hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
新規ナノカーボン材料の表面／界面修飾による特性制御とデバイス応用

本研究では、グラフェンに有機分子を容易に修飾できることから、分子アーキテクトの土台とするために、絶縁基板上に直接グラフェンを成長する技術を開発と有機分子の修飾による、新規グラフェンデバイスの開発を行った。その結果、レーザー照射等により任意地の位置にグラフェンを合成することに成功した。また、グラフェンナノギャップ電極にポリチオフェンを架橋させ、電気特性の評価を行った。また、糖鎖を修飾することにより、ウイルスセンサとして応用できることを示した。また、メモリとして機能を持った有機分子をグラフェン表面に修飾することにより、メモリデバイスとして有用であることも示した。本研究においては、従来不可能であった絶縁基板上に直接グラフェンを成長する技術を開発して実現し、本研究領域の「分子アーキテクト」の土台となるグラフェンの実用化技術を提供することを目的とする。Si酸化膜を堆積したSi基板上に、炭素源となるアモルファスカーボン(a-C)と、触媒及び電極となるNiを蒸着する。この試料を真空下に置きレーザを照射することで、a-CはNiの触媒作用を受けグラフェンが形成される。また、レーザを走査することでグラフェンが連続的に合成され、チャネルの形成が可能となり、グラフェンの合成と同時にデバイスを作製することができる。レーザアニール前後でスペクトルに大きな変化が見られ、アニール後ではグラフェン由来であるG band及びG' bandが得られた。一方、レーザ走査により作製されたデバイス(グラフェン電界効果トランジスタ;FET)では、両極性特性が確認された。以上からグラフェンの合成を特徴付ける結果が得られ、さらにはFETとして動作させることに成功した。したがって、本研究では、新たなグラフェン合成手法およびデバイス作製手法として、既存の手法には無い優れた特徴を持つ手法の開発に成功し、今後その素子を利用した応用に対して有効であると考えられる。本研究では従来不可能であった絶縁基板上に直接グラフェンを成長する技術を開発して実現し、本研究領域の「分子アーキテクト」の土台となるグラフェンの実用化技術を提供し、グラフェンを電極とした分子デバイスの作製と評価を目的とする。酸化シリコン基板上に炭素源となるアモルファスカーボンと触媒金属を蒸着し、レーザを走査しながら照射することによって、グラフェンの合成と同時にデバイスを作製することができる。前年度は触媒金属としてニッケルを使用して作製に成功したが、移動度は10以下とグラフェンとしてはかなり低い値であった。今年度は触媒金属としてコバルトを使用し、蒸着金属とアモルファスカーボンの膜厚を最適化することにより、移動度100以上のグラフェンを作製することに成功した。グラフェンナノギャップ電極に長さ100nmのポリチオフェン分子を修飾し、グラフェンを電極とした有機分子トランジスタを作製し、電気特性の評価を行った。前年度は触媒金属としてコバルトを使用し、蒸着金属とアモルファスカーボンの膜厚を最適化することにより、移動度100以上のグラフェンを作製することを行った。今年度は同様の手法でポリエチレンナフタレート基板上にアモルファスカーボンを用いずに触媒金属のみを使用してグラフェンを合成することに成功した。作製したグラフェンの歪みに対する電気特性の変化を調べ、歪センサーとして有用であることわかった。化学気相成長法で合成したグラフェンを反応性イオンエッチングにより、50nm程度のギャップ幅を持つグラフェンナノギャップ電極を作製し、100nmのポリチオフェン分子を修飾し、グラフェンを電極とした有機分子トランジスタを作製した。その光学応答や電気特性の温度依存性等の評価を行った。有機分子をグラフェン上に修飾してメモリ動作させるグラフェン有機分子メモリデバイスの開発に取り組み、電荷を保持可能な三脚分子をグラフェンに修飾し、酸化還元反応から修飾密度を評価し、電荷保持可能であるという結果を得た。前年度のグラフェンをシリコン基板上に直接成長する技術の改善し、フレキシブルなポリエチレンナフタレート上に合成し、その歪み特性の評価などを行った。グラフェンを電極とした有機分子トランジスタの作製し、その光学応答などの詳細な測定を行った。グラフェン有機分子メモリデバイスの作製に向けて、電荷を保持可能な三脚分子をグラフェンに修飾し、修飾密度の評価を行った。本研究領域の「分子アーキテクト」の土台となるグラフェンの実用化技術を提供し、グラフェンを電極とした分子デバイスの作製と評価を目的とする。一般的に化学気相成長法によって高品質なグラフェンが合成できることが知られているが、合成されるグラフェンは多結晶であり触媒全面にグラフェンが合成されるため、必要ない部分のグラフェンは除去する必要がある。そこで、本研究では触媒をパターニングすることによって、化学気相成長法によって、合成されるグラフェンの位置の制御を行った。また、パターンの大きさを制御することで、グラフェンの結晶数が制御可能であることがわかった。その結果、パターンの大きさが75μm四方のときにグラフェンの結晶数がほぼ1になり、単結晶のグラフェンが合成されることがわかった。以上から大きさ60μm程度の単結晶のグラフェンを任意の位置に合成することが可能となった。

グラフェン表面を糖鎖で修飾を行い、糖鎖を修飾したグラフェンにウイルスたんぱく質などの吸着することによるグラフェンの電気抵抗の変化を調べた。その結果高感度なウイルスセンサとして有用であることがわかった。また、AFMにより、糖鎖やたんぱく質の吸着される様子を観測した。グラフェン上でウイルスたんぱく質の糖鎖への脱離がその阻害剤によって、阻害される様子を電気的に測定することに成功した。電子線描画によって30 nm程度のグラフェンナノギャップ電極を作製し、長さ100nm程度のポリチオフェン分子をグラフェンナノギャップ電極間に架橋させて、その電気特性を調べた。その温度依存性がsmall polaronモデルとよく一致した。前年度ではレーザー照射によって、グラフェンを合成することに取り組み、任意の位置に容易にグラフェンを合成することができたが、合成されるグラフェンの層数は制御できず、欠陥も多かった。そこで、今年度では高品質なグラフェンが合成可能な化学気相成長法によりグラフェンを合成し、その合成される位置を制御することに取り組んだ。触媒となる銅箔を酸化し、部分的に酸化層をエッチングすることによって、グラフェンを合成する位置の制御に成功した。さらに合成されるグラフェンの結晶数が触媒のパターンサイズに依存することがわかり、高品質な単結晶のグラフェンを任意の位置の合成することが可能となった。糖鎖修飾によるグラフェンの機能化とウイルスセンサ応用に関しては、ウイルスが持つたんぱく質であるノイラミニターゼの影響が阻害剤によって阻害される様子をグラフェンの抵抗変化から電気的に測定することに成功した。また、ウイルスを取り扱うことが可能な実験室の設備を整えたためウイルスを取り扱った電気測定が可能となった。グラフェン電極を有した長鎖分子トランジスタの開発に関しては、前年度に測定は行っていたが、温度依存性が説明できなかった。今年度では、温度依存性の結果がsmall polaronモデルとよく一致することがわかり、ホッピング距離が1.9 nmと算出された。本研究領域の分子アーキテクトニクスの土台として、化学気相成長法により大面積なグラフェンを提供し、グラフェンを用いた分子デバイスの作製を行った。具体的には、グラフェンに磁性有機分子を修飾することによる新規デバイスの作製や、グラフェンによるナノギャップ電極に有機分子を架橋させて、架橋させた有機分子の電気特性を調べた。また、グラフェンは表面の変化に対して電気特性が大きく変化する。そのため、グラフェンのウイルスセンサ応用を目指して、グラフェン表面にウイルスと結合する有機分子である糖鎖を修飾することによって、ウイルスをグラフェン上に吸着させることに取り組んだ。糖鎖を修飾したグラフェンにウイルスを含んだ溶液を滴下することにより、ウイルスがグラフェンに吸着することによって、グラフェンの電気特性の変化する様子を観測し、糖鎖を修飾したグラフェンによってウイルスを高感度に検出できることを示した。
吸収冷凍機の特性解析プログラムの開発

