hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
腸内細菌科細菌細胞内プロテオリシスのレドックス制御

細胞内の蛋白質分解は、蛋白質の機能・寿命・品質を管理する。Lonプロテアーゼは、細菌細胞質や真核細胞オルガネラにおける蛋白質分解を担っており、蛋白質分解の一連の過程を単一分子内で行う点に特徴がある。本研究では、Lonプロテアーゼについて、X線結晶構造解析をはじめとする構造解析、並びに酵素学的性状の解析を通して、詳細に検討した。その結果、Lonの機能が、従来知られていなかった、ダイナミックな構造変化を通して、多層的・段階的に調節されていることが明らかになった。この結果から、細胞内蛋白質分解の普遍的メカニズムの理解するとともに、感染症治療といった応用展開も期待することができる。Lonプロテアーゼは,細胞内タンパク質の品質の管理,および機能と寿命の制御に関与する,AAA+プロテアーゼである.Lonプロテアーゼの活性は,細胞にとって諸刃の剣であり,生育環境に応じて厳密に制御される必要がある.しかし,そのメカニズムは多くの点で不明である.申請者はこれまでに,腸内細菌科細菌のLonプロテアーゼが,分子表面のアロステリック・ジスルフィド結合により,腸内外の酸化還元(レドックス)環境の違いに応じて制御されることを報告している.本研究は,この新規のメカニズムの詳細を,分子,細胞レベルで解明することを目的としている.2015年度は,第一に,大腸菌由来LonプロテアーゼのX線結晶構造解析に向けて,結晶スクリーニングを行った.Lonプロテアーゼの全長立体構造は未知であるが,本研究では,アロステリック・ジスルフィド結合を形成する酸化型,形成しない還元型のいずれについても,X線結晶構造解析に十分と思われるサイズ・形状の結晶を得ることに成功した.さらに,これらの結晶について,大型放射光施設において,中程度の分解能の回折データセットを取得した.現在,これらの回折データを解析するとともに,各種実験条件を最適化しているところである.第二に,アロステリック・ジスルフィド結合による機能制御メカニズムの詳細を解明するため,各種変異型大腸菌Lonプロテアーゼを作製し,その酵素学的・タンパク質科学的性状を解析した.今後,これらの結果を併せて検討することで,Lonプロテアーゼの分子メカニズムを解明できると考えている.本研究では,大腸菌Lonプロテアーゼのレドックス制御機構について,(1)X線結晶構造解析によりその構造基盤を明らかにすること,(2)酵素学的・タンパク質科学的性状の詳細を解明すること,(3)生理的意義の詳細を,細胞・個体レベルでの実験から検討すること,を目的としている.現在までの進捗状況として,(1)については,アロステリック・ジスルフィド結合を形成する酸化型,形成しない還元型のいずれについても,解析に十分と思われるサイズ・形状の結晶を得ることに成功した.さらに,これらの結晶について,大型放射光施設において,中程度の分解能の回折データセットを取得することができた.これらの結果は新規性・重要性が極めて高く,今後の成果を大いに期待することが出来る.(2)については,各種変異型Lonプロテアーゼを調製し,それらの酵素学的・タンパク質科学的性状解析を進行中である.(3)については,当初の予定通り,2016年度以降,実施する予定である.細胞内タンパク質の機能,寿命,品質を管理する上で,細胞内タンパク質分解のシステムは重要である.真核生物のミトコンドリアや細菌細胞質においてこの機能を担うのは主に,Lonプロテアーゼである.本研究者はこれまでに,腸内細菌化細菌のLonが,「レドックススイッチ」をもつことを発見している.すなわち,Lon分子表面のアロステリックジスルフィド結合が,腸内・腸外の酸化還元(レドックス)環境の違いを感知して結合・解離し,分解産物ペプチドの放出口のサイズを制御する.その結果,細胞内プロテオリシスのレベルが腸内外それぞれの環境に最適化される.腸内細菌化細菌は,このスイッチをもつ事で,宿主間の高い伝染性が保証されている.本研究はこの新規のメカニズムの詳細を解明することを目的としている.2016年度は,大腸菌LonのX線結晶構造解析を行なった.その結果,ヌクレオチド結合部位等を変異したアポ型Lonの結晶構造を決定することができた.この構造は,従来知られる6量体リング状のLonの形状とは異なっており,電子顕微鏡観察の結果と合わせ,細胞内において通常とりうる不活性型の形状であることが示唆された.さらにこの構造をもつLon溶液にマグネシウムを添加し,X線小角散乱(SAXS)によって,ab initioモデリングを行なったところ,Lonの形状が活性型と思われる従来型の6量体リングに変化することがわかった.なお,上記のレドックススイッチは,その作用機構上,6量体リング構造をもつLonにおいて機能すると考えられる.これらの結果は,Lonの活性が高次構造の変化を介して,多層的・段階的に制御されることを示している.本研究は,腸内細菌科細菌Lonプロテアーゼのレドックス制御機構について,(1)X線結晶構造解析により,その構造基盤を明らかにすること,(2)酵素学的・タンパク質科学的性状を解明すること,(3)細胞・個体レベルで生理的な意義を検討すること,を目的としている.現在までの進捗状況として,(1)についてはアポ型Lonの結晶構造を決定した.この構造は細胞内でLonが通常取りうる,不活性型の構造であると考えられる.

