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外国語の発音におけるタイミング制御と作動(短期)記憶との関係についての研究

語学の学習では教師(または教材)の発音を聞いた後に学習者が繰り返す活動がよく行われるが,発音練習には様々なバリエーションがあり,その有効性を検証した研究は少ない.本研究では教師の発音を聞いた後に学習者が発音を繰り返す練習("Repeat after me."型)と,教師の発音を聞いた後に学習者が発音を繰り返す際に教師も同時に発声している練習("Repeat with me."型)の区別を明らかにすることにより,より有効な発音練習とはどういう形式であるのかを明らかにする.実験1では教師のモデル発音を聞いてから何秒後に学習者の発話が行われるかを日本語と英語の無意味音節を用いて調べ,無標のラグタイムが600から900ms程度であることを確認した.実験2ではl-rやb-vに代表される日本人学習者にとって難しいと言われる音を含む単語のペアを,実験3では強弱・弱強パタンを持った英文を,それぞれ教師のモデル発音に続いて(a-repeat),あるいは教師と一緒に(w-repeat)発音してもらい,学習者の発話の自然性はどちらの練習方法が高くなるかを英語母語話者による聴覚実験で調べた.その結果,英文の再生ではa-repeatの方がより自然な発音となることが分かった.実験4では実験3で用いた英文の持つリズムに着目し,同じリズムパタンを持つビープ音を学習者に提示して単音節taで実験3と同様に2通りの発音練習を行った.単音節語の再生では成績に差は出ず,リズム再生は音声で行う方がより正確なものとなることが示唆された.(研究成果報告書を別途作成中・雑誌論文投稿中)本年度は実験を開始するにあたり,文献調査・予備実験・3つの実験を日本と英国で行った.1.文献調査本研究は外国語の発音練習の改善を最終目標としている.まず現在日本国内で使用されている英語教科書・教材等を調査し,発音指導法を分類整理した.ヒトのタイミング制御及びその測定法に関しても調査を行った.2.予備実験教材の提示タイミングに関する実験に先立ち,一般的な発音練習では学習者は何秒後に教師の後をつけて発音をし始めるのか.また,教師のモデル発音のピッチやタイミングの変動をまねる場合はどの程度正確にリピートできるのであろうか.これらを調べる予備実験を,日本人英語学習者を被験者として行った.3.実験予備実験の結果をデザイン上の参考にして以下の実験を行った.(3)日本語のカナから混同の生じやずい語(bathe/bays等)を日本語を母語とする13名の大学生に両条件で発音してもらい,それをマルチトラック録音して編集した後,英語話者6名に提示し7段階で採点を依頼した.4.まとめと次年度の課題実験データは現在も整理中であるが,一部を近畿音声言語研究会(2001年9月・聖和大学)と,ことばの科学研究会(2001年10月・神戸市外大)で発表した.次年度は短期(作動)記憶と発話タイミングに関して考察を進め,さらに実験を行いたい.語学の学習では教師(または教材)の発音を聞いた後に学習者が繰り返す活動がよく行われるが,発音練習には様々なバリエーションがあり,その有効性を検証した研究は少ない.本研究では教師の発音を聞いた後に学習者が発音を繰り返す練習("Repeat after me."型)と,教師の発音を聞いた後に学習者が発音を繰り返す際に教師も同時に発声している練習("Repeat with me."型)の区別を明らかにすることにより,より有効な発音練習とはどういう形式であるのかを明らかにする.実験1では教師のモデル発音を聞いてから何秒後に学習者の発話が行われるかを日本語と英語の無意味音節を用いて調べ,無標のラグタイムが600から900ms程度であることを確認した.実験2ではl-rやb-vに代表される日本人学習者にとって難しいと言われる音を含む単語のペアを,実験3では強弱・弱強パタンを持った英文を,それぞれ教師のモデル発音に続いて(a-repeat),あるいは教師と一緒に(w-repeat)発音してもらい,学習者の発話の自然性はどちらの練習方法が高くなるかを英語母語話者による聴覚実験で調べた.その結果,英文の再生ではa-repeatの方がより自然な発音となることが分かった.実験4では実験3で用いた英文の持つリズムに着目し,同じリズムパタンを持つビープ音を学習者に提示して単音節taで実験3と同様に2通りの発音練習を行った.単音節語の再生では成績に差は出ず,リズム再生は音声で行う方がより正確なものとなることが示唆された.(研究成果報告書を別途作成中・雑誌論文投稿中)
角膜血管新生におけるXVIII型コラーゲン(エンドスタチン)の抑制作用

また、マウスを用いる低酸素誘導による角膜新生血管モデルでは、現在マウス用の直径3mmの酸素非透過性コンタクトレンズをPMMA(polymethyl methacrylate)を用いて作成中を試みた。コンタクトレンズ装用の中途脱落例が多く、実験モデルの改善を要したが、上眼瞼と下眼瞼を瞼々縫合して脱落を防止可能であることが明らかになった。装用後約1週間程度で角膜周辺部からの血管新生が認められ、bFGFを用いる角膜新生血管モデルと同様の定量式をもちいて定量可能であると考えられた。さらに、共焦点顕微鏡を用いて、新生血管の形態学的、質的特徴について検討し、また角膜中に存在する血管新生抑制因子であるエンドスタチン(XVIII型コラーゲン)の角膜血管新生における役割を検討した。
二次元流体水銀の静的及び動的臨界揺らぎの直接観測

常温常圧における水銀は、ガラスなどに濡れない物質の典型例である。しかし、気体-液体臨界点(1478°C、167MPa)近傍の高温高圧下においては、水銀もサファイア基板に濡れ、しかも形成された濡れ相の厚みがある温度圧力で不連続に変化することが、1996年に本研究の代表者の八尾によって発見された。これは前駆濡れ転移(prewetting transition)と呼ばれる一次相転移現象である。本研究では、サファイア基板上の水銀濡れ層を研究対象に取り上げ、前駆濡れ臨界点近傍での静的および動的ゆらきについて、世界で初めての研究を試みた。まず、界面の静的な揺らぎを、熱輻射強度測定により観測した。この方法は、熱輻射強度が、試料表面の反射率や散漫散乱の情報を含むこと(Kirchhoffの法則)を利用するもので、本系のような高温試料に対しては極めて有効である。実際に観測される熱輻射強度には、水銀濡れ層からの寄与の他に、試料の周辺物質からの寄与も含まれるが、我々は光学測定システムを工夫することにより、界面揺らぎのみからの光散乱強度を抽出することに成功した。その結果、界面平行方向の密度揺らぎ相関長が数百nmにも達することを見出した。前駆濡れ臨界現象の動的側面については、サブ・マイクロ秒より長い時間スケールでの測定が可能な動的光散乱装置の立ち上げを行った。この装置を用いて得られた光散乱強度の自己相関関数は、指数関数型の緩和を示すhomodyne項(緩和速度2Γ)に振動減衰型のheterodyne項(緩和速度Γ,振動数ω)を加えた形の関数により、良くフィットされる。これは表面波の特徴を表しており、水銀濡れ層に生じた表面波によって光が散乱されていることを示唆するものである。さらに、気-液共存線(LG)から低圧側の前駆濡れ転移温度(PW)に近づくとき、全体的な傾向としてはΓとωが共に急速に大きくなるが、前駆濡れ臨界点近傍では逆に小さくなることが観測された。このように、二次元流体水銀の静的及び動的臨界揺らぎを直接観測するという本研究の目的は完全に達せられたものと考えられる。最近、液体-気体臨界点近傍では水銀がサファイアに濡れることが本研究代表者によって見出され、しかも、この濡れ現象はPre-wetting transition(前駆濡れ転移)と呼ばれる一次相転移として起こることが明らかになった。前駆濡れ転移固有の臨界点はバルク水銀の臨界点より低温・低圧の1468°C・159MPaにある。本研究では、水銀-サファイア系の前駆濡れ臨界点近傍における、界面のゆらぎに着目した。界面のゆらぎを直接に検出する手段として、試料からの熱輻射強度の測定を用いた。これは、物体からの熱輻射強度に散漫散乱項が含まれていることに着目し、本研究グループによって考案された方法である。さらに、コリメーター系を工夫して試料セル各部からの熱輻射を空間的に分解することにより、より高精度のデータを得た。この測定により、前駆濡れ転移の超臨界相において、熱輻射強度に臨界揺らぎに対応するシャープな谷が現れることが見出される。

