hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
基質配列の非ペプチド化に基づくプロテアーゼ阻害剤設計戦略の開拓

本研究では、疾患関連プロテアーゼの認識ペプチド配列を非ペプチド化・低分子化した阻害剤設計を行う基本戦略を確立する。このため、2つの異なる方法論について検討する。戦略1は「環状化とプロテアーゼ相互作用部位の導入」に基づく方法で、戦略2は「Scaffoldヘテロ環への相互作用部位の導入」手法に基づく方法である。対象疾患とその標的酵素は、アルツハイマー病に関わるBACE1、新興感染症であるSARSおよびMERSに関わる3CLプロテアーゼである。これらの疾患に対する治療薬は現在でも未開発であり、治療薬シーズ化合物の創製は喫緊の課題となっている。BACE1阻害剤開発研究では、戦略1に基づき高い酵素阻害能と適度な疎水性を持った環状型阻害剤創製を目指し、プライムサイトでの構造最適化を進めた。その結果、疎水性置換と極性置換基では芳香環上での最適置換位置が異なることを見出し、それぞれに位置に最適置換基を導入することで阻害活性向上が図れることを見出した。また、戦略2に基づく環状アミジン型低分子阻害剤の創製では、これまで全く報告がなかったピロリジン環構造の有用性を確認するとともに、芳香環上に比較的小さな疎水性置換基を導入した新規阻害剤の創製に成功した。SARS(MERS)プロテアーゼ阻害剤開発研究では、戦略1に基づきオクタヒドロイソクロメン骨格の立体選択的合成経路を確立するとともに、縮環骨格上に導入した窒素原子上の置換基構造の違いによって阻害活性が大きく異なることを初めて見出した。以上の結果から、これらの従来にない独創的な基本骨格を有する阻害剤構造がプロテアーゼと相互作用しうる新たな部位を提供するとともに、これまでにない相互作用を利用した更なる構造最適化が可能であることを明らかにすることができた。前述した研究目的を達成するため以下の計画に従って本年度研究を実施し、おおむね順調に研究を進展させることができた。戦略1に基づく環状BACE1阻害剤開発では、環状構造に組み込む新たな置換基の探索を目的としてノンプライム部位での置換基探索を行った。その結果、芳香環の適切な位置に物性の異なる置換を導入することで活性向上を図れる事を確認した。次いで、環状構造の大きさについての最適化を行った。メチレン鎖長の異なるオレフィン構造を持った各種環状誘導体について阻害活性を評価した結果、13員環構造が最も適した環サイズであることを確認した。戦略2に基づくヘテロ環型BACE1阻害剤の開発では、前年度で確立したアミジノピロリジン型阻害剤の合成ルートを利用して、アミノ基とヒドロキシ基のそれぞれに疎水性基を導入した化合物を合成した。得られた各種化合物の阻害活性評価により、いずれの官能基にもビフェニル型のような比較的大きな疎水性基を導入することで阻害活性の向上を図ることが可能であることを見出した。さらに、ビフェニル構造への置換基導入も可能であることが示唆された。戦略2に基づくSARS(MERS)プロテアーゼ阻害剤の開発では、疎水性相互作用中心構造としてオクタヒドロイソクロメン骨格を持つ縮環型化合物の合成を重点的に進めた。水酸基の立体化学コントロールによる立体選択的環構造構築を行い、目的とする化合物の合成ルートを確立した。最初に得られた化合物はジアステレオ混合物であったが明確な阻害活性を示し、新たに設計した新規オクタヒドロイソクロメン骨格を有する縮環型化合物が有用なSARS(MERS)プロテアーゼ阻害剤になりうることを確認した。以下の方策に従って今後の研究を推進する。戦略1に基づく環状BACE1阻害剤開発では、まず疎水性ポケットとの相互作用に最も適した環サイズを特定する。このため、環状メチレン構造上に異なる疎水性置換基を有する各種環状化合物を合成する。置換基を有する環状オレフィン構造の構築には水酸基への求核反応を用いる。このため、まず本環化反応を効率よく進めるのに最も適した直鎖状前駆体の検討を行う。この条件検討では最も小さな疎水性置換基を有する前駆体を用いる。ついで、最適化された前駆体構造に各種置換基を導入した環化前駆体の環化反応を行う。あわせて、ハロゲン化フェニルアラニン誘導体とオレフィン側鎖アミノ酸誘導体を用い、Heck反応を利用した環化により芳香環を導入した環状誘導体を合成する。戦略2に基づくヘテロ環型BACE1阻害剤の開発では、前年度研究で見出した置換アミジノピロリジン型阻害剤の構造最適化を進め、それぞれの芳香環上に導入できる最適官能基の種類と位置を特定する。BACE1阻害活性評価により、導入された置換基の疎水性や嵩高さと阻害活性との相関を評価するとともに、プロテアーゼとの複合体結晶構造の解析を進める。戦略2に基づくSARS/MERS 3CLプロテアーゼ阻害剤の開発では、疎水性相互作用に基づくオクタヒドロイソクロメン骨格を持つ縮環型化合物の立体選択的合成経路を確立するとともに、すべての可能な立体配置を持った化合物を選択的に合成する。これらの化合物評価により立体構造最適化を進めるとともに、本縮環骨格上に導入できる置換基のサイズと極性を特定する。阻害活性が最も高い化合物について、プロテアーゼとの複合体X線結晶構造解析による相互作用様式の解析を原子レベルで行う。

