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臓器微小循環と物質代謝及びその障害に関する分子生物学的・医工学的研究

臓器微小循環と物質代謝に関する研究は広範な学際的学問領域を含み、生理学、薬理学等の基礎医学はもとより、各種臓器に関する臨床医学が広く関与する。本研究は、発展しつつある微小循環学の分野で新たな分子生物学的および医工学的手法を開発し、広域にわたる研究者が一同にかいして、それぞれの特異な手法を異なる領域、臓器に応用して、いわゆる成人病の発生、進展機序の解明、老化の予防をはじめとして、臓器移植や人工心臓の開発等の臨床応用への道を開くことを目的とし、そのための準備調査を行うものである。このため本年度は札幌(10月)、京都(11月)、東京(平成2年1月)において3回班会議を開催し、「重点領域研究」申請に向けて研究分担者間で討論を行った。その結果、本研究を、A.微小血管の血流検知・反応機構に関する分子生物学的研究B.微小循環と組織代謝の微視的基礎研究Bー1微小循環血行動態と循環調節Bー2毛細血管の物質交換、組織代謝及び水分調節C.組織血流と組織代謝の巨視的応用研究Cー1組織血流の臓器特異性と異常の計測Cー2組織代謝の臓器特異性と異常の計測の各研究項目を有する研究(総研究者数36名、研究課題:臓器微小循環と組織代謝及びその障害に関する医工学的・分子生物学的研究)として、平成3年度発足「重点領域研究」に申請した。
非線形拡散方程式系のアトラクターに対する数値解析

14年度は,時間大域的に安定性と信頼性が保証された離散スキームの構成を中心に研究を進めました。抽象放物型発展方程式論の専門家であるファビーニ教授(ボローニャ大学)および朴教授(釜山大学)を招聘し最新の研究結果の提供を受けるとともに研究課題についての議論を交換しました。辻川教授(宮崎大学)を本学に招いて研究の打ち合わせを行ったのを始めとして,研究課題に関係する国内各研究者と交流し研究計画の進展を図りました。また,関係方面の情報を得るために洋書・和書を購入しました。このような研究活動から,バナッハ空間において非線形連続半群から決まる力学系の指数アトラクターに対して,時間大域的に安定でありかつ誤差が大域的に一定に保たれるような離散スキームの構成に成功しました。15年度は,前年度の成果を基にして,非線形拡散方程式系の解に対する大域的な数値計算を中心に研究を進めました。アトラクター研究の権威者であるエフェンディエフ教授(シュトッツガルト大学)を招聘するとともに,走化性・増殖モデルの提案者である三村教授(広島大学)等と交流しました。また,シミュレーションを実施するためのソフトを購入するとともに計算データを処理するために大学院生に協力してもらいました。このような研究活動から,走化性・増殖モデルには,漸進的パターンとしてネットワークパターン,短期的パターンとしてターゲットパターンとミシン目ターゲットパターン,また長期的パターンとして蜂の巣,帯状,ミシン目帯状,動的帯状,動的斑点の各パターンが現れることを見出しました。このように走化性・増殖モデルは大変にバラエティー富むパターン解を内包していることを明らかにしました。本年度は,本研究期間(2年間)の初年として時間大域的に安定性と信頼性の保証された離散スキームの構成を中心に研究を進めました。無限次元力学系理論を含む抽象放物型発展方程式論の専門家であるファビーニ教授(ボローニャ大学)および朴教授(釜山大学)を招聘し最新の研究結果の提供を受けるとともに研究課題についての議論を交換しました。共同研究者の辻川教授(宮崎大学)を大阪大学に招いて打ち合わせ会を数回に渡り開いたのを始め,本研究課題に関係する国内各研究者と交流し研究計画の進展を図りました。このような研究活動から,バナッハ空間においてCo非線形半群から決まる力学系の指数アトラクターに対して,時間大域的に安定でありかつ誤差が大域的に一定に保たれるような離散スキームの構成に成功しました。本スキームの性能を実際のシミュレーションを通して評価するため,高性能なパーソナルコンピュータを組み上げ,パターン形成モデルとして注目を集めている走化性方程式と白金表面上の一酸化炭素吸着方程式に対して適用し数値計算を実施しました。膨大な計算データを処理し,計算データを可視化してその中からパターン解を探す作業には,高性能な処理ソフトがまだ未開発なために多くの労力と時間を必要としましたが,その作業の一部を大学院学生に担当してもらいました。その成果として,指数アトラクターは,確かに近似スキームの大域的な安定性に貢献していることが明らかになりました。計算誤差は,初期の摂動には敏感であるものの,ひとたび指数アトラクターに引き寄せられると以後はずっと安定であることが明らかになりました。このことから,本スキームを相互作用と反応を含む拡散方程式系に対して適用する際の信頼性が評価されました。前年度(平成14年度)は,非線形拡散方程式系から定まるアトラクターに対して時間大域的に安定性と信頼性の保証された離散スキームの構成を中心に研究を行いました。本年度(平成15年度)は,前年度の成果を基にして実際の方程式系の解を大域的に計算しました。

