hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
理科の指導力を育てる教員養成プログラムの開発

過去の調査から、社会や国語等の理科以外の科目を選修している教員志望学生(以後、非理科生)は、「理科を理解するための科学的に考える力が身についていない」、「小学校で理科の学習項目を教える自信をもてない」という問題を抱えていることが分かっている(下井倉ほか2017,地学教育)。本研究では、非理科生を対象に、彼らに理科の指導の自信をもたせるための指導法を開発する。平成30年度は、複数の学習プログラムの開発を行った(内容は次節)。また、そのプログラムを用いて非理科生を対象にした実践授業を行った。プログラムの実践は、東京学芸大学2年生を対象にした教科(理科)に関する必修科目の授業を利用して行った。この科目の受講者は、全員が非理科生である。プログラムを実施する前に、受講者に対し、プログラムで行う内容について(1)理科に関する苦手意識調査、(2)理科に関する理解度調査を実施した。その結果、5割以上の受講者が理科に苦手意識を持つことが分かった。また、7割以上の受講者が指導すべき理科の内容について理解及び知識不足である問題が明らかになった。そのため、講義は、まず各内容について受講者の知識不足を補うことから始めた。その次に、受講者に各内容を理解させるために、内容に沿った実験または観察を行わせ、実験・観察結果をレポートにまとめさせた。その後、児童への指導案を作成させた。最終講義時に試験及びアンケート調査を実施した結果、受講者に科学的な説明力の向上が見られた。また、理科の指導の自信に対しても向上が見られた。(1)非理科生の知識・理解度合いの把握受講者に対して、プログラムで行う小学校理科の内容についてどれくらいの理解をしているかを知るためのアンケート調査を実施した。受講者数は71人である。その結果、7割以上もの受講者に内容の理解不足が見られた。これは小学校理科の指導に関して深刻な問題である。アンケートでは、「大気圧」、「振り子の等時性」などの語句について30字程度で説明をさせる設問を設けたが満足に説明できたのは全体の3割であった。また、「日なたの地面は暖かく、日かげの地面は涼しいのはなぜか。小学校3年生の児童に説明せよ。」といった説明をさせた設問については、満足に回答した学生は1割に満たなかった。(2)開発プログラムの実践の結果明らかになった非理科生の問題点学習プログラムを実践することにより、非理科生の問題点を明らかにした。「振り子の運動」を例にして以下に述べる。まず振り子についての講義を1限行った。次の1限を用いて、3-4人のグループごとに、実際に児童に実験を行わせることを想定し、小学校第5学年振り子での単元履修目目標を理解して実践させるための実験を行わせた。実験に関する材料はグループごとに用意させた。実験中、振り子の「ひも」が切れる等のグループも見受けられたが、このために予備実験の大切さを指導することが出来た。実験後、受講者には彼らの実験結果をレポートにまとめさせた。その結果、約半数のグループのレポートで「教科書に掲載されている結果」を出すことが実験目標となっている報告が見られた。「"糸につるしたおもりが1往復する時間は、おもりの重さなどによっては変わらないが糸の長さによって変わること"となるはずだが、自分たちのグループの結果はそうならなかったため、どこかで間違えた」または、「自分たちのグループの結果はそうならなかったため、本当は'糸の長さによって変わる'が正解である」。平成31年度は、これまで実施したアンケート調査の詳細解析を進める。また、これまでの実践結果及び受講者の問題点を踏まえ、学習プログラムのブラッシュアップを行う。アンケート調査結果から、5割以上の受講者が数字や数式に対して苦手意識を持っていることが明らかになった。その原因の1つは、非理科生の多くが高校生の時に文系に属し、物理・化学・生物・地学の基礎的な学習を十分に積まないまま大学に入学してくることにある。さらに、大学に入学してからも、理科の内容を直接取り扱う授業(指導法・教育法以外)は、非常に少ない。また、小学校学習指導要領解説「理科」第1目標では、「自然に親しみ、見通しをもって観察,実験などを行い、問題解決の能力と自然を愛する心情を育てるとともに、自然の事物・現象についての実感を伴った理解を図り、科学的な見方や考え方を養う。」となっているが、受講者自身に科学的な見方や考え方が養われていない。この原因としては、非理科生自身が、「問題-仮説-観察・実験-結果-考察-結論」という一連の流れの経験が少ないためであると考えられる。自分自身で出した結果を踏まえて考察し、それらを通して自らの力で結論を導く経験を繰り返さない限り、論理的思考力や科学的な見方は身につかない。以上を踏まえ、講義・実習・授業考案による学習プログラムをブラッシュアップする。1つのテーマの授業時数は2-3時限数程度とし、テーマごとに指導法と教材(実験・観察のための器具とワークシート)の開発を行う。本研究では、教員養成課程所属の教員志望の学生を対象に、彼らに理科の指導について自信をもたせるための指導法を開発する。

過去の調査から、社会や国語など理科以外の科目を選修している小学校教員志望の学生(以後、非理科生)は、「理科を理解するための科学的に考える力が身についていない」、「小学校で理科の学習項目を教える自信をもてない」という問題を抱えていることが分かっている(下井倉ほか2017,地学教育)。このことから、非理科生を対象にした理科の指導法の開発は喫緊の課題である。本研究では、小学校理科の学習項目の内容について、主に非理科生を対象に、彼らに科学現象の本質的な理解と科学的に考える力を身につけさせるための指導法を開発する。平成29年度は、以下の学習プログラムと教材の開発を行った。(1)学習プログラムの開発:小学第4学年「自転」、「公転」、小学第5学年の「振り子の動き」を取り入れた「力とエネルギー」のテーマで学習プログラムを開発した。講義、実習・レポート、授業考案を取り入れた学習プログラムを開発した。(2)非理科生を対象にした教材の開発:小・中学校理科での活用を念頭においた、銀河系の回転と地質年代を関連付けて学習することができる新しい地学教材を開発した。(3)天体望遠鏡の適切な取り扱い方のまとめ:小学校理科の授業で天体望遠鏡を活用することを念頭に、天体望遠鏡の扱いに不慣れな初学者にありがちなトラブルの例を紹介し、その対策や留意点について論じた。(4)理科生と非理科生を対象にした教材の開発:分子分光データ93GHz帯のN2H+分子輝線の学習教材を開発した。この分子輝線の一般的な解析には複雑なプログラムを作成する必要があり、プログラミングに不慣れな学部生が解析を行うことは容易ではない。そこで、本研究では、学部生でも簡単にこの分子輝線の解析法を学べる教材を開発した。上記の(1)について、「力とエネルギー」をテーマにした学習プログラムを開発した。非理科生に「理科を理解するための科学的に考える力」を身につけさせるためには、原理の解説を行い、それを理解させることが重要である。そのため、学習プログラムの内容は「1知識の習得、2科学現象の原理の理解・科学的思考力の養成、3児童にどのように学ばせるかを自らで考える力の養成」の3段階で行った。「力とエネルギー」の学習プログラムは以下のように構成した。1エネルギーを理解するための講義(エネルギー保存の法則、運動量保存則、仕事、重力、周期、など)、2フーコー振子の観察及び実験、3小学第5学年「振り子の運動」の指導案作成。上記の(2)について、「太陽系の旅ー銀河系の回転と地質年代ー」と名付けたこの教材は、NASAが作成した銀河系のイラスト上に、太陽系の公転軌道を時計代わりにして地質年代上の重要な古生物や出来事をプロットしたものであり、A1サイズのポスターとして小学校高等学校の教室に掲示して活用することを想定している。上記の(3)について、理科専攻の学生に対して行った天体望遠鏡の実習に関する教育実践を行った。天体望遠鏡の取り扱い方について、実習時に起きた様々なトラブルから留意点をまとめた。初心者にありがちなトラブルは、アダプター等のネジに関することと、対物レンズ等の取り扱いに関することに大別された。以上の結果とその対策について東京学芸大学紀要に報告した。上記の(4)について、開発した本教材の有用性を確かめるために、東京学芸大学の学部3・4年生に対し、本教材を用いた授業実践を行った。本教材を用いることで、学部生でも分子輝線の解析法を理解できることがわかった。本教材を効果的に利用する上での注意事項(ワークシートの取り扱い方、物理に慣れていない学生への指導法など)も、いくつか明らかになった。
二ホウ化マグネシウム超伝導線材における有機物添加効果に関する研究