二重効用吸収冷凍機の部分負荷特性の改善、冷凍負荷変動時の特性の改善のために、静特性を解析するプログラムを開発し、熱入力と希溶液流量の制御の方法について検討した。その結果、以下のことが明らかになった。1.二重効用吸収冷凍機をモデル化するに当って、各構成機器内にある熱交換器の熱通過率を溶液または冷媒の流量の関数として表した。分離器から高温熱交換器を経て低温再生器に至る中間濃度溶液流路のモデル化が性能予測と最適運転条件を導く上ではもっとも重要であることが分かった。本研究で開発した静特性モデルは、吸収冷凍試験装置の特性を整合性良く模擬する。2.熱入力一定または冷凍負荷一定のもとでは、成績係数を極大にする希溶液流量が存在し、それは、溶液の顕熱損失と分離器から高温熱交換器へ流出する冷媒蒸気流の損失の関係により定まる。3.最適希溶液流量を推定するために高温熱交換器の温度効率を新たに定義した。それを監視し希溶液ポンプを制御すれば最適な運転が可能である。4.各機器内にある熱交換器の性能の成績係数に与える影響では、呼吸器が最も顕著である。続いて、冷凍負荷や環境条件が変動したときの熱入力と希溶液流量の制御法について検討し、以下の点が明らかになった。5.冷凍負荷などの外部条件が変化したとき、定常状態の適正動作点を推定し、すぐに制御に移す制御法(MOL制御)は、冷水出口温度比例制御と比較して、安定性に優れ、燃料消費量の少ない制御であることが明らかになった。性能低下などにより冷水出口温度にオフセットが生ずるときの補償法について明らかにした。6.中間濃度溶液流路の絞りを可変制御することにより、より高性能な運転ができることが分かった。本研究は吸収冷凍機の負荷変動に対する追従性や起動特性の改善、季間運転効率向上のための研究開発の基礎となる特性解析プログラムの開発を目的とする。対象は現在最も普及しているLiBr水溶液を作動流体とし、再生器を二個価えた二重効用型とした。まずLiBr水溶液のデューリング線図やエンタルピーなどの物性値の表示式を比較検討し、試験機との関連から、主として東京三洋(株)より公表されている表示式を用いることにした。冷凍機の静特性を解析するには各構成機器の性能、とりわけ吸収器、蒸発器、凝縮器、再生器などの熱交換器部の伝熱性能を把握する必要があるが、不明な点が多い。そこで東京ガス(株)の冷暖房試験設備を用いて冷凍能力約20冷凍トン(66,000kcal/h)のガス直火式二重効用試験機を定格負荷条件、部分負荷条件などで運転試験し、各構成機器内の状態量や能力の測定を行った。次に、その試験機を解体し、各機器の構造の資料を得、それに基づいて試験データを解析することにより各機器の伝熱性能を整理し、モデル化の基礎資料を得た。静特性解析プログラムは上記知見に基づいて、ガス直火式二重効用吸収冷凍機を対象として作成し、冷房負荷、冷却水温など外部条件を与えることにより冷凍サイクルの動作点が計算され、各構成機器内の状態量、ガス燃焼量、溶液循環ポンプの動力、成績係数などが計算できる。これを用いることにより、吸収器対蒸発器、又は低圧再生器対凝縮器の熱交換器面積の最適割合が計算可能になった。また、ガス燃焼量やポンプによる溶液循環量は大型機を除いて通常冷房負荷に応じてON/OFF制御されているが、季間運転効率向上のためには比例制御が不可欠であるので、現在、本プログラムを用いて制御法について検討中である。
核融合装置における再堆積層形成機構解明への方向性からのアプローチ