戦略1は「環状化とプロテアーゼ相互作用部位の導入」に基づく方法で、戦略2は「Scaffoldヘテロ環への相互作用部位の導入」手法に基づく方法である。対象疾患とその標的酵素は、アルツハイマー病に関わるBACE1、新興感染症であるSARSおよびMERSに関わる3CLプロテアーゼである。これらの疾患に対する治療薬は現在でも未開発であり、治療薬シーズ化合物の創製は喫緊の課題となっている。BACE1阻害剤開発研究では、戦略1に基づき高い酵素阻害能と適度な疎水性を持った環状型阻害剤を創製する。あわせて、戦略2に基づく環状アミジン型低分子阻害剤の創製を行う。SARS(MERS)プロテアーゼ阻害剤開発研究では、戦略1に基づきデカヒドロイソキノリ骨格およびオクタヒドロイソクロメン骨格を持った低分子型環状阻害剤を創製する。これらの阻害剤はいずれも従来にない独創的な基本骨格を有するにもかかわらず、各プロテアーゼの特異的基質との相互作用部位を合理的に導入できるという大きな特色を有している。本年度研究では、これらの新規基本骨格構築法を確立した。特に、基本骨格に導入する置換基の立体化学を自由に制御できる合成反応を組み入れることに留意し、核となる相互作用基の立体選択的導入が可能な合成経路を開発した。これにより、阻害活性発現に及ぼす置換基立体化学の影響を定量的に比較・評価することが可能になった。前述した研究目的を達成するため以下の計画に従って本年度研究を実施し、おおむね順調に研究を進展させることができた。戦略1に基づく環状BACE1阻害剤開発では、メチレン鎖長の異なるオレフィン構造を持った各種環状誘導体を合成することとした。BACE1活性中心と相互作用する遷移状態mimicとして、これまでの研究で最も高い阻害能を示した無置換型HEA構造を導入した。環状オレフィン構造の構築にはオレフィンメタセシス反応を用いることとし、必要となるオレフィン側鎖アミノ酸誘導体をグルタミン酸側鎖カルボキシル基の酸化と続くWittig反応によって調製した。これまでの研究により、オレフィン側鎖含有環化前駆体の合成経路を確立し、環化反応条件の最適化を進めた。戦略2に基づくヘテロ環型BACE1阻害剤の開発では、アミジノピロリジン型およびアミジノピペリジン型阻害剤の合成法を構築した。この際、ピロリジン型阻害剤合成には市販のヒドロキシプロリンを足場として利用した。ピペリジン型阻害剤合成では、申請者がピペリジンアルカロイド(+)-spectalineの全合成研究に利用した2, 6ー二置換ピペリジン骨格の立体選択的構築法を応用した。戦略2に基づくSARS(MERS)プロテアーゼ阻害剤の開発では、疎水性相互作用中心構造としてデカヒドロイソキノリン構造を持つ縮環型化合物の構造最適化を重点的に進めた。すでにデカヒドロイソキノリン骨格がプロテアーゼの疎水性ポケットにうまく入り込んでいることを複合体構造解析によって確認しているので、ノンプライム置換基の導入が可能な合成経路の開発を重点的に行った。異なるヘテロ元素を有する2種類の縮環構造にアミノ置換基を導入する複数の経路についての比較・検討を行い、有望な合成経路の絞り込みを行った。本研究では、疾患関連プロテアーゼの認識ペプチド配列を非ペプチド化・低分子化した阻害剤設計を行う基本戦略を確立する。
動的構造解析に資する固定ターゲット微小結晶解析法の開発

生命科学や創薬科学にとって重要なタンパク質の構造ダイナミクス研究の振興を目指して、動的X線結晶構造解析の汎用化に貢献する「固定ターゲットによる高効率高精度X線回折データ収集技術」と「In-situ測定用試料雰囲気制御技術」を研究開発する。固定ターゲットX線回折データ収集技術では、動的X線結晶構造解析成功の鍵といえる「微小結晶の微弱な回折強度の正確な測定」に適した真空回折計を開発する。また、in-situ測定用試料雰囲気制御技術では、これまで開発してきた試料雰囲気制御装置の温度制御範囲拡大等の高度化を実施する。最終的に、二つの技術を融合して動的X線結晶構造解析の高度化に貢献する。
バナジウム酸化物における酸素不定比性の制御と構造・物性

本年度は、バナジウム酸化物を中心に量子スピン系物質の開拓およびその物性の研究を行った。具体的には、新しいスピン・パイエルス物質NaV_2O_5を発見し、単結晶育成にも成功した。また、不定比化合物Na_xV_2O_5について、スピン・パイエルス転移は不定比性により急激に抑えられること、反強磁性長距離秩序は現れないこと、伝導性は増加し、その温度変化は一次元variable range hopping伝導機構を示すこと、などを見出した。前年度において発見したスピン・ラダー系物質CaV_2O_5については、Ti置換を試み、スピン・ラダー系銅酸化物と違って反強磁性長距離秩序は現れないことを検証した。類似の構造をとるMgV_2O_5については中性子散乱実験でスピン・ギャップと思われるエネルギー・ギャップを観測した。MgV_2O_5もスピン・ラダー系物質の可能性がある。擬一次元ジグザグ鎖物質LiV_2O_5は極低温まで反強磁性長距離秩序もスピン・ギャップも示さない。この物質については、単結晶育成にも成功した。CsV_2O_5はダイマー系物質で基底状態はスピン一重項状態である。このほか、様々な低次元バナジウム酸化物が新たに合成され、その物性は検討中である。また、金属-絶縁体転移(パイエルス転移)を示す有名な物質VO_2において、3価陽イオンを置換した場合、M_2相と呼ばれる新たな構造をもつ絶縁体相が現れるが、この相における300K近傍での相転移はスピン・パイエルス転移であることを示した。高温超伝導体研究では、核磁気共鳴グループとの共同研究で、214化合物での擬スピン・ギャップ挙動の検証を行った。214化合物で擬スピン・ギャップ挙動が明確に観測されないのは、金属イオンの置換によるランダムネスに起因している。
前立腺間質細胞が産生する増殖・分化調節因子

1.ラット前立腺に存在する成長因子を分析し、その主要成分を精製した。成熟ラット背側部前立腺にはヘパリン結合性成長因子、高分子量EGF(HMWーEGF)および2種類の低分子量EGF(LMWーEGF)が存在していた。このうち3種類のEGFを精製した。HMWーEGF標品はNー末端構造の異なる少なくとも数種類の成分を含んでいた(平均分子量3.5万)。前立腺におけるHMWーEGF/LMWーEGFの比率は、他の組織や体液よりはるかに高い値を示した。LMWーEGFの1つはラット顎下腺EGFと類似していたが、Nー末端がAsnからAspに変化し、Cー末端のArgが欠落していた。3種類のEGFはすべて初代培養前立腺上皮細胞の増殖を促進した。これらの結果は、前立腺において産生されるEGFが前立腺細胞自身の増殖に関与する可能性を示唆している。2.初代培養前立腺細胞が産生する因子を同定、精製するためには、基本培地に血清などの不確定成分が含まれていないことが望ましい。これまで用いてきた無血清初代培養法では、培地添加物中に唯一の不確定成分である牛脳下垂体抽出物(BPE)が含まれている。BPEを置換え得る物質を検索した結果、ダイズトリプシンインヒビタ-(STI)やアンチパインなどのプロテア-ゼ阻害剤がBPEと同等の効果を示すことが分った。STIの場合、約300ng/mlで最大の効果を示した。今後の培養においてBPEの代りにSTIを用いることにより、完全に組成の明らかな培地を用いることが可能となった。3.培養系における前立腺細胞の増殖、生存に対する細胞外基質の効果を検討した。調べた成分のうち、ラミニンとMatrigel(基底膜可溶化物)が上皮細胞の増殖を促進し、特にMatrigelの効果が著しかった。この効果は、培養皿への細胞の接着促進とより直接的な増殖促進作用によると考えられる。1.前立腺上皮細胞の無血清初代培養に用いる添加物(増殖促進因子)の中で、唯一の不確定成分である牛脳下垂体抽出物(BPE)を置換え得る物質を検索した結果、ダイズトリプシンインヒビタ-(STI)やアンチパインなどのプロテア-ゼインヒビタ-がBPEと同等の効果を示すことが分った。今後の培養においてBPEの代りにSTIを用いることにより、BPEに含まれる多くの生理活性成分の影響を排除し、完全に組成の明らかな培地を使用することが可能となった。2.前立腺細胞の増殖,分化における細胞外基質、特に基底膜成分、の役割を知る目的で、初代培養上皮細胞に対する基底膜可溶化物(Matrigel)の効果を調べた。培養皿をMatrigelでコ-トすることにより、上皮細胞の増殖は強く促進された。Matrigelのこの効果は、培養皿への細胞の接着促進とより直接的な増殖促進作用によるものと考えられる。Matrigelの効果は、無血清培地だけでなく血清を含む培地を用いた場合にも見られることから、前立腺上皮細胞の増殖は可溶性の因子に加えて細胞外基質によっても調節されている可能性が高い。Matrigelは非常に高価なため、これを培養に日常的に用いるには経済的な困難が伴う。

