hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
表面磁気第二高調波発生法による磁性ナノ薄膜・ナノワイヤの表面化学的磁化制御の検討

まず、昨年度納入されたチタンサファイアレーザーを用いた超高真空中での磁化誘起第二高調波発生法(magnetization induced second harmonics generation, MSHG)の立上げを行った。MSHG法は原理的に極めて高い表面界面敏感性を示す手法であり、これによる磁性評価は表面界面磁性に着目する本研究には最適である。予定よりやや遅れたものの夏に立上げが終了し、秋から性能評価と実際の測定を行った。面内のスピン再配列転移を示すAg/Co/Cu(1 1 17)系のMSHG測定を系統的に行い、通常の磁気光学Kerr効果(MOKE)では観測できない磁化反転過程を観測できた。初めに取り上げた系はAg/Co/Cu(1 1 17)系で、この系はもともとステップ平行方向が容易軸であるが、Agを蒸着すると面内ステップ垂直方向が容易軸となるスピン転移を起こす。この系のMSHG測定を系統的に行い、通常の磁気光学Kerr効果(MOKE)では観測できない磁化反転過程を観測できた。またMOKEやXMCDの結果を併せて転移の微視的機構などを考察した。続いてFe/Ni/Cu(001)系の検討を行った。この系は交換バイアスの存在から直交するような交換相互作用があることが示唆されている、単一の強磁性体としては大変珍しい系であるが、MSHG測定により見事に磁場に垂直方向の磁化を観測することができた。MOKE, XMCDを併せてさらに詳細を検討中である。
miRNAを用いた腫瘍新生血管正常化製剤の開発と新たながん治療戦略の創出

がんは我が国死因別死亡率第一位の疾患である。がん部位では、がん細胞が栄養を得るために新しい血管が形成される。この血管新生の抑制は、がんの増殖を抑えるとともに、血管を正常化し、抗がん剤を働きやすくする。本研究では当初より抗がん剤との併用を目的に、生体内で一連の血管新生に関わるタンパク質合成を抑制し、血管正常化を促進することが期待される核酸分子を用いた副作用が少なく高い血管正常化作用を示す薬剤を開発を目的とした。実際にがんを移植したマウスにおいて、核酸医薬品ががん部位の血管を正常化し、抗がん剤をがんに行き易くした。そして核酸医薬品と抗がん剤を併用することにより、がんの増殖を抑えることに成功した。腫瘍血管新生の抑制は、腫瘍増殖を抑えるとともに、血管を正常化すると考えられている。血管正常化は腫瘍への薬剤送達に有利に働くため、抗がん剤と血管新生抑制剤の併用療法が、がん治療に有効であることが知られている。本研究は、生体内で一連の血管新生に関わるタンパク質合成を抑制し血管正常化を促進することが期待されるmicroRNA(miR499)を用い、抗がん剤との併用療法による効率的ながん治療法を確立する。腫瘍新生血管標的化miR499全身投与型製剤としては、我々が開発したカチオン脂質(DCP-TEPA)を含むリポソームを用いた。リポソームは血中滞留性付与のためにPEG脂質で修飾し、PEG先端には標的化を目的とする新生血管特異的ペプチド(APRPG)を結合させた。これまでにインビトロの系でmiR499リポソームがヒト臍帯内皮細胞による管腔形成を阻害し、血管新生関連タンパク質をノックダウンすることを確認している。まずこのmiRNA製剤の体内動態・腫瘍内動態を検討した。腫瘍切片の共焦点レーザー顕微鏡観察により、本製剤の腫瘍特異的な集積を確認した。次にマウス大腸がん細胞C26-NL17を皮下移植したマウスを用い、血流正常化について血流存在下で血管に結合するトマトレクチンにより染色し、CD31染色によるすべての血管の画像との差を取ることで評価した。その結果miR499は、投与96時間後に新生血管の血流を正常化した。次に担がんマウスを用いて、miRNA製剤処理96時間後にドキソルビシン(DOX)を投与し、腫瘍内のDOX量を定量したところ、血管正常化により、腫瘍内のDOX量が有意に増加した。miR499製剤とDOXとの併用効果についても検討を進め、予試験的に良い結果が得られている。今後、腫瘍新生血管正常化を目的としたmiRNA製剤の有効性を明らかとし、抗がん剤やDDS製剤との併用による新規がん治療戦略を確立する予定である。血管正常化は腫瘍への薬剤送達に有利に働くため、抗がん剤と血管新生抑制剤を併用することにより、抗腫瘍効果が増強される。本研究では当初より抗がん剤との併用を目的に、生体内で一連の血管新生に関わるタンパク質合成を抑制することにより、血管正常化が期待されるマイクロRNA(miRNA)核酸医薬品の開発を目的とした。miRNAとしては、血管新生や細胞増殖の抑制が期待できるmiR-499を選択した。miR-499の送達ベクターとしては我々が開発したTEPA-PCLを用いた。さらに血管内皮増殖因子受容体(VEGFR1)に親和性を有するAPRPGペプチドを、TEPA-PCLの膜表面に修飾した(APRPG-miR-499)。この複合体を、マウス大腸がん細胞C26NL-17皮下移植マウスに静脈内投与し、miR-499の効果を評価した。はじめに、血管正常化の指標としてmiR-499による血流改善効果を検討した結果、対照群では血流を有する血管が少ないのに対し、APRPG-miR-499投与群では顕著な血流改善効果が認められた。すなわちmiR-499によってがんの微小環境が変化し、腫瘍全体への効率的薬剤送達が可能になることが示唆された。次に、血管正常化作用による抗がん剤ドキソルビシン(DOX)の腫瘍への集積性の変化を評価した。APRPG-miR-499の投与後にDOXを静脈内投与すると、対照群と比較してDOXが腫瘍に有意に多く集積した。最後に、C26 NL-17担がんマウスにAPRPG-miR-499を静脈内投与し、その後DOXを静脈内投与することで、miR-499とDOXの併用療法による抗がん効果を評価した結果、miR-499とDOXの併用療法はDOX単独療法と比較して有意に高いがん増殖抑制効果を示した。

