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算数・数学科教師の現職教育の実態と今後の発展的姿の同定-岡崎市の事例を中心に-

日本の関係教師による一般的利用に対するサービスについては肯定的積極的な方向で検討している。本年度の研究は、昨年度に引き継いで、算数数学科の教師にとってとりわけの関心事である「教材研究のありかた」に力点を置き、「教材研究の原理」を、現場人に問いかけながら、適否の反応を見これの策定に努めた。枠組みは<意味・意義・心理>の伝統的3視点と学習過程での3視点<後答・誤答・娯答>を5視点<吾答・誤答・語答・娯答・悟答>に改正し融合させた構造になっている。これについては学部4年生及び大学院生を対象とした新城地区合宿授業研究会においても試行した。研究会での実施の様子については、参加者がこれをもとに修士論文、学部論文にまとめているほか、別冊として刊行した授業研究会報告書がある。また現職者への働きかけの一端は、教大研の研究史料、学会誌イプシロン、平成7年度算数・数学研究集録(岡崎市現職教育委員会算数・数学部)、平成7年度学校数学研究会研究集録小学校部会および同中学校部会等、に掲載されている所である。また本年度において、岡崎市の現職教育(算数・数学)の組織がどの様に機能するかについて、日頃の実践を刊行物にまとめる場を提供し、実践研究を依頼したところ、まとめることが自己研修になるとのことで希望者を募り3巻本に対してテーマを設定、執筆依頼、助言補助等について関与し、今年度末に原稿が揃うまでに至っている。また、「教大研」での研究資料も、関係者一般の利用が可能な限り可能なものとするため、他大学の先生方と共同して仮称「数学教育研究」「和田義信先生著作講演集」などの形で世に出す方向で努力する計画であったが、前者については原稿審議や書き直し作業を続けており近々原稿をまとめたいとしている。後者について出版社と契約ができ、8年夏を目途に作業が進行中である。本研究では、算数数学科の教師にとってとりわけ関心の深い「教材研究のあり方」に力点を置き、「教材研究の原理」を、現場人に問いかけながら、適否の程度・反応を見ながらこれの策定に努めた。枠組は伝統的<意味・意義・真理>の3視点でとりわけ問題場面のの真実性・必然性を重視し、これと学習過程の5視点<吾答・誤答・語答・娯答・悟答>を融合させた構造に発展させ、御答方式と称し普及を図っている。これについては学部3.4年生及び大学院生を対象とした新城地区合宿授業研究会においても試行した。研究会での実施の様子については、参加者がこれをもとに、修士論文、学部卒業研究にまとめているほか、別冊として刊行した授業研究会報告書がある。また現職者への働きかけの一端は、教大研の研究資料、愛知教育大学数学教育学会誌イプシロン、平成7,8,9年度算数・数学研究集録(岡崎市現職教育委員会算数・数学部)、平成7,8,9年度学校数学研究会研究集録小学校部会及び中学校部会など、に掲載されてきているところである。また、現職教育の組織体の機能について、岡崎市の読書会に諮ったところ、日頃の実践を刊行物にまとめることが、優れた自己研修の機会になると判断し希望者を募り、テーマを設定、執筆依頼に対応して、原稿完成、刊行が待たれている。このように教師のモラールを高めておくこと、これも現職教育のあるべき姿の発露と見ている。また、「教大研」での研究資料も、数学教育関係者の利用が、可能なものとするため他大学の先生方と協力して「和田義信著作講演集」(全8巻)を刊行し、仮称「これからの数学教育」については、原稿審議と書き直し作業が続けられている。
17世紀神聖ローマ帝国における占領と外交権の変容

神聖ローマ帝国に属するドイツ・イタリアの諸領邦は、17世紀に多くの占領・進駐を経験し、平時の統治者である領邦君主はしばしば不在となった。軍と交渉当事者となったのは、なお自律性を保っていた官僚集団や貴族、都市、農村であり、主権のメルクマールの一つである外交権、すなわち他者の制約を受けない対外的交渉権は彼らにも開かれていた。そうした軍との交渉の機会が、その後の帝国における各領邦の外交権の成立にどのように影響したかを分析したのが本研究である。本研究の結果、邦属団体が占領軍と展開した交渉の形態によって、領邦の外交権のあり方が規定されたことが明らかになった。H26年度は当初の計画通り、イタリア帝国封諸国(神聖ローマ皇帝と主従関係を結ぶイタリア諸国)における占領の実態と、それが各国の外交権確立に対して及ぼした影響を、地域史研究の渉猟および入手済みの一次史料の解読・整理を通じて分析した。具体的には当初の計画通りアウクスブルク同盟戦争(1689-98)およびスペイン継承戦争(1701-14)の占領期間における占領軍、君主、国内貴族および自治都市・村落(コムーネ)の間の交渉を、租税問題に焦点を当てて検討した。これらの事例研究のうち、H26年度中に史料解読が終了し、結論を出したのは、ゴンザーガ諸侯国の一つカスティリオーネ侯国についてである。皇帝の封国であった当該国では、アウクスブルク同盟戦争開始当時、君主カスティリオーネ侯とコムーネが紛争状態にあり、封建関係を根拠として神聖ローマ皇帝の裁判所「帝国宮内法院」による裁判が行われていた。そうした中で皇帝の兵站基地として占領が開始されたため、占領は主権の侵害と見なされることを免れる。更に訴訟戦略の一環として外交権の行使(フランスとの同盟)を示唆する君主に対し、コムーネは逆に皇帝を自らの上級君主と認め、進んで軍税を拠出した。皇帝もそれに応じてコムーネへの直接課税・直接統治を展開し、それを背景に同国を自領ミラノ公国の総督統治下とし、その外交権を抹消することに成功する。つまり本件は、社団の国家的アイデンティティが未成熟な段階で、形式的な上級君主にすぎない皇帝が占領を通じて社団のロヤリティを自らに導き、孤立した君主を排除してその外交権を否定した例であり、皇帝との伝統的封建関係が作用する神聖ローマ帝国では、占領が社団のアイデンティティに作用して所属国の外交権の成否を決定しうるという研究者の仮説が正しいことを証明している。この成果はすでに共著の一部としてH27年度7月にミネルヴァ書房で刊行予定である。平成26年度における史料収集の遅れを受けて、年度前半は三十年戦争期のドイツ及び大同盟戦争期のイタリアでの占領政策に関する公刊史料・二次文献の収集と解読に努めた。皇帝軍によるヴュルテンベルク公国占領のケースについては、領邦都市レオンベルクの地域史研究が充実しており、そこから占領軍と現地社団の交渉を分析した。その結果、ここでは占領国による軍政から文民統治への移行が早かったために、社団が外交実績を権利として認識するに至らなかったことが判明した。一方25年度末に現地専門家との意見交換で教示されたホーエンローエ伯領については、クラインハーゲンブロックの研究から、君主亡命中の行政府がカトリックの占領軍との間で直接交渉を展開する中、ルター派信仰を核とする領邦意識が行政府と臣民を結束させ、占領軍と協定文書を取り交わし、自己を君主個人とは別個の外交主体として認識する傾向がみられた。8月にはこの結果を更に一般化するため、第三のケースとして戦中は「ハイルブロン同盟」及びプロテスタント諸侯団、戦後はフランケン・クライスの一員として他の領邦と集団的外交権を行使するフライヘル領ガイルスドルフの史料を収集し、インデックスを作成した。一方イタリアについては、同じ8月にパルマ国立文書館を訪れ、大同盟戦争・スペイン継承戦争期のパルマ公国の占領に関する文書を調査した。この史料については概要把握の上インデックスの作成を終了している。またパルマと対称的にハプスブルク占領期に外交権を喪失し、その領邦ミラノに併合されたゴンザーガ諸侯国についても、すでに26年度に明らかにした占領期の過程分析を超えて、18世紀にフランス、スペインによる占領の危機が生じた折に、再び外交権の回復を目指す動きが現地社団から生じたことを示す文書の存在を、ウィーン帝室宮廷国立文書館の索引から把握した。以上により研究は着実に進行している。占領軍と現地社団の関係を調査した例のうちヴュルテンベルクについては、調査管区の中心であるレオンベルクの都市参事会と皇帝軍の間で、1634年以降軍税や宿営とその軋轢に関する直接交渉が見いだされ、外交の萌芽が確認できた。しかし同国における軍の直接支配は短期間で、早々に皇帝により設置された行政府の支配に移行したため、社団と占領軍の間に協定文書が成立しないまま社団と行政府の交渉となり、その結果君主・社団間の伝統的領邦国制が復活し、社団が占領軍との交渉実績を外交権として認識するには至らなかったという結論に至った。領邦君主が封主(皇帝)の制約を受けるヴュルテンベルクの外交権が、文民統治による占領軍と社団との関係の切断に起因することが、これによって裏付けられる。

