hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
引用ネットワーク分析に基づく技術融合型特許の特性に関する研究

例えば,自動車関連技術に関しては,自動車本体を製造している企業と,主に付属パーツを製造している企業は,技術融合ネットワークの構造的特徴が大きく異なることが明らかになった。カーオーディオやナビゲーションシステムのメーカでは,音響,画像,通信に関する技術を自動車に適用する役割(技術の一方向的応用)が技術融合に求められる。一方,自動車本体のメーカでは,自動車に関する複数の異なる技術を集約することで製品化する役割(技術の統合)が求められる。この違いが技術融合ネットワークの構造に表れたと推測できる。さらに,分析結果の一般化可能性についても検討した。本研究で提案した指標が基礎を置く,文献の被引用数・キーワードの出現頻度などのデータは,低頻度のソースが大部分を占める性質から,指標の標本量依存性が問題になり,分析結果の解釈において注意を払う必要がある。特に,特許は,被引用数0が非常に多く,学術論文よりもさらに偏った分布をとる。そこで,無作為部分標本抽出のモンテカルロ実験,および補間・補外の理論に基づいて指標の値の変化を推測し,結果の一般化が可能な範囲と限界を確認する方法を構築した。技術融合型特許に関して,引用・分類共起関係のネットワーク構造という視点から調査した。自動車関連企業に関しては,次のことが分かった。付属パーツに関わるメーカは,以下の特徴を持つ。(1)技術要素数の割に融合関係数が多い。(2)特定の技術要素が多様な技術要素と融合関係を持つ一方,他の多くは融合関係をあまり持たない。(3)特定の技術要素が,技術融合型の研究開発の核としても,補助的な関連技術としても採用される一方,他の多くは核,あるいは補助的技術のどちらかにしか採用されない傾向が強い。(4)各技術要素が広い融合関係を持つ傾向は弱い。(5)同じ技術要素を組合せる研究開発が繰り返される傾向は弱い。平成26年度の計画として挙げている(1)(2)(3)について,おおむね予定どおり進め,さらに加えて,次年度以降に向けて試験的に(4)を行った。(1)「技術融合型特許」に操作的定義を与える。(2)技術系譜のネットワークの中で担う「技術融合型特許」の役割,技術の再活用におけるそれらの廃れ(オブソレッセンス)の速さ,それぞれを観察するための観点と指標の定義について,緻密に検討し具体化する。(3)分析を行う準備として,各情報源(公開特許公報,Journal Citation Reportsなど)から必要項目を抽出し,データの整形を進める。(4) (2)で設定した指標の一部(直接的な融合関係の指標など)を,(3)のデータに適用し,問題点を洗い出す。最終年度である平成28年度は,指標の標本量依存性を考慮した枠組みを導入し,前年度までの分析結果を検証する。(1)本研究の指標が基礎を置く,文献の被引用数・キーワードの出現頻度などのデータは,低頻度のソース(数回しか引用されない文献など)が大部分を占める性質から,指標の標本量依存性が問題になり,分析結果の解釈において注意を払う必要がある。
異なる視点を有する他者との協同問題解決に関する研究

協同問題解決場面において,異なる視点を有する少数派が視点取得にどのような影響を及ぼすのかを検討した.検討に際して,特定の側面に固着しやすくなる規則発見課題(林・三輪・森田,2007)を題材とし,その課題に準ずるマルチエージェントを搭載した実験プラットホームを構築した.エージェントは,人間の仮想的な協同相手(さくら)を演じ,問題解決者とは異なる視点で情報提供を行う.集団実験を実施した結果,異なる視点に立った少数派メンバーの存在が,視点固着を緩和する上で有効となることが示唆された.本研究では,小集団による協同問題解決において視点変容が起きるプロセスを明らかにすることを目的とし,対話エージェントを利用した実験システムの開発とそのシステムを利用した心理実験により検討を行った.平成23年度は,異なる視点に基づく協同問題解決のための実験装置として,マルチエージェントを利用したコミュニケーション実験のプラットフォームの開発した(林・小川,2012).本システムを利用することにより,協同問題解決時における協同相手の振る舞い方や人数等を自由に操作することができ,様々な条件下での実験的検討が可能になった.平成24年度は,その実験システムを利用し,どのような協同問題解決場面において,視点変容が生じるのかについて,いくつかの要因統制実験を行った.実験により得られた主な成果として,(1)グループ内での異なる視点を有する少数派が存在する場合には,視点変容を阻害するエゴセントリックバイアスが緩和されること(Hayashi, 2012), (2)異なる視点を有するメンバーらへの信頼度の増大が活発な視点取得を引き起こすこと(Hayashi, in press),などが明らかになった.これらの実験から,視点変容を促すいくつかの重要な要因を明らかにすることができ,また協同学習などの日常的な協同場面にも重要な示唆を与えるといえる.今後も本手法を利用し,協同問題解決を促進するための要因やそこでの認知プロセスについて継続的に研究を遂行していく予定である.協同問題解決場面において,異なる視点を有する少数派が視点取得にどのような影響を及ぼすのかを検討した.検討に際して,特定の側面に固着しやすくなる規則発見課題(林・三輪・森田,2007)を題材とし,その課題に準ずるマルチエージェントを搭載した実験プラットホームを構築した.エージェントは,人間の仮想的な協同相手(さくら)を演じ,問題解決者とは異なる視点で情報提供を行う.集団実験を実施した結果,異なる視点に立った少数派メンバーの存在が,視点固着を緩和する上で有効となることが示唆された.本研究の目的は,異なる視点を有する少数派の視点が多数派の視点変容にどのような認知プロセスが関与しているのかを解明することである.本年度は,規則発見課題を行う複数の問題解決者が異なる視点に基づいて協同で課題を遂行するための実験プラットフォームの開発を行った.本研究では,協同問題解決に取り組む際の協同相手の振る舞いを実験的に操作する方法として,対話エージェントを利用した実験環境の設計を行った.実際の人間の替わり(さくら)を担う対話エージェントを採用することで,集団内の他のメンバーの発言内容や集団サイズなどの独立変数を調整することが可能である.このように対話エージェントを用いることによって,実験実施時にかかる人的コストを軽減でき,作業効率の大幅な向上が見込める.さらに,集団内の発話内容を厳密に統制・操作することによって,一貫した情報の操作が可能となり,操作内容の信頼性という側面においても有益であるといえる.本年度開発した対話エージェントは,集団で協同問題解決を行う実験参加者の内容をリアルタイムで解析し,定められたルールに基づいて応答するように設計されている.また,複数の人間のインタラクションを仮想的に作り出すために,マルチエージェントシステムの考えに基づき,他のエージェントの発話内容も考慮し,互いに協調しあいながら応答内容を決定していくように設計されている.次年度は,この実験システムを用いて,協同問題解決中の異なる視点を有する少数派の情報提示が,多数派の視点変容にどのような影響を及ぼすのかを実証的に検討していく.本年度は,異なる視点に基づく協同問題解決のための実験プラットフォームの開発とその評価を中心に研究を行った.開発したシステムは,申請者が所属する機関の情報通信技術の専門家と意見交換や議論を重ねたうえで,人工知能におけるマルチエージェントシステムの考えを踏襲して設計を行った.開発段階では,Java言語を使用し,プロセス間通信を利用したネットワークアプリケーションを構築し,そのフレームワーク上で自律的に動作する複数の対話エージェントを開発した.そして,開発したシステムの信頼性を検証するために,実験システムを利用した心理実験を実施した.心理実験の実施においては,所属研究室の学生とともにシステムの有効性を検証した.特に実験では,対話エージェントが人間のさくらとしての役割を果たせるかどうかという点に注目し,システムの評価を行った.その結果,ほとんどの実験参加者が協同問題解決中の複数の協同相手(対話エージェント)に対して違和感なく,課題に取り組んでいた.また,ここで得られた発話の内容の性質は,過去に行われた人間を対象にした実験の発話の内容との大きな差は観察されなかった.なお,ここで開発したシステムとその評価の結果の成果は,学術雑誌論文として公刊される予定である(林・小川,in press).平成24年度は,平成23年度構築した実験システムを利用し,どのように異なる視点を有する他者が集団の中でどのように振る舞うことが視点変容につながるのかを実験的に検討していく.この点を探るために,社会心理学の領域で注目されてきた「少数派効果」に代表されるように,集団内で一貫して異なる視点を主張する少数派が存在する場合にそれが問題解決の視点

