hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
オブジェクト図自動生成とシナリオ反映度検査機能を有したモデリング学習支援システム

オブジェクト指向モデリング教育支援を目的として、クラス図に対応したオブジェクト図を自動生成し学習者に提示するシステムを開発した。本システムが想定する2つのユースケースは1学習者が作成したオブジェクトモデルの検証、2クラスモデルの多重度誤りの発見、である。また、UML静的モデルの多重度を診断するシステムを開発した。本システムの特徴はクラス図-オブジェクト図間の矛盾の指摘(一貫性の診断)だけではなく、曖昧である箇所の指摘(明瞭性の診断)を行うことにある。一貫性と明瞭性の2軸によってモデルを評価することで、初学者がモデルを曖昧にして矛盾を解消しようとするのを防ぐ。1.一貫性・明瞭性診断による静的UMLモデリング学習支援システムを開発し評価した。UML (Unified Modeling Language)によるオブジェクト指向モデリング初学者の最初の目標は「クラス図を用いた第三者との正確なコミュニケーション能力」の獲得である.本研究では,この目標に到達するための学習支援を目的として,UML静的モデル(クラス図とオブジェクト図)の多重度を診断するシステムを開発した.本システムの特徴は,クラス図-オブジェクト図間の矛盾の指摘(一貫性の診断)だけではなく,曖昧である箇所の指摘(明瞭性の診断)を行うことにある.一貫性と明瞭性の2軸によってモデルを評価することで,初学者がモデルを曖昧にして矛盾を解消しようとするのを防ぐ.UMLの入門教育を受講中の社会人22名を対象として,本システムの利用の有無による比較対照実験を行った.被験者には,継承,再帰関連,多重関連を含む8関連,9クラスから構成される程度のモデルと,そのモデルの「読み」および「書き」能力を測定する問題が与えられた.その結果,「読み」「書き」共に実験群は統制群より好成績を示し,「書き」の問題に関しては有意差が認められた.実験群の解答過程を分析し,好成績の要因が提案する2軸の診断モデルが有効に機能した結果であることを示した.2.モデリング初学者のための制約条件を指定できるオブジェクト図自動生成システムの検討を行った。クラス図理解のためにオブジェクト図を生成する先行研究はあるが、生成するオブジェクト図の内容を制御するものはない。本システムは、以下の条件を付加することによって、学習者が作成(想像)したオブジェクト図に近いオブジェクト図を自動生成し、学習者のクラス図の読解を支援する。1)インスタンス数、2)インスタンス名、3)リンク、の3つである。1.一貫性・明瞭性診断による静的UMLモデリング学習支援システムの評価を行い論文誌に発表した。発表論文の概要:本研究では、学習支援を目的として、UML静的モデル(クラス図とオブジェクト図)の多重度を診断するシステムを開発した。本システムの特徴は、クラス図ーオブジェクト図間の矛盾の指摘(一貫性の診断)だけではなく、曖昧である箇所の指摘(明瞭性の診断)を行うことにある。UMLの入門教育を受講中の社会人22名を対象として、本システムの利用の有無による比較対照実験を行った。被験者には、継承、再帰関連、多重関連を含む8関連、9クラスから構成される程度のモデルと、そのモデルの「読み」および「書き」能力を測定する問題が与えられた。その結果、「読み」「書き」ともに実験群は統制群より好成績を示した。実験群の解答過程を分析し、好成績の要因が提案する2軸の診断モデルが有効に機能した結果であることを示した。2.シナリオに対応するインスタンス図作成支援機能の検討を行い、実装を進めた。一般に複数のユースケースがあり、一つのユースケースに複数のシナリオが存在する。そして、一つのシナリオに対して、一つのインスタンス図を作成するが、それはシナリオの進行に伴って変化するので、いくつかのスナップショットを作成する必要がある。既存のUML図エディタは図一つ一つを作成する機能は有するが、このような一群のインスタンス図を効率よく作成する機能はない。一群のインスタンス図には共通する部分が多いことを手がかりに効率化の手法を採用したインスタンス図作成支援機能を設計・実装した。本研究では学習者はモデリング言語としてUMLを使用して、情報システム構築に関わるユーザや開発者の立場で、開発対象の業務やシステムをモデル化するために必要な講義を受ける。そして、教員の設定した課題に対して、演習を通じてその知識を確かなものにしようとしている状況を仮定する。本研究ではその学習活動の中でそれを支援する以下の機能を有するシステムを開発した。(1)クラス図からインスタンス図を自動生成する機能:「二つのクラスとその間の関連」を表現したような簡単なクラス図からインスタンス図を作成する技術については既存研究がある。本研究では、数個のクラスおよびその間にある関連、集約、汎化などを含んだクラス図全体に対して有用なインスタンス図を作成することができた。(2)クラス図とインスタンス図間にある矛盾を検査する機能:UML静的モデルの多重度を診断するシステムMultiplicitydoctorを開発した。最終年度の実績:上述の(2)による診断結果が多数検出された場合に、一貫性を達成しようとすると明瞭性が下がったり、その逆が発生したりして、なかなか収束しない問題があった。

そこで、診断結果による修正を効率的に行えるように、大まかな修正方針を案内するシステムを開発した。UML初学者6名を対象としてMultiplicity doctorと修正案内機能を追加したシステムを使用した比較対照実験を行った。その結果、本案内システムを使用した場合のほうがエラー数の下降が早く、収束期が訪れるまでの時間が短くなるという結果となった。オブジェクト指向モデリング教育支援を目的として、クラス図に対応したオブジェクト図を自動生成し学習者に提示するシステムを開発した。本システムが想定する2つのユースケースは1学習者が作成したオブジェクトモデルの検証、2クラスモデルの多重度誤りの発見、である。また、UML静的モデルの多重度を診断するシステムを開発した。本システムの特徴はクラス図-オブジェクト図間の矛盾の指摘(一貫性の診断)だけではなく、曖昧である箇所の指摘(明瞭性の診断)を行うことにある。一貫性と明瞭性の2軸によってモデルを評価することで、初学者がモデルを曖昧にして矛盾を解消しようとするのを防ぐ。本研究では以下の機能を有したモデリング学習支援システムを開発する計画である。主として平成25年度には(2)(3)の機能を実現し、平成26年度にはその成果を発表できた。さらに(1)の機能を設計し、実装を進めた。平成27年度には(4)の機能を完成させるとともに、実際の授業で総合的に展開して評価を行い、研究成果をまとめることができそうである。(1)シナリオに対応するオブジェクト図作成支援機能(2)クラス図からオブジェクト図の自動生成機能(3)クラス図とオブジェクト図間の矛盾検査機能(4)シナリオのオブジェクト図への反映度検査機能ソフトウェア工学総合評価とそれに基づく改良各機能の実装が終わり次第、個別の評価実験を実施する。被験者にユースケース記述とシナリオを与え、クラス図やオブジェクト図を書かせる演習を、本研究で開発した機能を使う場合と使わない場合に分けて、エディタの操作履歴をログとして収集するほか、ビデオカメラで記録する。これらから学習活動の違いを分析すること、最終的に作成されたクラス図等の評価、質問紙調査等によって評価する。研究の最終年度となるので、実際の授業(演習)で使用できるレベルの実用システムを開発し、総合評価を行い、その結果に基づいて改良を実施する。本研究では、以下の4つの機能を有するオブジェクト指向モデリング学習支援システムを開発する予定である。平成25年度において、(3)のシステムを実現し、評価を行い、その結果を情報処理学会論文誌に発表した。また、(2)の機能もプロトタイプを開発し、学会発表を行った。(1)シナリオに対応するオブジェクト図作成支援機能:シナリオに対応する複数のオブジェクト図、変化するインスタンスの様子を容易に作成する支援、(2)クラス図からオブジェクト図の自動生成機能:クラス図のインスタンスレベルでの理解、必要なオブジェクト図の作成を支援、(3)クラス図とオブジェクト
変分法を用いた非線形微分方程式の解析