MgB_2は金属系超伝導体であるにも関わらず39Kの高い超伝導転移温度を有するため、世界的に線材化研究が急ピッチで進められている。しかしながら現在のMgB_2線材は、実用上最も重要な臨界電流密度が十分でない、という難点があり、これを克服するために芳香族炭化水素等の有機物を原料粉末に添加する研究が行われている。また、ボロン原料粉末も重要であり、ボロン粉末によって超伝導特性が大きく異なることが報告されている。そこで本研究では、結晶ボロン粉末ならびにアモルファスボロン粉末を原料粉末とし、有機物としてリンゴ酸(C_4H_6O_5)を添加してパウダー・イン・チューブ法で線材を作製し、臨界電流特性を調べた。その結果、臨界電流特性はアモルファスボロンの方が結晶性ボロンよりもはるかに高いことがわかった。これは、アモルファスボロンの方が結晶性ボロンよりも熱力学的に不安定であり、より低温の熱処報でMgとの反応が進むためと考えられる。また、低温でMgB_2を合成できるために、生成されるMgB_2結晶粒が微細であり、結晶粒界における磁束線ピン止め点の観点からも有利である。しかしながら12テスラの低い磁界領域においては、結晶性ボロンを使った線材の方がアモルファスボロンを使った線材よりも高い臨界電流密度を示す傾向があり、これは結晶ボロンを使った方が結晶性の高いMgB_2が得られるためと考えられる。また結晶性ボロンにおいては、斜方晶系の結晶構造を持つが、双晶や積層欠陥などの多くの欠陥を有していることがわかった。ボールミル等でさらに多くの欠陥を導入することができれば、アモルファスボロンと同レベルの不安定性に近づき、原料粉末として使うことも可能であると考えられる。リンゴ酸を添加した線材では、アモルファスボロンを使った線材で10Tの磁界,4.2Kの温度において、25,000A/cm^2という、MgB_2線材として非常に高い臨界電流密度の得られることがわかった。しかしながら、均一に添加するのが難しく、得られる線材において超伝導特性のバラツキが大きくなるという問題点がある。そこで本研究では、パウダー・イン・チューブ法によるMgB_2/Feテープ作製において、化学溶液法による炭素化合物添加を実施した。まず、固体の炭水化物を有機溶媒(トルエン)に溶かしこんで溶液を作成し、これにホウ素原料粉末を加えて懸濁液とする。炭水化物としては、リンゴ酸(C_4H_6O_5)を用いた。この懸濁液を低温で加熱して有機溶媒を蒸発させてボロン粉末粒子の表面をリンゴ酸でコートした。次に、このボロン粉末をマグネシウム粉末と化学量論組成比で乳鉢を用いて十分に混合し、内径4mm、外径6mmの鉄管に充填した。これを溝圧延ロールやダイス線引き等で径1mm程度の線材に機械加工した後に、アルゴン雰囲気中で熱処理をしてMgB_2線材を作製した。熱処理温度は600-800°Cと種々に変化させた。この熱処理により、炭水化物が分解してカーボンが遊離するとともに、MgとBが反応してMgB_2が生成されるが、MgB_2が生成する際に、この遊離したカーボンがMgB_2のボロンサイトと一部置き換わってMgB_<2-x>C_xが生成したと考えられる。次に臨界電流を4.2K、種々の磁界中で測定したところ、600°Cの低い熱処理温度で高い臨界電流密度の得られることがわかった。また、臨界電流密度のバラツキも通常の芳香族炭化水素添加の場合よりも小さいことがわかった。

しかしながら12テスラの低い磁界領域においては、結晶性ボロンを使った線材の方がアモルファスボロンを使った線材よりも高い臨界電流密度を示す傾向があり、これは結晶ボロンを使った方が結晶性の高いMgB_2が得られるためと考えられる。また結晶性ボロンにおいては、斜方晶系の結晶構造を持つが、双晶や積層欠陥などの多くの欠陥を有していることがわかった。ボールミル等でさらに多くの欠陥を導入することができれば、アモルファスボロンと同レベルの不安定性に近づき、原料粉末として使うことも可能であると考えられる。リンゴ酸を添加した線材では、アモルファスボロンを使った線材で10Tの磁界,4.2Kの温度において、25,000A/cm^2という、MgB_2線材として非常に高い臨界電流密度の得られることがわかった。
培養内皮細胞の受傷部に於ける細胞遊走性・形態変化とその"流れ"による影響