初めに,走化性・増殖モデルについては,最大定数定常解が安定な場合にはネットワークパターンが,同定常解が不安定の場合には,短期的にはターゲットパターンとミシン目ターゲットパターンがまた長期的には走化性が強まるにしたがって蜂の巣,帯状,ミシン目帯状,動的帯状,動的斑点の各パターンが現れることを見出しました。これにより,走化性・増殖モデルはパターン形成において大変強い潜在能力を有しており,大腸菌の集合パターン形成を始めとして,神経ネットワークの形成過程,蜂の六角形状巣の構成課程など様々な自己組織化現象の解明に向けて大変有力であることを示しました。次いで,追跡・逃避-ロトカボルテラモデルについては,ソリトンと類似の性質を有する進行波を見出すとともに,それらが概周期的に振舞うことを見出しました。この進行波の詳しい性質を調べること,出現メカニズムの解析は今後の課題ですが,本モデルがこれまでに知られていない新しい非線形現象を表している可能性があることを見出しました。以上の成果を得るために,本年度は,アトラクター研究の権威者であるエフェンディエフ教授(シュトッツガルト大学)を招聘するとともに,走化性・増殖モデルの提案者である三村教授(広島大学)や辻川教授(宮崎大学,本研究分担者)等との交流を計りました。また,シミュレーションを実施するために計算ソフトを購入するとともに計算データを処理するために大学院生に協力してもらいました。
有機多層ディラック電子系におけるヘリカル表面状態

高圧下の有機導体α-(BEDT-TTF)2I3は、質量ゼロの2次元ディラック電子系が弱い層間結合で積層した多層ディラック電子系であり、容易にn=0の基底ランダウ準位のみが占有される強磁場量子極限が実現する。更に強磁場領域での層間磁気抵抗の振舞は、ヘリカル表面状態を伴うν=0量子ホール強磁性状態の実現を示唆する。本研究の目的は、量子ホール強磁性状態を実験的に確認し、その表面伝導物性を解明することである。初年度は、強磁場領域で飽和する層間磁気抵抗が、1試料の断面積でスケールされないこと、2特定の磁場方位でのみ強い飽和を起こすことの2つの実験結果から、ヘリカル表面状態による表面伝導の存在を実証し、系が量子ホール強磁性相にあることを示した。本年度は層内伝導特性によりヘリカル表面状態の様子を調べた。層間磁気抵抗の飽和領域における、層内伝導は2端子試料の場合2端子を結ぶ試料端のヘリカルエッジチャネルによって担われると考えられる。このエッジ伝導が無散乱でバリスティックであれば1層当たりの2端子コンダクタンスはG=2e^2/hで与えられるはずである。しかし実験によればG(2e^2/h)/100程度で、逆スピンをもつ対向エッジチャネルの間でスピン反転散乱が起き、エッジ伝導は拡散的になっていることがわかる。この事実は、本系では時間反転対称性が破れており、ヘリカルエッジ状態はトポロジカルに保護されないことと整合する。またスピン反転散乱長はL/10010μm程度と見積もられる。また層内磁気抵抗の磁場方位依存性にも特定磁場方位で層間磁気抵抗の場合と同様な共鳴的構造が現れるが、これは端を持たないCorbino型同心円電極配置にすると消滅することを見出した。この結果は、隣接層のエッジ状態間トンネルの共鳴が拡散的な層内エッジ伝導に反映されたと考えると、矛盾なく説明することができる。24年度が最終年度であるため、記入しない。本研究の目的は、この新しい電子状態を実験的に確認し、その伝導物性を解明することである。初年度はヘリカル表面状態による表面伝導の実験的検証に重点を置いた。試料内部を一様に流れるバルク伝導は試料の断面積でスケールされるが、表面伝導は断面の周長でスケールされる。単一の結晶をカットした断面積と周長の異なる試料の層間磁気抵抗のスケーリングを調べることにより、強磁場での層間磁気抵抗の飽和現象は表面伝導に由来することを明らかにした。また層間磁気抵抗の磁場方位依存性を調べたところ、ある特定の磁場方位でのみ飽和が強く起こることがわかった。層間表面伝導がν=0量子ホール状態にある各層のヘリカルエッジ状態間をトンネルすることによって起こるとすると、端面に平行な磁場方位で隣接エッジ状態間のトンネル確率は共鳴的に増大することになる。各エッジ状態は散逸的であるとして層間結合を摂動的に取扱って理論的に層間抵抗を評価すると、実験で観測された角度依存性を非常に良く説明できることがわかった。この角度依存性に関する理論と実験の一致もヘリカル表面状態の存在を間接的に示唆していると言える。なお試料加工法の検討に時間を要し周長依存性の実験が遅延したため、研究費の一部を次年度へ繰り越した。