研究の成果平成23年度に実施した研究は以下の通りである.1.非線形光学の分野に現れる非線形連立Schrodinger方程式系の解析.2.完全非線形楕円型作用素に対する固有値,固有関数の研究.まず,1の研究の具体的な内容,意義等について説明する.得られた成果としては,屈折率を支配する方程式の拡散係数が0に収束させたとき,基底状態解とそのエネルギーの挙動を解明した.この系は本来屈折率が非局所的に影響を及ぼしている.しかし,拡散係数が0に収束するとその効果は局所的なものになると考えられる.このことを厳密な数学解析の手法を用いて証明を行った.この方程式系に関する結果としてはコンピューターを用いた数値解析の結果しかないように思われる.したがって,本年度に得られた厳密な数学解析の結果は意義を持っていると思われる.次に2の研究について述べる.得られた結果は,2次元以上の場合,球対称性と比較的弱い可積分条件を課した下で固有値,固有関数の列の存在,その単純性,完全性を示した.言い換えれば,球対称な固有関数を全て見つけ,全ての固有値の重複度は1であることも示した.この結果の意義等について説明する.まず,上の結果は微分ゲームの分野等において現れるHamilton-Bellman-Jacobi作用素等を含んでおり,大変広範な作用素に適用できる.さらに,重要に思われることは,作用素に対する可積分性の条件である.この可積分性の条件は,現在の完全非線形楕円型方程式の解の存在理論の視点から見ても,最良に近いものである.したがって,この部分だけを見ても重要性があるように思われる.また,これらの結果が,非線形項がある方程式系の解析に役立つことも期待できるので,今回の結果は意義があるものだと思われる.研究目的平成22年度は非線形光学の分野において現れる非線型Schrodinger方程式系に対して数学的な視点から研究を行った,具体的には非線形光学の分野において,計算機を用いて予測されていた解の存在や挙動を数学的に証明しようと試みた.研究方法上で挙げた方程式系は3つの微分方程式を含んでおり,解を求めるとは3つの関数の組を求めることである.この方程式系は保存量を少なくとも3つは持つ(2つの関数のL^2ノルムとエネルギー汎関数).そこで,方程式系を解析する方法として変分法を用いた.具体的には,2つのL^2ノルムを一定にした空間上でエネルギー汎関数の臨界点,特に最小点の存在,非存在について研究を行った。もし,最小元(3つの関数の組)が存在すれば,その組は上記の方程式の解となることを示すことができる.また,もし最小元が存在したとしたら,最小元全体の集合はどのような特徴を持っているかということについても研究を行った.研究成果得られた結果は以下の通りである.空間次元が1次元のときはどのようなL^2ノルムの量に対しても最小元は存在する.一方,空間次元が2次元や3次元のときは,L^2ノルムの量が小さいときには最小元が存在せず,ある程度大きくなると最小元が存在することを示した.したがって,最小元の存在という観点からみれば1次元と2,3次元の場合は大きく異なる。次に最小元全体の集合について述べる.ここで考えているのは複素数値関数を考えているが,最小元全体の集合は,正値関数を基に,それらを平行移動し,絶対値が1に等しい複数値を掛けたもの全体であるということを示した.したがって,最小元の基本となる関数は正値関数であるということを示した.研究の成果平成23年度に実施した研究は以下の通りである.1.非線形光学の分野に現れる非線形連立Schrodinger方程式系の解析.2.完全非線形楕円型作用素に対する固有値,固有関数の研究.まず,1の研究の具体的な内容,意義等について説明する.得られた成果としては,屈折率を支配する方程式の拡散係数が0に収束させたとき,基底状態解とそのエネルギーの挙動を解明した.この系は本来屈折率が非局所的に影響を及ぼしている.しかし,拡散係数が0に収束するとその効果は局所的なものになると考えられる.このことを厳密な数学解析の手法を用いて証明を行った.この方程式系に関する結果としてはコンピューターを用いた数値解析の結果しかないように思われる.したがって,本年度に得られた厳密な数学解析の結果は意義を持っていると思われる.次に2の研究について述べる.得られた結果は,2次元以上の場合,球対称性と比較的弱い可積分条件を課した下で固有値,固有関数の列の存在,その単純性,完全性を示した.言い換えれば,球対称な固有関数を全て見つけ,全ての固有値の重複度は1であることも示した.この結果の意義等について説明する.まず,上の結果は微分ゲームの分野等において現れるHamilton-Bellman-Jacobi作用素等を含んでおり,大変広範な作用素に適用できる.さらに,重要に思われることは,作用素に対する可積分性の条件である.この可積分性の条件は,現在の完全非線形楕円型方程式の解の存在理論の視点から見ても,最良に近いものである.したがって,この部分だけを見ても重要性があるように思われる.また,これらの結果が,非線形項がある方程式系の解析に役立つことも期待できるので,今回の結果は意義があるものだと思われる.
多様な放射線場における線量評価が可能な銀活性リン酸塩ガラスの高機能化の試み