1、Confluentになった培養血管内皮細胞の半分を機械的に剥離しwound modelを作成した。作成したwound modelの辺縁より遊走する血管内皮細胞をvideomicroscopeおよび顕微鏡写真にて観察しその個々の細胞の遊走距離、形態変化、および細胞全体の遊走面積の観察を行った。コントロール細胞の平均遊走距離は224±153μm/24hours(mean±S.D.)であった。2、EDTAを加えたZero calcium液では24時間後には細胞の遊離が認められた。遊走距離は111±79μm/24hoursと減少する傾向にあった。0mM,10mMATPでは遊走距離に有意の差は認めなかった。3、受傷部位周囲の血管内皮細胞の接着分子(ICAM-1,VCAM-1)の発現について免疫染色を行ったが明らかな染色は得られなかった。4、受傷部血管内皮細胞治癒促進を目的にウシ血管内皮細胞とヒト脂肪組織、ヒト横紋筋、ヒト大網組織、ヒト静脈組織とのcollagen gelを用いてのco-cultureを行った。ヒト組織をコラーゲンゲル内に包埋しその上にウシ血管内皮細胞を重層した。内皮増殖を検討したところヒト横紋筋、ヒト大網組織で内皮増殖作用が見られた。5、受傷部血管内皮細胞の増殖に注目した基質の細胞親和性検討法として培養血管内皮細胞、線維芽細胞を布性人工血管、ePTFE,グルタールアルデヒド処理生体血管、エポキシ樹脂処理生体血管上に播種しその細胞増殖、形態を検討し、生体親和性の良好なモデルとなることが確認された。当研究室培養設備においてウシ大動脈より採取した3種類の血管内皮細胞の培養を既にroutineに行っている。Confluentとなった培養血管内皮細胞の半分を剃刀にて機械的に剥離しwound modelを作成した。作成したwound modelの辺縁より遊走する血管内皮細胞をvideomicroscopeおよび顕微鏡写真にて観察しその個々の細胞の遊走距離、形態変化、および細胞全体の遊走面積を観察しコントロ-ルとした。2)ビデオマイクロスコ-プおよび光顕的観察での形態変化は受傷直後は辺縁細胞のみに変化が表れ、経時的にその変化は辺縁より離れた細胞、および約10細胞内側まで変化はおよんだ。遊走に際して、細胞の厚さが変化し、細胞の接着面積の増加するのが観察された。3)受傷辺縁部のfactor8染色を行ったが受傷部、非受傷部で染色性に変化はなかった。4)EDTA添加された培養液では細胞遊走は押さえられ、24時間後には多数の浮遊細胞がみられた。1)前年に引続き当研究室培養設備においてウシ大動脈より採取した3種類の血管内皮細胞、さらに追加で肺動脈細胞の培養をroutineに行った。Confluentとなった培養血管内皮細胞の半分を機械的に剥離しwound modelを作成した。作成したwound modelの辺縁より遊走する血管内皮細胞をvideomicroscopeおよび顕微鏡写真にて観察しその個々の細胞の遊走距離、形態変化、および細胞全体の遊走面積を観察を平成3年に引続き行った。コントロール細胞の平均遊走距離は224±153um/24hours(means±S.D.)であった。2) EDTAを加えたzero calcium液では24時間後に細胞の遊離が認められた。遊走距離は111+79um/24hoursと減少する傾向にあった。0mM,10mM ATPでは濃度による遊走距離の変化は認めなかった。3)受傷部位周囲の血管内皮細胞の接着分子(ICAM-1,VCAM-1)の発現については免疫染色にて検討中であるが現在の所染色技術が確立していない。4)血管内皮治癒促進を目的にウシ血管内皮細胞とヒト脂肪組織、ヒト横紋筋、ヒト

大網組織、ヒト静脈組織とのco-cultureを行った。ヒト組織をコラーゲンゲル中に包埋しその上にウシ血管内皮細胞を重層した。内皮増殖を検討したところヒト横紋筋、ヒト大網組織で内皮増殖作用がみられた。さらにこのゲル全体を切断しwound modelを作成して内皮増殖を検討したところ同様の結果を見た。
衛星画像による氷河・氷河湖の変動解明:モンスーンアジアと乾燥アジアでの比較

1.空中写真・衛星画像・地図などを利用して衛星画像の判読,マッピングなどの作業を行った.モンゴルアルタイ・インドヒマラヤ・カラコラム.天山山脈などで情報収集を行った.2.それらを総合して氷河変動・氷河湖変動・気候変動を解明した.3.モンスーンアジア地域:ブータンでは,最近50年間の氷河縮小・氷河湖拡大などの変化をまとめ,災害の危険を警告した.インドヒマラヤ地域については,Lahul Himalayaで現地調査をおこない,近年は継続的に氷河末端が後退傾向にあることを確認した.4.乾燥アジア地域:パキスタン北部では,小規模氷河の最近の縮小と,対照的に大きな氷河が拡大傾向にあることが明らかになった.モンゴルモンゴル西部地域(モンゴル・アルタイ)では,1950年前後撮影の航空写真を基にした地形図と2000年前後取得された衛星画像(Landsat7ETM+)の画像を用いて氷河面積変化を明らかにした。氷河面積は1940年代から2000年までに1030%減少し,この縮小は遅くとも1980年代後半までに起こり,それ以降2000年まで氷河形状に目立った変化は認められないことが明らかになった.5.気候変化:最近19602001年のモンゴルにおける気温・降水量・積雪変動を解析した結果,1960,70年代は寒冷多雪であるのに対して,90年代は温暖化に伴って温暖多雪が出現したことが明らかになった.天山山脈周辺の中央アジアでは,既存の地点降水量データ(Global Historical Climatology Network, GHCN Ver.2)に関する基本的な情報をまとめた.GHCNVer.2には,生データと不均質性を補正したデータの2種類あり,中央アジア(特に旧ソ連の国々)の場合,これら2種類のデータが利用可能なため,まず,両者を比較してデータの品質管理を行なう必要があることが分かった.6.まとめ:以上の結果,モンスーンアジアと乾燥アジアでの氷河変動の様相が異なっており,それと対応する気候変化が存在することが明らかになった.1.空中写真・衛星画像・地図などを利用して衛星画像の判読,マッピングなどの作業を行った.モンゴルアルタイ・インドヒマラヤ・カラコラム.天山山脈などで情報収集を行った.2.それらを総合して氷河変動・氷河湖変動・気候変動を解明した.3.モンスーンアジア地域:ブータンでは,最近50年間の氷河縮小・氷河湖拡大などの変化をまとめ,災害の危険を警告した.インドヒマラヤ地域については,Lahul Himalayaで現地調査をおこない,近年は継続的に氷河末端が後退傾向にあることを確認した.4.乾燥アジア地域:パキスタン北部では,小規模氷河の最近の縮小と,対照的に大きな氷河が拡大傾向にあることが明らかになった.モンゴルモンゴル西部地域(モンゴル・アルタイ)では,1950年前後撮影の航空写真を基にした地形図と2000年前後取得された衛星画像(Landsat7ETM+)の画像を用いて氷河面積変化を明らかにした。氷河面積は1940年代から2000年までに1030%減少し,この縮小は遅くとも1980年代後半までに起こり,それ以降2000年まで氷河形状に目立った変化は認められないことが明らかになった.5.気候変化:最近19602001年のモンゴルにおける気温・降水量・積雪変動を解析した結果,1960,70年代は寒冷多雪であるのに対して,90年代は温暖化に伴って温暖多雪が出現したことが明らかになった.天山山脈周辺の中央アジアでは,既存の地点降水量データ(Global Historical Climatology Network, GHCN Ver.2)に関する基本的な情報をまとめた.GHCNVer.2には,生データと不均質性を補正したデータの2種類あり,中央アジア(特に旧ソ連の国々)の場合,これら2種類のデータが利用可能なため,まず,両者を比較してデータの品質管理を行なう必要があることが分かった.6.まとめ:以上の結果,モンスーンアジアと乾燥アジアでの氷河変動の様相が異なっており,それと対応する気候変化が存在することが明らかになった.研究に必要な備品・空中写真・衛星画像・地図などを購入・入手した.モンゴル・天山山脈地域へ情報収集のため研究分担者を派遣した.衛星画像の判読などの作業を行った.東ネパールでは,コロナ衛星写真,空中写真,ASTER衛星画像の比較から,最近50年間の氷河・氷河湖・崩壊地形などの変化をカタログにした(岩田・小松,2006).インドヒマラヤ地区については,次年度の現地調査に備えて国内のインド人地質研究者と連絡を取り,資料入手方法について相談するとともに,論文等の資料整理をおこなった.コロナ衛星画像と最近のASTER衛星画像の比較によって,パキスタン北部の氷河の最近の縮小が小さいことが明らかになりつつある.モンゴル西部地域については,氷河のマッピングを1970年作成の地形図を基におこなった.この地形図は1948-1950年に撮影された航空写真から作成されたものであり,この時期における氷河状況が明らかになった.現在2000年撮影のLandsatデータより氷河のマッピングを行っており,半乾燥域であるモンゴル西部地域の50年間の氷河変動が明らかになりつつある.また,モンゴルの過去41年間における積雪深の変動と大気現象との関係について解析を行った結果,寒冬と暖冬で大雪となる二つの大気循環パターンの詳細があきらかになった.天山山脈では,バルハシ湖流域の水利用の実態を視察し,現地の研究者から氷河や氷河湖に関する情報を収集した.さらに,山岳地域における大縮尺の地図に関する情報を集めた.