変容にどのように影響するのかを統制実験によって検討する.実験では,(1)異なる視点を有する少数派が存在する条件(少数派条件),(2)グループ内の参加者の半数が異なる視点の条件(対立条件),(3)異なる視点を有するメンバーが存在しない条件(異視点なし条件)の3つの条件により検討する.実験では,異なる視点を有する他者が存在する条件(少数派条件,対立条件)のほうが,異なる視点を有するメンバーが存在しない時よりも視点変容に効果的であると予想される.そして,グループの少数派が異なる視点を提示する場合(少数派条件)のパフォーマンスがグループの半数が異なる視点を有する場合(対立条件)のパフォーマンスにどれぐらいの差異が生じるのかを発話プロトコルの分析を通じて検討していく.これらの検討を通じて,集団の協同問題解決において異視点への気づきや変容をどのように作り出すことができるのかを解明し,さらには,協同学習の支援に有効な向けたインタフェースのデザインとは何かについて考えていく予定である.平成24年度は,実験システムを用いた要因統制実験を行い,この成果を国際会議および学術雑誌論文で公表する予定である.これらの内容を遂行していくうえで,心理実験の実施にかかる費用と成果発表にかかる費用が必要不可欠となる.心理実験にかかる費用としては,実験に参加する実験参加者に対する被験者謝金であり,実験参加者を確保するためには,重要である.また,この実験は複数のコンピュータターミナルを介したサーバ・クライアント型のシステムであるため,複数台のノートパソコンとワークステーションが必要となる.そして,本研究の実験の成果を国際的に発表するためには,それにかかる旅費や会議への参加費が必要となり,学術雑誌論文にその内容を公表する場合には,掲載費用が必要となる.本年度は,以上で述べた内容を実行に移すために,研究費を使用させていただく予定である.
生命活動におよぼす圧力の影響の解明：超高圧実験で解き明かす極限環境生物の電気化学

深海の熱水噴出孔には、地球内部から放出される化学エネルギーを利用して生活する生物(化学合成生物)が多数生息している。このような光合成に依存しない特異な生態環境は、生命の起源や進化を探るためのカギとなるフィールドとして注目されている。地球の熱水噴出孔の多くは200気圧を超えるの超高圧環境に存在する。このような高圧環境では、常圧と異なる生命のエネルギー獲得プロセスが存在するはずである。そこで本研究では「圧力というパラメータが、生物のエネルギー生産活動にどのような影響を及ぼすか」という問いについて、高圧電気化学実験という新たな実験手法を用いて解明をめざす。
単独スピーカによる左右方向音像定位の特徴の解明と音響システムの実現

近年、指向特性の鋭いスピーカとして期待されていたパラメトリックスピーカが実用のレベルに達してきている。指向特性が鋭いため、パーソナルな環境の実現可能な情報伝達手段として期待できる。このパラメトリックスピーカについて予備試験において、通常のスピーカでは実現不可能な新たな知見を得ていた。そこで、1ch再生システムにおいて、新たな知見についてさらに検討を加える。そして、その新たな知見を活用して、2ch再生システムにおいて高臨場感な音響情報伝達可能な音響システムを提案することを目標としている。今年度は前年度に特定された2ch再生条件(聴取領域、方式)で、聴取者による聴取試験を引き続き行った。聴取試験結果とこれまでに得られた物理量に対応を付けて分析することで、2個のパラメトリックスピーカを用いた2ch再生の場合の定位感を中心とした高臨場感について、物理量と主観量の関係を検討した。さらに、従来のスピーカの聴取結果と比較することで、パラメトリックスピーカを用いることで得られる特徴を示し、その有効性を評価した。今年度は、計画の最終年度であることから、これまでの3年間に行ったパラメトリックスピーカに関する検討結果と試験結果について振り返って再度検討し、整理を行った。その結果として、聴取信号の変調方式の検討、パラメトリックスピーカのモノラル2ch再生系の構築、パラメトリックスピーカのモノラル再生時の特徴、パラメトリックスピーカの2ch再生時の特徴、等の項目ごとに分類し、整理することができた。このパラメトリックスピーカについて予備試験において、通常のスピーカでは実現不可能な新たな知見を得ていたので、この新たな知見を活用して、高臨場感な音響情報伝達可能な音響システムを提案することを目標としている。今年度は、本研究のベースとなるパラメトリックスピーカによる再生システムの構築のための検討を行った。まず、このシステムの再生の基本となる可聴音の変調方式について、ルート変調方式とSSB変調方式の優劣について、計算機シミュレーションにより検討した。音圧、歪、周波数特性について各種パラメータを振って数値計算を行った。パラメトリックスピーカは共振特性を有する多数の超音波振動子を利用することから、周波数帯域がそれほど広くない。この点と数値計算結果を総合的に判断して、必要な周波数帯域が比較的狭くてもよいSSB変調方式を採用することにした。この方針には、従来のSSB変調方式によって得られたデータを活用できるという利点もある。当初の計画では、1ch再生システムでの再生することまでとしていたが、作業内容を再度洗い出し、期間短縮のための効率化を重視して2ch再生システムでの再生まで着手するように計画を変更した。このことから、当初の予定を早めることができ、予備的な聴取試験まで行うことができた。しかし、その分、性能試験については、来年度の課題となった。本研究課題において研究目的を達成するために、以下の4点を段階的に検討する計画であった。1不足している1ch再生システム構成品の整備と、再生用スピーカの設計・製作、2パラメトリックスピーカによる1ch再生システムの構築、3パラメトリックスピーカによる1ch再生システムのパラメータ設計・調整、4構築した1ch再生システムでの性能試験(音響測定)初年度において項目13について、1ch再生システムについて予定していたが、作業の内容と期間短縮のための効率化の面から計画を変更し、次年度予定していた2ch再生システムについて検討を進めることができた。しかし、その分、項目4について性能試験については不十分で、来年度の課題となった。今年度は、1ch再生システムにおいて、パラメトリックスピーカを単独の場合に、通常のスピーカでは実現不可能なパラメトリックスピーカについての新たな知見の詳細を把握した。具体的には、1ch再生システムにおいてもどの程度左右方向に音像を移動するか、聴覚的特性と物理的特性の両面から明らかにした。なお、1ch再生システムでの性能試験は、前年度には十分に実施できていなかったので、当初想定した範囲まで行っている。2ch再生システムの性能を各種再生条件において測定結果から解析するとともに、一般的なダイナミックスピーカの場合と比較して、パラメトリックスピーカの物理的な特徴量を把握した。各種の2ch再生条件(聴取領域、方式)で、聴取者による聴取試験を部分的ではあるが行った。その結果から大まかな傾向を把握することができ、来年度の計画に反映することができた。本研究課題において研究目的を達成するための段階として、特定された2ch再生条件で、聴取者による聴取試験を部分的ではあるが行うことができた。来年度は引き続き、検討を進めていく。