一方被占領国の官僚団が堅固な結束を保ち、占領軍と直接交渉を展開する中で、宗派を核として臣民を統合し、諸外国と活発な外交を展開したホーエンローエの例は、占領が「宗派化」を介して君主個人から自立した国家的外交権を促したことを示しており、社団自身が占領軍に相対する関係が前者の外交権の樹立に反映された例となる。最後に調査中のガイルスドルフについては、インデックスから同領の君主が近隣領邦との同盟を通じて占領軍と軍税その他の交渉に当たっていることが確認できた。一方パルマについては、史料のインデックスを作成した結果、皇帝軍はパルマ公国に広く展開しつつも、占領軍とコムーネの直接交渉実績は乏しく、占領軍との交渉はパルマ公政府が一括して、皇帝および司令官と行っていたことが判明した。それが可能であった理由は、データベースの概要から、パルマ公国政府がウィーン駐在使節をはじめ、各国外交中枢との濃密なコミュニケーション網を持ち、それを通じて軍と社団の円滑な調整をなし得たという理由が推定可能で、そのために史料解読を進めている途上にある。平成28年度は、平成27年度に収集したパルマ(イタリア)及びウィーン(オーストリア)所蔵の占領文書の整理と解読を行い、占領地(アウクスブルク同盟戦争下のパルマ公国、三十年戦争下でのホーエンローエ伯領及びヴュルテンベルク公領)における在地社団の交渉内容、交渉手続き、交渉責任者・協定締結者としての資格を分析した。文書の種類は宮廷及び現時社団であるアムト(ドイツの場合)、コムーネ(イタリアの場合)の嘆願書や指示書、協定文書等である。分析は未だ途中であるが、分析経過を通じて判明した概観として、パルマではパルマ宮廷が一貫して交渉当事者の地位を専有し、現地社団(領内領主、パルマ市および領域内コムーネ)は常にパルマ宮廷を通じて占領軍(オーストリア・ハプスブルク軍)と交渉を行い、自らは占領側との交渉責任者・協定締結者として現れることがなかったこと、それに対しホーエンローエの場合、君主の亡命後に残された領邦政府(宮廷顧問会議)が現地社団(アムト、ゲマインデ)と協調しつつ占領軍と交渉を行い、領邦政府はもとより現地社団も、自身に関わる事柄については協定締結者となりえたこと、彼らによって締結された協定の合法性は帝国宮内法院によって保証されていた状況が明らかになった。すでに平成26年度の調査によって、ホーエンローエの領邦政府は近隣領邦とともに「帝国クライス」の一員として集団的外交権を行使したことが判明しており、同国の外交権の行使は当事者性に従って行われたことがわかる。一方ヴュルテンベルクの場合も、君主の亡命についてはホーエンローエと同様であるが、領邦政府(宮廷顧問会議)から占領国(オーストリア)の選任による統治委員会に変更され、占領軍との交渉はこの統治委員会と現地社団の間で行われ、それとは別に亡命した君主が独自に(占領国を含む諸国と)外交を展開する、いわゆる外交の二重状態であったことが判明した。平成27年度に判明した研究成果と平成28年度の検証結果を総合すると、パルマの場合には占領軍との交渉が宮廷の外交権強化に寄与し、16世紀以来の神聖ローマ皇帝に対する封建関係から同公国を解放する方向に働いたのに対し、ホーエンローエについては、逆に占領軍に対する交渉権が領邦と現地社団の間で分裂し、帝国(帝国裁判所及び帝国クライス)がその保証者として介在することにより、両国における外交権の自立化が抑制される状況が浮かび上がってくる。これに対して占領国による統治と亡命政権による外交権の行使が並行し、現地社団は占領国の政府とのみ交渉を行っているヴュルテンベルクの場合は、統治委員会の統治があくまでも占領統治であり、併合統治ではないことを考慮すると、現地社団の交渉は外交権の行使と国内行政上の交渉の中間的な状態にあったといえる。
談合防止策としてのリニエンシー制度の有効性に関する実験研究

