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サステイナビリテイ学の射程から構想する近未来社会の科学教育像

本研究の目的は,世界の学術界においてその確立と振興が喫緊の課題とされている「サステイナビリテイ学(Sustainability Science)」という新しい「超科学」の必要性認識の背後にある「近未来のあるべき人類社会」の実現に資する「新しい科学教育像」について基礎的な検討をすることにある。従来の科学教育研究に決定的に欠落していた「めざすべき近未来の人類社会像」探究という作業を,「サステイナビリテイ学」構想に結集されつつある学術界の英知をモニタリングするという方法論を用いて実施し,見えてくる「近未来の人類社会像」を実現するために機能しうる「新しい科学教育」のありようを構想する.本年度は,「サステイナビリテイ学」という新しい学の研究方法論と研究成果について,国内,海外の動向に関する資料収集を行った.その結果,「サステイナビリテイ学」は,現在のところ「サステイナビリテイ」という共通のテーマを志向する多様な学問領域・科学がこれに取り組む創成途上の学であることが確認できた.一方,科学教育研究の分野で,このサステイナビリテイ学やfuture studiesに着目する研究がごくわずかであるが存在するので,この分野の研究者から直接,その研究と志向性について聞き取り調査(オーストラリア・カトリック大学,アデレード大学)を実施した.その結果,それらは,まだ個人研究レベルにあって,研究分野としての広がりはないことがわかった.また,アジア諸国(韓国,台湾)で,環境教育研究者に面接し,サステイナビリテイ学(sustainable developmentではない)に関する認知度を聞き取り調査したが,ほとんど認知されていない状況にあることも明らかとなった。本研究の目的は,世界の学術界においてその確立と振興が喫緊の課題とされている「サステイナビリテイ学(Sustainability Science)」という新しい「超科学」の必要性認識の背後にある「近未来のあるべき人類社会」の実現に資する「新しい科学教育像」について基礎的な検討をすることにある.従来の科学教育研究に決定的に欠落していた「めざすべき近未来の人類社会像」探究という作業を,「サステイナビリテイ学」構想に結集されつつある学術界の英知をモニタリングするという方法論を用いて実施し,見えてくる「近未来の人類社会像」を実現するために機能しうる「新しい科学教育」のありようを構想する.本年度は,「サステイナビリテイ学」という新しい学の研究方法論と研究成果について,国内,海外の動向に関する資料収集を行った.その結果,「サステイナビリテイ学」は,現在のところ「サステイナビリテイ」という共通のテーマを志向する多様な学問領域・科学がこれに取り組む創成途上の学であることが確認できた.一方,科学教育研究の分野で,このサステイナビリテイ学やfuture studiesに着目する研究がごくわずかであるが存在するので,この分野の研究者から直接,その研究と志向性について聞き取り調査(オーストラリア・カトリック大学,アデレード大学)を実施した.その結果,それらは,まだ個人研究レベルにあって,研究分野としての広がりはないことがわかった.また,アジア諸国(韓国,台湾)で,環境教育研究者に面接し,サステイナビリテイ学(sustainable developmentではない)に関する認知度を聞き取り調査したが,ほとんど認知されていない状況にあることも明らかとなった.本研究の目的は,世界の学術界においてその確立と振興が喫緊の課題とされている「サステイナビリテイ学(Sustainability Science)」という新しい「超科学」の必要性認識の背後にある「近未来のあるべき人類社会」の実現に資する「新しい科学教育像」について基礎的な検討をすることにある。
金属相および相転移点近傍における高次高調波を用いた非平衡電子状態の研究

本研究では固体中の電子系、特にフェルミ面をもつ金属や、金属相から相転移を起こす物質を対象に高強度中赤外光で駆動した際に現れる光誘起非平衡状態を、試料から放射される高次高調波を観測することで明らかにする。従来の研究にはない金属相や相転移点近傍の電子状態を対象とすることで、ブロッホ電子のバンド内加速や相転移にともなう電子状態の変化に対応した高調波特性の変化が期待される。駆動光の電場強度や偏光を精密に制御しながら高調波の温度依存性を測定することで、光電場下の非平衡電子状態を明らかにし、その知見をもとに固体中電子状態の光による高速制御を試みる。
肝細胞癌におけるHBVの組み込みの発癌に及ぼす影響について

全84例中陽性は11例であり、HBc抗体、HCV抗体ともに陽性群では、CHで6例中1例、LCで21例中7例がHBV陽性であった。HBc抗体陽性、HCV抗体陰性群では、CHで2例中1例が陽性であったが、LCでは4例とも陰性であった。またHBc抗体陰性、HCV抗体陽性群では、CHで3例とも陰性、LCで12例中1例と陽性率は低かった。HBc抗体、HCV抗体ともに陰性群では、LC14例いずれもHBV陰性であった。正常対照群18例ではうち1例で陽性、急性肝疾患4例ではいずれも陰性であった。また、今回の検討では、HBVの検出とHCCの存在との関連は認められなかった。なお陽性者の血中HBV-DNA量とHBc抗体価、HCVRNA量との間にも相関は見られなかった。今回の検討ではHBs抗原陰性慢性肝疾患62例中10例(16.1%)で血中HBV-DNAが陽性であった。そのうちHBc抗体陽性症例では33例中9例が陽性(27.3%)、であり、HBc抗体陰性症例29例中1例陽性に比し明らかに高率であった。またHBc抗体陽性例のうちHCV陽性例では27例中8例陽性(29.6%)に対し、HCV陰性例では6例中1例陽性(16.7%)とHCVと重感染している場合にHBVの検出率が高かった。B型肝癌25例、C型肝癌18例、非B非C型肝癌13例を対象とし、凍結切除標本からDNAを抽出し、preS領域と、X領域をそれぞれカバーするプライマーを用いてPCRを行った。その結果、B型では全例で、C型では、7例(39%)、非B非C型では4例(30%)でpreSまたは、Xのいずれかが陽性となった。HBVが陽性であったC型7例のうち5例ではHBc抗体が陽性であったが、2例では、HBVのマーカーはいずれも陰性であった。HBVが陽性であった非B非C型4例のうち、2例では、HBc抗体が陽性であった。このように、非B型の肝癌の場合、肝組織内のHBVの存在の有無は、必ずしもHBc抗体の陽性を伴わなかった。HBVが陽性であったC型肝癌7例のうち、preSが陽性であったものが、4例、Xが陽性であったものが、5例であった。そこで、これらのHBVの塩基配列の解析を行ったところ、preS領域では、1例が、preS1の開始コドンの変異により、開始コドンが消失し、1例では、preS2の開始コドンを含む33bpの欠損により、middle Sが作られなくなっていた。一方Xりょういきの解析では、5例のうち3例で変異が認められ、うち1例では、21bpの欠損が認められた。このように、HBs抗原が、陰性の肝癌で、HBc抗体が陽性のものについては、従来よりHBVの関与が想定されていたが、HBc抗体陰性例でも変異を持つHBVの一部が、存在していることがわかった。今後は、このような症例におけるHBVの組み込みについて検討を行う。当科通院中のHBs抗原陰性慢性肝疾患症例62例(うち慢性肝炎(CH)11例、肝硬変(LC)51例)、急性肝障害4例、正常対照群18例の計84例を対象とした。HBc抗体は、血清200倍希釈で検出されるものを陽性とした。血中HBV-DNAの定量は、SepaGene RV-R(三光純薬)を用いて血清よりDNAを抽出し、Primer Express(Perkin-Elmer)により設定したS、X、Pol領域の3カ所のprimerとTaq-man probeのsetを用いてreal time PCRを行い、3 setsのうち、少なくとも2 setsで検出されたものを陽性と判定した。real-time PCRは、50°C,2分、95°C,10分の後、95°C,20秒、60°C,1分で53サイクルの増幅反応を行い、10^1copy/tube以上を陽性とした。