このパラメトリックスピーカについて予備試験において、通常のスピーカでは実現不可能な新たな知見を得ていた。そこで、1ch再生システムにおいて、新たな知見についてさらに検討を加える。そして、その新たな知見を活用して、2ch再生システムにおいて高臨場感な音響情報伝達可能な音響システムを提案することを目標としている。今年度は前年度に特定された2ch再生条件(聴取領域、方式)で、聴取者による聴取試験を引き続き行った。聴取試験結果とこれまでに得られた物理量に対応を付けて分析することで、2個のパラメトリックスピーカを用いた2ch再生の場合の定位感を中心とした高臨場感について、物理量と主観量の関係を検討した。さらに、従来のスピーカの聴取結果と比較することで、パラメトリックスピーカを用いることで得られる特徴を示し、その有効性を評価した。今年度は、計画の最終年度であることから、これまでの3年間に行ったパラメトリックスピーカに関する検討結果と試験結果について振り返って再度検討し、整理を行った。その結果として、聴取信号の変調方式の検討、パラメトリックスピーカのモノラル2ch再生系の構築、パラメトリックスピーカのモノラル再生時の特徴、パラメトリックスピーカの2ch再生時の特徴、等の項目ごとに分類し、整理することができた。1ch再生システムにおいて、パラメトリックスピーカを単独の場合に、通常のスピーカでは実現不可能なパラメトリックスピーカについての新たな知見の詳細を把握する。具体的には、どの程度左右方向に音像を移動させることができるか、聴覚的特性と物理的特性の両面から明らかにする。1ch再生システムでの性能試験は、前年度には十分に実施できていなかったので、本年度行う。各種再生条件において2ch再生システムの性能を、測定結果から解析するとともに、一般的なダイナミックスピーカの場合と比較し、パラメトリックスピーカの物理的な特徴量を把握する。特定された2ch再生条件(聴取領域、方式)で、被験者による聴取試験を行う。聴取試験結果と前段階で得られた物理量を対応付けて分析することで、2個のパラメトリックスピーカを用いた2ch再生の場合の定位感を中心とした高臨場感について、物理量と主観量の関係を解明する。さらに、パラメトリックスピーカを用いることで得られる特徴を示し、その有効性を評価する。特定された2ch再生条件(聴取領域、方式)で、聴取者による聴取試験を引き続き行う。2016年10月開始となったため、機器の選定が間に合わなかった。また、研究期間の短縮への対応策として、計画の一部を状況に合わせて先行および先送りとしたためである。2016年10月開始となったため、機器の選定が一部間に合わなかった。
使用者が自立的に見えるロボット車椅子

安全で使いやすい車椅子として知的車椅子/ロボット車椅子といわれるものの研究が盛んになっている。しかし、これまでの研究では、使用者や周囲の人の物理的な負担を減らすことしか考えられていなかった。車椅子としては、このような物理的な負担の低減に加え、使用者と周囲の人の心理的障壁を減らし、身体の不自由な人が積極的に外出したくなるようにすることも重要である。本課題では、この心理的障壁の低減の試みとして、利用者の物理的負担の少ない形で、他人から自立的に行動しているように見える車椅子の実現を目指して研究を行った。車椅子使用者と介護者が一緒に出かけるとき、多くの場合は介護者が車椅子の後ろに立つような形になる。しかし、これでは介護者が後ろから見守って介護しているという感じであまり自立的に見えないと思われる。そこで、介護者が車椅子の横にいて、介護者と車椅子使用者が横に並んで話しているような状況を作り出すこと考えた。すなわち、横にいる介護者に自動的に追随する車椅子を開発した。車椅子は介護者の位置と身体の向きをレンジセンサと全方位カメラのデータから求め、介護者が車椅子のいる方向へ曲がる場合の追随も適切に行えるようにした。さらに、美術館などで車椅子使用者が友達と作品を一緒に語り合いながら見て回るという状況を考え、車椅子使用者が細かい操作をすることなく、2人で絵を見るときは絵の見やすい位置に動き、移動するときは介護者の横について動くなどの状況にあった動きのできる車椅子を実現した。介護者が車椅子の後ろにいる場合と横にいる場合に2人の関係がどう見えるかを103人にビデオ映像を見せて質問紙法により調べたところ、横にいる方が話しやすそうで親近感がありそうという結果が得られた。さらに検討は必要だが、提案の車椅子の有望性が確認できた。ここでは、この心理的障壁の低減の試みとして、利用者の物理的負担の少ない形で、他人から自立的に行動しているように見える車椅子の実現を目指して研究を進めている。今年度は、実験用にコンピュータ制御で動く車椅子を試作した。細かい動きが必要と考えられるので、最軽量級で小回りの可能な電動車椅子を選定し、それにレンジセンサ2組とビデオカメラを取り付け、ノートPCで制御できるものを開発した。どのようにすれば自立的に行動しているように見えるかの検討に入る前に、まず、介護者の位置をレンジセンサで求め、それに追随して動くようにした。この車椅子については、さいたま市青少年宇宙科学館でデモンストレーションを行った。参加した子供たちについて動きまわることができ、基本的な動作の確認ができた。ただし、人間の急な動きの変化や速い動きに追随するためには、さらに検討が必要なことがわかった。今後は、どのようにすれば、自立的に行動しているように見えるかの仮説を得るために、通常の車椅子使用の場合について、車椅子使用者と介護者との関係を社会学の分析手法を用いて検討し、その結果に基づいて開発を進めていく予定である。しかし,これまでの研究では,使用者や周囲の人の物理的な負担を減らすことしか考えられていなかった。車椅子としては,このような物理的な負担の低減に加え,使用者と周囲の人の心理的障壁を減らし,身体の不自由な人が積極的に外出したくなるようにすることも重要である。本課題では,この心理的障壁の低減の試みとして,利用者の物理的負担の少ない形で,他人から自立的に行動しているように見える車椅子の実現を目指して研究を進めている。昨年度は介護者の位置をレンジセンサのデータから求め,介護者に追随して動く車椅子を開発した。しかし,単に人に付いて動くのでは,自立して外出しているようには見えない。そこで,今年度は,美術館などで車椅子使用者が友達と作品を一緒に語り合いながら見て回るという状況を考え,車椅子使用者が細かい操作をすることなく,このような状況にあった動きのできる車椅子を検討した。車椅子に2台のカメラを取り付け,1台の画像からは介護者の顔の方向,もう1台の画像からは作品の位置を検出するようにした。介護者が作品の近くで足を止めると,介護者の顔の向きを求め,その方向に作品があるかを判断する。作品があると,介護者への追随はやめて,作品が見やすい位置へ移動する。また,介護者が顔を車椅子使用者の方に向けて話しかけると,車椅子が介護者の方へ回転する。このような動作が自動的に行われることにより,車椅子使用者は車椅子の操作をすることなしに,外部からは車椅子を適切に動かして作品鑑賞を楽しんでいるように見えると期待される。まだ,車椅子の動きが遅く,実際にこのように見てもらえるかは検証していない。今後は,車椅子をさらに改良して評価実験を行っていく予定である。