熱輻射強度に含まれる散漫散乱の断面積は、界面揺らぎの2点相関関数で表されるが、本研究では散乱の波長依存性を測定することにより、界面揺らぎの面内方向への波数依存性を求めた。これにOrnstein-Zernike型の波数依存性を仮定することにより、ゆらぎの相関長や界面の粗さ等を求めた。その結果、臨界ゆらぎが最も大きくなる領域で、面内方向の相関長が数百ナノメートルのオーダーに達することがわかった。これは、濡れ層の厚み(数十ナノメートル)よりもはるかに大きい値である。さらに、水銀濡れ層にレーザーを照射したときに散乱される光強度の時間変動を調べる動的光散乱法の装置を開発した。次年度はこの動的光散乱の手法を用いて、濡れ層のダイナミクス、特に濡れ層の密度揺らぎや表面張力波、さらには蒸発・凝縮に伴うモード、さらには前駆濡れ点近傍でのスローイングダウンなどの異常を観測することを目指す。以上のように、本研究では濡れ層の揺らぎを実験的に高精度で調べる方法を開拓した。この手法は、我々が取り扱った水銀とサファイアの系以外にも直ちに適用することができる。常温常圧における水銀は、ガラスなどに濡れない物質の典型例である。しかし、気体-液体臨界点(1478°C、167MPa)近傍の高温高圧下においては、水銀もサファイア基板に濡れ、しかも形成された濡れ相の厚みがある温度圧力で不連続に変化することが、1996年に本研究の代表者の八尾によって発見された。これは前駆濡れ転移(prewetting transition)と呼ばれる一次相転移現象である。本研究では、サファイア基板上の水銀濡れ層を研究対象に取り上げ、前駆濡れ臨界点近傍での静的および動的ゆらぎについて、世界で初めての研究を試みた。まず、界面の静的な揺らぎを、熱輻射強度測定により観測した。この方法は、熱輻射強度が、試料表面の反射率や散漫散乱の情報を含むこと(Kirchhoffの法則)を利用するもので、本系のような高温試料に対しては極めて有効である。実際に観測される熱輻射強度には、水銀濡れ層からの寄与の他に、試料の周辺物質からの寄与も含まれるが、我々は光学測定システムを工夫することにより、界面揺らぎのみからの光散乱強度を抽出することに成功した。その結果、界面平行方向の密度揺らぎ相関長が数百nmにも達することを見出した。前駆濡れ臨界現象の動的側面については、サブ・マイクロ秒より長い時間スケールでの測定が可能な動的光散乱装置の立ち上げを行った。この装置を用いて得られた光散乱強度の自己相関関数は、指数関数型の緩和を示すhomodyne項(緩和速度2Γ)に振動減衰型のheterodyne項(緩和速度Γ振動数ω)を加えた形の関数により、良くフィットされる。これは表面波の特徴を表しており、水銀濡れ層に生じた表面波によって光が散乱されていることを示唆するものである。さらに、前駆濡れ転移温度(PW)から高圧側の気-液共存線(LG)に近づくとき、濡れ層厚みの増加に伴い、Γとωが共に急速に小さくなる傾向を持つことが観測された。このように、濡れ層のダイナミクスがわずかな圧力変化により、著しく変化することは、本研究において初めて見出されたことであり、極めて興味深い現象である。
下痢症大腸菌の病原論と分子遺伝学:カテゴリーの再構築と未知病原体の探索

下痢原性大腸菌の病原性と分類について研究し、以下の成果を得た。1.腸管凝集粘着性大腸菌(EAggEC)EAggECの粘着因子がD-マンノース耐性のヘマグルチニン(MRHA)であることを明らかにし、MRHA領域近傍のDNA塩基配列を決定した。さらに、この配列に基づいたEAggEC診断用PCRを開発した。臨床分離株をPCR診断法で解析した結果、中南米のEAggECとタイのEAggECが異なった流行株であることが分かった。また研究過程で、MRHAと薬剤耐性を同時にコードするプラスミドを見いだした。2.腸管病原性大腸菌(EPEC)EPECの特異な粘着様式が明らかになった。EPECはまず自己凝集を起こし、これが十二指腸以下の粘膜絨毛に強固に粘着する。この際、粘着部位の微絨毛を伸長させて、自らを粘膜上に固定させる。このように頑強に腸管粘膜に粘着するEPECは、しかし、パイエル板のM細胞への粘着は避けていた。細菌のM細胞への粘着(言い換えれば、M細胞による細菌の捕捉)は強い局所免疫の確立へとつながる可能性が高い。腸管内で持続性感染(>2W)を引き起こすEPECは、進化の過程で、M細胞を避けることによって局所免疫を逃避する術を獲得してきたものと考えられた。この他に、EPECの自己凝集を起こすDNA領域、粘着因子を産生するDNA領域を決定し、塩基配列を決定しつつある。粘着因子の遺伝子塩基配列を決めた。この成績をもとに、DAECの診断用PCRを作製し、分心に使用しつつある。
ミニチュアレプリカによるチューナブルアンテナ

