hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
特異的言語発達障害児等の補助ストラテジーに関する心理言語学的研究

本研究の目的は特異的言語発達障害(Specific Language Impairment,以下SLI)、発達性読み書き障害、吃音、の子どもが用いる補助ストラテジーの特徴を明らかにすることであった。本研究の結果、SLI児についてはアスペクトや時制辞の産出、受動文の理解などの際に独自の方略を使用していることが確認できた。しかし、補助ストラテジーを捉える方法の開発ができず、いずれの障害種についても、補助ストラテジーそのものの特徴を明確にすることはできなかった。我が国において研究が遅れており、指導法の開発が急務となっている言語の障害として、特異的言語発達障害(以下SLI),発達性読み書き障害、吃音がある。これらの障害がある子どもたちは、その障害を補うために自ら工夫した独特の方略(以下、補助ストラテジーと呼ぶ)を用いることが知られている。しかし、補助ストラテジーを研究対象として体系的な研究を行い、それを手がかりとして障害メカニズムや指導法の開発に取り組んだ研究は筆者の知る限りない。本研究の目的は、SLI、発達性読み書き障害、吃音、の子どもたちがそれぞれ用いる補助ストラテジーの特徴を心理言語学の知見を用いて明らかにすることである。今年度はSLIについてはアスペクトに視点をあてた。英語圏等ではSLI児はアスペクトの獲得に困難を示すと言われている。対象児は5年以上にわたって我々が縦断研究を行ってきた15歳の女児と11歳の男児であった。本研究の結果、日本語を母語とするSLI児もアスペクトの獲得に困難を示し、文完成課題においては、過去を示す副詞等に着目した独特の補助ストラテジーを用いることなどが明らかになった。この研究結果はオスロで6月に開催された国際学会(The 13^<th> Meeting of the International Clinical Linguistics and Phonetics Association)で発表した。この学会での発表を中核とした論文がAsia Pacific Journal of Speech, Language, and Hearingに掲載された(Ito, et al., 2011)。発達性読み書き障害との関係では、日本語を母語とする幼児が、読みが未熟な段階で行う逐字読みに着目し、逐字読み段階の幼児の読みは、アクセント型の影響を受けることを明らかにした。吃音については、音声移行が発話の困難さに有意な影響を及ぼすのは語頭音節のみであり、2音節以降は有意な影響を及ぼさないことを明らかにした。発達性読み書き障害と吃音についてのこれらの結果はいずれも上記の国際学会で発表された。逐次読み段階の幼児の読みについての発表は前述の雑誌に掲載された(Sakono, et al., 2011)。本研究の目的は、我が国において特に研究が遅れており、指導法の開発が急務となっているSLI、発達性読み書き障害、吃音、の子どもたちがそれぞれ用いる補助ストラテジーの特徴を心理言語学の知見を用いて明らかにすることである。本研究は3つのチームに分かれて行われている。今年度は各チームとも補助ストラテジーの産出を促す言語課題を実施することになっていた。各チームにおける本年度の研究実績の概要は以下のとおりである。1.SLI(特異的言語発達障害)チーム(伊藤・福田真二.福田スージー)SLI児2名の縦断研究を継続するとともに、国際学会において、SLI児に観察されたcreative errorsに関する報告を行った。さらに、この2名のうちの1名にみられた受動文獲得過程の補助ストラテジーに関する論文を学会誌に投稿し、掲載された。しかし、補助ストラテジーの産出を促す言語課題の開発はできなかった。2,発達性読み書き障害チーム(伊藤・迫野)国際学会においてフット(Foot)の構造が幼児の読みに及ぼす影響について報告した。また、日本の学会誌に、幼児の読みに及ぼす音節量構造の影響に関する論文を2本投稿し、いずれも掲載された。さらに、読みが未熟な幼児における非語の復唱の特徴について国内の学会で報告した。しかし、補助ストラテジーを引き出しやすい言語課題の作成までには至らなかった。3.吃音チーム(伊藤.島守)国際雑誌に吃音児の音声移行に関わる論文を投稿し、掲載された。また、国際学会において吃音児の発話や読みに及ぼす語の長さの影響について発表した。国内の学会では音声学的特徴の吃音頻度への影響について発表した。しかし、吃音児の補助ストラテジーを引き出す課題は作成できなかった。本研究の目的は我が国において指導法の開発が急務となっている特異的言語発達障害(Specific Language Impairment,以下SLI)、発達性読み書き障害、吃音、の子どもたちが用いる補助ストラテジーの特徴を心理言語学の知見を用いて明らかにすることであった。昨年度の検討の結果、各障害とも、補助ストラテジーそのものを引き出す課題の作成が困難であることが明らかになった。

そのため、今年度は、各障害について、語レベルと文レベルの処理を検討し、その結果を補助ストラテジーとの関係で考察することにした。本研究は初年度から3つのチームに分かれて行われてきた。今年度は、SLIチームは文レベルの処理を検討した。SLI児2名の縦断研究を継続するとともに、この2名における格助詞の誤用の特徴を、構造格・内在格という視点から検討した。その結果は国内の学会誌に掲載された。構造格の格助詞の誤用についてはさらに詳しく検討し、その結果を国内の学会で発表した。発達性読み書き障害チームは語レベルの処理を検討した。読みが未熟な幼児における非語の復唱の特徴をSLI児と比較し、その結果を国内の学会で発表した。吃音チームは文レベルと語レベルの処理を検討し、国際学会において、1)学齢期の吃音が文の最初の語で生じる傾向があるかどうか、2)一語発話において形態論的複雑さが学齢期の吃音頻度に影響するかどうか、3)非吃音児における非流暢性の発生がsyntax spurt現象と関係するかどうか、について発表した。また、国内の学会においては、学齢期の吃音児を対象として、1)音読と呼称の困難さの比較、2)語の処理と句の処理における高頻度群と低頻度群との比較、3)幼児2例に生じた吃音症状の生起位置、について報告した。これまでの2年間の研究で、SLI児においては補助ストラテジーの研究がある程度進展した。しかし、それは、SLI児が自ら補助ストラテジーを言語化する場面に偶然遭遇したことによるものであった。SLI、吃音、発達性読み書き障害、それぞれにおける、補助ストラテジーの産出を促す言語課題の開発および実施はきわめて難しいことが明らかになった。24年度が最終年度であるため、記入しない。これまでの2年間の研究で補助ストラテジーの研究には方法論上の難しさがあることが明らかになった。そこで3年目の最終年度の研究では、補助ストラテジーの研究の方法論を検討する方向に進むのではなく、この2年間の研究で明らかになった研究成果を大切にしたい。この2年間の研究によって、SLIは文レベル、吃音、発達性読み書き障害は単語レベルの研究を中心に研究成果が蓄積されつつある。したがって、3年目では、それぞれの障害種における研究成果を語レベルと文レベルの処理の発達を中心にまとめ、それぞれの処理レベルにおける補助ストラテジーの考察を行って研究の仕上げとしたい。
マウスのDNAポリメラーゼα/プライマーゼ複合体を用いたDNA複製開始機構の解明