車椅子としては、このような物理的な負担の低減に加え、使用者と周囲の人の心理的障壁を減らし、身体の不自由な人が積極的に外出したくなるようにすることも重要である。本課題では、この心理的障壁の低減の試みとして、利用者の物理的負担の少ない形で、他人から自立的に行動しているように見える車椅子の実現を目指して研究を行った。車椅子使用者と介護者が一緒に出かけるとき、多くの場合は介護者が車椅子の後ろに立つような形になる。しかし、これでは介護者が後ろから見守って介護しているという感じであまり自立的に見えないと思われる。そこで、介護者が車椅子の横にいて、介護者と車椅子使用者が横に並んで話しているような状況を作り出すこと考えた。すなわち、横にいる介護者に自動的に追随する車椅子を開発した。車椅子は介護者の位置と身体の向きをレンジセンサと全方位カメラのデータから求め、介護者が車椅子のいる方向へ曲がる場合の追随も適切に行えるようにした。さらに、美術館などで車椅子使用者が友達と作品を一緒に語り合いながら見て回るという状況を考え、車椅子使用者が細かい操作をすることなく、2人で絵を見るときは絵の見やすい位置に動き、移動するときは介護者の横について動くなどの状況にあった動きのできる車椅子を実現した。介護者が車椅子の後ろにいる場合と横にいる場合に2人の関係がどう見えるかを103人にビデオ映像を見せて質問紙法により調べたところ、横にいる方が話しやすそうで親近感がありそうという結果が得られた。さらに検討は必要だが、提案の車椅子の有望性が確認できた。
破壊エネルギー理論に基づくFRP緊張材の疲労破壊に関する研究

本研究は、高張力鋼の代わりに橋梁等にFRP緊張材を使用する場合を想定し、現在使用されている主要な補強繊維であるカーボン繊維、アラミド繊維、ガラス繊維を使用したFRP材(φ6mm)について、中でも重要な物理特性であるFRP緊張材の強度、変形、疲労特性を明らかにし、さらにはFRP緊張材の耐アルカリ性を明らかにすることを目的として実施したものである。なお、本研究では、破壊エネルギー理論に基づく考え方で振幅応力のみならず載荷応力の影響を考慮した疲労特性を明らかにし、耐アルカリ性についてもどの様に考えれば良いかを明らかにした。本研究で明らかになった主な点をまとめて列記すると以下の通りである。1.繊維混入率を増大させるとFRPロッドの強度は、ほぼ繊維混入率に比例して増大する。しかし、CFRPロッドの場合にはチャック部における応力集中が原因となり、繊維混入率が高い場合には繊維混入率に比例しない場合がある。2.各種繊維を用いたFRPロッドの動的疲労試験を実施した結果、最も疲労強度の小さいロッドはガラス繊維で補強されたGFRPロッドであり、最も強度低下の少ないのはカーボン繊維で補強されたCFRPロッドである。また、GFRPロッドは、400万回疲労後の強度が静的強度の約1/2に低下する。3.AFRPロッドおよびGFRPロッドでは、クリープ破壊も同時に生じるため、高応力下においては動的疲労破壊とクリープ破壊のいずれもが生じる領域が存在する。4.各繊維の耐アルカリ性について検討した結果、繊維単身をアルカリ溶液に浸積し、その引張試験を実施する方法で、十分な評価をすることができることが明らかになった。また、ガラス繊維の場合にはアルカリによる劣化が著しいが、カーボン繊維およびアラミド繊維の場合にはほとんど劣化が生じない。5.アルカリ濃度および温度を変えることにより繊維の劣化促進試験が行えること、拡散理論を用いることで劣化予測ができること、促進試験と実環境での試験結果を対応させることが可能なこと等が明らかになった。本研究は、コンクリート用補強材として高張力鋼の代わりに一方向強化FRP緊張材を用いる場合に、特に重要な強度特性であるFRP緊張材の疲労特性を明らかにするために、現在主要な補強繊維であるカーボン繊維、アラミド繊維、ガラス繊維を使用したFRP材について破壊エネルギー理論に基づく考え方で、疲労限界がどこにあるのかまた使用繊維によってどの様に異なっているのかを明らかにすることを目的としている。今年度得られた結果は以下の通りである。○FRP緊張材として、カーボン繊維、アラミド繊維、ガラス繊維を使用した3種類のFRPロッド(φ6mm)を対象とし、繊維単体ならびにFRPロッドについて、ロッドの場合には原則的に、そのばらつきを考慮して1条件当たり10本の載荷試験を現有のサーボパルサーで実施した。○FRPロッドの静的載荷試験を実施し、荷重のみならず変形および変位を計測し、各FRP材が破壊までに吸収し得るエネルギーを求めた結果、アラミド繊維が最もエネルギー吸収量が大きいことが明かとなった。○複合化理論に基づくFRPロッドの破壊条件から、FRPロッドの場合にも最大エネルギー吸収量が存在し、これを用いてコンピュータシュミレーションした結果、同時に計則を行ったAE計測結果ともほぼ対応しており、破壊エネルギー理論の妥当性が確認された。○今後は当初の計画通り、今年度では終了しないFRPロッドの疲労試験を継続して行い、各繊維を用いたFRPロッドの疲労破壊条件を求める。