銀活性リン酸塩ガラスは、ラジオフォトルミネッセンス(RPL)と呼ばれる蛍光量を利用した個人線量計として知られている。本研究では、銀活性リン酸塩ガラス単一素子において、RPL発光だけでなく、着色に伴う光学吸収量(OA)とエッチング処理による核飛跡計測(NT)という3種類の物理量を独立に計測し、それらを組み合わせた新しい線量評価法を確立した。RPLとOAの組み合わせにより、ガンマ線に対して10uGyから10kGyにわたる10の9乗程度のダイナミックレンジが得られること、RPLとNTを組み合わせることにより、1 MeV/um以上の重粒子線に対してRPLの応答低下をNTで補完できることを明らかにした。銀活性リン酸塩ガラスは、ラジオフォトルミネッセンス(RPL)と呼ばれる蛍光発光量から、蓄積された線量値を読み出す原理に基づく、個人線量計の一つとして知られている。本研究では、銀活性リン酸塩ガラスという単一素子において、RPL発光だけでなく、エッチング処理による核飛跡計測と光学特性変化という3種類の物理量を独立に計測し、それらを組み合わせた新しい線量評価法を提案している。本年度では、高LET(線エネルギー付与)粒子ビーム(Xe 290 MeV/n)を照射したガラス素子について、従来のRPL発光から得られた線量値と、核飛跡計測によるLETスペクトルから評価した線量値を、一定のLETレンジにおいて定量的に比較した。較正された電離箱による照射線量の標準値に対して、前者は発光効率の低下に伴い70%程度過小評価するのに対して、後者は100%の効率で線量評価できることを確認した。また、LETに対して、RPLと核飛跡の定量値の間には比例関係があることが分かった。これによりRPLで過小評価する線量値については、核飛跡の情報を用いて補正することができると考えられる。一方、本研究費で取得した紫外可視光分光光度計を用いて、ガンマ線照射によるガラス素子の光学的特性変化について初期結果を得た。137-Csからのガンマ線照射により、10Gyから2 kGyにわたる線量レンジにおいて、ガラスの着色に伴って、吸収波長スペクトルが系統的に変化することを確認した。特に、315 nm付近に観測される吸収ピーク値が照射線量に依存することが分かった。今後、照射線量に対する吸収ピークの定量化を行い、線量評価のプロトコルを確立する研究計画通り新規に取得した紫外可視光分光光度計を用いて、光学的特性の初期結果を得ることができた。また、核飛跡とRPLの関係についても定量関係を見出すことができた。銀活性リン酸塩ガラスへの放射線照射に伴い生じる315nmの光学的吸収ピーク(OA)について、132-Csからのガンマ線照射を5Gy2kGyにわたって系統的に照射し、線量に対するピーク強度の線形性を取得した。従来のラジオフォトルミネッセンス(RPL)による線量計測範囲である10uGy10Gyに対して、510Gyの重複領域を持ちつつ、10Gy2kGyの高線量範囲まで線量評価可能であることを確認した。これにより、RPLとOAを組みわせることによって、10uGyから10kGyにわたる10の9乗程度のダイナミックレンジが得られると期待される。鉛ガラス等では照射直後からOAが減少してしまうことが報告されており、線量評価において照射後経過時間の応答変化について検討する必要がある。銀活性リン酸塩ガラスへのガンマ線照射後のOA信号の安定性について評価した。10, 100, 1000Gyの照射ガラスに対して、照射直後から1週間までのOA信号の増減等の変化はほとんどなく安定していることを確認した。更に、OAのLET依存性についても評価を行った。HIMAC重イオン加速器からの陽子線100MeV, 230MeV,炭素線400MeV/n,鉄イオン500MeV/nを51.5kGyの範囲で照射し、OAを測定した。何れも粒子線に対しても、ガンマ線と同様のOAスペクトルが得られ、315nmにピークが観測された。一方で、イオン種によって、検出可能なOAピークの下限線量が異なり、高LET粒子ほど検出閾値が上昇する傾向にあることが分かった。吸収線量に対するOAピーク値の傾きを、ガンマ線に対して規格化すると、RPLで観測されるLET依存性と概ね一致することが分かった。これは、単にガラスへの着色ではなく、カラーセンターであるAg+がOAピーク形成に深く関係していると考えられる。光学的特性については、照射線量に対する定量化を行う。これによって、RPL発光・核飛跡・光学的変化のそれぞれから得られる応答関数を取りまとめ、相補的な線量評価法として確立する。放射線物理学一般競争入札に伴う分光光度計装置購入を行ったが、その端数分が発生した。次年度の物品購入に充当する。
金属間化合物を中間層とする金属-セラミックス接合体の材料学的研究

本研究では温度上昇と共に降伏強度が増大する特異な塑性挙動を示す金属間化合物を応力緩和層に用い、主に蜜化硅素(Si_3N_4)と金属(SUS304、Nimonic80A)とを接合する条件及び得られた接合体の強度と破壊特性を調べ、健全で高温強度の大きい接合体を得る方法を材料学的に検討した。1.固相核酸接合装置の製作低融点の共晶合金をロウ材とするロウ接法と異なり、固相拡散法では界面に低融点の化合物が生成されない限り高温強度の大きい接合体を得ることが期待される。そのため、プログラム温調器と200Kgfまでの荷重負荷機構を備えた接合装置を試作し以下の研究を行った。2.接合用中間層および応力、緩和層として有効て金属間化合物の探索(1)セラミックスとの反応性:いずれの化合物もSi_3N_4と突き合わせ、340Mpaの圧力下で12731573Kの温度に1時間加熱保持しても反応は起こらないが、両者間にNi箔を挟むと化合物(A)(B)では1573K、(C)では1473K、(D)では1223Kで接合する。(2)熱応力緩和効果:これは中間層の厚みに依存する。0.10.3mm厚の化合物(C)を用いSUS304とSi_3N_4を接合した場合接合面から0.5mm離れたSi_3N_4表面を起点として内部界面に向かって割れが進行する。中間層が1mm厚の場合Si_3N_4表面には割れは生じないが、縦断面には中間層-Si_3N_4界面より微視割れが発生する。化合物(D)では接合体は健全。3.接合体の郷土と破壊特製、化合物(D)の円板(φ10×t1)を中間層とするSi_3N_4とSUS304またはNimonic80Aとの接合体について引張試験した結果、いずれの場合も破壊強度は室温で10kg/cm^2で、破壊は常にセチミックス内部で起こる。これは熱応力緩和の方法をさらに工夫すればより強力な接合体を作製し得ることを示している。
漢字圏・非漢字圏を意識した留学生のＩＴ系国家資格対策に特化した学習システムの開発

1研究目的これまでの現場経験からカタカナ(英語由来)やIT系国家資格のなかで頻出する英語34文字のキーワードに関しては、漢字圏の留学生と非漢字圏の留学生では、習得までの方法や習熟率がまったく異なることが分かってきた。以上を踏まえ、本研究の目的は、単純なエキスパートシステムのようなWeb上での応答ではなく、コーチングマインドを組み込み、問題を提供する教員・講師側が教えたいことではなく、生徒側が教わりたいこと、教わりやすいことは何かという点を非常に重視した(個別対応を組み込んだ)、特定少数向けE-learningシステムの開発・運用及び検証を行うことである。2研究成果研究成果としては、約100人の留学生に対して、実際に作成したE-learningシステムを利用してもらい、漢字圏と非漢字圏の学生での特製をまとめることができたことである。特にこれまでは、漢字圏と非漢字圏というカテゴリー分けをしていたが、非漢字圏にもかなりの差異があることが明確に分かった。実務面からの最大の成果は、実際に非漢字圏の学生に国家資格(ITパスポート)の合格者が出たことである。対象留学生は2名で2名とも合格した。人数としては、非常に少ないが他の学生へも受験意欲が波及しており、これからのさらなる集計が非常に楽しみである。
生物構造を構成する繊維材料組織の配向メカニズムとその力学的評価の研究

