入射電子と核の運動が強く相互作用する、特異な散乱現象が観測できるかを確かめることを目的とした。また、H2だけでなく、水素原子の同位体からなるHD及びD2分子についても、超低エネルギー電子衝突断面積を測定し、超低エネルギーの電子-分子衝突における特異な散乱現象を探索・検証することを目的とした。前年度に、我々のグループで開発した放射光を活用した「しきい光電子源」を用いた実験装置を改良し、高分解能・高精度化を達成しており、H2の超低エネルギー電子-分子衝突断面積およびH2の同位体であるHDについても測定することに成功している。この測定により、40meV以下の超低エネルギー領域で、HDとH2の電子衝突全断面積には大きな同位体効果があることが初めて明らかにnっている。本年度は、D2の超低エネルギー電子衝突断面積を測定し、H2及びHDとの間の同位体効果が現れるかを調べた。この結果、D2の超低エネルギー電子衝突断面積はH2のものとほぼ一致することを明らかにした。この結果は極めて興味深いものであり、新たに多中心系の少数多体問題が大きく寄与する散乱問題を提示したことになる。また、本年度は、水素分子の超低エネルギー電子衝突実験で得られた興味深い結果と比較するために、酸素分子の超低エネルギー電子衝突断面積の詳細な解析を行うと共に、いくつかの分子についても世界で初めて超低エネルギー電子衝突断面積を正確に得ることに成功した。本研究では、前年度に、超低エネルギー電子-分子衝突におけるH2とHDの間の大きな同位体効果を初めて見出し、極めて重要な知見を得ている。この結果、D2の超低エネルギー電子衝突断面積はH2のものとほぼ一致し、H2とD2の間では同位体効果が見られないことが分かった。このことは多くの示唆に富んでおり、本研究当初に予期していた「入射電子と核の運動が強く相互作用して起きる特異的な散乱現象」が観測できたものの、その現れ方は予期していたものよりも複雑なものであることを示している。すなわち、本研究の当初の目的の達成には極めて近づている。一方で、より研究を深めるには、水素分子のみならず、他の分子を標的とした研究も必要となってきた。本年度までに得ることができた、H2、D2およびHDについての超低エネルギー電子衝突断面積の振る舞いを、入射電子と核の運動の相互作用を無視した従来の一般的な理論モデルと比較することで、新たな散乱現象の解明を目指す。さらに、本年度に引き続いて、水素分子の超低エネルギー電子衝突実験で得られた興味深い結果と比較するために、いくつかの分子についての超低エネルギー電子衝突断面積の測定を行う。実験は、前年度同様、高エネルギー加速器研究機構・物質構造科学研究所・放射光実験施設において、ビームタイムの中で行う。なお、本年度は真空排気ポンプの故障が目立ってきたので、排気系の増強が必要である。本研究では、H2の電子衝突全断面積について、世界で議論になっている100 meV近傍の特異な構造の有無の確認し、入射電子と核の運動が強く相互作用した結果であるかを確かめることを目的とした。さらに、H2およびその同位体を用いて、超低エネルギーの電子-分子衝突における特異な散乱現象を探索することを目的とした。また、本年度は、我々のグループで開発した実験装置をさらに改良した上で、H2の超低エネルギー電子-分子衝突実験を行い、従来よりも遥かに低いエネルギーまで、その電子衝突全断面積を測定することに成功した。本測定では、世界で初めて、10 meV以下の超低エネルギーから信頼の置ける実験結果が存在する20 eVまでに亘って、単一の実験装置による連続的な測定を達成し、極めて信頼性の高いデータを得ることが出来た。その結果、H2の100 meV近傍の特異な構造は存在しないことが分かった。本研究で得られた電子衝突全断面積は、最も簡単な分子の散乱断面積として、理論の検証に重要であるだけでなく、極めて広い応用における基礎データとしても重要である。本年度は、さらに、H2の同位体であるHDについても測定することに成功した。この測定により、40meV以下の超低エネルギー領域で、HDとH2の電子衝突全断面積には大きな同位体効果があることが初めて明らかになった。この同位体効果こそ、入射電子と核の運動が強く相互作用して起きる特異的な散乱現象結果ではないかと考えられる。本年度は、装置の高性能化とそれに基づく、H2の超低エネルギー電子-分子衝突実験を計画した。