またHBc抗体陽性例のうちHCV陽性例では27例中8例陽性(29.6%)に対し、HCV陰性例では6例中1例陽性(16.7%)とHCVと重感染している場合にHBVの検出率が高かった。
電子機器から放射される妨害波がディジタルテレビジョンに与える影響と評価法の研究

TV放送等の無線システムは電子機器等から放射される妨害波の影響を受けるため,各国で規制が実施されているmしかし,今後普及が進むディジタルTVに対しても同じ方法で規制を実施して良いのか明らかになっていないm本研究では,妨害波よりアナログTVとディジタルTV画像が受ける影響を評価して,ディジタルTVに対する妨害波レベルの適切な評価法を研究したm研究の結果,現在使用されている準尖頭値より平均電力やAPDで評価する方法が適していることがわかった.TV放送等の無線システムは電子機器等から放射される妨害波の影響を受けるため,各国で規制が実施されているmしかし,今後普及が進むディジタルTVに対しても同じ方法で規制を実施して良いのか明らかになっていないm本研究では,妨害波よりアナログTVとディジタルTV画像が受ける影響を評価して,ディジタルTVに対する妨害波レベルの適切な評価法を研究したm研究の結果,現在使用されている準尖頭値より平均電力やAPDで評価する方法が適していることがわかった.1電子機器から放射される妨害波のディジタルTV受言に与える影饗の把握電子機器から放射される妨害波としてSpread Spectrum Clocking (SSC)波とクロック波を取り上げ,これらを,実際のディジタルTV信号及びアナログTV信号に干渉させ,その影響を調査した.検討に当たっては,これらを模擬する妨害波として前者はFM変調波,後者はAM変調波を使用し,周波数変換により,同時に両方のTV信号に妨害波を干渉させ,同じ画面で影響の評価が可能となるように配慮した.TV信号が受ける影響はMean Opinion Score (MOS)を用いて評価を行った.検討の結果,ディジタルTVの方がアナログTVに比べて妨害波による影響が小さいこと,AM変調波のようなスペクトル幅の狭い妨害波よりSSC波のようなスペクトル幅が広い妨害波の方が,ディジタルTVの場合,影響を大きく受けることがわかった.2電子機器から発生する妨害波のモデル化FM変調波と実際のSSC波とスペクトルがわずかではあるが異なるため,任意波形発生器を用いて,電子機器から直接得たSSC波および解析的に作成したSSC波を発生させた.これらのスペクトルを検討した結果,ほぼ理論通りのスペクトルが得られていることがわかった.次に,これらの波形をディジタルTV信号およびアナログTV信号に干渉させ,FM変調波を干渉させた場合との差異を調査した.その結果,アナログTV信号では僅かであるが差が存在するが,ディジタルTVでほとんど差がないことがわかった.1.主観評価によるアナログTV受信とディジタルTV受信に与える影響の評価平成20年度に作成した擬似妨害波を用いて,妨害波をアナログTV信号およびディジタルTV信号放送電波に干渉させ,その影響を把握した.本研究が終了する2011年までは両方の信号が受信可能であるため,実際の放送波を用いて,擬似妨害波を2つの周波数に変換して同時に干渉させ,同じ放送を見比べて,MOS(Mean Opinion Score)値を用いて影響の相対評価を行った.また,妨害波が印加される位置,種類等さまざまな要因について実験を行い,影響の把握を行った.妨害波としてはPCクロック(SSC : Spread Spectrum Clocking)とAM変調波信号を使用した.検波方式としては,従来妨害波評価に使用されている準尖頭値を用いた.その結果,準尖頭値を用いた評価方法では,ディジタルTV信号の方がアナログTV信号に比べて妨害波に強いこと,位置の影響は小さいこと,ディジタルTVの場合はAM変調波のような狭帯域の妨害波よりもSSCのような広帯域妨害波の方が大きな影響を受けること等がわかった。2.シュミュレータによる客観評価OFDM方式のシミュレータを作成する前段階として,BPSKのシュミュレータを作成した.TV信号は6MHzと広い周波数帯域を有するため,これに近い値として,4MHzの帯域を有するBPSK変調波を作成した.また,この帯域に対応するため,増幅器,ミクサ,ローパスフィルタを用いて,6MHzの帯域内ではほぼ一定の周波数応答を有する評価系を作成した.1.妨害波のレベル評価法電子機器等からの妨害波を測定し,その値より擬似妨害波を作成してTV信号に印加して,TV信号が受ける影響を主観(MOS)により評価した.また,これらの妨害波の準尖頭値,APD(Amplitude Probability Distribution),平均電力を測定し,MOSとの関係を検討した.擬似妨害波やTV信号の測定では,市販の受信機では,TV信号の帯域幅での測定ができないため,広い周波数範囲の信号が受信できる受信機を作製し,その出力信号を処理することにより,TV帯域と同じ周波数帯域の信号を得て,これを任意波形発生器で発生させることにより擬似妨害波を得た.また,同じ信号を用いてAPD,平均電力を求めた.その結果,APD,平均電力による評価は妨害波の種類に対する影響が準尖頭値より小さいこと,APDと平均電力については,妨害波の種類に対する影響は同じ程度であることがわかった.この結果より,ディジタルTVへの影響を考慮した場合,APDか平均電力による評価が現在使用されている準尖頭値による評価より,妨害波の種類に対する影響が小さいことから,望ましいいことがわかった2.ビット誤り率と受信画像の関係ディジタルTV信号については,その復号時にビット誤り率(BER)の測定が可能であるので,BERの測定が可能な受信機により,模擬妨害波を印加した時のBERの変化と受信画像品質の関係を検討した.その結果,妨害波の種類によらず,BERと画像品質の間には一定の関係が成り立つことがわかった
イオン感応性ケミカル・バイメタルの開発