植物を複合材料設計の参考資料として見る場合、その構成材料が一方的に強い配向組織を有する一方向強化型の蔓植物が最初に考えられる。そこで生体維持及び外的環境条件の両面に対応した最適な構造形態を持ち備えている、ヤマフジ、サルナシの強度について研究を行い、以下の点を明かにした。(1)ヤマフジの師部の繊維配向は平行に近いがわずかに交錯している。これに対して科の木の繊維組織は網目状で数層重なっている。(2)サルナシの師部には繊維質は存在せず、荷重を受け持つことはできない。従ってヤマフジに比べて曲げやすく加工後の形状を保持しやすい。(3)ヤマフジ師部は幹の構造部分の中で最も強く、柔軟でかつ破断対して強い。含水率が高いほど引張り、曲げ試験共に破断応力、ヤング率が低く、幹は弱い力でもよく曲がり破壊しない。(4)春・秋のヤマフジの師部は引張りヤング率は高く破断応力は低いが、これは構造の変化期による繊維配向の乱れが原因である。(5)サルナシの強度はヤマフジのそれより水分に影響されない。(6)乾燥状態のヤマフジ木部は等方性の弾性体と見なすことができ、幹全体としてマトリックスを繊維が囲んでいる複合材料と見ることができる。(7)多方向強化型のものとして外力に対して強い抵抗を示す種子の殻が考えられ、その一つとして銀杏の殻の構造・組織についての研究を行い、化学成分は全セルロース、リグニン、水分、僅かな蛋白質と油等で構成され、組織としてセルロースが層状組織に生成され、その層間をリグニンがこう着している多層複合構造となっていることが分かった。動植物の繊維質に関する文献調査を行うと共に蔓性の植物の収集を行った。生体を複合構造体として見る場合、最も簡単な基本構造は蔓の形をとる植物で繊維質材による一方向強化型のものである。これらを対象とした研究の第一段階としては、構成材料や構造要素を無視して一材料としての強度評価が必要である。そこで蔓の引張試験を行うための試料採取方法の検討と引張試験のための試料把持具の設計を行っている。ついで構成材料と構造要素の研究をすすめ複合構造体としてのメカニズムを解明しなければならない。植物はセルロースを主成分とするものであるが、蔓性の植物のセルロースを研究するためには、最初に不純物を除去し筋を形成しているセルロースを分離しなければならない。そこで本研究の現段階では適切な溶剤を模索している。一方ではこれらの配向とマトリックスの構成から複合材料としての理論的な強度解析を行うためのモデル化を考えている。蔓を形成する植物として、藤、蔦、葛、あけび、山芋等を採取し、採取後の時間による変化をみると定性的にみて強くなるもの、もろくなるもの等種類のみならず一品種の部位によって差のあることが観察された。これは含水率が強さに大きい影響を及ぼしていると判断される。植物の特色として季節によっても変化することは知られているがこれらを十分考慮した評価を行わなければならない。三次元的な材料として胡桃の殻の強度評価法をすすめている。引張試験機の把持具は植物が丸に近い形状をしていることと、過大な荷重をかけて把持できないため何度かの試行をおこなっている。以上、現在は準備期間であるが成果としてまとまり次第公表するつもりである。植物を複合材料的な観点からみた場合、セルロースを主成分とする軸方向に伸びた繊維と、それを取り囲むリグニンを主成分とする柔組織といった全く性質の異なる素材から構成されている。古くから利用されてきた藤は最も簡単な繊維質材により一方向強化型のものの一つであり、構造体としての特性や信頼性は非常に高く、生体維持及び外的環境条件の両面に対応した最適な構造形態を持ち備えている。

本年度は、藤を複合材料的な観点から構成材料を検討することとし、その主成分であるセルロース量の測定、木部と師部別の引張強さの測定、曲強さに対する力学的評価法の考察を行った結果以下の結論を得た。(1)師部は幹の構造部分の中で最も強く、柔軟でかつ破断に対して強い。(2)含水率が高いほど引張り、曲げ試験共に破断応力、ヤング率が低い。(3)セルロース量は木部の方が師部より多いが、繊維の長さ結晶化度においては師部の方が勝っていると考えられる。(4)含水率の高い状態においては、幹は弱い力でもよく曲がり破壊しない。(5)藤は他の木材より曲げに対して非常に強い材料である。(6)藤の師部、科の木の樹皮、葛の繊維配向を観察した結果、科の木が網目状を示し、葛はほとんど平行であるのに対し、藤は平行に近いがわずかに交錯していることが分かった。今後、引張試験機の把持具および曲げ試験機は植物の形状により適切なものに改良する必要がある。また他の植物の繊維配向を調べそれぞれの特性との関連を検討しなければならない。昨年度に引き続きヤマフジの繊維配向と強度の関係および強度に対する季節の影響を調べるとともに、古くから谷川にかかる釣り橋の材料として使われてきたサルナシの構造と強度について研究し、ヤマフジと比較を行った。また、外力に対して強い抵抗を示す種子の構造を調べるため、銀杏の殻の組織について研究を行った。結果として以下の結論を得た。(1)春・秋のヤマフジの師部は引張りヤング率は高く破断応力は低いが、これは構造の変化期による繊維配向の乱れが原因である。(2)引張り・曲げの破断応力、ヤング率は温度より含水率の影響を強く受ける。サルナシの強度はヤマフジのそれより水分に影響されない。(3)乾燥状態のヤマフジ木部は等方性の弾性体と見なすことができ、幹全体としてマトリックスを繊維が囲んでいる複合材料と見ることできる。(4)湿ったヤマフジ師部は曲げ荷重は受け持たないが、幹の破壊を防ぐのに役立っている。(5)サルナシの師部には繊維質は存在せず、荷重を受け持つことはできない。従ってヤマフジに比べて曲げやすく加工後の形状を保持しやすい。(6)ヤマフジとサルナシはどちらも同じつる性植物であるが、その構造も機械的性質も大きく異なる。従ってこれらを材料として用いる場合、用途をによって選択しなければならない。(7)銀杏の殻の化学成分は全セルロース、リグニン、水分、僅かな蛋白質と油等で構成され、組織としてセルロースが層状組織に生成され、その層間をリグニンがこう着している多層複合構造となっている。
ギガビット・インターネットを利用した癌遺伝子多型情報の解析