装置の高性能化は、高分解能化を目指した、装置の心臓部である衝突セルの構造・部材の再検討による改良であったが、この改良は、当初計画以上に大きな効果を発揮し、高分解能化だけでなく、装置の安定性向上も達成された。また、H2の超低エネルギー電子-分子衝突実験を高エネルギー加速器研究機構・放射光実験施設(KEKーPF)において行った。上記の装置改良により、これまでよりも遥かに低いエネルギーまで、その電子衝突全断面積を測定することに成功し、有用な実験データを得ることが出来た。さらに、H2の同位体であるHDについても測定に成功し、H2の電子衝突断面積との間に、大きな同位体効果があることを見出した。この同位体効果こそ、本研究で目的とする入射電子と核の運動が強く相互作用して起きる特異的な散乱現象結果ではないかと考えられる。以上により、本研究は当初計画以上に順調に進んでいる。超低エネルギーの電子-分子衝突では、電子のde Broglie波長が極めて長くなるだけでなく衝突時間も分子の振動周期程度まで長くなる。このため入射電子と核の運動が強く相互作用することで、特異的な散乱現象が期待される。本研究では、H2について、電子衝突時間が分子の振動・回転周期と近づく超低エネルギー領域の電子衝突全断面積を測定し、入射電子と核の運動が強く相互作用する、特異な散乱現象が観測できるかを確かめることを目的とした。また、H2だけでなく、水素原子の同位体からなるHD及びD2分子についても、超低エネルギー電子衝突断面積を測定し、超低エネルギーの電子-分子衝突における特異な散乱現象を探索・検証することを目的とした。前年度に、我々のグループで開発した放射光を活用した「しきい光電子源」を用いた実験装置を改良し、高分解能・高精度化を達成しており、H2の超低エネルギー電子-分子衝突断面積およびH2の同位体であるHDについても測定することに成功している。この測定により、40meV以下の超低エネルギー領域で、HDとH2の電子衝突全断面積には大きな同位体効果があることが初めて明らかにnっている。本年度は、D2の超低エネルギー電子衝突断面積を測定し、H2及びHDとの間の同位体効果が現れるかを調べた。この結果、D2の超低エネルギー電子衝突断面積はH2のものとほぼ一致することを明らかにした。この結果は極めて興味深いものであり、新たに多中心系の少数多体問題が大きく寄与する散乱問題を提示したことになる。また、本年度は、水素分子の超低エネルギー電子衝突実験で得られた興味深い結果と比較するために、酸素分子の超低エネルギー電子衝突断面積の詳細な解析を行うと共に、いくつかの分子についても世界で初めて超低エネルギー電子衝突断面積を正確に得ることに成功した。本研究では、前年度に、超低エネルギー電子-分子衝突におけるH2とHDの間の大きな同位体効果を初めて見出し、極めて重要な知見を得ている。この結果、D2の超低エネルギー電子衝突断面積はH2のものとほぼ一致し、H2とD2の間では同位体効果が見られないことが分かった。このことは多くの示唆に富んでおり、本研究当初に予期していた「入射電子と核の運動が強く相互作用して起きる特異的な散乱現象」が観測できたものの、その現れ方は予期していたものよりも複雑なものであることを示している。すなわち、本研究の当初の目的の達成には極めて近づている。
ホウライシダ原糸体細胞の成長様式の変化に伴なう細胞骨格の変種とその役割

赤色光下で先端成長をするホウライシダ原系体には,先端部周辺に成長軸と直交して微小管がリング状に配向しており,先端部の形状維持に何らかの役割を持っていると考えられる.一方この細胞はコルヒチン等微小管阻害剤の処理,または青色光の連続照射によって先端が膨潤することが報告されている.本研究では,先端膨潤に伴なう微小管配向・分布の変化と,細胞壁を構成するミクロフィブリルの配向を,蛍光抗体法および白金シャドウレプリカにより観察した.原系体は胞子を1日間暗所で吸水させた後5日間0.5Wm-2の赤色光下で培養したものを使用した.この原系体に5mMコルヒチンまたはmMのアミプロフォスメチル(APM)を投与すると,それぞれ約3時間後,時間後には先端膨潤が観察された.微小管は先端膨潤に先立つ投与後約1時間,および30分後にほとんど消失した.一方青色光(1.2Wm-2)による先端膨潤時には,照射後約2時間で先端膨潤が観察され,リング状先端部微小管の配向は,照射後約1時間にランダムになった.ただし消失はしていなかった.