(2)X線小角散乱,分析超遠心,電子顕微鏡等の手法により,Lonの形状が,マグネシウム,ヌクレオチド等の存在により,不活性型から活性型に移行することを明らかにした.(3)については,各種変異型Lonを発現した大腸菌株を調製し,Lonの細胞機能制御について予備的な観察をした.上記の成果は,当初の計画を充足する一方,当初予想しなかった新規の知見も含んでいる.今後,本研究がさらに発展する可能性が拓けたことから,上記区分とした.Lonプロテアーゼは、真核細胞のオルガネラや細菌の細胞質におけるプロテオリシスを担う、主要なATPase Associated with diverse cellular Activities(AAA+)プロテアーゼである。当研究者は、これまでの研究から、Lonプロテアーゼが様々な分子メカニズムにより細胞内活性を制御すること、特に腸内細菌科細菌においては、ユニークな分子メカニズムにより、腸内外のレドックス環境変化に対応することを明らかにしている。本研究は、このようなLonプロテアーゼの分子メカニズムについて、その全貌を解明することを目的とした。本研究の成果は以下の通りである。第一に、X線結晶構造解析により、基質タンパク質、ヌクレオチド、及び金属イオンが結合しない、アポ型Lonプロテアーゼの立体構造を決定した。この構造は、従来知られるLonの6量体リング構造と大きく異なっている。この結果は、別途実施した電子顕微鏡観察の結果と一致した。通常の細胞内においてLonが主にとる構造は、このアポ型の構造であると考えられる。第二に、X線小角散乱解析(SAXS)の結果に基づくab initioモデリングから、Lonの高次構造が、生理的条件の範囲内におけるマグネシウム、ヌクレオチド等の濃度変化により、アポ型構造と6量体リング構造の間で、可逆的に変化することを明らかにした。この結果は別途行なった超遠心分析の結果と一致する。第三に、Lonの活性が、レドックス、pH、マグネシウム、ヌクレオチド等により様々な制御を受けることを、酵素学的手法で詳細に解明した。第四に,細胞レベルの実験から,細胞内のLonの性状変化が、試験管内のそれと対応することを確認した。以上の結果から、Lonの細胞内活性が、ダイナミックな高次構造変化を通して、多層的・段階的に制御されることを示唆された。細胞内の蛋白質分解は、蛋白質の機能・寿命・品質を管理する。Lonプロテアーゼは、細菌細胞質や真核細胞オルガネラにおける蛋白質分解を担っており、蛋白質分解の一連の過程を単一分子内で行う点に特徴がある。本研究では、Lonプロテアーゼについて、X線結晶構造解析をはじめとする構造解析、並びに酵素学的性状の解析を通して、詳細に検討した。その結果、Lonの機能が、従来知られていなかった、ダイナミックな構造変化を通して、多層的・段階的に調節されていることが明らかになった。この結果から、細胞内蛋白質分解の普遍的メカニズムの理解するとともに、感染症治療といった応用展開も期待することができる。現在までの成果をもとに,今後以下のように研究を推進する予定である.第一に,大腸菌LonプロテアーゼのX線結晶構造解析に関し,現在までに取得した,アロステリック・ジスルフィド結合を形成する酸化型,形成しない還元型それぞれのX線回折データの解析を進めるとともに,さらに高分解能のデータ取得に向けて,各種実験条件を最適化する予定である.
地球温暖化による過剰死亡推定―多国間共同環境疫学研究

温暖化による将来の過剰死亡数をより現実的に推定するために必須となる4項目(1適応予測、2大気汚染交互作用予測、3ヒートアイランド現象影響予測、4下痢症予測)の疫学的予測モデルの開発をおこない、今世紀末までの温暖化による過剰死亡数を推定することを目的とする。まず日本のデータを用いて、暑熱の影響(heat effect)に対する適応レベル、大気汚染交互作用、ヒートアイランドの影響を調べ、その結果を予測モデルに組み込むことにより今世紀末における過剰死亡を推定する。その上で日本のデータ解析で得られた知見をもとに、世界の主要都市における今世紀末の過剰死亡を推定する。
対話時の脳波と脳血流の同時計測による脳活動の状態と沈黙の関連性の解明

本研究は意思疎通の効率を向上させる対話インタフェースの実現に向け,対話時の脳波と脳血流の同時測定結果から沈黙と脳活動状態の関連性の解明を目的で研究をおこなった.特に,ヘルスケアモニタリングへの応用に向け,遠隔環境の被験者に暗算課題を音声で伝えて実施する実験を行い,脳波と脳血流の同時測定結果から沈黙前後について,1分単位と1秒単位のセグメンテーションで異なる2階層の自己組織化マップを提案した。安静中と課題実行中の2状態を92%前後の識別率であることを確認したと同時に,単なる閉眼,聞き取り中,記述中,聞きながら記述の4状態についてそれぞれ条件が異なることを発見した。今年度の本研究は,対話時の脳波と脳血流の同時測定結果から沈黙前後について,自己組織化マップを作成し,識別可能な脳活動状態について調べた。暗算課題において時間変化する被験者の各脳活動状態について,特徴ベクトルのセグメンテーション(サンプリング対象の区間)のサイズに応じて識別可能な脳活動状態が異なるため,1分単位と1秒単位のセグメンテーションで異なる2階層の自己組織化マップを提案した(研究業績1)。遠隔環境の被験者に暗算課題を音声で伝えて,計算を実施する実験を行った結果,2階層の自己組織化マップで安静時と課題実行時の1分単位の大まかな2状態を92%の精度で識別可能であることを確認したと同時に,単なる閉眼,聞き取り中,記述中,聞きながら記述の4状態についても67%から100%の間で識別できることを確認し,時間解像度に応じた機械学習は多種類の脳活動状態を対象とするときに有効であることを結論付けた。以上の結果を踏まえて,即時に脳活動状態を検証するために,リアルタイムなデータ記録結果から機械学習を残された課題として取り組む予定である。また次年度には,非対面の技術教育における対話とヘルスケア診断に関する事例について予定通り実験を進め,沈黙の種類を分析する。H28年度の研究計画に基づいて,自己組織化マップによる分析手法の改善を行いつつ,当初の目的である沈黙前後の脳活動状態のいくつかをクラス分類することができた。また,そのときのストレスレベル,感情変化,聞き取りや発話意思の視点からも分析が進んでいる。ただし,遠隔環境の対話から沈黙の種類を分析するには,分析後に判定した脳活動状態の正しさを検証することが課題となった。沈黙の種類のうち,意図的に実験時に再現できない種類のものがある。そのため,脳波と脳血流の同時測定について,リアルタイムな記録と機械学習を可能にすることがセットとして新たに課題として考えられる。本研究は,昨年度の暗算課題に関する実験の成果を応用し,沈黙中の被験者の脳波と脳血流の同時測定結果から,前頭前野脳活動の左右差に基づく指標(FAA: Frontal Alpha AssymetryとLIR: Laterality Index at Rest)を用いて,気分障害リスクや不安度の推定可能性について実験を行なった。推定誤差を検証するために,気分障害リスクに関する実測データとして抑うつ尺度(BDI-IIスコア),および,不安度の実測データとして状態-特性不安尺度(STAIスコア)を用いた。計14点のサンプルデータについて相関分析を行なったところ,BDI-IIスコアとLIRに強い相関(r = -0.45)があることがわかった。次に,2名の被験者について被験者内時系列データからそれぞれに相関があることが確認できた。この結果について,査読付き国際会議(2018年7月)で発表を行うことが決定している。現在,その結果について自己組織化マップを用いて特徴量の解析を行なっているところである。前年度研究成果の発展として,さらに,被験者202名について時間分解能NIRSを用いて前頭前野の脳機能計測を行い,計15個の脳機能データの項目を入力とするDeep Neural Networkを構築した。クラス分類(MMSEスコア24未満と24以上の2クラス)の結果,91.5%の精度を確認し,さらに,oxy-Hb,deoxy-Hb,SO2だけでなく,プローブから大脳皮質の光経路長がその推定結果に影響を与えていることを発見し,考察している。本分析結果について論文投稿を行い,学術論文(2018年7月発刊予定)に採択されている.本研究は意思疎通の効率を向上させる対話インタフェースの実現に向け,対話時の脳波と脳血流の同時測定結果から沈黙と脳活動状態の関連性の解明を目的で研究をおこなった.特に,ヘルスケアモニタリングへの応用に向け,遠隔環境の被験者に暗算課題を音声で伝えて実施する実験を行い,脳波と脳血流の同時測定結果から沈黙前後について,1分単位と1秒単位のセグメンテーションで異なる2階層の自己組織化マップを提案した。H29年度の研究を進める際,最初に前述した課題,脳波と脳血流の同時測定について,リアルタイムな記録と機械学習を可能にすることが必要であると考えられる。そのため,実験に用いている脳波と脳血流の測定結果に統計や機械学習が即時に行えるようにユーザインタフェースの改良もしくは開発を行う予定である。また,H29年度に同時に実施する2つの適用事例(非対面の技術教育における対話,ヘルスケア診断)について,研究協力者とともに実験計画を行ったところである。分析手法について,おもに教師なし学習を用いて脳活動状態のクラス分類を行ってきた。