真核生物の染色体DNA複製のメカニズムを解明するために、マウスのDNAポリメラーゼα/プライマーゼ複合体(Pol.a)を標的とし、Pol.αの4つのサブユニット(p180,p68,p54,p46)の機能解析に取り組んだ。動物培養細胞を用いたcDNA発現系を用いることでp54のN末端とp180のC末端に核移行シグナルが存在し、サブユニット間の特異的な組合せ、p46とp54、p68とp180、が核への移行に重要であることを見出した。さらに機能不明であったp68がp180の効率的な翻訳に重要であることを見出した。これらのサブユニット間の相互作用をさらに明らかにするために、3つ、或いは4つのサブユニットの同時発現を試みた。ポリオウイルス由来のintemal ribosome entry siteを用いて、複数のcDNAを同時に発現し得る発現プラスミドを構築し、COS-1細胞へ一過性過剰発現させた。その結果、p46はp54を介してpl80に結合すること、p68はp180を介してp46:p54に結合することが明らかになった。さらに、pl80のC末端領域に位置する亜鉛フィンガーモチーフがp68との相互作用に必須であることを見いだした。この亜鉛フィンガーモチーフとp68との相互作用は翻訳中もしくは翻訳直後で生じていることも同時発現により示された。一方、p46:p54もp180のC末端領域(1279-1465アミノ酸)と相互作用することが判明したが、その相互作用には亜鉛フィンガーモチーフは必要ではなく、結合様式が異なることが示された。以上の結果から、p180のC末端を中心とした4つのサブユニットの分子構築に関するモデルを初めて提示することができた。また、Pol.αの生合成過程として、まずpl80が翻訳され、翻訳中或いはその直後にp68が結合し、その後、細胞質中でp46:p54ヘテロダイマーが相互作用することでヘテロテトラマーが形成され、核へ移行するというモデルを提示することができた。哺乳類細胞のDNA複製開始機構を明らかにするために、マウスのDNAポリメラーゼα・プライマーゼ複合体(Pol.α)を標的とし、その活性制御機構の解明を試みた。今年度は動物培養細胞を用いたcDNA発現系を駆使し、マウスのPol.αの各サブユニットの機能解析に取り組んだ。その結果、DNAポリメラーゼ触媒サブユニット(p180)とこれまで機能不明であった第2のサブユニット(p68)の興味深い相互作用を見出した。各サブユニットのcDNAをSRaプロモーターの下流に組み込み、動物培養細胞中で一過性過剰発現させた。得られた翻訳産物を蛍光抗体染色法並びにWestern blot法により検出した。また、細胞抽出液を調製し、ウシ胸腺由来の活性化DNAを基質としてDNAポリメラーゼ活性を測定した。p68及びp180をCOS-1細胞中で同時に発現させたところ、p68の発現量に依存してp180の蛋白量が顕著に増加することと見出した。また、p180の発現量の増加に対応して、DNAポリメラーゼ活性も著しく増加した。このp68によるp180の発現量の増加は、特異的な蛋白質間相互作用に基づいており、転写制御以降のレベルで生じていた。一方、p180 : p68ヘテロダイマーの核移行シグナル(NLS)がp180のC末端に位置すること、このNLSが機能するためにはp68とp180の相互作用が必要であること、も示された。従って、p68がDNAポリメラーゼ触媒サブユニットの生合成過程に於いて重要な役割を担うことが示唆された。即ち、p68は、1)p180の効率的な翻訳を助長し、2)p180の核への移行に必須であること、が示された。

一方、p46:p54もp180のC末端領域(1279-1465アミノ酸)と相互作用することが判明したが、その相互作用には亜鉛フィンガーモチーフは必要ではなく、結合様式が異なることが示された。以上の結果から、p180のC末端を中心とした4つのサブユニットの分子構築に関するモデルを初めて提示することができた。また、Pol.αの生合成過程として、まずpl80が翻訳され、翻訳中或いはその直後にp68が結合し、その後、細胞質中でp46:p54ヘテロダイマーが相互作用することでヘテロテトラマーが形成され、核へ移行するというモデルを提示することができた。
液晶反応場による分子認識:新コンセプトに基づく特異的反応制御手法の開拓

結晶類似の規則性と液体としての流動性を合わせ持つ液晶を反応媒体として用い、その高い異方性、配向性により、多岐にわたる有機反応を高度に制御し、酵素類に匹敵する高選択的高効率反応場(系)の構築を行い、新しいコンセプトに基づく反応制御系の確立と液晶制御の要因解明を目的とした。特に、従来成果の乏しい熱反応系に焦点を絞り研究を展開した。その結果、スメクチック液晶bis(4-pentyloxyphenyl)trans-1,4-cyclohexanedi-carboxylate(BPCD)中での、トランス-4-シクロヘキシルシクロヘキシルデカトリエンカルボン酸エステルを反応基質とした分子内熱環化反応では、構造類似の等方性媒体4-pentyloxyphenyl cyclohexanecarboxylate(PCC)やメシチレン中とは明らかに異なる高いジアステレオ選択性と化学収率を与え、顕著な液晶特異性を示した。しかし、類似構造のトリエンエステルでは選択性は全く認められず、本反応が基質構造に大きく依存することも併せて明らかになった。また、アレンジエステルとピロール誘導体との分子間環化反応では、液晶媒体による立体制御と反応加速効果の両面で有意の効果が認められた。以上の知見は、規則性高い分子配列を持つ液晶独特の構造に起因しているものと思われ、魅力ある液晶反応場の可能性を示唆している。本研究による萌芽的成果により、所期の目的に適った急速な進展が期待できるようになった。
中等科学教育におけるオーダーメードカリキュラムの開発および展開研究