核融合装置真空容器内における損耗や再堆積層の形成は、プラズマ対向壁の寿命や燃料である水素同位体蓄積に関わる重要な研究課題である。本研究では再堆積層形成機構の理解を目的として再堆積層形成の方向性に注目した。単純な構造をもつ方向性マテリアルプローブ(DMP)を考案し、核融合研のLHD、九州大のQUESTの第一壁上の特徴的な場所にDMPを設置し、再堆積層に現れる方向性を調べた。LHDでは、第一壁上の再堆積層形成へのプラズマ流の影響は小さいことが分かった。また、LHD真空容器内の主たる材料である鉄と炭素について、場所によって堆積機構に異同があることが分かった。本研究は、磁場閉じ込め型核融合装置真空容器内においてプラズマと面する機器の材料が、どのように損耗してどこに堆積するのか(プラズマ対向材料輸送)を明らかにし、将来の核融合炉において、どこにどのように堆積層が形成されるかを予測できるモデルを構築することを目的としている。平成24年度は23年度に引き続き、堆積物の発生源や輸送機構を明らかにするため、堆積層がどのような方向性を持って形成されたかを調べる「方向性マテリアルプローブ(DMP)」を、核融合科学研究所のLHD及び九州大学応用力学研究所のQUESTの真空容器内に、それぞれ複数カ所に設置した。DMP上に形成された堆積層を分析し、堆積物がどのような方向性をもってDMPの設置場所に来たのかを調べた。目視によるDMP表面の観察では、QUESTのDMPには、判別できるような方向性が無かった。堆積量が少ない、または堆積物飛来に方向性がないと考えられる。LHDのDMPには、判別可能な堆積層形成の方向性が見られる。ダイバータ板近傍のDMPでは磁力線方向と堆積層の方向性は一致せず、プラズマ流により堆積物が運ばれたのではなく、炭素製ダイバータ板がイオン衝撃で損耗し、中性炭素原子が直接DMP上に堆積したと考えられる方向性が顕著であった。1つのDMP上の堆積層に複数の方向性が見られるものもあるが、その形成機構はまだ理解できていない。新たなDMP分析法として、赤外線カメラによりDMP表面の放射率分布を調べた。DMP材料と放射率が異なる堆積層が形成されると、同じ温度でも赤外線強度が異なることを利用している。この結果、チタン製DMP上の炭素堆積層については、本分析結果とエネルギー分散型X線分析法(EDX)による詳細な堆積層組成分析結果とが良く一致した。本研究で得られた知見を、11月に開催されたプラズマ・核融合学会において、ポスター形式で発表した。磁場閉じ込め型核融合装置真空容器内においてプラズマ対向機器材料が、どこにどのように堆積するのかを理解し、将来の核融合炉において燃料粒子蓄積や不純物発生に関わる堆積層形成を予測できるモデルを構築することは核融合炉の実現において重要である。本研究ではそのために、堆積層形成の方向性に注目し、「方向性マテリアルプローブ(DMP)」を核融合科学研究所の大型ヘリカル装置(LHD)及び九州大学の球状トカマク型装置QUESTの真空容器内に設置してデータを収集してきた。25年度はこれまでに得られたDMPデータの分析を行った。LHDについては、複数のDMPデータを分析し、堆積物飛来方向マップを得た。DMPの位置では飛来方向は磁力線方向とは一致せず、堆積物の輸送はプラズマ流ではなく発生源からの直接飛来であることが示唆された。エネルギー分散型X線分析(EDX)によるDMP表面の組成分布分析を行った。主な堆積物である炭素と鉄の堆積が異なる方向性を持つ場合があり、それらが異なる輸送で堆積したことが示唆された。DMPは目視観測で主たる堆積物の飛来方向が分かるが、分析機器を使ったより詳細な材料輸送機構の研究が必要であることが示された。この結果を受け、25年度は方向性だけでなく他の分析も可能であるように形状を工夫したDMPを設置した。現在これらを真空容器から取り出し分析を進めている。今後は本研究の目的を達成するために、QUESTのデータについても分析を進め、異なる装置間での堆積層形成機構比較を行う。また計算機モデリングとDMPデータの比較により輸送機構の解明を行うことが重要となる。成果発表として、DMP法について学術誌に投稿して掲載された。LHD再堆積層研究について欧州物理学会でポスター発表した。また今年5月のプラズマ・表面相互作用に関する国際会議で、25年度のDMPデータの一部をポスター発表する。本研究は、磁場閉じ込め型核融合装置真空容器内において再堆積層がどこに、どのように形成されるのかを、単純な「方向性マテリアルプローブ(DMP)」を用いて明らかにすることを目的とする。

核融合科学研究所のトーラス状ヘリカル型装置LHDのプラズマ真空容器内の特徴的な場所にDMPを多数設置し、堆積物飛来方向マップを得る。並行して名古屋大学の直線型プラズマ装置NAGDISにDMPを設置し、単純な系における制御されたプラズマ放電実験時に得られるDMP上の堆積層分析を行う。LHDはトーラス方向に10セクションに分けられるが、平成23年度はその内の一つのセクションの、トーラス内側赤道部、トーラス内側下、トーラス外側下、トーラス外側赤道部など特徴的な場所に10個のチタン製DMPを設置した。LHDの平成23年度プラズマ実験は7月末から約3ヶ月実施され、これらDMPはその間、プラズマ・壁相互作用環境下に置かれた。この実験期間中、平成22年度に試験的にLHDに設置した5つのDMPの分析を実施した。この内ダイバータ板近傍に設置したDMPに、方向性のある堆積層が形成されていることが観察された。エネルギー分散型X線分析(EDS)によるDMP表面の分析により、組成ごとの堆積分布を調べた。炭素及び鉄について同様の堆積分布が得られた。この分布は目視観測と矛盾しない。この結果はDMP設置位置において、炭素と鉄が同じ方向から飛来して堆積したことを示す。平成23年度実験終了後に10個のDMPを取り出し目視観察を行い、複数のDMPに方向性のある堆積層が形成していることが分かった。この内1個のDMPについてEDSによる分析を行い、炭素と鉄が異なる分布で堆積していることを明らかにした。九州大学の球状トカマク型装置QUESTの平成23年度秋冬実験時にDMPを設置する機会を得た。分析は平成24年度に実施する。本研究の目的は、既設の核融合実験装置において、DMPを用いた堆積層形成の方向性を調べ、その物理機構を明らかにして、将来の核融合炉における堆積層形成予測が可能なモデルを構築することである。現在は、平成23、24年度にLHD及びQUESTにおいて得られたDMP試料の分析を進めている。目視で方向性を調べることができるのがDMPの特徴であるが、さらに赤外線計測によりDMP上の堆積物分布を計測するという新しい手法での分析も行っている。一方、EDXなどの表面分析装置を用いた元素毎の堆積を調べる詳細分析が十分にできていない。また、単純な系における堆積層形成機構を理解するための、直線型プラズマ装置における実験が、まだ準備中である。以上から、やや遅れている、と評価した。本研究では平成23年度に、トーラス状ヘリカル型装置LHDの他に、直線型プラズマ装置NAGDISにおいて単純な系における堆積層形成機構をDMPを用いて調べることを計画していたが、種々の理由により実施できなかった。一方で、平成24年度に行う予定であった炭素や鉄などの組成ごとの堆積分布計測を平成23年度に実施することができた。以上から、おおむね順調に進展している、と評価した。1.DMP試料分析引き続き、平成23、24年度に得たDMP試料の分析を進める。目視及び赤外線計測による観察により、堆積層形成の大まかな方向性を調べる。さらに、核融合科学研究所のEDX装置を用いて元素毎の分布を調べる詳細分析を行い、元素毎に堆積の方向性を調べる。DMP設置位置における磁力線方向と堆積層の形成方向とを比較することにより、堆積物の発生源や輸送機構を明らかにする。
新素材を用いた既存コンクリート構造物の補強設計法に関する研究