培養コストを受入れ可能なレベルまで引下げるためにMatrigelの使用量を減らすことが可能かどうか検討した結果、市販のMatrigel原液を1/10ー1/100程度に希釈して用いても十分な効果を示すことが明らかとなった。これにより、Matrigelを用いて培養条件を至適化していくことが可能となった。1.ラット前立腺に存在する成長因子を分析し、その主要成分を精製した。成熟ラット背側部前立腺にはヘパリン結合性成長因子、高分子量EGF(HMWーEGF)および2種類の低分子量EGF(LMFーEGF)が存在していた。このうち3種類のEGFを精製した。HMEーEGF標品はNー末端構造の異なる少なくとも数種類の成分を含んでいた(平均分子量3、5万)。前立腺におけるHMWーEGF/LMWーEGFの比率は、他の組織や体液よりはるかに高い値を示した。LMWーEGFの1つはラット顎下腺EGFと類似していたがN末端がAsnからAspに変化し、C末端のArgが欠落してた。3種類のEGFはすべて初代培養前立腺上皮細胞の増殖を促進した。これらの結果は、前立腺において産生されるEGFが前立腺細胞自身の増殖に関与する可能性を示唆している。2.初代培養前立腺細胞が産生する因子を同定、精製するためには、基本培地に血清などの不確定成分が含まれていないことが望ましい。これまで用いてきた無血清初代培養法では、培地添加物中に唯一の不確定成分である牛脳下垂体抽出物(BPE)が含まれている。BPEを置換え得る物質を検索した結果、ダイズトリプシンインヒビタ-(STI)やアンチパインなどのプロテア-ゼ阻害剤がBPEと同等の効果を示すことが分った。STIの場合、約300ng/mlで最大の効果を示した。今後の培養においてBPEの代りにSTIを用いることにより、完全に組成の明らかな培地を用いることが可能となった。3.培養系における前立腺細胞の増殖、生存に対する細胞外基質の効果を検討した。調べた成分のうち、ラミニンとMatrigel(基底膜可溶化物)が上皮細胞の増殖を促進し、特にMatrigelの効果が著しかった。この効果は、培養血への細胞の接着促進とより直接的な増殖促進作用によると考えられる。
安保改定と東アジア地域の安全保障

本研究は米国の東アジア安全保障政策と日米安全保障関係の連関に特に注目しながら、日米両国の政策が1960年の安保改定に収斂していくプロセスを史料に基づき明らかにすることを目的としていた。その上で2年目に当たる本年度の主たる課題は、安保改定交渉が開始される1958年から、新条約等が成立した1960年の期間を対象に、安保改定プロセスを検討することにあった。まず、史料の調査・収集面では、本年度もアイゼンハワー大統領図書館と、米国立公文書館(Archives II)、外交史料館、国立国会図書館などでの史料調査を行った。研究内容としては、第一に、安保改定交渉の開始について日米が事実上合意するまでの過程を検討した。アメリカ政府内では最終段階まで、在日米軍基地の運用の在り方や日本の対外的な姿勢が問題となっていた。しかし、同時期に発生した第二次台湾海峡危機において日本が基地運用を含めて協力的な態度を示したことから、アメリカ側は安保改定交渉に応じる方針に転換した。一方、日本側は安保改定交渉を改めて求める機会を窺っていたが、1958年になって核兵器の持込み問題が深刻化し何らかの対処をする必要に迫られたことから、5月の総選挙後の交渉開始を求めていたことを明らかにした。第二の研究内容として、安保改定交渉で最大の争点となった事前協議制度について検討した。具体的なトピックとして「朝鮮議事録」、「同意」(日本側の拒否権)、偵察飛行に関する交渉過程を検討し、日本政府が、安全保障上の要求と、事前協議制度の安定性・正当性のバランスをどのように図ろうとしていたのかについて明らかにした。また、交渉を担った岸信介内閣が退陣した後、池田勇人新政権が新条約体制を安定的に引き継ぐまでの過程も検討した。この点については、「安保改定時の事前協議制度交渉:『朝鮮議事録』、『同意』、偵察飛行」として論文にまとめた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。本研究は東アジア安全保障と日米安全保障関係との連関に特に注目しながら、日米両国の政策が1960年の安保改定に収斂していくプロセスを史料に基づき明らかにすることを目的としている。平成28年度は、「西太平洋集団防衛協定」という、アジアで多国間同盟を目指すアメリカ政府の構想について考察を行うことを主たる課題とした。そこで、アメリカ政府の政策形成過程について明らかにするために、カンザス州アビリーンのアイゼンハワー大統領図書館と、メリーランド州カレッジパークのアメリカ国立公文書館(Archives II)、ワシントンDCの連邦議会図書館等において史料調査を行った。また、アメリカの史料を補完するため、ロンドン郊外のイギリス公文書館でイギリス政府の史料についても調査も行った。加えて、日本政府についても外交史料館や外務省への情報公開請求等を通じて史料調査を行った。収集した史料を検討した結果、第一にアメリカ政府内で「西太平洋集団防衛協定」を部分的であれ実現させる具体的な構想が何度か検討されたものの、いずれもアメリカ政府内の反対で実際には推進されなかったこと、第二に「西太平洋集団防衛協定」の実現から現行のハブ・アンド・スポークス体制の維持・強化へ政策目標を転換したNSC極東政策文書のNSC 5913/1の策定過程を明らかにし、論文としてまとめた。次年度の早い段階で投稿する予定である。史料調査が順調に進み、また初年度の目標課題であった「西太平洋集団防衛協定」構想に関する論文を執筆することが出来た。この点については、「安保改定時の事前協議制度交渉:『朝鮮議事録』、『同意』、偵察飛行」として論文にまとめた平成29年度の主たる課題は、安保改定交渉に関する検討を行う点にある。

引き続き本年度も国内外で史料調査を行い、東アジアの安全保障との関連を重視して史料の分析を進めることで、安保改定プロセスを明らかにする。そして、これまでの研究をまとめて博士論文を執筆する。29年度が最終年度であるため、記入しない。
カラム内集団協力活性に基づく神経振動子記憶モデルの統計力学的研究