詳細は松山(2006a,2006b印刷中)で報告した.「天山山脈周辺の水文学的解析」の一環として、バルハシ湖に流入する河川流量と人為的水利用の長期変動を明らかにした(Kezer and Matsuyama, 2006印刷中).1.研究に必要な備品・空中写真・衛星画像・地図などを購入・入手した.2.モンゴルとインドヒマラヤ地域へ情報収集のため研究分担者を派遣した.衛星画像の判読,マッピングなどの作業を行った.3.モンスーンアジア:ブータンでは,最近50年間の氷河縮小・氷河湖拡大などの変化をまとめ,災害の危険を警告した.インドヒマラヤ地域については,Lahul Himalayaで現地調査をおこない,近年は継続的に氷河末端が後退傾向にあることを確認した.4.乾燥アジア:パキスタン北部では,小規模氷河の最近の縮小と,対照的に大きな氷河が拡大傾向にあることが明らかになった.モンゴルモンゴル西部地域(モンゴル・アルタイ)では,1950年前後撮影の航空写真を基にした地形図と2000年前後取得された衛星画像(Landsat7ETM+)の画像を用いて氷河面積変化を明らかにした。氷河面積は1940年代から2000年までに1030%減少し,この縮小は遅くとも1980年代後半までに起こり,それ以降2000年まで氷河形状に目立った変化は認められないことが明らかになった.5.気候変化:最近19602001年のモンゴルにおける気温・降水量・積雪変動を解析した結果,1960,70年代は寒冷多雪であるのに対して,90年代は温暖化に伴って温暖多雪が出現したことが明らかになった.天山山脈周辺の中央アジアでは,既存の地点降水量データ(Global Historical Climatology Network, GHCN Ver.2)に関する基本的な情報をまとめた.GHCN Ver.2には,生データと不均質性を補正したデータの2つがあり,中央アジア(特に旧ソ連の国々)の場合,これら2種類のデータが利用可能なため,まず,両者を比較してデータの品質管理を行なう必要があることが分かった.6.まとめ:以上の結果,モンスーンアジアと乾燥アジアでの氷河変動の様相が異なっており,それと対応する気候変化が存在することが明らかになった.
パルス制御による紫外線高効率放射法の開発

本研究で得られた成果は概略次の通りである。1.電子温度測定パルスの波形や周波数によって放電管内の電子エネルギーを制御し、スペクトルを選択放射させるのが本課題の原理である。探針法により、電子温度を測定し、水銀の紫外線の強く放射する高周波矩形パルス点灯時に最も電子温度が低下し、励起レベルの低い紫外線(253.7nm)が効率的に放射することを確認した。2.市販螢光ランプの高効率点灯市販の各種螢光ランプを本課題方式で点灯したところ、通常の商用電源点灯に比べ、ランプ自身の放射効率はおよそ30%程度向上した。しかし、点灯回路損失をも含む総合効率は殆んど向上しなかった。これは、電子式点灯回路に対しては、市販ランプの等価インピーダンスが低過ぎ、回路損失が大きくなるためである。3.封入希ガスの組成・圧力による効率改善市販ランプのままでは総合効率を向上させられないので、封入ガスの組成や圧力を本方式に合致するように変更してみた。その結果、アルゴンに数+%のネオンを混合したり、純粋アルゴンでも封入圧を増加したりして放電管の等価インピーダンスを大きくしてやると、ランプ効率は低下するものの総合効率は向上した。実験の範囲内で最も良い結果が得られたのは、純粋アルゴン7Torrのランプを周波数10KHz,duty ratio 0.9のパルスで点灯した場合で、市販ランプを通常点灯した場合よりも総合効率にして15%向上させることができた。4.点灯回路の損失低減点灯回路としては、巻数比1:35程度の小型トランスをプッシュプル回路で駆動する方式が、安定度、部品コスト、放射効率等の点で最も良かった。そして、その直流電源の電圧をサイリスタ等の低損失素子を用いて、始動時と安定点灯時とで自動的に切り換える方法で回路損失を低減することができた。
偏波観測で探るダストの成長課程

惑星は、原始惑星系円盤と呼ばれるガス円盤の中で固体微粒子が付着成長することで形成されると考えられている。原始惑星系円盤はアルマ望遠鏡の観測によって、従来の予想に反し、数多くの構造を含むことがわかり、その一部はすでに形成された惑星によって作られた可能性が指摘されている。本研究は、アルマによってはじめて検出可能となった、原始惑星系円盤ミリ波偏光観測を理論的に解釈することで、惑星を形成途中の固体物質がどの程度の大きさを持ちどのように移動しているのかを明らかとし、惑星形成理論の構築に結びつけようとするプロジェクトである。
複合糖質リピドAの生物機能解明を目指した化学的研究

免疫増強活性複合糖質リピドAの脂肪酸部が生物活性発現に果たす役割を明らかにするために,様々なアシル基を導入したリピドAライブラリーの構築について検討した。我々はバルビツール酸とその人工レセプターとの親和性を利用したアフィニティー分離法をすでに確立し、合成各段階における精製を容易にした。また共通の二糖中間体を合成した後,脂質部を順次導入するダイバージェントな経路をとることによって,様々なアシル基を有するリピドA類縁体の効率的な合成を実現し、すでにこの方法を用いて大腸菌リピドAの合成に成功した。続いて酸性条件下で不安定なグリコシルリン酸基を安定なカルボキシメチル基に置換した類縁体(CM類縁体)について,アシル化パターンの異なる6種類の化合物からなるライブラリーを合成し、これらの類縁体が脂質部の組成が同一であるにもかかわらず,内毒素活性,アンタゴニスト活性,あるいは不活性と異なる活性を有することを明らかにした。また分子動力学計算によるこれら類縁体のコンホメーション解析を行い、アシル基間の相互作用によってコンホメーションが規定されることを示した。続いて紅色光合成細菌由来の複合糖質リピドAの合成について検討した。すでにCM類縁体を合成してこれが内毒素活性を示すことを示したが、天然型であるリン酸化体の詳細な生物活性は明らかになっていない。バルビツール酸誘導体をリンカーを介して糖受容体に結合させた後,糖供与体と縮合してアフィニテイー精製を行うことによって二糖合成中間体を高収率で得た。水酸基ならびにアミノ基の脱保護とアシル化を順次行って完全アシル化体を得た後,リンカー部を切断した。この段階で高純度に精製を行ってから,1位アリル基の脱保護,リン酸化,最終脱保護を経て目的の天然型リピドAの合成に成功した。さらにアシル基としてフルオロアルカノイル基を導入した類縁体の合成についても検討した。
S期内マイクロアレイを用いたヒト癌細胞系列間でのS期内複製時期の比較解析