赤色光下で伸長中の原系体先端部のミクロフィブリルの配向は,極先端部ではランダム,亜先端部では先長軸と直交,すなわちリング状微小管と同方向,それより下では生長軸と平衡であった.青色光による膨潤時には亜先端域を含む先端では微小管の配向同様ランダムであったが,微小管阻害剤処理による先端膨潤時には,極先端部を除くごく広い範囲で生長軸と直交に配向していた.微小管阻害剤によるリング状構造の消失にもかかわらず,ミクロフィブリルの配向が見られたことは,ミクロフィブリルの配向に対する微小管の役割をもう一度検討する必要性を示唆している.むしろ微小管の配向を決めている要素の解析が重要であることがわかった.赤色光下で先端成長をするホウライシダ原系体には,先端部周辺に成長軸と直交して微小管がリング状に配向しており,先端部の形状維持に何らかの役割を持っていると考えられる.一方この細胞はコルヒチン等微小管阻害剤の処理,または青色光の連続照射によって先端が膨潤することが報告されている.本研究では,先端膨潤に伴なう微小管配向・分布の変化と,細胞壁を構成するミクロフィブリルの配向を,蛍光抗体法および白金シャドウレプリカにより観察した.原系体は胞子を1日間暗所で吸水させた後5日間0.5Wm-2の赤色光下で培養したものを使用した.この原系体に5mMコルヒチンまたはmMのアミプロフォスメチル(APM)を投与すると,それぞれ約3時間後,時間後には先端膨潤が観察された.微小管は先端膨潤に先立つ投与後約1時間,および30分後にほとんど消失した.一方青色光(1.2Wm-2)による先端膨潤時には,照射後約2時間で先端膨潤が観察され,リング状先端部微小管の配向は,照射後約1時間にランダムになった.ただし消失はしていなかった.赤色光下で伸長中の原系体先端部のミクロフィブリルの配向は,極先端部ではランダム,亜先端部では先長軸と直交,すなわちリング状微小管と同方向,それより下では生長軸と平衡であった.青色光による膨潤時には亜先端域を含む先端では微小管の配向同様ランダムであったが,微小管阻害剤処理による先端膨潤時には,極先端部を除くごく広い範囲で生長軸と直交に配向していた.微小管阻害剤によるリング状構造の消失にもかかわらず,ミクロフィブリルの配向が見られたことは,ミクロフィブリルの配向に対する微小管の役割をもう一度検討する必要性を示唆している.むしろ微小管の配向を決めている要素の解析が重要であることがわかった.
超小型衛星・航空機用マイクロ液体スラスターの試作研究

重量1kg以下の航空宇宙機の位置および姿勢を制御するために、自由度の大きな液体燃料を採用することを前提条件として、限られた電力量と数十グラムオーダーの重量制限のもとでマイクロスラスターの開発を行った。具体的には、高濃度過酸化水素水を角いたモノプロペラント方式とし、タンクアレイやピエゾポンプなど燃料供給系の試作実験とともに、特に、MEMS技術に適合した白金触媒やマイクロヒーターを新たに開発しながら、各要素性能と微小空間での熱流体力学的現象との関係について探求した。シリコンとガラスを用いた深さ20ミクロン程度のマイクロチャンネル中での液体から気体への変化は表面効果の卓越により、濡れ性に大きく依存した流動様式であることを数値解析手法も併用しながら実験的に明らかにし、その濡れ性を制御するための多孔質への表面改質技術も新たに提案し確立した。また、その多孔質表面は触媒の担持体としても有効であることがわかった。スラスターとしての性能は、ヒーターからのエネルギー供給とともに触媒のミクロな形状に強く依存するとがわかった。直径2ミクロン深さ5ミクロン程度の密な多孔質構造の上に湿式で施した白金堆積は単なる白金薄膜蒸着に比べ性能が大きく向上することもわかった。当該研究期間においては過酸化水素水の濃度が60%までしか試験できていないために、得られた比推力は未だ不十分であるものの、製作法と物理現象の理解がともに大きく進展したものと結論できる。液体燃料を用いたマイクロスラスターを試作するため、今年度はマイクロチャンネル中での液体の蒸発現象の観察およびマイクロタンクアレイシステムの試作を行った。液体燃料としては将来的には過酸化水素水やHANベース推進剤を計画しているが、ここではその予備実験として電気絶縁性に優れたフロリナートあるいは純水を用いている。