近年インターネットの発達は目覚ましいものがあるが、高齢社会の生活習慣病(高血圧、糖尿病)の多遺伝子性疾患、オーダーメイド医療への転換のための疾患感受性遺伝子(SNP)の解析が行われている。これらの多量の個人情報の解析及び研究技術のグローバル化を目指し、無料のネットワーク、インターネット回線を利用し、国内で最も太い回線のTAO (Japan Giga Network : JGN)によるデータ配信をサーバー構築して試みた。今回、LIVEの実験操作として、総務省直轄の(TAO)ギガネットの接続許可を戴き、本学部にセットされた光ファイバー155Mbps超高速インターネット回線による動画像配信と教育効果の改善を目指した。研究代表者がTAO回線での接続経験を有する岡山市内の岡山理科大学との双方向けの動画像配信(70Mbps)のテストを数回行い、カリキュラム発信のHPやTV会議用のサーバーとしても役立つことを示した。1年目は本学部に設置したATM回線(155Mbit)に接続するサーバー(購入備品)の構築を行った。稼働できる整備が備わっていた。2年目は研究計画としてネットワークを構築する必要があり、以下の通りに行った。(1)セキュリティーの面で接続先のインターネット、グローバルIPを現在使用のIPv4・プロトコールから個別を特定できるIPv6・プロトコールに変更した。ルーティング作業は河原が約3ヶ月かけて実証実験した。(2)接続先には高速インターネット回線ギガビットネットワークセンター経由で英語により国内外に向けて発信を計画し、学会セミナーの企画、開催で韓国ソウル大学歯学部を訪問し、両者が接続できることを確認した。(3)研究代表者の永井、長塚、Gunduzは口腔癌等の遺伝子を解析し、国内外に情報発信することを可能にした。近年、インターネットの発達はめざましいものがあるが、高齢社会の生活習慣病(高血圧、糖尿病)の多遺伝子性疾患、オーダメード医療への転換のための疾患感受性遺伝子(SNP)の解析が行われている。これらの多量の個人情報の解析及び研究技術のグローバル化をめざし、無料のネットワーク、インターネット回線を利用し、国内でもっとも太い回線のTAO(Japan Giga Network : JGN)によるデータ配信を、サーバー構築して試みた。サーバーには、UNIX OS(Solaris9)を、導入して、HPには、Apache Softにて、ゲノムやカリキュラムの含まれるように構築した。その際、特にOSには、個別のクライアントにデータを届けるための個別配信が可能でユビキタス社会に即応するようにIPV.6に対応するように、設定した。今回、LIVEの実験操作として、総務省管轄の(TAO)ギガネットの接続許可をいただき、本学部にセットされた光ファイバー155Mbps超高速インターネット回線による動画像配信と教育効果の改善をめざし、以前研究代表者が、TAO回線での接続経験を有する岡山市内の岡山理科大学との双方向の動画像配信(70Mbps)のテストを数回行った。動画配信には、サーバーに接続されたDVカメラからDVTS(Digital Video Transport System)プロトコールにより、片道30Mbpsの毎秒30駒の動画像が送られ、カリキュラム発信のHPやTV会議用のサーバーとしても役立つことを示した。昨年度は本学部に設置したATM回線(155Mbit)に接続するサーバー(購入備品)の構築を行った。既に稼働できる整備が備わっている。本年度の研究計画としてネットワークを構築する必要があり以下の通り行った。(1)セキュリティの面で接続先のインターネット・グローバルIPを現在使用のIPv4・プロトコールから個別を特定できるIPv6・プロトコールに変更した。(河原)(2)接続先には高速インターネット回線のギガビットネットワークセンター経由で英語により国内外を予定であったが、韓国ソウル大学歯学部を訪問し、両者が接続できることを確認した。(永井、河原)(3)情報発信として研究代表者の永井は、先に示したゲノムセミナーや講義のテーマ別の事項を決定した。

データ解析を長塚、Gunduzが行った。(永井、長塚、Gunduz)(4)TVカメラ付きのデスクトップコンピュータからは日常の代表的な講義の動画像をLIVE映像での双方向のギガネットワークの高速配信を韓国ソウル大学で試験的に接続が可能となったが、実際は次年度へ持ち越された。(永井、河原、長塚、Gunduz)(6)情報開示は、本学だけで共有するのでなく、今後一般に告知する意味でUMINのHPにLINKを持つことで情報教育の周知徹底を図ることにしたい。(河原、長塚、Gunduz)
発がんプロモーター活性指標を導入した上水消毒処理水の安全評価

水道水の消毒に用いられる塩素は、トリハロメタンなどの有機塩素化合物を生成することから、その再考が求められて既に久しい。塩素処理水の有害性を測定する有力な手段に変異原性試験があり、チャ・イニーズハムスター肺細胞を用いる染色体異常試験を行ってきた。本研究は、これに発がんプロモーター活性の指標を導入し、消毒処理水の有害性を測定・評価することを目的としたものである。マウス繊維芽細胞BALB/3T3細胞は、プロモーターの作用により形質転換をおこすことが知られている。まずこの細胞の形態変化を画像解析によって客観的に検出、定量化する方法を開発した。ついで、市販フミン酸を自然水中有機物質のモデルとしてこれを塩素処理し、プロモーター活性が生成するかどうかを調べた。これと並行して、染色体異常試験を行うとともにトリハロメタンを中心とする副生成物を測定し、プロモーター活性との相互関係について検討を行った。この結果、塩素処理水のイニシエーション活性にはクロロホルムは寄与していないが、プロモーション活性には寄与していることが明らかとなった。またハロ酢酸類についての検討も行った。塩素処理を行った後イニシエーション活性は低減し、(2段階)形質転換誘発性は増大して行く。この過程では、クロロホルムやハロ酢酸類の濃度は増大する。しかし、非2段階の形質転換試験を行うことによって、発がんに関連した有害性は次第に低減していくことを推定した。塩素処理水の有害性を測定する有力な手段に変異原性試験があり、研究代表者も独自に、チャイニーズハムスター肺細胞を用いる染色体異常試験に画像解析を導入した方法を開発し、実験的検討を行ってきた。染色体異常試験について考えてみると、これは変異原性試験のひとつであり、発がん過程においては最初のイニシエーション活性を検出するのである。ところで、発がんに至るには、このイニシエーション段階の他にプロモーションの段階が必要と考えられている。本研究は、発がんプロモーター活性の指標を導入し、消毒処理水の有害性を測定・評価することを目的とするものである。まずこの細胞の継代培養を可能にしたのち、細胞の形態変化を画像解析によって客観的に検出、定量化する方法を開発した。この結果、塩素処理水のイニシエーション活性にはクロロホルムは寄与していないが、プロモーション活性には大きく寄与していることが明らかとなった。
不死化ヒト白血病幹細胞由来の熱ショック蛋白を用いた新規白血病治療の開発