今日まで様々な高大連携型の科学教育が行われているが,それらの活動のほとんどは不特定多数の(for ALLな)高校生たちと科学研究者との短期間の関わりで終わっている。しかしながら,意味のある(認知的)学習は時間を経ながら徐々に生じる累積的な過程である。このような考えの下に,われわれは科学的才能にあふれる(for Excellenceな)高校生と科学者集団とが中・長期的に関わってゆくことで,創造性や問題解決能力の育成など高校生たちの科学リテラシーに質的な変容が起きることを期待して本研究を行っている。本研究では「数理科学セミナー」,「『数理の翼』夏季セミナー」および「福岡湧源セミナー」などの合宿型セミナーを主催および支援した。またインターネットを介した高校生と科学者集団との長期的な関わりを支援した。また高校生と科学研究者集団との中・長期的な高大連携型の科学教育の実践を行なってゆく中で,参加高校生たちの科学的思考がどのように変容するかについて解析を行った。その結果,open-endな活動を行なうことによって『失敗に対する頑強性』が養われることが明らかになった。また,科学的才能にあふれる高校生たちが現在の学校教育の中では、科学への興味・関心をストレートに表現できない『浮きこぼれ』ていることを発見した。このような観点から理数系科目の「才能ある生徒たち」にその資質に相当する科学プログラム(Science for Excellence)の必要性を提案した。高校生に自らの「学び」を選択させ,科学研究者との双方向の会話により,新規な「カリキュラム」の開発を行っている。その円滑な運営のために,本研究の研究組織は科学研究者1名あたり24名程度の参加高校生と「対話」する構成をとっている。本研究における最大のポイントは参加高校生が自ら「学ぶことを選ぶこと」にある。平成15年度の具体的な取り組みは以下のとおりである。1)第9回福岡湧源セミナー・・・九州地方の高校生を選抜し,春・夏・冬等の長期休暇を利用してセミナーを行った。このセミナーの中で「BZ反応の不思議」について演示実験を交えて説明した。2)第24回数理の翼セミナー・・・全国の高校生・大学生・大学院生を全国から選抜(高校生35名,大学生8名,大学院生2名)し,夏休み中に5日間(8月2日6日)の合宿形式でセミナーを行った。このセミナーにはSSH校に指定された広島大学附属高校の生徒が参加し,「bioinformatics」に関するテーマを参加者および若手研究者がともに実験をしながらその現象に潜む数理について解明を行った。3)広島大学附属高校SSHプロジェクト・・・広島大学附属高校(広島)のSSHプロジェクトの一環として,高校・大学連携遠隔授業実験『タンパク質のゆらぎ-』を企画・実施した。このプロジェクトは「3つのジョイント」(1)化学と生物,情報科学との(学問的)ジョイント、(2)広島大学とのジョイント、(3)高校生と教官と研究者のジョイントをコンセプトとして行った。4)広島大学附属福山高校SPPプロジェクト・・・広島大学附属福山高校のSPPプロジェクトの一環として,夏期科学技術・理科学習プログラム「科学シミュレーションに挑戦しよう」に参画した。5)広島舟入高校出張授業・・・高大連携の『出前授業』として,広島県立舟入高校において出張授業を行った。この授業では時計反応により化学反応の基本的な性質を時計反応の演示実験を交えて説明した。6)福岡修猷館高校講義・・・SSH研究指定校である福岡修猷館高校において,理数科クラス2年生を中心に「数理科学入門講義」を行った。この講義では,笛の振動をテーマについて,実験およびシミュレーションの両面から講義した。講義の中で疑問に思ったことは,継続して「課題研究」等の時間に探求しており,その過程は「掲示板」等を通して生徒と研究者との間でDiscussionが継続している。以上の取り組みを通して,1)研究者が非常に多くのことを「教えること」によって「学んで」いること,2)学習者が「知り」,「理解」し,「納得」するプロセスにはかなりの時間が必要で,そのためには合宿形式のセミナーや事後のMAIL等を通したDiscussionが重要であることが明らかになった(右図)。このような視点から,高大連携プロジェクトには「サイエンスコーディネーター(あるいはディレクター)」の存在が不可欠であり,このような人材の育成が急務であることが示唆された。
都市下水中の癌原性物質の分解・除去に関する研究

水環境中の遺伝毒性に寄与している物質群として、人間の食品由来である加熱蛋白質に生成する発ガン性のヘテロサイクリックアミンが、排泄物を通して処理場に流入し、なおかつそれらが生物分解のみでは除去されがたい。本研究では、これら物質群に反応する総括的指標として、芳香族アミンに高感度に反応して遺伝毒性を誘発するテストアッセイ系を処理水に適用し、さらにこれら物質群の処理場での除去をはかるために、紫外線・オゾン・ラジカルによる酸化分解を併用して、除去効果を検討した。その結果、1)O県K処理場最初沈殿池流入水中には、ブルーキチン、Sep-pak抽出物ともに芳香族アミン由来の遺伝毒性陽性であったが、最終沈殿池流出水では、ブルーキチン抽出物のみ陽性であった。多環芳香族は生物分解を受けにくいことが示唆された。また流入水の固液物をメタノールで抽出したものにも毒性が認められた。2)A県Hし尿処理場生物処理水には多環の芳香族アミン由来の遺伝毒性が認められた。またヘテロサイクリックアミンのTrp-P-2が同定できた。3)水中のTrp-P-2は直射日光(数百μW/cm^2)により、40%程度分解する。同等の紫外線ランプによっても同じ結果が得られた。しかし曇天になると紫外線強度は1/100となり分会は停止した。4)紫外線(220mm長、最大5600、最小8200μW/cm^2・hr)と二酸化チタン(4g/3L)による反応では、Trp-P-2は1時間以内にほぼ消失した。また遺伝毒性は30分以内に陰性となり、光酸化反応の効果が極めて強いことが示唆された。同様にMeIQxに関しても90分程度で消失した。
スプリント治療の効果は睡眠時ブラキシズムの活動強度で異なる

睡眠時ブラキシズム(歯ぎしり・くいしばり)に対するマウスピース(スタビライゼーションスプリント)の治療効果を調査した。睡眠時ブラキシズムを行っている被験者26名を対象に夜間睡眠時のみスプリントを30日間連続で使用させ、使用開始前、装着直後、装着後1週および4週に、携帯型筋電図測定装置を用いて咬筋筋活動を測定した。その結果,睡眠時ブラキシズムに対するスプリント治療には,歯ぎしりに対する頻度の減少による短期的な減弱効果,および,くいしばりに対する振幅の減少による長期的な減弱効果が存在し,くいしばりの活動強度の低下が持続することがわかった。H26年度中に研究実施準備を行い、被験者の収集を行った。質問票,問診および口腔内診察でブラキサーの臨床診断基準を満たすと判断した者15名を対象に、携帯型筋電図測定装置による睡眠時ブラキシズム活動の測定を行ったところ、10名が適格基準に合致した。これらの被験者を対象に、夜間睡眠時のみスタビライゼーションスプリントを30日間連続で使用させ、baseline、スプリント装着直後、装着後1週および4週に、携帯型筋電図測定装置を用いて咬筋筋活動を測定した。10%MVC(maximum voluntary contraction)を超える筋電図波形からLavigne et al. (1996)のアルゴリズムを用いてepisodeを抽出し、その中から0.252.0秒続くburstをgrinding burst、2.0秒以上続くburstをclenching burstとして定義し別々に抽出した。grinding burstとclenching burstそれぞれについて、睡眠1時間あたりの発生頻度,持続時間,振幅および振幅分布を解析した。その結果、grinding burstの頻度はclenching burstと比較して有意に大きく、grinding burstの振幅はclenching burstと比較して有意に小さかった。またgrinding burstとclenching burstの振幅分布は異なっていた。grinding burstの頻度は、baselineと比較して、スプリント装着直後のみに有意な減少が認められたが、その他の持続時間、振幅のパラメーターには有意差はなかった。grinding burstの振幅分布は、baselineと比較してすべてのタイムポイントで違いはなかった。clenching burstの振幅は、baselineと比較して、スプリント装着後のすべてのタイムポイント(装着直後、1週、4週)で有意な減少が認められたが、その他の頻度、持続時間のパラメーターには有意差はなかった。clenching burstの振幅分布は、baselineと比較してすべてのタイムポイントにおいて低い%MVCの方にシフトしていた。H27年度中に臨床研究を行い、被験者の収集を行った。質問票,問診および口腔内診察でブラキサーの臨床診断基準を満たすと判断した者25名を対象に、携帯型筋電図測定装置による睡眠時ブラキシズム活動の測定を行ったところ、16名が適格基準に合致した(通算26名)。研究実施の準備、環境整備が順調に進み、ほぼ予定通りの被験者の収集、介入(スタビライゼーションスプリントの装着)、および睡眠時ブラキシズムの測定を行った。また、予備研究で得られた手法を用いてデータ解析を行い、被験者10名ではあるが、良好な結果を得ている。歯科補綴

