hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
高温型火山ガスと空中火山災害の防止に関する研究

高温型火山ガス高濃度事象について三宅島島内二酸化硫黄濃度や気象情報などを用いた解析や現地調査などを行い明らかにした.衛星データの植生指数画像を用いたハザードマッピング法を確立した.活火山との共生に資するため,ホームページを作成し研究成果をインターネット上に公開している.空中火山災害防止では噴煙の高度情報が重要である.桜島を対象に噴煙モニタリングシステムを構築し,噴煙高度や流速を算出する手法を開発した。多点観測された映像のデータベース化を行いインターネット上に公開している.高温型火山ガス高濃度事象について三宅島島内二酸化硫黄濃度や気象情報などを用いた解析や現地調査などを行い明らかにした.衛星データの植生指数画像を用いたハザードマッピング法を確立した.活火山との共生に資するため,ホームページを作成し研究成果をインターネット上に公開している.空中火山災害防止では噴煙の高度情報が重要である.桜島を対象に噴煙モニタリングシステムを構築し,噴煙高度や流速を算出する手法を開発した。多点観測された映像のデータベース化を行いインターネット上に公開している.離島火山から放出される二酸化硫黄濃度の遠隔自動観測システム開発にあたり、噴煙映像から風速を求めるためと、噴煙の高度情報をリアルタイムに提供するシステム開発のための研究を行った。最適な撮影条件を調べるための予備実験の結果に基づき、鹿児島県垂水市役所からの噴煙映像観測を開始した。撮影した噴煙映像から噴煙の移流高度と流向を決定するために、定常噴煙を噴煙輪郭モデルで表し、平面投影図をシミュレートするプログラムをVisual Basicにて作成した。その結果、一方向からの噴煙映像からでも噴煙の移流高度と流向を決定することが可能になった。また、撮影した噴煙映像を用いて粒子画像流速測定法(PIV)による解析を行った。パラメータ設定の自動化にはいたらなかったが、事例解析を行った噴煙映像から移流速度を得ることができ、さらに上述したプログラムによって得られた流向と観測点との位置関係から風速を求める解析手法を開発した。得られた結果と高層風との比較より、妥当な結果が得られることがわかった。三宅島2000年噴火以降解析を続けている島内の火山ガス環境についての解析を行った。気象庁などによって行われている火山ガス(二酸化硫黄)放出量の観測によると、放出量は明らかな減少傾向が認められるが、島内山麓における火山ガス環境の視点でみると、高濃度となる頻度はそれほど減少しておらず、強風による吹き降しがおきるときには、現在でもかなり高濃度となっていることが判明した。航空機が火山灰煙と遭遇することによって発生する空中火山災害を防止する上で重要な、噴煙の高度情報をモニタリングするために、平成18年度に開発したVisual Basicプログラムの改良を行うとともに、多方向観測を行うためのネットワークカメラを新設した。その結果、より正確な噴煙高度が得られるようになった。撮影した噴煙映像を用いて粒子画像速度計測法(PIV)により流速を求めるにあたり、平成18年度には過誤ベクトルが多く見られたため、解析精度を上げる方法を研究した。近赤外画像及び可視画像のRGB画像を用いて検討した結果、可視のR画像を用いることにより、解析精度を向上できることがわかった。紫外線吸収を用いて二酸化硫黄濃度を求めるために、南西諸島の離島火山や桜島において紫外線分光観測装置を用いて予備調査・実験を行った。紫外線の吸収差を十分に観測できないことがわかったため、光学系を改良中である。平成20年度には三宅島において紫外線分光観測を予定している。三宅島2000年噴火以降解析を続けている島内火山ガス環境についての解析を行った。島内山麓部の14箇所において測定されている二酸化硫黄濃度の1時間値を使用した。大局的には二酸化硫黄濃度は減少傾向にあるものの、二酸化硫黄放出量の増減および気象条件に対応して山麓の大気環境が変動、推移することがわかった。衛星データによる植生解析から高濃度地区における植生の回復が確認できたが、詳細な現地植生調査が必要であることがわかった。過去の衛星データ取得状況を調べたところ、島内全域の情報を得られやすいのは春季であることが判明したので、平成20年春季に現地調査を行う予定である。空中火山災害防止において重要な,噴煙の高度情報モニタリングシステムの構築として,桜島周辺に多点展開した連続自動観測カメラの保守,撮影映像の解析,及び映像のデータベース化を行った.桜島昭和火口および桜島南岳の噴火に伴う噴煙の上昇・移流高度,及び挙動について,動画編集を行いインターネット公開している.多点観測映像及びVisual Basicプログラムを用いた解析によって,より正確な高度及び流向情報を得られるようになった.との方法は他の火山にも適用可能である.時系列の可視の撮影映像を用いた粒子画像計測法(PIV)による流速の測定における精度向上および自動化のための研究の結果,噴煙とその背景の空の輝度差(コントラスト)が解析精度に最も大きな影響を及ぼすことが明らかになった.爆発噴煙は灰色であるため,晴天の場合でもコントラストが低下して過誤ベクトルが発生することがあった.しかし,コントラストが低い場合や雲と噴煙とが重なっている場合でも,赤色分光画像を用いることによって過誤ベクトルの発生が抑制され,流速算出の精度を向上することができた.また, PIV解析パラメータの有効輝度下限値に噴煙領域内の輝度下限値を設定することにより過誤ベクトルの発生を抑制することができた.三宅島高濃度

火山ガスについて,火山ガス濃度の推移及び植生の変化を島内火山ガス濃度や現地植生調査と衛星データを用いて調査した.現地植生調査においては,高濃度地区内の立入許可をいただいて詳しく調査した.阿古高濃度地区においては,阿古林道沿いに危険地区までの標高ごとの植生の分布状況を調べた.地区内では山腹でも植生の回復が認められ,二酸化硫黄の年平均濃度も10数%レベルに下がってきており,規制解除が可能な状況であることが確認できた.島内火山ガス濃度の解析結果や衛星データの植生指数面像を用いたハザードマッピング,現地調査の結果をインターネット上に公開している.
放射線および化学物質の直接人体影響とそのメカニズム