申請者はこれまで微小残存白血病マウスに対して熱ショックタンパク(Heat shock protein : HSP)を用いて細胞性免疫および液性免疫の増強の観点から新規白血病治療の開発を精力的に行い有効性を実験的に実証してきた(Sato K, Shindo M, etal.Blood.2001 ; Iuchi Y,, Shindo M, etal.Int J Hematol.2006 ; Jimbo J, Shindo M etal.CancerSci.2008)。しかし、臨床では治療抵抗性で腫瘍量が増大した白血病患者は多数存在し、このような症例に対する有効な治療法の開発が望まれていた。一方、白血病においては、頂点に位置するごく少数の白血病幹細胞(Leukemic stem cells : LSC)のみが強い自己複製能と白血病形成能を有し、かつ既存治療法に耐性であることが明らかとなってきている。よって、我々のHSPの基盤技術を応用し、LSCを標的とした新規性の高い免疫療法の開発、具体的には白血病患者より分離したLSCを不死化・増殖させ、そこから得られたHSPを用いて効率よく抗白血病免疫の誘導を試みる革新的治療法の開発を目指す。H21年度には、まずteromerase reverse transcriptase遺伝子(hTERT : 2909-6362)を含むプラスミドベクターを作成した。現在これを患者由来の白血病細胞を含めた各種腫瘍細胞に導入を試み、またコントロールに比較して形質の大きな変化がいかどうかも検索している。患者白血病細胞を、セルソーターを用いてSP分画にソーティングし、白血病幹細胞としてのマーカーを示しうるか、またMHC class-1,IIの発現やHSP70の発現、さらには薬剤耐性を示すかどうか(P-糖蛋白の発現上昇があるかどうかなど)も検討中である。またAUTO-MACSを用いてCD34+CD38-分画を分離できるかどうか現在検討中である。
ナノゲルシャペロンへの標的タンパク質結合動力学解析および制御

本研究では、安価な原料から作製される高分子ナノゲル粒子を用い、従来材料よりも高度に機能するタンパク質リフォールディング材料の開発を目指して研究を行った。初年度までの結果として、機能性部位としてアニオン性部位および疎水性部位を有するナノゲル粒子が、タンパク質の凝集体を可溶化し、活性状態へのリフォールディングを促進することを見いだした。さらにQCMを用いた解析により、変性タンパク質に対して強く結合し、活性状態のタンパク質に対して比較的弱く結合することが、変性タンパク質の凝集体を効果的にリフォールディングするために要求されることが明らかとなった。次年度では、得られたナノゲル粒子の凝集タンパク質可溶化性能を、従来タンパク質フォールディング補助材料として用いられてきた種々の材料(界面活性剤およびPEG)、あるいはイオン性部位もしくは疎水性部位のみからなる高分子と比較した。結果として本研究で得られたナノゲル粒子は従来材料よりも効果的にリゾチーム凝集体を可溶化することが分かった。本研究で達成された、一度凝集したタンパク質の脱凝集を促進し活性のある状態に巻き戻すことができる人工材料の開発はこれまでに例がなく、タンパク質リフォールディング材料設計における重要な知見となることが期待される。また、最適化されたナノゲル粒子によるリゾチーム脱凝集活性の繰り返し性能を評価したところ、2サイクル目の使用において相対可溶化活性がおよそ60%に低下することも明らかとなった。これは、ナノゲル粒子上に強く結合したリゾチームの一部が粒子から解離することが出来ず、結果としてナノゲル粒子が失活してしまったためであると考えられる。従って、今後の課題としてタンパク質結合性を可逆的にスイッチングするシステムの開発が望まれる。28年度が最終年度であるため、記入しない。本研究では、安価な原料から作製される高分子ナノゲル粒子を用い、従来材料よりも高度に機能するタンパク質リフォールディング材料の開発を目指している。初年度は以下の通りに研究を実地した。1)疎水性官能基、負電荷官能基、正電荷官能基を様々な比率で導入したナノゲル粒子のライブラリーを作製し、粒子径および表面電荷を測定した。2)モデルタンパク質であるリゾチームに対するナノゲル粒子のリフォールディング活性を評価することで、ナノゲル粒子のリフォールディング活性発現のために必要となる設計指針を明らかにした。3)水晶発振子マイクロバランス法(QCM)を用いて変性およびネイティブリゾチームの結合性を解析することでナノゲル粒子のタンパク質結合性をリフォールディング活性に相関づけた。結果として、最適化された官能基組成を有するナノゲル粒子が、タンパク質の凝集体を可溶化し、活性状態へのリフォールディングを促進することを見いだした。初年度は様々な機能性官能基を様々な組成で有するナノゲル粒子ライブラリーを作製し、タンパク質の凝集阻害能および、タンパク質リフォールディング補助能のスクリーニングを行った。スクリーニング過程において、研究計画当初は予期していなかった凝集体形成後のタンパク質の可溶化およびリフォールディングを補助するナノゲル粒子が見いだされた。また、本ナノゲル粒子は性タンパク質に対して強く結合し、活性状態のタンパク質に対して比較的弱く結合することが明らかとなった。研究計画および初年度に得られた結果に基づき以下の課題に取り組む。1)ナノゲル粒子の凝集体形成後のタンパク質の可溶化およびリフォールディング活性を一般化するために、種々のタンパク質凝集体に対する汎用性を評価する。2)ナノゲル粒子の粒子径や高分子密度などがリフォールディング活性に与える影響を明らかにし、リフォールディングメカニズムの更なる詳細を明らかにする。3)添加剤あるいは温度変化などによるナノゲル粒子の構造変化がリフォールディング活性に与える影響を調べる。
腸管腫瘍における放射線発がんの標的細胞の同定と変異蓄積性