カラム内の集団的神経活動を記述するために、Wilson-Cowan型の興奮、抑制性神経間の相互作用により振動状態を呈する振動子を用い、以下の点について明らかにした。1)記憶情報処理を可能にする結合はどの様なものか2)記憶情報処理を表現する力学系のアトラクターはどの様なものか3)統計力学的なモデルとの関連はどうなるのか4)特に時系列処理の問題はどう扱われるか。先ず、振動子間の相互の結合を、いわゆる2値のランダムなパターンを埋め込んだ。Hebb行列で与えると、次の様な2つの情報処理が可能であることがわかった。すなわち結合振動子系の全体に生じる固定点型アトラクターが、記憶パターンのビット情報を同期振動間の位相に反映する様な振動型アトラクターが記憶をコードする場合である。前者に関しては、記憶容量は通常のHopfield型ネットワークのそれと変わらないが、いわゆるオッシレータ死を情報のコーディングに使うことを示した例として面白い。また、オリジナルなモデルでは、振幅も重要な役割を果たしている様に思われるものの、位相自由度のみで記述されるモデルを導いてみても、やはり同様の現象の記述は可能である事がわかった。具体的にはある種の位相モデルは統計力学的に単調なHoptieldネットワークにほぼ等価なことを示した。後者に関しては、記憶パターン数が有限の範囲内で、等価な一振動子モデルを導き、それによって特定の同期状態を記憶の表現として議論することに成功した。臨界記憶容量そのものは小さくなる様であるが、記憶状態間に複雑な選移が起こる事が確認され、今後の理論的解明がされねばならないだろう。最後の時系処理は、数字のWalsh関数展開の神経ネットワーク的表現(完全ではないが)を与えるもので、皮質内のマイクロサ-キット(Douglas ct al1989)との関連が期待できそうである。本年投稿した関連論文は2つが既にアクセプトされ、2つは現在査読が行われている。
矯正歯科領域における拡張現実感技術を用いた次世代立体画像診療支援システムの開発

歯科矯正治療では、歯および骨の三次元的な形態・位置・方向を正確に把握することはきわめて重要であり治療結果に直結する。矯正歯科医の新しい目として歯および骨の位置情報をリアルタイム三次元ディスプレイで患者に重ね合わせて表示できれば、歯科矯正治療の操作性を著しく向上させると考えられる。本研究は、リアルタイム三次元ディスプレイを用いたコンピュータ・グラフィックスで作られた物体が現実に実在するかのように感じられる拡張現実感技術を矯正歯科領域に導入し、矯正歯科医が患者から目を離さず直接的に、三次元画像を患者に重ね合わせて立体的に視覚化できるシステムを開発し、未来の新しい治療環境を実現することが目的である。本研究では、立体画像表示システムを用いて歯の三次元拡張現実感表示に向けたシステムの構築を行った。CTや歯列を三次元スキャニングした画像データを収集し、高精度3Dプリンタを用いて歯・骨・歯肉を再現した実物大立体モデルを造形した。三次元画像を構築して客観的かつ定量的な予知性・安全性の高い治療計画を正確に実現するため、コンピュータシミュレーションにより最適設計を行なった。埋入矯正用アンカーインプラントの植立の際の埋入位置や方向の三次元的な位置関係を重畳提示してナビゲーションの精度を埋入目標と埋入位置の平均値と標準誤差を求め検証した。歯および骨を立体映像として実空間に立体表示し、空間的な位置関係を立体的に理解することが可能であった。
トポロジカル絶縁体の超薄膜化による次元交差効果とスピン依存伝導

本研究の当初の目的は、3次元トポロジカル絶縁体Bi2Se3の層状結晶の薄層化に伴い3次元から2次元へのトポロジカル相の次元交差がどのように起こるかを表面状態による伝導を用いて実験的に解明することであった。しかし通常Bi2Se3結晶はSe欠損のため電子ドープされているため、前年度までの研究でゲート電圧、イオン液体、分子ドーパント等を用いて余剰電子の相殺を図ったが、フェルミ準位をギャップ内に制御し表面伝導を観測することはできなかった。そこで本年度は研究の対象を3次元ワイル半金属である1T'型WTe2に変更し、Bi2Se3と同様に薄層化に伴うトポロジカル絶縁相への次元交差を調べることにした。この場合はワイル半金属特有のワイル軌道による伝導の量子振動を用いて薄層化の効果を調べる。WTe2もBi2Se3と同様に大気中で劣化するので、グローブボックス内で超薄膜に劈開した後、電子線リソグラフィー法で素子構造に加工し、10T超電導磁石を用いて磁場中電気伝導の実験を交流法で行った。磁気抵抗に重畳するシュブニコフードハース(SdH)振動をFFT解析したところ、主に先行研究で報告されている3次元バルク結晶由来の4種の周波数ピークが観測された。しかし薄膜化に伴い50nm(70層)程度の膜厚以下でSdH周波数は一様に減少し始め30nm(40層)程度以下では各ピークの低周波側に弱いサブピークが多数現れることを観測した。以上の振る舞いは、膜厚がド・ブロイ波長(の整数倍)に近づき、積層方向の電子波数が量子化された結果、4つのフェルミ面を与える3次元バンドが2次元サブバンド群に分裂したとするモデルで定性的によく説明される。先行研究でワイル軌道由来の量子振動とされていた低周波側のピークは、サブピークの1つと解釈すべきことも明らかにした。今後は単層化に伴うトポロジカル絶縁体へ相変化を解明する予定である。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。本研究は、3次元の強いトポロジカル絶縁体であるBi2Se3の層状結晶を薄層化したときに、3次元から2次元へのトポロジカル相の次元交差がどのように起こるかを明らかにするものである。平成28年度はまず研究費を用いて、グローブボックス関連装置、電子線蒸着装置、計測時の端子自動切換用スイッチの導入を行った。高融点金属電極形成用の電子線蒸着装置は既存のスパッタリング装置のチャンバに電子銃を増設することにより構成した。トポロジカル絶縁体Bi2Se3の表面は空気中で劣化するため、試料のBi2Se3薄膜は表面にh-BN薄膜などを被せて保護する。そのために不活性ガス中で、粘着テープを用いた機械的劈開によりBi2Se3結晶を薄層化して半導体基板上へ固定し、同様にして透明なガラス基板に貼り付けたPDMSシート(Gel-Pack)上に固定したh-BN薄膜結晶片を、位置合わせして転写・積層することにより試料を作製する。この作業をグローブボックス内で試みたところ、手動操作によって行うことが困難であることが判明した。そこでグローブボックス内に遠隔操作のできる電動ステージを装備したデジタル顕微鏡を組み込んで、劈開した薄膜結晶を転写積層する装置を製作した。このために、研究に4ヶ月ほどの遅延が生じたので、一部の研究費(650千円)の繰越を行った。完成した装置により、Bi2Se3やh-BN等の原子層物質の積層構造(ファンデルワールスヘテロ構造)の不活性ガス中での作成が可能になった。実際にh-BNでキャップした最小膜厚13nm(13QL=13原子層)までのBi2Se3超薄膜のFET素子を作製している。不活性ガスを満たしたグローブボックス内で原子層薄膜結晶を転写積層する作業が、手動では困難であることが判明したため、電動ステージやデジタル顕微鏡を組み込んで装置を一部遠隔操作化した。そのため試料作製環境の整備に遅れが生じ、研究費の繰越により対応した。その結果として、不活性ガス環境における原子層積層試料の作製は可能になったが、当初計画で平成28年度に予定していたBi2Se3結晶の薄層化に伴う伝導特性の変化に関する系統的実験は、次年度に持ち越された。グローブボックス環境下でBi2Se3の超薄膜FET素子の試料作製が可能な環境が整備されたところで初年度が終わったので、平成29年度は系統的な超薄膜試料作製と低温伝導実験を開始した。まず研究費を用いて微小試料の電極付けに用いるエポキシダイボンダーの導入を行った。次に、強いトポロジカル絶縁体Bi2Se3の結晶を機械的劈開法で薄片化してFET素子に加工した。その際、可能な限りプロセスは不活性ガス内で行い、試料の測定部分はh-BN薄膜、イオン液体、電子線レジストなどで覆い大気から遮断することが重要であることを改めて確認した。