放射線、化学物質の人体の直接影響とそのメカニズムについて、我々のヒト臓器・組織長期維持システム(Super-SCIDマウス)を用い、がん等ヒト疾患組織、正常肺組織への直接影響(増殖抑制、遺伝子発現変化)を検出し、これらヒト組織での放射線源(X/ガンマ線、粒子線、重粒子線)による放射線生物効果比を新たに求めるとともに、そのメカニズムについて、炭素線がヒト正常肺に特異的に誘発する遺伝子発現の変化は、ヒト甲状腺組織が中性子線等に特異的に反応した遺伝子群と異なることを明らかにした。極微量TCDDがヒト甲状腺ホルモン分泌を抑制することも明らかにした。放射線、環境有害物質(ダイオキシン、ウレタン)によるヒト肺組織、ヒト甲状腺組織への直接影響(形態機能変化、遺伝子発現異常、突然変異)をヒト正常組織等長期維持システム(Super-SCIDマウス)を用い、検出し、ヒト組織における損傷応答のメカニズムを解明する。1)ヒト正常組織の長期維持;C57BL/6J-scid、LPS無反応のC3H/HeJ-scid、NK活性も低下したC3H/HeJ-bgJ;scidマウス等を用い、ヒト甲状腺組織、肺組織の長期継代維持を計り、移植ヒト組織への放射線および化学物質の影響を調べた。2)遺伝子変異、遺伝子発現の変化:形態学的観察に加え、機能変化を生化学的あるいはマイクロアレイを用い遺伝子発現レベルで解析したところ、ヒト甲状腺組織において、ガンマ線、中性子線照射による遺伝子発現の変化がダイオキシン投与(経口:0,10,50ng/g体重)されたヒト甲状腺組織でも検出されていることを確認した。中性子線、ガンマ線照射によりヒト甲状腺において特異的な反応を示した14の遺伝子(損傷、ストレス対応8、アポトーシス関連4、復製関連2、他1)について解析を進めている。3)臨床的に4500名を超える患者に粒子線治療を行ってきた前立腺癌、肝癌、頭頸部腫瘍、肺癌、膵癌、骨軟部腫瘍等のうち、陽子線と炭素線の両者で治療を行った頭頸部癌悪性黒色腫、腺様嚢胞癌、扁平上皮癌、肺癌、肝癌のいずれの腫瘍においても、全生存率、局所制御率に線種間の差異を認めなかった。SCIDマウスに維持したヒト腫瘍組織、正常組織を用い解析する必要がある。放射線、環境有害物質(ダイオキシン、ウレタン)によるヒト組織への直接影響(形態変化、機能変化、遺伝子発現異常、突然変異)を、ヒト正常組織等長期維持システム(Super-SCIDマウス)を用いて検出し、ヒト組織における損傷応答のメカニズムを解明する。25年度は、ヒト肺組織(正常肺、肺がん)に加え、ヒト前立腺がん(世界初の移植成功例)をLPS無反応のC3H/HeJ-scidマウスに移植し、炭素線、ヘリウム線、中性子線、X線の直接影響を調査した。放射線医学総合研究所重粒子線がん治療装置(HIMAC)生物照射室において炭素線およびヘリウム線照射を行った。肺がんにおいては、RBEは炭素線で約5、ヘリウム線で2以下であった。前立腺がんにおいては3 Gyまでは炭素線、ヘリウム線、X線に差はなく、炭素線大量照射(5 Gy)で肺がんと同じレベルの抑制効果がみられた。炭素線のRBEは約2である。放射線により壊死に陥った前立腺がん組織が長期間残存するため、見かけ上抑制効果が見られなかったと考え、前立腺がん細胞より分泌されるPSAを測定したところ、3Gy5Gyでも強い抑制効果が見られた。ヒト正常肺組織への炭素線の影響も、マイクロアレイ検索で遺伝子発現の変化が線量に比例して増加し、免疫、損傷、ストレス対応、アポトーシス、複製関連遺伝子が関与していた。逆に、SCIDマウス照射部位の皮膚の脱毛、白髪化は、X線の方が炭素線より強い。放射線による損傷応答にはPI3関連キナーゼファミリー及びp53が重要な役割を果たしている。放射線・化学変異原により誘発される遺伝子変異の鋭敏な検出系を確立するとともに、その検出系を用い変異導入と発がんの相関を解析する。放射線、環境有害物質(ダイオキシン、ウレタン)によるヒト肺組織、ヒト甲状腺組織への直接影響(形態機能変化、遺伝子発現異常、突然変異)を、ヒト正常組織等長期維持システム(Super-SCIDマウス)を用いて検出し、ヒト組織における損傷応答のメカニズムを解明する。24年度は、LPS無反応のC3H/HeJ-scid、マウスに移植したヒト肺組織(正常肺、肺腺がん)への炭素線、中性子線、X線の影響を調べた。放射線医学総合研究所重粒子線がん治療装置(HIMAC)生物照射室において炭素線照射を行ったところ、X線に比べ、ヒト肺がん組織の増殖遅延、抑制に強く働き、RBEは4-7と大きい。SCIDマウス組織(小腸)でも、中性子のRBEはほぼ6である。ヒト正常肺組織への炭素線の影響も、マイクロアレイ検索で遺伝子発現の変化が線量に比例して増加した。損傷、ストレス対応、アポトーシス、複製関連遺伝子が関与しているが、対応する遺伝子は甲状腺とは異なる。

ヒト正常肺組織へのウレタンの作用についても、マイクロアレイを用い遺伝子発現の変化を検索中である。放射線による損傷応答にはPI3関連キナーゼファミリー及びp53が重要な役割を果たしている。小型魚にてこれ等遺伝子の変異体を作成し、放射線により誘発される遺伝的影響を解析し、p53変異体において放射線により誘導されるマイクロサテライト不安定性が大きく上昇している事を見いだした。臨床的には、I期非小細胞肺癌、5cm以下の小型肝癌、限局性前立腺癌に対する粒子線治療は安全かつ有効な治療法であり、レトロスペクティブな解析では、頭頸部癌、肺癌、肝癌において患者の予後は陽子線、炭素線間で有意差を認めないことを報告した。局所進行膵癌に対する抗癌剤(ゲムシタビン)と陽子線治療の併用は、従来の局所進行膵癌に対する標準的治療法より飛躍的な予後改善を期待できることを示した。放射線や環境有害化学物質(ダイオキシン、ウレタン)によるヒト組織への直接影響(形態変化、機能変化、遺伝子発現異常、突然変異)を、ヒト正常組織等長期維持システム(Super-SCIDマウス)を用いて検出し、ヒト組織における損傷応答の研究を行った。26年度は、ヒト肺組織(正常肺、肺がん)、ヒト前立腺がん(世界初の移植成功例)に加え難治性がん膵がんをLPS無反応のC3H/HeJ-scidマウスに移殖し、放医研重粒子線がん治療装置(HIMAC)で炭素線、若狭湾エネルギー研究センターでは陽子線、基盤研ではX線の直接影響を調査した。肺がんでは、RBEは炭素線で約5、ヘリウム線で1.51.9であった。前立腺がんでは、3 Gyまでは炭素線、ヘリウム線、X線に差はなくRBEはおよそ1であり、炭素線大量照射(5 Gy)でRBEは約2である。マウス血中PSAを測定しても同じような傾向が得られた。26年度新たに実施した膵がんに対する炭素線のRBEは、23である。肺がんの放射線治療においては肺組織への障害が最も危惧される。ヒト正常肺組織への炭素線の影響をマイクロアレイを用い検索したところ、遺伝子発現の変化が線量に比例して増加し、免疫、損傷、ストレス対応、アポトーシス、複製関連遺伝子が関与していた。逆に、SCIDマウス照射部位の皮膚障害(脱毛、白髪化)はX線のほうが炭素線よりも強い。26年度から利用可能となり集中的に行っている陽子線照射実験では、肺がん、前立腺がんともに炭素線と大きな差はみられないが、膵がんに対しては増殖抑制能は弱い。藤堂は、次世代シークエンサーを用い、クローン化細胞のゲノム配列を直接検出することを試み、普及しているパイプラインを用いた解析では、点突然変異の解析には多くの問題があることが判明した。藤川は、マウス血芽球細胞における放射線誘発染色体損傷に対する防御において、アポトーシスが決定的な役割を演じている証拠を得た。26年度が最終年度であるため、記入しない。放射線基礎医学、実験病理学、医遺伝学、環境科学26年度が最終年度であるため、記入しない。最適のSCIDマウスの生産、ヒト甲状腺、肺組織継代維持マウスの作成、これを用いた放射線、化学物質(ダイオキシン)の作用解析は当初計画どおり進展している。24年度当初より運用予定していたヒト組織への粒子線照射実験が少し遅れる可能性がある。
双曲多様体の幾何学と葉層構造