ポリアクリル酸はアルカリ中では解離するため多量の水を吸収し、膨潤する。また、酸中では解離しないため、水を放出し収縮するためケミカル・バイメタルの材料に適している。また、化学ゼンマイは板状のケミカル・バイメタルに比べて有効長を長くとれるので感度が向上するほかに、収縮量を軸の回転量として取り出せるという特徴を有している。このため、高密度ポリエチレン上にエチレン-アクリル酸エチル共重合体を接着した後、加水分解によりエチレン-アクリル酸共重合体の傾斜組成材料よりなる化学ゼンマイを作成した。また、ケミカル・バイメタルの動作機構を解析するためにコンピューターシュミレーションを行なった。ケミカル・バイメタルのコンピューターシュミレーションはPVC膜中のペラルゴン酸の拡散速度と水層中のアルカリの拡散速度が非常に異なっているため因難である。そこで、拡散による物質の移動速度と界面での反応速度を等しくするために、水層の容積要素の厚さをPVC膜相より厚くとることにより解決した。つまり、PVC膜相と水相の容積要素の厚みを0.00176mm,0.1414mmとして計算した。また、界面での平衡計算に用いた式は、弱酸の解離平衡式と分配平衡式、弱塩基の塩基解離平衡式、水のイオン積、電負荷均衡式と界通での酸と塩基の単位面積あたりのモル数を用いた。これらの数式を解くと水素イオン濃度に対する4次式となる。この式はニュートン・ラブソン法により解いて計算した。また、初期条件としてはPVC膜中のペラルゴン酸濃度をし、3N、水相中のアルカリ濃度はONO、O4Nまで変化させて計算した。計算結果は実験値と良い対応を示した。また、イオン対を生成する場合のシュミレーヨ真ンも行なった。
PHドメインを持つプロテインキナーゼPKBとHsp27との相互作用に関する研究

PKBはPHドメインを持つセリン/トレオニン蛋白質リン酸化酵素であり、細胞増殖因子刺激によりホスファチジルイノシトール3-キナーゼの下流標的として活性化を受け、また、その生理作用としてアポトーシス抑制に関与することから注目を集めている。私どもはこれまでにPKBが細胞増殖因子のみならず過酸化水素処理、熱ショック等の各種ストレス刺激によっても活性化を受けることを明らかにしている。そこで、本研究ではストレス刺激によるPKB活性化の分子機構を検討した。まず、細胞増殖因子とストレスによるPKB活性化を比較した結果、過酸化水素処理は細胞増殖因子と同様にホスファチジルイノシトール3-キナーゼ活性を上昇させることによりPKBを活性化することが明らかになった。一方、熱ショックはホスファチジルイノシトール3-キナーゼ活性をわずかに上昇させるものの、熱ショックによるPBK活性化はホスファチジルイノシトール3-キナーゼ阻害剤により完全に抑制を受けなかった。すなわち、熱ショックはホスファチジルイノシトール3-キナーゼとは独立の機構でPBK活性化を誘導することが示された。さらに、熱ショック処理細胞から回収したPBKはゲルろ過法では蛋白質複合体として高分子量の位置に溶出された。このPKB蛋白質複合体はPKB同士がそのPHドメインを介して会合したオリゴマーであり、PKBに結合することが報告されている分子シャペロンHsp27がオリゴマー形成に関与することが示唆された。以上の結果から、細胞ストレスによるPKBの活性制御には複数の分子機構が存在し、PKBは多彩な外界シグナルに対する細胞応答に重要な役割を果たしていると考えられる。
アナターゼ単結晶育成と電気的光学的性質に対する結晶多形及び酸素欠陥の影響

遷移金属酸化物は結晶構造、酸素欠陥量及び金属イオンのd電子数がその物性に大きな影響を与え、それ故に多様な物性を示すことで知られている。本研究はこれらの酸化物の中でも光触媒作用で注目されている二酸化チタン(TiO_2)について結晶多形及び酸素欠陥が電子状態に及ぼす影響を明らかにすることを目的とした。塩化アンモニュウムをtransport agentとした気相反応法により、これまで育成が困難とされてきたアナターゼ型単結晶の育成に成功した。ルチル型TiO_2結晶はfloating zone法で得た。ブッロカイトは鉱石を用いた。これらの単結晶を用いて(1)広いエネルギー領域(225eV)にわたって偏光反射スペクトルを測定した。一方、クラスターモデルを用いた理論計算を行い、計算結果とスペクトルの対応から、各結晶構造に対する電子状態を決定した。育成したアナターゼ単結晶について以下のような知見が得られた(2)吸収端におけるスペクトルの温度依存性はア-バック則に従い、その係数から、励起子は自己束縛型であることが分かった。この結果はルチル(自由励起子型)と対照的である。(3)As-grown結晶で観測された自由キャリア吸収と酸素欠陥量の変化に伴ってバンドギャップ内に出現した偏光依存性のある吸収帯は、2MPaの酸素圧下800°C,60時間の熱処理で完全消滅する。この熱処理後は完全絶縁体となることから、ほぼ完全結晶が得られたものと思われる。(4)ブロードな発光帯が2.2eVに観測される。酸素処理過程によらない発光であることから自己束縛励起準位(酸素欠陥)、18meVのアクセプター準位(TiO2:Al)が得られた。本研究はこれらの酸化物の中でも光触媒作用で注目されている二酸化チタン(TiO_2)について結晶多形及び酸素欠陥が電子状態に及ぼす影響を明らかにすることを目的としている。塩化アンモニウムをtransport agentとした気相反応法によりこれまで育成が困難とされてきたアナターゼ型TiO_2単結晶を育成した。種々の条件下で育成を試みた結果、現在2^*2^*4mm^3の単結晶を得ている。単結晶中の酸素欠陥量の制御は酸素圧02MPaのもとで100800°Cの範囲で熱処理することにより行った。得られた単結晶を用いて以下の実験を行った。1.広いエネルギー領域(225eV)にわたって偏光反射スペクトルを測定した。一方、クラスターモデルを用いた理論計算を行い、計算結果とスペクトルの対応からアナターゼの電子状態を決定した。2.吸収端のスペクトルの温度依存性、酸素処理時間依存性をCCD検出システムを用いて詳細に測定した。その結果、吸収端はア-バック則に従うこと、励起子は自己束縛型であることがわかった。3.as-grown結晶で観測された自由キャリア吸収と酸素欠陥量の変化に伴ってバンドギャップ中に出現した偏光依存性のある吸収帯は、2MPaの酸素圧下で800°C、60時間の熱処理で完全に消滅する。この熱処理後は、完全絶縁体となることがわかり、ほぼ完全結晶とみなせることがわかった。なお、自由キャリアは7meVのドナー準位から放出されるものであることが電気伝導度の温度変化から明らかになった。