学適格条件に合致する被験者の収集に努め、さらに被験者の同意を得るための説明を懇切丁寧に行い、被験者数の増加を図る。引き続き、測定精度の維持および介入方法の均一化に努め、良質なデータの獲得を目指す。比較的高額な物品(消耗品)購入を3月に予定していたが、3月中旬に海外出張したため、交付された金額内に収まらない可能性があった。そのため、物品購入を次年度送りとした。なお、次年度使用額は13万円弱とほぼ予定通りに使用しているため、研究全体の遂行には問題はない。当該物品の購入手続きを進めており、平成27年度早期に納品される見込みである。納品後は速やかに追加実験を行い、睡眠時ブラキシズムの測定に応用する。このことによって、より高度なデータ収集およびデータ解析を行うことが可能である。
加振式流動層熱交換器による廃熱回収

流動層における伝熱特性が着目され、最近では低温度差レベルでの廃熱回収用熱交換器への適用が試みられている。しかしながら、流動層型熱交換器の実用化にあたっては、伝熱特性の向上のみならず、運転動力の低減が重要な課題である。本研究ではその点に着目し、伝熱特性の改善と同時に運転動力の低減を目的として、流動層本体に機械的振動を付加した振動流動層を試作し、各種の流速、振動条件下において実験を行い、以下の結果を得た。1振動による効果は無次元振動加速度A【ω^2】/gで整理できる。ただし、振幅には最低値が存在し、それ以下では充分な効果が得られない。2振動の付加により、粒子層内で気泡の発生が抑制され、独特な粒子運動が発生する。この粒子運動は流動化開始速度以下の低速域で振動加速度の増加と共に顕著となる。また、振動方向角度によっては不動粒子部が発生することがある。3上記の粒子運動により、低速域における熱伝達率が向上する。さらに振動と流動化ガスによる効果を適度に組み合わせることにより、最大熱伝達率を無加振時に比べ向上させることができる。ただし、振動方向角度の増加は粒子層内に温度分布を発生させる場合がある。4振動用動力も含めた全所要動力は、送風機動力の低減により、高い熱伝達率を維持したまま大きく低減させることができる。5前記の粒子運動は塔径による影響を受ける。すなわち、振動による粒子運動がみられるのは壁面からほぼ層高に等しい範囲と、伝熱管理設部の近傍に限られる。6塔径の拡大によって低速域で維持できる熱伝達率の値は減少する。これは壁面および伝熱管によって誘起される粒子運動の寄与が減少したためである。
非可換幾何学とその葉層構造への応用

非可換幾何学は1970年代からフランスのConnes氏に開発された分野です。その分野の色々な道具を使って、葉層構造の研究をしています。2010-2011年度の研究は以下の通りです。1-"ホロノミーをほとんど持たない"葉層構造を研究していて(葉層のコンパクトでない葉は、すべてホロノミーを持たないということ)、その葉層構造のC*環のK理論を計算しています。特に幾何学や接触構造の研究でよく出てくる"spinnable foliation"(open book decompositionから生まれる葉層構造のこと)という葉層構造の具体例の場合は、幾何学的な意味を持つ結果を得ました。K群の次元が、コンパクトな葉の数と一致しているという結果です。2-ConnesとMoscoviciの指数定理を研究しています。その指数定理とConnesの巡回コホモロジーを使って、Novikov予想を解ける方法について考えています。その方法は1990年代から研究されているので色々な群が考えられてきています。私の場合は、円の区分線形同相群の部分群であるThompson群の具体例を考えています。Thompson群のコホモロジーは、知られていますので、群のコホモロジー類を巡回コサイクルとして表して、指数定理を書いてみました。それを使って、Thompsonの群はNovikov予想を満たすことを示しました。
血球における受容体チロシンキナーゼによるシグナル伝達