miR-499は、がん悪性化に関与する虚血および低酸素環境下で発現するmicroRNAであり、Wnt経路やカルシニューリン経路を総合的に制御することにより血管新生を抑制する。miR-499の送達ベクターとしてはtetraethylenepentamine-based polycation liposomes(TEPA-PCL)を用い、腫瘍血管内皮細胞および種々のがん細胞に高発現している血管内皮増殖因子受容体-1(VEGFR1)に親和性を有するAPRPGペプチドをTEPA-PCLの表面に修飾した(APRPG-miR-499)。この複合体を、C26 NL-17細胞を皮下移植したマウスに静脈内投与し、miR-499の効果を評価した。miR-499による血管正常化については、血流改善効果により検討した。ビオチン標識トマトレクチンを用いて血流を有する血管を染色し、腫瘍内血管の血流の有無を評価した。その結果、対照群では血流を有する血管が少ないのに対し、APRPG-miR-499投与群では顕著な血流改善効果が認められた。さらに本研究の目的である抗がん剤の腫瘍蓄積改善効果に関しては、DOXを用いて検討した。APRPG-miR-499の投与4日後にDOXを静脈内投与し、その3時間後に腫瘍内DOXを定量した結果、対照群と比較してAPRPG-miR-499の前投与によりDOXが腫瘍に有意に多く集積していた。これより、miR-499による血管正常化作用は腫瘍への薬剤送達を向上することが示された。DOXとの併用による抗がん作用についても研究が進んでおり、ほぼ当初の予定通り順調に研究が進んでいる。薬物送達学Colon26 NL-17マウス結腸がん細胞を移植した担がんマウスに、我々が開発し、本研究で用いている腫瘍新生血管標的化miR499全身投与型製剤miR-499を静脈内投与後、抗腫瘍効果を評価する。評価にはmiR499単独投与と抗がん剤との併用投与を行い、血管正常化による抗がん効果の増強作用を測定する。すでにmiR499処理により、DOXの腫瘍内蓄積が上昇することを見出しているため、併用効果は期待できるが、miRNA投与後何日で抗がん剤を投与すると最も有効であるか、miRNA製剤と抗がん剤を交互に投与した場合と、miRNA製剤を先に複数回投与してから抗がん剤を投与した場合の抗腫瘍効果など、スケジューリングを綿密に行い、効果的に検討を進める予定である。これらの検討によりmicroRNA製剤による血管正常化効果が、抗がん剤治療の効率をあげ、がん治療の新たな戦略になることを提唱する予定である。
ウサギ硝子体手術モデルにおける抗酸化剤による網膜神経保護の検討

ウサギ硝子体手術光障害モデルの作成塩酸ケタミンおよび塩酸キシラジンによる全身麻酔下で有色家兎の片眼に手術用顕微鏡下で潅流ポートを縫着(背側の角膜輪部から約3mm後方)し,眼内潅流液(オペガードMA)による静水圧(トノペンで測定)を負荷した。別にポートを作成し、硝子体切除を施行せずに眼内照明用光ファイバーで種々の条件で眼底に光照射を行った。光障害は倒像鏡、フルオレセインおよびインドシアニングリーン蛍光眼底造影にて観察した。手術用光源(キセノン、ほぼ可視光領域のみ透過)の出力(ファイバー先端と照度計受光面との距離と照度で推定)がより大きい場合、あるいは照射時間がより長い場合に光障害が強くなった。また、同一の照射条件でも眼底中央部には周辺部と比べて強い光障害がみられた。これには光受容細胞密度が眼底中央部でより高いことが関係すると考えられた。眼内潅流液による静水圧を変化させた場合、通常の眼圧(15mmHg)と比べて高眼圧(40mmHg)において強い光障害がみられた。汎用レーザー血流計を用いて網膜近傍で同一部位(網膜血管の存在しない光照射予定部位)の眼底血流を測定したところ40mmHgでは15mmHgに比べて著明に眼底血流が減少した。したがって脈絡膜血流が通常より減少した場合に豊富な脈絡膜血流による組織冷却効果が低下し光障害が強くなると考えられた。ウサギ硝子体手術光障害モデルにおける光障害の抑制有色家兎の片眼に上記のように光障害を眼底の一ヶ所に作成し、薬剤を腹腔内投与し30分後に同一条件で同一眼の他の部位に光障害を作成した。メラトニンの溶媒(10%エタノール、2ml)の投与では同程度の光障害がみられたが、メラトニン(50mg/kg)の投与では光障害は著明に抑制された。メラトニン投与前後で眼底血流を測定したところほとんど変化はみられなかった。また、α-トコフェロール(200mg/kg)の投与によっても光障害は著明に抑制された。ウサギ硝子体手術モデルの作成塩酸ケタミンおよび塩酸キシラジンによる全身麻酔下の有色家兎の片眼に手術用顕微鏡下で潅流ポートを縫着(上耳側あるいは上鼻側の角膜輪部から約3mm後方)し,眼内潅流液(オペガードMA)による静水圧を負荷した。このとき,トノペンによる眼圧測定値は約30mmHgであった。別に2カ所のポート(上側で角膜輪部から約3mm後方)を作成し,眼内照明用光ファイバーと硝子体カッターを挿入して硝子体切除を行った。しかし現有硝子体切除装置では硝子体切除中に容易に網膜剥離が発生した。そこで,潅流ポートと眼内照明用光ファイバーのポートのみを設置し硝子体切除を行わずに網膜近傍で光照射を行った。観察される照射径を一定に保つようにしてファイバー先端と網膜までの距離をほぼ一定にした。各眼あたり4から5カ所,1カ所につき5ないし10分間の光照射を行った。光照射には3種類の手術用光源(ハロゲンあるいはキセノン)を用いて,照度計で明るさを調整した。ファイバー先端から照度計の受光面までの距離が1cmで10000lux(D(1)=10000)の照度(ハロゲン)では,術後に検眼鏡的に網膜障害は観察されなかった。D(1)=20000の照度(ハロゲン)では,術後2日で眼底中央部の10分間照射部において検眼鏡的に網膜変性がみられた。D(3)=20000の照度(キセノン)では,5分間照射でも網膜障害がみられた。眼底中央部の照射では,照射中から網膜浮腫が生じ眼底周辺部の照射と比べ術後により強い網膜変性がみられた。

ウサギ硝子体手術光障害モデルにおける光障害の抑制有色家兎の片眼に上記のように光障害を眼底の一ヶ所に作成し、薬剤を腹腔内投与し30分後に同一条件で同一眼の他の部位に光障害を作成した。メラトニンの溶媒(10%エタノール、2ml)の投与では同程度の光障害がみられたが、メラトニン(50mg/kg)の投与では光障害は著明に抑制された。メラトニン投与前後で眼底血流を測定したところほとんど変化はみられなかった。また、α-トコフェロール(200mg/kg)の投与によっても光障害は著明に抑制された。
新たに発見した”ナチュラルヘルパー細胞”の機能解明