また用いた市販のBi2Se3結晶はSe欠損のためにn型に強くドープされているため、これを中性化するようにイオン液体DEME-TFSIをゲート媒質とする電気2重層トランジスタ構造にして正孔注入を試みた。しかし正孔注入量が不十分で、Fermi準位をギャップ内に移動させるには至らなかった。このn型ドープされたBi2Se3薄膜について磁気抵抗測定を行ったところ、量子振動(Shubnikov-de Haas(SdH)振動)が観測された。磁場方位依存性や位相解析から、観測されたSdH振動はヘリカル表面状態に由来するものではなく、ドープされたバルク電子の回転楕円体型Fermi面に由来するものであると考えらる。このSdH振動の解析により、バルクの電子構造に関する知見が得られた。本研究の目的を達成する上で2つの技術的課題が明らかになった。(1)最初の問題は、粘着テープを用いた機械的劈開法によるBi2Se3試料の薄層化において、膜厚13nm(13QL=13原子層)を最小の限界として、より少数層の試料の作製が困難であることである。トポロジカル相の次元交差は上面と下面のヘリカル表面状態がトンネル結合する5nm(5原子層)厚程度で起こると考えられるので、さらなる薄層化が必要である。(2)第2の問題は、母体結晶の残留電子濃度が大きく、イオン液体を用いた電気2重層トランジスタではFermi準位をギャップ内に移動させられず、試料の絶縁化が困難であるということである。Fermi準位が伝導帯にあると、表面伝導とバルク伝導が共存するため、表面状態を用いたトポロジカル相の同定が困難になる。これらの問題のため、系統的な試料の作製と評価に遅れが生じた。本研究の当初の目的は、3次元トポロジカル絶縁体Bi2Se3の層状結晶の薄層化に伴い3次元から2次元へのトポロジカル相の次元交差がどのように起こるかを表面状態による伝導を用いて実験的に解明することであった。しかし通常Bi2Se3結晶はSe欠損のため電子ドープされているため、前年度までの研究でゲート電圧、イオン液体、分子ドーパント等を用いて余剰電子の相殺を図ったが、フェルミ準位をギャップ内に制御し表面伝導を観測することはできなかった。そこで本年度は研究の対象を3次元ワイル半金属である1T'型WTe2に変更し、Bi2Se3と同様に薄層化に伴うトポロジカル絶縁相への次元交差を調べることにした。この場合はワイル半金属特有のワイル軌道による伝導の量子振動を用いて薄層化の効果を調べる。WTe2もBi2Se3と同様に大気中で劣化するので、グローブボックス内で超薄膜に劈開した後、電子線リソグラフィー法で素子構造に加工し、10T超電導磁石を用いて磁場中電気伝導の実験を交流法で行った。磁気抵抗に重畳するシュブニコフードハース(SdH)振動をFFT解析したところ、主に先行研究で報告されている3次元バルク結晶由来の4種の周波数ピークが観測された。しかし薄膜化に伴い50nm(70層)程度の膜厚以下でSdH周波数は一様に減少し始め30nm(40層)程度以下では各ピークの低周波側に弱いサブピークが多数現れることを観測した。以上の振る舞いは、膜厚がド・ブロイ波長(の整数倍)に近づき、積層方向の電子波数が量子化された結果、4つのフェルミ面を与える3次元バンドが2次元サブバンド群に分裂したとするモデルで定性的によく説明される。先行研究でワイル軌道由来の量子振動とされていた低周波側のピークは、サブピークの1つと解釈すべきことも明らかにした。今後は単層化に伴うトポロジカル絶縁体へ相変化を解明する予定である。平成28年からの開始を予定していた諸実験を実行する。
バラ科果樹類の花芽形成と花序形態を支配する分子機構の解明

バラ科は,多くの園芸作物が属する園芸学上きわめて重要な科である.バラ科内の変異は大きく,科内が4亜科に分類されている.バラ科の果樹の多くはサクラ亜科とナシ亜科に属し,前者には核果類やアーモンドが,また後者には仁果類が属している.バラ科内の花序形態や結果習性も多様性に富み,サクラ亜科の果樹類では純正花芽が,ナシ亜科の果樹では混合花芽が形成される.本研究の目的は,従来,形態的な面からのみ分類されてきたバラ科果樹類の花序形態や結果習性を支配する分子機構を明らかにし,花序や花芽形成の人為制御を可能にしようとするものである.本年度は以下の研究を行った.(1)FT遺伝子のホモログの単離昨年度までに,ニホンナシ,リンゴ,セイヨウナシ,マルメロ,カリン,ビワの花芽や花序形成に関与すると思われるTFL1とLFYの2種類の遺伝子のホモログのクローニングに成功した.本年度は,これまでにクローニングの成功例のないバラ科サクラ属果樹のFT遺伝子のホモログのクローニングし,その全長配列を明らかにした.昨年に引き続き,TFL1とLFY遺伝子プローブを用いたRNAブロット解析やin situハイブリダイゼーションを行いバラ科ナシ亜科果樹におけるこれら遺伝子ホモログの発現解析を行った.(3)FTホモログによる形質転換用バイナリーベクターの構築FT遺伝子の形質転換実験のためのバイナリーベクターを構築し,タバコに導入した.(4)研究結果のとりまとめ本年度は本研究の最終年度にあたるので,研究結果をとりまとめて論文として公表した.バラ科は,多くの園芸作物が属する園芸学上きわめて重要な科である.バラ科内の変異は大きく,科内がさらにサクラ亜科,ナシ亜科,バラ亜科,シモツケ亜科の4亜科に分類されている.これらの4亜科のうち,バラ科に属する果樹類の多くはサクラ亜科とナシ亜科に属し,前者にはオウトウ類やモモ,スモモなどの核果類が,また後者にはリンゴナシあるいはマルメロやカリンなどの仁果類が属している.これらの果樹の花序形態や結果習性は多様性に富んでおり,サクラ亜科の果樹類は純正花芽を形成し,ナシ亜科の果樹では混合花芽が形成される.本研究の目的は,これらバラ科果樹の花芽形成と花序形成の分子機構を解明することにあるが,本年度はバラ科ナシ亜科に研究対象を絞って,以下の研究を行った.1)花芽分化様相の観察実体顕微鏡および走査型電子顕微鏡を用いて,バラ科ナシ亜科の果樹5種(リンゴ,ニホンナシ,セイヨウナシ,マルメロ,カリン)の花芽分化の様相を観察した.バラ科ナシ亜科の果樹6種(リンゴ,ニホンナシ,セイヨウナシ,マルメロ,カリン,ビワ)の花芽形成に関与すると考えられる遺伝子であるTFL1,LFY遺伝子のホモログのクローニングを行った.アラビドプシスやキンギョソウで報告されている配列を参考にゲノムDNAのPCRやRT-PCR, RACEにより,TFL1とLFYの全長配列を明らかにし,比較を行った.3)リアルタイムPCR法によるTFL1とLFY遺伝子の発現調査リアルタイムPCR法によって,バラ科ナシ亜科の果樹5種(リンゴ,ニホンナシ,セイヨウナシ,マルメロ,カリン)のTFL1とLFY遺伝子の発現量を経時的に調査し,実験1で観察した花芽分化様相と各遺伝子の発現量を関連づけた.バラ科は,多くの園芸作物が属する園芸学上きわめて重要な科である.バラ科内の変異は大きく,科内がさらにサクラ亜科,ナシ亜科,バラ亜科,シモツケ亜科の4亜科に分類されている.これらの4亜科のうち,バラ科に属する果樹類の多くはサクラ亜科とナシ亜科に属し,前者には核果類が,また後者には仁果類が属している.これらの果樹の花序形態や結果習性は多様性に富んでおり,サクラ亜科の果樹類は純正花芽を形成し,ナシ亜科の果樹では混合花芽が形成される.本研究の目的は,これらバラ科果樹の花芽形成と花序形成の分子機構を解明することにあり,本年度はバラ科ナシ亜科に研究対象を絞って,以下の研究を行った.バラ科ナシ亜科の果樹6種の花芽形成に関与すると考えられる遺伝子であるTFL1,LFY遺伝子のホモログのクローニングを行い,各果樹の樹種において,TFL1とLFYそれぞれにつき2種類のホモログを単離することに成功した.これらをアラビドプシスやキンギョソウで報告されている配列と比較するとともに,系統樹を作り,各オーソログの進化について考察した.リアルタイムPCR法ならびにin situハイブリダイゼーション法によって,TFL1,LFY相同遺伝子の時間的,空間的発現様式を調査した.その結果,花芽分化開始期にTFL1の転写量が低下することが明らかになった.本年度の実験ではLFY遺伝子の転写量と花芽分化の関係は明確でなく,今後も検討を続ける予定である.バラ科は,多くの園芸作物が属する園芸学上きわめて重要な科である.バラ科内の変異は大きく,科内が4亜科に分類されている.