本研究は、連続繊維シート及び連続繊維緊張材による既存コンクリート構造物の補強設計方法を開発することを目的として行ったものである。本研究で得られた研究成果を、(1)補強材料の長期特性に関する研究、(2)連続繊維シート補強部材の耐力及び変形に関するに関する研究、(3)外ケーブル補強部材の耐力及び変形に関する研究、に分けて以下に示す。(1)補強材料の長期特性に関する研究・連続繊維緊張材のリラクセーション率は、載荷時間の大小によらず時間の対数にほぼ比例することが明らかとなった。・連続繊維シートの10%硫酸水溶液への6ヶ月間浸漬試験を行った結果、引張強度及び付着強度は低下せず、連続繊維シートは化学抵抗性に優れていることが明らかとなった。(2)連続繊維シート補強部材の耐力及び変形に関する研究・コンクリート強度や連続繊維シートの剛性などが連続繊維シートとコンクリートとの付着性状に及ぼす影響を明らかにし、その付着強度式を提案した。・RC桁の下面に連続繊維シートを貼り付けた場合(曲げ補強)、連続繊維シートが剥離破壊を起こさなければ、その変形及び耐力は、断面分割法により評価できることを明らかにした。・RC桁の側面に連続繊維シートを貼り付けた場合(せん断補強)の剥離せん断耐力の評価方法を提示した。(3)外ケーブル補強部材の耐力及び変形に関する研究・変形の適合条件及び外ケーブルの位置変化を考慮した解析手法により、外ケーブル補強部材の変形及び耐力を精度良く評価できることを明らかにした。・偏向部での連続繊維緊張材の引張強度の低下を実験的に確認し、その低下率は、繊維の種類により異なることを示した。・緊張力が連続繊維緊張材の破断荷重の40から50%の範囲では、上限荷重がひび割れ発生程度であれば、200万回の繰返し載荷でも破壊せず充分な疲労特性を有していることを明らかにした。本研究は、連続繊維シート補強部材および連続繊維ロープ等を用いた外ケーブル補強部材の設計方法を構築することを目的としたものである。研究初年である本年度は、各補強部材の静的荷重下における耐力及び変形性能に関する実験的検討を主として行った。本年度に得られた知見を連続繊維シート補強部材と外ケーブル補強部材に分けて以下に示す。【連続繊維シート補強部材】(1)連続繊維シートの定着において実際にシートが力を受け持っている定着長さ(有効付着長)は、連続繊維シートの剛性が大きくなるほど短くなることが明らかとなった。剥離直前においては、有効付着長内のシートの歪み分布は直線となり、その勾配は剛性の大きさ等によらず概ね一定と考えることができ、これらを考慮にいれた剥離発生荷重の予測方法を見いだした。さらに、非線形有限要素解析により、実験結果の予測を試みた結果、コンクリートの材料非線形性を考慮することにより、その歪み性状を概ねシミュレートできることが示された。ただし、剥離発生荷重は的確に予測できておらず今後の課題である。(2)連続繊維シートをはりの下面に貼り付けた場合の変形及び耐力は、断面分割法により概ね評価できる。(3)はりの側面に連続繊維シートを貼り付けることにより、部材のせん断耐力が増加することを確認するとともに、剥離が発生しせん断破壊する場合のシートのせん断補強効果の算定方法を構築した。さらに、連続繊維シートをフラットプレートを介しアンカーボルトにより定着することにより、より大きなせん断補強効果が得られることを明らかにした。今後は、アンカー定着した場合の連続繊維シートの付着強度を明らかにした上で、そのせん断補強効果の算定方法を見いだす必要がある。【外ケーブル補強部材】

(1)変形の適合条件及びケーブルの位置変化を考慮した解析手法により、外ケーブル補強部材の曲げ挙動を精度良く求めることができることを明らかにした。今後は、外ケーブルの曲線配置による強度低下が大きい連続繊維補強材を用いた場合には、解析において曲げ位置における強度低下を考慮に入れる必要がある。(2)緊張力が連続繊維緊張材の破断荷重の40から50%の範囲では、上限荷重がひび割れ発生荷重程度であれば、200万回の繰返し載荷でも破壊せず、耐力の低下も認められず、十分な疲労特性を有していることから明らかとなった。本研究は、連続繊維シート及び連続繊維緊張材による既存コンクリート構造物の補強設計方法を開発することを目的として行ったものである。本研究で得られた研究成果を、(1)補強材料の長期特性、(2)連続繊維シート榊強部材の破壊に対する安全性、(3)外ケーブル補強部材の破壊に対する安全性、に分けて以下に示す。(1)補弦材料の長期特性・連続繊維緊張材のリラクセーション率は、載荷時間の大小によらず時間の対数にほぼ比例することが明らかとなった。・連続繊維シートの10%硫酸水溶液への6ヶ月間浸漬試験を行った結果、引張強度及び付着強度は低下せず、連続繊維シートは化学抵抗性に優れていることが明らかとなった。(2)連続繊維シート補強部材の破壊に対する安全性・コンクリート弦度や連続繊維シートの剛性などが連続繊維シートとコンクリートとの付着性状に及ぼす影響を明らかにし、その付着強度式を提案した。・RC桁の下面に連続繊維シートを貼り付けた場合(曲げ補強)、連続繊維シートが剥離破壊を起こさなければ、その変形及び耐力は、断面分割法により評価できることを明らかにした。・RC桁の側面に連続繊維シートを貼り付けた場合(せん断補強)の剥離せん断耐力の評価方法を提示した。(3)外ケーブル補強部材の破懐に対する安全性・変形の適合条件及び外ケーブルの位置変化を考慮した解析手法により、外ケーブル補強部材の変形及び耐力を精度良く評価できることを明らかにした。・偏向部での連続繊維緊張材の引張強度の低下を実験的に確認し、その低下率は、繊維の種類により異なることを示した。・緊張力が連続繊維緊張材の破断荷重の40から50%の範囲では、上限荷重がひび割れ発生程度であれば、200万回の繰返し載荷でも破壊せず十分な疲労特性を有していることを明らかにした。
人工超格子による空間反転対称性の破れの制御