上記の課題と合わせて,即時の精度検証を可能とするために,今後は教師あり学習(おもに決定木やディープラーニングなど)を同時に適用し,結果を比較する準備ができている。おもに物品費に使用額の差が生じている。NIRSセンサの購入価格について,アカデミック版であったため大幅な節約をすることができたためである。また人件費・謝金の使用額の差について,ボランティアを要する実験は当該年度の直前に行われたため,次年度の実験で人件費・謝金を含め計画を行う。次年度使用額について,2つの適用事例があるため,実験を今春と今秋に2回予定している。必要となる消耗品と人件費に使用する。また,検証方法に関する新たな課題が生じたため,そのために用いる実験インターフェースの改良に要する物品費に使用する。
動詞と文法構文の習得に関する構文文法的・認知言語学的研究

本研究課題の目的は、認知言語学及び構文文法の枠組みにより英語の構文・文法の獲得を調査・分析し、認知的に妥当な言語獲得モデルを提示することにある。こどもと大人の会話データベースCHILDES (MacWhinny 2000)を用いて量的研究を行うと共に、実際の使用事例から構文が段階的に形成される過程を詳細に観察し、使用基盤モデルによるアプローチの有効性を示す。本研究では英語の中間態と動詞の自他交替、移動事象表現と場所/セッティングを主語とする構文を調査対象とし、こどもの発話に見られるこれらの文法的・意味的特性を明らかにするとともに、文法獲得と事態把握に関わる認知的発達との密接な関わりを示した。本年度は、英語における言語習得に関しCHILDESのデータ等に依拠し分析しそのメカニズムを解明する本研究課題の計画のうち、谷口・深田が前年度より各々担当しているテーマに関する成果の総括に向け、最終的な分析と調査を行った。谷口は、英語のget-passiveが中間態であるというAlexiadou (2012)らの見方を受け、CHILDESでアメリカ英語話者の子どもの発話からget-passiveを含むものを抽出し、getと共起する過去分詞の種類と年齢による分布、be-passiveと比較しての機能的特性を詳細に分析し、「英語の中間態が他動詞から非対格自動詞への橋渡しを行う役割を果たす」という前年度来の仮説を支持する事実を得た。さらに、自動詞の過去分詞形を含むget-passiveなど大人の文法では許容されないget-passiveの事例が散見されたことから、こどもの文法特有のget-passiveの機能が存在する可能性を示唆し、次年度以降の研究課題とした。深田は、CHILDESを用いセッティング主語構文(there構文を含む)に関する事例を検索・収集した。しかし子どもの発話にセッティング主語構文が希少であることから、手掛かりを絵本及び児童文学にシフトしセッティング主語構文の事例を収集し、こどもの物語理解に関する認知言語学的な観点から検討を行った。この調査から、セッティング主語構文に関与する移動表現自体を詳細に見る必要性が認められたため、来年度はCHILDESにより詳細に調査することを課題とした。2012年度は、研究代表者(谷口)および研究分担者(深田)が各々担当する言語習得現象に関し、こどもの発話データベースであるCHILDESを用い、データ収集と観察にあたった。谷口は、英語における他動詞と同形の非対格自動詞用法の習得を担当し、自他交替および中間構文に関する調査を前研究課題から継続して行った。こどもが他動詞から非対格自動詞用法をどのようにして習得するかの調査の中で、言語習得期のこどもへの大人の発話に特徴的な迂言的構文(make X moveの形式)の存在が明らかとなり、同形式がopenなど他の非対格自動詞でも利用されていることが、本年度の調査から確かめられた。この研究結果については、学会および研究会での招待講演として発表を行った。同時に、英語における中間態(middle voice)の位置づけを他言語との比較から考察し、非対格自動詞用法以外に英語の中間態的事態把握を記号化する構文の検証を行った。深田は、担当である移動表現の習得全般に関する先行研究を調査すると共に、CHILDESを用いた調査の準備と導入にあたり、英語の移動動詞およびセッティング主語構文に関するデータ収集を行った。その結果を考察し、今後の調査において選定すべき語彙や構文について、検討を行った。また、コーパスによる調査に並行し、こどものための絵本“The Tale of Peter Rabbit"及び日本語版「ピーターラビットのおはなし」における移動表現を抽出し、それらに見られる特性の分析を行った。以上、谷口・深田共に、CHILDESによるコーパス調査を進行すると同時に、担当の言語現象の習得に関わる要因について基礎研究を行い、次年度以降の研究基盤の構築にあたった。研究期間の最終年度にあたる本年度は、谷口・深田が個別の調査を発展させると共に研究成果を総括し、英語の動詞の用法獲得のプロセスを認知言語学的観点から考察し、ボトムアップで構文が獲得される過程を使用基盤モデルに基づき検討した。谷口は「中間態が英語の自他動詞交替の獲得において重要な役割を担う」との仮説に基づき、中間態の一形態であるget-passiveの調査を前年度から進展させ、CHILDESで収集した大人の発話に含まれるget-passiveの文法的・意味的特徴を明らかにした。さらに、前年度までに行った非対格自動詞とget-passiveの観察結果を総括し、大人からこどもに与えられるインプットに大人間での発話には見られない文法的特性が発現する傾向、文法的な「母親語」の存在が特定の統語パターンの獲得を促進する可能性などを示唆した。深田は、CHILDESでこどもの移動事象表現を中心に収集し、その出現・消失を各発達段階との関連で考察した。様態動詞を主動詞としないタイプの移動事象表現(go {run/running}、come {run/