本研究では小形アンテナの入力インピーダンスを制御するために,供試アンテナと相似形状で小さくした素子(ミニチュアレプリカ)を用いて実現することを目的として,その理論検討とモデル実験によりその効果を確認している.また,その応用としてミニチュアレプリカを用いた周波数チューニング機構を実現した.本研究では小形アンテナの入力インピーダンスを制御するために,供試アンテナと相似形状で小さくした素子(ミニチュアレプリカ)を用いて実現することを目的として,その理論検討とモデル実験によりその効果を確認している.また,その応用としてミニチュアレプリカを用いた周波数チューニング機構を実現した.本研究でアンテナ入力特性の制御を行うために新たに導入するミニチュアレプリカについて,その定義と効果を明確にするため,典型的な複数の小形アンテナであるメアンダアンテナ,逆F形アンテナ,H形アンテナ等と標準アンテナとしての半波長ダイポールアンテナを対象として検討を行った.対象となるアンテナの相似形共振器として実現されるミニチュアレプリカについて,その相対的な大きさと配置される位置関係について,主に計算機シミュレーションにより検討を行い,アンテナの入力特性を効率よく制御するために必要なミニチュアレプリカの構造パラメータとその配置位置を明確にすることを目標として検討を行った.以上の基礎的な検討の結果,小形アンテナの給電素子に対してミニチュアレプリカ,または,非共振の導体棒を10分の1波長以下の距離に近接することで供試アンテナの入力インピーダンスを10%程度制御可能であることを見いだした.これによってミニチュアレプリカの基本的な動作が確認され,ミニチュアレプリカによるチューナブルアンテナの実現可能性が示された.また,導体が近接してアンテナ近傍に配置される場合では計算シミュレーションの精度が劣化することから,有限の円形地板上モノポールアンテナに非共振の導体ポストを近接させる実験モデルを構築し,モノポールアンテナの入力インピーダンスの変化を測定することで,シミュレーション結果の有効性を実験的に確認した.初年度の成果をもとに本研究の第二段階として,ミニチュアレプリカの物理的意味を明確にするため,レプリカの大きさと供試アンテナとの距離の定量的関係の把握を行い,レプリカの効果の物理的な意味の明確化を目的として研究を実施した.アンテナの電気的体積を定義するために用いるクリアランスの考え方を利用することで,ミニチュアレプリカと供試アンテナの相対的な大きさと距離の定量的な関係を把握するための検討を行った.その結果給電部周辺の構造に対してレプリカを用いることで供試アンテナの入力インピーダンスを制御できることをシミュレーションと実験により確認した,特に,レプリカが供試アンテナに極めて近接してシミュレーションができない領域においても,大きな制御効果が得られることを実験で確認し本提案の概念の効果を実証した.また,供試アンテナとしては基本的な構造のものから実際に携帯電話などに用いられる実用的なものも対象としており,レプリカの効果が広く有効であることを確認している.これらの定量的関係から,供試アンテナに対して給電部と入力点での整合を取るための素子,主に放射素子部に対して相似形構造を持つレプリカを配置することが有効であることを明らかにし,その効果が一般的に拡張できることを確認し,その設計指針を示した.電子機器のワイヤレス化が加速される中,内蔵アンテナに対してはより一層の小形化・高性能化が求められ,様々な小形化手法が提案されている.小形アンテナの設計では入力インピーダンス整合をどのように取るかが大きな課題で,技術者が試行錯誤的に取り組んでいる現状の中,一般化された手法を実現することが望まれている.本研究ではその新たな手法として,アンテナの種類に依存せずに適用できるミニチュアレプリカによるチューナブルアンテナを実現することを目的とした.具体的には,供試アンテナに対して相似形の形状を持ち,その大きさは10分の1程度であるものを新たにミニチュアレプリカと名付けて,その効果を確認した上で一般化し,小形アンテナの設計に活用する,典型的な複数の小形アンテナと標準アンテナとしての半波長ダイポールアンテナを対象として評価した.アンテナの相似形構造(最も効果の大きい給電部近傍の相似形構造を用いる)として実現されるミニチュアレプリカについて,その相対的な大きさと配置される位置関係について,計算機シミュレーションとモデル実験により,アンテナの放射指向性を変化させることなく入力特性を効果的に制御できることを確認した.上記の成果に基づき,実用的な応用例としてアンテナの共振周波数を制御可能なチューナブルアンテナの検討を行った.供試アンテナに近接されたミニチュアレプリカの電気的なオン/オフにより,供試アンテナの共振周波数を制御できることを試作モデルによって確認した.以上の成果により,小形アンテナの新たな入力インピーダンス制御法としてミニチュアレプリカの概念を確立し,チコーナブルアンテナへの応用を実現した.
超音波後方散乱波周波数解析による表面加工層性状の非破壊評価

本研究では、浸炭処理材の浸炭深さ評価に超音波後方散乱法を適用するため、まず超音波発信器、受信用プロセッシングオシロスコープ、サーキュレータ、解析用パソコンからなる後方散乱信号測定装置を構成した。予備実験の結果、用いる探触子の特性が散乱波に大きな影響を与えることが分かったため、数種の探触子について検討し本研究では、10MHz縦波用探触子を用いることとした。これらの装置により、縦波法を用いて後方散乱信号を測定した結果、縦波法では探触子前面のバッファ内の多重反射による入力信号の漏れが、試料表面近傍で散乱波を歪ませることを確認した。従って、組織の変化が表面近傍に集中する浸炭材の材質評価に、従来用いてきた縦波法は使えないことが分かった。そこで縦波法の代わりに、超音波が浸炭層表面に沿って伝播し、入力信号の漏れの少ない場所でも測定が可能なRayleighを検討した。Rayleigh波の送受信は、微弱な散乱波を十分な強度で受信できるよう、Wedge法によるものとした。また、このようにして受信した後方散乱波の解析は、従来試料表面上多点で測定した散乱波を、アベレージング処理することで散乱波を抽出する方法が取られてきた。しかしこの方法は、測定に長時間を要し実用に適さないことから、本研究では受信した散乱信号を周波数解析処理(FFT処理)し、求めたパワースペクトルの実効値電圧から散乱波の強度を評価する方法を取った。試料は、低合金鋼を数種の工業的浸炭熱処理および研削により、浸炭深さを変えた7種の鋼種とし、以上に示した装置で測定したRayleigh波後方散乱波の実効値電圧と、浸炭深さの関係を調べた。その結果、Rayleigh波後方散乱波の実効値は、浸炭深さと強い相関を持つことが明らかになり、この関係から浸炭深さの評価が可能であることが分かった。昨年度は、後方散乱波の送受信システムを受信信号解析用ソフトウェアまで含めてほぼ完成させ、さらに実用浸炭鋼を模擬して浸炭深さを変えた試料の準備を完了した。本年度は、昨年度の実績を踏まえて、完成した測定システムによりまず均一組織材料の後方散乱信号測定を行い、浸炭材料測定のための基礎的検討を行った。はじめに、本材料の後方散乱信号の測定に最も適した超音波伝播様式として、縦波法とRayleigh波法の2法を検討した。その結果、受信信号上に発信信号の漏れが観測され、探触子近傍で受信信号はひずみを生じることが分かった。このため、従来最も広く用いられてきた縦波法では、試料表面近傍に対応する散乱信号がひずみ、今回用いた浸炭材のように、評価すべき組織が表面下直下にある場合、浸炭情報を含む位置の散乱波を歪なく測定することは困難であることが分かった。一方、Rayleigh波は浸炭材表面に沿って伝播するため、散乱信号がひずむ場所を避けて、浸炭層の情報を含んだ散乱波を測定することができる。そこで本研究では、Wedge法を用いたRayleigh波を用いることとし、まず本研究に適したWedgeの材質・形状を検討した。そして、用いたWedgeにより後方散乱波が受信できるかどうかを確認するために、組織均一材を用いた予備実験を行った結果、Rayleigh波の後方散乱波により従来の縦波法と同様、後方散乱波が測定できることが確認できた。そこで、本法を低合金鋼の浸炭深さ評価に適用した。具体的には、後方散乱波を周波数解析処理(FFT処理)し、そのパワースペクトラムから実効値電圧を求めて、浸炭深さとの関係を調べた。