一度に行う操作は、10^8個の細胞をIsoton(Beckman Coulter)に懸濁して、毎秒500個の割合で注入。蛍光強度別にsortingする。蛍光強度の高いほうのピークをG1とし、S期分画について、横軸(蛍光強度)を二等分し、その前半および後半をS期の前半および後半の細胞として分取した。それぞれ一度に10^5個ほど採取することができた。そのDNA(それぞれ500ng)を抽出して、affimetrixmicroarray装置の、100K chipでゲノムワイドに検討するため、それぞれにつきXbaI,HindIIIで制限酵素消化した。これらを、hybridizationして、そのcall(100SNP data)をdownloadした。これらのdataを数値的にallele dosageを推定するソフトウェアで変換後、p53のknock outにより、複製タイミングがゲノムワイドにどのようにかわるかを検討していく。その結果、バンド境界領域は、癌化と密接に関連したゲノム不安定化領域に対応しており、癌をはじめとする多因子疾患の発症の分子機構を解明していくうえで、重要なゲノム領域であることが示唆された。正常細胞が癌化にむかう各段階のゲノム機能の変化を、S期内複製時期を指標にして解析することを目的として、本年度においては、p53癌抑制遺伝子をノックアウトしたヒト培養細胞HCT116およびその野生株の複製タイミングの比較解析をおこなった。ヒトゲノム全域を対象にしたS期内複製時期の測定をおこなうため、DNAマイクロアレイを用いて解析をおこなった。具体的には、対数増殖期のヒト培養細胞を60分間ブロモデオキシウリジン(BrdU)で標識した後、セルソーターを用いDNA含量に基づいて、S期前半(SE)および後半(SL)とS期内を二分割し、細胞を分取した。各分画について免疫沈降法によりBrdUで標識した新生鎖DNAの精製をおこなった。次に、各分画のBrdUで標識された新生鎖DNAを、ランダムプライマーを用いて、非特異的ならびに均一的にPCR法により増幅した。次に、S期前半の分画の新生鎖DNAを蛍光色素Cy3で標識し、S期後半の分画の新生鎖DNAをCy5で標識した。Cy3およびCy5で蛍光標識された各サンプルについて、ヒトゲノム全域をカバーするDNAマイクロアレイを用いて、ハイブリダイゼーションをおこない、シグナルの検出、シグナルの画像化ならびに数量化などのデータ解析をおこなった。DNAマイクロアレイは、遺伝子数25,000を含むHuman DNAchip Consortium(Human 25K cDNA MicroArray)を使用した。S期前半に複製する部位はCy5による蛍光色素、S期後半に複製する部位はCy3による蛍光色素、またS期中期に複製する部位はCy3とCy5の中間的色素に対応すると判定し、各部位の複製タイミングを測定した。p53癌抑制遺伝子をノックアウトしたヒト培養細胞HCT116およびその野生株の間の複製タイミングを比較解析した結果、両者の間で、複製時期の異なるゲノム領域が存在することが判明し、その領域を特定することができた。今回の解析から、癌抑制遺伝子p53は、ヒトゲノムの複製開始時期の制御に関与している可能性が示唆された。HCT116 p53(+/+) (vector control)とp53(-/-)細胞を、Johns Hopkins大学Vogelstein博士から、分与してもらい、これらの細胞を、FACS (Epics Elite ; Beckman Coulter, Fullerton CA)で、細胞周期のどの時期にあるかによりソーティングした。1度に行う操作は、10^8個細胞をIsoton (Beckman Coulter)に懸濁して、毎秒500個の割合で注入。蛍光強度別にソーティングする。蛍光強度の高いほうのピークをG1としはじめの部分をG0とする。その間をS期として、横軸(蛍光強度)を二等分点をとり、その前半および後半をS期の前半および後半の細胞として分取した。そのDNA(それぞれ500ng)を抽出して、affimetrix microarray装置の、100K chipでゲノムワイドに検討するため、それぞれにつきXbaI,HindIIIで制限酵素消化した。これらを、hybridizationして、そのcall (100K SNP data)をdownloadした。

一方、スタート細胞を10^6個から出発し前半部位のみをとり、genome-wide amplification kitを用いてできるだけ均等に増幅したDNAを、Filgen社性のexpression DNA arrayとhybridizationを行った。これらのdataを数値的にallele dosageを推定するソフトウェアで変換後、p53のknock outにより、複製タイミングがゲノムワイドにどのようにかわるかを検討していく。
超深海乱流計を用いた境界混合の定量化とその深層海洋大循環モデルへの組み込み