running}など)のこどもの発話事例を調査し、その出現・消失を詳細に検討するとともに、run, go, getが取る経路句数の増加時期についても実例をもとに検討を加えた。また、セッティング主語構文に関しては、こどもがモノを主語として表現しない状況とはどのような状況かという観点から見直しを図り、先行研究及びCHILDESの事例を通して、セッティング主語構文の中でもthere構文はこの種の言語表現として習得初期から用いられている可能性があるという結果を得た。以上の成果は日本認知言語学会ワークショップ「ことばの発達と心の発達」を開催により広く発表し、発達心理学の専門家である小松孝至氏を交え、認知発達・社会的発達の文脈から言語発達のメカニズムを探求する重要性を示した。認知言語学本研究課題は、CHILDESに登録されている膨大な発話データベースを使用した事例収集という研究方法を採っており、実際に子どもの発話に当該事例がどの程度含まれているかにより進捗や成果が大きく左右される。谷口が本年度対象としたget-passiveは、子どもの発話が約1000件、大人の発話が約3000件と膨大に収集されたため予定以上の進展があったが、深田が担当したセッティング主語構文は事例が極めて少なく、CHILDESからのデータ抽出にも方法的な問題が生じたことからやや遅れている。2名の状況を総合的に判断すると、おおむね予定通りの進展であると考えられる。本研究課題採択後に、研究代表者(谷口)の所属機関の異動が決定し、研究資料の図書や機器の多くを前所属機関に返納せざるを得ず、研究環境を新たに整備する必要があったことに加え、研究分担者(深田)の出産・育児による研究活動の一次中断が、研究計画にやや遅れを生じている理由である。ただし出産・育児による休業は短期間であったため、本研究費の留保申請は行っていない。2014年度は本研究課題の最終年度であるため、谷口・深田の研究成果を総括し、言語習得に関わる認知的メカニズムの一側面を明らかにすることが目的である。谷口は中間態に対応する事態概念と自他交替の習得に関し成果をまとめると共に、子どもの対話者である大人の発話に着目し、子どもと大人のインタラクションの観点から言語習得の様相を考察する。深田は移動表現(移動動詞run, goなど)を含む事例をCHILDESから収集し、それらの動詞が経路句とどのように共起するか、発達段階ごとに観察すると共に、セッティング主語構文に関しても継続して調査を行う。2名の研究成果を統合し、さらに発達心理学での言語獲得研究の知見を交え、主要学会でワークショップを開催し議論を深める予定である。上記の通り、本年度は研究計画に遅れが生じ、研究費の使用も予定を下回ったが、谷口は所属機関での研究環境が整いつつあり、深田は育児休業からすでに復職している。次年度は、今年度完了しなかった調査を継続し、コーパスによるデータ調査補助を依頼する大学院生の人数を2名程度増加させるなどし迅速化を図ると共に、当初の研究計画どおり、谷口・深田の調査結果を統合させ、言語習得モデルの構築にあたる。
マルチウェイブ超音波流速分布計測法を用いた混相流動解析手法の開発

二相流動を正確に予測する上で,気泡速度分布計測および気泡周りの液相速度分布計測は重要であるが,その実験の困難さから更なる実験的解明が要求されている.そこで著者らによって昨年度までに開発した同軸二波長超音波センサ(マルチウェイブ・トランスデューサ)を用い,マルチウェイブで気泡・液相速度分布を同時計測するマルチウェイブ超音波法の開発を行った.超音波の反射強度は媒質である水と反射体との反射係数に依存する.従来用いていた超音波流速分布計測計(UVP)では,装置の制約によって気泡・液相の同時速度分布取得は不可能であった.そこで液相のトレーサ粒子と気液界面における反射強度の差異に注目し,異なる超音波基本周波数による反射信号を用いたデータ処理を独自開発することによって,気泡・液相の同時速度分布計測を可能とした.従来のUVP法ではドップラ信号による速度算出を行うため,最低32回の超音波送受信が必要である.それに対して本手法で用いだ相関法は,最低2回の超音波送受信によって速度算出が可能であることから,高時間分解能での計測が可能であることが特徴である.そこで開発した本手法を鉛直円管内気泡流に適用することによって,気液の速度分布計測が可能であることを示した.更にハイスピードカメラによる画像取得とマルチウェイブ超音波法を同期させることによってスラグ流周りの液相速度分布計測を可能とした.また,これらの実験データを米国Rensselaer Polytechnic Instituteにて開発された多流体三次元解析コード(NPHASE)に適用し,SBWR内ライザ部における二相流動解析を実現させた.気泡速度分布計測および気泡周りの液相速度分布計測は,気泡流の挙動を正確に予測する上で重要であるが,その実験の困難さから未解明のままである.そこで著者らは,超音波流速分布計測計(UVP)を用いて,気泡近傍の流動計測を試みてきた.UVPは計測線上の瞬時速度分布が計測できるため,気泡界面からの速度分布としてデータを整理できるばかりか,不透明壁や不透明流体への適応が可能であるなどの利点がある.しかしながら,測定体積が比較的大きいため,計測する気泡流のボイド率によっては,超音波の基本周波数を適切に選択する必要が生じる.一般に,発信超音波の指向性および強度分布は超音波の二つのパラメータである基本周波数と空間内超音波ビーム径の関係に依存する.そこで本研究では,一つの超音波トランスデューサ(TDX)に同心円状に二つの異なる共振周波数の超音波振動素子を埋め込んだ同軸二波長超音波センサ(マルチウェイブ・トランスデューサ)を開発するとともに,超音波流速分布計測計を用いてマルチウェイブで計測するマルチウェイブ超音波法を提案し,気液二相流の気相液相計測に応用した.本TDXは外径13mmの円筒樹脂でケーシングされ,センサの先端部に直径3mmの共振周波数8MHzの圧電波素子(内素子)と,その同心軸に内直径3mm,外直径10mmの中空状の共振周波数2MHzの圧電素子(外素子)が埋め込まれ,内外それぞれの素子からリード線によりBNC端子に接続した.そこでまず,本TDXの性質を調べるために数値積分法を用いた超音波の放射音場の解析を行い,音場特性を調べた結果,素子から25mm以上遠方の領域を用いることで計測に適応可能であることを確認した.次に市販のUVPを二台用い,鉛直円管内気泡流の計測を行った.その結果,気泡速度分布と液相速度分布をそれぞれのUVPで計測可能であることを示した.二相流動を正確に予測する上で,気泡速度分布計測および気泡周りの液相速度分布計測は重要であるが,その実験の困難さから更なる実験的解明が要求されている.そこで著者らによって昨年度までに開発した同軸二波長超音波センサ(マルチウェイブ・トランスデューサ)を用い,マルチウェイブで気泡・液相速度分布を同時計測するマルチウェイブ超音波法の開発を行った.超音波の反射強度は媒質である水と反射体との反射係数に依存する.従来用いていた超音波流速分布計測計(UVP)では,装置の制約によって気泡・液相の同時速度分布取得は不可能であった.そこで液相のトレーサ粒子と気液界面における反射強度の差異に注目し,異なる超音波基本周波数による反射信号を用いたデータ処理を独自開発することによって,気泡・液相の同時速度分布計測を可能とした.従来のUVP法ではドップラ信号による速度算出を行うため,最低32回の超音波送受信が必要である.それに対して本手法で用いだ相関法は,最低2回の超音波送受信によって速度算出が可能であることから,高時間分解能での計測が可能であることが特徴である.そこで開発した本手法を鉛直円管内気泡流に適用することによって,気液の速度分布計測が可能であることを示した.更にハイスピードカメラによる画像取得とマルチウェイブ超音波法を同期させることによってスラグ流周りの液相速度分布計測を可能とした.また,これらの実験データを米国Rensselaer Polytechnic Instituteにて開発された多流体三次元解析コード(NPHASE)に適用し,SBWR内ライザ部における二相流動解析を実現させた.
高温熱面を用いた支援燃焼により高機能化を実現する宇宙用超小型推進機の基礎研究