その結果、浸炭深さの増加に伴って、後方散乱信号の強度は減少することが分かった。この関係を用いれば、Rayleigh波の後方散乱波により浸炭深さの評価ができる可能性のあることが分かった。
関節疾患に対する遺伝子治療の基礎的研究

関節内においてほぼすべての範囲の滑膜組織と、変性した軟骨組織の表層の軟骨細胞においてLacZの発現を認めた。関節外臓器では導入遺伝子の発現は認めずアデノウイルスベクターの関節内投与による全身主要臓器に対する影響は少ないことが判明した。またTGF-β1を関節内に遺伝子導入した場合、関節液中のTGF-β1濃度は対照側と比べ2週間有意に高値を示した。これらの結果から、アデノウイルスベクターを用いたin vivo遺伝子導入法により、他臓器に影響を及ぼすことなく関節腔内に直接遺伝子導入が可能であり、関節疾患に対する新しいdrug deliverysystemとして応用が可能であると考える。1.アデノウイルスペクター(Ax)を用いたモルモット膝関節への遺伝子導入:LacZおよびTGF-β1遺伝子をそれぞれ組み込んだAxを、6週令Hartley系雌性モルモット5匹の右膝関節内に注射をした。1週間後、膝関節を採取し、X-gal染色を行った。肝臓、腎臓、心臓、および脳から抽出した全RNAを用いてLacZに対するPCRを行った。また、関節液中のTGF-β1濃度をELIZAで測定した。X-gal染色では、滑膜、靭帯、および軟骨においてLacZ遺伝子の発現を認めた。PCRでは、LacZ遺伝子の発現は検出されなかった。これらの結果から、関節内への遺伝子導入法としてAx法が有効であり、関節外臓器への影響が少ないことが判明した。また、TGF-β1遺伝子を関節内投与した関節液中のTGF-β1濃度は、コントロールと比べ約8倍と有意に増加していた。このことから、Ax法による関節内へのTGF-β1遺伝子導入が有効であることが明らかになった。2.病態特異的ベクターの開発:HSP70プロモーターをもつLacZおよびTGF-β1遺伝子発現ユニットを挿入したAxを作製した。これらを用いて、平板培養したヒト軟骨細胞様細胞株に対して遺伝子導入を行った。2日後に温熱ストレス(43°C、2時間)を細胞に負荷後、X-gal染色およびNorthern blottingを行った。LacZ遺伝子を導入した細胞では、温熱ストレスによりLacZ遺伝子の発現が誘導された。またTGF-β1遺伝子を導入した細胞では、温熱ストレスにより、導入したTGF-β1遺伝子の発現が亢進した。これらの結果から、HSP70プロモーターをAx上の発現ユニットに用いることによって、軟骨細胞における導入遺伝子の発現制御が可能であることが明らかになった。
超分子ポリマーの機能化に関する研究

1超分子ポリマーの構築シクロデキストリン(CD)の2級水酸基側にアミド結合により桂皮酸誘導体を結合したところ、線状の分子間包按体を形成した。これは水溶液中でCD誘導体が超分子ポリマーを形成した初めての例である。さらに桂皮酸誘導体のパラ位を修飾することによりらせん構造を有する超分子ポリマーが得られた。α-CDにアダマンタンを結合し、β-CDに桂皮酸部分を結合した誘導体を水溶液中1:1で混合したところ、ヘテロな2量体が形成され、さらにそれらが自己組織化してα-CDとβ-CDとが交互に結合した交互超分子ポリマーが生成した。2超分子ポリマーのダイナミクスポリロタキサンの両端を結合することにより、ポリ(ポリロタキサン)を合成した。さらにアントラセン末端の光2量化を利用して、ワンポットでγ-CDを含むポリロタキサンを合成した。カチオン性高分子を用い、CDがポリマー鎖末端のカチオン性エネルギーバリアを通過し、取り込まれていく様子をNMRによりリアルタイムで観察することに成功した。ポリマー鎖の末端に2-メチルピリジル基を結合すると、CD環は環の2級水酸基側からのみから入り込み、ポリマー鎖上にCD環が一定方向に並んだポリロタキサンが得られた。CDの水酸基の1つにPEG鎖を桂皮酸を介して結合したところ、PEG鎖はCD環に取り込まれ、分子内包接錯体が得られた。この状態に競争ゲストを加えたところ、PEG鎖がCD環に出入りする様子をNMRにより観測することが出来た。3 CDによるラクトンの重合ラクトンを無溶媒下でCDと混合し加熱した結果、ラクトンはCDによりその空洞に適合するものだけが選択的に開環重合し、ポリエステルが高収率で得られた。生成物は2級水酸基の1つにポリマー鎖が結合したものであった。4 CDによるポリマー側鎖の認識とゾル-ゲル転移長鎖アルキル基を結合したポリアクリル酸が形成するゲルにCDを添加するとゾル化する現象を発見した。さらにCDにアゾベンゼン(Az)を取り込ませ光照射することにより、ポリマーのゾル-ゲル転移が制御できた。これまで当研究者らはグルコースの環状オリゴマーであるシクロデキストリンと種々の水溶性高分子との包接錯体を形成させ、それらの構造や性質について検討してきた。本研究ではシクロデキストリンと種々の機能性高分子との包接錯体形成について検討した。まず、ポリチオフェンとシクロデキストリンとの包接錯体の形成を試みたが、ポリチオフェンが有機溶媒に不溶のために包接錯体の形成は困難であった。そこでシクロデキストリンとチオフェンやビスチオフェン、トリチオフェンとシクロデキストリンやシクロデキストリンの誘導体との包接錯体を形成させた。たとえば、メチルシクロデキストリンとビスチオフェンの包接錯体の単結晶のX線構造解析の結果、ビスチオフェンはシクロデキストリンの空洞内に取り込まれ、重合点を環の外側に向けていることがわかった。そこで、メチル化シクロデキストリンとビスチオフェンとの包接錯体を水溶液中で塩化鉄触媒を用いて酸化重合を行ったところ、重合が進行し、ポリマーを得ることができた。このポリマーはシクロデキストリンを含んでおり、ポリロタキサン型の包接錯体であった。また、その中のポリマーの分子量をTOF-マススペクトルで測定したところ、市販のポリチオフェンや有機溶媒中で重合したポリチオフェンよりも高重合度のポリマーが得られた。