本年度は、昨年度の実験を改良した追加的な実験を行った。昨年度の研究の概略を下に、改良点を述べていく。昨年度作成した理論モデルは、クールノー寡占モデルを単純化した囚人のジレンマゲームをベースにした2段階ゲームであり、第1段階では囚人のジレンマゲームをプレイし、カルテルを結んで協調していた場合には第2段階でカルテルの事実を密告するか否かの選択を行うものであった。ここで、少なくとも1名が密告すればカルテルの事実は明らかになり、密告したメンバーは罰金の減免を受け、それ以外は規定の罰金を課される。これとは独立に当局の独自調査によってもカルテルは確率的に発見される。このゲームを無限に繰り返すものとされた。昨年度の実験では、(1)カルテルの規模(2社と7社)と(2)減免を受けられる範囲(密告した最初の1人のみ減免を受けるか密告した全員が減免を受けるか)という2つの変数を操作して4通りの比較を行った。実験結果では、カルテルの規模については7社の場合の方が2社の場合に比べてカルテルが崩壊しやすいことが示されたが、減免を受けられる範囲については統計的に有意な差がみられなかった。今年度は、さらに(3)カルテルを密告した場合の処置(罰則の減免を受けられるか報奨金をもらうか)について比較した。実験結果は、リニエンシー制度のカルテル摘発効果は報奨金の方が有効であることを示している。本年度は、各国のリニエンシー制度の運用形態ならびに繰り返しゲームによる理論研究に関する調査にもとづき、理論モデルを作成し実験を行った。モデルでは、先行研究にならって、クールノー寡占モデルを単純化した囚人のジレンマゲームをベースにした。ゲームは2段階からなり、第1段階では囚人のジレンマゲームをプレイし、カルテルを結んで協調していた場合には第2段階でカルテルの事実を密告するか否かの選択を行う。少なくとも1名が密告すればカルテルの事実は明らかになり、密告したメンバーは罰金の減免を受け、それ以外は規定の罰金を課される。このゲームを無限に繰り返すものとして分析し、実験的にリニエンシー制度の検討を行った。実験では、(1)カルテルの規模(2社と7社)と(2)減免を受けられる範囲(密告した最初の1人のみ減免を受け,るか密告した全員が減免を受けるか)という2つの変数を操作して4通りの比較を行った。なお、理論的にはどの場合にもカルテルを維持し当局に密告しないことが均衡となるように条件設定した。また、実験では実験経済学の基本原理に則って被験者に経済的インセンティブを与える謝金を支払った。
経験を学ぶ:エラー防止教育プログラム開発のための基礎的研究

本研究では,技能の熟練者の認知特性を実験心理学的手法を用いて検討することを目的としている.昨年度に引き続き,テニス競技の熟練プレーヤーの予測技能についての検討から技能獲得の問題を調べることとした.課題は,テニスのストロークの一連の映像を見て打球方向を予測することであった.刺激映像を遮蔽するタイミング(-330ms,-165ms,-99ms,インパクト,99ms,165ms,330ms),フェイント(あり,なし),ショットの速度(高速,低速)の3つの要因を設定した.特に本研究では,信号検出理論を適用して,熟練者と非熟練者のフェイント検出力を感度と判断基準に区別して検討した映像遮蔽のタイミングを-330msからインパクトまでの4つの条件を含む「インパクト以前」条件と99ms以降の3つの条件を含む「インパクト後」条件に分け,熟練者および非熟練者のHit率,False Alarm(FA)率,d',β(ベータ)の値を算出し,分析を行った.インパクト以前では,熟練者のHit率,FA率が非熟練者よりも高いこと,すなわち,熟練者は「フェイントあり」と判断する傾向が強いことが示された.d',β(ベータ)については,熟練の効果は顕著に見られなかったものの,両群ともインパクト後にd',β(ベータ)それぞれ上昇することが示された.これらのことから,非熟練者とは異なり,熟練者は相手が予測と異なるプレーをしてくることも予測し,インパクト以前から「フェイントあり」と判断して準備していると考えた.このことは,熟練者が経験に基づいた認知方略を採用することで,プレー中のその時々の場面に適応的な行動を選択していることを示唆する今後は,空間的要因も含めて研究を進め,熟練者がどのタイミングでどういう手がかりに基づいて各種の予測を行っているのかについて,他の競技・分野での技能についても検討する必要があるだろう本年度の第一の目標は研究遂行のために用いる画像作成についての検討を行うことであった.すなわち,日常的な行動と結びつき,かつ,実験に用いる素材として適切なものを選定することであった.そこで,まず作業環境を選定することから行い,交通場面,スポーツ場面,芸術的場面が選定された.これらは,お互いに異なる状況ではあるが,いずれも経験を有することで行動の円滑な遂行を実現することが明らかであり,かつエラーによって最終的な行為が影響を受けるような場面と言える,今年度は特に,スポーツ場面における経験の問題を検討した.具体的な場面としてはテニスが用いられた.テニスを行っている場面を観察した際に,経験者と未経験者で画面内におけるプレイヤーの打球方向の変化を検出することと,打球の着地点の予測が課題であった.また,この時,同時に,場面認知であることから,眼球運動が計測された.なお,これらの課題に先立って,あらかじめ経験者と未経験者の両群ともに単純反応課題を実施した.これによって,単純反応課題そのものにおいては経験の違いが見られないことが示された.方向変化の検出は経験群の方が早く行えることが明らかとなり,このことは経験によって獲得されたものによって認知処理が促進されていることを示している.次年度以降ではこの経験によって獲得されているものがどういうものであるのかを引き続き検討していく.また,芸術場面として,「盆栽」を素材として用いることを検討している.これは一見すると同様の見かけであるにも関わらず,その善し悪しが明確に区別されるものであることと,経験群と未経験群における違いがクリアに示すことが可能であると考えられたためである本研究では,技能の熟練者が有する経験に関わる認知特性を,実験心理学的手法を用いて検討することを目的としている.昨年度に引き続き,テニス競技の熟練プレーヤーの予測技能について検討した.課題は,テニスの相手のストロークの一連の映像を見て打球方向を予測することであった.テニスの熟練者と非熟練者が実験に参加した.刺激映像を遮蔽するタイミング(-330ms,-165ms,-99ms,インパクト,99ms,165ms,330ms),フェイント(あり,なし),打球の速度(高速,低速)の3つの要因を設定した.結果,熟練者,非熟練者とも,打球の方向はインパクトの瞬間を見ればある程度予測でき,インパクトから99ms後まで見ればさらに成績が上がることが明らかになった.さらに,熟練者はフェイントの有無に関わらず,どの遮蔽条件においても非熟練者に比べて予測の正答率が高く,インパクト以前のより早い段階から情報を有効に使えることが示された.すなわち,熟練者が打球方向予測を非熟練者よりも高い精度で早い段階で実現する際に経験に関わる認知過程が重要な役割を担うことが示唆された.さらに,技能の熟練度の高低が経験に及ぼす影響を眼球運動の違いから検討した.打球方向予測課題を行っている際の眼球運動を分析した.熟練者と非熟練者で注視箇所とその割合は大きくは違わず,インパクトエリアに目を向けることが多かった.一方で,熟練者は非熟練者に比べて,より広い空間に意識を向ける必要があるクロス方向への打球に対してサッカードを行った回数が少なかった.その原因として,テニスの競技場面において,有効視野,すなわち打球方向に関する情報を眼球を運動させることなく処理できる領域が,熟練者の方が非熟練者よりも広いという可能性が示唆された.今後さらに,熟練者の状況に応じた行動がどのようにして生み出されるのかについて,その認知的側面を検討していく.