本研究は血球細胞に発現する受容体チロシンキナーゼ下流のシグナル伝達機構の解明を目的として、特にFlt3の基質分子の探索と、その機能解明を行った。検討の結果、Flt3の基質分子として、他の受容体チロシンキナーゼの基質としても知られるDok-1が、その候補と考えられた。そこで、Flt3下流におけるDok-1のチロシンリン酸化を強制発現系にて確認した。本研究は、受容体チロシンキナーゼへの会合分子の探索と作用機構の解明、および基質分子の探索とシグナル伝達機構の解明を目的としている。本研究にて得られる結果は、未知のシグナル伝達系の発見につながる可能性もあるために重要である。平成19年度には研究実施計画を着実に遂行し、以下の成果を得た。まず、血球における受容体チロシンキナーゼのうち、特にFlt3に注目してこれに会合するタンパク質の探索を目指した。このために、Flt3 cDNAにタグをつけた発現ベクターの構築を行った。現在、Flt3が機能的でかつ安定的に発現する培養細胞株を作成している。加えて、Flt3の基質分子探索のため、出発材料として内因性Flt3が発現しているミエロイド系細胞ML-1を用いてFlt3リガンド刺激依存的なチロシンリン酸化タンパク質の探索を試みた。しかしながらこの反応系ではリガンド刺激依存的なチロシンリン酸化タンパク質の蓄積量が少ないことが分かった。そこで、Flt3の基質分子の探索を引き続き種々の条件で行いながら、これと平行して、多様な受容体チロシンキナーゼの下流で作用する既知のシグナル制御分子のうち、Flt3下流でも基質となることが予想される分子についてそのチロシンリン酸化の有無を検討した。これまでに調べた中で、いくつかの分子が、Flt3依存的なシグナル伝達経路においてもチロシンリン酸化を受けることを見いだしている。以上の知見をふまえて,現在、本研究で見いだした分子の欠損細胞と野生型細胞におけるFlt3シグナルの差異、およびこの分子がFlt3と会合する可能性を含めた作用機構について検討を加えている。本研究の目的は受容体チロシンキナーゼの会合分子、もしくは、基質分子の探索とそれらを介したシグナル伝達機構を明らかにすることにある。特に、血球における受容体チロシンキナーゼによるシグナル伝達機構を解明するため、造血前駆細胞と一部の樹状細胞に発現するFlt3、およびその類縁分子に注目し、機能解析を行なった。特に平成20年度は下記の研究を実施した。【Flt3会合分子の探索】昨年に引き続き、Flt3に会合する分子を探索した。このため従来より用いられているアフィニティー精製と、SILAC法による同定を目指した。その際、細胞可溶化液からのFlt3とこれに会合する蛋白質の回収を容易にするため、Flt3cDNAにFLAGタグを付加した発現ベクターを構築した。次にFlt3が機能的でかつ安定的に発現する培養細胞株の作製を試みた。しかしながら、繊維芽細胞に遺伝子を導入して薬剤選択を行ったものの、安定発現株は取得できなかった。そこで遺伝子発現方法をリン酸カルシウム法による一過性発現系とし、Flt3リガンド刺激依存的に基質分子のチロシンリン酸化が検出される実験系をHEK293T細胞にて構築し、会合分子の探索を試みた。しかしながら、回収された会合分子の量が少なかったために、当初予定していた質量分析法による同定には至らなかった。【Flt3の基質分子の探索】Flt3の基質分子の探索を行なった。その結果、分子量約60kDaのタンパク質が基質候補として考えられた。そのため、一過性過剰発現系を用いてこのタンパク質をFlt3と共発現させたのち、これらの発現細胞にFlt3リガンド刺激を加えた。その結果、予想通り、このタンパク質のFlt3リガンド依存的なチロシンリン酸化が確認された。
歯磨はジルコニア表面を変化させる

鏡面研磨した歯科修復用ジルコニアは撥水性であるが、(1)歯磨によって水のぬれ性が向上すること、(2) 673K以上に加熱すると同じく優れたぬれ性を得ることを見出した。加熱試料上は細胞増殖能に優れ、インプラントの前処理として可能であった。XPS分析によると、表面に吸着したカーボン量が歯磨や加熱により減少していた。すなわち、歯磨には加熱と同様にジルコニア表面に吸着したカーボンを除去する働きがあり、このため親水性を獲得することを明らかにした。歯科用ジルコニア修復物は水へのぬれ性に劣ることが知られており、本助成事業では、歯磨がジルコニアに対しぬれ性を向上することを見出し、そのメカニズムを検討している。市販ジルコニアを高温電気炉を使用して焼成した後、ダイヤモンド研磨剤を使用して鏡面研磨を行い、歯磨用試料を作製した。ぬれ性を焼成後から鏡面研磨まで操作毎に測定したところ、焼成直後のぬれ性はきわめて優れていた。ところが研磨をすすめると次第にぬれ性が劣ってくることがわかった。このため鏡面研磨された表面になんらかの物質が付着し、歯磨はこの物質を取り去るのではないかと考えた。例えばジルコニア表面にカーボンが付着したのなら、加熱すれば離脱すると考えた。電気炉で加熱したところ400°C以上の加熱処理で10°以下の接触角を示した。しかし空中で保管すると10日後には加熱処理前の接触角に戻った。水中に保存すると接触角は増加するが、空中に比較すると小さな値を示した。現在生体組織に埋入されるジルコニアインプラントには、サンドブラスト処理、フッ酸処理、プラズマ処理、紫外線照射処理などによるぬれ性の向上が行われている。今年度の実績として、我々はぬれ性を高める処理として、上記の表面処理のように専用の機器を必要としない、低温短時間の加熱処理法を開発した。加熱処理の利点としては、簡便・安価であり、対象物の凹凸による影響がない、すなわち複雑な形態を有する修復物に適することがあげられ、クラウン内面やインプラント表面に効果的に作用すると期待できる。この結果をまとめ、第67回日本歯科理工学会学術講演会に発表し、他大学や研究機関の研究者の評価を得た。平成27年度の当初の計画では各種の分析機器により表面性状の変化を測定し、歯磨のジルコニアへの作用を検討するものだった。しかし歯磨実験を開始する段階を決定するために、焼成後未研磨状態、鏡面研磨状態、臨床的なダイヤモンド研磨剤による研磨状態など、各段階の試料を作製しぬれ性を測定したところ、研磨がすすむにしたがい、ぬれ性が劣る結果を得た。着想を得て、試料表面に生じたぬれ性に関与する現象を解明する方向にシフトし、ぬれ性を高めるための新しい方法=加熱処理法を開発するに至った。したがって歯磨の影響を表面性状の観察から検討することを行なっていない。このため遅れていると判断した。歯科用ジルコニア修復物は水へのぬれ性に劣ることが知られている。我々は歯磨がジルコニアのぬれ性を向上させることを見出し、そのメカニズムを検討し、臨床応用への準備をしている。これまでに、このメカニズムを発展させ、短時間加熱処理によって、同様な優れたぬれ性を獲得することを明らかにした。現在、加熱処理による種々の実験を遂行している。1.インプラントに応用するため、細胞培養試験を行った。700°Cで加熱した試料上にマウス繊維芽細胞由来L929細胞およびマウス頭蓋骨骨芽細胞様細胞由来MC3T3-E1細胞の二種類の細胞を用い培養した。3日後、両細胞とも加熱試料上の細胞数は非加熱のジルコニアおよび細胞培養プレートに細胞を播種したものに比べ、有意に多かった。700°C短時間加熱により、ぬれ性が改善され、細胞増殖に有利な環境が形成されたためと考える。本方法はジルコニア表面を親水化し,簡便なインプラント体前処理として有効であると考える。2.加熱によるジルコニアの機械的性質への影響を検討するため、シャルピー衝撃試験に着目した。PMMA、PEEK、CAD/CAM用コバルトクロム合金と比較したところ、ジルコニアはきわめて低い衝撃強さを示し、衝撃に弱いことが明らかになった。3.オーダーメードのジルコニアインプラントを作製する場合、半焼結体表面のテクスチャーを削る際に関係する強度を知るために、ジルコニアインゴットの圧縮強さを測定しようと試みた。石膏のJISに準じて試験しようとしたところ、試験法は2016年に改正されたので、改正前後の試験方法で石膏の圧縮強さの数値が異なるか否かを検討した。その結果現行JISの方法による数値が15%程度大きく計測されることがわかった。昨年度にジルコニアのぬれ性を高める新しい方法、すなわち短時間加熱法を開発し、平成28年度は本方法が細胞増殖能に与える影響を検討し、日本歯科理工学会にて発表した。またジルコニアの機械的性質への影響を判断するために、シャルピー衝撃試験に着目し、他材料との比較を行い、日本歯科理工学会の国際学術講演会IDMC2016にて発表した。さらに他の機械的性質の測定法の評価を行うため、無機材料とくに石膏の圧縮試験法について、2016年改正のJISに規定の試験法による評価と以前のJISに規定の試験法による評価を比較検討し発表した。