CeCoIn_5は重い電子系物質であり,超伝導転移温度T_c=2.3 Kで超伝導を示す.一方で同じ結晶構造を持つYbCoIn_5ではYbは2価になっており,非磁性となる.我々は重い電子系超伝導体CeCoIn_5と通常金属YbCoIn_5の人工超格子の作製に成功した. CeCoIn_5-とYbCoIn_5の境界面では局所的に反転対称性が破れているにも関わらず,超伝導はCeCoIn_5が3-1層でも現れることを明らかにした.CeCoIn_5は重い電子系物質であり,超伝導転移温度T_c=2.3 Kで超伝導を示す.一方で同じ結晶構造を持つYbCoIn_5ではYbは2価になっており,非磁性となる.我々は重い電子系超伝導体CeCoIn_5と通常金属YbCoIn_5の人工超格子の作製に成功した. CeCoIn_5-とYbCoIn_5の境界面では局所的に反転対称性が破れているにも関わらず,超伝導はCeCoIn_5が3-1層でも現れることを明らかにした.CeCoIn_5は電子比熱係数が1J/K^2・molにも達する重い電子系物質であり,超伝導転移温度T_c=2.3K以下で異方的超伝導を示す.重い電子系としてはかなり高い転移温度を示すことなどからいくつかのグループでエピタキシャル薄膜の作製が試みられてきたが,どのグループでも未だ成功していない。申請者らは世界に先駆けてCeCoIn_5のエピタキシャル薄膜を作製することに成功した.作製した膜の電気抵抗率はバルクの振る舞いを良く再現し,約1.9Kでゼロ抵抗を示した.これらの結果は作製したエピタキシャル膜が純良であることを示している.申請者らは更に磁性を持たない通常金属であるYbCoIn_5とCeCoIn_5が交互に積相した人工超格子を作製した.YbCoIn_5層を4nm程度の厚みにすることでCeCoIn_5層間の相互作用を抑制し,それぞれ孤立しているとみなせる.このような膜でCeCoIn_5層の厚みを厚い極限から系統的に薄くしていくことにより,異方的超伝導に及ぼす次元性制御の影響を調べた.CeCoIn_5が1層の厚みしか持たない膜でも超伝導が現れること,上部臨界磁場が薄膜と平行な方向で鋭いカスプを示す事から重い電子による異方的超伝導を2次元に閉じ込める事に世界で初めて成功したと結論される.この結果は現在論文に纏めて登校を準備中である.CeCoIn5は電子比熱係数が1J/K2・molにも達する重い電子系物質であり,超伝導転移温度Tc=2.3K以下で異方的超伝導を示す.重い電子系としてはかなり高い転移温度を示すことなどからいくつかのグループでエピタキシャル薄膜の作製が試みられてきたが,どのグループでも未だ成功していない.申請者らは世界に先駆けてCeCoIn5のエピタキシャル薄膜を作製することに成功した.作製した膜の電気抵抗率はバルクの振る舞いを良く再現し,約1.9Kでゼロ抵抗を示した.これらの結果は作製したエピタキシャル膜が純良であることを示している.申請者らは更に磁性を持たない通常金属であるYbCoIn5とCeCoIn5が交互に積相した人工超格子を作製した.YbCoIn5層を4nm程度の厚みにすることでCeCoIn5層間の相互作用を抑制し,それぞれ孤立しているとみなせる.このような膜でCeCoIn5層の厚みを厚い極限から系統的に薄くしていくことにより,異方的超伝導に及ぼす次元性制御の影響を調べた.CeCoIn5が1層の厚みしか持たない膜でも超伝導が現れること,上部臨界磁場が薄膜と平行な方向で鋭いカスプを示す事から重い電子による異方的超伝導を2次元に閉じ込める事に世界で初めて成功したと結論される.TcはCeCoIn5層の厚みを薄くしていくにしたがって急激に低下していく.これに対して上部臨界磁場Hc2はゆっくりとした減少しか示していない.そのためHc2/Tcは2次元化に伴い急激に増大する.これは2次元閉じ込めにより(1)強結合超伝導が実現,(2)超格子における局所的な反転対称性の破れによるHc2の上昇,(3)空間的に変調した超伝導状態が実現しており,それにともなうHc2の上昇,のいずれかが起こっていると考えられる.また,CeCoIn5の関連物質であるCeIr2In7のIn自己フラックス法による単結晶育成にも成功した.
温熱および内分泌生理学の立場から見た寝具の快適性の評価

今回の研究成果を以下箇条書きで述べる。1電気毛布を使用して夜間睡眠をとった場合,使用しないで睡眠をとった場合に比較して,夜間睡眠中の深部温(直腸温で代表)の挙動は夜間の低下が明らかに抑制されることが観察された。全身7ケ所から測定し計算された平均皮膚温は電気毛布を使用した場合と使用しなかった場合の間で有意な差は存在しなかった。寝床内の温熱条件には、同一になるように掛布団を調節することにより,同一にした。これらのことから,電気毛布を使用した場合と使用しなかった場合の深部温の挙動のちがいは,温熱的な理由によるとは考えにくい。2血清および尿中メラトニンは昼間低く、夜間上昇するという著明なサーカジアンリズムを示す。我々は尿中の代謝産物としてのメラトニンは、電気毛布を使用したほうが、夜間の上昇が抑制されることを観察した。メラトニンは体温調節中枢に働き,体温調節反応を修飾するので,深部温の挙動のちがいとこのメラトニンの反応が関連していると考察した。3電気毛布により産生される電磁波の量を測定した。最近,電磁波が体のメラトニンホルモンの夜間の上昇を抑制することが明らかにされつつある。電気毛布を微弱であるが電磁波を放出している。電気毛布によって放出される電磁波が夜間睡眠中の深部温やメラトニンのレベルにどのような効果を有するかを目的に本実験はおこなわれた。実験方法は次の通りである。被験者は午後8時に実験室に到着し,薄明下で椅子に座り安静を保った。この間,深部温測定のため直腸温センサーを,人体表面温測定のための皮膚温センサーを装着した。被験者は午後8時に実験室に到着後ただちに排尿した。午後10時30分入床する直前に再度排尿し,その尿量をメスシリンダーで採量した後,その1部(5ml)をサンプル瓶にとり冷凍保存した。午前2時30分に被験者を目覚めさせ,排尿させ尿量を測定し1部をサンプル瓶に保存した。排尿後被験者は再び入床した。午前6時30分に起床し,採尿し前回と同じ手順を繰返し実験は終了した。得られた結果を要約すると,1)夜間睡眠中の深部温は被験者7人(青年女子)全員が時間とともに低下し、サーカジアンリズムの存在を反映した。2)7人のうち5人の被験者は電気毛布使用時に深部温は高いレベルに維持され,1名は逆転し,1名は差がなかった。3)寝床内温熱条件は電気毛布使用時と無使用時の間で差がなかった。4)尿中メラトニンのデータは分析中である。研究成果を具体的研究として以下箇条書きで述べたい。1)電気毛布を使用して夜間睡眠をとった場合と使用しないで夜間睡眠をとった場合、夜間睡眠中の深部温(直腸温で代表)の挙動は明らかに夜間の低下が抑制されることが前者において観察された。この臨床内の温熱条件は掛布団を調節することにより、同一にしたので,深部温の挙動のちがいは、他の要因によると考察される。2)夜間睡眠中の尿中メラトニン代謝産物は電気毛布使用時に抑制される傾向が観察された。このことと1)で述べた事実は関連すると考察した。3)電気毛布により産生される電磁波を定量した。
2次元マントル大循環モデル構築へ向けて-マントル進化におけるリソスフェアの役割