本研究はこれらの酸化物の中でも光触媒作用で注目されている二酸化チタン(TiO_2)について結晶多形及び酸素欠陥が電子状態に及ぼす影響を明らかにすることを目的とした。塩化アンモニュウムをtransport agentとした気相反応法により、これまで育成が困難とされてきたアナターゼ型単結晶の育成に成功した。ルチル型TiO_2結晶はfloating zone法で得た。ブロッカイトは鉱石を用いた。これらの単結晶を用いて(1)広いエネルギー領域(225eV)にわたって偏光反射スペクトルを測定した。一方、クラスターモデルを用いた理論計算を行い、計算結果とスペクトルの対応から、各結晶構造に対する電子状態を決定した。育成したアナターゼ単結晶について以下のような知見が得られた(2)吸収端におけるスペクトルの温度依存性はア-バック則に従い、その係数から、励起子は自己束縛型であることが分かった。この結果はルチル(自由励起子型)と対照的である。(3)As-grown結晶で観測された自由キャリア吸収と酸素欠陥量の変化に伴ってバンドギャップ内に出現した偏光依存性のある吸収帯は、2MPaの酸素圧下800°C,60時間の熱処理で完全消滅する。この熱処理後は完全絶縁体となることから、ほぼ完全結晶が得られたものと思われる。(4)ブロードな発光帯が2.2eVに観測される。酸素処理過程によらない発光であることから自己束縛励起子からの発光と解釈した。(5)自由キャリアは電気伝導の温度変化から7meVのドナー準位(酸素欠陥)、18meVのアクセプター準位(TiO2:Al)が得られた。
化学の世界でも周期表の下部を占める重い原子とそれを含む分子の化学には、相対論的理論が顕著に重要になる。本研究の目的は、周期表下部の2/3以上のエレメントを含む化合物の化学を支配している相対論的ディラック方程式の正確な解法を導き、これを化学理論として定式化し、既にほぼ完成に向かいつつあるシュレーディンガー方程式に基づく正確な化学理論と合体して、周期律表の全エレメントを含む化学について、正確な予言的量子化学を確立する事である。従来の量子化学の相対論は、普通の分子軌道法に、相対論"効果"を足継ぎしたような理論が主であり、相対性量子力学の基礎方程式であるディラック方程式から出発していない。しかしながら、周期律表の下半分のエレメントについては、相対論に基づくエネルギーは非相対論のそれよりはるかに大きく、これでは不満足なことは明白である。重いエレメントの世界では、相対論は、"効果"の様な「従」ではなく、むしろ「主」である。ディラック方程式に直接軸足を置く量子化学の建設が絶対に必要であり、それを目指した研究を行う。平成30年度は、原子・分子の新しい電子構造理論として導入したChemical Formula理論を、シュレーディンガー方程式を解くための出発関数として用いる考え方を、相対論的ディラック方程式の解法の際にも導入することを検討した。また、相対論的ディラック方程式の大きな問題点である、電子数の増加に伴って解が急速に困難になることを克服するための方策についても研究した。原子が重くなるほど核の電荷が増え、核の周りをまわる電子の速度も増え、光の速度とcomparableになり、相対論的効果が無視できなくなる。この定性的な記述から推論できる通り、相対論効果が最も大きな電子は、重い原子の最内殻の1s軌道を占める2つの電子にあると考えることができる。Diracの相対論的方程式はシュレーディンガー方程式にくらべて正確に解く事が電子数の増加と共に極めて難しくなる構造をしており、そのため現在に至っても、私たちが2005年に発表した2電子系のDiracの方程式の正確な解法を、より多電子系に広げた例はない。しかしながら、大きな原子の最内殻の1s電子は、他の2s以上の電子からかなり隔離された独立なshellの形で存在し、かつまた、相対論効果はこの2つの電子において最も大きいと考えることができる。従って、この1s電子対を、私たちが2005年に発表した2電子系のDiracの方程式の正確な解法に従って解き、その結果の電子状態の上に、他のN-2電子を追加して、すでに私たちがほぼ完成しているシュレーディンガー方程式の解法・自由完員関数理論によって解く事ができれば、問題はかなり易しくなることが予想される。この考え方とChemical Formula理論の考え方とを繋げ、内殻電子のtransferabilityを用いると、シュレーディンガー方程式の解法とDiracの方程式の解法が互いに大きく接近し、お互いに得られるものがはっきり見えてきた。この視点に立って研究を進めることにより、相対論的効果の取り扱いと、Diracの方程式の解法を、幾分前進させることができた。上の立場に立つことによって、Diracの方程式の解法と相対論的効果の取り扱いとが、それぞれ異なる視座で取り扱えるようになり、見通しも立てやすいので、この方法を今後の研究の中でも取り入れていく。パウリの原理、電子構造論的考察などの考察・検証も加えていきたい。平成29年度は、exact理論としての我々の先行研究であるシュレーディンガー方程式の正確な一般的解法の展開に大きな成果があり、非相対論のシュレーディンガー方程式の解法をDirac方程式の解法にも応用する理論を進めている。両者にはかなりの相似性があるので、この考えを進展することによって、相対論・非相対論ともに、メリットがある。シュレーディンガー方程式の正確な一般的解法の展開の中で、新しい分子の電子構造理論として、Chemistry Formula Theory (CFT)を提案した。化学者の直観の源泉である化学構造式や化学反応式は極めて汎用性のある理論であり、これら「化学設計式(Chemistry Formula)」通りに原子(の波動関数)を置き、それらを変分原理に従って相互作用させることで分子の波動関数を作る、これがCFT理論である。相対論は重い原子の原子核の近傍にある電子が主に、荷なっている現象であるから、CFT理論は、非相対論的な化学だけでなく、相対論的な化学にも同様に使えるはずである。
相対論効果は、CFT理論の中では基本的に保存される性質である。このことから、CFT理論を用いて、相対論的な重い原子から構成される分子の電子構造を研究した。その結果、CFT理論によって、重い原子の電子構造やその反応過程、ポテンシャルなどが、正しく記述されることを確かめた。特に、重い金属間結合が、この理論により分子軌道法などよりも、より優れた記述が得られることが確認された。化学の世界でも周期表の下部を占める重い原子とそれを含む分子の化学には、相対論的理論が顕著に重要になる。本研究の目的は、周期表下部の2/3以上のエレメントを含む化合物の化学を支配している相対論的ディラック方程式の正確な解法を導き、これを化学理論として定式化し、既にほぼ完成に向かいつつあるシュレーディンガー方程式に基づく正確な化学理論と合体して、周期律表の全エレメントを含む化学について、正確な予言的量子化学を確立する事である。従来の量子化学の相対論は、普通の分子軌道法に、相対論"効果"を足継ぎしたような理論が主であり、相対性量子力学の基礎方程式であるディラック方程式から出発していない。しかしながら、周期律表の下半分のエレメントについては、相対論に基づくエネルギーは非相対論のそれよりはるかに大きく、これでは不満足なことは明白である。重いエレメントの世界では、相対論は、"効果"の様な「従」ではなく、むしろ「主」である。ディラック方程式に直接軸足を置く量子化学の建設が絶対に必要であり、それを目指した研究を行う。平成30年度は、原子・分子の新しい電子構造理論として導入したChemical Formula理論を、シュレーディンガー方程式を解くための出発関数として用いる考え方を、相対論的ディラック方程式の解法の際にも導入することを検討した。また、相対論的ディラック方程式の大きな問題点である、電子数の増加に伴って解が急速に困難になることを克服するための方策についても研究した。原子が重くなるほど核の電荷が増え、核の周りをまわる電子の速度も増え、光の速度とcomparableになり、相対論的効果が無視できなくなる。この定性的な記述から推論できる通り、相対論効果が最も大きな電子は、重い原子の最内殻の1s軌道を占める2つの電子にあると考えることができる。Diracの相対論的方程式はシュレーディンガー方程式にくらべて正確に解く事が電子数の増加と共に極めて難しくなる構造をしており、そのため現在に至っても、私たちが2005年に発表した2電子系のDiracの方程式の正確な解法を、より多電子系に広げた例はない。しかしながら、大きな原子の最内殻の1s電子は、他の2s以上の電子からかなり隔離された独立なshellの形で存在し、かつまた、相対論効果はこの2つの電子において最も大きいと考えることができる。従って、この1s電子対を、私たちが2005年に発表した2電子系のDiracの方程式の正確な解法に従って解き、その結果の電子状態の上に、他のN-2電子を追加して、すでに私たちがほぼ完成しているシュレーディンガー方程式の解法・自由完員関数理論によって解く事ができれば、問題はかなり易しくなることが予想される。
不活性炭素水素結合の活性化に基づく新規直接的不斉触媒反応の開発研究