1.葉層構造双曲的曲面(閉かつ有向)Σの上のS^1束Eの上に,いつ,各ファイバーに横断的な葉層構造が入るかという問題は,すでに解決されている.すなわち, Eのオイラー数e(E)が,不等式〓e(E)〓≦〓x(Σ)〓を,みたすとき,また,このときに限り,入ることが知られている.さて,この不等式において,等号成立のとき, E上の,そのような葉層構造は,強い定性的制約を受けるであろうことが想像されるが,この問題に関し我々は,次の様な解決を得た.〓e(E)〓=〓x(Σ)〓のとき, Eの上の,そのような葉層構造は,位相共役を除き,一意的である.これと,サーストンの定理を併せれば,次を得る. Σ上の単位接束T(Σ)上の葉層構造のうち,コンパクト葉を持たないものは,位相共役を除き,一意に定まる.このような現象は,かつて,発見されていなかったことである.2.双曲多様体の幾何学,双曲的曲面(閉かつ有向)Σをファイバーとする. S^1の束Mを考える. Mのモノドロミー写像ψが,擬アナソフ写像である場合, Mは,アトロイダルなる多様体になる.このとき, H^1(M:R)の上に,サーストンノルムが定義される.一方, Mは, S^<>上の束としての,構造を一般に無数に存し,それは, H^1(M:Z)の,或る開領域と, 1対1に,対応している.その中の各々の点に対し,位相的エントロピーhが定義される.我々は, hが,上述のサーストンノルムに関し,凹関数をなすことを示した.他に,我々は,複素射影構造に関し,次の結果を得た.ある種のB群の極限集合は,局所連結である.1.葉層構造双曲的曲面(閉かつ有向)Σの上のS^1束Eの上に,いつ,各ファイバーに横断的な葉層構造が入るかという問題は,すでに解決されている.すなわち, Eのオイラー数e(E)が,不等式〓e(E)〓≦〓x(Σ)〓を,みたすとき,また,このときに限り,入ることが知られている.さて,この不等式において,等号成立のとき, E上の,そのような葉層構造は,強い定性的制約を受けるであろうことが想像されるが,この問題に関し我々は,次の様な解決を得た.〓e(E)〓=〓x(Σ)〓のとき, Eの上の,そのような葉層構造は,位相共役を除き,一意的である.これと,サーストンの定理を併せれば,次を得る. Σ上の単位接束T(Σ)上の葉層構造のうち,コンパクト葉を持たないものは,位相共役を除き,一意に定まる.このような現象は,かつて,発見されていなかったことである.2.双曲多様体の幾何学,双曲的曲面(閉かつ有向)Σをファイバーとする. S^1の束Mを考える. Mのモノドロミー写像ψが,擬アナソフ写像である場合, Mは,アトロイダルなる多様体になる.このとき, H^1(M:R)の上に,サーストンノルムが定義される.一方, Mは, S^<>上の束としての,構造を一般に無数に存し,それは, H^1(M:Z)の,或る開領域と, 1対1に,対応している.その中の各々の点に対し,位相的エントロピーhが定義される.我々は, hが,上述のサーストンノルムに関し,凹関数をなすことを示した.他に,我々は,複素射影構造に関し,次の結果を得た.ある種のB群の極限集合は,局所連結である.
半導体準結晶の探索と高性能熱電材料・熱整流材料の創製

1)Al系正20面体準結晶の探索:第一原理バンド計算の結果を用いて、Al-Ir1/0近似結晶の半金属的バンド構造における伝導帯下端と価電子帯上端の電子状態の起源を調査した。その結果、伝導帯の下端はIrのd軌道が支配的で、価電子帯の上端はAl8個とIr1個のクラスターのp軌道が支配的であることが分かった。そこで、Irをd軌道のエネルギーがより高くなるRuで置換し、Alをs,p軌道のエネルギーがより低くなるSiで置換した構造のバンド計算をしたところ、予想通りエネルギーギャップが増大した。さらに、その組成の近くで単相の1/0近似結晶単相の実験的作製にも成功し、実際、熱電物性の測定から半導体になっていることを確認できた。2)第一原理計算により、α菱面体晶ボロンとβ菱面体晶ボロンを、正20面体準結晶や近似結晶の2種類の構造単位であるプロレイトとしたときの、オブレイトや近似結晶や準結晶の生成エネルギーを見積もった。その結果、β菱面体晶型の1/1近似結晶と準結晶の生成エネルギーが、準安定相として実現しているα正方晶と同程度になったので、これらが準安定相として存在可能であることが明らかになった。3)金属間化合物における熱電材料の創製:作製に成功したFeAl2半導体相の大きな単相試料の熱電物性を測定した。その結果、熱電物性の測定から半導体になっていることを確認した。また、高圧でも、高温になると、FeAl2半導体相が隣接する2つの相に分解する理由を、第一原理計算を用いて自由エネルギーの温度依存性を求めて、明らかにした。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。Al系とB系において、「半導体準結晶」を探索し、実現し、「半導体準結晶」を利用して、高性能な熱電材料と熱整流材料を創製することを目的とした。さらに、関連研究として、様々な金属間化合物における熱電材料の創製や、B系化合物における超伝導材料の創製も目的とした。平成28年度には、主にAl系正20面体準結晶の探索に関連して、下記の研究成果を得た。準結晶とある種の13族元素遷移金属間化合物の電子構造の原子クラスターに基づく統一的記述に成功した。AlIr、RuAl2、RuGa3における価電子帯の形成を、ワニア関数に基づいて解析した。価電子帯を記述するためには、各遷移金属を中心とするクラスター当り9個の(s-,p-,d-的な)ワニア関数を考えれば十分であることが分かった。前に報告したAl-Cu-Ir近似結晶のように、クラスター間距離が約0.3nmのところに共有結合を作り、その反結合軌道が伝導帯の状態を作る。sp3d2-、sp3-、py-的なワニア関数が、それぞれ上記3化合物の共有結合に使われている。次に、アルミニウムと遷移金属から成る面心型正二十面体準結晶中の局所クラスター配列と価電子状態数を明らかにした。6次元K-G山本モデルの原子当たりクラスター数0.263は、Al-Cu-Ir立方近似結晶の0.258に近く、このモデルがクラスターの分布で合理的に表現されることを意味している。クラスター間結合に関係する短距離の可能な局所ネットワークを全て拾い上げ、クラスター間結合の2つの可能な配置を仮定することによって、価電子状態数を評価した。原子当たり価電子状態数は、遷移金属原子の割合の関数で、その値は実際の準結晶の組成からの予想と良く一致した。特に、遷移金属の割合に依存しない価電子状態の一部の数は、準結晶の安定性に経験的に関係している原子当たり価電子数e/aと、数字的に近い。Al系正20面体準結晶の探索に関連して、研究実績の概要に記述した成果が得られ、すでに2編の論文として出版された。B系正20面体準結晶の探索に関しても、純Bの液体急冷を行い、X線回折パターンに、β菱面体晶ボロンとは異なるピークを観測している。