本研究の目的は、マントルに於ける主要な熱・物質輸送の担い手であるマントル対流と火成活動の全体を一つの力学系として扱い、この力学系の数値モデルを構築することにある。特に、リソスフェアとそのプレート運動というマントル対流の最も重要な特徴をモデルに組み込み、リアリスティックなマントル対流・火成活動結合系の数値モデル、すなわち、マントル大循環モデルを構築することを試みた。まず第一に、リソスフェアは存在するがプレート運動は起こっていない金星のマントル対流・火成活動結合系の数値モデルを構築した。リソスフェアは、マントル物質の粘性率を強く温度に依存すると仮定して、その結果地表面に沿って発達する熱・力学的境界層としてモデル化した。この数値モデルにより、金星では、数十億年に一回の割で、マントルのオーバーターンと非常に規模の大きい火成活動が起こることが予想された。このような火成活動は、510億年前に金星で起こった火山平原の形成に対応すると考えている。第二に、プレート運動を再現し、モデルを地球にも応用できるようにするため、まず、粘性率が温度に依存する流体の熱対流の数値シミュレーションを系統的に行い、温度依存性の強さが程々の時に、リソスフェアは、存在し、しかもゆっくりとではあるが運動するレジームのあることがわかった。つぎに、このレジームの対流にさらに火成活動をカップルさせた火成活動・マントル対流結合系の数値モデルを構築した。さらに、この数値モデルに、プレートの破壊プロセスのモデルを組み込み、プレート境界の形成・沈み込みの開始・海嶺の形成をモデル化することに成功し、地球型惑星においてプレート運動が起こるための必要条件に関する洞察を得た。現在、初期地球のマントルの様子を理解することを目的とし、プレート運動を含む火成活動・マントル対流結合系の数値モデルを構築しつつある。第一に,マントル物質が粘性率が温度と圧力に強く依存する粘性流体であるとした場合の,二次元火成活動マントル対流結合系の数値シミュレーションを行った。筆者はこれまで,粘性率が一定とした場合の同様の数値シミュレーションを行ってきた。そして,このシミュレーションにより,放射性元素の壊変によるマントルでの内部発熱量がある閾値を越えると,マントルの熱化学的状態は,「火成対流相」とよばれる現在とは違ったレジームに入ること,および,この火成対流相は,実際,放射性元素を豊富に含んでいた太古代の地球のマントルで実現していたことを示唆してきた。この火成対流相においては,マントルは化学的に成層し,マントル対流は火成活動の影響を強く受け,熱対流とは大きく異なった振る舞いをする。今回の数値シミュレーションにより,この火成対流相は,マントル物質の粘性率が温度・圧力に強く依存し,その結果リソスフェアが形成される場合にも存在することを示した。この結果は,太古代の地球のマントルが火成対流相に属していたという先の結論を更に強化するものである。第二に,マントル物質を,粘性率が温度・圧力に依存する粘弾性体(マックスウェル流体)とした場合の,火成活動マントル対流結合系の数値シミュレーションを行うためのプログラムを開発した。これは,本計画の最終目的である,プレート運動を考慮した結合系の数値モデル化への第一歩である。地球において,非常に高粘性のプレートが海溝で曲がって沈み込めるのは,プレートが,熱的な浮力によって生じた応力の結果,プレート境界で弾性的に曲がるからであり,マントル物質を粘弾性体とすることは,プレート運動の数値モデル化に必要不可欠のステップである。筆者は,世界に先駆けて,この粘弾性体の対流の数値モデル化に成功した。

第一に、マントル物質を粘性率が温度に強く依存する粘性流体であるとした上で、火成活動・マントル対流結合系の数値シミュレーションを行った。この結果、(1)粘性率が温度に非常に強く依存し、リソスフェアとアセノスフェアで粘性率コントラストが10,000倍以上ある場合には、リソスフェアは堅い不動の蓋となり、しかもその一部は地球のテクトスフェアにみられるように、組成的な浮力の効果と粘性率の温度依存性の効果が相まって、非常に厚く(300km以上)なること、及び(2)この粘性率コントラストが1000倍程度の時は、リソスフェアは、その高粘性のためゆっくりとではあるが対流運動をすることがわかった。(2)の結果は、マントル対流と火成活動が非常に強く相互に影響しあい、対流は主に組成的な浮力により駆動されている状況下(筆者の提唱する火成対流相)においてもsluggish lidmodeの対流が起こることを示している。さらに、(2)におけるリソスフェアの運動により、ちょうど海嶺の火成活動にみられるような、プレートの拡大境界における火成活動が起こることを見いだした。(1)の結果は地球のテクトスフェアの起源を、(2)の結果は、近年地質野外調査により明らかに成りつつある初期地球におけるプレート運動を理解する上で重要な結果である。第二に、このsluggish lid modeの対流とプレート運動は本質的に同じものであるという仮説のもとに、数値モデルの中にプレート境界を導入するための予備的な数値シミュレーションを行った。具体的には、プレートにおける断層面の形成をモデル化するため、プレートの破壊の程度(ダメージ・パラメター)という物理量を導入し、さらに、マントル物質を粘弾性体とした上で、熱対流の数値シミュレーションを行った。現在、数値不安定を起こさずに計算ができるようになった段階である。昨年度までに開発したプレート運動のモデルについて、モデルの中に現れるパラメータ空間をシステマティックに調べていき、プレート運動がどのような条件下で数値モデルの中で起こるかを調べた。すなわち、リソスフェアをマントル物質の粘性率を強く温度に依存させることで再現し、さらに、このリソスフェアの破壊によるプレート境界の形成を、対流運動による粘性散逸が強い場所での「破壊の程度」の進行による粘性率の低下という形でモデル化し、リソスフェアや破壊の進行したプレート境界の破壊強度と、プレート運動の有無の関係を調べた。この結果、数値モデルの中で出現した海嶺に於けるリッジ・プッシュによりリソスフェアに発生する応力が、プレート境界の破壊強度とリソスフェアの破壊強度の中間にある時に、「プレート運動」が起こることが明らかになった。さらに、このプレート運動は、従来のリソスフェアの破壊を考慮しない、粘性率が温度のみに強く依存するニュートン流体の熱対流の数値シミュレーションで見つかった、いわゆるスラギッシュリッド・モードの対流のリソスフェアの運動とは異なるものであることを、対流の様式のレジーム・ダイアグラムを作成することにより確認した。この研究に引き続き、筆者が昨年度まで行ってきた、火成活動・マントル対流結合系の数値モデルに、このプレート運動のモデルを組み込むことに成功し、現在、火成活動の影響の下でのプレート運動の数値シミュレーションを行っている。
マラリア原虫酸化ストレス応答メカニズムの解析