遷移金属触媒を用いた不活性C-H結合の直截的官能基化反応は、高い原子効率を有し、また合成ルートの単工程化を可能にする可能性を持つ非常に優れた反応である。これまでその多くはパラジウム、ロジウムなどの高価な金属触媒を用いる必要性があり、また基質一般性も不十分であるなどの課題を残している。前年度までに、三価のカチオン性コバルト触媒がロジウム触媒と類似の触媒活性を有しており、2一フェニルピリジン類のオルト位C-H結合の求電子への付加反応を進行させることを見出し、これを用いてインドールの2位選択的なイミンへの付加反応を達成している。本反応の不斉化は反応の可逆性、キラル触媒の低反応のため非常に困難であった。そこでコバルト触媒の一般性の拡大を目指すこととした。インドールの2位官能基化は、イミンへの付加反応だけでなく、スルホニルアジドを用いたアミド化も可能であった。この反応の検討においては、Cp*Co(CO)I2錯体と適切な銀塩を用いる条件を見出した。これにより錯体のカウンターアニオンを容易に変更することや、反応温度をより低下させることが可能になり、高い一般性が期待できる。またカルバモイル基で保護されたインドールとアルキンの反応では、アルケニルコバルト中間体からカルバモイル基に求核反応が進行し、pyrroloindolone骨格を与えた。この環化反応は既存のロジウム触媒ではほとんど進行せず、中間体の顕著な反応性の違いが示唆された。これまでのイミンへの付加やアミド化はロジウム触媒で既に報告されていた反応であるが、この環化反応はコバルト触媒特有の反応を見出した最初の例となる。さらに共同研究者と共に、メタラサイクル中間体の単離・構造決定と計算化学によって、この特有の反応性がコバルトの低い電気陰性度に由来する、炭素-コバルト結合の分極の大きさに由来するという知見を得た。(抄録なし)遷移金属触媒を用いた不活性C-H結合の直截的官能基化反応は優れた原子効率を有し、また合成ルートの単工程化を可能にするため、数多くの研究者が取り組んでいる分野である。しかし高価な金属触媒を用いる必要性があり、また基質一般性も不十分であるなどの課題を残している。一方含窒素複素環は有機化学における基本的な骨格であり、医薬品やその候補化合物にも多く含まれる重要なビルディングブロックである。この窒素複素環の金属触媒への配位性を利用した隣接するベンジル位の直截的官能基化反応について研究を行った。種々検討の結果、強いルイス酸性を有する二価銅触媒や希土類金属触媒を用いることで2,6-ルチジンや2-メチルキノリン類を求核剤とする各種求電子剤との反応が進行することを見出した。銅触媒によるスルホニルイミンへの付加反応では、80°C程度の比較的温和な条件でも反応が進行した。さらにスカウンジウム触媒を用いることでα,β-不飽和ケトン類への1,4-付加反応も高温条件にて進行することがわかった。窒素系の不斉配位子を用いた不斉化も検討したが、配位子による顕著な反応性の低下が観測され、困難であった。今後はより広範な配位子検討を行い、不斉反応について検討する予定である。配位性官能基を有しない基質におけるベンジル位の官能基化反応もジフェニルメタンなどをモデル基質として検討したが、非常に困難であることが判明した。各種金属触媒、光酸化還元触媒を用いたが望みの反応は進行しなかった。今後も検討を続けていくと共に、安価な第一周期遷移金属を用いることに焦点を当て、その他のC-H結合官能基化反応にも取り組んでいく予定である。遷移金属触媒を用いた不活性C-H結合の直裁的官能基化反応は、高い原子効率を有し、また合成ルートの単工程化を可能にする可能性を持つ非常に優れた反応である。これまでに数多くの反応が報告されて生きているが、その多くはパラジウム、ロジウムなどの高価な金属触媒を用いる必要性があり、また基質一般性も不十分であるなどの課題を残している。前年度はLewis酸触媒によるベンジル位活性化および他のsp^3 C-H結合の活性化に基づく反応の検討を行ったが、前者はその一般性に限界があり、また後者は反応がうまく進行しなかった。そこで本年度は新規な第一列遷移金属触媒の設計・探索を主な目的とし、まずは配向基存在下、芳香族sp2C-H結合の活性化と続く求電子剤への付加反応を検討した。近年報告数が急激に増加しているCp*Rh(III)触媒による反応系を参考にし、これまで有機合成における触媒としては全く注目されて来なかった高原子価コバルト触媒に着目した。種々のシクロペンタジエニル型配位子を有する3価のカチオン性コバルト触媒を検討した結果、[Cp*Co(C_6H_6)](PF_6)_2を用いることで、2-フェニルピリジン類のオルト位C-H結合のスルポニルイミンへおよびエノン、α,β-不飽和準アシルピロールへの付加反応が進行した。さらにより有機合成上有用な反応とすることを目指し、インドールの2位選択的な求電子剤による官能基化反応へと発展させた。インドールはその3位で求電子剤と反応することが知られており、その2位選択的な求電子剤との反応は、分子内反応を除くと非常に困難である。