研究代表者らが発見したナチュラルヘルパー(NH)細胞が、寄生虫(鉤虫)感染時に好酸球増多や胚細胞からのムチン産生を介して感染防御に機能すること、喘息などのアレルギー性炎症においては同じ反応が炎症を亢進させる増悪因子であることを明らかにした。また、喘息におけるステロイド抵抗性にNH細胞が関わること、このときに上皮細胞由来のサイトカインTSLPの受容体下流で機能するStat5を阻害することでステロイド抵抗性を解除できることを明らかにした。また、NH細胞の分化に関しても検討し、この細胞がリンパ球の共通前駆細胞からNotchとIL-7のシグナルによって分化することを明らかにした。1)他のTh2サイトカイン産生細胞との比較我々がNH細胞を報告した後に、Th2サイトカインを産生する類似の細胞が相次いで報告され、特にその中のnuocyteと名付けられた細胞は違いもあるもののNH細胞と共通点が多かった。しかし、NH細胞に発現が見られるCD25はnuocyteには見られず、nuocyteに発現するclass II MHCはNH細胞には発現しないなどの違いも見られた。また、nuocyteはIL-25単独に反応するが、NH細胞はIL-2存在下でのみIL-25に反応する。2)NH細胞の分化経路IL-33受容体欠損マウスにおいてもNH細胞の分化が見られ、IL-33はNH細胞の分化には必要ないと結論された。一方、IL-7が分化のどの段階に必要であるかを検討するために、ノックアウトマウスを導入し繁殖を始めた。4)寄生虫感染における役割NH細胞とnuocyteが異なる分化段階の細胞である可能性や一方が前駆細胞である可能性が否定できないことから、寄生虫感染におけるnuocyteとNH細胞の役割を検討した。しかし、野生型マウスにNippostrongylus brasiliensisを感染させて検討したが、NH細胞の増加は観察されたがnuocyteと思われる細胞を検出することはできなかった。さらに、T細胞やB細胞を欠損するRag2^<-/->マウスにコンジェニックマーカーを発現する野生型のNH細胞を移入した後にN.brasiliensisを感染させてもnuocyteと思われる細胞に変化することはなかった。1)前駆細胞の同定とNH細胞の分化経路IL-25受容体欠損マウスにおいてもNH細胞の分化が見られ、IL-25はNH細胞の分化には必要ないと結論された。一方、転写因子GATA3を欠損させるとNH細胞の分化が障害されることが明らかになり、GATA3がNH細胞のマスター転写因子であることが明らかになった。前駆細胞としては、いわゆるリンパ系前駆細胞の移植によって、NH細胞を欠損するγ_cRag2 2重欠損マウスにNH細胞を回復させられることが明らかになった。2)他のTh2サイトカイン産生細胞との異同野生型のNH細胞をコンジェニックマーカーを持つマウスに移植した後にIL-25を投与したところ、レシピエントマウスのnuocyteと思われる細胞がリンパ節へ出現したが、移植したNH細胞がリンパ節へ移動することはなかった。IL-33を投与した場合、nuocyteと思われる細胞はほとんど出現せず、一方で、NH細胞の数は増大した。この場合にもNH細胞はリンパ節には移動しなかった。以上のことから、NH細胞とnuocyteは異なる細胞であると結論した。3)寄生虫感染における役割寄生虫(Nippostrongylus brasiliensis)感染において、感染した虫体は肺を経由して後に腸管へ至るが、この肺ステージにおいて好酸球増多が観察され、この好酸球増多が寄生虫に対する感染防御において重要であることが知られる。NH細胞を欠損するγ_cRag2 2重欠損マウスにおいては肺における好酸球増多が誘導されない。そこへ野生型マウス由来のNH細胞を移入することで好酸球増多が回復した。これらの事実から、肺ステージにおいてもNH細胞が寄生虫感染防御において重要であることが明らかになった。(1)前駆細胞の同定:胎児肝臓中のリンパ系前駆細胞を様々な表面マーカーを用いて分画し、α4β7インテグリンとIL-7Rを高発現する分画にNH細胞の前駆細胞が多く存在することを明らかにした。また、培養に用いるIL-7の濃度を検討し、高濃度のIL-7がT細胞の分化を抑制するのに対し、NH細胞は比較的高濃度のIL-7によって分化が促進されることを明らかにした。(2)寄生虫感染におけるNH細胞の機能:肺における好酸球増多が肺ステージでの寄生虫防御に重要であることが知られるが、NH細胞を持たないγcとRag2の2重欠損マウス(DKOマウス)を用い、感染時の肺における好酸球増多がDKOマウスでは誘導されず、NH細胞を移植することで肺の好酸球増多が回復することを示し、肺ステージにおいてもNH細胞が寄生虫感染防御に重要であることを明らかにした。

(3)アレルギー反応におけるNH細胞の役割:卵白アルブミン(OVA)とコレラトキシンを投与して作成した食物アレルギーモデルマウスを用い、NH細胞の機能を検討した。その結果、食物アレルギーやそれに伴うアナフィラキシー反応の誘導に、IL-33とNH細胞が重要な役割を果たすことを明らかにした。また、OVAで感作したマウスの気道にOVAを投与して誘導する喘息モデルを用い、NH細胞やT細胞は通常はステロイド剤の投与によって活性が抑制されるのに対し、低濃度のIL-33が産生されることでNH細胞が活性化されて重症化すること、さらにTSLPが産生されるとNH細胞がステロイド剤に抵抗性を獲得することを明らかにした。さらに、TSLPの下流で機能するStat5の阻害剤を用いることでステロイド抵抗性が解除されることを明らかにした。1)前駆細胞の同定:ストローマ細胞株と骨髄中のリンパ球前駆細胞の共培養実験から、NH細胞の分化にNotchシグナルが必須であることが明らかになった。他の研究グループからはIL-25やIL-33の関与を示唆する報告があるが、IL-25とIL-33ダブルノックアウトマウスでもNH細胞は正常にすることから、IL-25やIL-33は分化に必要ないと結論した。2)他のTh2サイトカイン産生細胞との異同の検討:NH細胞に高発現するRORαがNH細胞と類似するnuocyteの分化に重要と報告されたがNH細の分化にも関与していた。ただし、RORα変異マウスにおいても少数のNH細胞が分化し、分化したNH細胞は正常な機能を持つことから、成熟NH細胞の機能にはRORαは必要ないと結論した。3)寄生虫感染におけるNH細胞の機能:IL-25とIL-33の機能の違いを検討した。IL-33の方がIL-25よりもNH細胞の活性化に重要であり、一方、nuocyteの活性化にはIL-25の方が中心的な役割を果たしていた。今後、実際の寄生虫感染モデルでの検討が必要である。4)食物アレルギーにおけるNH細胞の機能:アラムをアジュバントとして卵白アルブミン(OVA)を腹腔内に免疫した後に、OVAを経口投与して誘導する食物アレルギーモデルと、コレラ毒素をアジュバントとして用いて経口的にOVAを投与して誘導する食物アレルギーの系を用いた検討を行った。前者のモデルではNH細胞の明確な関与は明らかにならず、既報の通り肥満細胞が中心的な役割を果たすことが示唆された。一方、後者のモデルにおいて、NH細胞が重要な役割を果たすことを示唆する結果が得られており、さらに検討中である。リンパ球共通前駆細胞分画をNotch1あるいはNotch4を発現するストローマ細胞株上で培養することでNH細胞の分化を誘導できることをこれまでに明らかにしたが、今年度はNothの発現レベルを調節できる細胞株を用い、Notchシグナルの強度、シグナルの持続時間、IL-7の濃度を変化させて分化を検討した。Notchシグナルが強い場合にはT細胞が優位に、弱い場合あるいは無い場合にはB細胞が優位に、中間の場合にNH細胞が優位に分化した。
微小系における混合気体の拡散現象の研究-線形化ボルツマン方程式による直接的数値解析-