まず1mmX3mmのマイクロチャンネルの高さを20ミクロンから5ミクロンまで変化させてその中での蒸発の様子を高速度カメラで観察するために、チャンネルはシリコンウエハーのウエットエッチングで形成し、それに接合するガラス基板に透明なITO薄膜をスパッタしてパターニソグすることでヒーターとした。流動様式はチャンネル高さに強く依存し、また5ミクロン程度まで狭くなるとナノメートルオーダーであるはずの表面粗さが大きく現象を左右することがわかった。平行してガラス板に直径2mm長さ3mmの孔をアレイ状に設けて、それぞれの上にはシリコンウエハーを10ミクロン程度まで薄くなるようエッチングした部分が蓋となるように接合して使い切りのタンクアレイを試作した。この蓋の上には金薄膜製の電極を100ミクロン程度間隔をあけて配置してあり、瞬間的に高電圧をかけることで一個一個の蓋が破れて中の液体がうまく供給できることが確認できた。この現象を詳しく調べたところ、電極間の放電によるシリコン膜の亀裂の生成に、熱による相変化に伴って増大したタンク内部の圧力が加わることで、これまで困難とされた厚い蓋が開く動作が達成されたと考えている。重量1kg以下の航空宇宙機の位置および姿勢を制御するためのマイクロスラスターの開発を行っている。燃料として自由度の大きな液体を採用することを前提条件として、グラムオーダーの重量とともに、100秒以上の比推力を持つスラスターの完成を最終的に目指している。具体的には、高濃度過酸化水素水を用いたモノプロペラント方式とし、特にマイクロ空間での相変化挙動やヒーターおよび触媒の働きを解明しながら、実用にかなうシステムの構築を狙っている。今年度は、マイクロマシン技術を用いて製作した二種類の液体型マイクロスラスターのうち、安定して動作する薄膜ヒーターを用いた蒸発型について真空環境での性能試験を進めた。ただし、薄膜の耐久性が性能を大きく左右することがわかったので、TEOS方式の絶縁膜を製作するための液体ソース気化システムを導入した。真空チャンバーは観測窓と各種導入端子を備えた現有の装置を転用し、スラスターをカンチレバー先端に取り付けて作動させ、観測窓を通して現有のレーザー変位計でその変位を計測することで発生推力を測定した。得られた出力履歴から、始動時の変動が顕著であること、比推力が非常に低いことがわかった。

前者は、シリコンの異方性エッチングで形成されたマイクロチャンネル内での特異な相変化現象に起因すること、後者はスラスター全体の温度が十分には高くなりにくいことが原因である。過酸化水素水燃料を用いたスラスター応用の基礎実験では、白金を堆積したマイクロチャンネル中での自己分解反応が温度や流量ヘどう依存するかについて基礎的な情報が得られた。重量1kg以下の航空宇宙機の位置および姿勢を制御するためのマイクロスラスターの開発を行った。特に、燃料として自由度の大きな液体を採用することを前提条件として、グラムオーダーの重量とともに、100秒以上の比推力を持つスラスターを目指して各種の改良を試験した。具体的には、高濃度過酸化水素水を用いたモノプロペラント方式とし、特にマイクロシステムにおいて触媒やヒーターを利用する手法を開発しながら相変化を含む熱流体力学的現象について検討した。今年度は最終年度ということもあり、超小型衛星で制限の厳しい電力消費の低減を狙って白金触媒の積極的な利用方法について試験を行いそのスラスターとしての性能を得た。製作はマイクロマシン技術を用いて、シリコンウエハ上に微細な溝を形成した上で、その溝の内壁を多孔質化する手法を開発した。LPCVDによるシリコン窒化膜を陽極化成時のマスクとすることで、溝の内面のみに直径2ミクロン深さ5ミクロン程度の密な孔構造を形成できることがわかった。さらに、この多孔質面上に湿式の白金堆積を行い、前駆体の濃度に応じた種々の触媒チャンネルの形成を行った。液体燃料スラスターの反応室としての性能を調べるために、多孔質化していないマイクロチャンネルに白金蒸着を施したもの、多孔質へ蒸着したもの、多孔質へ3通りの粒子状白金触媒を堆積させたものを比較した。比較の方法は、低温での酸素発生実験と、ヒーターを援用する高温での推力計測実験である。結果としては、多孔質の効果と粒子状触媒の効果をともに確認できたが、低温と高温では粒子状触媒の堆積形状の影響に違いが見られた。その原因は相変化の起こっている本システムの特徴であると考察している。最後に、高濃度過酸化水素水燃料を用いたマイクロスラスターの基礎実験として、得られた比推力は不十分であるものの、製作法と現象理解がともに進展したものと結論できる。