Lgr5幹細胞マーカー発現腸管細胞でBcl11bの片アレルを消失させるマウスの解析から、Bcl11b減弱は放射線照射後の腸管再生を促進することがわかり、この細胞が発がん母体細胞であることが示唆された。Bcl11bはSWI/SNFクロマチン再構成複合体の一因子として働き、その減弱はWnt/beta-cateninシグナル下流のc-jun遺伝子などの発現を亢進させることにより、発がんに貢献することがわかった。1.Lgr5発現細胞が放射線発がんの標的細胞となるかを検討する。Lgr5-Creマウス、Apc-min/+およびBcl11b-flox/+マウスとの交配を行い、最終目的とするLgr5-Cre;Bcl11b-flox/+;Apc-min/+遺伝子型マウスの作製を試みているところであり、その途中段階にある。一方、放射線発がん標的細胞の研究として、Lck-Cre;Bcl11b-flox/+マウスを利用し、胸腺リンパ腫系での検討を行った。骨髄内の幹細胞ではなく、胸腺内に存在する分化細胞がその標的となることがわかった。2.Wnt/b-cateninシグナル系へのBcl11bの関与を検討する。この系をモニターするTOP/GALマウスに、Bcl11b-flox/91;Lgr5-Creを導入する実験も現在進行中である。しかし、Bcl11b-flox/flox;Lgr5-Creマウスは得られたので、非照射時でのCBC細胞(Lgr5を発現)、TA細胞の増殖影響を検討した。8週齢のマウス小腸ではBcl11b発現を消失したクリプトは約1/5に観察された。隣り合わせの組織標本でBrdU取り込み、Ki67染色を行ったが、発現-非発現クリプトで変化はなかった。また、組織構築にも異常はみられなかった。この結果は、Bcl11bが無くてもLgr5発現細胞は影響を受けないことを示す。3.Bcl11b-KO/+マウスで照射後異常増殖する細胞(照射後停止がみられない)とLgr5発現細胞との関連性を明らかにする。Bcl11b-flox/+;Lgr5-Creマウスについて照射後のクリプト内でのLgr5発現細胞数の変化をKi67染色で調べた。Bcl11b染色が減弱したクリプト細胞でのKi67染色はシグナルの増大を示した。一方、GFP染色によるLgr5発現細胞についてはまだ結果は得られていない。1.6週齢のApcMin/+; Lgr5Cre; Bcl11bF/+マウスに4OHT投与し、18週齢で腸管腫瘍数を調べた。4OHT投与によりBcl11bの片アリル欠失が誘導されたMinマウスの腫瘍数は、コントロールに比べ有意な差を示さなかった。これはLgr5発現幹細胞でのBcl11b片アリル欠失は発がんを促進しないことを意味し、Lgr5+細胞よりも上位のBmi1+幹細胞で貢献することを示唆する。しかし、Bcl11bのCreによる欠失効率が約20%と低いため、検出精度に限界があり、最終結論とはならないと判断した。2.リンパ球でのBcl11bの解析から、Bcl11bは転写因子ではなく、転写を修飾するSWI/SNF複合体の一構成員であり、SWI/SNF機能を介して発がんに貢献するとの報告が昨年あった。そこで、ヒト大腸がん由来のHCT116細胞にBcl11bを発現させ、その核抽出液をグリセロール密度勾配遠心法で解析し、複合体形成への参加を検討した。その結果、Bcl11bはSWI/SNF構成因子であるBRG1やBAF53Aと同じ巨大サイズ分画に存在することが認められ、Bcl11bは腸管細胞でもSWI/SNF複合体の構成因子であることが示された。3. Lgr5Cre; Bcl11bF/+マウス腸管細胞からLgr5発現細胞をソーティングし、Bcl11b片アレルのみ欠失した細胞を分取し、この細胞での遺伝子発現変化をDNAアレイで解析した。脂質代謝やクリプト特異的な発現の上昇が観察され、これは予想と合致する一つの特徴であった。一方、Wnt/b-cateninシグナル下流の遺伝子としては、c-JunとFGF18の発現上昇がみられた。両者とも大腸がん細胞で上昇するとの報告があり、これらの遺伝子発現上昇を介してBcl11b片アレル消失が大腸がん発症に貢献する可能性が示された。1. Bcl11b+/KOマウスの腸管で形態や増殖性に変化はみられないが、3Gyのγ線を照射すると、細胞周期停止の減弱が観察される。この性質の変化がLgr5陽性細胞でBcl11b片アレル消失したことに起因するのかを調べた。

その結果、4OHT投与(Creを発現誘導する)後のLgr5-Cre; Bcl11b-flox/+マウスでも同様の細胞周期停止の減弱が観察された。2. Lgr5-Cre;Bcl11b-flox/KOマウスを作製し、4OHT投与により完全にBcl11bアレル消失した状態での腸管への影響を調べた。Cre発現をGFP染色で調べると、35%-45%のクリプト底部でCre発現が確認されたが、このクリプトの約半数でしかBcl11b発現の消失が観察されなかった。一方、Lgr5-Cre;LacZ-onマウスではGFP染色とLacZ染色が同程度であった。これは、Bcl11b発現を消失したクリプトが維持能低下を引き起こし、その結果Bcl11b(-)幹細胞は存続能が低下したと考えられる。3. Lgr5-Cre;Bcl11b-flox/KOマウスに4OHT投与後12Gy照射し、96時間後のクリプト再生時での変化を観察した。Lgr5発現をモニターするGFP発現は1-3%と激減したが、Bcl11b(-)のクリプトは20-30%観察された。これは照射後の再生時では、Bcl11b消失幹細胞はクリプト形成に強く寄与することを示唆する。したがって、クリプト・ホメオスタシス(維持)の時期とは反対の影響を与えると考えられた。4. Bcl11b-S826G/KOマウスの3週齢での腸管を観察した。Bcl11b-S826GはBcl11bの826番目のセリンがグリシンに置換した低形成アレルである。クリプトサイズは有意に小さく、クリプト低形成をもたらすと考えられた。本研究の中心に位置づけられているLgr5-Creマウスの繁殖、さらに交配したマウスの作製に時間がかかっており、計画の進行が遅れた。24年度には動物実験室の全面改修が予定され、さらなる遅れが危惧される。また、8週齢のBcl11b-flox/flox;Lgr5-Creマウスの小腸ではBcl11b発現を消失したクリプトは約1/5に観察されたが、発現と非発現クリプトの隣り合わせ組織標本で、細胞増殖に変化はみられなかった。この結果は、Bcl11bが無くてもLgr5発現細胞は影響を受けず、予想とは異なった。25年度が最終年度であるため、記入しない。1. Bcl11b+/KOマウスは腸管腫瘍形成を促進するが、その機構を明らかにする一つのヒントが得られた。すなわち、Bcl11b+/KOマウスの腸管では、形態、増殖性に変化はみられないが、3Gyのγ線を照射すると、細胞周期停止の減弱が観察される。今回の結果は、Lgr5発現陽性細胞でのみBcl11b片アレル消失する、Lgr5-Cre; Bcl11b-flox/+マウスでも同様にこの減弱が観察された。このことは、Lgr5発現陽性細胞(腸管幹細胞の有力候補であり、発がんの母細胞と考えられている)で、Bcl11bが量的に半減することが、発がんに貢献することを示している。なお、Bcl11b+/KOマウスの胸腺細胞でも1Gyまたは3Gyのγ線を照射すると、細胞周期停止の減弱が観察され、胸腺細胞特異的にBcl11bの片アレル消失させる系(Lck-Cre; Bcl11b-flox/+)でも、減弱が観察されている。この項目の達成度は100%と判断している。2.次に、Bcl11bの片アレルではなく、両アレルが消失するLgr5-Cre;Bcl11b-flox/KOマウスを作製し、実験した。腸管腫瘍形成という点では両アレル欠損はみられず、Bcl11bの完全消失は腫瘍形成にはむしろ負に働くと考えられる。Bcl11b
2次元配列バイオナノドットにおける不規則トンネル伝導と確率共鳴素子への応用