また層内磁気抵抗の磁場方位依存性にも特定磁場方位で層間磁気抵抗の場合と同様な共鳴的構造が現れるが、これは端を持たないCorbino型同心円電極配置にすると消滅することを見出した。この結果は、隣接層のエッジ状態間トンネルの共鳴が拡散的な層内エッジ伝導に反映されたと考えると、矛盾なく説明することができる。24年度が最終年度であるため、記入しない。当初計画では層間磁気抵抗の周長依存性の実験のために、制御した周長を有する整形試料の作製を企図し、レジスト内に埋め込んだ結晶を酸素プラズマで整形した後、凍結乾燥装置を用いてレジスト除去を行う工程を想定した。しかし実験を進めるにつれ結晶依存性の大きいことが判明し、異なる結晶を整形する実験は無意味と結論し、凍結乾燥装置の導入は見送った。この検討に時間を要したため周長依存性の実験が遅延した。結晶依存性が大きいため、周長依存性の実験は、同一結晶をカットして厚さが等しく断面積と周長の異なる複数の試料を作製して行うようにした。他の実験は計画通りに推移しており、次年度は計画通り、エッジ(表面)伝導特性自体を実験的に詳しく検討することにより、ヘリカル表面状態の安定性を議論する予定である。
卵成熟における減数分裂再開の分子機構

本研究は卵成熟における減数分裂再開の分子機構の解明を目的とし、以下の2点について調べた。1)卵成熟促進因子(MPF)の形成、活性化機構魚類やアフリカツメガエル以外の動物におけるMPFの形成・活性化には、サイクリンBmRNAのマスキングとその解除が直接関わる。これらに関与すると考えられるYボックス蛋白質、Nanos、PumilioのcDNAクローニングを行い、抗体を作製した。現在、これら抗体を用いた解析を進めている。また、ホルモン刺激のmRNA翻訳への影響を調べる目的で、ホルモン刺激したゼブラフィッシュ未成熟卵にサイクリンBmRNAを注射する実験を行った。その結果、サイクリンBmRNAの注射に対して、ホルモン刺激を受けた卵母細胞の方が未刺激のものより早く成熟することがわかった。このことはホルモン刺激によりサイクリンBmRNAの翻訳効率が高まることを示唆する。この分子機構の解析に着手した。2)MPFの作用機構MPFの下流で作用し、染色体凝縮に関与すると考えられるMAPキナーゼ様蛋白質の分子同定のため、ゼブラフィシュMAPキナーゼcDNAを単離し、抗体を作製した。現在、この抗体を用い、MAPキナーゼ様蛋白質がMAPキナーゼそのものかどうかを調べている。また、アカガエル未成熟卵にpre-MPFがないことを利用して、サイクリンB1とB2の機能分担を解析した。その結果、アカガエル卵成熟過程でのサイクリンBサブタイプの機能は、少なくともGVBDの誘起については重複していることが示された。
アラル海流域における統合的水循環モデルの構築並びに持続可能な水利用計画の提案