本研究では,技能の熟練者の認知特性を実験心理学的手法を用いて検討することを目的としている.昨年度に引き続き,テニス競技の熟練プレーヤーの予測技能についての検討から技能獲得の問題を調べることとした.課題は,テニスのストロークの一連の映像を見て打球方向を予測することであった.刺激映像を遮蔽するタイミング(-330ms,-165ms,-99ms,インパクト,99ms,165ms,330ms),フェイント(あり,なし),ショットの速度(高速,低速)の3つの要因を設定した.特に本研究では,信号検出理論を適用して,熟練者と非熟練者のフェイント検出力を感度と判断基準に区別して検討した映像遮蔽のタイミングを-330msからインパクトまでの4つの条件を含む「インパクト以前」条件と99ms以降の3つの条件を含む「インパクト後」条件に分け,熟練者および非熟練者のHit率,False Alarm(FA)率,d',β(ベータ)の値を算出し,分析を行った.インパクト以前では,熟練者のHit率,FA率が非熟練者よりも高いこと,すなわち,熟練者は「フェイントあり」と判断する傾向が強いことが示された.d',β(ベータ)については,熟練の効果は顕著に見られなかったものの,両群ともインパクト後にd',β(ベータ)それぞれ上昇することが示された.これらのことから,非熟練者とは異なり,熟練者は相手が予測と異なるプレーをしてくることも予測し,インパクト以前から「フェイントあり」と判断して準備していると考えた.このことは,熟練者が経験に基づいた認知方略を採用することで,プレー中のその時々の場面に適応的な行動を選択していることを示唆する今後は,空間的要因も含めて研究を進め,熟練者がどのタイミングでどういう手がかりに基づいて各種の予測を行っているのかについて,他の競技・分野での技能についても検討する必要があるだろう
主回路をハイブリッド化し電磁障害を低減する新方式多重化電力変換装置の開発

本研究では,主たる電力を取り扱う低スイッチング周波数の主ブリッジと,入力電流波形改善機能を担う小容量の高スイッチング周波数の副ブリッジを並列多重化し,大電流の高速スイッチングを避けることにより,発生する電磁ノイズの低減が期待できるハイブリッド方式のPWM整流回路の開発を行なった。まず,ハイブリッド方式を電圧形PWM整流回路に適用する場合の基本的な制御回路構成を示し,実験装置を製作した。実験的検討により,従来形のPWM整流回路の高スイッチング周波数動作と同等以上の入力電流波形改善が可能であることを確認した。次に,同等の入力電流波形が実現できる条件において,提案するハイブリッド方式と通常方式のPWM整流回路の発生する各種電磁ノイズを実測した。その結果,放射性ノイズの低減に特に有効であることが確認された。また,伝導性ノイズについては,一部の周波数帯域で低減効果が認められた。次に,電磁ノイズ低減のメカニズムを解明するために,バルブデバイスとして用いるIGBTを単独でスイッチングさせた場合の発生ノイズの電圧,電流およびスイッチング周波数依存性を実測し,ハイブリッド化により大電流の高速スイッチングを避けることの有効性の裏づけを得た。さらに,システムの設計指針を得るために,主ブリッジの発生するキャリヤ高調波の振幅を理論的に算定する簡便な方法を考案した。また,効率の主ブリッジスイッチング速度依存性が少ないハイブリッド方式の特徴を生かし,IGBTのゲート抵抗を大きくしスイッチング速度を意図的に下げた場合の電磁ノイズの実験的検討を行ない,さらなるノイズ低減の可能性を示した。以上の成果により,本方式の有用性の実証および設計指針の確立に向けて必要な検討が一通り完了したと判断し,実用化への見通しが得られたと考える。本研究は,電力変換装置の電磁ノイズの低減を目的として,装置容量全体を賄う低スイッチング周波数の主ブリッジ回路と,小容量の校スイッチング周波数の副ブリッジ回路を並列多重化したハイブリッド構成の電力変換装置の開発を行うものである。平成12年度は,試作装置の製作を行い,ハイブリッド電力変換装置を自励式整流回路として動作させた場合について実験を行った。その結果,入力電流波形を同等にした状態で,単独のブリッジ回路に比較して電磁ノイズ低減が可能であることを確認した。また,電磁ノイズ低減機構を解明するため,電磁ノイズの電圧・電流依存性や,ブリッジ回路内部の各部波形の観測などを行ない,基礎データを取得した。また,本方式では,本電流の高速スイッチングを行わないため,主回路のバルブデバイスのスイッチング速度を落とした場合でも効率の低下が少なくできる可能性がある。この点に着目し,ノイズ低減策としてバルブデバイスとして用いるIGBTのゲート抵抗を変えた場合について実験を行い,電磁ノイズ低減効果を実験的に確認するとともに,スイッチング損失の増加についての基礎データを取得した。以上の成果により,平成13年度に予定しているシステム全体の最適化に必要な基礎的知見が得られたものと考える。実験的検討により,単独のブリッジ回路で構成される従来形のPWM整流回路を高スイッチング周波数動作させた場合と同等以上の入力電流波形改善が可能であることを確認した。次に,同等の入力電流波形が実現できる条件において,提案するハイブリッド方式と通常方式のPMW整流回路の発生する電磁ノイズ(放射性ノイズ,伝導性電圧ノイズ,伝導性電流ノイズ)を実測した。その結果,ハイブリッド化は放射性ノイズの低減に特に有効であることが確認された。

次に,電磁ノイズ低減のメカニズムを解明するために,バルブデバイスとして用いるIGBTを単独でスイッチングさせた場合の発生ノイズの電圧,電流およびスイッチング周波数依存性を実測し,ハイブリッド化により大電流の高速スイッチングを避けることの有効性の裏づけを得た。さらに,システムの設計指針を得るために,主ブリッジの発生するキャリヤ高調波の振幅を理論的に算定する簡便な方法を考案し,これを用いることで主ブリッジのスイッチング周波数と副ブリッジの所要容量の関係を明らかにした。また,大電流の高速スイッチングを避けることから,バルブデバイスのスイッチング速度を低下させた場合についても効率の影響が少ない特徴を生かし,IGBTのゲート抵抗を大きくしスイッチング速度を意図的に下げた場合の電磁ノイズについても実験的な検討を行ない,さらなるノイズ低減の可能性があることを明らかにした。以上の成果により,本方式の有用性の実証および設計指針の確立に向けて必要な検討が一通り完了したと判断し,実用化への見通しが得られたと考える。
魚類胚による発生影響評価エンドポイントの精査