本研究は、環境適合性を有する高性能の小型宇宙用液体推進機の実現を目指す。電気エネルギーを利用した支援燃焼を適用することにより、比推力9燃費)に優れるが推力が小さい電気推進機モードと、比推力は電気推進機モードに劣るも高い推力を得られる化学推進機モードとを有するデュアルモード推進機を実現するのである。本研究課題では、その作動の実証と性能の評価を実施した。当該年度において,本研究で必要となる液体推進薬供給系の構築ならびに噴射器の試作と評価を行った.本研究で用いる液体推進薬(HANやDME)は,金属や樹脂に反応性を有するため,電磁バルブ,流量調整バルブ,コリオリ流量計は反応性を鑑みて選定し供給系を構築した.供給系構築と同時に,衝突噴流型と同軸型噴射器を試作し位相ドップラー法(PDPA,phase Doppler particulate analysis)により噴射された液滴の直径や移動速度分布を測定した.安全上HANに代わる模擬液体を用いる必要があったため,準備段階としてHANの表面張力,密度,粘性係数を測定し様々な流体の特性を調べた.結果,約60%のグリセリン水溶液が類似する特性を有するためこれを用いた.試作した衝突噴流型噴射器は流路径0.15mmの噴射口を二つ有しこの噴射口から液体推進薬を供給し衝突させているが,衝突点より下流に長さ約30mm程度の液膜が形成されさらに下流で分裂し液滴が形成されていた.このときの液滴の平均直径並びに移動速度は,20μm,15m/sであった.また,DMEが容易に気化できることを利用して気体と液体の速度差により液滴を分裂させ混合させる同軸型噴射器を試作しその評価を行った.液膜は全く形成されず,噴射口下流5mmで液滴が形成され平均直径並びに移動速度は,30μm,25m/sとなった.以上のような液滴直径・移動速度の測定結果並びに液滴燃焼に関するモデルを用いて液滴の蒸発に必要な燃焼室長さを算出したところ,100200mmであった.この燃焼室長さは従来の小型推進とほぼ同等であることから,試作した噴射器が小型推進機に適用できることを示した.当該年度において,本研究で必要となる加熱装置および推力測定装置の試作を行い,さらにプラズマ源を用いて燃焼支援に関わる予備実験を行った.加熱装置に関しては,ヒータ用電源系や計測制御系を試作し,耐熱金属をヒータとするレジストジェット兼燃焼支援用熱源を設計しその試作を行った.また,性能評価のために必要となる推力測定装置を試作した.本推力測定装置は, flexi hingeと呼ばれる弾性バネ要素を用いた振り子型である.これまでに,重量が既知のおもりを用いて試作した推力測定装置を較正し,良好な線形性を有することを確認した.また,本推力測定装置を現有する真空容器に取り付け,宇宙用推進機を真空中で作動させたところ,大気圧による真空容器の歪みによるドリフトや真空ポンプなどによる振動の影響もなく,十分に推力測定が可能なことを確認するに至った.液体の高温熱源による支援燃焼に関する知見を得るために,現有するアークプラズマジェットを熱源とした実験を行った.燃料成分であるDMEをプラズマ源としてアークプラズマと霧化したHAN酸化剤とを燃焼室に噴射したところ,燃焼室圧力が上昇すること確認し,熱源による燃焼支援を実証するに至った.また,プラズマジェットと液体推進薬の噴射方向とが成す角度によって燃焼室圧力や必要となる電力に変化が生じていた.このことから,燃焼支援用の高温ガスジェットと液体推進薬の衝突角度が本推進機にとって重要なパラメータであることが示唆された.本研究では,電気エネルギーを利用した支援燃焼を適用することにより,電気推進機モードと化学推進機モードを有するデュアルモード推進機を提案し,その作動の実証と性能の評価を実施した.当該年度は,入手性,環境適合性,貯蔵性に優れるエタノール/亜酸化窒素推進薬に着目した.当該推進薬に対しても電熱による支援燃焼が可能であることを実証するために,試作機を製作しその実験を行った.電気推進機モードの予備実験のために,亜酸化窒素を推進剤としたアークジェット推進機を試作し,推力室圧力の上昇と推力発生を確認することにより電気推進機モードでの作動を実証するに至った.提案する推進機の化学モードが作動することを実証した.エタノールと亜酸化窒素を用いた同軸型噴射器を試作し,PDPA(位相ドップラー粒子分析機)を用いてエタノールの液滴を分析したところ,並進速度は69m/s, Sauter平均直径は30μmとなった.これを基に必要な燃焼室長さを検討し設計指針とした.試作した推進機において,亜酸化窒素アークプラズマによりエタノールと亜酸化窒素の燃焼を維持されていることを確認し,燃焼完了度を表すC^*効率は最大で88%を得た.これより,亜酸化窒素/エタノール推進薬においても,提案した推進機の化学推進機モードでの作動を実証できたと言える.また,アークジェットの噴射器の対向角度により,C^*効率が変化していた.
曲線中で過度の遠心力を受ける鉄道車両の走行安全性