その結果、熱電物性の測定から半導体になっていることを確認した。また、高圧でも、高温になると、FeAl2半導体相が隣接する2つの相に分解する理由を、第一原理計算を用いて自由エネルギーの温度依存性を求めて、明らかにした。1)Al系正20面体準結晶の探索:第一原理計算により半導体となることが予想されていたAl-Ir1/0近似結晶が、実験的にはAlが欠損し、価電子帯にフェルミ準位が位置する金属になっていることを明らかにした。Aiの欠損を抑制して半導体を実現するために、a)Cu原子を侵入させること、b)高圧合成を行うこと、c)IrをRhで置換することを試みた。a)では、Cuが侵入型で固溶する領域ではホール濃度が減少して半導体に近づいたが、Cu濃度が大きくなるとAlと置換して逆にホール濃度が増大してしまった。b)では、4GPa、1000°Cで合成することにより、Al欠損を減少させることに成功したが、半導体までには至らなかった。c)では、IrをRhで完全に置換するとAl欠損は完全に無くなるが、エネルギーギャップも閉じてしまった。部分置換では、Al欠損の減少とエネルギーギャップの減少の競合により、25%置換で熱電性能は向上したが、やはり半導体には至らなかった。2)B系正20面体準結晶の探索:静電浮遊液体急冷装置を使って、純Bの融点から約60Kの過冷却液体からの急冷凝固試料中のX線回折の未知ピークが、準安定相であるα正方晶ボロンと高圧相であるγ斜方晶ボロンであることを明らかにした。3)金属間化合物における熱電材料の創製:ダイヤモンドアンビル装置を使った高圧合成により、実験的な報告の無かったFeAl2の半導体相を作製することに成功していたが、試料が小さ過ぎて熱電物性を測定することができなかったので、マルチアンビル装置を使って、より大きな試料の作製を試みた。ところが、高圧化でも高温にすると、2つの隣接相に分解してしまうことが分かり、目的相の単相試料が得られる条件を探索し、最終的には熱電物性が測定できる程度の大きい、単相試料の作製に成功した。平成29年度末の時点では、半導体準結晶の前駆物質(Al-Ir1/0近似結晶とFeAl2半導体結晶)の前者ではAl欠損により半導体化が阻害され、後者では複雑な状態図によって熱電物性を測定できる大きさの単相試料が作製できていなかった。しかし、繰越申請をすることによって、平成30年度になって、前者では3種類の方法(Cuを侵入させる、高圧合成、IrのRh置換)でAlの欠損を減らすことに成功し、半導体化に近づいた。後者では、状態図を明らかにすることで、大きな単相試料を作製できる条件を明らかにでき、目的の試料の作製に成功した。B系では、前年度までに未知だったX線回折ピークの同定に成功し、準安定相や高圧相が過冷却液体急冷によって生成することを明らかにすることができた。1)Al系正20面体準結晶の探索については、Al-Cu-Ir近似結晶や準結晶へのSi置換による半導体化を、実験的に確かめる。さらに多くの半導体バンド構造を持つ近似結晶を探索する。2)B系正20面体準結晶の探索に関しては、純Bの液体急冷試料で観測されたX線回折パターンのβ菱面体晶ボロンとは異なるピークの起源を明らかにする。α菱面体晶やβ菱面体晶を基にした準結晶構造の凝集エネルギーを計算し、安定性を向上できる他元素置換を探索する。この計算に基づいて、他元素置換したボロンの液体急冷を試みる。
遷音速流れの混合により発生する複合チョーク現象と複合音波に関する研究

次世代高高度高速飛行用エンジンとしてスクラムジェットエンジンが考えられているが,このエンジンでは空気取入れ口上流に発達する境界層のため,エンジンに流入する気体の流速は亜音速から超音速にいたる著しい非一様性を有する.この気流の減速過程で発生する複合チョーク現象は,機器の効率低下やエンジン不始動などのトラブルを誘発することが知られている.これまでの研究では,複合チョーク現象を説明するために複合音波の概念を用いてきたが,この音波の存在を実験的に検証した例はなく,複合チョーク現象解明の障害になっている.本研究は,複合音波を実験的に検証し,その特性を明らかにするとともに複合チョーク現象を解明して,複合チョーク発生の条件を明らかにすることを目的としている.前年度の研究により,複合音波は二次元構造を有する可能性があることが示された.このことにより,複合チョークが生じている場所においても流れ場は二次元的であることが考えられる.本年度は,先細ダクト出口における二つの亜音速流れの複合チョーク現象を,数値計算により調べた.得られた結果は以下の通りである.1.先細ダクト内において,ダクト中心軸に垂直な断面にわたる静圧分布は一定ではなく,高速流側では低く,低速流側では高くなる二次元分布となる.2.一次元解析結果による複合チョークの背圧条件p_b/p_<01>=0.508において,ダクト出口のマッハ数分布は,高速流側で超音速,低速流側で亜音速となり,複合チョークの特徴を示すが,高速流側ではダクト出口からすぐ上流の壁面から膨張波,ダクト出口端より弱い斜め衝撃波が発生する.膨張波はせん断層で圧縮波として反射され,噴流境界とせん断層において反射を繰り返しながら減衰していく.3.二次元理論では背圧条件p_b/p_<01>≒0.47において,ダクト出口の低速流側に音速線が形成され,音速線より上流の流れは一定となって複合チョークが生じる.この値は従来の一次元理論による値p_b/p_<01>=0.508とは異なることがわかったすなわち,複合チョークが発生する圧力比は一次元理論からは求めることができない.次世代高高度高速飛行用エンジンとしてスクラムジェットエンジンが考えられているが,このエンジンでは空気取入れ口上流に発達する境界層のため,エンジンに流入する気体の流速は亜音速から超音速にいたる著しい非一様性を有する.この気流の減速過程で発生する複合チョーク現象は,機器の効率低下やエンジン不始動などのトラブルを誘発することが知られている.これまでの研究では,複合チョーク現象を説明するために複合音波の概念を用いてきたが,この音波の存在を実験的に検証した例はなく,複合チョーク現象解明の障害になっている.本研究は,複合音波を実験的に検証して,その特性を明らかにし,これにより複合チョーク現象を解明して,複合チョーク発生の条件を明らかにすることを目的としている.本年度は,複合音波について明らかにするため,断面積一定の管内において二つの異なる平行な亜音速流に逆らって伝播する圧力波(複合圧力波)の特性を,実験及び数値計算により調べた.得られた結果は以下の通りである.1,複合圧力波は界面よりも高速側で分枝しており,分枝点より高速側では分枝点から壁面までほぼ垂直な形状をしている.分岐点より低速側では先頭を走る圧縮波の背後に分枝点近傍で発生したいくつかの圧縮波が観測される.ダクト入口部分における波の形成過程を過ぎると,この波系はほぼ同じ形状を保ってダクト内を上流側に伝播する.2,数倍計算によるダクト内を伝播する圧力波の構造は,可視化実験結果とよく一致する.3,複合圧力波の伝播速度は,複合圧力波前後の静圧比にほぼ比例して増加する.4,複合圧力波前後の静圧比が1に近いときの伝播速度は,Bernsteinらの提唱した複合音波の伝播速度に一致する.本実験における波は前後の圧力比が1.17の圧力波で音波とは異なるが,圧力比が小さいことと圧力比1.05の数値計算も同様の結果を示していることから,複合音波も同様の二次元構造をとると考えられる.次世代高高度高速飛行用エンジンとしてスクラムジェットエンジンが考えられているが,このエンジンでは空気取入れ口上流に発達する境界層のため,エンジンに流入する気体の流速は亜音速から超音速にいたる著しい非一様性を有する.この気流の減速過程で発生する複合チョーク現象は,機器の効率低下やエンジン不始動などのトラブルを誘発することが知られている.これまでの研究では,複合チョーク現象を説明するために複合音波の概念を用いてきたが,この音波の存在を実験的に検証した例はなく,複合チョーク現象解明の障害になっている.本研究は,複合音波を実験的に検証し,その特性を明らかにするとともに複合チョーク現象を解明して,複合チョーク発生の条件を明らかにすることを目的としている.前年度の研究により,複合音波は二次元構造を有する可能性があることが示された.このことにより,複合チョークが生じている場所においても流れ場は二次元的であることが考えられる.本年度は,先細ダクト出口における二つの亜音速流れの複合チョーク現象を,数値計算により調べた.得られた結果は以下の通りである.1.先細ダクト内において,ダクト中心軸に垂直な断面にわたる静圧分布は一定ではなく,高速流側では低く,低速流側では高くなる二次元分布となる.2.一次元解析結果による複合チョークの背圧条件p_b/p_<01>=0.508において,ダクト出口のマッハ数分布は,高速流側で超音速,低速流側で亜音速となり,複合チョークの特徴を示すが,高速流側ではダクト出口からすぐ上流の壁面から膨張波,ダクト出口端より弱い斜め衝撃波が発生する.