検討の結果、2-ピリミジル基で保護されたインドールを基質として用い、5mol%の[Cp*Co(C_6H_6)](PF6)2、10mo1%の酢酸カリウムを用いる条件にてスルホニルイミンへの付加反応がほぼ完全な2位選択性で進行することを見出した。種々の置換基を有するインドールおよびイミンに対して反応は問題なく進行し、高い一般性を示すことがわかった。また触媒量も最高で0.5mol%まで低減する事ができた。遷移金属触媒を用いた不活性C-H結合の直截的官能基化反応は、高い原子効率を有し、また合成ルートの単工程化を可能にする可能性を持つ非常に優れた反応である。これまでその多くはパラジウム、ロジウムなどの高価な金属触媒を用いる必要性があり、また基質一般性も不十分であるなどの課題を残している。前年度までに、三価のカチオン性コバルト触媒がロジウム触媒と類似の触媒活性を有しており、2一フェニルピリジン類のオルト位C-H結合の求電子への付加反応を進行させることを見出し、これを用いてインドールの2位選択的なイミンへの付加反応を達成している。本反応の不斉化は反応の可逆性、キラル触媒の低反応のため非常に困難であった。そこでコバルト触媒の一般性の拡大を目指すこととした。インドールの2位官能基化は、イミンへの付加反応だけでなく、スルホニルアジドを用いたアミド化も可能であった。この反応の検討においては、Cp*Co(CO)I2錯体と適切な銀塩を用いる条件を見出した。これにより錯体のカウンターアニオンを容易に変更することや、反応温度をより低下させることが可能になり、高い一般性が期待できる。またカルバモイル基で保護されたインドールとアルキンの反応では、アルケニルコバルト中間体からカルバモイル基に求核反応が進行し、pyrroloindolone骨格を与えた。この環化反応は既存のロジウム触媒ではほとんど進行せず、中間体の顕著な反応性の違いが示唆された。これまでのイミンへの付加やアミド化はロジウム触媒で既に報告されていた反応であるが、この環化反応はコバルト触媒特有の反応を見出した最初の例となる。さらに共同研究者と共に、メタラサイクル中間体の単離・構造決定と計算化学によって、この特有の反応性がコバルトの低い電気陰性度に由来する、炭素-コバルト結合の分極の大きさに由来するという知見を得た。含窒素複素環類のsp3C-H結合の直戴的官能基化反応において、ラセミ条件での広い一般性を達成できたため。C-H結合の直裁的官能基化に用いる事のできる第一列遷移金属触媒を新たに見出すことに成功し、さらにそれを用いて合成上有用なインドール2位官能基化反応を達成することができたため。含窒素複素環類化合物のベンジル位のsp3C-H結合の官能基化においては、現状の触媒系では触媒に非常に高いルイス酸性が求められるため、既存の不斉配位子を用いた検討だけでは不斉化が困難であると予想される。そのためルイス酸性を損なわない新たな配位子の設計から検討する予定である。また本反応においては強いルイス酸性を有する高価な希土類触媒を用いることが問題点として残されており、今後は比較的安価な第一周期遷移金属触媒を用いることに焦点を当てたC-H結合の官能基化反応にも取り組んでいく予定である。今後は現在の触媒系を元に、不斉触媒反応へと展開していく。主にキラルなシクロペンタジエニル型配位子を設計し、錯体の合成と反応の検討を行なっていく。しかし比較的キラルな配位子の設計や合成が困難であることも予想されるため、他のタイプの配位子で同様な反応性が得られるような触媒系の探索も視野に入れて研究を進める。
サイトカイニンによる光合成炭酸固定酵素RuBPCase遺伝子の発現制御の解析-葉身の老化程度の異なる水稲品種および系統を用いて-