本研究は、微小系における混合気体の振舞いを理解する足掛かりを得ることを目的に行われた。微小系では従来の連続体仮定に基づく流体力学は適用できないため、気体論によるアプローチが採られた。得られた成果は以下のとおりである。1.微小系における流れの特性(場の変動量が小さい)を考慮に入れて、気体論の基礎方程式であるボルツマン方程式の代わりにその線形化方程式を解析の基礎とした。線形化方程式を扱うことにより、まず、気体の輸送係数(粘性係数、熱伝導係数、拡散係数、熱拡散係数)の精密なデータベースを作成した。また、これを用いて、汎用のソーニン多項式展開による近似公式の信頼性を評価した。2.線形化方程式を差分法により直接的に数値計算するために、複雑な衝突積分項を精度良く、高速に処理する数値積分核法を開発した。これはもともと80年代末に単一成分気体に対する解析法として研究代表者の属する京都大学の研究グループで開発されたものである。本研究により、同方法が混合気体の場合へ初めて拡張された。3.上記2で拡張された数値積分核法を用いて、混合気体に特有の現象である「拡散すべり流」の数値解析を行い、この問題の標準解として十分な精度の数値解を得ることに成功した。これは、汎用の確率論的手法であるDSMC法では到底達成できないものである。なお、この成果については2000年7月にオーストラリア国シドニー市で開催される希薄気体力学国際会議で発表する予定である。本研究では,混合気体に対するボルツマン方程式の直接的な数値解析法の開発・確立とそれを応用した拡散すべり流の解明にある.本年度は,そのための基礎として,ボルツマン方程式の衝突積分の数値的構成法を確立した.すなわち,まず,衝突積分の混合気体に特有の特徴をつかむため,これがやや縮退した形で現れる数種の積分方程式の数値解析を行った.これらの積分方程式の解からは,流体力学のレベルで混合気体を取り扱う際に必要な輸送係数(粘性係数,熱伝導係数,拡散係数,熱拡散係数)を導くことができる.これらの係数については,これまでソーニン多項式展開に基づいた(高々4項までの)近似解しか導かれていないため,これらの係数の高精度データベースを構築し,上記の近似解の精度検討も行った.続いて以上の準備の下で,本来のボルツマン方程式の衝突積分の数値的構成に着手した.本研究では,ボルツマン方程式の差分解法を想定しており,そのため,格子点上でのみ離散的に与えられた速度分布関数の情報から衝突積分を精度良く求めなければならない.そのための方法として,ここでは既に単一成分気体で実績のある数値積分核法を混合気体の場合に拡張した.すなわち,衝突積分を,格子点上の速度分布関数データと速度分布関数には依存しない数値的積分核との積で表現する.後者は,具体的問題の解析とは無関係に独立に準備しておくべきデータベースである.現在,数値的積分核の構築に際する技術的難点は基本的に解決しており,そのデータベースを構築中である.本研究は、微小系における混合気体の振舞いを理解する足掛かりを得ることを目的に行われた。
群馬県師範学校史料にみる科学教育と群馬県女子師範学校の郷土教育

群馬県の明治初・中期の科学教育を群馬県師範学校史料・明治期教科書・『上野教育会雑誌』・県内個人資料などから研究した。群馬県と新潟県で発見された『物理筆記』を中心に後藤牧太らの『小学校生徒用物理書』の使用状況を探った。明治中期の群馬県科学教育に貢献したのは、群馬県師範学校で滝沢菊太郎ら第一世代の薫陶を受けた、第二世代の教師群、小林晋吉・根岸福弥などであった。彼らは東京高等師範学校に進み、後藤牧太の教えも受けている。後藤牧太らの簡易実験を中心に国際会議で発表し好評を得た。群馬県女子師範学校生徒の残した郷土研究論文の整理・調査をした。明治45年から昭和25年まで、621通が現存している。1.教科書『小学校生徒用物理書』の使用実績解明への糸口中之条町の歴史民族資料館に残された伊能せうさんの物理筆記の解明を継続。2.明治期群馬県師範学校の物理教師達の簡易実験とは群馬県師範学校で、滝沢菊太郎らの第一世代の薫陶を受け、さらに東京高等師範学校に進んで、後藤牧太の教えを受けた、第二世代の教師群、小林晋吉、根岸福弥などに着目した。彼らが群馬県下でどのように簡易実験を展開したのか、雑誌『上野』に掲載されている論文から検証を始めた。3.群馬大学主催理科体験教室「群馬おもしろ科学展」への参加「群馬おもしろ科学展」は、2007年8月9-14日に、群馬大学地域貢献事業として高崎高島屋にて開催された。我々は「帰ってきた明治おもしろ理科実験」として参加した。子供たちの感想に、「昔の人は頭がよかったんだなぁと思った」というのがある。10歳前後の彼らに、時代を意識させることができれば、理科の着想も豊かなものになるのではないかと思う。4.物理教育国際会議への参加2007年11月11-16日に、モロッコのマラケシュで開かれた物理教育国際会議に参加した。簡易実験をテーマに講演した。参加者にはアフリカ、インド、東南アジア、ブラジルなどからの人々が目立っていた。明治期の簡易実験は、非常に彼らの興味を引いた。彼らの教育的に飛躍したい思いを刺激したように見えた。5.群馬県女子師範学校の郷土研究とは何であったか群馬大学図書館の特珠資料室に眠っていた、数百通のレポート及び卒業論文を年代順にまとめることができた。それは、明治45年の夏、大正元年へと移るまさにそのときに、始まる。ついで、昭和4年に師範学校に郷土室設置の予算がついたときに、地理歴史科主任の野々山源治先生主導のもと、全校生徒の研究テーマとなった。野々山先生亡き後、村木定雄先生の主導で、卒業論文として研究が継続された。生き生きした筆致で綴られる生徒の自然、社会、人事にわたる郷土研究は必見の価値がある。平成20年度の最も大きな出来事は、外部からやってきた。一つは平成18年に我々が群馬県吾妻郡中之条町で発見した明治期の『物理筆記』に匹敵する筆字ノート、同名の『物理筆記』の情報が、日本物理学会誌平成20年11月号に載せられたことである。もう一つは平成20年秋に群馬県桐生市の旧家が、明治22年同家に寄贈された文部大臣榎本武揚の篆額に刻まれた文章を公開したことである。我々は明治期教科書研究会として継続的に各人がテーマを掘り下げているが、そこに大きなプレゼントをもらった形になった。その関連で、2009年2月14日にシンポジウムを企画した。ラーマは「特異点から透かし見る先人達の科学教育の実像」とした。我々は今まで明治期教科書から先人達の科学教育を洞察し、また、明治以降の科学教育の流れを考察してきた。今回のシンポジウムは、140年に及ぶ時間の中で、科学教育を受けた側からの記録と記憶を垣間見るような形をとることになった。シンポジウムでは名古屋大学名誉教授の木村初男氏と、大阪で教科書総合研究所を主宰している吉岡数子氏を特別講師として招いた。木村初男氏は新潟県の『物理筆記』発見者であり、日本物理学会誌への投稿者である。吉岡数子氏は教科書収集者として知られているが、今回は氏の満洲において受けた国民学校教育について語ってもらった。内地に帰国してから受けた教育と比して科学的であったと感ずるゆえんに触れてもらった。さらにこのシンポジウムには日本大学の研究グループが片山淳吉、宇田川準一を視野に参加発表してくれたので、120年前以前の科学教育にも話題が及んだ。