膨張波はせん断層で圧縮波として反射され,噴流境界とせん断層において反射を繰り返しながら減衰していく.3.二次元理論では背圧条件p_b/p_<01>≒0.47において,ダクト出口の低速流側に音速線が形成され,音速線より上流の流れは一定となって複合チョークが生じる.この値は従来の一次元理論による値p_b/p_<01>=0.508とは異なることがわかったすなわち,複合チョークが発生する圧力比は一次元理論からは求めることができない.
多波長X線回折法を利用したヒドロゲナ-ゼの活性部位の同定

硫酸還元菌Desulfovibrio vulgaris Miyazaki F株のヒドロゲナ-ゼは膜結合性の酵素で、2個あるいは3個の鉄ーイオウ・クラスタ-のみを活性部位としている。このヒドロゲナ-ゼ結晶(分子量89000)の鉄原子の異常分散を利用して、その活性部位の位置を決定するため5波長のX線を用いて回折実験を行い、活性中心を同定することができた。X線の光源には高エネルギ-物理学研究所のSR光を使い、測定装置は坂部らの開発した巨大分子用ワイセンベルグカメラを利用した。反射デ-タは富士フィルム社のイメ-ジングプレ-トに記録させ、BA100で読み取った。回折強度の結晶間のスケ-リング時に導入される誤差を除くため、5波長の回折デ-タを1個の結晶から収集した。X線の波長は1.75(Δf'=5.34,Δf''=0.47)、1.74(Δf'=ー6.1,Δf''=3.94)、1.73(Δf'=ー4.49,Δf''=3.89)、1.49(Δf'=0.89,Δf''=3.03)、1.00A(Δf'=0.236,Δf''=1.56)を用いた。測定した回析強度パタ-ンを指数づけした後、ロ-カルスケ-リングなどを施し一連のデ-タセットとした。スケ-リングのR値(Rscale)は全てのデ-タセットについて45%前後であり、測定時に大きな系統的誤差が導入されていないことがわかった。各波長のデ-タ間のRmergeに着目すると、Δf'やΔf''の差が大きい波長において、Rmergeの値が大きくなっている。これは予想通り異常散乱効果が観測されたことを示している。得られたFーデ-タについて、(F(1.74)ーF(1.00))^2,(F(1.75)ーF(1.00))^2,(F^+(1.74)ーF^ー(1.73))^2などを係数とするパタ-ソン関数を計算した。それぞれのハ-カ-セクションにおいてつじつまの合うピ-クが現れている。しかもこのピ-クが異なったパタ-ソン関数に共通して見られる。このようにして2つの鉄ーイオウ・クラスタ-の位置を同定することができた。
浮体のクローキングを実現するための海洋波メタマテリアルの開発と設計