マラリア原虫抗酸化システムの原虫寄生適応における役割を明らかにする目的で、ローデントマラリア原虫Plasmodium bergheiのチオレドキシンペルオキシダーゼー1(TPx-1)遺伝子欠損株について肝臓型での表現型観察を行った結果、TPx-1の欠損は肝臓型シゾントの小型化、および形成メロゾイト数の減少を引き起こすことが示唆された。原虫細胞内での酸化ストレスの可視化を目的とし、H2O2蛍光プローブタンパクであるHyPerを細胞質に発現する組換えマラリア原虫を作製した。HyPer導入原虫株に細胞内のH2O2の発生を誘導する試薬であるパラコートを添加することにより同原虫細胞内蛍光強度の有意な上昇が観察された。このことからHyPerはマラリア原虫細胞内でのH2O2の動態を可視化することが可能で、同原虫細胞内の酸化状態を解析する上で非常に有用なツールと成りうることが示唆された。26年度が最終年度であるため、記入しない。マラリア原虫にとって細胞内酸化還元(レドックス)バランスの制御は、宿主内適応、発育および増殖の成否を左右する重要なメカニズムであり、その解明はマラリアの新しい制御法開発の起点になると考えられるが、その詳細は明らかではない。今年度は、ローデントマラリア原虫Plasmodium berghei (ANKA株)野生型肝臓型において、各種抗酸化タンパク質(TPx-1、1-Cys Prx及びTPx-2)の発現解析をおこなった。特異抗体による間接蛍光抗体法(IFA)の結果、TPx-1と1-Cys Prxは細胞質に、TPx-2はミトコンドリアに局在した。定量PCR (RT-qPCR)の結果、TPx-1mRNAは構成的な発現を示した。1-Cys Prx mRNAの発現はシゾント期から亢進しサイトメア期でピークとなった。一方TPx-2のmRNA発現はトロホゾイト期から亢進しシゾント期でピークとなった。以上の成績から、マラリア原虫肝臓型において、これらの抗酸化タンパク質はそれぞれ異なった細胞分画に異なったプロファイルで発現し、原虫を酸化ストレスから保護していることが示唆された。また、TPx-1欠損原虫は肝細胞のスポロゾイト感染率は野生株と同等であるが、赤血球型出現までの潜伏期間が遅延し、肝臓型での発育障害が示唆されている。そこでTPx-1欠損原虫肝臓型の酸化ストレスに対する感受性をin vitro培養系を用いた親電子試薬負荷試験で調べた。感染蚊から調整したスポロゾイトを培養肝細胞に接種後20時間目にパラコート(0_2ドナー)50uMを添加し、40時間目に原虫特異抗体によるIFAで原虫数をカウントした。その結果、TPx-1欠損原虫の数が野生株に比較して有意に少なかった。このことからTPx-1欠損原虫は野生株と比較して酸化ストレスに対する感受性が高いことが示唆された。申請書に記述した研究内容を研究計画通りのタイムスケジュールで遂行することができた。また、一連の成果は専門分野の国際雑誌1報に公表済みで、また国内外の関連学会においても4回の研究発表がおこなわれていることを申し添えたい。申請書に記述した内容通りに、本年度は近年開発されたH2O2特異的検出用蛍光タンパク質プローブ(HyPer, Evrogen社)のコード領域をゲノムに組み込んだトランスジェニックP. berghei :「酸化ストレス可視化原虫」を作製する。作出された酸化ストレス可視化原虫を用いて、マラリア原虫の運動・侵入といった、原虫が寄生生活を成り立たせる上で不可欠なイベントを中心に、原虫内酸化ストレスの強度を、共焦点顕微鏡を用いたライブイメージングで観察することにより、原虫の抗酸化システムがどのステージ、どのタイミングで最大限に活用されているかを明らかにすることを目指す。
無機-有機ハイブリッド二光子多層記録材料の創出

本研究は二光子吸収効率の高い色素を、無機ナノシートのホストマトリックス中に閉じ込めることで、色素の二光子吸収効率を高めた固体状態の材料を得ることを目的とした。通常無機-有機ハイブリッドは光散乱体であり、光学材料としての利用に適さなかった。そこで本研究では、無機-有機分子ハイブリッドの光学材料としての利用価値を高めるため光散乱の小さいハイブリッド膜の作製法を確立し、その後、無機ナノシートとの包接化により、有機物の非線形光学特性が向上する要因を明らかにすることを目的としていた。前年度までの研究で、当初の目的を達成することができ、波長660nmで二光子吸収断面積が10000GMを超える固体材料、つまりDVDの波長のレーザーで極めて二光子吸収効率が高い固体材料が得られた。本年度は、得られた知見に基づき、二光子吸収以外の他の全ての非線形光学効果に優れた材料を無機-有機ハイブリッド材料により創出することに取り組んだ。その結果、光第二、および、第三高調波発生に優れた材料が創出でき、前年度までの成果を、無機-有機ハイブリッド材料により顕著な非線形光学材料を得るための普遍的な指針に拡張することができた。また、無機ホストになり得る化合物として新たにポリ酸に着目し、非線形光学材料を目指したポリ酸-有機ハイブリッド材料の創出にも着手した。ホストのポリ酸としてはコンベンショナルなタングステンクラスター、モリブデンクラスター、バナジウムクラスターを用い、ゲストとしてルテニウム(II)フェナントロリン錯体や、スチルバゾリウム系色素を用いて、ハイブリッドを作製した。非線形光学材料としてだけでなく、光触媒としての可能性も材料が得られ始めてきた。二光子多層光記録は、次世代大容量データストレージの最有力候補とされている。この実用化のボトルネックとなっている、二光子吸収材料の開発を日指した研究を行った。無機層状高分子の一種である粘土をホスト材料に用い、有機化合物とのハイブリッド化を行うと、有機物の二光子吸収効率が向上することが知られていた。そのため、無機-有機ハイブリッド材料は、二光子吸収効率の高い材料を創製する系として大きな期待が持てる。しかし、なぜ、粘土とのハイブリッド中で有機物の二光子吸収効率が向上するのか明らかにはなっておらず、粘土-有機物ハイブリッドを高効率二光子吸収材料として積極的にデザインすることが出来なかった。そこで、様々な有機化合物を用い無機-有機ハイブリッドの組み合わせを探索することで、無機層状化合物の層間に取り込まれた有機化合物の二光子吸収断面積を増加させる要因の解明を行った。その結果、無機化合物とのハイブリッド中で、有機物の二光子吸収断面積に影響を与えるパラメータは、有機物が存在する環境の極性の変化、有機物の分子変形、ホスト材による有機物の配向の制御であることが明らかになった。この知見を用いて、粘土に合成サポナイト、有機物としてはポルフィリン誘導体を選ぶことで、DVDの記録に用いられているレーザーの波長である660nmにおいて10000GMを超える二光子吸収断面積を持つ二光子吸収材料を創製することができた。
血液透析装置内部の物質輸送の計測