水稲の多収性品種の中には、登熟期の葉身の老化が遅く、光合成炭酸固定酵素であるRuBPCase含量が高く維持され光合成速度が高く維持されることにより乾物生産量および収量が高い品種があり、葉身の老化がおそい要因として根から地上部に送られるサイトカイニン量が多いことが明らかにされている。遺伝的に老化の遅い性質を備えた品種では根で作られ葉身に送られるサイトカイニンが多いことが関係して、葉身のRuBPCaseの合成量が高く、酵素量が高く維持されている可能性が考えられる。そこで本研究では、水稲の葉身の老化制御機構を明らかにする目的で、葉身の老化程度が異なる品種アケノホシと日本晴を用いて、登熟期における葉身の老化過程で、地上部に送られるサイトカイニン量、葉身中のサイトカイニン量がどのように変化するのか、RuBPCaseの酵素量、遺伝子発現との間にどのような関係があるかを検討した。その結果、葉身の老化の遅いアケノホシは老化の早い日本晴に比べて、登熟期間中、止葉および第III葉のRuBPCase含量は高く維持され、またRuBPCaseのmRNA量は高く、遺伝子の発現量が高い傾向が認められた。茎基部の出液中のサイトカイニン量は、登熟期間中、アケノホシが日本晴に比べて高く推移し、葉身のRuBPCase含量との間には相関係数0.96の有意な正の相関関係が認められた。葉身中のサイトカイニン量をELISA法によって定量した結果、登熟期を通じて、アケノホシの止葉中のゼアチンおよびゼアチンリボシド含量は日本晴より高く推移し、RuBPCase含量との間には、0.56の有意な正の相関関係が認められた。サイトカイニンとRuBPCase含量との間に密接な関係があることが明らかとなったので、今後はさらにサイトカイニンがどのような過程を通じてRuBPCaseの遺伝子発現制御に関与しているかを明らかにする必要がある。
橋スラブの損傷破壊機構と補強方法の評価に関する研究

交通荷重の増大に伴う劣化と設計荷重の増加改定に伴って、道路橋スラブの補強が大きな問題となっている。劣化スラブの補強は、大別して鋼板や炭素繊維を用いる下面補強工法と、上面にパネルを貼るD-RAP工法やSFRCを配する上面補強工法がある。これら工法の妥当性を評価する上で、基本的にスラブの損傷劣化をもたらす押抜きせん断破壊の機構的な解明が必要である。本研究は、スラブ破壊の機構的な解明を目的として鉄筋比(1,1.5,2%の3種類)とスラブ厚さ(4,5,7cmの3種類)を変化させた小型モデルスラブ、ならびに上記各種補強方法の効果を求める目的として鉄筋比ならびにスラブ厚さを一定としたスラブに一定荷重の載荷後各種の補修を行なった中型モデルスラブに対する載荷試験を行い、一部載荷試験後のスラブの切断による内部ひびわれの観察を含めて検討を行った。スラブの押抜きせん断破壊機構については、押抜けにより破壊するかなり以前に径方向の上縁ひずみが減少する一方で周方向ひずみは最終段階まで増加しほぼ終局ひずみにいたること、各段階でのスラブ内の主として曲げによるとみられるひび割れの進展がこのようなひずみの変化と関係づけられること、ならびに最終的な押抜き破壊面は強度破壊点で急激に進展することが判明した。一方、上面増厚による補修はスラブ厚さを増厚分だけ増加させたものとほぼ同じ補強効果があること、下面増厚では曲げひびわれの拘束による剛性増大の効果があることなどが判明した。劣化スラブの補強は、大別して炭素繊維等を貼り付ける下面補強工法と、上面にSFRC等を配する上面補強工法がある。これら工法の妥当性を評価する上で、基本的にスラブの損傷劣化がもたらす押抜きせん断破壊の機構的な解明が必要である。本年度はとくにスラブの破壊の機構的な解明を目的として、旧規定によって設計された現行の橋スラブのモデルに平均鉄筋比が約1および2%の模型スラブを作成し、浮上りを許す4辺単純支持として中央点載荷および移動載荷の繰返し試験を行い、載荷に伴う載荷部周辺の上縁コンクリートや鉄筋ひずみの変化状況の詳細を求めた。その結果、鉄筋比によってスラブの破壊形態が曲げに近いものと遠いものがあるが、いずれもスラブは押抜けによって破壊するかなり以前に、載荷部分に直交する方向の上縁ひずみが減少する一方で載荷部分平行方向のひずみは最終段階まで増加しほぼ終局ひずみ(0.35%)にいたることが判明し、このことから、劣化度の評価と関連させうるところのスラブ内部のせん断ひび割れが進行する押し抜きせん断破壊過程がある程度推測できた。さらに鉄筋のひずみの進行状況から降伏域の進展状況や、移動載荷による場合のスラブ破壊の荷重履歴依存性が大きいことが判明した。これらの結果をもとに、スラブの劣化度を考慮した各種補強の効果について検討中である。劣化スラブの補強は、大別して鋼板や再素繊維を用いる下面補強工法と、上面にパネルを貼るD-RAP工法やSFRCを配する上面補強工法がある。本年度は、スラブ破壊の機構的な解明を目的として鉄筋比(1,1.5,2%の3種類)とスラブ厚さ(4,5.7cmの3種類)を変化させた小型モデルスラブ、ならびに上記各種補強方法の効果を求める目的として鉄筋比ならびにスラブ厚さを一定としたスラブに一定荷重の載荷後各種の補修を行なった中型モデルスラブに対する載荷試験を行い、一部載荷試験後のスラブの切断による内部ひびわれの観察を含めて検討を行った。

スラブの押抜きせん断破壊機構については、押抜けにより破壊するかなり以前に径方向の上縁ひずみが減少する一方で周方向ひずみは最終段階まで増加しほぼ終局ひずみにいたること、各段階でのスラブ内の主として曲げによるとみられるひび割れの進展がこのようなひずみの変化と関係づけられること、ならびに最終的な押抜き破壊面は強度破壊点で急激に進展することが判明した。一方、上面増厚による補修はスラブ厚さを増厚分だけ増加させたものとほぼ同じ補強効果があること、下面増厚では曲げひびわれの拘束による剛性増大の効果があることなどが判明した。
対人競技におけるバイオメカニクス的評価法の確立