受精後4時間のメダカ受精卵を用いて,未処理コントロール,パルス印加のみ,パルス印加により,ビスフェノールA (BPA),またはワーファリン(WF)を導入した4つの処理群を用意した.各処理群のメダカ受精卵は,形態観察を行いながら受精後2日目または6日目まで培養し,遺伝子発現の経時変化を調査するためにシークエンス解析およびパスウェイ解析を行った.BPA暴露で受精後2日目では代謝関連のパスウェイ,受精後6日目では神経,光シグナル,免疫系のパスウェイの変動が見られた.WF暴露では受精後2日目では代謝関連のパスウェイ,受精後6日目では神経、血管系のパスウェイが変動しており,BPAまたはWF暴露により代謝系から高次機能への影響が経時的に現われることが分かった.受精後4時間より発生の進んだ受精後1日目または2日目のメダカ受精卵にパルス印加によりBPAまたはWFを導入すると,受精後4から5時間の受精卵に導入した場合よりも低濃度で血管形成の異常が起こること,心臓の形態異常発生率が上昇することを確認した.BPAやWF以外に農薬等でも暴露試験を行ったところ,受精後1から2日目の胚は受精直後より低濃度で形態異常の発生率が上昇したことから,この発生段階の胚は外部からの物質暴露の影響を受けやすいと考えられた.受精後2日目のメダカ受精卵を用いて未処理コントロール,パルス印加のみ,BPAまたはWF導入群の4処理群を用意し,形態観察を行いながら受精後6日目まで培養してサンプルとし,シークエンス解析データを得た.今後これらのデータを合わせてパスウェイ解析を行う.BPAまたはWF暴露した受精後4時間のメダカ卵を用いて行ったパスウェイ解析の結果から,代謝系から高次機能への影響が継時的に現われていることを確認できた.それぞれの経路でハブになると考えられる遺伝子を探索し,暴露物質導入後から発生段階ごとにこれらの遺伝子発現の経時変化を調査する準備を行っている.これに加え,外部からの物質暴露の影響を受けやすい受精後2日目のメダカ胚を用いてBPAまたはWF暴露し,パスウェイ解析を行うことで発生段階による遺伝子発現に対する物質暴露の影響の違いについて調査する準備を進めている.パスウェイ解析の結果,BPAとWFに共通した代謝系から高次機能への経時的影響があることが明らかになったが,BPAとWF暴露での影響に類似した傾向があるため,各物質独自の経路を解析するための新たな要素が必要であると考えられた.これまでの研究で,女性ホルモンのE2をメダカ受精卵に導入すると,心臓,血管系に顕著な異常は見られないが,BPA,WF暴露ではメダカ受精卵に心臓,血管系に形態異常が見られるなど,E2暴露ではBPA,WFとは異なる影響が現われる.このことから,各暴露物質独自のパスウェイを探索するために,女性ホルモンと類似した作用を持つことが知られているBPAとE2暴露サンプルを用いて比較解析を行うことで,物質独自の経路を検索する.モデル物質として選定したビスフェノールAおよびワーファリンについて,従来よりも暴露濃度を幅広く設定して暴露することで,無影響濃度およびほぼすべての個体に異常が見られる濃度を特定した.さらに,モデル物質を導入したメダカ卵の形態観察を行い,受精後2日目および6日目の時点のメダカ卵をサンプルとして次世代シークエンス解析を行い,発現変動している遺伝子群のデータを得た.現在これらのデータを用いてネットワーク解析を行っており,モデル物質それぞれに特異的な発生異常の顕在化に関連するパスウェイの特定を行う.また,それぞれのモデル物質に共通してみられる発生異常に関連するパスウェイの特定や,各パスウェイをつなぐハブとなる遺伝子の特定を行う.これまでは受精後5時間前後のメダカ卵でしか物質導入を行うことができなかったが,パルス印加条件を検討した結果,より発生が進み,心臓や血管などの各器官形成が行われる受精後1日,2日目のメダカ卵にも物質導入を行うことができる条件を確立することができた.これにより,受精直後から受精後2日目までの発生初期の任意のごく狭い時期範囲で確実にメダカ胚に物質導入し,クリティカルウインドウ曝露を行うことができるようになり,化学物質影響を精査するための実験条件が整った.受精後1または2日目のメダカ受精卵にビスフェノールAまたはワーファリンを導入し観察したところ,受精後5時間のメダカ胚にこれらの物質を導入した場合と比較して,より低濃度で血管形成異常が観察された.

また,心臓の形態異常発生率が上昇するなど,より重篤な影響が現われる傾向がみられたことから,化学物質暴露による形態異常発生の臨界期についてさらに詳細に調査する必要があると考えられる.モデル物質であるビスフェノールまたはワーファリンを受精後4時間のメダカ受精卵に導入して発生状況を観察し,受精後2または6日目の時点でサンプリングした.これらのサンプルを用いて,次世代シークエンサーによる網羅的な遺伝子発現変動解析を行った.モデル物質に独自のパスウェイと,これらをつなぐハブとなる遺伝子候補について検索を行うため,現在得られたデータを研究分担者である平野講師がネットワーク解析を行っている状況であり,計画に沿って進行している.また,発生段階により異なる化学物質影響を精査するためのクリティカルウインドウ暴露を行う準備が整ったことから,受精後1,2日目にパルス印加したメダカ受精卵を用いて次世代シークエンス解析を行うための準備を行っている.受精後4時間のメダカ受精卵を用いて,未処理コントロール,パルス印加のみ,パルス印加により,ビスフェノールA (BPA),またはワーファリン(WF)を導入した4つの処理群を用意した.各処理群のメダカ受精卵は,形態観察を行いながら受精後2日目または6日目まで培養し,遺伝子発現の経時変化を調査するためにシークエンス解析およびパスウェイ解析を行った.BPA暴露で受精後2日目では代謝関連のパスウェイ,受精後6日目では神経,光シグナル,免疫系のパスウェイの変動が見られた.WF暴露では受精後2日目では代謝関連のパスウェイ,受精後6日目では神経、血管系のパスウェイが変動しており,BPAまたはWF暴露により代謝系から高次機能への影響が経時的に現われることが分かった.受精後4時間より発生の進んだ受精後1日目または2日目のメダカ受精卵にパルス印加によりBPAまたはWFを導入すると,受精後4から5時間の受精卵に導入した場合よりも低濃度で血管形成の異常が起こること,心臓の形態異常発生率が上昇することを確認した.BPAやWF以外に農薬等でも暴露試験を行ったところ,受精後1から2日目の胚は受精直後より低濃度で形態異常の発生率が上昇したことから,この発生段階の胚は外部からの物質暴露の影響を受けやすいと考えられた.受精後2日目のメダカ受精卵を用いて未処理コントロール,パルス印加のみ,BPAまたはWF導入群の4処理群を用意し,形態観察を行いながら受精後6日目まで培養してサンプルとし,シークエンス解析データを得た.今後これらのデータを合わせてパスウェイ解析を行う.BPAまたはWF暴露した受精後4時間のメダカ卵を用いて行ったパスウェイ解析の結果から,代謝系から高次機能への影響が継時的に現われていることを確認できた.それぞれの経路でハブになると考えられる遺伝子を探索し,暴露物質導入後から発生段階ごとにこれらの遺伝子発現の経時変化を調査する準備を行っている.これに加え,外部からの物質暴露の影響を受けやすい受精後2日目のメダカ胚を用いてBPAまたはWF暴露し,パスウェイ解析を行うことで発生段階による遺伝子発現に対する物質暴露の影響の違いについて調査する準備を進めている.パスウェイ上の標的遺伝子の発現変動についてリアルタイムPCRを用いて調査し,キーイベントとの関連性について評価する.さらに,モデル物質のビスフェノールAとワーファリンについてクリティカルウインドウ暴露による発生影響の精査を行う.パスウェイ解析の結果,BPAとWFに共通した代謝系から高次機能への経時的影響があることが明らかになったが,BPAとWF暴露での影響に類似した傾向があるため,各物質独自の経路を解析するための新たな要素が必要であると考えられた.これまでの研究で,女性ホルモンのE2をメダカ受精卵に導入すると,心臓,血管系に顕著な異常は見られないが,BPA,WF暴露ではメダカ受精卵に心臓,血管系に形態異常が見られるなど,E2暴露ではBPA,WFとは異なる影響が現われる.このことから,各暴露物質独自のパスウェイを探索するために,女性ホルモンと類似した作用を持つことが知られているBPAとE2暴露サンプルを用いて比較解析を行うことで,物質独自の経路を検索する.本研究を行う上で最も重要なパルス印加条件を再検討することで,クリティカルウインドウ暴露を行うことができるようになった.これは,研究目的である化学物質の発生影響を精査するための効果的なツールであり,次年度の計画に加えて研究を行うことでより詳細な解析を行うことができると考えた.そこで,追加した項目分の実験を行う費用として次年度使用額と翌年度分をあわせて用いることとした.
虚血肢における蛍光色素微小循環血流測定法の確立とアンギオサムの解明