バラ科の果樹の多くはサクラ亜科とナシ亜科に属し,前者には核果類やアーモンドが,また後者には仁果類が属している.バラ科内の花序形態や結果習性も多様性に富み,サクラ亜科の果樹類では純正花芽が,ナシ亜科の果樹では混合花芽が形成される.本研究の目的は,従来,形態的な面からのみ分類されてきたバラ科果樹類の花序形態や結果習性を支配する分子機構を明らかにし,花序や花芽形成の人為制御を可能にしようとするものである.本年度は以下の研究を行った.(1)FT遺伝子のホモログの単離昨年度までに,ニホンナシ,リンゴ,セイヨウナシ,マルメロ,カリン,ビワの花芽や花序形成に関与すると思われるTFL1とLFYの2種類の遺伝子のホモログのクローニングに成功した.本年度は,これまでにクローニングの成功例のないバラ科サクラ属果樹のFT遺伝子のホモログのクローニングし,その全長配列を明らかにした.昨年に引き続き,TFL1とLFY遺伝子プローブを用いたRNAブロット解析やin situハイブリダイゼーションを行いバラ科ナシ亜科果樹におけるこれら遺伝子ホモログの発現解析を行った.(3)FTホモログによる形質転換用バイナリーベクターの構築FT遺伝子の形質転換実験のためのバイナリーベクターを構築し,タバコに導入した.(4)研究結果のとりまとめ本年度は本研究の最終年度にあたるので,研究結果をとりまとめて論文として公表した.
高分解能電子顕微鏡像コントラストと回折強度の精密測定による不規則系物質の解析

アモルファスとよばれる構造不規則系,あるいは合金,金属酸化物等に見られる置換不規則系は,その構造に起因する特異な物性を示し,機能デバイス設計開発の新しい源泉となる.結晶構造や欠陥構造の解析が結晶物性の理解に不可欠であるように,不規則系構造の解析がその物性解明の基礎となる.また,結晶中に生じる不規則系がその材料の特性に大きな影響を与える.本研究の目的は高分解能電子顕微鏡(HRTEM)像のコントラスト及び電子回折像(ED)の強度を精密測定し,不規則系物質の結晶学的構造を探求することである.以下に主たる成果を示す.2. Fe_<1-x>Al_x(x-0.35-0.42)合金粉末微粒子のHRTEM断面観察を行い,逆位相境界をもつナノスケールのモザイク構造を発見し,粒子の冷間加工による磁化と焼鈍による消磁の機構を明らかにした.3. SrTiO_3系半導体セラミックス中の酸素空孔と添加物原子の分布,DRAM中のO,N,P原子の分布,GaAs/AlGaAs多層膜の構造と析出相,AgBr表面上の感光色素凝集分子の分布態様など,不規則系に関係した構造を蛍光走査電子顕微鏡観察,エネルギー分散型X線分光,エネルギー損失電子分光を補完的に使用してHRTEM,EDおよび高分解能高散乱角電子暗視野像で明らかにした.4. Se,Sb,Cなどの非晶質膜について,エネルギーフィルターED強度の精密測定を行い構造を解析した.また,MgO楔型結晶の等厚干渉縞から電子線回折強度の精密測定を行った。アモルファスとよばれる構造不規則系,あるいは,合金,酸化物磁性体にみられる置換不規則系は,その構造に起因する特異な物性を示し,機能性デバイス設計開発の新しい源泉となっている.結晶構造や欠陥構造の解析が結晶物性の理解に不可欠であるように,不規則系構造の解析が物性解明の基礎となる.半導体デバイスとして用いられる多層薄膜においても,層間の原子拡散による原子分布の乱れが性能に影響を与え,その評価とコントロールが最重要課題となる.本研究の目的はイメージングプレート高精度画像記録装置を用いて高分解能電子顕微鏡像のコントラスト及び電子回折像の強度を精密測定し,合金,複合酸化物など置換不規則系とアモルファスなどの構造不規則系物質の結晶学的構造を探求することである.平成8年11月16日28日の間にチエコ共和国科学計測研究所とポーランド共和国電子技術研究所において,それぞれ,電子線強度の測定法と不規則系物質の解析法について討論し,本研究計画についてレビューを受け,この研究遂行への確信を得た.高精度画像記録装置の搬入,必要な消耗品の購入も終わり,PlXsysTEMとその周辺ソフトウェアの整備調整もほぼ完了し,アモルファス薄膜および下記試料について電子線強度の精密測定をするばかりになっている.置換不規則系酸化物BaTi_2Fe_4O_<11>とBaSn_2Fe_4O_<11>について,電子顕微鏡実験の参考にすべく,中性子線強度の精密実験を行い,その成果を3編の論文に発表した.また,組成(x)の異なる一連の試料BaTi_<2-x>Sn_xFe_4O_<11>も本年度中に作製できる.半導体多層膜内の原子拡散についてはGaAs/AlGaAsやZn_<1-x>Mg_xSeの電子顕微鏡観察を行い,論文として発表した.アモルファスとよばれる構造不規則系,あるいは合金,金属酸化物等に見られる置換不規則系は,その構造に起因する特異な物性を示し,機能デバイス設計開発の新しい源泉となる.結晶構造や欠陥構造の解析が結晶物性の理解に不可欠であるように,不規則系構造の解析がその物性解明の基礎となる.また,結晶中に生じる不規則系がその材料の特性に大きな影響を与える.本研究の目的は高分解能電子顕微鏡(HRTEM)像のコントラスト及び電子回折像(ED)の強度を精密測定し,不規則系物質の結晶学的構造を探求することである.以下に主たる成果を示す.2. Fe_<1-x>Al_x(x-0.35-0.42)合金粉末微粒子のHRTEM断面観察を行い,逆位相境界をもつナノスケールのモザイク構造を発見し,粒子の冷間加工による磁化と焼鈍による消磁の機構を明らかにした.3. SrTiO_3系半導体セラミックス中の酸素空孔と添加物原子の分布,DRAM中のO,N,P原子の分布,GaAs/AlGaAs多層膜の構造と析出相,AgBr表面上の感光色素凝集分子の分布態様など,不規則系に関係した構造を蛍光走査電子顕微鏡観察,エネルギー分散型X線分光,エネルギー損失電子分光を補完的に使用してHRTEM,EDおよび高分解能高散乱角電子暗視野像で明らかにした.4. Se,Sb,Cなどの非晶質膜について,エネルギーフィルターED強度の精密測定を行い構造を解析した.また,MgO楔型結晶の等厚干渉縞から電子線回折強度の精密測定を行った。アモルファスとよばれる構造不規則系、あるいは合金、金属酸化物等に見られる置換不規則系は、その構造に起因する特異な物性を示し、機能デバイス設計開発の新しい源泉となっている。結晶構造や欠陥構造の解析が結晶物性の理解に不可欠であるように、不規則系構造の解析がその物性解明の基礎となる。また、結晶中に生じる不規則系がその材料の特性に大きな影響を与える。