本研究の目的は,中央アジアに位置するアラル海流域において陸域の水循環を表現する物理モデルを構築することである.特に,下記の点を重視してモデルの構築・改良を進めている.1.流域内の水循環を物理モデルで表現できること,2.アラル海流域の特徴を忠実に再現すること,3.現地の水資源管理にも具体的な考察が可能なモデル解析結果とすること.以上を踏まえ本年度は以下の成果を挙げた.昨年度と同様,従来の解析において課題であった河川流量のピーク期がずれるという問題に対し,サブグリッドスケールの効果を考慮した「標高モザイク」スキームを改良すると共に,空間解像度の異なる解析間での比較を行った.その結果,空間解像度が低い場合でも「標高モザイク」スキームによって高い解析精度が保持される一方で,夏季の氷河からの融解量の精度が悪いことが分かった.また,高解像度と設定した1km解像度においても融雪期がずれることが分かった.中央アジア全域でMRI-AGCM3.2Sの出力値を用いた気候変動影響予測を行った.その結果,当該地域で予測されている降水量の増加と気温上昇によって,水資源量はほぼ変化しないのに対し農地からの蒸発散量が増加するために水需要量が増加し,水逼迫が深刻化することが予測された.加えて,水面からの蒸発量が増加するためにカスピ海は世紀末気候下で急激に減少することも予測された.2011年よりウズベキスタンにおいて継続していた現地灌漑地における集中定点観測の結果に基づき.水循環モデル内の灌漑スキームを改良した.その結果,現地農業機関内の資料に記載されていた農業統計値と整合した灌漑規則を流域全域で再現できた.ウズベキスタン,タジキスタンの2カ国で現地調査を行った.調査対象は下流域の灌漑地や山岳域である.現地機関にも訪問し,現地の水関連問題について議論を行った.26年度が最終年度であるため、記入しない。26年度が最終年度であるため、記入しない。本研究の目的は,中央アジアに位置するアラル海流域において陸域の水循環を表現する物理モデルを構築することである.特に,下記の点を重視してモデルの構築・改良を進めている.1.流域内の水循環を物理モデルで表現できること2.アラル海流域の特徴を忠実に再現すること3.現地の水資源管理にも具体的な考察が可能なモデル解析結果とすること以上を踏まえ,本年度は以下の成果を挙げた.1)従来の解析では河川流量のピーク期がずれるという問題があったため,山岳域における物理モデルを改良した.まず,「標高モザイク」スキームを構築した.このスキームは,従来のモデルでは考慮できない解析格子内での標高帯の混在をモデル内で考慮するための手法である.加えて,標高によって気象条件の変化する山岳域の特性に留意して気象データの内挿方法についての再検討を行った.2)アラル海に隣接するカスピ海流域でも水循環解析を行った.アラル海流域での解析では流量が過大評価となる問題があり,その原因として流域をまたぐ水の移動が地下で行われている可能性があったためである.3)上記のカスピ海解析の中でも過去の再現解析を試み,モデルの検証を他の気候帯においても行った.カスピ海の水位は20世紀に激しい水位変動を見せているが,その原因は科学的に十分に解明されていない.そこで,陸域水循環モデルで過去の水収支を再現すると共に,水位変動の原因に対して4つの仮説をたて,それぞれについて検証を行った.4)昨年度に引続いて中央アジアにおける現地調査を行った.渡航先はウズベキスタン,タジキスタン,キルギスの3力国である.調査では,灌漑地における定点気象観測システムの管理を継続・強化させると共に,点在する水体(河川,灌漑水路,人造湖)において気象観測を行い,現地機関にも訪問し現地の水関連問題について議論を行った.本研究の目的は,中央アジアに位置するアラル海流域において陸域の水循環を表現する物理モデルを構築することである.特に,下記の点を重視してモデルの構築・改良を進めている.1.流域内の水循環を物理モデルで表現できること,2.アラル海流域の特徴を忠実に再現すること,3.現地の水資源管理にも具体的な考察が可能なモデル解析結果とすること.以上を踏まえ本年度は以下の成果を挙げた.昨年度と同様,従来の解析において課題であった河川流量のピーク期がずれるという問題に対し,サブグリッドスケールの効果を考慮した「標高モザイク」スキームを改良すると共に,空間解像度の異なる解析間での比較を行った.その結果,空間解像度が低い場合でも「標高モザイク」スキームによって高い解析精度が保持される一方で,夏季の氷河からの融解量の精度が悪いことが分かった.また,高解像度と設定した1km解像度においても融雪期がずれることが分かった.中央アジア全域でMRI-AGCM3.2Sの出力値を用いた気候変動影響予測を行った.その結果,当該地域で予測されている降水量の増加と気温上昇によって,水資源量はほぼ変化しないのに対し農地からの蒸発散量が増加するために水需要量が増加し,水逼迫が深刻化することが予測された.加えて,水面からの蒸発量が増加するためにカスピ海は世紀末気候下で急激に減少することも予測された.2011年よりウズベキスタンにおいて継続していた現地灌漑地における集中定点観測の結果に基づき.水循環モデル内の灌漑スキームを改良した.その結果,現地農業機関内の資料に記載されていた農業統計値と整合した灌漑規則を流域全域で再現できた.ウズベキスタン,タジキスタンの2カ国で現地調査を行った.