末梢動脈疾患(PAD)がある患者の下肢の局所循環を評価することは重要である。PADは下肢切断も免れない重症虚血を招きやすく、このため血行再建を必要とするのか否かをある一定の基準から決定することが肝要である。本研究において、PAD、特に下腿・足部潰瘍が多く認められる重症虚血肢の局所(末梢)循環に対して、新たな局所(末梢)循環の計測法の開発およびより詳細なアンギオサムの解明を行った。34人の下肢閉塞性動脈硬化症症例(11人は跛行症例,7人は安静時痛,16人は潰瘍/壊疽)に対し,検査を行い検討を行った.Indocyanine green (ICG: 0.1mg/kg)色素を静脈内投与した後,足部の血流を赤外線カメラを用いて測定・記録した.蛍光色素強度を経時的に測定し,時間ー蛍光強度曲線を描き,新たな評価値を計算した.虚血重症度は蛍光強度曲線の上昇地点から最大蛍光強度までの時間の半値(T1/2)で評価した.蛍光強度曲線上昇地点および基準地点と,10秒経過後(PDE10)の蛍光強度の差違を同部位の経皮酸素分圧値(tcpO2)と比較した(n=51).本法は,無侵襲・非接触画像診断法であり,潰瘍/壊疽およびその周囲組織の血流状態を評価するのに適していると言える.末梢動脈疾患(PAD)がある患者の下肢の局所循環を評価することは重要である。34人の下肢閉塞性動脈硬化症症例(11人は跛行症例,7人は安静時痛,16人は潰瘍/壊疽)に対し,検査を行い検討を行った.Indocyanine green (ICG: 0.1mg/kg)色素を静脈内投与した後,足部の血流を赤外線カメラを用いて測定・記録した.蛍光色素強度を経時的に測定し,時間ー蛍光強度曲線を描き,新たな評価値を計算した.虚血重症度は蛍光強度曲線の上昇地点から最大蛍光強度までの時間の半値(T1/2)で評価した.蛍光強度曲線上昇地点および基準地点と,10秒経過後(PDE10)の蛍光強度の差違を同部位の経皮酸素分圧値(tcpO2)と比較した(n=51).本法は,無侵襲・非接触画像診断法であり,潰瘍/壊疽およびその周囲組織の血流状態を評価するのに適していると言える.安静時疼痛・潰瘍壊死症例(Fontaine III IV)症例に対し、10例)にインフォームドコンセントをとった上、ICG 0.1mg/kgを肘静脈より静注し20cmの距離から近赤外線カメラで正常健側・患側足部(病変部)を撮影した。撮影した画像はデジタルビデオカメラあるいはコンピューターに録画・蓄積し、解析ソフトを用いて解析した。経皮酸素分圧・下肢血圧・皮膚灌流圧を測定し、比較対象とした。現行の治療指針に基づき、治療(保存的治療(薬物・高気圧酸素療法・デブリードマン)、経皮的血管拡張術・ステント留置術、手術、切断術等)を行った。各治療後、ICG蛍光測定検査を同様に行った。上昇率・輝度がプラトーとなる値の50%まで上昇する時のかかる時間(T1/2)等で基準値が得られたため、同様の検査方法で50例程度行い精度を高めた。6-12ヶ月後での結果の解析を行った。本検査法の有用性を判定する基準として、肢切断について、大切断、足部での切断、足趾での切断の有無で評価した。切断に至らない症例では、安静時痛の程度、潰瘍の大きさ又は治癒の程度で評価した。全症例において、その後1-3ヶ月ごとにABI、TBI、SPP、TcPO2を施行し、6-12ヶ月ごとに造影CTあるいは血管撮影および本検査法を施行した。経過観察中、下肢虚血の増悪が認められる場合は、適宜本検査法および血管撮影で評価した。血管外科上記実績を学会発表するとともに,論文を作成し,学術誌に採用された.上記実績を学会発表するとともに,論文を作成し,学術誌に採用された.

上記検査法を用いて,ICG色素を動脈内投与での足部の測定を行う.特に下肢末梢動脈狭窄・閉塞症例において,正常コントロールとの比較,および血管内治療前後での蛍光強度を比較し,さらにアンギオサムについても検討を行う.上記検査法を用いて,ICG色素を動脈内投与での足部の測定を行う.特に下肢末梢動脈狭窄・閉塞症例において,正常コントロールとの比較,および血管内治療前後での蛍光強度を比較し,さらにアンギオサムについても検討を行う.上記検査法を用いて,ICG色素を動脈内投与での足部の測定を行う.特に下肢末梢動脈狭窄・閉塞症例において,正常コントロールとの比較,および血管内治療前後での蛍光強度を比較し,さらにアンギオサムについても検討を行うため.物品費(消耗品として,蛍光色素,CD/DVDディスク,用紙,経皮酸素分圧備品など)として,150000円,旅費(国内および海外学会発表)として350000円,謝金として100000円.物品費(消耗品として,蛍光色素,CD/DVDディスク,用紙,経皮酸素分圧備品など)として,150000円,旅費(国内および海外学会発表)として350000円,謝金として100000円.
スギMADS遺伝子の発現解析と花芽ノックアウトスギの作出