しかし平成28年度は歯磨や加熱処理による表面の化学的変化をXPSを使用して評価し、低温劣化への影響を検討する予定であった。細胞増殖試験と機械的性質の評価を優先したので、本年度は表面性状を評価しなかった。加えて新たな着想を得て、CAD/CAM用ハイブリッドレジンとの比較に着手した。このため遅れていると判断した。平成27年度には歯磨によるぬれ性の向上と加熱処理によるぬれ性の向上は同じであると着想を得て、加熱処理の温度や時間および保管環境について検討を加えた。その結果、400°C以上10分間加熱で超親水性を得た。平成28年度には700°C加熱試料にL929細胞とMC3T3-E1細胞の培養実験を行ったところ、細胞増殖に優れ、加熱処理により増殖に有利な環境が形成された。平成29年度には加熱および歯磨試料表面の親水性および親油性を評価した。さらにXPS分析により、構成元素の化学結合状態を検討した。その結果、加熱試料は超親水性を示すが、オレイン酸へのなじみは少なく親油性ではなかった。加熱により表面に吸着したC量が減少し、親油性ではなくなったことによると考えた。加熱試料においてZr、Y、Oの化学シフトが生じており、これらの元素の結合エネルギーが小さくなることから、酸素欠損や価数変化などのジルコニア自体の変化が生じていた。歯磨試料では蒸留水とオレイン酸と接触角がほぼ同じだった。C量は研磨試料より少なく、加熱試料よりは多かった。また化学シフトは認められなかった。すなわち、歯磨には加熱と同様にジルコニア表面に吸着したカーボンを除去する働きがあり、このため親水性を獲得する。口腔内に装着されたジルコニア修復物表面の汚れが報告されており、歯磨試料が親水性および親油性のぬれ性を示すことから、口腔内の色素やタンパク吸着に歯磨が関与していると推察できる。上記に関連して、未焼結ジルコニアの強さを評価するための現行JISに則った石こうの強さ測定、ジルコニア焼結体のシャルピー衝撃強さ、ジルコニア用研磨材の熱分析などを発表した。鏡面研磨した歯科修復用ジルコニアは撥水性であるが、(1)歯磨によって水のぬれ性が向上すること、(2) 673K以上に加熱すると同じく優れたぬれ性を得ることを見出した。加熱試料上は細胞増殖能に優れ、インプラントの前処理として可能であった。XPS分析によると、表面に吸着したカーボン量が歯磨や加熱により減少していた。すなわち、歯磨には加熱と同様にジルコニア表面に吸着したカーボンを除去する働きがあり、このため親水性を獲得することを明らかにした。歯磨によるぬれ性の向上はジルコニア表層の付着物を除去するものと考えるので、加熱処理によるぬれ性の向上と歯磨によるぬれ性の向上は同じものと推察する。このことから、加熱処理による表面変化を詳しく検討すれば、歯磨による効果を理解できると考える。サンドブラスト処理やプラズマ処理後の表面変化はXPSにより評価できるので、同様な手法を加熱処理後、歯磨後の試料表面の観察に使用する計画である。また、加熱処理の有効性を一種類の市販従来型ジルコニアにおいて確認したので、さらに高透光性ジルコニアを利用し、加熱処理の有効性や歯磨によるぬれ性の変化を検討する。加熱処理後の時間や保管状況、さてはぬれ性測定後の乾燥法によってもぬれ性は影響を受けるので、そのメカニズムを検討し、加熱処理後のぬれ性の維持を図る。このぬれ性の向上はジルコニア修復物の装着に際し、接着性を改善すると考えるので、接着試験を行ない評価する予定である。
舞踊動作を規範とした「優美さ」特徴のモデル化　-動きとフォルムの両側面から迫る-

本研究テーマでは,人間特有の「優美な」と形容される動作に着目し,過去から議論されてきた優美さ特徴の定性的表現を人間の動作計測と解析により定量化し,モデル化することで優美なロボット動作の実現を目指している.身体が作る「線」や「面」の時間的な形状変化に着目して「優美さ」特徴のモデル化手法を提案し,印象評価結果と比較することで手法を検証していく.2年目は,(1)業者に委託し性別,年代それぞれのバランスをとった60名の被験者のWebアンケートにより,「腕動作のみ」の優美さに関する印象評価を実施し,提案する手法の有効性検証用のデータを取得した.(2)舞踊動作の「四肢動作」「位置・向き」への分離を実装した上で,前腕と上腕が作る曲面形状の解析を,初年度に提案したガウス写像を用いて特徴を定量化した.その結果,分離前後のガウス写像には特徴的な違いが得られることがわかった.これまで提案してきた定量化手法では,その違いを表現できないことから,定量化手法を追求する必要があることも明確になった.(3)過去の感性工学の研究論文を参考に,腕動作が構成する面の複雑さを「情報エントロピー」を応用して定量化し,印象評価との相関を検討した.(4)「フォルム」の特徴抽出手法の検討を始めた.画像処理によって抽出した身体のシルエットを,時間方向に並べることで構成する「時空間ボリューム」を生成し,その3次元形状を直接解析するアプローチである.今回の研究題目に示した「動きとフォルムの両側面から」に具体的に着手した.現在,連続的なシルエット画像から時空間ボリュームを作成する部分までは完成しており,3年目に解析する見通しがたった.成果としては,動作の分離による特徴抽出の可能性を得たこと,「動作とフォルム」両側面からアプローチする環境が整ったことである.計画では2年目に,(1)曲面解析の検証,(2)速度を含めた特徴量抽出とモデル化,(3)舞踊動作のフォルムからの優美さ特徴抽出を行うとしていた.(1)に関して初年度提案の手法を検証した結果,まだ特徴を定量化できていないことがわかったため,定量化手法の検討を行い,様々な方向からのアプローチを続けることを決め,現在取り組んでいる.このことを行なっているため(2)の動作速度を特徴量抽出に含める件については未着手となっている.(3)については,具体的なアプローチが決まり,解析を行うために必要な,時空間ボリュームデータを構築する部分まで,順調に開発が進んでいおり,ソフトウエア開発に関しては当初の計画通りに進んでいるという状況である.一方で,初年度・2年目に予定していた「解析用舞踊動作データの選定・収集と追加収集」がまだできていないため,解析手法を早々に確立し,検証を行うために3年目はなんらかの形でデータ収集を行う予定である.これらを総合的に判断すると,進捗状況としては,当初計画より若干ではあるが遅れているものと考える.・曲面の優美さ3次元解析では,引き続きガウス写像を中心とした定量化方法を検討していく.また,速度の特徴をなんとか含める方法を検討していく.・舞踊動作のフォルムからのアプローチは,2年目に提案した「時空間ボクセル」を用いて,「動作」と「フォルム」の両方を表現し,この3次元形状から優美さ特徴を定量化する手法を複数提案し,それらの検証を進めていく.・これまでのモーションキャプチャシステムを用いた精度の高い動作データ取得に併せて,OpenPoseを活用し低精度ではあるが大量の動作データを取得し,機械学習ツールを用いたアプローチも試みる予定である.本研究テーマでは,人間特有の「優美な」と形容される動作に着目し,過去から議論されてきた優美さ特徴の定性的表現を人間の動作計測と解析により定量化し,モデル化することで優美なロボット動作の実現を目指している.「優美さ」は身体上に表れる線や面の時間的変化で表現されると考えられる.このことから優美な動作の代表例である「舞踊動作」をもとにして,身体が作る「線」や「面」の時間的な形状変化に着目して「優美さ」特徴のモデル化手法を提案し,印象評価結果と比較することで手法を検証していく.初年度は,舞踊動作中の前腕と上腕が作る曲面形状の解析方法の検討を進めてきた.曲面形状解析は,微分幾何の一つであるガウス写像を用いたアプローチから取り組んだ.ガウス写像は,任意の曲面を微小な空間平面の集合として分割すれば,個々の平面の単位法線ベクトルを単位球上に写像することで実装した.これにより腕が作る任意の曲面を,単位球上での点の分布として表現できる.写像により,実空間での腕が作る曲面をシンプルに扱うことができると考え取り組んでいる.保有している複数の舞踊動作の手先・肘・肩の位置データを1000フレームごとに切り出し,それぞれについて腕により構成される曲面のガウス写像を計算し,特徴抽出する方法を検討した.その結果滑らかに動いている部分では,写像空間での点の分布が特徴的な傾向を持つことがわかった.この特徴的な傾向を定量化する手法をさらに検討し,印象評価結果との相関性も検証した.その結果,優美さ印象が比較的低い舞踊は写像間距離が長くなるといった「傾向」は得られたが,印象評価との強い相関を得るためには,定量化手法の工夫が必要であることもわかった.