本研究では、極薄トンネル酸化膜上に形成されたナノドットとSi基板間の量子トンネル伝導による不規則電子遷移(充・放電)を利用し、ゆらぎや擾乱の中で閾値を制御する「確率共鳴素子」の基本となる量子電子物性を発現させ、次世代素子の要素構造開発を目指した。具体的には、1]ナノドット配列群からの量子トンネル現象による確率的電荷充・放電の制御、2]完全不規則電子応答現象の誘起、3]不規則時間応答など確率論的に閾値が制御可能な新機能素子への応用、の3課題を遂行した。確立した極薄トンネル酸化膜形成技術を活用し、厚さ1nm程度の高品質トンネル酸化膜を制御性良く作成できた。その上に、ナノドットアレイを埋め込んだ構造を作成し、その電子物性を評価した。ナノドットと基板間の電子の充・放電現象を走査型プローブトンネル顕微鏡や導電性プローブを用いた原子間力顕微鏡により詳細に解析し、ナノドットからの電荷の充・放電を初めて確認し、さらに、バンドエネルギーラインアップを特定した。配列したナノドット群からの電荷充・放電現象が、マクロに現れる容量変化の過度特性を解析したところ、秒単位以上の長い時定数を持つ過度特性が観測された。単一ドットからの放出はトンネル現象であり、時空間では極短時間(ピコ秒程度)で確率的に放出される。マクロな集団としての放出過程との関連解明を進めている。トランジスタにこの極薄酸化膜構造を組み込むと、信号の立ち上がり時間に対応して閾値が制御できることを初めて実証した。今後、ニューラルネットワークの要素素子としての応用が期待される。本研究では、極薄トンネル酸化膜上に形成されたナノドットとSi基板間の量子トンネル伝導による不規則電子遷移(充・放電)を利用し、電極間のパーコレーションパスの形成を制御し、ゆらぎや擾乱の中で閾値を導き出す「確率共鳴素子」の基本となる、"random telegram signal (RTS)"を発生する素子の開発を目指す。具体的には、1]ナノドット配列におけるチャネル部誘起とパーコレーションパスの形成、2]電極間の完全不規則電流信号(RTS)の誘起・制御、3]擾乱信号より小さい極微小信号により確率論的にRTSが制御可能な新機能電子物性発現、の3課題を遂行する。平成18年度は、1]極薄トンネル酸化膜の形成とナノドットアレイの埋め込みと、2]不規則トンネル伝導の解析、を中心に研究を展開した。自励充・放電を起こさせるためには厚さ1nm程度の高品質トンネル酸化膜を制御性良く作成する必要がある。現有の高速昇温熱酸化装置を活用して、1-5nmの極薄酸化膜の形成技術を確立した。ドット材料を内包したバイオ超分子のSi基板上へ高密度に2次元配列した。ドットとしては導電性を有する材料が必須である。埋め込み酸化膜との整合性を有する鉄やコバルトの酸化物半導体を超分子内へ内包した。基板上に配列させた後、タンパクを除去し、堆積酸化膜を現有のスパッタ装置や化学的気相堆積装置で形成し、ドット埋め込み構造を作製した。極薄トンネル酸化膜上に形成したナノドットと基板間の電子の充・放電現象を現有の走査型プローブトンネル顕微鏡や(STM)や導電性プローブを用いた原子間力顕微鏡により詳細に解析し、単一ナノドットからの電荷の充放電を初めて確認した。マクロに現れる容量変化の過度特性との関連を解析中である。本研究では、極薄トンネル酸化膜上に形成されたナノドットとSi基板間の量子トンネル伝導による不規則電子遷移(充・放電)を利用し、電極間のパーコレーションパスの形成を制御し、ゆらぎや擾乱の中で閾値を導き出す「確率共鳴素子」の基本となる、"random telegram signal(RTS)"を発生する素子の開発を目指す。具体的には、1]

ナノドット配列におけるチャネル部誘起とパーコレーションパスの形成、2]電極間の完全不規則電流信号(RTS)の誘起・制御、3]擾乱信号より小さい極微小信号により確率論的にRTSが制御可能な新機能電子物性発現、の3課題を遂行する。平成19年度は、平成18年度に確立した極薄トンネル酸化膜形成技術を活用し、厚さ1nm程度の高品質トンネル酸化膜を制御性良く作成できた。その上に、ナノドットアレイを埋め込んだ構造を作成し、その電子物性を評価した。ドット内包材料として、Fe(鉄)ならびにCo(コバルト)を内包したバイオ超分子をSi基板上へ高密度に2次元配列した。基板上に配列させた後、タンパクを除去し、堆積酸化膜を現有のスパッタ装置や化学的気相堆積装置で形成し、ドット埋め込み構造を作製した。ナノドットと基板間の電子の充・放電現象を現有の走査型プローブトンネル顕微鏡や導電性プローブを用いた原子間力顕微鏡により詳細に解析し、ナノドットからの電荷の充放電を初めて確認した。トンネル電流分光分析により、内包ドットのバンドギャップを定量的に評価すると同時にバンドエネルギーラインアップを特定した。マクロに現れる容量変化の過度特性を解析したところ、秒単位以上の長い時定数を持つ過度特性が観測された。単一ドットからの放出はトンネル放出であり、時空間では確率的に放出される。マクロな集団としての放出過程に関して検討を加える必要がある。本研究では、極薄トンネル酸化膜上に形成されたナノドットとSi基板間の量子トンネル伝導による不規則電子遷移(充・放電)を利用し、ゆらぎや擾乱の中で閾値を制御する「確率共鳴素子」の基本となる量子電子物性を発現させ、次世代素子の要素構造開発を目指した。具体的には、1]ナノドット配列群からの量子トンネル現象による確率的電荷充・放電の制御、2]完全不規則電子応答現象の誘起、3]不規則時間応答など確率論的に閾値が制御可能な新機能素子への応用、の3課題を遂行した。平成18、19年度は、確立した極薄トンネル酸化膜形成技術を活用し、厚さ1nm程度の高品質トンネル酸化膜を制御性良く作成できた。ナノドットと基板間の電子の充・放電現象を現有の走査型プローブトンネル顕微鏡や導電性プローブを用いた原子間力顕微鎌こより詳細に解析し、ナノドットからの電荷の充・放電を初めて確認し、さらに、バンドエネルギーラインアップを特定した。平成20年度は、配列したナノドット群からの電荷充・放電現象が、マクロに現れる容量変化の過度特性を解析したところ、秒単位以上の長い時定数を持つ過度特性が観測された。単一ドットからの放出はトンネル現象であり、時空間では極短時間(ピコ秒程度)で確率的に放出される。マクロな集団としての放出過程の場合に秒単位になる物理の解明を進めている。トランジスタにこの極薄酸化膜構造を組み込むと、信号の立ち上がり時間に対応して閾値が制御できることを初めて実証した。今後、ニューラルネットワークの要素素子としての応用が期待される。