リニアモータ駆動の車体荷重左右搬送装置で模型車両の静止輪重比を動的に変えることを可能とした.次いで,台車転走装置の軌条輪にひずみゲージを貼付して,車輪横圧と輪重の測定を可能とするとともに,アクチュエータを利用して遠心力を模擬した横方向の外力を作用させるようにした.これらの装置改修の後,アタック角と輪重比を固定して横方向外力を単調に増加させる場合,アタック角と横方向外力を固定して輪重比を変動させる場合などについて車輪のフランジ乗り上がり脱線を再現し,脱線に至るまでのアタック角,輪重比および横方向外力の影響が把握された.その結果を利用して構築した一車輪軸の解析モデルによる数値シミュレーションでは,モデルとしては改善すべき点があるものの,車輪軸挙動の実験結果に対して理論的な考察が加えられた.次に,片輪走行状態となる横方向の引張力を車体に作用させてフランジ乗り上がり脱線の実験を行い,片輪走行時の輪軸ロール角(片輪の浮き上がり角),横方向力,および輪軸アタック角が及ぼす影響が把握され,輪軸ロール角とアタック角の増大が限界脱線係数を減少させることが確認された.そこでは,片輪走行を起こすだけの横方向力が作用し続ければ,いずれ転覆に至ること,転覆時に作用する横方向力で生ずる車輪横圧はフランジ乗り上がりに要する横圧よりも小さく,過度の遠心力の作用下では脱線に至らずに転覆する可能性の高いことが示された.最後に,マルチボディソフトSIMPACKを利用した一両モデルのシミュレーションにより振り子車両の走行安全性を評価した.振り子梁式車体傾斜車両の解析モデルを構築し,曲線通過シミュレーションを行ない,実用中,また実用が想定される振り子角5°および7°の車両では,曲線乗り心地から制限される限界速度まで速度を向上しても,安全走行のための輪重減少率の目安(静的60%,動的80%)を超えないことを示した.また,数値シミュレーションで車体傾斜係数を特定することにより,走行安全性評価に関する静的解析の精度向上を実現する方策を示した.これらにより,振り子車両が安全かつ効果的に曲線通過速度を向上するための基礎資料が得られた.以上の検討により,脱線と転覆が複合するような条件下における鉄道車両の走行挙動を明らかすることができた.リニアモータ駆動の車体荷重左右搬送装置で模型車両の静止輪重比を動的に変えることを可能とした.次いで,台車転走装置の軌条輪にひずみゲージを貼付して,車輪横圧と輪重の測定を可能とするとともに,アクチュエータを利用して遠心力を模擬した横方向の外力を作用させるようにした.これらの装置改修の後,アタック角と輪重比を固定して横方向外力を単調に増加させる場合,アタック角と横方向外力を固定して輪重比を変動させる場合などについて車輪のフランジ乗り上がり脱線を再現し,脱線に至るまでのアタック角,輪重比および横方向外力の影響が把握された.その結果を利用して構築した一車輪軸の解析モデルによる数値シミュレーションでは,モデルとしては改善すべき点があるものの,車輪軸挙動の実験結果に対して理論的な考察が加えられた.次に,片輪走行状態となる横方向の引張力を車体に作用させてフランジ乗り上がり脱線の実験を行い,片輪走行時の輪軸ロール角(片輪の浮き上がり角),横方向力,および輪軸アタック角が及ぼす影響が把握され,輪軸ロール角とアタック角の増大が限界脱線係数を減少させることが確認された.そこでは,片輪走行を起こすだけの横方向力が作用し続ければ,いずれ転覆に至ること,転覆時に作用する横方向力で生ずる車輪横圧はフランジ乗り上がりに要する横圧よりも小さく,過度の遠心力の作用下では脱線に至らずに転覆する可能性の高いことが示された.最後に,マルチボディソフトSIMPACKを利用した一両モデルのシミュレーションにより振り子車両の走行安全性を評価した.振り子梁式車体傾斜車両の解析モデルを構築し,曲線通過シミュレーションを行ない,実用中,また実用が想定される振り子角5°および7°の車両では,曲線乗り心地から制限される限界速度まで速度を向上しても,安全走行のための輪重減少率の目安(静的60%,動的80%)を超えないことを示した.また,数値シミュレーションで車体傾斜係数を特定することにより,走行安全性評価に関する静的解析の精度向上を実現する方策を示した.これらにより,振り子車両が安全かつ効果的に曲線通過速度を向上するための基礎資料が得られた.以上の検討により,脱線と転覆が複合するような条件下における鉄道車両の走行挙動を明らかすることができた.リニアモータ駆動の車体荷重左右加振装置で模型車両の静止輪重比を動的に変えることにより,振動を模擬した車体の動的な移動を可能とする調整を行った.次いで,一軸台車の横圧・輪重を計測するため,軌条輪にひずみゲージを貼付して測定用に改修し,検定を行った.そこでは,アタック角の存在下で輪重が横クリープ力の影響を受けるため,車輪アタック角と輪重比をパラメータとする補正式を作成した.模型車両の調整と転走装置軌条輪の改修を確認するため,アタック角および遠心力が存在する条件で予備転走実験を行った結果,遠心力を模擬する横方向の外力としては,アクチュエータの引張り力ではなく押付け力を作用させることで,外力付加機構の拘束による輪重への影響が減少することが示された.以上の調整の後,遠心力を想定した横方向の外力を小さな値に限定し,アタック角をパラメータとして車体を動的に移動させながらフランジ乗り上がり脱線を再現した.

最初にアタック角と輪重比を固定して横方向外力を単調に増加させる場合,次いでアタック角と横方向外力を固定して輪重比を変動させる場合について試験を行った.その結果,脱線に至るまでのアタック角,輪重比および横方向外力がフランジ乗り上がりに与える影響の把握がより容易になった.また,一車輪軸として構築された解析モデルによる数値シミュレーションを行い,モデルとしては改善すべき点があるものの,解析結果を用いて,車輪軸挙動の実験結果を理論的に考察することができるようになった.鉄道車両が高速で曲線を通過する際に生ずる車輪・レール間の相互作用力と車輪軸の挙動について,一軸台車の1/5模型を用い,脱線と転覆の両者が複合するような条件下で転走試験装置上の実験を行なった.ここでは,高速曲線通過による遠心力に相当する横力を作用させ,脱線にいたるまでの輪重と横圧から車輪軸の挙動が調べられた.また,脱線の実験データと転覆の数値解析との比較がなされた.次いで,一両モデルによるシミュレーションにより振り子車両の走行安全性が評価された.1.片輪走行状態となる横方向力を車体に作用させた脱線実験(1)片輪走行時には,輪軸のロール角(片輪の浮き上がり角)が大きいほど小さな横力で脱線が生ずる.この傾向は,輪軸アタック角(ヨー角)の増大により強まる.(2)輪軸のロール角とアタック角の増大は,それぞれ限界脱線係数を減少させる.2.一軸模型車両の脱線・転覆のためのモデル構築と数値解析実験で使用した一軸模型車両を想定し,転覆の数値解析を行い,実験と比較した結果,転覆を発生させる横力は脱線が生ずる際の横圧よりも小さく,遠心力の作用下で脱線に至らずに転覆する可能性の高いことが示された3.マルチボディソフトSIMPACKによる振り子車両のモデル化空気ばね式と振り子梁式の車体傾斜車両の解析モデルを構築し,曲線通過シミュレーションを行なった結果より,数値シミュレーションで車体傾斜係数を特定することにより,走行安全性評価に関する静的解析の精度向上を実現する方策を示した.鉄道車両が高速で曲線を通過する際に生ずる車輪・レール間の相互作用力と車輪軸の挙動について,脱線と転覆の両者が複合するような条件下で1/5模型車両の転走試験装置を用いて実験した.次いで,脱線・転覆にいたるまでの挙動をマルチボディソフトSIMPACKによる数値シミュレーションで検討した.これら実験結果とシミュレーションにより,振り子車両が安全かつ効果的に曲線通過速度を向上するための基礎資料が得られた.1.大きな横方向力を作用させた脱線実験(その2)(1)片輪走行が起きるだけの横方向力が車体に作用し続ければ,いずれ転覆に至る.(2)転覆直前の横方向力作用下での車輪横圧は,フランジ乗り上がり脱線が生ずる際のそれよりも小さい.すなわち,車体に作用する横力で生ずる横圧がフランジ乗り上がりに要する横圧に達する前に転覆が発生しうる.2.振り子車両の高速曲線通過シミュレーション(1)振り子角が5°および7°の車両では,曲線乗り心地から制限される限界速度まで速度を向上しても,安全走行のための輪重減少率の目安(静的60%,動的80%)を超えない.(2)前項の速度で曲線を高速通過する際に,軌道不整の影響により内軌側輪重が瞬間的に大きく減少することがあるものの,車輪の浮き上がりは発生しない.
金属酸化物人工格子による強相関電子デバイスの創成