このように初年度の成果としては,アイディアの実装と実データを用いた分析,アイディアの評価までを一通り行い,次年度解決すべき指針を得ることができた.舞踊動作中の前腕と上腕が作る曲面形状のガウス写像による表現の実装,写像空間における特徴定量化方法の提案,人間の印象評価との比較による提案手法検証と問題点の抽出まで進んでいる.計画では初年度に,(1)舞踊動作時の腕が作る曲面解析,(2)舞踊動作のフォルムからのS字状曲線特徴抽出を行うとしていた.(1)に関しては報告の通り順調に進んでいる.(2)に関しては,我々が保有している舞踊動作動画データではないが,画像処理を行うのに適した環境下で取得したモデルの歩行動作フォルムからの特徴抽出プロトタイプの実装まではできている.このようにソフトウエア開発に関しては当初の計画通りに進んでいるという状況である.一方で,初年度に予定していた「解析用舞踊動作データの選定・収集」はできていない.この理由は,解析に適したデータを取得する必要があり,データ取得方法の十分な検討が不可欠であるため慎重に進めたほうが良いという判断をしたからである.そのため2年目以降アルゴリズムが固まってから慎重にデータ収集を行う予定である.初年度の進捗は2017年12月開催の第18回計測自動制御学会システムインテグレーション部門講演会(SI2017)@仙台にて発表を行った.本研究テーマでは,人間特有の「優美な」と形容される動作に着目し,過去から議論されてきた優美さ特徴の定性的表現を人間の動作計測と解析により定量化し,モデル化することで優美なロボット動作の実現を目指している.身体が作る「線」や「面」の時間的な形状変化に着目して「優美さ」特徴のモデル化手法を提案し,印象評価結果と比較することで手法を検証していく.2年目は,(1)業者に委託し性別,年代それぞれのバランスをとった60名の被験者のWebアンケートにより,「腕動作のみ」の優美さに関する印象評価を実施し,提案する手法の有効性検証用のデータを取得した.(2)舞踊動作の「四肢動作」「位置・向き」への分離を実装した上で,前腕と上腕が作る曲面形状の解析を,初年度に提案したガウス写像を用いて特徴を定量化した.その結果,分離前後のガウス写像には特徴的な違いが得られることがわかった.これまで提案してきた定量化手法では,その違いを表現できないことから,定量化手法を追求する必要があることも明確になった.(3)過去の感性工学の研究論文を参考に,腕動作が構成する面の複雑さを「情報エントロピー」を応用して定量化し,印象評価との相関を検討した.(4)「フォルム」の特徴抽出手法の検討を始めた.画像処理によって抽出した身体のシルエットを,時間方向に並べることで構成する「時空間ボリューム」を生成し,その3次元形状を直接解析するアプローチである.今回の研究題目に示した「動きとフォルムの両側面から」に具体的に着手した.現在,連続的なシルエット画像から時空間ボリュームを作成する部分までは完成しており,3年目に解析する見通しがたった.成果としては,動作の分離による特徴抽出の可能性を得たこと,「動作とフォルム」両側面からアプローチする環境が整ったことである.計画では2年目に,(1)曲面解析の検証,(2)速度を含めた特徴量抽出とモデル化,(3)舞踊動作のフォルムからの優美さ特徴抽出を行うとしていた.(1)に関して初年度提案の手法を検証した結果,まだ特徴を定量化できていないことがわかったため,定量化手法の検討を行い,様々な方向からのアプローチを続けることを決め,現在取り組んでいる.
ナノチューブのスピンコヒーレンス