また、市販のポリチオフェンや有機溶媒中で合成したポリチオフェンはテトラヒドロフランなどの溶媒に不溶であるが、メチル化シクロデキストリンに取り込まれたポリチオフェンはテトラヒドロフラン中に可溶である。このようにチオフェンやその誘導体をシクロデキストリンやその誘導体に取り込ませて重合することにより、より重合度が高く、有機溶媒に可溶なポリチオフェンをはじめて得ることができた。弱い分子間相互作用により分子を結合することにより、超分子ポリマーが得られる。われわれはグルコースの環状オリゴマーであるシクロデキストリン(ホスト分子)に桂皮酸(ゲスト)を結合させることにより、超分子ポリマーを構築した。α-シクロデキストリンの1級水酸基側に桂皮酸をエステル結合させた分子は水中で超分子オリゴマーを形成した。β-シクロデキストリンの1級水酸基側に桂皮酸を導入した分子の場合には水に不溶の超分子ポリマーを形成した。この化合物の水への懸濁液中にアダマンタンカルボン酸を加えると、シクロデキストリン誘導体は水に溶かし込まれ、均一溶液となった。この溶液にα-シクロデキストリンを加えると、α-シクロデキストリンは桂皮酸部分を包接した。さらに末端にトリニトロベンゼンスルフォン酸を導入することにより、ホスト分子とゲスト分子をストッパーとするユニークなロタキサン分子を得ることが出来た。この分子は水中でホスト-ゲスト相互作用により、超分子ポリマーを形成した。β-シクロデキストリンの1級水酸基に桂皮酸をアミド結合で結合すると、桂皮酸部分を互いのシクロデキストリンが取り込んだ2量体を形成した。α-シクロデキストリンの2級水酸基に桂皮酸を導入した場合には線状の超分子ポリマーが得られた。さらに桂皮酸部分にt-ブチル基やベンゼン環を導入することにより、水中で螺旋構造を有する超分子ポリマーを得ることに成功した。また、シクロデキストリンが線状部分の末端に種々のストッパーを導入したダンベル構造をとった分子にどのようにすり抜けて行くかを調べたところ、メチル基の導入位置により、シクロデキストリンのSlippingをコントロールできることが判明した。当研究者らはグルコースの環状オリゴマーであるシクロデキストリン(CD)にゲスト分子を結合することにより、ホスト-ゲスト結合型の分子を合成し、これらの分子が形成する超分子構造について検討してきた。その結果、α-CDの1級水酸基にゲストである桂皮酸をアミド結合で結合すると、刺し違い型の環状2量体が得られた。桂皮酸をα-CDの2級水酸基側に結合したところ、ホストとゲストが線状に並んだ超分子ポリマーが得られた。さらにゲスト部分にt-ブチル基を結合したところ、希薄溶液中でもさらに長い超分子が形成され、円2色スペクトルなどで観察したところ、この超分子ポリマーは左巻きの螺旋を形成していることがわかった。この超分子ポリマーのゲスト分子の末端にかさ高い置換基であるトリニトロベンゼン(TNT)を結合したところ、ポリ[2]ロタキサンを得ることができた。この分子は共有結合だけからできているのではなく、分子が機械的に閉じ込められた構造を繰り返し有する珍しい分子である。さらにβ-CDの1級水酸基に桂皮酸を結合したところ、水に難溶の超分子構造体が得られた。
データ同化と多項式カオスを用いた湖沼・河川・沿岸域の物質循環解析の高度化

本課題は湖沼,河川,沿岸域の3種類の水域を対象としている.湖沼における解析では,水温分布や水質動態の再現精度が高いと考えられる非構造格子3次元流動モデルの導入を図った.合わせて,湖沼の例として,霞ヶ浦における底層貧酸素化とその要因の把握するため,文献調査および現地観測データの解析を行った.湖奥部では夏季に低温の河川出水が湖内底部に供給されている構造を明らかにした.河川においては分布型流出モデルによる洪水流出解析において4次元変分法によるパラメータ推定法の開発を行った.前年度は兵庫県の揖保川を対象に実施していたが,本年度はより集水面積の大きい兵庫県の加古川を追加で検討開始し,出水時の再現性低下要因を探り,離散化の見直しやモデルの修正を行った.揖保川の出水の再現性を向上させるためのモデルパラメータ推定として,グリッドごとの修正より,小流域に区切って修正した方が,同化対象のデータがある水位観測点に近いところでの過剰な修正が避けられることなど,諸々の知見を得た.さらに,多項式カオス展開によるパラメータ修正法の開発も行い,感度解析の結果,感度の大きいパラメータに対し修正を行い,再現性の向上を得た.修正すべきパラメータは各水位観測地点によって異なることを明らかにした.沿岸域での流動水質モデルの改良においては,多種の藻類や新生堆積物の考慮を行うとともに,多項式カオス展開による水質モデル内モデルパラメータの修正を行った.パラメータ推定値を用いることで,春季の表層におけるブルームの再現性が向上するとともに,夏季の表層において過大に計算されていたクロロフィル濃度を減少させることができた.また,水中における有機物の分解速度が,季節的な貧酸素水塊の消長に沿うように増減することで,貧酸素化の強度と貧酸素水塊の規模がより観測値に近付き,中底層における溶存酸素濃度の再現性が向上した.湖沼モデルの開発において若干の遅れを感じるものの,3つの異なる水域を同時に進める研究としては概ね順調に進展していると考えている.次年度は最終年度に当たることから,湖沼においてはモデルの開発を精力的に進める.他の研究協力者とも意見交換する中で,当初計画に入れていた淡水赤潮のモデルによる再現性向上だけでなく,アオコおよび貧酸素化のモデルの再現性向上も実務レベルで必要であることが分かっており,これら3つの水質項目の再現性向上を見据えた開発方針であるべきと考えている.河川では,現状出水予測に留まっており,熱や栄養塩の物質輸送の議論まで進んではいない.しかし,出水の再現性はこれらの物質輸送の肝をなすものであるため,パラメータ推定法の技術改良に注力するとともに,物質輸送に関係した資料の収集と予測可能性の議論を進める.沿岸域ではこれまで実施してきた多項式カオス展開およびアンサンブルカルマンフィルタによる水質予測の向上について成果をとりまとめる.本研究は湖沼,河川,沿岸域の3つの領域を対象としている.河川における解析では,揖保川を対象にした分布型流出モデルを元に,データ同化および多項式カオス展開による最適化について検討を行った.当初の研究計画では,アンサンブルカルマンフィルタ(EnKF)法によるデータ同化を検討していたが,出水時の流量の再現を既存の分布型モデルを用いて再現してみたところ,EnKF法による同化に必要な再現性が得られない可能性が考えられた(ただしその後解決した).そこで,アジョイント法(4次元変分法)による同化を試みた.分布型流出モデルのアジョイントモデル(時間を遡りながら逆算するモデル)を作成し,データ同化を行った結果,出水時を含めた河川流量の再現性が向上するとともに,河床の粗度係数を空間的にばらつきを持たせたまま修正する手法が開発できた.この結果については論文投稿準備中である.一方,多項式カオス展開を用いたパラメータ推定では,パラメータの感度解析を実施した上で,修正すべきパラメータを選択し,出水時の流量再現性を向上させるためにパラメータ修正が可能かを検討した.沿岸域への適用においては主に多項式カオス展開を用いた検討を実施した.再現対象を大阪湾水質定点自動観測システムで計測されているクロロフィルおよび溶存酸素(DO)濃度の1時間毎・多点・鉛直分布のデータとし,海洋モデルROMSを用いて計算した結果を多項式カオス展開によりポスト処理を施し,再現性が向上するようパラメータ値の修正を試みた.クロロフィルの再現性を向上させるパラメータの修正は比較的容易であったが,DO分布の修正には効果的でなく,境界条件の見直し等の作業を実施中である.湖沼での解析では,実際のシミュレーションまでには至っていないものの,湖沼での水質解析に必要なモデルの条件などについて,文献調査を実施し,モデルの選定方針を決めた.3つの領域を対象としていることもあり,検討が多岐にわたるが,並行して進めることができた.本課題は湖沼,河川,沿岸域の3種類の水域を対象としている.湖沼における解析では,水温分布や水質動態の再現精度が高いと考えられる非構造格子3次元流動モデルの導入を図った.合わせて,湖沼の例として,霞ヶ浦における底層貧酸素化とその要因の把握するため,文献調査および現地観測データの解析を行った.湖奥部では夏季に低温の河川出水が湖内底部に供給されている構造を明らかにした.河川においては分布型流出モデルによる洪水流出解析において4次元変分法によるパラメータ推定法の開発を行った.前年度は兵庫県の揖保川を対象に実施していたが,本年度はより集水面積の大きい兵庫県の加古川を追加で検討開始し,出水時の再現性低下要因を探り,離散化の見直しやモデルの修正を行った.