本研究の目的はイメージングプレート高精度画像記録装置を用いて高分解能電子顕微鏡像のコントラスト及び電子回析像の強度を精密測定し、不規則系物質の結晶学的構造を探求することである。本年度においては、以下に記載のように、BaSn_2Fe_4O_<11>とBaTi_2Fe_4O_<11>バリウムフェライト,SrTiO_3系とZrO_2系セラミックス,シアニン系とメロシアニン系有機感光色素,有機染料,GaAs/AlGaAs多層構造素子材料、Zn_<1-x>Mg_xSe青色レーザー素子材料、ZnOなど種々の不規則性を有する物質の構造に関する論文、また、高分解能電子顕微鏡法におけるマキシマムエントロピーの応用についての論文を発表した。さらに、電子顕微鏡試料作製法の開発、高温試料ホルダの開発、FeAl合金の構造の解析、アモルファスの膜の電子線回析、セラミックス中の不純物原子位置のALCHEMI法による解析、FE-TEM,EF-TEMを用いたDRAM中のO-N-O層のESD、EELS、HAADF高分解能像の解析などの実験を行った。また、平成9年9月にはポーランド共和国電子技術研究所において、本研究の概要と計画および成果の一部について発表し、レビュウを受けた。発表内容は近くElectron Technology誌に掲載される。アモルファスとよばれる構造不規則系,あるいは合金,金属酸化物等に見られる置換不規則系は,その構造に起因する特異な物性を示し,機能デバイス設計開発の新しい源泉となる.結晶構造や欠陥構造の解析が結晶物性の理解に不可欠であるように,不規則系構造の解析がその物性解明の基礎となる.また,結晶中に生じる不規則系がその材料の特性に大きな影響を与える.本研究の目的は高分解能電子顕微鏡(HRTEM)像のコントラスト及び電子回折像(ED)の強度を精密測定し,不規則系物質の結晶学的構造を探求することである.以下に本年度までの主たる成果を示す.2. Fe_<1-x>Al_x(x=0.35-0.42)合金粉末微粒子のHRTEM断面観察を行い,逆位相境界をもつナノスケールのモザイク構造を発見し,粒子の冷間加工による磁化と焼鈍による消磁の機構を明らかにした.3. SrTiO_3系半導体セラミックス中の酸素空孔と添加物原子の分布,DRAM中のO,N,P原子の分布,GaAs/AlGaAs多層膜の構造と析出相,AgBr表面上の感光色素凝集分子の分布態様など,不規則系に関係した構造を蛍光走査電子顕微鏡観察,エネルギー分散型X線分光,エネルギー損失電子分光を補完的に使用してHRTEM,EDおよび高分解能高散乱角電子暗視野像で明らかにした.4. Se,Sb,Cなどの非晶質膜について,エネルギーフィルターED強度の精密測定を行い構造を解析した.また,MgO楔型結晶の等厚干渉縞から電子線回折強度の精密測定を行った.
年輪情報に基づいた巨大災害発生と降雨強度との関連性に関する基礎的研究

異常気候に原因する将来の巨大災害の発生を予測し、その災害を軽減するためには、過去に発生した巨大災害と、その災害発生時期周辺の古気候変動特性の関連性を詳細に把握しておく必要がある。これらの関連性を定量的に論ずるためには、長期間にわたる巨大災害発生デ-タと気候変動デ-タが必要となる。そこで本研究では、過去の気候変動を語る1つの媒体として樹木の年輪を選んだ。年輪の成長に影響を及ぼす降雨特性として、4月から9月までの総降雨日数を取り上げた。すでに長野県飯田市で江戸時代に書かれた墨翁日記(1811ー1839年)と駒ケ根市で書かれた大沼日記(1840ー1864年)に基づいて降雨日数の経年変化を求めたが、江戸時代末期より、長野気象台観測開始までの情報が欠落していた。そこで、本年度においては、現在の岐阜県柳津町で1867ー1897年の30年間に渡って書かれた青木日記を入手し、その解読を行った。これにより、従来空白となっていた30年間の降雨日数デ-タが充填され、およそ200年間の降雨日数デ-タが作成できた。この降雨日数デ-タと年輪幅デ-タとの間に自己回帰・移動平均モデルを用いた確率モデルをあてはめた。そして、モデル中のパラメ-タをカルマンフィルタによって求めた。本年度の成果としては、年輪により再現された降雨日数と実測デ-タとの対比より、推定誤差が大きくなる(極値が発生する)年度が見られることがわかった。この周辺において、気象環境が著しく変動していると考えられるので、今後災害史デ-タとの関連を調査し、とりあえず、過去200年間の気候と年輪との相関に基づいた巨大災害発生時周辺の気候環境の再現が可能となることがわかった。
クラミドモナスの時計変異体の網羅的分離と時計遺伝子のクローニング