群馬県、群馬大学を中心とした明治期教科書研究会が、一回り大きな舞台に飛躍した感があった。文部大臣榎本武揚の篆額には、桐生市の森山芳平父子がいかに近代的染色法を学び、それを元に桐生市における絹産業に貢献したかが書かれている。その文章中に県の医学校の化学士小山健三に学んだとあるが、その人が著した本が群馬大学図書館に存在するのである。ここでも、歴史的な時間が現代と交錯する瞬間に出会うことになった。このテーマは今後に発展が見込まれる。群馬県女子師範学校郷土研究の表題目録と論文選をまとめている。現在校正中であり間もなく出版の予定である。*展示会の開催群馬県女子師範学校の生徒が残した郷土研究論文の展示会を行うことを今年度の主要なテーマとした。場所は前橋プラザ元気21の1階ホール。期間は12月37日、時間は10:0018:00。前橋市の管理下にあり、半年前の予約受付開始と同時に申し込んだ。論文は明治45年から昭和25年に作成されたものである。論文の執筆者には事前にはがきで連絡した。また『群馬文化』の差し込みとして一月前に、新聞の差し込みとして直前にちらしを入れた。上毛新聞が12月4日に記事を載せてくれた。当日は92歳を筆頭として、70代、80代の関係者が、寒い中を訪問してくれた。我々は当時のことをたくさん、聞き取り調査することができた。訪問者は延べ200人であった。*図書出版『郷土研究論文目録と論文選』を出版した。明治45年から昭和25年に残された論文につき、群馬大学図書館に現存するもの全ての目録を冊子にすることができた。総数は621であった。特に、明治45年のものは和紙に筆字書きであった。このうち五つを写真と活字で示した。上述の展示会で希望者に配布するとともに、関係者に郵送した。大変好評であり、クラス会で配りたいので、10数冊ほしいという連絡もあった。*簡易実験の報告明治における簡易実験もさることながら、現代における簡易実験も学生の科学に対する興味を喚起するものとして有用である。それを、タイのバンコクで行われたICPE2009において発表した。*暢発学校の調査明治6年から9年まで存在した師範学校の実像を模索した。
高次捕食者をモデルとした北方海洋生態系多次元モニタリングネットワークの構築

北方海洋生態系を広く回遊し,摂餌を行っている海鳥や海棲哺乳類などの高次捕食者をモデルとして,様々な計測機器や分析によりモニタリングを行った.各種において回遊や摂餌生態は個体・地域によって様々であり,このような違いが繁殖成功や生残を左右する可能性が考えられた.また,高次捕食者の生態を通じて,海洋生態系の変動を捉えることができた.今後もモニタングを続けていくことで,我々の目には見えにくい海の中での生態系変動を把握することができるようになるだろう.北方海洋生態系を広く回遊し,摂餌を行っている海鳥や海棲哺乳類などの高次捕食者をモデルとして,様々な計測機器や分析によりモニタリングを行った.各種において回遊や摂餌生態は個体・地域によって様々であり,このような違いが繁殖成功や生残を左右する可能性が考えられた.また,高次捕食者の生態を通じて,海洋生態系の変動を捉えることができた.今後もモニタングを続けていくことで,我々の目には見えにくい海の中での生態系変動を把握することができるようになるだろう.本研究は,広域に回遊する高次捕食者をモデルとして,多次元計測によるモニタリングネットワークの構築を目指すものである.極東ロシアの繁殖地から摂餌のために北海道へ来遊し,沿岸の岩礁帯に上陸するトドを音響テレメトリーシステムで長期間追跡するため,鰭に装着可能な音響フリッパータグを開発した。一方,日本近海への摂餌回遊中,上陸しないキタオットセイについては,その分布と海洋環境とをあわせて生息地モデルを構築するため,船上からの目視を行った.また,回遊経路を追跡するための衛星発信器装着を目的として,海上捕獲のための準備を行い,北海道大学練習船を用いて2月に日本海において実際に捕獲を試みた.南太平洋から日本近海,オホーツク海,北太平洋へと広く回遊するハシボソミズナギドリの繁殖地であるオーストラリアにおいて,光センサ搭載型記録計(ジオロケーター)を装着し,北太平洋やオホーツク海への渡り行動の詳細を収集した。さらに,北方海洋生態系をモニタリングするための国際的なネットワークを確立するため,"Russia-Japan ecosystem research:ecology of marine animals and tracking techniques"と題したシンポジウムを北海道大学函館キャンパスにおいて2011年2月に開催した.本研究の研究協力者であるカムチャッカ太平洋研究所Vladimir Burkanov博士,アラスカ大学フェアバンクス校のAndrews教授を招聘した他,国内の研究者4名を講演者とし,日本とロシアを行き来するトドやオットセイ,アザラシ,海鳥などについての生息状況や,これまでの研究成果についての発表がなされた.温暖化などの環境変動が心配される今日,北方海洋生態系を保全し,持読可能な利用を確保することが重要な課題となっている.この課題を克服するためには,北方海洋生態系を共有する各国の協力が必要となる.特に,生態系変動を計測するためのモデルとして,近年注目されている海棲哺乳類や海鳥類などの高次捕食者は,日本近海を摂餌海域とし,極東ロシア島嶼海域を繁殖海域としていることから,各海域における情報をネットワークで共有することにより,生態系モニタリングを行うことが必要となる.本研究では,国境を越えて広域に回遊する高次捕食者をモデルとして,発信器,データロガーおよび音響テレメトリーなどの多次元計測によるモニタリングネットワークを構築することを目指して研究を行っている.本年度は,極東ロシア島嶼海域において鰭脚類,オーストラリアのタスマニア島において海鳥類の調査を行った.国内では,北海道においてトドおよびゴマフアザラシ衛星発信器を装着し,北海道からロシアまでの回遊を追跡した.また,タスマニアにおいてハシボソミズナギドリに光センサを搭載したロガー(ジオロケーター)を装着し,オーストラリアからオホーツク海やベーリング海への長期回遊行動を追跡した.さらに,実際に高次捕食者が食べていた餌情報を得るために,オットセイの胃内容物および安定同位体による摂餌履歴解析を行った.また,餌生物の長期変動を明らかにするため,195080年代に北海道沿岸で行われたオットセイ捕獲調査によって得られた胃内容物を分析した.これらの結果については,国内や海外での学会で発表したほか新聞・テレビに報道された.本研究は広域に回遊する高次捕食者の環境応答に着目して多次元のモニタリングネットワークを構築し,生態系の変動を計測するものである.北方海洋生態系は,我々に豊かな恵みを与えて来たが,温暖化による海氷減少などの環境変動によって影響を受けており,その影響は低次生産者から高次捕食者へと及んでいる.このような状況において,持続可能な利用の方向性を定めるためには,北方海洋生態系の持つ生産力や,生物の環境応答システムを明らかにすることが必要である.そこで,本年度も引き続きトドやゴマフアザラシ,ハシボソミズナギドリなどの高次捕食者に動物装着型記録計を装着し,回遊を追跡して生態系モニタリングを行った.この結果をGISで解析することにより,水温やクロロフィル濃度などの海洋物理環境と高次捕食者との相互作用を明らかにした.さらに,高次捕食者の長期的な摂餌履歴を得るために,キタオットセイの安定同位体分析を進めてきたが,分析に必要なヘリウムガスが世界的に不足しており,分析を予定通りの行うことができなかった.分析は年度末までに終了したため,今後結果を精査する.本研究では,当初の計画通り,ロシアやアメリカ,オーストラリア,イギリスなど,各国の研究者と協力して共同研究を行うことができ,ネットワークを構築できた.得られた結果については,国内や海外での学会で発表したほか新聞・テレビに報道された.現在は投稿論文を準備中である.