水波中での浮体のクローキングを実現する方法として,まず浮体周りに複数の小円柱や弾性膜を同心円状に置き,波の多重反射によって散乱波を小円柱群あるいは弾性膜の内側に閉じ込める方法について各種の研究成果を得た。次に,浅水波近似の下で,空間形状の変形を与える座標変換を使うと,支配方程式や境界条件が元の式と同じになる水深テンソルを求めることができ,それを実現するための均質化法を使って数値計算上クローキングの達成が可能であることを確かめた。さらに,波長より小さい角柱群から構成される特殊な十字水路網を用いると,波が通常とは逆方向に屈折する負の屈折率が実現できることやバックワード波が発生することも確認した。1.ある浮体の周りに小円柱群を置き、波の多重反射により散乱波を小円柱群の内側に閉じ込めてクローキングを達成するという研究がこれまで行われてきたが、浮体の運動はすべて固定されているdiffraction問題についてのみであった。中央のクロークするべき浮体が波浪によって自由動揺している場合でも、小円柱群の上下運動をダッシュポッドと復元力ばねから成る外部力学系で制御することにより、ある特定の周波数でクローキング現象を達成することが可能であることを示した。また、グリーンの公式に基づくエネルギー保存則を適用して、クローキングと波エネルギーの吸収幅(吸収効率)の関係を理論的に導き、その関係式が高次境界要素法による計算によって数値的に満足されていることを示した。2.浅水波近似の下で、電気回路と流体運動の相関関係を使ってクローキングの実現可能性について理論的に研究し、流体に異方性ならびに不均一な流体密度や水深を仮定することにより、水波が伝播しない領域を創ることができることを示した。また、有限要素法に基づく市販ソフトCOMSOLを使って数値計算を行い、理論通りの結果となっていることを確かめた。さらに、流体の異方性を実現させるためのメタマテリアルとして微小幅の水路網を設計し、波動の性質を制御できることを理論ならびにCOMSOLによる数値実験によって立証した。3.浅水波近似の下で、空間形状の変形を与えるある座標変換を使って、支配方程式や境界条件が元の式のままになる水深テンソルや重力加速度の条件を求め、それによって波をある特定の場所に集中させる「集波」が可能であることを数値計算によって実証した。これは波エネルギーの吸収効率を高める研究に応用できるのではないかと期待できる。水槽での実験によって、これらを確かめることが今後の課題である。申請時の計画では、クローキングを達成させる方法の一つとして、弾性膜をクロークするべき浮体の周りに置き、弾性膜の形状や剛性を最適化することによって、水波の伝播方向を変化させる「メタマテリアル」の研究も平成28年度にスタートさせる予定であったが、それについては殆どできていない。しかし、浅水波近似の下でのクローキング現象の実現可能性については、理論研究と対応する数値計算を予定通り順調に行うことができた。それを水槽実験によって立証することが来年度の課題の一つである。一方、複数浮体による多重反射を使ったクローキングの実現に関しては、クロークするべき浮体が波浪によって自由動揺している場合でも、それを取り囲む小円柱群の上下運動を外部力学系(ダッシュポッドと復原力ばね)で制御することにより、ある特定の周波数でクローキング現象を達成することが可能であることを示した。これは予定以上の成果である。1.浮体周りの水面に弾性膜を浮かべ,その形状や剛性を最適化することで水波の伝播方向を変え,浮体のクローキングを達成させる手法について検討したが,浮体の周りを進行波が迂回するように伝播方向を変化させることは難しいことが解った。そこで弾性膜の形状は円環状とし,剛性や弾性膜の内径・外径を調整することで外方へ伝播する散乱波を極力少なくし,結果的に浮体に働く波漂流力を小さくすることを考えた。数値計算は独自開発の高次境界要素法とモード関数展開法を用い,浮体のみに働く波漂流力は直接圧力積分法を用いた。波漂流力を完全にゼロとするまでには至らなかったが,各モード関数の寄与を詳しく調べ,円環形状弾性膜の内側に散乱波を閉じ込めるメカニズムについて流体力学的な考察を行い,国際会議論文を執筆した。2.浅水波近似の下では,空間形状の変形を与える座標変換を使うと,支配方程式や境界条件が元の式のままになる水深テンソルを求めることができる。そのような水深を実現するために均質化法を用いて特殊な`メタマテリアル'を作ってクローキングを達成させることができるが,その手法は円柱だけでなく,断面が四角形状の柱状体に対しても有効であることを有限要素法に基づく市販ソフトCOMSOLを使った数値計算によって確かめた。3.流体が微小空間において異方的な性質を持ち且つ空間的に不均一に広がっていることを実現させるために,波の長さより小さい十字水路を用いることを提案し,それを用いると波が通常とは逆方向に屈折する「負の屈折率」を実現できることを見出した。COMSOLによる数値計算によって,小さな角柱群の領域が負の屈折率を持つ波動場となり、入射する波は通常とは逆方向の角度をもって屈折することが確認できた。さらにこの媒質中ではエネルギー(群速度)の進む方向に対して、位相速度が逆向きとなる「バックワード波」が生じることも確認した。

次に,浅水波近似の下で,空間形状の変形を与える座標変換を使うと,支配方程式や境界条件が元の式と同じになる水深テンソルを求めることができ,それを実現するための均質化法を使って数値計算上クローキングの達成が可能であることを確かめた。さらに,波長より小さい角柱群から構成される特殊な十字水路網を用いると,波が通常とは逆方向に屈折する負の屈折率が実現できることやバックワード波が発生することも確認した。弾性膜をクロークするべき浮体の周りに置き、弾性膜の形状や剛性を最適化することによって、水波の伝播方向を変化させる「メタマテリアル」の研究に関しては、平成29年4月から日本学術振興会の外国人長期招へい研究者が研究代表者の研究室に滞在し、この弾性膜による浮体のクローキング研究に従事することになっているので、何らかの進展が図れるものと期待される。また、水槽実験に関して浅水波中での予備実験を平成28年に前倒しで行ってみたが、現象の計測も意外と難しく、困難を極めそうである。浅水波の条件に拘らず、分散関係を有する深水波の場合に対して、弾性膜の形状・剛性の制御によるクローキング達成の見通しが理論・数値計算によって得られたならば、それに対応する水槽実験を行う予定にしている。この実験的検証は本研究課題が終了した後の平成30年以降になる可能性もあるが、引き続き行う予定である。海洋流体工学
初代培養細胞群からの生理学的肺胞モデルの構築と経肺吸収率予測への利用