揖保川の出水の再現性を向上させるためのモデルパラメータ推定として,グリッドごとの修正より,小流域に区切って修正した方が,同化対象のデータがある水位観測点に近いところでの過剰な修正が避けられることなど,諸々の知見を得た.さらに,多項式カオス展開によるパラメータ修正法の開発も行い,感度解析の結果,感度の大きいパラメータに対し修正を行い,再現性の向上を得た.修正すべきパラメータは各水位観測地点によって異なることを明らかにした.沿岸域での流動水質モデルの改良においては,多種の藻類や新生堆積物の考慮を行うとともに,多項式カオス展開による水質モデル内モデルパラメータの修正を行った.パラメータ推定値を用いることで,春季の表層におけるブルームの再現性が向上するとともに,夏季の表層において過大に計算されていたクロロフィル濃度を減少させることができた.また,水中における有機物の分解速度が,季節的な貧酸素水塊の消長に沿うように増減することで,貧酸素化の強度と貧酸素水塊の規模がより観測値に近付き,中底層における溶存酸素濃度の再現性が向上した.湖沼モデルの開発において若干の遅れを感じるものの,3つの異なる水域を同時に進める研究としては概ね順調に進展していると考えている.河川においては,メッシュサイズを細かくすることや入力する降雨分布の与え方の検討などにより,データ同化以前の元のモデルの精度についても改めて検証する.その上で他の河川へと適用対象を広げるのか,あるいはモデル自体の見直しに着手するのか,窒素やリンなどの物質流出過程を追加していくのか,次の方策について検討したい.沿岸域については見直すべきパラメータを抽出することに注力したい.データ同化と多項式カオス展開両方の方法を使うことにより,パラメータ,境界条件等の修正効果について検討していく.湖沼においてはデータの入手とモデルの構築と適用を進め,再現性の検証を進める.次年度は最終年度に当たることから,湖沼においてはモデルの開発を精力的に進める.他の研究協力者とも意見交換する中で,当初計画に入れていた淡水赤潮のモデルによる再現性向上だけでなく,アオコおよび貧酸素化のモデルの再現性向上も実務レベルで必要であることが分かっており,これら3つの水質項目の再現性向上を見据えた開発方針であるべきと考えている.河川では,現状出水予測に留まっており,熱や栄養塩の物質輸送の議論まで進んではいない.しかし,出水の再現性はこれらの物質輸送の肝をなすものであるため,パラメータ推定法の技術改良に注力するとともに,物質輸送に関係した資料の収集と予測可能性の議論を進める.沿岸域ではこれまで実施してきた多項式カオス展開およびアンサンブルカルマンフィルタによる水質予測の向上について成果をとりまとめる.数値計算用の計算機購入用として残していたが,モデルにより適合するスペックが予測できなかったことから昨年度内の購入を見送った.次年度に使用予定である.主に,計画時に予定していた計算機の購入を機関外の大型計算機への利用申請により賄えたため,次年度使用額が生じている.次年度は最終年度にあたり,計算量の増加ととりまとめのためのデータ解析の必要性から,計算機の購入を予定している.また,研究成果の公表のために使用する.
腫瘍内環境選択的に薬理活性を発現するパクリタキセル誘導体の開発