本研究では,北方海洋生態系を利用する高次捕食者に動物装着型記録計を装着して生態系モニタリングを行っており,当初の計画通り,ロシアやアメリカ,オーストラリア,イギリスなど,各国の研究者と協力して共同研究を行うことができ,ネットワークの構築がされている.24年度が最終年度であるため、記入しない。ロシアヘの小型機器持ち込みに関する許可が得られなくなり,日本周辺やオーストラリアなどで機器の装着を進めている.今年度は最終年度であるため,各研究者の成果を持ち寄り,ワークショップを行う予定である.24年度が最終年度であるため、記入しない。
対人コミュニケーションにおける視聴覚統合の役割

対人コミュニケーションにおける話し手の表情と音声という視聴覚情報の相互作用について,音声映像非同期の知覚とその影響を指標に,実験心理学的手法による実証的研究を行ない,非同期知覚への文化的要因の関与,発話文の意味の関与,主観的音量知覚の変化などの知見を得た。また音声コミュニケーションにおける視覚情報(話者の表情)の貢献を検討した実験からは,視覚情報利用に個人差があること,表情の誇張が必ずしも視聴成績向上につながらないことなどを明らかにした。動画像における映像と音声の時間同期の問題は,いわゆるリップシンク(lipsync)と呼ばれ,テレビ放送の品質評価,品質保証の観点から研究されてきた。赤井田ら(1997)はアナウンス映像と,打楽器演奏の2種類について評価実験を行ない,アナウンスの場合,映像・音声の非同期(ズレ)の知覚閾(検出閾)は,音が先行した場合46ms,映像先行で122msであることを示し,これを基にITU-Rの勧告がまとめられた。近年では,映像・音声の非同期を自動的に補正するシステムも開発され,放送技術の問題としてのリップシンクは一応の解決をみたと言える。しかし,認知科学の視点からみると,この現象には未だ解明されていない問題が残されており,それを研究することは,ヒューマン・コミュニケーションにおける視覚情報の役割や,視聴覚情報の統合を理解する上で重要な知見を提供するものと考えられる。2008年度の研究目標は(1)聴覚情報と視覚情報の非同期が対人コミュニケーションに及ぼす影響を確認するために,日本語音声・日本人話者を用いた映像を用いて非同期の閾値を測定することと,(2)2009年度以降の研究に向けて標準的実験環境を整備し,実験装置および測定機器に求められる仕様を確認することであった。非同期閾測定に付いては,日本語音声・日本人話者による市販の映像を用いて,恒常法により非同期の閾値を測定し,映像遅れでは1フレーム,音声遅れでは9フレームという値を得た。この結果は音声遅れと映像遅れで非同期閾値が非対称になるという先行研究と一致し,従来の評定尺度法による測定に加え,より厳密な恒常法を用いた測定でも,非同期閾値の非対称性が確認されたことになる。また標準的実験環境の決定と整備については,帝京大学の実験室に2台の簡易防音機能を有するブースを設置し,本研究に充分な性能を持つコンピュータおよびグラフィックカードを選定して配備した。メディア教育開発センターの実験室にも同様の実験環境を設営した。観察者の顔面位置を固定する顎台や観察距離については,今後とも若干の調整が必要だが,基本的な実験環境の標準仕様を決定することができた。参加者頭部に固定した小型赤外線ビデオカメラと顔面に貼付した小型マーカーを組み合わせることで,発話時の顔面細部の動きを動画像として録画可能であること,その画像をモーショントラッキング・ソフトウェアで分析し数量的データを得ることが可能なことを確認できた。以上2008年度の研究成果は,2009年度以降の研究計画を支障なく進展させられることを保証できた意味で重要である。2009年度の研究目標は,(1)何種類かの外国語について映像音声非同期の閾値を測定することと,(2)外国人話し手による実験用標準映像を製作することであった。(1)については,日本語の他,米語,ロシア語,韓国語について,それぞれを母国語とするキャスターが話すニュース番組映像を,日本人参加者に視聴させ非同期閾値を測定し,ロシア語は画像が遅れても同時判断の確率が他の言語程低下せず,反対に音声遅れに対しては他の言語よりも少ない遅延量で同時判断の確率が低下した。(2)については,一般的日本人話し手と,コーカソイド的相貌を有する日本語を母国語とする話し手が,音声学的要因を統制した日本語文章を読み上げるビデオ素材を製作し,相貌が映像音声非同期知覚に与える影響を検討した。実験では唇部分を遮蔽した条件,唇以外の部分を遮蔽した条件なども含めて検討したが,相貌による非同期知覚への影響は顕著ではなかった。今年度の後半から,映像音声非同期による主観的音量知覚の変化という現象について実験を開始した。これは当初計画には含まれない課題であり,実験中に偶然発見した現象であるが,個人差は大きいものの再現性が確認され,世界的にも研究例が見当たらないため,新たな研究課題に取り上げることにした。その結果,日本語では非同期時に知覚音量が低下し,特に映像が遅れると,それは顕著に現われるが,韓国語,米語,ロシア語では知覚音量に非同期の影響は生じなかった。そこで,(2)で作成した映像のうち,通常の日本語と,それを逆転再生したもの,無意味綴を話させたものを用いて,非同期時の知覚音量低下を測定したところ,逆転再生だけが,非同期の影響を受けなかった。2010年度の研究目標は,(1)相貌と言語が非同期知覚閾に及ぼす影響を測定することと,(2)非同期知覚の馴化と学習の課程を明らかにすることであった。