1.ORF全長を含む構築物の作製双子葉植物・単子葉植物の花芽及び花器官形成遺伝子MADSファミリーの塩基配列情報をもとに、6つのスギMADS-box遺伝子の単離に成功し、そのうち4遺伝子については、ORF全長を含む領域の塩基配列の情報を得た。各MADS-box遺伝子の機能解析をおこなうため、それぞれORFの全長を含む構築物の作製をおこなった。その結果3遺伝子についてORF全長を含む構築物の作製に成功した。また我々が単離したスギMADS-box遺伝子はAGAMOUSEあるいはPISTILLATAとの相同性が高いものを含む。相補試験による機能解析を行うためそれら遺伝子の欠失したアラビドプシスの変異体の種子を入手した。2.スギMADS-box遺伝子の詳細な発現領域の解析我々は新規に単離した6種類のMADS-box遺伝子の中の1つが花芽形成に伴って活性化する新規スギMADS-box遺伝子であることをRT-PCR法により明らかにした。この遺伝子を中心により詳細な発現領域を解析するためin situハイブリダイゼーションに着手した。従来法では非特異的なシグナルが検出されるため、固定法を含め様々な別法についてその有効性の可能性を探っている。その間に花芽組織をより詳細に区分したRT-PCRによって、雄花の形態形成初期の段階ではシュートと雄花で発現が確認されたMADS-box遺伝子が、発生ステージの進行に伴って発現が雄花に局在化されるなど新規スギMADS-box遺伝子の発現に関する情報を蓄積した。3.遺伝子ノックアウト実験我々が同定した新規スギMADS-box遺伝子(M8p-1)が花芽形成に直接関与している証拠を得るためにRNAi法によるノックアウト実験をおこなった。目的の遺伝子だけを特異的に抑制するために、得られたcDNAの塩基配列から3'側の相同性が低い部分(2領域)を選出し、単子葉植物用のRNAiベクターに組み込んだ。それぞれアグロバクテリウム法によりスギのembryogenic tissueに導入した。選抜培地により選抜し、目的の遺伝子が導入されていることをPCR法によって確認した遺伝子導入embryogenic tissueより不定胚を誘導し、植物体の再生に成功した。1.完全長cDNAの単離双子葉・単子葉植物の花芽および花器官形成遺伝子MADSファミリーの塩基配列をもとに、PCR法および3'RACE法により、6種類の新規スギMADS-box遺伝子のDNA断片を単離した。得られた遺伝子のより詳細な機能解析をおこなうため、各遺伝子特有な領域にプライマーを設計して5'RACEを行った。その結果4遺伝子についてORF全長を含む領域の塩基配列を決定する事に成功した。また、2遺伝子については3'RACE及び5'RACEでそれぞれ単離したDNA断片を融合し新規スギMADS-box遺伝子のORF全長を含む構築物の作製に成功した。スギ新規遺伝子の花芽形成における機能解析に用いるアラビドプシス花芽欠失変異体の系統選抜及び実験に際しての技術的な課題克服に関する情報収集等、機能相補試験に着手している。我々は、新規に単離した6種類のスギMADS-box遺伝子の中で、RT-PCR法によってその中の1種類が花芽特異的に発現する新規MADS-box遺伝子であることを明らかにした。この遺伝子の花芽組織における発現領域についてより詳細に解析するため、in situハイブリダイゼーション法に着手した。

現在、固定、プロテアーゼ処理、ハイブリダイゼーション等様々な条件を検討しており、今後も継続して取り組むことによって検出条件を確立し、新規MADS-box遺伝子の機能解析につなげたいと考える。3.遺伝子ノックアウト実験我々が同定した新規スギMADS-box遺伝子が花芽形成に直接関与している証拠を得るために、RNAi法によるノックアウト実験を行った。目的の遺伝子だけを特異的に抑制するために、得られたcDNAの塩基配列かち3'側の相同性が低い部分を選び出し、単子葉植物用のRNAiベクターに組み込んだ。これをアグロバクテリウム法によりスギembryogenic tissueに導入した。今後目的の外来遺伝子を持つembryogenic tissueから不定胚を誘導し植物体の再生へと進めていく。1.ORF全長を含む構築物の作製双子葉植物・単子葉植物の花芽及び花器官形成遺伝子MADSファミリーの塩基配列情報をもとに、6つのスギMADS-box遺伝子の単離に成功し、そのうち4遺伝子にっいては、ORF全長を含む領域の塩基配列の情報を得た。各MADS-box遺伝子の機能解析をおこなうため、それぞれORFの全長を含む構築物の作製をおこなった。今回新たに作製した構築物を含め3遺伝子についてORF全長を含む構築物の作製に成功した。また我々が単離したスギMADS-box遺伝子はAGAMOUSEあるいはPISTILLATAとの相同性が高いものを含む。相補試験による機能解析を行うためそれら遺伝子の欠失したアラビドプシスの変異体の種子を入手した。2.スギMADS-box遺伝子の詳細な発現領域の解析我々は新規に単離した6種類のMADS-box遺伝子の中の1つが花芽形成に伴って活性化する新規スギMADS-box遺伝子であることをRT-PCR法により明らかにした。この遺伝子を中心により詳細な発現領域を解析するためin situハイブリダイゼーションに着手した。従来法では非特異的なシグナルが検出されるため、包埋法を含め様々な別法についてその有効性の可能性を探っている。その間に花芽組織をより詳細に区分したRT-PCRによって、雄花の形態形成初期の段階ではシュートと雄花で発現が確認されたMADS-box遺伝子が、発生ステージの進行に伴って発現が雄花に局在化されるなど新規スギMADS-box遺伝子の発現に関する情報を蓄積した。3.遺伝子ノックアウト実験我々が同定した新規スギMADS-box遺伝子が花芽形成に直接関与している証拠を得るためにRNAi法によるノックアウト実験をおこなった。目的の遺伝子だけを特異的に抑制するために、得られたcDNAの塩基配列から3'側の相同性が低い部分(2領域)を選出し、単子葉植物用のRNAiベクターに組み込んだ。それぞれアグロバクテリウム法によりスギのembryogenic tissueに導入した。
細胞表面電位を高感度・高分解能に画像化する力計測技術の開発

細胞のシステムとしてのメカニズム解明の鍵を握る性質の1つと考えられるのは、細胞表面の局所的なイオンチャネルや親水性/疎水性などに関連した電位情報である。細胞を生きたまま観察できる原子間力顕微鏡に、表面電位を計測する機能が付加されれば、生体細胞ダイナミクスの本質を探ることができる。本研究の目的は、『探針や細胞表面との間で電荷の授受を行うことなく、細胞の表面電位を高感度・高分解能に画像化すう新しい計測技術を開発すること』である。具体的には、光異性化反応で分極の有無が切り替わるフォトクロミック材料で顕微鏡探針を修飾し、外部からの刺激光により探針の分極を切り替えることにより、細胞表面の電位を計測するという新しい原理に基づく計測技術を開発することをめざす。具体的には、以下の課題について検討した1.現有の原子間力顕微鏡において、溶液中に置かれた探針の先端にレーザ光を集光することが困難である。溶液セルの形状を工夫・最適化することにより、効率的にレーザ光を集光できるようにした。また、分極に変調を与えられるように、レーザ光をスイッチング制御できるように制御システムを改良した。2. Siからなる顕微鏡探針を実際にフォトクロミック材料で修飾して、分極変化による電位変化を検出できるかどうかを検討した。具体的には、試料として導電性試料を取り上げ、探針・試料間に静電気力が作用している状態で制御光を変化させ、探針の分極変化による変調成分が電位として検出させることを確認した。3.溶液中において細胞表面の電位を計測できることを明らかにした。細胞を生きたまま観察できる原子間力顕微鏡に、表面電位を計測する機能が付加されれば、生体細胞ダイナミクスの本質を探ることができ。本研究の目的は、『探針や細胞表面との間で電荷の授受を行うことなく、細胞の表面電位を高感度・高分解能に画像化する新しい計測技術を開発すること』である。具体的には、以下の課題について検討した。1)コヒーレンスの抑制による原子間力顕微鏡の低ノイズ化細胞の表面電位測定においては、顕微鏡の力検出感度の向上が必要不可欠である。そこで、半導体レーザにRF変調を重畳し光の可干渉性を抑圧することにより、変位検出計の低ノイズ化を実現した。2)顕微鏡探針へのフォトクロミック材料の固定化方法の検討フォトクロミック材料として、スピロピランとアゾベンゼンを取り上げ、これらを探針に高密度に固定化する方法について検討した。密度が低すきずると、有効な分極が生じない可能性があり、他方、密度が高すぎると、構造転移を起こす際の立体障害により有効な分極が生じない。安定・強固であると同時に、異性化反応時の空間的自由度を確保できる探針修飾を実現した。3)外部光による分極制御とその力学的検出の確認試料と探針の関係を反転させ、顕微鏡探針の代わりにSi基板をフォトクロミック材料で修飾し、光学マスク上から励起光を照射してパターン状に異性化反応させ、分極変化による電子変化をケルビンプローブ法により力学的に検出できるかを確認した。
金属ナノ粒子装荷型グラフェンメタマテリアルにおける２次元プラズモンの動的制御（国際共同研究強化）