超深海乱流計を伊豆-小笠原海嶺上や天皇海山列上で自由落下させることで、深度約5000mの深海底の凹凸上に存在する強い乱流混合の定量化に我が国で初めて成功した。また、この乱流混合の強度を最も正確に定量化できるGregg-Henyey-Polzinのパラメタリゼーションの式に基づいて深海底上の乱流ホットスポットのグローバルな分布を求め、その情報を海洋大循環モデルに組み込むことで、現時点で最も高精度な深層海洋大循環のパターンを提示した。深層海洋大循環の維持に必要な鉛直乱流拡散の値は大洋平均で10^<-4>m^2s^<-1>とされている。しかしながら、筆者の研究グループが深海用乱流計TurboMap-D(アレック電子社製)を用いて行ってきた深度1600mまでの乱流観測によれば、限られた海域で強い鉛直乱流拡散(乱流ホットスポット)が存在するものの、それらを合計しても大洋平均で10^<-4>m^2s^<-1>の値には及ばない。本研究では、これを補償するものとして、乱流観測の空白域である深海底から鉛直上方に広がる境界混合域に注目し、超深海用乱流計VMP-5500(ロックランド社製)を導入してその定量化を試みた。本年度は、特に、北太平洋における最強の乱流ホットスポットである伊豆-小笠原海域の6地点でVMP-5500を海底直上まで降下させ「深度約5000mの超深海に存在する乱流ホットスポット」の観測に我が国で初めて成功した。観測は2008年11月の北海道大学水産学部の「おしょろ丸」による航海中に行った。VMP-5500により得られたマイクロスケールのシアープロファイルを10mごとの小区間に分け、それぞれの区間でスペクトルを計算した。各スペクトルをコルモゴロフ波数まで積分して乱流消散率とを求め、Kρ=0.2ε/N^2(N:浮力周波数)により鉛直拡散係数Kρに換算した。その結果、特に、伊豆-小笠原海台の斜面上では、深度5000mに及ぶ海底直上でも10^<-3>m^2s^<-1>に達する強い鉛直乱流拡散が存在していることが明らかになった。また、この強い鉛直乱流拡散の存在する場所が、当該海域で卓越する半日周期の内部潮汐によってストレインが周期的に強められる場所と一致していることから、超深海乱流の励起にもparametric subharmonic instabilityの機構が主要な役割を果たしていることが示唆された。未だ乱流観測の空白域として残されている深海底の凹凸から上方に広がる乱流ホットスポットを正確に定量化するパラメタリゼーションの式を得るため、2009年6月の北海道大学水産学部附属練習船「おしょろ丸」の北洋航海に参加し、天皇海山列上において、超深海乱流計VMP-5500による海面から海底直上までの乱流消散率の観測、電気伝導度・水温・深度計によるファインスケールのストレインの観測、投棄式流速計によるファインスケールの流速鉛直シアーの同時観測を行った。その結果、天皇海山列の海底上では、潮流と海底地形の凹凸との強い相互作用を通じて高鉛直波数・高周波数のリー波が励起されることで、内部波場がギャレットムンクの平衡場から著しく歪んでいることがわかった。このため、ともにギャレットムンクの平衡内部波場の存在を仮定して、ファインスケールのストレインの情報のみから乱流強度を予測するWijesekera et al.(1993)のパラメタリゼーションの式や、ファインスケールの鉛直シアーの情報のみから乱流強度を予測するGregg(1989)のパラメタリゼーションの式は、それぞれ、真の値よりも著しく過大評価および過小評価してしまう。この一方で、鉛直シアーとストレインの両方の情報を用いることで、内部波場のギャレットムンクの平衡場からの歪みを考慮できるGregg-Henyey-Polzinのパラメタリゼーションの式(Gregg et al., 2003)が、現時点において、深海底上の乱流ホットスポットを最も正確に定量化できることを確認した。最後に、このGregg-Henyey-Polzinのパラメタリゼーションの式により推定した乱流ホットスポットの情報を海洋大循環モデルCOCOに組み込んで深層海洋大循環のパターンを再現し、従来の数値実験結果と比較することで、そのパフォーマンスを確認した。
遠赤外領域の分光測定による超伝導機構の解明

MgO基板上にCVD法により結晶成長したBi_2Sr_2CaCu_2O_8薄膜を用意した。その膜厚は0.1μmであり、遠赤外光の透過率は高い。しかし、MgOのレストストラ-レン反射のために透過測定は300cm^<-1>以下に限定される。この他、フラックス法による試料も用意した。実験として、上述の試料について、5300cm^<-1>の透過スペクトルを得た。この時、透過スペクトルの(1)温度依存性と(2)磁場依存性が測定された。(1)温度依存性から、フラックス法で得た厚さ5μmの半導体試料と考えられるものについて、吸収係数の波数依存性から、ホッピング伝導であることが明らかにされ、またその温度依存性から、phonon-assisted hoppingであろうと考えられた。次に、CDV法による0.1μm×5mm×5mmの薄膜試料は、DC4端子法による抵抗の温度変化の実験により、T_c=81Kの超伝導性を示した。この試料の40300cm^<-1>の透過スペクトルの温度依存性は、ホッピング伝導とは異なった自由正孔ガスと考えられる常伝導正孔が7080%あり、2030%の伝導担体が超伝導性を示すと考えられる。これは、Mattis-BardeenとDrudeの式から光伝導度スペクトルを計算し理論的透過スペクトルを得て、上で述べた実験値と比較して決定したものである。2)CVD法による試料について、磁場08Tを試料のa-b面に垂直に加えて、遠赤外透過測定を行うと、吸収スペクトルに変化が現れる肩を見つけた。これは光学(超伝導エネルギ-)ギャップの磁場依存性と考えられる。この変化とSkalskiの理論との比較から、0Kのエネルギ-ギャップ2△=220cm^<-1>と上部臨界磁場H_<c2>=38Tを決定した。以上をまとめると、酸化物伝導体Bl-Sr-Cu-Cu-O系において、光学伝導スペクトルが観測され、(a)ホッピング伝導(b)Drude則に従う常伝導が、ギャップ間にあり、同時に超伝導性も観測にかかっている。
LANを利用した分数処理型企業会計システムにおける情報の最適配置と管理

本研究を進めるにあたって、まず、コンピュータ・ネットワークの理論、帳簿組織の理論、および内部監査の理論に関する文献研究を行った。そして、それらの分野の研究成果を相互に結びつけることで、クライアント・サーバ型(C・S型)のコンピュータ・システムを導入した企業会計システムではエンド・ユーザ・コンピューティング(EUC)の拡充が鍵となることが明らかになった。また、新しいシステムにおては、帳簿組織の内容も変化させることが求められる。特に、記入帳と元帳との区別が不要となり、すべての補助簿が元帳化すると考えられる点と、情報の存在位置を明らかにするための新たな帳簿を設ける必要がある点が重要であると考えられる。これらの研究成果については、平成7年10月に開催された日本簿記学会第11回全国大会(慶応大学)において、自由論題「ネットワーク型企業会計システムにおける帳簿組織の特徴」として研究報告を行った。また、C・S型システムに関する実証的な研究のための実験システムを構築するため、ネットワーク構築のためのOS(Windows NT)を導入し、既存のコンピュータ設備のグループ化を進めた。新たなOSに対する習熟度の不足もあり、分散処理型の企業会計システムとして十分なモデルを作り上げるには至っていないが、C・S型システムが従来のタイム・シェアリング・システムやスタンド・アロンによるパソコンに利用とは異なる大きな可能性を持ったシステムであることは確認できた。以上のような研究と並行して、企業に対する実態調査も実施した。ただし、C・S型システムが新しいシステムであり、現実の企業会計システムには十分に取り入れられていないものであるため、実際に調査することができた企業は2社に止まっている。この実態調査は今後も継続して進める予定である。
神経幹細胞の性質変化におけるDNA二重鎖切断機構の役割