本研究は、高張力鋼の代わりに橋梁等にFRP緊張材を使用する場合を想定し、現在使用されている主要な補強繊維であるカーボン繊維、アラミド繊維、ガラス繊維を使用したFRP材(φ6mm)について、中でも重要な物理特性であるFRP緊張材の強度、変形、疲労特性を明らかにし、さらにはFRP緊張材の耐アルカリ性を明らかにすることを目的として実施したものである。なお、本研究では、破壊エネルギー理論に基づく考え方で振幅応力のみならず載荷応力の影響を考慮した疲労特性を明らかにし、耐アルカリ性についてもどの様に考えれば良いかを明らかにした。本研究で明らかになった主な点をまとめて列記すると以下の通りである。1.繊維混入率を増大させるとFRPロッドの強度は、ほぼ繊維混入率に比例して増大する。しかし、CFRPロッドの場合にはチャック部における応力集中が原因となり、繊維混入率が高い場合には繊維混入率に比例しない場合がある。2.各種繊維を用いたFRPロッドの動的疲労試験を実施した結果、最も疲労強度の小さいロッドはガラス繊維で補強されたGFRPロッドであり、最も強度低下の少ないのはカーボン繊維で補強されたCFRPロッドである。また、GFRPロッドは、400万回疲労後の強度が静的強度の約1/2に低下する。3.AFRPロッドおよびGFRPロッドでは、クリープ破壊も同時に生じるため、高応力下においては動的疲労破壊とクリープ破壊のいずれもが生じる領域が存在する。4.各繊維の耐アルカリ性について検討した結果、繊維単身をアルカリ溶液に浸積し、その引張試験を実施する方法で、十分な評価をすることができることが明らかになった。また、ガラス繊維の場合にはアルカリによる劣化が著しいが、カーボン繊維およびアラミド繊維の場合にはほとんど劣化が生じない。5.アルカリ濃度および温度を変えることにより繊維の劣化促進試験が行えること、拡散理論を用いることで劣化予測ができること、促進試験と実環境での試験結果を対応させることが可能なこと等が明らかになった。
化学発光を触媒するモノクローナル抗体の作製-新しい発光性人工タンパク質の創出-

本研究は、化学発光を触媒するモノクローナル抗体を作製し、超高感度なイムノアッセイやマーカータンパクとして遺伝子工学に広く応用できる操作性を備えた新しいタイプの発光性人工タンパク質を作り出すことを目的としたものである。まず、抗体に触媒させる化学発光として、発光効率が高くしかも持続性の化学発光を示すジオキセタンの熱分解に注目し、βシアノエチル炭酸エステルを保護基とし、立体的にかさ高いアダマンチルフェニルジオキセタン誘導体を7ステップで合成した。この化合物は、アンモニアなどのアルカリ処理によりβ脱離をおこし、持続性の化学発光を開始することを確かめた。さて、このβシアノエチル炭酸エステルをβ脱離により切断し、ジオキセタンの分解による化学発光を誘発する活性を持った抗体を作製するために、β位プロトンを引き抜きアンチ脱離を触媒する塩基性官能基を誘導する目的で、β脱離の遷移状態アナログとなるトロパン骨格を有するハプテンを13ステップで合成した。得られたハプテンとKLHとの複合体を用いてBALB-cマウスを免疫し、通常のハイブリドーマ法を用いてハプテンに特異的なモノクローナル抗体を産生するクローン54種類を得た。それぞれのクローンを大量培養し、培養上清からそれぞれのモノクローナル抗体を精製し、先に合成したアダマンチルフェニルジオキセタン誘導体を基質に、ルミノメーターを用いた発光アッセイに供したところ、いずれの抗体も発光活性は認められなかった。このことは、用いたハプテンによっては、シアノエチル基を切断する抗体を誘導することができなかったことを示している。そこで、同じハプテンを用いた新たな免疫を断念し、発光反応そのものをジアリールシュウ酸エステルを用いた過シュウ酸エステル化学発光反応に変え、従来から使用例の多いリン酸エステル系のハプテンを合成し、シュウ酸エステルの加過酸化水素分解による化学発光を触媒する抗体を作製中である。
視覚的な微生物群集の検出・遺伝子発見・基質代謝解析に不可欠な細胞壁処理技術の開発

これまでにCARD-FISH法が適用されていないメタン生成古細菌に対して、CARD-FISH法を適用するための適切な細胞壁処理方法について検討した。その結果、幾つかのメタン生成古細菌について適切な細胞壁処理方法を酵素的消化により見いだす事ができた。しかしながら検討した全てのメタン生成古細菌について適切な処理方法を見いだす事ができず、酵素処理による細胞壁処理に限界をみた。一方でCARD-FISH法をより高感度にしたtwo-pass TSA-FISH法は、微生物の発現しているmRNAをオリゴヌクレオチドプローブを用いても十分に検出する事が可能である事を見いだし、遺伝子発現解析への布石を築いた。本研究から微生物の遺伝子発現解析を行うためのツールは揃いつつあるものの、それを適用するための前処理である細胞壁処理方法には未だ大きな課題が残っていることが判明した。これを克服する事が、今後の分子生物学的手法による微生物の培養によらない解析方法に一つのブレイクスルーをもたらす事ができると考えられ、今後更に検討を行っていく必要があると考えられる。高感度FISH法の一つであるCARD-FISH法をメタン生成古細菌に適用するための細胞壁処理方法について検討を行った。普遍的な細胞壁処理方法の確立を純菌を用いた検討から試みたが、非常に難しく、最終的にはメタン生成古細菌のもつ細胞壁を加水分解する酵素を用いて浸透性を向上させることで、CARD-FISH法の適用に成功した。しかしながら、酵素の特異性から、全てのメタン生成古細菌を網羅して、検出することはできなかった。一方で、従来のFISH法では検出が難しかったサンプルからのメタン生成古細菌の特異的検出に成功した。この事は、純菌で得られた知見が環境サンプルに対して適用可能であることを示唆している。また、検討した細胞壁処理方法の定量的解析への応用性も調べたが、これは純菌への検討結果が示唆した通り、検出率は従来のFISH法に比べて低くなるという結果が得られた(従来のFISH法で検出することが可能なサンプルに於いては)。CARD-FISH法のポテンシャルを把握するために、rRNAに比べて発現量が少ないmRNAの検出を試みた。若干実験操作が煩雑になり、時間を要するものの、純菌を用いた検討では、発現していると思われるmRNAの検出に成功した。これにより、微生物の持っている機能を基にした検出が可能になると考えられる。このことから、CARD-FISH法を適用するための普遍的な細胞壁処理方法が確立されれば、微生物の解析に非常に有用なツールとなることが示唆された。今後、様々な方法を用いて、更に細胞壁処理方法の検討を行っていく予定である。
ダイポール電場による有機薄膜太陽電池の高効率化