本研究では、多チャンネル走光性測定装置を開発し、単細胞性の緑藻であるクラミドモナスにおいて走光性の概日リズムを測定する。さらに、変異源処理により概日リズムが異常になる時計変異体を単離し、原因遺伝子を同定する。今年度は48チャンネル型の走光性測定装置の試作機を完成させ、クラミドモナスの走光性リズムを1週間に渡って測定することに成功した。また、本研究室で並行して進めていた葉緑体ゲノムに組み込んだルシフェラーゼ遺伝子に由来する生物発光を指標とした時計変異体の単離が成功したため、それらの原因遺伝子の同定を行い、クラミドモナスの時計遺伝子を世界で初めて決定した。今年度の成果により、葉緑体生物発光のリズム変異体において走光性のリズムにどのような異常が現れているかを調べることが可能になった。また、葉緑体生物発光リズムの変異体作製/原因遺伝子の同定で得られた遺伝子タギング法のノウハウを生かして、走光性を指標に概目リズム変異体を単離し、原因遺伝子を同定することが可能になった。
ゲリラ豪雨時の斜面崩壊メカニズムの解明のための計測技術・数値解析手法の高度化

本研究では,ゲリラ豪雨時の雨水浸透現象の把握および表層崩壊メカニズムの解明を目的として,ゲリラ豪雨の降雨波形および斜面内の水収支を正確に捉えるための計測技術の高度化を図るとともに,連続体・不連続体モデルを用いたより高度な応力-浸透連成解析手法を開発した.また,集中豪雨により崩壊を起こした実斜面について,現地の地質調査・土質試験の結果および高精度な雨量観測データをもとに表層崩壊の再現解析を実施し,数値解析による斜面安定性評価および崩壊危険予測が可能であることを示した.本研究では,ゲリラ豪雨時の雨水浸透現象の把握および表層崩壊メカニズムの解明を目的として,ゲリラ豪雨の降雨波形および斜面内の水収支を正確に捉えるための計測技術の高度化を図るとともに,連続体・不連続体モデルを用いたより高度な応力-浸透連成解析手法を開発した.また,集中豪雨により崩壊を起こした実斜面について,現地の地質調査・土質試験の結果および高精度な雨量観測データをもとに表層崩壊の再現解析を実施し,数値解析による斜面安定性評価および崩壊危険予測が可能であることを示した.本年度はゲリラ豪雨時の斜面崩壊メカニズムと考えられる土中への雨水浸透挙動の把握のためにサンドカラムを用いた降雨実験を実施した.本実験の新規性として,ゲリラ豪雨の特徴である強い降雨強度および大きな雨滴粒径を考慮している点および不飽和土への雨水浸透における間隙空気の挙動の把握を行っている点が挙げられる.本実験より,雨滴の大きな強い降雨強度の雨は土中の空気との置換が滞ることにより空気圧が上昇し,雨水浸透挙動が妨げられる.その結果,地中深くまで飽和域は進展せず,斜面においては表面流の発生が起こることがわかった.すなわち,浸透による破壊より表面侵食による破壊が卓越するものと考えられる.一方,ゲリラ豪雨のように,降雨強度が急激に変化する降雨に対しては,計測間隔のより短いリアルタイム計測が必要であり,本研究では,超音波レベル計およびレーザー変位計を用いたリアルタイム雨量計の開発を行った.また,本システムは,次年度以降実施予定の現場計測に向けて,太陽光パネルを用いた自己発電型のシステムとし,雨滴センサーによって降雨を感知し,システムに電源が入るといった省電力のシステムを構築した.計測された雨量は,浸透流解析において,降雨入力条件として用い,土質材料の不飽和浸透特性とともに評価することで,ゲリラ降雨の雨水浸透挙動のシミュレーションを実施した.解析の結果,これまでの通常の降雨時の雨水浸透挙動との相違が見られ,間隙空気圧を考慮した解析の必要性,および降雨境界条件の設定方法(リアルタイム計測の必要性)について検討を行った.本年度はゲリラ豪雨時の斜面崩壊メカニズムと考えられる土中への雨水浸透挙動の把握のために改良を加えたサンドカラムを用いた降雨実験を実施した.水収支の正確な把握のため,浸透能を超えて浸透しない雨水を集水するための機構を新たにサンドカラム上部に新たに加えた.本実験の新規性は,ゲリラ豪雨の特徴である強い降雨強度および大きな雨滴粒径を考慮している点および不飽和土への雨水浸透における間隙空気の挙動の把握を行っている点である.本実験より,雨滴の大きな強い降雨強度の雨は土中の空気との置換が滞ることにより空気圧が上昇し,雨水浸透挙動が妨げられる.その結果,地中深くまで飽和域は進展せず,斜面においては表面流の発生が起こることがわかった.すなわち,浸透による破壊より表面侵食による破壊が卓越するものと考えられる.一方,ゲリラ豪雨のように,降雨強度が急激に変化する降雨に対しては,計測間隔のより短いリアルタイム計測が必要であり,本研究では,前年度開発した超音波レベル計およびレーザー変位計を用いたリアルタイム雨量計について原位置での計測のために必要な改良を行った.太陽光パネルを用いた自己発電型のシステムとし,雨滴センサーによって降雨を感知し,システムに電源が入るといった省電力のリアルタイムシステムを構築した.計測された雨量は,浸透流解析において,降雨入力条件として用い,土質材料の不飽和浸透特性とともに評価することで,ゲリラ降雨の雨水浸透挙動のシミュレーションを実施した.解析の結果,これまでの通常の降雨時の雨水浸透挙動との相違が見られ,間隙空気圧を考慮した解析の必要性,および降雨境界条件の設定方法(リアルタイム計測の必要性)について検討を行った.また,本年度は,豪雨により表層崩壊を起こした斜面について,その再現解析を行い,降雨外力の与え方の影響および表土の不飽和浸透特性が雨水浸透挙動および斜面の安定性評価に与える影響について調べた.本研究で提案する,飽和・不飽和浸透流解析と円弧すべり解析を組み合わせた手法に現場計測より得られる高精度な気象情報を組み合わせることで,ゲリラ豪雨時の斜面安定性が評価でき,危険度予測につながるものと考えられる.本年度はゲリラ豪雨時の斜面崩壊メカニズムと考えられる土中への雨水浸透挙動の把握および現象の再現のために,昨年度実施したサンドカラム降雨実験に対する飽和-不飽和浸透流解析を実施した.本解析では,特に,ゲリラ豪雨時の浸透・表面流出量(水収支)に着目し,降雨強度が大きい降雨では,表面流出が発生し,浸透能を超えると降雨の一部は浸透しないことを示した.ただし,飽和・不飽和浸透流解析では空気の挙動を直接解いておらず,間隙空気圧が上昇する現象は再現できないため,水ー空気の二層流解析が必要である.また,ゲリラ豪雨時の降雨波形が雨水浸透挙動に与える影響についても詳細に検討し,その重要性を示した(特に,雨水浸透量は後方集中型の降雨の場合に顕著に増大し,斜面安定に大きな影響を与える).降雨外力として,時々刻々変化する降雨波形をリアルタイム雨量計による計測することが重要であることが解析によっても実証された.