二重底培養器(カルチャーインサート)内にラット初代培養細胞のみを用いて肺胞上皮細胞と肺胞マクロファージによる共培養を形成した肺胞組織モデルを確立した.第二に,肺胞近傍の各組織を一定容量,一定濃度の液体の「箱」とみなす“コンパートメントモデル"を用いて,コンパートメント間のナノ粒子の移行速度を濃度の一次に依存するとした物質収支式で記述することにより,組織モデルの定量結果に基づく数理シミュレーションを行い,ナノ粒子の肺胞部における局在性と血中移行性について検討を行った。II型肺胞上皮細胞はSprague Dawleyラットより摘出した肺をエラスターゼ処理・密度勾配遠心により,肺胞マクロファージは摘出肺の気管支肺胞洗浄液より,それぞれ安定して採取することに成功した.培養系にて,II型肺胞上皮細胞は次第にI型細胞へ分化する.カルチャーインサート上で培養液やコートタンパクを様々に変えて検討したが,当初は播種密度の制御により薄く扁平なI型肺胞上皮細胞層を再現性良く形成させることができなかった.そこで,8,10,15,40週齢のラットから採取した細胞を様々な密度で播種し,24時間後の接着密度を測定し,さらに7日間培養後の細胞形状を観察した.一連の検討の結果,週齢に依らず,24時間後の正味の付着細胞数を3.0-4.0×104 cells/cm2の範囲に持ち込むことで,ほぼI型の面積が大きく極めて薄いI型様の上皮細胞組織をカルチャーインサート上に安定して形成させることに成功した.このように形成した細胞層の経上皮電気抵抗値は,ヒトII型株細胞のA549の約100 ohm・cm2に比べて極めて高い約500 ohm・cm2という値を示し,少なくとも10日間は安定であった.採取した肺胞マクロファージを播種すると,強固に付着することが観察された.実肺胞において,肺胞マクロファージは約3.0-6.0×103 cells/cm2で存在していると報告されているが,本系では平均4.8×103 cells/cm2とin vivoと同程度の共培養系を構築することができた.この共培養は10日程度は十分に維持された.肺胞上皮細胞の培養条件については、前年度に確立したII型細胞の単離および播種条件を基礎として、様々な培養基質で被覆した半透膜培養器(カルチャーインサート)を用い、2週間までの形態や経上皮電気抵抗値を元に検討を行った。その結果、胎児型の基底膜成分を含むマトリゲルが最もよい結果を与えた。各種増殖因子のカクテルでの添加も行ったが、マトリゲル被覆では相乗的な効果は得られなかったため、以後、マトリゲル被覆したカルチャーインサートと通常の血清添加培養液を用いて実験を進めることとした。In vivo肺胞では、ガス交換に与るI型上皮細胞は内腔面積の95%を覆い、II型細胞は隣り合った肺胞壁との連結部位、幾何学的に肺胞内腔の角となった部分に安定して存在している。もし、この特性を利用して、両者をバランスよく培養系で共存させることができれば、II型細胞が産生する各種肺サーファクタント層で薄く覆われた生理学的な肺胞内腔をin vitroで再構築することができるかもしれない。このための初期検討として、肺胞とほぼ同じ大きさ(326マイクロメータ)を持ったシリコンゴムの一種であるPDMS(ポリジメティルシロキサン)マイクロウェル構造を持つシートを作成し上皮細胞を培養、I型・II型各々に特異的な表面マーカーにて免疫染色を行った。その結果、おおよその傾向として、中央底面部に扁平なI型細胞が、マイクロウェル近縁部と側面とで形成される角の部分にII型様の細胞が多く存在することを確認した。一方、ラット肺胞由来初代培養マクロファージについては、毒性の低い1マイクロmの二酸化チタン粒子を暴露し、その挙動を顕微鏡及びタイムラプスにより観察したところ,ヒト細胞株のTHP-1由来のものに比べ,貪食活性が極めて高く、仮足を広げ,遊走をしながら広範囲の粒子を積極的に貪食する様子が確認された.ラットは肺胞上皮I型細胞の膜上での安定的な培養条件については、確立を終えることができた。I型およびII型上皮細胞のin vivo様の共存状態実現については、まだ不十分ではあるが、肺胞とほぼ同じ大きさを持つマイクロウェル構造上に、薄い密度で単離されるII型細胞を播種培養することで、達成への見通しを得ることができた。最終年度である平成28年度では,二重底培養器(カルチャーインサート)内にラット初代培養細胞のみを用いて肺胞上皮細胞と肺胞マクロファージによる共培養を形成した肺胞組織モデルに対して,蛍光ナノ粒子を用いた透過実験を行った。その透過の経時変化をコンパートメントモデルを用いて,コンパートメント間のナノ粒子の移行速度を濃度の一次に依存するとした物質収支式で記述することにより,組織モデルの定量結果に基づく数理シミュレーションを行い,ナノ粒子の肺胞部における局在性と血中移行性について検討を行った。カルチャーインサート内に肺胞上皮とマクロファージの共培養系を構築し,内腔側に蛍光ナノ粒子(SiO2粒子10, 30, 100 nm)を暴露し,所定時間経過後に各コンパートメントの粒子を回収,微量分光蛍光光度計により粒子量を定量した.数理モデルは,コンパートメント間の移行速度が,各コンパートメントの濃度に一次であると仮定して正逆反応を考慮したものである。

実験値をこのモデル式にフィッティングすることで,コンパートメント間の正逆反応の物質移動係数kを算出した.Euler法により数値解を得ることで数理シミュレーションを行い,粒子の移行性について検討を行った.数理モデル式はナノ粒子の移行を簡便に記述できることが示された.ナノ粒子に懸念される,他臓器への間接障害へ繋がる血中移行性に注目すると,粒径と血中移行量に負の相関が見られ,体内移行性をこの物質移動係数により比較可能であることが示された.本結果は,定性的には対応する動物実験の結果と一致したが,絶対値の比較では血中移行が過大評価されており,今後は,肺胞上皮と血管内皮からなる肺胞膜のより忠実な再現,共培養時のマクロファージの貪食速度の活発化などの新たなメカニズムの数理モデルへのの数理モデルへの導入等の改善が必要となることが示唆された。二重底培養器(カルチャーインサート)内にラット初代培養細胞のみを用いて肺胞上皮細胞と肺胞マクロファージによる共培養を形成した肺胞組織モデルを確立した.第二に,肺胞近傍の各組織を一定容量,一定濃度の液体の「箱」とみなす“コンパートメントモデル"を用いて,コンパートメント間のナノ粒子の移行速度を濃度の一次に依存するとした物質収支式で記述することにより,組織モデルの定量結果に基づく数理シミュレーションを行い,ナノ粒子の肺胞部における局在性と血中移行性について検討を行った。本年度は当初の計画通り,II型細胞および肺胞マクロファージの安定採取を達成した.播種密度の調整によるII型細胞のI型への分化制御は,培養液やカルチャーインサート被覆タンパク質を様々に変えても,当初はなかなか再現性が得られなかったが,細胞の24時間後の付着確率が極めて低かったことから,この正味の付着細胞面密度を一定範囲に持ち込むことで,I型細胞への安定分化を達成できるのではないかと考え,週齢や播種密度を様々に変えて,24時間後の正味の付着細胞面密度と最終的なI型様の上皮層形成の関係を調べ,安定形成条件をほぼ確立できたことは特記に値する.マイクロウェル構造を用いたI型およびII型の共存培養については、中央部の細胞もまだII型形質を残しており十分にI型に分化したとは必ずしも言えないものもあることから、播種条件や培養日数等の条件の最適化を引き続き行う。また、膜上に同様のマイクロウェル構造を作り、背面で血管内皮細胞との共培養も行う必要があるかもしれない。平行して、サーファクタントの産生等機能面での評価を進める必要もある。また、これらの条件設定で分化が不十分な場合には、マイクロウェル構造を持つ膜全体をエラスティックな材質で作成し、適度な伸縮運動を与える必要があるかもしれない。以上のように確立した培養条件を用いて、I型・II型共存上皮とマクロファージとの共培養を行い、蛍光標識されたナノ粒子を暴露、培養系内での粒子透過挙動を記述すると共に、その結果をラットin vivo暴露実験と比較する。
探針-試料間電圧印加チューニングによる結合形成過程の原子分解能・顕微分光解析