2次元プラズモンの動的制御に基づくチューナブルメタマテリアルについて、1)原子薄膜ー金属ナノ構造からなる複合材料の作製と評価、2)機械学習を用いた光学応答予測および3)高感度な表面増強赤外分光法への応用に取り組んだ。1)についてはまず、SiO2酸化膜を有するSi基板上に成膜したグラフェンや遷移金属ダイカルコゲナイド原子薄膜の層数決定法を検証した。具体的には、酸化膜とグラフェン、MOS2、MOSe2、WS2およびWSe2が作り出す薄膜干渉をモデル化し、その光コントラストが最大となる観察波長と酸化膜厚みの関係を理論的に明らかにした。次に、酸化膜を有するSi基板上に成膜したグラフェンに金属ナノ粒子を分散・担持した複合材料を作製し、その反射スペクトルを評価した結果、プラズモン共鳴に起因する特徴的な可視光吸収の観測に成功した。2)については、このようなメタマテリアルを微小なプラズモン要素の集合体として扱い、その光学応答を機械学習により予測する手法を開発した。具体的には、3次元有限要素法解析により得られた様々な構造パターンのメタマテリアル応答を、教師データとして畳み込みニューラルネットワークに学習させたのち、新規なメタマテリアル構造の応答予測を行なった。その結果、学習条件に応じたスペクトル予測に成功し、所望のスペクトルを示すメタマテリアル構造の自動設計に向けた有用な知見を得た。3)については、メタマテリアル内のプラズモン干渉を制御することで、高密度な四重極子モードや超カイラル場を示す新規なメタマテリアル構造を開発した。前者については、C=O官能基を含む有機分子ナノ薄膜を用いた表面増強赤外分光におけるゼプトモルレベルの検出感度を達成し、その有用性を示した。内定年度:20152次元プラズモンの動的制御に基づくチューナブルメタマテリアルについて、その電磁界解析および赤外分光デバイスへの応用に取り組んだ。前者については、対象のメタマテリアルを微小なプラズモン要素の集合体として扱うデジタルメタマテリアルの概念を導入し、その構造最適化・自動設計手法について検証した。メタマテリアルを構成する個々の金属構造をバイナリデータとして扱い、これに対して遺伝的アルゴリズムと3次元有限要素法を組み合わせた独自の自動設計手法を適用した。その結果、赤外光領域に所望のスペクトル応答を示すメタマテリアル構造を自動生成することに成功した。このことを実験的に検証するため、微細加工技術を用いて作製したメタマテリアルについてFTーIR測定したところ、数値解析結果と一致するスペクトル応答が得られ、開発した構造最適化・自動設計アルゴリズムの有用性を確認した。後者については、このような赤外メタマテリアルが示す特異なスペクトル応答や局所増強電場を利用した表面増強赤外分光法への応用に取り組んだ。具体的には、メタマテリアルのプラズモン共鳴と検出対象の分子振動とを一致させることで得られるプラズモンー分子間の共鳴結合と、メタマテリアルが示す偏光回転特性とを組み合わせた新規な直交ニコル表面増強赤外分光法を開発した。これにより、感度低下の要因となる背景光の抑制に加え、メタマテリアルー分子結合系からの光信号のみを検出でき、大幅な感度向上が可能であることがわかった。C=O官能基を含む有機分子ナノ薄膜を用いた赤外分光実験では、上述の原理に基づく明瞭な分子振動信号を観測し、ゼプトモルレベルの検出感度を実証した。さらに、単一のメタマテリアル構造からなる赤外分光デバイスを用いて複数の分子官能基を同時検出するためには、中赤外光領域におけるプラズモン共鳴の動的制御が有効であるとの知見を得た。電磁界解析を通して、メタマテリアル内におけるプラズモン要素の空間分布が変化した際の光学応答に関する知見を得ただけでなく、このようなデジタルメタマテリアルの自動設計手法の開発や赤外分光デバイス応用へと発展させることができた。これらの新たな発展に注力したため、2次元原子薄膜材料を用いた実験について幾つか実施できなかった項目があるものの、デバイス作製に必要となる微細加工技術は確立できており、次年度に向けてこれらの進捗を加速できる状況にある。以上の結果から、おおむね順調に進展していると自己評価した。

前者については、C=O官能基を含む有機分子ナノ薄膜を用いた表面増強赤外分光におけるゼプトモルレベルの検出感度を達成し、その有用性を示した。前年度の実施状況を踏まえ、デジタルメタマテリアルの自動設計および赤外分光デバイスへの応用を引き続き探索すると同時に、2次元原子薄膜材料を用いたチューナブルメタマテリアルの作製にも取り組む。デジタルメタマテリアルについては大きな進展が期待できるため、パターン認識や機械学習といった新たな技術を導入することで、効率的な構造最適化・自動設計手法への発展を目指す。赤外分光デバイスへの応用については、カイラル構造が示す特異な局所増強電場を用いた新規な赤外分光法の開発に取り組む。チューナブルメタマテリアルでは、すでに確立した電子ビーム露光およびリフトオフプロセスからなる微細加工技術を用いて原子薄膜材料-金属ナノ構造複合材料を作製し、その電気的・光学的評価に取り組む。2次元プラズモンの動的制御に基づくチューナブル特性の検証を進め、デジタルメタマテリアルや赤外分光デバイスとの融合を図る。カリフォルニア大学バークレー校への渡航期間:2017年3月1日2017年5月24日、2017年5月27日2017年7月21日、2017年7月27日2017年9月25日、2017年9月30日2017年11月2日