透析器は,直径5センチ長さ25センチのアクリル製の円筒容器の中に、外直径230ミクロン内直径160ミクロンの中空糸が1万本格納されている。この構造は、現在では血液透析器に限らず、廃液処理器等全ての透析器に相似な構造となっている。中空糸の内部に血液が流れ、血液中の老廃物は透析膜である中空糸膜を濃度差と圧力差によって中から外へ透過して、中空糸の外側に流れる透析液(生理食塩水)に吸収される。中空糸膜の実効表面積は2平方メートル以上となり、腎臓の機能を失った人々が生存することが可能である。中空糸膜の外部を流れる透析液の流れが均一でないと、膜の実効表面積が低下して透析効率を下げることになる。透析液の均一性を非破壊的に調べる方法としては、X線CTが用いられてきた。X線撮影はバリウムの水溶液等の比重と粘度が生理食塩水とかけ離れている造影剤を必要とするため、本研究では核磁気共鳴NMRに空間分解を持たせたMRI(Magnetic Resonance Imaging)を用いて、透析液の流れが均一であることをX線CTよりもより鮮明な画像で明らかにできた。病院で用いられるMRIはX線を用いる放射線被爆がないことをX線CTに比べた長所としている。超微量のガドリニウム等の常磁性イオンの移動も追跡でき、造影剤の比重と粘度が生理食塩水に類似であるMRIのX線CTに比べた長所を定量的に明らかにできた。ある時刻より透析液の入り口より注入したガドリニウムイオンの移動を追跡した画像を数値流体力学で再現して、透析器内部の透析液の圧力分布をもとめることができた。透析器は一万本の中空糸が束になっており、円筒容器に格納されている。中空糸の内部は濃度の濃い液が流れ、外部には水に近い溶液である透析液が流れ、内部の溶質を受け取る機構となっている。中空糸内部の圧力は、透析液の圧力より高く設定され透析液側から中空糸内部への輸送量は少なくなるように設計されている。多数の金属性パイプを規則的に並べたパイプの内部外部に液体を流す熱交換器の、詳細な流速分布の理論計算と実測は、原子炉の設計のために行われてきたが、その結果を透析器に応用することは困難である。透析器の中空糸は軟質ビニル製でウェイブを持っており表面にひれがあり局所的には隣どうし接触している。透析器の透析液の流速分布の実測を共同で開始した。造影剤を透析液側に流し、核磁気共鳴映像法MRIによって透析液の流れの3次元分布を断層撮影し、従来行われていたx線断層撮影X-ray CTよりも、高い空間分解能で透析液の流速分布を観測した。中空糸の密度の均一性を確認し、数値計算による透析流のシミュレーションとの対比から、透析液の圧力分布を決定した中空糸内部と外部の圧力差から透析量を推算する従来のモデルで仮定せざるを得なかった透析液の圧力分布を正確に裏づけることができた。MRIの造影剤の濃度は極端に薄いため、透析液の流れを変えないで、測定する基本的な要領を得た。比重1.1の重水を透析液側に流し、MRIで測定した映像は、重水が透析液の下に潜り込む過程を観測し、X-ray CTによる透析流の観測において、比重が大きくなる造影剤の濃度の高い場合は慎重な考察が必要なことを推測した。透析器(人工腎臓)は、直径200ミクロンで内部が中空の中空糸一万本を円筒容器に格納している。中空糸の内側を血液が流れ、外側を生理食塩水である透析液が流れる。血液中の老廃物は中空糸の膜を透過して透析液に吸収される。透析液の流れの均一性が不明であったため、大須賀は透析器内部の透析液の流れをガドリニウム造影剤を透析液流路に流して、医療用のMRI(核磁気共鳴画像)によって観察し、観察された造影剤の流れを数値計算し、透析液の流線分布と圧力分布を求めた。透析液に含まれる細菌が、中空糸内部の血液側に逆流(逆濾過)する危険があるため、透析液内部の造影剤が透析液の持つ運動量で、中空糸膜の内部へ潜り込む量の空間変化をMRIで観察した。逆濾過は透析液の流れと中空糸の向きが直行している透析器の両端付近の方が透析液の流れと中空糸の向きが平行している透析器の中央付近より多いことを結論した。従来透析液の流れを観察してきたX線CTは、造影剤が透析液の性質と離れていることから、MRIの優位を実証した。従来、透析量と逆濾過量は透析器の外部のみで一元的に計測されてきたことに対して、本研究では透析液の流動状態を厳密に観測して、透析器の能力の透析器内部での空間変化を測定した。血液中の蛋白が中空糸膜内部に沈澱することは、光学顕微鏡の観察で確認されており、透析によって膜が劣化することは明らかである。

核磁気共鳴顕微鏡は、分解能は10ミクロン程度で光学顕微鏡に劣るものの、水素に共鳴させた場合、水の分子運動と水に溶けている脂肪と蛋白の密度を決定できるという長所を持っているため、透析中の膜の劣化を観察する有効な方法と判断し、イタリアの核磁気共鳴顕微鏡を用いて、疑似血液を染み込ませた中空糸を膜の厚さ方向に複数個の画素に空間分解して水素密度の分布を観察し、蛋白の沈澱量の膜内部での空間変化を推定した。透析器は,直径5センチ長さ25センチのアクリル製の円筒容器の中に、外直径230ミクロン内直径160ミクロンの中空糸が1万本格納されている。この構造は、現在では血液透析器に限らず、廃液処理器等全ての透析器に相似な構造となっている。中空糸の内部に血液が流れ、血液中の老廃物は透析膜である中空糸膜を濃度差と圧力差によって中から外へ透過して、中空糸の外側に流れる透析液(生理食塩水)に吸収される。中空糸膜の実効表面積は2平方メートル以上となり、腎臓の機能を失った人々が生存することが可能である。中空糸膜の外部を流れる透析液の流れが均一でないと、膜の実効表面積が低下して透析効率を下げることになる。透析液の均一性を非破壊的に調べる方法としては、X線CTが用いられてきた。X線撮影はバリウムの水溶液等の比重と粘度が生理食塩水とかけ離れている造影剤を必要とするため、本研究では核磁気共鳴NMRに空間分解を持たせたMRI(Magnetic Resonance Imaging)を用いて、透析液の流れが均一であることをX線CTよりもより鮮明な画像で明らかにできた。病院で用いられるMRIはX線を用いる放射線被爆がないことをX線CTに比べた長所としている。超微量のガドリニウム等の常磁性イオンの移動も追跡でき、造影剤の比重と粘度が生理食塩水に類似であるMRIのX線CTに比べた長所を定量的に明らかにできた。ある時刻より透析液の入り口より注入したガドリニウムイオンの移動を追跡した画像を数値流体力学で再現して、透析器内部の透析液の圧力分布をもとめることができた。
３次元地震探査データに基づくプレート境界浅部の応力状態と詳細構造の推定

地震・津波発生予測の高精度化のためには、巨大地震・巨大津波の発生域となるプレート境界浅部の固着状態を推定することが必要である。しかしながら、その物理的実態には不明な点が多い。本研究はプレート境界浅部の固着状態を高解像度で明らかにすることを目的として、過去に津波地震が発生したニュージーランド東方沖ヒクランギ沈み込み帯で取得された3次元海底地震探査データを用いて、プレート境界浅部(深さ10kmまで)の3次元P波速度構造を推定した。初動走時トモグラフィ解析から、前弧付加体内の不均質構造や沈み込む太平洋プレート上の厚い堆積層構造、サブダクションチャンネルを示唆するプレート境界に沿った低速度帯の存在等が明らかになった。上記の走時トモグラフィ解析では等方媒質を仮定しているが、初動走時の観測値とP波速度モデルから計算される理論走時の差を波線の伝播方位ごとに分類したところ、海溝に直交する方向に負の走時差、海溝に平行な方向に正の走時差を示すことがわかった。つまり、海溝直交方向に速い軸を持った方位異方性が存在することを示している。暫定的な解釈として、プレート沈み込みに起因する最大水平圧縮軸によってクラックの選択的配向が進んでいることが示唆される。高分解能のP波速度構造モデルを構築し、より微弱な異方性構造まで捉えるため、波形インバージョン解析を開始した。この解析は英国Imperial College Londonの研究者と共同で実施している。本年度中に解析コードのセットアップとテストランを実施した。研究計画のうち,初動走時解析はおおむね完了し、すでに波形インバージョン解析に着手できている。初動走時解析の結果からすでにP波速度異方性を示す成果が得られており、2年目に実施する波形インバージョン解析によって、研究のさらなる進展が見込める。波形インバージョン解析によってより精緻な3次元P波速度構造モデルの構築を進めるつつ、異方性パラメータの空間分布を求める。得られた結果を他の共同研究機関が実施している反射法データに基づく既存断層の構造や地震活動から推定される応力場と比較し、結果の妥当性を検証する。