有機薄膜太陽電池におけるP型/N型界面での半導体特性制御を目指して、p型半導体(CuPc)/n型半導体(C60)層間に有機強誘電体P(VDF/TrFE)を挿入し、分極反転に伴う界面電気物性変化を詳細解析した。P型/N型間に配置したP(VDF/TrFE)の自発分極は、外部電界により反転操作可能であると共に、両サイドに存在するP型/N型有機半導体のキャリア状態を不揮発的に3段階制御できることを明らかとした。本研究では、有機強誘電性分子の形成する分極電場が有機半導体に及ぼす影響を解析した。有機薄膜太陽電池におけるP型/N型界面での半導体特性制御を目指して、p型/n型有機半導体層間に有機強誘電体を挿入し、自発分極方向によるP型/N型両有機半導体の不揮発的な蓄積、空乏状態制御の可能性を検証した。有機強誘電体にはフッ化ビニリデンと三フッ化エチレンのランダム共重合体であるP(VDF/TrFE)を、有機半導体には有機薄膜太陽電池への応用を見据え銅フタロシアニン(CuPc, p型半導体)とフラーレン(C60, n型半導体)を用いた。石英基板上にAu下部電極を蒸着後、CuPcを40nm真空蒸着した。その直上にP(VDF/TrFE)をスピンコート後、C60を30nm、Al上部電極を蒸着した。Au/CuPc、Al/C60界面はそれぞれオーミック接触となるため、この構造により有機強誘電体/有機半導体界面での電気物性評価が可能である。作製したデバイスの電気特性は電流電圧測定(JV測定)、容量電圧特性(CV測定)から解析した。上部電極に振幅35Vの三角波電圧を印加した所、そのJV曲線の負電圧側には分極反転電流ピークが1つのみ観測されるのに対し、正電圧側では3つの電流ピークが観測された。その原因解明のため、CuPc, C60膜厚を独立に変化させてJV特性を詳細解析した結果、分極反転電流ピークに加えてC60及びCuPcの空乏化に起因する電流ピークが発生していることが判明した。またCV測定では正側領域で電気容量の急激な2段階減少が確認された。総じてP型/N型層間に挿入した界面分極電場は、外部電界により反転保持可能であると共に、有機半導体のキャリア状態を3つの状態を不揮発的に制御できることを明らかとした。本年度は、有機半導体表面に強誘電性分子をナノ膜厚で堆積し、その分子膜の凝集構造、結晶構造、分子配向を詳細解析した。N型有機半導体としてC60薄膜上に、フッ化ビニリデンオリゴマー分子(OVDF)を低温クエンチ法にて膜厚1100nmにて成膜した。フーリエ変換赤外分光装置による透過/高感度反射スペクトルの分子振動解析の結果、OVDF分子は膜厚140nmでは、分子軸を基板に対して垂直配向しており、膜厚40nm以上にて徐々に平行配向成分が増加することが判明した。基板温度や真空度、基板種、水分子混入による影響などを考慮した検証実験の結果、異種界面でのOVDF垂直配向は本質的なものであり、有機薄膜太陽電池への効率的な分極層挿入のためには、OVDF平行配向化のための前処理が重要であると判断した。強誘電性分子膜に内在する固定電荷、分極反転に伴う注入電荷に関して情報を得るため、熱刺激電流法および誘電分散測定も実施した。また幾つかの半導体薄膜、有機薄膜太陽電池の作製と基礎特性評価に加え、強誘電体双極子制御に利用予定であるコロナ分極処理が有機薄膜太陽電池に及ぼす影響を調査するため、素子構造ITO/ PEDOT:PSS/ CuPcにて、コロナ電界処理を行った後、BCP/ Al膜を形成して、有機薄膜太陽電池を作製し、その光電変換特性を調べた。コロナ処理前後を比較して、電流密度-電圧カーブの形状は大きく変化しないが、光電変換特性は低化した。またマイナス極性にてコロナ処理した素子の方が特性低下する傾向が見られた。本実験データは、CuPc/ C60界面に打ち込んだ電荷によってP/N界面に電界が生じ、素子内でのバンドマッチングに変化が生じた可能性を示唆した。本研究では、分極電場による有機薄膜太陽電池のエネルギー変換効率向上の可能性を検証するため、有機薄膜太陽電池を形成する有機半導体、電極の各界面に有機強誘電体薄膜をナノレベルで堆積し、その膜構造、電気特性変化の詳細解析を通して有機半導体/有機強誘電体界面における電気的相互作用の解明を目標にしている。本年度、実施予定であった有機半導体表面上への強誘電性分子の成膜とナノ膜厚分子膜の構造・配向評価を実施し、従来低温クエンチ法にて全て平行配向すると考えられていた強誘電性分子OVDFの分子配向に膜厚依存性があることを明らかにした。

分極処理前後の有機強誘電体薄膜を対象に誘電スペクトル測定、熱刺激電流測定を実施し、成膜時に固定電荷が形成され、熱処理または分極処理により電荷放出されることを示した。コロナ分極処理の条件探索を行い、P型/N型有機半導体界面に正電荷/負電荷を注入することで有機薄膜太陽電池の光電変換特性は変化することを示す事ができた。これらの成果から予定していた研究計画はおおむね順調に進展していると判断する。前年度(H23)に得られた成果を基にして、電極/分極層/有機半導体/電極、電極/N型有機半導体/分極層/P型有機半導体/電極からなるキャパシタ構造において分極方向に依存した電流電圧特性に変化がでるか、強誘電性分子膜の膜厚変化に伴う電流電圧特性について詳細解析を進め、当該積層素子の基本特性を把握する。加えて、誘電スペクトロスコピー測定を行い、分極層による空乏層形成の可能性を検証する。分極層膜厚、光ON/OFF、測定周波数、印可電圧、温度などをパラメータとして詳細な評価を行い、空乏層の形成有無、形成された空乏層の厚みなど、ダイポールが空乏層形成に及ぼす影響を検証していく。最終的に有機薄膜太陽電池としての光-電気変換効率の測定を行う。開放電圧、短絡電流密度、フィルファクターなどの特性指標と有機強誘電性分子の膜厚、分極方向などとの相関関係を検証していくことで、分極層膜厚、挿入位置、分極方向について考察し、ダイポール電場と有機薄膜太陽電池のエネルギー変換効率との相関について得られた結果を取りまとめ、成果発表を行う。分極電場が有機薄膜太陽電池の光電変換特性に与える影響を調査するためには、有機薄膜太陽電池および有極性分子膜の作製に必要な有機半導体材料、各種試薬、真空部品、基板、メタルマスクやデバイス評価に用いるカンチレバー、光学部品等の購入が必要となる。また昨年度の研究計画では雰囲気制御セルを自作し、デバイス雰囲気をパラメータとした実験を実施予定であったが、既存測定チャンバーの一部を改造することで予定実験が可能であることが判明したため、特注セルの作製を見送ることとした。H24年度はより広い条件パラメータでの実験を行うため、当該測定チャンバーの更なる改造が必要であり、その為の機械加工、電子部品などが必要となる。加えて、国内外の関連学会・会議に参加し、研究発表・情報収集することは重要であり、そのための出張旅費や会議参加費、論文印刷費が必要となる。
Dル-プ形成における大腸菌RecA蛋白質ドメインの機能