胎生後期(胎生15日)のマウス脳から分離した神経幹細胞は、それよりも早い段階(胎生11日)で分離し、相当日数(4日間)をin vitroで培養した神経幹細胞よりも実はアストロサイトへの分化能が高く、加えて、実際に胎児期の脳組織がマイルドな低酸素環境下にあることを見いだした。さらに実験を行った結果、こうした低酸素環境下においてはHIFlaとNotchシグナルの相乗的な作用により、アストロサイト関連遺伝子制御領域の脱メチル化が引き起こされることが明らかとなった。またNp95は神経幹細胞の維持と分化に重要な役割を持っていることが示された。DNA修復機構がDNA脱メチル化を介した神経幹細胞の成熟にどのように関わるかを解析する為、当該年度においては以下の二つの視点から考察を行った。まず、1)DNA障害が、GFAPプロモーダーのDNA脱メチル化に起因する、神経幹細胞のアストロサイト分化に影響するかどうかについて、MMSの添加を始めとしたDNA障害の惹起により、アストロサイト分化誘導の促進が確認された。しかしGFAPプロモーターのCpG脱メチル化については、コントロールとの差が検出出来なかった。実験条件の検討と解析を引き続き行っている。次いで、2)DNAメチル化とDNA修復に重要な、NP95の神経系における分布とアストロサイト分化に与える影響の解析においては発生中の神経組織におけるNP95と各種分化マーカーの免疫組織科学解析により、NP95は多能性が維持されている神経幹細胞において高発現しでおり、まだDNA二重鎖切断の指標の一つである[○!c]H2AX陽性領域とも重なることが明らかとなった。平行してNP95ノックアウトES細胞の神経細胞への分化実験を行った結果、NP95ノツクアウトES細胞は、DNAメチル化維持機構での共役分子とされるDnmtlのノツクアウト細胞とは異なり、神経幹細胞への分化転換は細胞死を起こすことなく進行した。さらに神経細胞、アストロサイトへの分化も確認されたが、様々な細胞種の量比や、出現するタイミングについては対照ES細胞との相違が確認されている。コンディショナルノックアウトマウスを用いた神経幹細胞の解析においても表現型の解析を行っており、神経幹細胞の維持と分化にNP95の機能が重要であることが示唆するデータが得られている。神経幹細胞を用いた再生医療において、幹細胞の性質を制御するメカニズムにおいては多くが解明されておらず、分化転換や癌化などの危険性も未知数である。神経幹細胞における、DNA修復機構・エピジェネティクズメカニズム制御とNP95の関与を軸とした研究はこうした局面において、基礎的で重要な情報を提供する。神経幹細胞における多分化能、特にアストロサイト分化能獲得時の関連遺伝子制御領域のゲノム脱メチル化機構のメカニズムを検証する過程において、昨年度はDNA障害を引き起こす可能性のある複数の要素を検証した。アストロサイト分化能に影響を与えるDNA障害に関連した現象はいくつか見いだしたものの、脱メチル化と平行して起こるものは観察されなかった。一方、解析の過程で、酸素濃度を低くした場合にアストロサイト分化能とゲノム脱メチル化が亢進することを発見した。当初、高濃度酸素下で過剰な活性酸素産生により、引き起こされたDNA障害が脱メチル化を促進すると考えていたため、この現象は予想とは反対であった。しかしあえて、より詳細に解析する過程でさらに、胎生後期(胎生15日)のマウス脳から分離した神経幹細胞は、それよりも早い段階(胎生11日)で分離し、相当日数(4日間)をin vitroで培養した神経幹細胞よりも実はアストロサイトへの分化能が高く、加えて、実際に胎児期の脳組織がマイルドな低酸素環境下にあることを見いだした。また、大気中の酸素濃度を上げて胎生中期より妊娠マウスを飼育した場合に、出産直前の胎児脳において、アストロサイト産生の大幅な遅れが観察された。呼吸器の未熟なヒトの未熟児は、一定期間高酸素環境下で保育されるが、長期間の過剰な酸素投与はDNAのメチル化を介した神経幹細胞の分化能に影響を与え得る事が示唆された。以上の結果は論文にまとめ、国際誌への投稿準備を進めている。
棟札・幣串に見る民家建築の近代化の様相

本研究は、建築儀礼の中でもとりわけ重要視されてきた上棟式の際に作成される棟札・幣串について調査を行ったものである。全国の大工職へ聞取調査(アンケート)を行った結果、上棟式の際に複数本の幣串を作成し、この内1本を小屋裏へ納め、その他は各関係職方へ配る慣習が、少なくとも大正時代以降、全国に広く分布したことが確認された。和歌山県橋本市中心市街地(橋本・古佐田・東家地区)の町並み調査及び和歌山県・奈良県の大工職への聞取調査(アンケート)では、上棟式の際に複数本の幣串を作成し、この内1本を小屋裏へ納め、その他は各関係職方へ配る慣習が、少なくとも大正時代以降、当該地域に広く分布したことが確認された。本研究では聞取調査の範囲を広げ、この様な上棟式における幣串の取扱に関して近畿地方(三重県・滋賀県・京都府・大阪府・兵庫県)の大工職に悉皆的な聞取調査(アンケート}を実施し、上記慣習の実態について以下の諸点を確認した。(1)幣串の呼称は「御幣(ゴヘイ)」が多数を占めるが、その他の呼び名もある。(2)上棟式に幣串を複数本作成し、関係職方にこれを配る慣習は少なくとも近畿地方全体に広く分布する。(3)幣串が配布された職方には、大工棟梁・材木店・左官・屋根(瓦)屋・手伝(鳶)が挙げられる。なお、幣串の配布先として施主・設計者・近親者・神主・次に出世を願う者等も挙げられ、配布先は職方に限られない可能性が指摘される。このような慣習が行われた地域において、幣串は建物本体に1点が残されるだけでなく、建築工事に携わった職人の子孫に伝わる可能性があり、現存する建物との整合が確認できれば建築年代を推測する貴重な一資料と成り得る。なお、同慣習は近畿地方全体に確認されるため、更に広い地域に分布する可能性が指摘される。また、近畿地方において少なからず地域的な差異が認められ、全国的にも上棟式の幣串に関する様々な慣習があると推測される。和歌山県橋本市中心市街地の町並み調査及び近畿地方の大工職への聞取調査(アンケート)では、上棟式の際に複数本の幣串を作成し、この内1本を小屋裏へ納め、その他は各関係職方へ配る慣習が、少なくとも大正時代以降、当該地域に広く分布したことが確認された。本研究では聞取調査の範囲を広げ、この様な上棟式における幣串の取扱に関して日本全国の大工職に悉皆的な聞取調査(アンケート)を実施し、上記慣習の実態について以下の諸点を確認した。1幣串の呼称は「幣串(ヘイグシ)」「御幣(ゴヘイ)」「幣束(ヘイソク)」が多数を占め、大きく関東・関西の文化圏で区分することができる。2 31の都府県において関係職方が幣串をはじめ、弓・矢、尺棒、五色棒、五色の旗、纏等、上棟式の棟飾りを譲受けており、同慣習は全国の広い地域で行われたといえる。3譲受けた幣串は床の間に飾る、工場に仕舞う等の回答があった。10本以上の所有は稀で、工場・自宅の建替えに伴い破棄されるか、小正月の左義長等で定期的に処分する傾向にある。4回答者が幣串を譲受けた年代は昭和20年代現在に至る。先代が譲受けた幣串を所有する事例もあり、同慣習は少なくとも大正時代まで遡ることができる。5幣串は大工の他、基礎工・地業工・石工、材木屋・木挽・製材、手伝・車力・鳶、屋根・瓦屋、左官、建具屋、銅工・板金等に配布されている。一方、職方以外の配布先も確認され、大工以外は譲受けないという回答もあり、作成本数、配布先には差異があることも窺える。この他、自由回答として上棟式後に棟梁率いる数名の大工が棟飾り等の式具を担いで棟梁の家へ持帰り祝宴を催す「棟梁送り」の行事が挙げられた。現在、施主が祝儀を大工に渡す行為は「棟梁送り」が起源とされる。上棟式の幣串を譲受ける慣習は同行事を原形とし、時代が降るに従い簡略化が図られ、譲受けの事実のみが残った可能性も指摘される。
14族元素-14族元素π単結合化合物の構築