パクリタキセル(Ptx)は、抗がんスペクトルも広く、未だ第一選択薬となっているがん種も多い、治療効果の高い抗がん剤の一つである。しかしながら、その高い疎水性のため臨床では可溶化剤としてエタノールと界面活性剤の一種であるクレモフォールに溶解させて用いられている。そのため薬物ががん部位以外の全身に分布し易い上、可溶化剤自体も副作用が強く、この点において改善が望まれている。本研究では、Ptxの薬理活性部位である2'-OH基と、生分解性両親媒性高分子であるポリエチレングリコール-ポリグルタミン酸共重合体(PEG-b-PGlu)とをアセタールリンカーを介して結合させ、可溶化させることで副作用の軽減及びEnhanced Permeability and Retention Effect (EPR効果)による腫瘍集積性を向上させることを目的としたパクリタキセルのプロドラッグ化を目指した。このプロドラッグは、結合体で存在する場合は薬理活性が低い状態を維持している一方、腫瘍組織内の酸性環境下でアセタールリンカーが解離し、薬理活性が復元されるというものを設計したものである。グルタミン酸側鎖へのエチレンジアミン導入を試みたところ、側鎖に対して最大で20%程度しか導入することができなかったため、側鎖部位をグルタミン酸ではなくアスパラギン酸に変更したところ(PEG-b-PAsp)、側鎖へのアミン導入率100%を達成した。結合させたアミンがエチレンジアミンでは、分子鎖内に回転軸が存在せずフレキシビリティが低く、次のステップであるカルボキシランの結合も導入率が低くなると懸念される。そのため、導入するアミンをエチレンジアミンから1,2-bis(2-aminoethoxy)ethaneに変更して導入を行ったところ、同様に側鎖への導入率100%を達成することができた。抗がん剤のパクリタキセル(Ptx)をポリエチレングリコール-ポリグルタミン酸共重合体(PEG-b-PGlu)と結合させ、可溶化させることで副作用の軽減及びEnhanced Permeability and Retention Effect (EPR効果)による腫瘍集積性を向上させることを目的としたパクリタキセルのプロドラッグ化を行った。PtxとPEG-b-PGlu間をアセタールリンカーで結合させるため、必要な官能基の導入を行った。すでに臨床試験第三相にまで進んでいる先行研究のOPAXIO(PtxとPGluのエステル結合体)と比較可能とするため、グルタミン酸側鎖にエチレンジアミンを導入する予定であった。しかしながら、様々な実験条件を試したものの、側鎖に対して最大で20%程度しか導入することができなかった。グルタミン酸側鎖は反応液中でα-ヘリックス構造を取り安定化してしまうため、フレキシビリティが下がりアミンとの反応率が低下したためと考えられる。このため、側鎖部位をグルタミン酸ではなくアスパラギン酸に変更したところ(PEG-b-PAsp)、側鎖へのアミン導入率100%を達成した。しかし、結合させたアミンがエチレンジアミンでは、分子鎖内に回転軸が存在せずフレキシビリティが低く、次のステップであるカルボキシピランの結合も導入率が低くなると懸念される。次のステップとしてカルボキシピランの導入を行う予定である。平成29年度時点でパクリタキセルとPEG-b-PGluとのアセタールリンカーを介した結合体作成及びミセル化評価まで終了している予定であったが、合成第二段階でのアミノ基導入において想定以上に時間を消費してしまったため、進捗状況に遅れが生じてしまった。しかし、側鎖をグルタミン酸からアスパラギン酸に変更したことでアミノ基導入率100%を達成した点、あと2ステップでプロドラッグ化が可能である点、今後の反応では縮合剤を用いるので反応も早いと考えられる点から、今後はスピードアップできるものと考えている。

そのため、導入するアミンをエチレンジアミンから1,2-bis(2-aminoethoxy)ethaneに変更して導入を行ったところ、同様に側鎖への導入率100%を達成することができた。残り2ステップの合成反応を行い、パクリタキセル誘導体の作成を完了させる。薄膜形成法を用いて高分子ミセルを作成し、パクリタキセル内包率、粒子径などの物性評価を行う。中性pH及び酸性pH下において薬物放出試験を行い、pH応答性を具備しているかどうかの確認を行う。この際、pH応答性が鈍い可能性があるが、その場合はアセタール構造の変更(環状アセタールから、より酸応答性の高い鎖状アセタール構造へ)を行う。最適なpH応答性を具備するパクリタキセル誘導体を作成出来次第、細胞実験、動物実験へと進む予定である。パクリタキセル誘導体を合成するため、初期に必要な試薬及び評価用物品を購入したが、合成条件の探索に想定以上に時間がかかってしまったために平成29年度での執行額は低くなってしまった。平成30年度は、昨年度確立した合成条件をもとにin vitro、in vivo実験用サンプルを大量合成するため、試薬の購入額が大幅に増加すると予想される。
疾病管理および予防医学への先行投資による経済効果

I.研究目的を達成するための研究計画・方法ここで提唱する疾患マネジメント(Disease Management:DM)という概念は、特定の疾患に対して患者教育、モニタリングを強化し、疾患の重症度を挿える総合的疾患管理方式である。先行投資することで、その疾患にかかる医療費を抑制し、さらに生活の質を向上させうると考える。(1)保健医療支出推計を、A System of Health Accounts(SHA)にて推計した。SHAとは、経済協力開発機構(OECD)が定義した保健医療支出推計の国際基準であり、保健医療支出の範囲として包括的な枠組みを提供するとともに、細目も定義を明確にすることで国際比較可能性を高めている。また、これにより、対象範囲に整合性が保たれ、また、機能別、供給主体別、財源別分類の3次元分類を柱とし、これらのマトリックスでの推計を行うことで、政策利用性も高めている。(2)機能別分類×供給主体別分類、供給主体別分類×財源別分類、機能別分類×財源別分類を作成した。これにより、各機能がどの供給体制により提供されているか、あるいは、各機能がどの財源からまかなわれているか等について、情報が得られた。II.これらSHAに準拠した保健医療支出を推計し、また継続的に行うことで、Ordered Probitモデルを情報源としても整理した。本研究により、わが国の医療推計プロセスの精緻化が図られた。これらより、モラル・ハザードがなく、予防が有効で先行投資に値する予防疾患および医学項目が選択されたことで、その特定の疾患に対して患者教育、モニタリングを強化し、疾患の重症度を抑え総合的に管理することが可能となった。そして、対象疾患への先行投資により、その疾患に要する医療費は抑制され生活の質も向上させうる。これら高血圧・糖尿病・高脂血症は統計的に有意であることから、予防により医療保険需要が減ることにより医療費の抑制が期待される。即ち、これらの疾患は予防が有効で、先行投資に値する予防疾患であり、患者教育、モニタリングを強化し、疾患の重症度を抑え総合的に管理する疾患マネジメント(Disease Management:DM)という概念に合致する疾患と判断できる。1.研究目的を達成するための研究計画・方法ここで提唱する疾患マネジメント(Disease Management : DM)という概念は、特定の疾患に対して患者教育、モニタリングを強化し、疾患の重症度を抑える総合的疾患管理方式である。これらの方法により、SHAに準拠した保健医療支出を推計し、また継続的に行うことで、次年度のOrdered Probitモデル情報源として整理することを可能にした。

但し、2004年度以降の推計においては、医療費の範囲や推計手法の見直しが必要となると考えられた。介護保険がカバーしている範囲の中にはSHAの概念では保健医療支出に加えるべき部分もあり、どこまでを保健医療サービスとして捉え保健医療支出に計上するか今後の検討課題と考えられた。ここで提唱する疾患マネジメント(Disease Management : DM)という概念は、特定の疾患に対して患者教育、モニタリングを強化し、疾患の重症度を抑える総合的疾患管理方式である。先行投資することで、その疾患にかかる医療費を抑制し、さらに生活の質を向上させうると考える。我々は、初年度SHAに準拠した保健医療支出より、機能別、供給主体別、財源別分類の3次元分類を柱とし、これらのマトリックスでの推計を行なった。SHAに準拠した保健医療支出を推計し、継続的に行い、今年度のOrdered Probitモデル情報源として整理した。I.科学的エビデンスを基に、行動リスクファクターの軽減を検証する。Ordered Probitモデル(推定モデル)により、行動変化・健康状態・機能変化・生活の質・サービスの使用・顧客満足度・治療費コストを数値化し、被保険者への効果判定を行い、疾患マネジメントへの先行投資経済効果を評価。予防行動は、食習慣や休養・睡眠、飲酒や喫煙、健康検診や運動習慣などが考えられており、生活習慣の選択とも呼ばれている。これらの行動が消費者の嗜好によって決定されるのか、それとも合理的な意思決定によって決定されるのかは、医療経済学における重要な分析テーマである。モラル・ハザードにより予防行動の低下を招かぬよう留意した。Ordered Probitモデルは、検定すべき被説明変数が、その順位について有益な情報を含むいくつかの選択肢から構成される場合に、有効な分析方法となる検定方法である。観察されない潜在変数(健康のための努力)e*、説明変数をχiとすると、潜在変数は以下のようになる。(2)予防行動をe、医療保険制度の自己負担をα、私的保険の有無を示す変数をD、その他の説明変数をχとすると、基本推定式は以下のとおりである。これらにより、モラル・ハザードがなく、予防が有効で、先行投資に値する予防疾患および医学項目を選択した。さらに、その特定の疾患に対して患者教育、モニタリングを強化し、疾患の重症度を抑え総合的に疾患管理した。そして、対象疾患への先行投資により、その疾患に要する医療費は抑制され、さらに生活の質を向上させうると評価した。
次世代偏光観測手法の開拓と太陽光球-彩層結合研究