今年度も昨年度に引き続き,対人競技における「はやさ」の評価方法,特に選手やコーチにフィードバックした際に客観的な評価値と主観的な評価の差異について明らかにし,評価式の妥当性を検討した.また,動作分析実験から得られたデータをもとに選手固有の蹴り動作をより「素早く」みせるためのフェイント動作を明らかとし,選手固有の有用なフェイント動作とは何かをシミュレーション手法によって検討した.対人競技であるテコンドーでは,蹴り動作前のフェイント動作を用いることで相手選手により多くの視覚情報を与え,蹴り動作の始まりを相手選手が認知することを遅らせることができると考えられる.そこで,選手固有のフェイント動作を収集し,分けられた3つのフェイントタイプの平均的な動作データを作成し,さらにタイプごとに動作を組み合わせることで新たな動作パターンを生成した.タイプごとに作成した平均的な動作のうちフェイント動作と蹴り始め以降の蹴り動作を組み合わせるために,動作に標準シグモイド関数を用いて重みづけを行い,フェイント動作から蹴り始め以降の蹴り動作への移行が滑らかになるように調整し,9つの新たな動作パターンを生成した.タイプごとに動作を組み合わせたシミュレーションを行い,コーチや選手に提示することで,タイプごとの選手固有のフェイント動作の「素早さ」を評価可能である可能性が示された.また,本研究では,フェイントと蹴り動作が類似することを「素早い」動作と仮定したが,実際の試合場面では,強い選手ほど,フェイント動作の巧みな使い分けがみられるため,今後は,動作の切り替わりが素早さに与える影響も考慮して研究を進めていく必要がある.なお,研究結果は1件の国際会議(第35回国際スポーツバイオメカ二クス学会),1件の国内学会(第38回バイオメカニズム学術講演会),1件の国際招待講演(SAICON2017)にて発表を行った.29年度が最終年度であるため、記入しない。29年度が最終年度であるため、記入しない。平成28年度は,対人競技における「はやさ」の評価方法,特に「相手にはやいと感じさせる」要因とその評価式を検討するためにテコンドー競技のフェイント動作を対象に研究を行った.テコンドーの「はやさ」は,これまで容易に測定可能な「速度」や「時間」といった数値パラメータを用いて評価されてきたが,相手と対峙しながら競技を行う対人競技の特性を考慮すると,「相手にはやいと感じさせる」ことも「はやさ」の大きな要因であると考えられる.そこで,三次元のモーションキャプチャシステムを用いて計測したフェイント動作を含む前回し蹴り動作から算出した身体重心速度に対して,周波数分析を行い,「相手にはやいと感じさせる」ことを数値として評価するための評価式を考案した.その結果,この評価式を用いることで,フェイント動作中の上下,前後方向の速度関数の周波数成分と蹴り出し準備局面の上下,前後方向の速度関数の周波数成分の類似性を評価することができ,類似性を高めることは「相手にはやいと感じさせる」要因の一つであることが推察された.また,アンケート調査により,「はやい」と感じる蹴り動作を行っていたと評価された被験者の中には,蹴り動作のスピードが小さくや蹴り時間も平均的である被験者も散見されたが,評価式により算出された値は大きく,テコンドーの「はやさ」には,「速度」や「時間」といったパラメータのみならず,感覚的な「はやさ」も含まれており,今後も「はやさ」に関して研究を続ける必要があると考えられる.なお,研究結果は1つの国際会議(第34回国際スポーツバイオメカニクス学会),3つの国内学会(日本体育学会第67回大会,第24回日本バイオメカニクス学会大会,第37回バイオメカニズム学術講演会)にて平成28年度に発表を行ったため,平成29年度中に成果をまとめ,学術論文として投稿予定である.どのような動作が素早いという印象を与えるのかを検討するための動作分析に時間を割いたので,平成28年度中に行う予定であった評価式の検討実験の1つを実施することができなかったため.また,今年度中に韓国,オランダに出向き格闘技種目における素早さに関する研究打ち合わせを行うことが,相手方との調整がつかず実現しなかった.しかし,周波数分析による評価式は概ね構築できており,やや遅れつつも着実に進行している.今年度も昨年度に引き続き,対人競技における「はやさ」の評価方法,特に選手やコーチにフィードバックした際に客観的な評価値と主観的な評価の差異について明らかにし,評価式の妥当性を検討した.また,動作分析実験から得られたデータをもとに選手固有の蹴り動作をより「素早く」みせるためのフェイント動作を明らかとし,選手固有の有用なフェイント動作とは何かをシミュレーション手法によって検討した.対人競技であるテコンドーでは,蹴り動作前のフェイント動作を用いることで相手選手により多くの視覚情報を与え,蹴り動作の始まりを相手選手が認知することを遅らせることができると考えられる.そこで,選手固有のフェイント動作を収集し,分けられた3つのフェイントタイプの平均的な動作データを作成し,さらにタイプごとに動作を組み合わせることで新たな動作パターンを生成した.タイプごとに作成した平均的な動作のうちフェイント動作と蹴り始め以降の蹴り動作を組み合わせるために,動作に標準シグモイド関数を用いて重みづけを行い,フェイント動作から蹴り始め以降の蹴り動作への移行が滑らかになるように調整し,9つの新たな動作パターンを生成した.タイプごとに動作を組み合わせたシミュレーションを行い,コーチや選手に提示することで,タイプごとの選手固有のフェイント動作の「素早さ」を評価可能である可能性が示された.

また,本研究では,フェイントと蹴り動作が類似することを「素早い」動作と仮定したが,実際の試合場面では,強い選手ほど,フェイント動作の巧みな使い分けがみられるため,今後は,動作の切り替わりが素早さに与える影響も考慮して研究を進めていく必要がある.なお,研究結果は1件の国際会議(第35回国際スポーツバイオメカ二クス学会),1件の国内学会(第38回バイオメカニズム学術講演会),1件の国際招待講演(SAICON2017)にて発表を行った.平成29年度は,評価式の妥当性を検証するための実験を行い,また,現場に介入しながら実際の現場に応用できるかどうかを確認する.選手自身の(絶対的)「はやさ」および対戦相手に対する(相対的)「はやさ」を組み合わせ行うシミュレーション手法を検討する.加えて,平成28年度にできなかった,韓国,オランダの研究者と格闘技種目における素早さに関する研究打ち合わせを行う.最終年度として,これらの研究成果をとりまとめ発表を行う予定である.29年度が最終年度であるため、記入しない。29年度が最終年度であるため、記入しない。