強磁性・超巨大磁気抵抗を示すMn酸化物をベースとした強相関電子系半導体と光学半導体酸化物をナノスケールで組み合わせたp-n接合・人工格子を作製し、界面を通じて電子の動きを制御する事により光・電場で強磁性/非磁性、金属状態/絶縁状態、超巨大磁気抵抗等の強相関電子物性を室温においてスイッチできる材料を創成する。◆p型伝導-室温強磁性・超巨大磁気抵抗酸化物-(La_<1-x>Ba_x)MnO_3、n型伝導-光学半導体酸化物--(Sr_<1-y>La_y)TiO_3、n型伝導-室温強磁性酸化物-(Ti_<1-x_Co_x)O_2、強誘電体酸化物Pb(Zr,Ti)O_3等の良質な単結晶薄膜を作製した。各種物質において、薄膜化した際に良好な結晶性、表面・界面平坦性・最適キャリア濃度、電気輸送特性、磁性を示す条件を、PO_2(酸化雰囲気)-T_s(基板温度)相図を作成し明らかにした。上記の条件を基に◆Pb(Zr,Ti)O_3/-(La_<1-x>Ba_x)MnO_3による強誘電体電界効果トランジスタを作製し、室温(282K)での電界による(強磁性)転移温度の変調(変調幅2.5K)を達成した。遷移金属酸化物は、僅かな摂動(電子濃度、圧力、温度)で強磁性、超巨大磁気抵抗、超伝導、強誘電性、高速光応答等の諸物性を発現する。この酸化物を基本とした人工格子を作製し強相関電子物性を制御できる新機能材料を創出する。(1)(La, Ba)MnO_3薄膜系室温超巨大磁気抵抗材料の創製磁気抵抗材料は磁気センサ、ハードディスクの磁気ヘッド等に使用される重要な材料であり、近年、ペロブスカイト型酸化物において超巨大な磁気抵抗が注目されているが、低温、大きな磁場が必要な事が問題点であった。レーザアブレーション法により(La_<0.9>Ba_<0.1>)MnO_3薄膜を作製し単結晶に近い高品質エピタキシャル薄膜を作製する事が出来、また多結晶バルク材料に比較して2倍以上の磁気抵抗(MR)効果を得ることに成功した。(J. Appl. Phy発表)膜厚1000Åにおいて室温でも45%(at8000G)の非常に高い値を得ることに成功した(磁性酸化物においての世界最高値)。また、Ba濃度を詳細に変化させ(La, Ba)MnO_3系歪み薄膜の新しい相図を完成した(Phys. Rev. B発表)。(2)室温電場応答磁性材料上記物質の僅かなキャリア濃度で室温強磁性が発現する事を利用し単結晶板上に、(La, Ba)MnO_3を基本としたp-n接合を作製し、初めて電界による室温での磁性制御に成功した(Phy. Rev. Lett.発表)。これまで、磁性半導体における-248°Cでの磁性制御が報告されていたが、これを大きく凌駕するものであり、応用的にも意義は非常に大きい。更にヒステリシススイッチのデモンストレーション、超高効率化等に向けてp型n型物質すべてを薄膜化し新たなデバイス構造を作製する為の条件を見出し整流特性等のデバイスとしても基礎特性をデモンストレーション出来た。(Appl. Rev. Lett.投稿中)。
年齢間所得格差を用いた家計消費行動と消費格差・リスクシェアリングの実証分析

本プロジェクトでは、(1)家計消費格差と所得格差の関係、および(2)家計消費変動要因の分析をおこなった。分析の結果、日本では家計所得の変動がアメリカに比べて著しく小さいが、高卒家計に関しては恒常的要因が近年増加していること、通常の支出に関する月次のパネルデータは消費平滑化を検証するには集計期間が短すぎ、消費格差から所得格差を検証することが困難であること、通常の予備的貯蓄モデルでは家計消費と労働供給のライフサイクルパターンを再現することは困難であるが、家計構成の変化を考慮するとある程度は理論モデルがデータと整合的になることが明らかになった。平成18年度は、家計経済研究所のパネルデータを用い、日本家計、特に50代までの家計所得過程の推計を行った。これまでの日本の先行研究で家計所得の動学過程を推計した論文は少なく、リピーティドクロスセクションを用いた分析があっただけであったが、本研究ではパネルデータを用いることで、先行研究では不可能であった能力や家計の個性のような家計固有効果を除去し、よりロバストな推計を行った。具体的にはAbowd and Card(1989)に従い、有配偶者家計の男性勤労所得および年間勤労時間の変化率の個票データを作成し、一段階目で子供の数などで回帰した残差を用い、共分散構造を用いて背後の動学過程の推計を行った。結果は、Abowd and Card(1989)によるアメリカの先行研究と同様に、家計所得変化率は三年を超えるとほとんど相関がないこと、年により分散が異なることがわかった。一方、所得分散はアメリカの1/3程度であり、かつ所得変動にしめる恒常的変動は1/3程度であることが判明した。以上の結果は阿部・稲倉(2007a)として「経済研究」に掲載されている。また、阿部・稲倉(2007b)では、同じデータを用い、さまざまな年齢プロファイルを作成し、アメリカと同様に消費はコブ型となり、労働時間は右下がりであることを示した。予備的貯蓄モデルを用いてこの二つの結果をつなぐ研究を現在遂行中である。阿部修人・稲倉典子(2007a)家計所得過程の共分散構造分析経済分析58,1.15-30.平成19年度は、(1)家計経済研究所および慶応大学が作成した二種類の家計パネルデータを用い、家計消費と資産と労働供給に関する動学分析、(2)全国消費実態調査と慶応家計パネルを用いた、家計消費データに含まれる測定誤差の検証、(3)日経POSデータを用いた、スーパーの特売時の消費および価格の変化、の三種類の研究を行った。(1)は標準的な予備的貯蓄モデルに労働供給決定と家計構成の変化を導入したものであり、通常知られている消費・年齢プロファイルの山形、および右下がりの労働供給プロファイルをモデルで再現し、実際にデータと合致させることを目的としている。(2)と(3)は、家計消費パネルデータの変動が非常に大きいという、消費平滑化に反する事実が何に起因しているのかを解明するための予備的考察である。消費データの変動はオイラー方程式の推計等において最も重要な情報であり、データの収集方法に起因する変動要因を正確に理解することは、消費データを用いた分析を行う上で極めて重要なことである。実際の家計消費が通常のモデルに従い平滑化されているにも関わらず、実際の消費パネルデータが不安定になっていると仮定した場合、そのような乖離が生じる理由として、消費データに含まれる計測誤差および特売時の買いだめ等に起因する支出と消費のタイミングのずれの二っの要因を考えることができる。家計簿ベースと記憶べースの消費データの比較からは、測定誤差が主要因であると考え'ることは困難であるという結果を得た。一方、スーパーマーケットの特売時の販売量は非常に多く、家消費支出には買いだめなどによる一時的要因が多く存在する可能性があることがわかった。平成20年度は、(1)家計経済研究所、日経スキャンパネル、郵政研データを用いた、所得変動の恒常的要因と学歴との関係、(2)日経スキャンパネルに基づく家計消費支出変動と集計期間の関係、(3)イギリスのマーケティングデータに基づく家計消費関数の推計を行った。(1)は、家計消費行動に多大な影響を与える所得の恒常的変動が、近年増加傾向にあるか否かを家計経済研究所のデータに基づき、共分散構造から推計したものである。分析の結果、大卒家計では2002年までの所得変動の要因に大きな変化は観察されないが、高卒家計では恒常的所得変動の増加が観察された。また、他のデータに基づき、学歴と所得分散の関係をみると、高卒家計の所得分散が、大卒家計と比較して近年増加傾向にあることが確認された。