太陽の表面(光球と呼ぶ)の温度は約6000度であるのに対して、上層大気であるコロナの温度は100万度を超えることが知られている。このようにコロナを加熱するエネルギーの源は太陽光球における磁場のエネルギーであると考えられている。一方でその磁場を作る物理過程については未だ明らかになっていない。本研究では、磁場形成過程の候補である乱流に着目し、乱流と磁場の両方を観測することで、乱流による磁場構造形成の過程を明らかにすることを目的とする。ひので衛星による光球の偏光分光観測だけでなく、SUNRISE-3気球観測実験にも参画することで、光球から彩層までの磁場構造形成を包括的に理解することを目指す。
バナジウム酸化物を用いた強相関ヘテロ接合の作製

強相関電子系物質の実用化に向けて、バナジウム酸化物を用いた強相関ヘテロ接合を作製した。二酸化バナジウムの最大の特徴である金属-絶縁体転移は、ヘテロ界面近傍においても発現することを見出した。ヘテロ界面における二酸化バナジウムの仕事関数を電子および正孔ドープによって連続的に制御できることを明らかとした。さらに、金属-絶縁体転移を電界・光・圧力などの外場により制御可能であることを実証した。電荷・軌道・スピンが織りなす複雑な相互作用によって多彩な特性を示す強相関電子系物質の応用に向けて、ヘテロ界面での電子状態の理解が重要となってきている。本研究では、二酸化バナジウム(VO_2)を用いた強相関ヘテロ接合の電子状態の理解と、それを利用した電子デバイスの構築を目的としている。VO_2は室温以上で巨大な抵抗率の変化を伴った金属-絶縁体相転移を示す物質であり、基礎物性の面からも応用の観点からも非常に有用な材料である。1.W:VO_2の電子状態と結晶構造の解析:Wを添加したVO_2(W:VO_2)の電子状態を光電子分光法により明らかにした。Wの添加量を増やすに従い電子相関の寄与が大きくなることを見出した。また、放射光を利用したX線回折を用いてW:VO_2の相転移前後の結晶構造を調べた。2.W:VO_2におけるX線誘起絶縁体-金属相転移の発見:W:VO_2に低温でX線を照射することで絶縁体から金属へ相転移することを発見した。これは光誘起相転移の一種であり、光-電子デバイスへの応用の可能性を秘めていると言える。3.TiO_2/VO_2超格子薄膜の作製:界面におけるVO_2の電子状態を探索するため、TiO_2/VO_2超格子薄膜を作製した。TiO_2との接合界面においてもVO_2は金属-絶縁体相転移を示した。他の酸化物では物質固有の性質が界面で失われることが多いが、VO_2はその例外であることが明らかとなった。上記の結果はヘテロ界面を理解する上で非常に重要な事項である。特に、VO_2が界面においてもその性質を保つことは強相関デバイスの構築に向けての朗報である。これまでに得られた知見を生かして、平成23年度はショットキー接合・p-n接合の作製に取り組む。また、X線による絶縁体-金属相転移の発現に成功しているので、可視光さらには電界効果による変調を試みる。電荷・軌道・スピンが織りなす多彩な特性を示す強相関電子系物質の応用に向けて、ヘテロ界面での電子状態の理解が必要不可欠である。本研究では、代表的な電子相関物質である二酸化バナジウム(VO_2)を用いた強相関ヘテロ接合を作成し、その電子状態の理解と、それを利用した電子デバイスの構築を目的とした。VO_2は室温以上で巨大な抵抗率の変化を伴った金属-絶縁体相転移を示す物質であり、基礎物性の面からもスイッチデバイス等の応用の観点からも非常に有用な材料である。本年度は主に下記の3点について研究を行った。1.VO_2/Nb:TiO_2ヘテロ接合:導電性基板Nb:TiO_2上にW(Cr):VO_2薄膜を堆積させ、ショットキー接合を作製した。電気容量測定によってBuilt-in-potential(V_<BI>)を評価し、そのW(Cr)濃度依存性を精査した。W(Cr)濃度を上げることでV_<BI>を減少(増加)する様子を観察した。W(Cr)添加によってヘテロ接合の障壁高さを制御できることを実証した。2.電界誘起相転移:電界効果トランジスタ構造を作製し、電場によってVO_2の電子状態の制御を行った。巨大な電気容量が得られるイオン液体を用いることで1V以下のゲート電圧においてVO_2の金属-絶縁体相転移が消滅し、全温度領域で金属的な挙動が観察された。さらに、その電界誘起相転移が界面だけでなく、薄膜全体に渡り起っていることを明らかとした。3.圧力誘起相転移:W:VO_2薄膜において、圧力誘起の絶縁体-金属相転移を観察した。X線回折によって、この変化が構造相転移を伴うものであることを解明した。ヘテロ界面の障壁高さを化学置換によって制御できるということはデバイス構築へ向けて朗報である。また、VO_2の電子状態を光・電界・圧力によって制御できることを実証した。上記の結果はVO_2の光・電子スイッチング素子への応用を考える上で非常に有用な事項である。また、本研究で得られた知見は、強相関電子相を利用した新規デバイス構築へ向けても大いに有益であると考える。
水害時の避難・復旧支援のための洪水氾濫由来物質の挙動解明とフィージブルな制御

流木、土砂、ゴミといった洪水氾濫由来物質は、水害時の避難を阻害し、復旧を長期化させる要因である。また、昨今の豪雨外力の激化に伴い、氾濫物質量も増加する可能性が否定できない。一方で、物質の氾濫自体は完全には防ぎ得なくとも、氾濫域での拡散が制御できれば、被災程度が緩和されるともいえる。しかし現状は、氾濫物質の氾濫域での挙動に関する学術的知見の蓄積すら、国内外ともに乏しい。そこで本研究では、1洪水氾濫由来物質の挙動を解明すること、2それに基づく制御法を考案すること、3水害時の避難・復旧支援へ成果還元することを目指す。