ケイ素-ケイ素及びゲルマニウム-ゲルマニウムπ単結合はこれまでに例のない新しいタイプの結合である。本研究ではこれらのπ単結合をもつビシクロ[1.1.0]テトラエレメント化合物を合成し、その構造や性質を明らかにした。例えば、これらのπ単結合は二重結合のようにσ結合の束縛を受けないため、容易に結合長を変化させることができる。このような結合長の変化により、構造や性質が大きな影響を受けることを見出した。また、ケイ素-ケイ素π単結合がベンゼン環と共役することを明らかにした。本研究ではゲルマニウムーゲルマニウムπ単結合をもつ化合物を初めて合成し,その構造や性質について調べたところ,以下のような知見が得られた。trans-1,3-ジブロモ-1,2,2,3,4,4-ヘキサ-tert-ブチルシクロテトラゲルマンをベンゼンーTHF(3:2)溶液中,2当量のカリウムで還元すると,1,2,2,3,4,4-ヘキサ-tert-ブチルビシクロ[1.1.0]テトラゲルマン(1)が紫色の結晶として88%の収率で得られた。X線結晶構造解析の結果,橋頭位のゲルマニウムーゲルマニウム結合長は3.127Aであり,通常のゲルマニウムーゲルマニウム単結合より著しく長いことがわかった。ビシクロ[1.1.0]テトラゲルマン環は平面ではなく,二つの三員環の二面角は164.5°であった。また,橋頭位のゲルマニウム原子は平面ではなく,ややピラミッド化した構造をとっている。以上の結果から,この化合物はケイ素類似体である1,2,2,3,4,4-ヘキサ-tert-ブチルビシクロ[1.1.0]テトラシラン(2)とは異なる構造的特徴を示すことがわかった。化合物1は固体および溶液状態でESRシグナルを示さなかった。また,直流磁化測定の結果から,この化合物は反磁性体であることが明らかになった。この結果は橋頭位のゲルマニウム原子は不対電子をもたないことを示している。理論計算の結果より,二つのゲルマニウム原子間にはπ単結合が存在しており,そのためこの化合物は一重項状態をとるものと考えられる。化合物1は紫外可視吸収スペクトルにおいて,最長波長吸収極大を557nmに示す。この吸収帯はπ-π^*彊移に帰属される。この波長はケイ素類似体2の値(489nm)より約70nmも長波長側にシフトしている。この結果は,化合物1のゲルマニウムーゲルマニウム結合長が非常に大きいため,3p軌道同士の相互作用が弱まり,π軌道とπ^*軌道のエネルギー準位の差が小さくなるためと考えられる。14族元素-14族元素π単結合は二重結合のようにσ結合の束縛を受けないので、結合長の制御が可能になると考えられる。このような結合長制御を目的として、1,2,2,3.4,4-ヘキサ-tert-ブチルビシクロ[1.1.0]テトラシラン(1)の2.4位をゲルマニウムに置き換えた、より長いケイ素-ケイ素π単結合をもつ化合物及び1,2,2,3,4,4-ヘキサ-tert-ブチルビシクロ[1.1.0]テトラゲルマシ(2)の2,4位をケイ素に置き換えた、より短いゲルマニウムーゲルマニウムπ単結合をもつ化合物を合成し、その構造や性質を調べた。X線結晶構艶解析の結果、π単結合が短くなるとp軌道同士の重なりが大きくなり、π単結合がほぼ完全な平面構造をとることがわかった。一方、π単結合が長くなるとp軌道同士の重なりが小さくなり、平面構造と折れ曲がり構造が結晶中及び溶液中で共存するようになる。また、紫外可視吸収スペクトルにおけるπ一π*吸収帯はπ単結合が短くなると短波長側にシフトし、π単結合が長くなると長波長側にシフトする。これは二っのp軌道が接近すると、π軌道とπ*軌道のエネルギー準位が本きく分裂するのに対して、p軌道の距離が大きい場合は、π軌道とπ*軌道のエネルギー準位の分裂が小さくなるためと考えられる。以上め結果から、π単結合の結合長によって構造や性質は大きな影響を受けることがわかった。また、化合物1と2の反応性についても検討した。化合物1と2はハロゲン化アルキルや末'端アルキンと反応して、π単結合にこれらの化合物が付加した生成物を与える。この反応はラジカル機構で進行することを明らかにした。ケイ素-ケイ素π単結合とフェニル基の間に共役が起こるかどうかを調べるために、2,2,4,4-テトラ-tert-ブチル-1,3-ジフェニルビシクロ[1.1.0]テトラシラン(1)を合成し、その構造や電子的性質を調べた。

化合物1のX線結晶構造解析を行ったところ、橋頭位のフェニル基はビシクロ[1.1.0]テトラシラン環の平面に対して10.9°傾いているが、共平面に近い構造をとっていることがわかった。また、化合物1の紫外可視吸収スペクトルにおけるπ-π*吸収帯は572nmに観測され、この値は1,2,2,3,4,4-ヘキサ-tert-ブチルビシクロ[1.1.0]テトラシラン(2)の488nmより84nmも長波長側にシフトしている。これはケイ素-ケイ素π単結合がフェニル基と共役しているためであると考えられる。化合物1、2をカリウムで還元するとラジカルアニオンが生成し、そのシグナルがESRで観測される。化合物2のラジカルアニオンでは、橋頭位の^<29>Siによる結合定数は6.39mTと大きく、tert-ブチル基の水素による結合定数は0.057mTと小さい。それに対して化合物1のラジカルアニオンでは、橋頭位の^<29>Siによる結合定数は4.73mTと小さく、フェニル基の水素による結合定数は0.126、0.043、0.163mTと比較的大きい。この結果は化合物1のラジカルアニオンの不対電子がπ単結合とベンゼン環の両方に非局在化していることによると考えられる。また、これらのラジカルアニオンのX線結晶構造解析を行ったところ、ケイ素-ケイ素π単結合長はいずれも中性状態よりも伸長しているが、特に化合物2の伸長幅が大きいことがわかった。また、化合物2のラジカルアニオンでは、tert-ブチル基はビシクロ[1.1.0]テトラシラン環に対して約31.7°トランス形に折れ曲がっているが、化合物1のラジカルアニオンでは、フェニル基の折れ曲がり角は小さい。以上の結果はケイ素-ケイ素π単結合とフェニル基の共役はラジカルアニオンにおいても有効に働いていることを示している。