大腸菌RecA蛋白質は、相同的DNAの組換えの反応機構を解析する上で重要なモデルケ-スであり、本研究では、RecA蛋白質の構造的側面に焦点を当て、その分子機構を理解しようとしたものである。63年度および64年度を通じて明らかになったことは、1)80cIリプレッサ-の変異体を解析することにより、RecA蛋白質中はリプレッサ-の構造変化にのみ関与し、活性中心に関与しないことを明らかにした。その結果、RecA蛋白質中にはプロテオリシス反応に直接関与する機能ドメインは存在しないことが示された。2)DNAとの結合がより強固となった欠失変移型RecA5327蛋白の生化学的解析により、RecA5327蛋白質において欠失しているC末端25アミノ酸残基はRecA蛋白質のDNA結合を負に制御する領域であることが示された。3)RecA遺伝子をそのN末端あるいはC末端側からトランケイトして作成した約20種類の欠失変移型RecA蛋白質のin vivoにおける野生型RecA蛋白質の機能阻害効果から40ー60残基領域がRecAーRecA蛋白質間のhydrophobicな相互作用を司っていることが強く示唆された。4)以上のドメイン解析から、Dル-プ形成におけるRecA蛋白質の分子機構を必要最小限の機能ドメイン、すなわち、一か所のDNA結合部位、二か所のRecA-RecA相互作用部位、ATPaseドメイン、で説明するHead-to-Head Dimerモデルを構築した。本研究により、相同的DNA組換え機能におけるRecA蛋白質の具体的な分子機構を証明するための材料と作業仮説がえられた。今後は、DNA結合能の負の制御を欠落したRecA5327蛋白質を用いてDNA結合部位を同定すること、および、一か所のRecAーRecA相互作用部位を欠落したトランケイトRecA蛋白質を用いて、蛋白質間相互作用を解明することにより、モデルの実証を目指す。大腸菌RecA蛋白質は染色体DNAの普遍的組換えを行うが、そのDループ形成における分子機作と酵素活性及び蛋白構造の関係については、数多くの研究報告にもかかわらず不明な点が多い。染色体組換えのモデルケースとして重要な位置にあるRecA蛋白質について、機能ドメイン及びフィラメント形成に焦点を絞って、RecA蛋白質の構造を解析し、Dループ形成におけるRecA蛋白質の分子機作を明らかにすることが、本研究の目的である。63年度には、1)、DNAとの結合がより強固となった欠失変異蛋白RecA5327の生化学的及び電子顕微鏡観察より、C末側25残基の欠失領域はRecA蛋白重合能の制御領域であることを明らかにした。(投稿準備中)2)、DNA結合ドメインの推定には上記のRecA5327に部位特異的変異を導入し、現在、変異蛋白を精製中である。3)、リプレッサー切断におけるプロテリオシス活性中心は、φ80CIリプレッサーの変異体を解析することにより、RecAはリプレッサーの構造変化にのみ関与し、活性中心に関与しないことを明らかにした。(投稿準備中)4)、RecA遺伝子をN末側あるいはC末側から欠失させて、約20種のトランケイト蛋白質を、ELISA及びウエスタンプロッティングで調べたところ、いくつかのものが細胞中に安定に蓄積することが明らかとなったので、現在精製準備中である。これからは機能ドメインの解析に重要な寄与をするものと考えている。

当該年度は昨年に引き続き、欠失変異型RecA蛋白質が野生型蛋白質とともに形成するヘテロなpresynaptic complexのin vivoにおける活性と、部位特異的変移導入によるDNA結合領域の推定をおこなった。その結果、欠失変移蛋白質におる解析からは、RecA蛋白質がpresynaptic complexを形成するのに必要な蛋白質間の重合能は少なくとも二か所の蛋白ー蛋白相互作用領域によって支配されており、その内の一つはN末端から40ー60番目のアミノ酸領域で行われるhydrophobicな相互作用であることが明らかとなった。また、これとは異なる蛋白ー蛋白相互作用領域の存在することも示唆された。一方、C末端25アミノ酸残基を欠いたRecA5327蛋白をもちいた昨年度の本研究から、RecA蛋白質にはDNA結合部位が一か所しか存在しない可能性が強く示唆されたが、これらの実験結果からRecA蛋白質のDル-プ形成反応およびストランドトランスファ-活性を分子レヴェルで説明するHeadーtoーHead Dimerモデルを構築した。現在、このモデルを実証するため、部位特異的変異導入によりDNA結合部位の同定を昨年度に引き続きおこなっている。
フラーレン-ポルフィリン分子系を利用するナノ構造人工光合成モデル

フラーレンを電子受容体として用いる光誘起電子移動反応の研究を推進する上で、フラーレンの有機熔媒への不溶性の克服が必要不可欠である。一般に、フラーレンへと置換揆を誘導することで有機溶媒への可溶性は向上するが、電子受容能の観点からは、置換揆を導入すると不利である。一方、対称性よく置換揆を導入する事でフラーレンの可視吸収スペクトルが大きく変化しうる事がL.Y.Chiangらにより明らかとされ、彼らとの共同研究からこの多置換フラーレンの電子移動挙動を過渡吸収法から明らかとすると共に、励起三重項状態についての知見も得た。電子ドナーとしてフタロシアニンを用いた場合、極性溶媒中、フタロシアニンの励起三重項状態からの電子移動が進行した。一方、pyrazolino基によりフラーレンと電子ドナーを結合した分子の光誘起電荷分離を詳細に検討した。Pyrazolino基を有する場合、電荷分離か高効率で進行した。また、pyrazolino基を有する場合、電荷分離状態を示すスペクトルが非常にブロードになり、このことはpyrazolino基と電子ドナーがらなるπ共役系にホールが非局在するためだと結論された。従って、pyrazolino基自身も電子ドナーとして機能しうる事が判明した。また、サンドイツチ化合物として有名なメタロセン類は中心金属のredoxを反映したredox activeな化合物として知られており、特にフェロセンは分子内電荷分離系でのホール補足分子として有用である事が判明している。一方で、中心金属がルテニウムであるルテノセンはredox activeではあるが、電荷分離系に組み込まれた場合の挙動が不明であった。そこで、ルテノセンとフラーレンを結合した電荷分離系の検討をおこなったところ、高速の電荷分離が観測された。ポルフィリン類は中心に金属原子を導入することで光励起状態の寿命、酸化電位など、光誘起電荷分離にとって重要な要因を調整することが可能である。本年度は、中心金属にマグネシウムを用いた場合、フラーレンーポルフィリン間での光誘起電子移動反応がどのくらいの効率で起こり、またどの程度の寿命を持つのかを明らかにした。その場合、高効率の電荷分離状態生成のために、フラーレンーポルフィリン間をなんらかの手法で結合しておくことが必須である。中心金属であるマグネシウムの配座は6配位であり、ポルフィリン中心に導入したマグネシウムには未配位のサイトが2箇所存在する。本年度はこの系のマグネシウムポルフィリン-フラーレン連結分子の光電荷分離状態の生成過程、また光電荷分離寿命を明らかにした。その結果、亜鉛ポルフィリン-フラーレン連結系に比較し、より長寿命の電荷分離成分が観測され、この寿命は、マグネシウムポルフィリンの未配位サイトにピリジンを導入する超分子的な手法でさらに伸びることを見出した。また、ジフェニルアミノ基を導入したフルオレン分子に着目した。この分子は、ジフェニルアミノ基を導入することで、電荷移動吸収帯が可視領域に現れ、フラーレンと結合した場合の光捕集ユニットとして機能することが期待された。その結果、ポルフィリン-フラーレン連結分子と比較し遜色ない電荷分離能を有することが確認された。このことにより、電荷移動吸収体を利用するという新たな光合成模倣システムの指針を得ることが出来た。
分子間力と化学反応の量子化学計算に基づく可視化動画教材開発