1.相貌と言語が非同期知覚閾に及ぼす影響の測定昨年制作した一般的日本人話者とコーカソイド的相貌を有し日本語を母国語とする話者が日本語文章を読み上げるビデオ映像を用い,音声と映像を非同期させて,その検出閾,理解度などを心理物理学手法を用いて測定した。昨年度より参加者を増やし,実験精度を向上させて追試を重ねたが,予想に反して相貌が非同期知覚に与える影響は見出されなかった。これに基づき,相貌要因の追究を打ち切り,有意味性と非同期ちかくの関係を明らかにすべく,日本語の発声訓練を受けた男女の話者に,話す速度を一定にして,音声学的要因を統制した通常の日本語文章,日本語音素を無作為に配列した無意味な文を読み上げさせて新たなビデオ素材を製作した。2.非同期知覚の馴化と学習の課程の解明昨年度の研究で新たに発見した,主観的知覚音量の変化について,参加者数を増やして実験を行い,この現象の一般性を確認することができた。また,新たに音声・映像非同期が音源定位の及ぼす変化に着目し,これを実験的に確認した。本年度は,以下の研究を実施した。・音声映像非同期が,主観的に知覚される音量に影響を与える現象:聴覚情報である音声と,視覚情報である,発声時の唇の動きが同期していないと,主観的に知覚される音量が低下するという現象は,本研究課題の一連の研究のなかで新たに発見された現象であり,本年度は実験参加者数を増やし,刺激のステップを改善して更なるデータを収集した。・非同期知覚と言語,相貌の関係:非同期知覚に及ぼす言語的特徴の効果について,日本語,日本語音素からなる無意味な文,通常の日本語文を逆転したもの,を比較し,非同期知覚および,そこで生じる主観的音量変化との関係を実験的に検討した。加えて,他者の発話場面と,自分自身の発話場面の非同期知覚を比較し,事例は限られるものの,女性に於いてのみ,自分自身の映像を視聴する方が非同期検出閾が低下することが見出された。・音声知覚に貢献する顔面部位の同定:マーカーを貼付せずに特徴点の動きを検出できる実験システムを新たに開発し,唇周辺の特徴点の動きを0.0倍,0.4倍,1.0倍,1.5倍の4段階に変え,音声にノイズを重畳して,聞き取りの正確さを評価した。その結果,顔面の動きが聞き取りに貢献する程度には著しい個人差が存在することが明らかになった。
先見的安定性を考慮した国際環境協定の理論分析

複数の国が関与する越境汚染問題の解決に向けては国家間の自主的交渉による国際環境協定の締結が不可欠である.これまで,ただ乗りのインセンティブが生じない安定的な協定のデザインは困難であるという結果が得られているが,従来の研究における安定性の概念は,プレイヤーである個別の国が近視眼的で自分の協定加盟または離脱行動により他国の行動が影響を受けることを考慮しないという,若干非現実的な仮定にもとづいている.本研究においては,各国が先見的(farsighted)であり,自分の行動がもたらす影響を長期的に考慮するという仮定のもとで,いくつかの関連研究に依拠しつつ「先見的安定集合」の概念を定義し,多数の国からなる協定が先見的安定集合に属するようなふさわしいルールについて明らかにすることを目的とする.第2に,具体的なケースにおける先験的安定集合の試算を行った.上記の定義を用いて各国の汚染削減にともなう費用および便益が削減量に比例するという単純なケースについての検討を行い,各プレイヤーが近視眼的な予想のみを行うという仮定のもとでの結果と比較してはるかに大きなサイズの協定が先見的安定集合に属することを明らかにした.当初の計画において1年目にすることを想定していた,先行研究の整理や単純なケースでの解の導出などを行うことができたため,おおむね順調に進んでいると判断される.現状で目にみえる成果は公表していないが,2019年度中には論文の形でまとめる予定である.1年目の結果を発展させて,さらに現実的な仮定のもとで先験的安定集合の検討を行う.具体的には,国の非対称性を考慮すること,汚染物質の蓄積など動学的要素を考慮することなどが考えられる.それと並行して,現実のデータを収集し,欧州で類似の研究をしている研究者との交流も積極的に行う.複数の国が関与する越境汚染問題の解決に向けては国家間の自主的交渉による国際環境協定の締結が不可欠である.これまで,ただ乗りのインセンティブが生じない安定的な協定のデザインは困難であるという結果が得られているが,従来の研究における安定性の概念は,プレイヤーである個別の国が近視眼的で自分の協定加盟または離脱行動により他国の行動が影響を受けることを考慮しないという,若干非現実的な仮定にもとづいている.本研究においては,各国が先見的(farsighted)であり,自分の行動がもたらす影響を長期的に考慮するという仮定のもとで,いくつかの関連研究に依拠しつつ「先見的安定集合」の概念を定義し,多数の国からなる協定が先見的安定集合に属するようなふさわしいルールについて明らかにすることを目的とする.第2に,具体的なケースにおける先験的安定集合の試算を行った.上記の定義を用いて各国の汚染削減にともなう費用および便益が削減量に比例するという単純なケースについての検討を行い,各プレイヤーが近視眼的な予想のみを行うという仮定のもとでの結果と比較してはるかに大きなサイズの協定が先見的安定集合に属することを明らかにした.当初の計画において1年目にすることを想定していた,先行研究の整理や単純なケースでの解の導出などを行うことができたため,おおむね順調に進んでいると判断される.現状で目にみえる成果は公表していないが,2019年度中には論文の形でまとめる予定である.1年目の結果を発展させて,さらに現実的な仮定のもとで先験的安定集合の検討を行う.具体的には,国の非対称性を考慮すること,汚染物質の蓄積など動学的要素を考慮することなどが考えられる.それと並行して,現実のデータを収集し,欧州で類似の研究をしている研究者との交流も積極的に行う.
ヒト造血幹細胞の可塑性を用いた非造血組織疾患の治療と免疫不全ブタを用いた再生型人工組織の作製