本研究は、独自開発した電圧印加非接触原子間力顕微鏡/分光法(Biasnc-AFM/S)を発展させ、試料表面上の原子と探針先端原子との間の結合形成の過程・電子状態の変化を明らかにすることを目的とした。このために高感度力センサーの開発、電子回路の高感度化により探針試料間相互作用力、電流、エネルギー散逸の高感度同時計測を実現した。シリコン-シリコン原子間の共有結合力は、局所電子状態密度に強く依存していることを明らかにした。本研究では、走査型プローブ顕微鏡(SPM)を基に独自開発したBias nc-AFM/S法を発展させ、探針と試料を極接近させたときに試料表面上の特異的原子・分子と探針先端原子との間で進行する結合形成の過程・電子状態の変化を明らかにする。Bias nc-AFM/Sでは、「探針-試料間印加電圧をチューニングすることによってSPM探針先端の電子準位と試料表面原子の電子準位の間に形成される電子共鳴(結合)状態」を、印加電圧に対する相互作用引力の増加として検出する。まず、探針-試料間の相互作用引力・トンネル電流/(疑似)接触電流・エネルギー散逸・トンネル障壁の印加電圧に対する変化を高感度で同時計測できるシステムを構築し、清浄な探針及び試料を準備し、それぞれに原子・分子を修飾してそれらの結合形成の原子スケールの顕微分光情報を得る。本研究の目的は、走査型プローブ顕微鏡(SPM)を基に独自開発したBias nc-AFM/S法を発展させ、探針と試料を極接近させたときに試料表面上の特異的原子・分子と探針先端原子との間で進行する結合形成の過程・電子状態の変化を明らかにすることである。1. Bias nc-AFM/Sを基本とした電流・エネルギー散逸等の高感度同時計測システムの構築:試料表面上を探針で走査して、nc-AFM像をとりつつ、探針を間欠的に止め、印加電圧を掃引し、(1)探針-試料間の相互作用引力、(2)探針-試料間に流れる電流、(3)エネルギー散逸、(4)トンネル障壁の印加電圧と探針-試料間距離に対する変化を高感度で同時測定する。各特性曲線は1枚のnc-AFM像に対して256、512、1024本から選択される。(1)相互作用力-印加電圧曲線から静電引力成分を引き、特異的な近距離引力成分を分離するソフトウェアを開発した。各特性曲線の計測位置を表面の2次元周期性に対応させ、表面単位ユニットにデータを集約させる解析ソフトを構築した。2.ナノピラー成長技術に基づく探針調製:超高真空AFMを利用して、加熱清浄化したSi探針先端を高温Si基板にソフトに制御性よく接触させ、その後ゆっくりと引き上げることによってSi探針先端にSi単結晶ナノピラーを成長させる技術を開拓してきた。この清浄なSiナノピラーに水素ラジカル、および、アンモニアガスを暴露し、Siナノピラー探針の水素終端、アミノ化を試みた。3.半導体系試料の調製と測定:表面にダングリングボンドをもつ半導体(p,n型)Si(111)清浄表面を試料とし、(p型)Si探針を用いて、各特性曲線を取得した。n型試料では明確な近距離結合力に起因するスペクトルが観察されたが、p型試料では、観察されなかった。電子状態の差異に関して考察している。本研究の目的は、独自開発した電圧印加非接触原子間力顕微鏡/分光法(Bias nc-AFM/S)を発展させ、探針と試料を極接近させたときに試料表面上の原子・分子と探針先端原子との間で進行する結合形成の過程・電子状態の変化を明らかにすることである。1.高感度力センサーの開発:東北大・安部隆准教授の協力の下、研究協力者(堀)が東北大・マイクロ・ナノマシニング研究教育センターで水晶振動子高感度力センサーの開発を予定していたが、センターで火災があり、装置使用が困難になり、また、安部准教授が新潟大学教授に異動になった。そのため本計画中の高感度水晶振動子力センサーの独自開発は困難になった。その代わりに、既存の水晶振動子を力センサーとして、応用する手法を検討した。2.ナノピラー成長技術に基づく探針調製と評価:研究代表者らはSi探針先端にSi単結晶ナノピラーを成長させる技術を開拓してきた。GeはSiとの格子不整合によりSi(001)上にクラスター状に成長する。この特性を利用して、Siナノピーラー探針上にGeクラスター探針を成長させた。また、Siナノピラー探針を水素終端、アミノ化するための、水素クラッカー機構、アンモニアガス導入機構をnc-AFM超高真空チャンバーに組み込み、水素化探針を用いて、標準試料(Si(111)7x7清浄表面)をnc-AFM観察し、探針を評価した。

3.分子系試料の調製と測定:両末端にアミノ基を有するターフェニル分子(DAT)をSi(111)7x7と(001)2x1表面に真空蒸着した。その表面を電圧依存STMとXPSで解析し、吸着構造の差異を明らかにした。また、(111)面上DATの他端のアミノ基に向けてSiを接近させる実験も進めたが、明確な結合形成の証左を得るに至っていない。本研究の目的は、独自開発した電圧印加非接触原子間力顕微鏡/分光法(Biasnc-AFM/S)を発展させ、探針と試料を極接近させたときに試料表面上の原子・分子と探針先端原子との間で進行する結合形成の過程・電子状態の変化を明らかにすることである。1. Bias nc-AFM/Sを基本とした電流・エネルギー散逸等の高感度同時計測システムの構築高感度力センサーの開発:市販されている音叉型水晶振動子に金属探針およびシリコン探針を取り付け、nc-AFM/S用の力センサーとした。この、接着・固定方法を検討し、高感度力センサーとしての応用を探った。また、探針・試料間相互作用による振動子の固有振動数変化、トンネル電流、エネルギー散逸の高感度同時計測システムを構築した。2.分子系試料の調製と測定シリコン(111)基板および、シリコン探針先端にダングリングボンドが形成されるように表面を清浄化し、このダングリングボンドに、アミノ基および水素原子で終端させる機構を超高真空チャンバー内に形成し、その終端条件を探った。シリコン基板上のダングリングボンドが水素原子で終端されると、その表面原子と清浄な探針間の相互作用引力は弱くなり、nc-AFM像は水素が終端された原子は凹に観察された。トンネル電流および散逸エネルギーも水素終端原子-探針間は、ダングリングボンドを持つ原子間に比べて小さくなった。この修飾表面に対して、探針試料間バイアス電圧スペクトルの取得をめざしたが、スペクトル計測中に探針が変化し、再現性のあるデータは得られていない。本研究の目的は、独自開発した電圧印加非接触原子間力顕微鏡/分光清(Bias nc-AFM/S)を発展させ、探針と試料を極接近させたときに試料表面上の原子・分子と探針先端原子との間で進行する結合形成の過程・電子状態の変化を明らかにすることである。1.清浄化・先鋭化探針の作製と探針先端への分子修飾市販シリコン探針及び、電解研磨により直径50μmのPt-Ir線を先鋭化したPt-Ir探針を加熱しながら、高電圧を印加することで、探針最先端原子をわずかに動かし、安定な原子配列で先鋭化した探針を作製した。このSi探針の先端原子はダングリングボンドを持つと推定された。超高真空チャンバーに水素ガスを導入し、タングステンフィラメントを用いた自作のガスクラッカーにより原子状水素にし、Si探針先端のダングリングボンドを水素修飾した。2.試料の調製と測定Si(111)7x7再構成表面を形成した後、微量の原子状水素を吸着させた表面を試料とした。原子状水素はSi(111)7x7再構成表面のダングリングボンドを持つアドアトム、レストアトムに吸着する。レストアトムに水素が吸着すると隣接するアドアトムの局所電子状態密度が増加する。水素が吸着したアドアトムと探針先端原子間の結合力は弱くなり、トンネル電流も減少した。隣接したレストアトムに水素が吸着したアドアトムと探針先端原子間の結合力は強くなり、トンネル電流も増加した。これらのことから、Si-Si原子間の共有結合力はトンネル過程と同様、局所電子状態密度に強く依存していることを明らかにした。