本研究では、ナノチューブの低エネルギー電子状態を、チューブ表面の曲率やスピン軌道相互作用の効果を取り込んだ数値的および解析的な手法により調べた。同一谷内の左右進行波に速度差が生じること、有限長ナノチューブの離散準位には、境界条件によってノギスの様なスペクトル構造やスピン軌道分裂がみられることなど、従来の谷縮退描像では捉えられない電子状態が明らかとなった。ナノチューブにおいてスピンがどのように運動し緩和するのか、スピン状態が伝導特性にどう現れるのか、さらにはどのようにスピン制御できるか、といった諸問題を考える上で、本研究によって得られた知見は不可欠と考えられる。ナノチューブにおいて、電子がどのようなスピン状態をとり、またスピンにどのような相互作用が働くのか、その結果、スピンがどのように運動し緩和するのか、といった問題を理論的に明らかにすることが、本研究の目的である。本年度は主に、カーボンナノチューブおよび関連物質におけるスピン状態、および緩和の主な要因となる振動(フォノン)について研究を行った。具体的には、カーボンナノチューブにおけるスピン軌道相互作用の効果を、チューブの曲率、電場、磁場を考慮に入れて解析した。また、実際のスピン緩和測定の際によく用いられている直列量子ドット列の伝導特性を調べた。スピン状態によって様々なスピンプロッケード現象が現れることを明らかにし、実験との直接的な対比を可能にした。この結果は、スピンブロッケードを用いたスピン緩和測定の際に、スピンブロッケード領域を同定する指針となり得る。さらには、半導体チューブ構造に対し、低エネルギー領域において主要な振動モードを理論的に解析した。低エネルギー領域においては曲率の増大が一方向の振動モードのみを主要モードとしていく様子が明らかとなった。この計算により実際の実験結果との直接比較が可能となった。スピンは振動モードと結合することによりコヒーレンスが失われると考えられる。よって、振動モードの解析は、コヒーレンスに影響を与える振動がどのようなモードからなるのかを考える際の指標となり得る。ナノチューブを舞台として、電子がどのようなスピン状態をとるのか、様々な相互作用を通じてスピンがどのように運動し緩和するのか、それが伝導特性にどう現れるのか、さらにどのようにスピンを制御できるのか、といった問題を理論的に明らかにすることが本研究の目的である。本年度は主に、カーボンナノチューブおよび関連物質における電子状態、スピン状態、緩和の要因となる振動モードについて、昨年度に昨年度に引き続き研究を行った。カーボンナノチューブにおいて、ナノチューブ表面の曲率によりエネルギーバンドが傾斜する効果を指摘した。金属エネルギーバンドの傾斜は、直径の小さい、またアームチェア螺旋度に近いチューブに対して大きく現れること、フェルミエネルギーから1電子ボルト程度のエネルギー領域において見られることなどを、強束縛模型による数値計算により示した。さらに有効質量近似に基づき有効モデルを構築した。バンド傾斜は左右進行波の速度の違いとして現れる。またナノチューブ量子ドットにおいてバンド傾斜はノギス様のエネルギー準位構造として現れることを指摘し、これにより2重もしくは4重縮退の振舞いはエネルギーにより移り変わることを指摘した。半導体量子ドットにおいて、スピン状態によって様々なスピンブロッケード現象が現れることを示し、スピン緩和の測定の際の指針を与えた。半導体ナノスクロール構造に対して、低エネルギーの振動モードの解析を行った。振動モードは、軸方向の振動の有無に対応し、2種類の異なる関数でスケールされることを見いだした。また軸方向の振動モードは電子系と強く結合する。このようなモードは電子系のコヒーレンスにも影響を与えると考えられる。従来のナノチューブの電子状態に対する理解は、並進対称性を有すると仮定するバンド計算によっている。しかし現実のナノチューブは有限の長さで終端している。ナノチューブ中の電子は端で散乱され、電子状態は左右進行波の重ね合わせとして定在波を形成すると考えられる。しかし、フェルミエネルギー近傍のエネルギーバンドは2つの谷自由度を有するため、どのような定在波が形成されるのかは自明でない。このような問題意識のもと、前年度に引き続き、拡張タイトバインディング法に基づき有限長ナノチューブの電子状態を計算する数値計算プログラムを開発し、電子状態を調べた。本年度は主に、カイラル型と呼ばれるナノチューブに対して研究を行った。金属ナノチューブに分類されるカイラル型ナノチューブが、回転対称性の観点から2種類に分類できることを見いだした。ナノチューブ終端がバルクと同じ回転対称性を有する場合、上記2種類のナノチューブはそれぞれ異なる電子状態を有する。特に、ジグザグ型と同じ種類に分類されるナノチューブにおいては、端における谷内散乱のため、谷縮退がおこることが示された。一方アームチェア型に分類されるナノチューブでは、散乱が端の形状に敏感であり、谷間散乱が主要な場合には、一般には縮退がなくなることがわかった。この場合、すでに指摘していた同一谷内における左右進行波の速度差により、2重縮退と4重縮退を交互に繰り返すノギススペクトルが現れることが示された。

ナノチューブにおいて、電子がどのようなスピン状態をとるのか、様々な相互作用を通じてスピンがどのように運動し緩和するのか、それが伝導特性にどう現れるのか、そしてどのようにスピンを制御できるのか、といった問題を理論的に明らかにすることが本研究の目的である。本年度は主に、有限長ナノチューブの電子状態に関して研究を行った。従来のナノチューブの電子状態の計算は、並進対称性に基づくバンド計算が主であった。しかし現実のナノチューブは有限の長さで終端している。ナノチューブ中の電子は端で散乱され、電子状態は左右進行波の重ね合わせとしての定在波となると考えられる。しかし、フェルミエネルギー近傍のエネルギーバンドは谷の自由度を反映して2組あるために、定在波がどのようなバンド状態からなるのかは自明でない。このような問題意識のもと、前年度は拡張タイトバインディング法に基づく有限長ナノチューブの電子状態計算プログラムを開発し、電子状態計算を可能にした。アームチェア型ナノチューブの場合、電子は終端で異なる谷へと散乱される。前年度までの研究により、ナノチューブ表面の曲率により、ナノチューブ内の左右方向の電子速度には一般に違いがあることを指摘した。この速度の違いの効果が、有限長ナノチューブでは2重縮退と4重縮退を交互に繰り返すノギススペクトルとして顕著に現れることが明らかとなった。ナノチューブの曲率による電子状態への微細構造が明らかとなった。これは低エネルギーにおけるナノチューブ中のスピン状態を考える上で重要な効果である。層また、ロール構造に対して曲率が振動モードを大きく変化すること、および、電子系と強く結合するモードの存在を明らかにした。強く結合するモードはスピンのコヒーレンスにも影響を与えるため、本研究の推進に重要な指針を与えるものである。25年度が最終年度であるため、記入しない。実際のナノチューブは有限の長さで終端している。ナノチューブのスピン状態を理解する上では、有限長に閉じ込められたナノチューブ内の電子状態が縮退準位を有するか否かなど、電子状態に対する理解が欠かせない。本年度までの研究により、有限長ナノチューブの研究に対する基礎的な準備が出来た。アームチェア型という場合に限定されてはいるが、電子状態に対する知見が得られた。アームチェア型チューブに対する研究は、ジグザグ及びカイラルナノチューブを今後調べる上での指針となる。これまでの研究により、ナノチューブ表面の曲率が、エネルギーギャップ、スピン軌道相互作用、バンド傾斜などを通じて、低エネルギーの電子状態に対して重要な影響をもたらすことを示してきた。