(2)は、前年度までの分析で明らかになった家計消費データの過大な変動の要因を探る試みであり、日次で記録されている日経スキャンパネルを用い、加工食料品支出変化率の分散およびその共分散構造がランダムウォークに近くなる集計期間がどの程度の長さになるかを分析したものであり、その結果、通常のパネルデータで採用されている月次では集計期間が短すぎ、四半期程度の長さが必要であることが明らかとなった。(3)のイギリスのマーケティングデータを用いた分析は、(2)の成果を踏まえ、より詳細な情報を持つ日次データを用い、特売などの一時的な価格変動の不確実性を導入した消費関数の推計を試みている。この成果は、University College Londonの研究者達との共同研究として現在まとめる作業を行っている段階である。
染料を教材とした，学習内容と実生活を関連づける探究的な理科授業プログラムの開発

本研究では身近で視覚的にも興味深い染料を教材とし,授業で学ぶ内容を参照しながら高等学校化学の授業で探究的な学習活動が行える授業プログラムを開発することを目的とした.昨年度までに,インジゴの芳香環の任意の位置にハロゲン原子を導入した誘導体を高等学校の理科室で合成可能な経路を確立することができた.本年度はそれをさらに発展させ,ハロゲン原子を足掛かりにフェニル基を導入する方法を検討した.ブロモアントラニル酸を出発原料とし,アルキル化,鈴木ー宮浦カップリング,分子内クライゼン縮合,脱炭酸,空気による酸化カップリングを経て,5,5′位あるいは6,6′位に芳香環を有するフェニルインジゴ誘導体へ導くことに成功した.この方法は専門的な実験器具を必要とせず,空気中で,試薬の投入,加熱,ろ過を3回繰り返すだけで目的物を得ることができるので,高等学校理科室で簡単に実施することができる.合成方法が確立したので,これらインジゴ誘導体の合成と染色を通して生徒自身が化学構造と色の関係性をみいだす授業プログラムを作成した.実際に県内の高等学校2校で6時間の授業を行いそのプログラムの有効性を評価した.生徒は手分けして8種類の色素の合成と布の染色を行い,色合いの変化から,6,6′位を修飾すると色合いに大きな変化がみられるが,それ以外に位置を修飾しても元のインジゴと色はほとんど変化しないことを見出した.さらに6,6′位を置換した場合でも同族元素である塩素原子と臭素原子で置換したものはほぼ同じ色となるが,芳香環で置換すると異なった色になること,空気酸化の起きやすさにも規則性があることなど,多くの構造ー機能相関を明らかにした.このことから本プログラムは化学分野における探究的な学習プログラムとして有効であることが明らかとなった.理科を学ぶことの意義や有用性を実感する機会をもたせ,科学への関心を高める観点から,授業の学習内容を実社会・実生活と関連づけることは非常に重要である.そこで本研究では視覚的にも興味深い染料を教材とし,授業で学ぶ内容を参照しながら高等学校化学の授業で探究的な学習活動が行える授業プログラムを開発することにした.一般に化学実験では,用いる試薬等があらかじめ決められており,それに沿って実験を行うこととなり,生徒自身が実験の計画を立てることがむずかしい.そこで生徒が自ら合成する化合物をデザインし,そのデザインした化合物を実際に合成し,化学構造と色の違いを探究的に理解できるプログラムの開発をめざした.有機化合物の化学構造とその機能には密接な関係があり,特に官能基はその性質を決める重要な役割を果たしている.色素においても同様で,基本となる発色団に助色団となる官能基を導入すると色調が大きく変化する.そこでまず,インジゴを発色団とし,そこに種々の官能基を導入して様々な色調をもつインジゴ誘導体の合成法を確立することにした.これまでにもインジゴ誘導体の合成は報告されているが,どの方法も有機合成のための特別な実験装置が必要であり,高等学校の理科の授業で行うことはできない.そこでまず,高等学校の理科室で実施可能なインジゴ誘導体の新たな合成法を確立することとした.これまでの研究結果から3段階で多くのインジゴ誘導体が合成できる経路をおおむね確立することができた.本年度は高等学校の理科室で実施可能なインジゴ誘導体の新たな合成法を確立に注力した.多くの実験条件を検討した結果,23段階の反応で6種類のインジゴ誘導体を簡単に合成できる方法を見出した.この合成経路は,分液ロートやロータリーエバポレーターがなくても,単純な加熱,ろ過,再結晶で目的物を得ることができる.空気中の酸素や湿気の除去も必要ない.また,比較的安価な原料から合成することもできる.授業実践に先立ち,大学生を対象にした模擬授業実践から,解決すべき課題もでてきた.結晶の粒子が細かく,ろ過に多くの時間がかかり,授業時間内におさめることができないことがわかった.実施方法についてもう少し検討する必要がある.理科を学ぶことの意義や有用性を実感する機会をもたせ,科学への関心を高める観点から,授業の学習内容を実社会・実生活と関連づけることは非常に重要である.本研究では視覚的にも興味深い染料を教材とし,授業で学ぶ内容を参照しながら高等学校化学の授業で探究的な学習活動が行える授業プログラムを開発することを目的とした.有機化合物の化学構造とその機能には密接な関係があり,特に官能基はその性質を決める重要な役割を果たしている.例えばインジゴの6位と6′位に臭素が導入されると青から紫色に変化する.そこでインジゴを発色団とし,高等学校の理科室で実施可能なインジゴ誘導体の新たな合成法を確立することとした.種々検討した結果,市販の化合物から3段階で多くのインジゴ誘導体が合成できる経路を新たに見出した.この方法では単純なろ過操作だけで目的物を得ることができる.芳香環にハロゲン原子を有するインジゴ誘導体8種類の合成を行いこの合成経路の一般性も確認した.生徒に合成させる染料は少量なので,効率よく布を染色できる方法も検討した.食品保存用のプラスチック袋を使用することで,少量でも濃く染め上げることに成功した.つづいてこの教材を用いた高等学校における探究的な授業プログラムについて検討を行った.具体的には,生徒に4種類の色素の合成と布の染色を行い,これらの布の色の比較から生徒同士の話し合いによって,合成していない他の誘導体の色を根拠をもって予想させる授業プログラムとした.