一般化学で学ぶ「分子間相互作用」と「化学反応」についてのアニメーション教材を作成した。この教材は単純なイメージ図とは異なり、量子化学計算に基づいて計算し可視化したものである。分子の振動に伴う相互作用の変化や、化学反応に伴う電子の動きを実際に観察することで、学生の興味を喚起し理解を深めることができる。この教材はWebサイトで公開されており、教員は自由にダウンロードし、化学の講義で使用することができる。平成27年度は、電子状態解析・可視化のプログラム開発と、複数の可視化方法についての教育的有効性の比較検証を行った。プログラム開発では、主に差電子密度法とその可視化を行った。また、分子間領域の電子密度変化をよりはっきりと可視化するために、予定にはなかった電子密度によって原子核付近の変化を相対的に小さくした重み付き差電子密度解析法を新しく開発した。可視化解析方法の比較検討では、フッ化水素、メタン、ベンゼンの2量体に対して、分子間振動に対する振る舞いを調べた。AIM法では原理的に分子間距離に対してほとんど変化しないため、振動に対する情報は得られない。また、NCI法では分子間相互作用はわかりやすいが分子間距離が近い場合に限定され、少し離れると可視化された相互作用は消えてしまう。一方、差電子密度法では、分子間距離に対する電子密度変化が非常に感度よく可視化可能であることがわかった。次に界面活性剤分子と水分子・炭化水素分子のクラスターについて、強い分子間相互作用の水素結合と弱い分散相互作用が混在する系での分子間相互作用の可視化効果を調べた。AIM法では相互作用が全て線(Bond Path)として可視化されるため、その強弱を可視化した図から理解することはできない。また、NCI法では相互作用領域とその強さを簡潔に示すことができるがその性質の詳細までを可視化することはできない。一方、差電子密度法では、計算時間と手間のコストは高くなるが、その強弱や双極子・誘起双極子モーメントなどの区別も可視化可能であり、他の方法に比べて教育的効果が高いことがわかった。本研究の目的は大まかに1プログラム開発を含む可視化方法の検証(選出)と、2分子間相互作用の動画教材の作成と、3化学反応の動画教材の作成の3つに分けることができる。平成27年度は、主に1を実施する計画となっており、化学反応についての検証がやや不足しているが、概ね計画通りに研究は進んだ。プログラム開発では、差電子密度法の解析・可視化プログラムを作成した。しかしながら、そのままでは原子核付近の電子密度変化も一緒に可視化されるため、それが邪魔となって分子間相互作用による変化が分かりにくい場合があることがわかった。そこで、全電子密度によって差電子密度に重みを加えて、原子核付近の変化を相対的に小さくすることにより分子間相互作用部分だけを可視化できる重み付き差電子密度法を新しく考案し、プログラムに追加実装した。そのため、後回しになった電子雲(ドット)表示法のプログラム開発は、現在進行中である。分子間相互作用の可視化方法の比較検証では、教育的観点(分子間相互作用の見易さ・理解のしやすさ)から、NCI法と差電子密度法が他の方法に比べて利点が多いことを明らかにした。さらに、差電子密度法では、分子間振動に対する変化を効果的に可視化できることがわかった。したがって、分子間相互作用については主に差電子密度法で可視化した動画教材を作成していくことになる。化学反応の可視化方法の比較検証は、電子雲(ドット)表示法のプログラム作成後になる。平成28年度は,「分子間相互作用」と「酸と塩基の反応」の2つのテーマについて量子化学計算による電子状態解析を行い,イラスト・動画教材を作成した。また,NCI法の計算・可視化・画像出力機能を新たにプログラムに加えた。「分子間相互作用」では,グルコース分子の水和構造と,DNA分子の二重らせん構造をつくるアデニン-チミン,グアニン-シトシンについて,分子間振動モードによるMDシミュレーションを行った。それらの結果をESPマッピングによる電子密度表示で可視化し,分子の分極と分子間相互作用の関係,分子間振動によるポテンシャルエネルギーの変化を説明する教材を作成しWebで公開した。「酸と塩基の反応」では,塩酸と水酸化ナトリウム(HCl/NaOH),酢酸とアンモニア(CH3COOH/NH3)の中和反応の計算を行った。HCl/NaOHについては,水分子が1つ水素結合した水1構造・6つ水素結合した水6構造についてMDシミュレーションを行い,中和反応における水分子の触媒的役割と伸縮振動による水素結合間プロトンリレーの様子がわかるイラスト・動画教材を作成した。CH3COOH/NH3については,水分子が2つ結合した構造に対して,反応経路追跡計算を行った。反応物ー遷移状態ー生成物の構造変化とエネルギー変化がわかる教材を作成しWebで公開した。これらのESP電子密度表示による可視化教材では,反応途中における中性分子からイオンへの連続的な変化を視覚的に観察することができる。プログラム開発では,NCI法におけるS値(Reduced Density Gradient)とカラーマッピングを行うためのヘシアン行列の計算をプログラムに加えた。さらに,他の方法と同様の手続きで画像を出力できるようにプログラムを改良した。これによって,NCI法表示によるアニメーション用画像の作成が可能になった。本研究の目的は大まかに1可視化方法のプログラム開発と検証,2分子間相互作用の動画教材の作成,3化学反応の動画教材の作成の3つに分けることができる。