ヒト造血組織由来細胞の生体における分化能力を、以下の二つの手法を用いて解析を行った。まず、臨床の造血幹細胞移植の症例を用いて、男性ドナーから女性レシピエントへの性不一致移植を行った場合、女性レシピエントに男性由来(Y染色体陽性)の非造血細胞が存在するかについて解析を行った。これまでの報告において、女性レシピエントに存在するY染色体陽性の細胞が、経産婦の症例であれば、ドナー細胞由来ではなく、男児由来のマイクロキメリズムである可能性が指摘されてきたため、未産婦のレシピエント症例のみを検討した。その結果骨髄、臍帯血、末梢血いずれを幹細胞のソースとした場合にも、消化管上皮細胞の再生に関わる細胞がこれらの組織中に存在した。ドナー由来上皮細胞の頻度は、同種レシピエントの組織において0.4%1.9%で認められた。次に、臍帯血および骨髄由来CD34陽性細胞を重症複合免疫不全マウスの新生児期に移植して、レシピエントマウスおいてヒト消化管上皮細胞の再生を検討した。ヒト臍帯血および骨髄由来CD34陽性細胞から、サイトケラチン陽性の胃・小腸粘膜上皮細胞およびインスリン陽性膵β細胞が再生された。さらに、ヒトおよびマウスの種特異的セントロメアプローブを用いたdouble FISH法を同一切片に対して施行したところ、膵臓においては、分化による再生を示唆するヒト染色体^+マウス染色体^+の細胞と、細胞融合による再生を示唆するヒト染色体^+マウス染色体の細胞がほぼ同じ比率で混在した。一方、小腸粘膜上皮細胞においては、ヒト染色体^+細胞の全てがマウス染色体を持たない、すなわち分化を示唆する細胞のみであることが判明した。以上より、ヒト造血組織(臍帯血、骨髄、末梢血)に内胚葉系組織の再生に関わる細胞が含まれるが、その機序は組織によって異なる可能性が考えられた。循環器領域の再生について血管新生の臨床応用が末梢血管病変でも虚血性心疾患においても進められているが、心筋の再生については基礎的検討も不足している。そのため、われわれは骨髄細胞による心筋の再生の可能性について解析した。その結果、われわれは表面抗原においても形態上(細胞の大きさ(30-90μm)、核の性状(1-2核))も、内在性の心筋細胞と区別できない、骨髄由来の心筋細胞を認めることができた。さらに、骨髄細胞による傷害心における再生能力を検討するため、心腔穿針による傷害モデルを作製したところ、骨髄細胞由来心筋細胞は、傷害のないレシピエントの心組織と比較して多数認められ、3次元的解析においては傷害部位を中心とした骨髄細胞由来心筋細胞の分布があきらかとなった。これらの骨髄由来心筋細胞について、単細胞レベルで収縮能力を評価したところ良好な収縮効率を示した。さらに、ヒト臍帯血を移植することで、免疫不全マウスの心組織において、ヒト心筋細胞を認めた。さらに、これらの心筋細胞の産生のメカニズムを解析することに成功した。現在、小動物での結果が、大動物においても認められるかについて、大動物モデルを作成中である。一方で、われわれは免疫不全マウスの体内において、ヒト造血幹細胞の定量的解析および純化を行ってきたが、心筋再生に必要な幹細胞の同定を並行して進めていく方針である。
ソフトマターにおける構造と輸送の動的結合

ソフトマターの多様な分子構造と様々な内部自由度との動的結合により、新しいナノ構造が創られたり、特異な輸送現象が励起されることを、理論・実験の両面から探求した。理論的には、非平衡伝搬パターンに対する外力による引き込み、フィードバック効果に対する理論などを進展させた。また、DNAなどを対象として半剛直高分子鎖の粘弾性理論を作った。さらに、自己推進するソフトマター系のモデル方程式を導入し、内部自由度の構造と運動が結合することに起因する様々な動的形態を明らかにした。実験的には、配向秩序変数の空間変化による分子マニピュレータの原理を考案し、試作器を作成して蛍光高分子を集めることに成功した。また、穴あきラメラネマティック(PLN)相や、流動誘起SmC-SmA相転移を発見した。本研究課題では、内部自由度の運動や輸送によって階層構造を発現するソフトマターにおいて、非平衡性としての"運動"と"構造"の動的な結合のメカニズムを、理論・実験の両面から明らかにする。すなわち、外場によるメソスコピック構造の非線形応答、非線形粘弾性や、メソ構造とゲスト粒子との相互作用を調べることにより、新しい構造の探求、階層性をもつダイナミクスの普遍性を解明することを目的としている。理論グループはミクロ相分離構造形成、脂質2重膜小胞のダイナミクスなどの研究を行った。前者の研究では、構造間転移のキネテックスを体系的に調べ、転移の途中で様々な中間構造が現れることを理論的に示した。対応する実験は長谷川博一(京大工)らによって、ごく最近、報告されている。後者の研究では宝谷らの実験を説明することに成功した。また、非平衡系の自己組織構造形成の典型である、いわゆる、チューリング不安定性でもミクロ相分離構造と同等な、あるいは、もっと多彩な共連結構造が発現することを計算機シミュレーションで確認した。実験グループでは、下記の項目について研究をスタートしそれぞれ新しい知見を得た。1.高分子安定化ブルー相のダイナミクス:高分子安定化の手法を用いて凍結されたブルー相のダイナミクスを研究し、メゾスケールの相構造が凍結されているにも関わらず、内部の液晶秩序の揺らぎは元来のブルー相のそれとほとんど変化しないことを見出した。2.トポロジカルガラス:ある種の階層的な構造を持つ液晶秩序が、自発的に過冷却する現象を研究し、この際内部の運動モードの1つが、一般的なガラス転移点近傍と同じように、スローイングダウンすることを見出した。しかしながら、通常のガラス化と異なり、局所的な分子の拡散運動は全く自由であることを、X線回折、蛍光退色回復法で証明した。3.ミクロ微界面のガラス化を利用したナノ自己組織構造の可逆なメモリとイレース:ミクロ相分離した微界面に局在的に起こるガラス化を利用して、ナノ自己組織構造をメモリしたり、イレースしたりする原理を考案して、そのプロトタイプとなるリアルな系を見出した。高分子共重合体のミクロ相分離の理論研究では、ジャイロイド構造とラメラ構造との境界の構造を理論解析し、数値シミュレーションで界面の時間発展を調べた。この成果は今後、3次元トモグラフィーによる実験と比較し、発展が期待できる。実験的には、ナノ構造の微界面上に局在する運動に着目し、熱力学的に安定化されるマクロな"相"の構造・安定性と、内部の微視的な運動・応答性との関係を、自在に連結・切断・制御することを目的として研究した。すなわち、微界面に局在する特定の分子の運動を、ガラス化や高分子化により凍結したり、光官能性分子を光励起して融解することで、マクロな相構造を自在に過冷却したり融解させることができる。このメカニズムにより、トポロジカルガラスや高分子安定化プルー相といった現象を理解できるが、このとき微視的な分子の運動性には全く変化が現れない点が、新しい"凍結・融解状態"の特徴である。非平衡ソフトマターとしての研究では、非平衡環境下でのべシクルの収縮ダイナミクスにおいて、ベシクルが小さくなったとき、穴が生じる待ち時間が長くなる現象を、ベシクル脂質分子と環境との化学反応キネテックスによって説明した。本研究課題では、内部自由度の運動や輸送によって階層構造を発現するソフトマターにおいて、非平衡性としての"運動"と"構造"の動的な結合のメカニズムを、理論・実験の両面から明らかにすることを目的としている。すなわち、外場によるメソスコピック構造の非線形応答、非線形粘弾性や、メソ構造とゲスト粒子との相互作用を調べることにより、新しい構造の探求、階層性をもつダイナミクスの普遍性を解明する。本年度は、理論的に(1)特異なトポロジー構造をもつジャイロイドの粘弾性理論を発展させた結果、ドメインの変形とそれに伴う濃度の緩和によるレオロジーを明らかにした。