調査対象は下流域の灌漑地や山岳域である.現地機関にも訪問し,現地の水関連問題について議論を行った.26年度が最終年度であるため、記入しない。26年度が最終年度であるため、記入しない。計画通りに研究が進んでいる.今年度は,既存のモデルにおいて一般的に山岳域の融雪期が実際より早いという問題に対し,「標高モザイク」と呼ばれるスキームを開発し,気象データの標高依存性についても検討をした.加えて,アラル海流域から隣接するカスピ海流域へ流域をまたいだ水の移動がある可能性を見出し,カスピ海流域においても水循環解析を行った.カスピ海の水位変動には現在も未解明の問題が多く,様々な仮説を独自に立て,一つ一つ丁寧に検討していたようである。次年度は,山岳域の水循環モデルについて重点的に取り組み,現地の灌漑地で続けている長期観測をまとめる予定である.本年度行った山岳域の水循環解析では一定の改善が見られたものの,依然として融雪量や融雪期には観測値と比較したずれがあったため,山岳域の熱収支について更なる検証が必要である.そこで本年度は物理モデルと衛星解析の双方を用いることで,河川流量に対して季節ごと標高帯ごとに融雪量の寄与度を明らかにし,適切なモデル化の方法を探る。灌漑地における集中定点観測では,前回の渡航時に流入口での流入量の観測を始めており,今秋にはまとまった観測値を得られる予定である.その結果を用い,現地農家による灌漑操作を明らかにするとともに,モデルの検証も行う
ニンニクおよびワサビの揮発性イオウ化合物による園芸植物の休眠打破と開花促進

グラジオラス、フリ-ジア、ユリなどの球根類の休眠打破に有効な2硫化メチル、アリルジスルフィド、アリルイソチオシアネ-トの最適濃度を調べたところ1%程度であった。処理温度は20°Cがよく処理時間は26時間が最適であった。この方法により休眠打破が早まり対照区より2040%早く萌芽した。また2硫化メチル処理では薬害も少なく開花時期も早まった。またグラジオラスでは年内開花がむつかしい第2花茎も開花し合計切花本数が無処理区の6倍に達した。フリ-ジアやキキョウなどの休眠打破にも有効であり、処理に伴なって開花が早まった。おそらく球根内に貯蔵されていた養分の転流が促進されたものと思われる。サララやボタンでも萌芽促進に伴う開花促進が認められた。2硫化メチル処理を行うと24時間以内に呼吸が高まり他の休眠打破処理剤であるエチレンと同様な現象が見られた。球根内の生長促進物質と抑制物質をアベナテストで調べると2硫化メチル処理24時間以内に前者の急増と後者の急減が見られた。このことと萌芽促進と関連があるように思われた。ニンニクの磨砕成分中には2硫化メチルが、またワサビの練り成分にはイソチアン酸アリルが含まれており、これらの磨砕物を直接処理しても芽の休眠が早く破れた。それに伴いサクラやボタンでは開花が早く認められた。このことは正月出荷を目的とした切花生産に薬剤処理が有効なことを暗示している。品質的には低温処理と組み合わせることも必要であろう。球根類,宿根類および花木に対する揮発性イオウ化合物が、芽の休眠打破および開花に及ぼす影響について検討した。1メチルジスルフィド,アリルジスルフィドなどスルフィド類や硫化水素が芽の休眠を破り発芽を早めた。とくにメチルジスルフィドは薬害が少なく発芽までの日数を大幅に短縮した。2.メチルジスルフィドの最適濃度は1%がよく、約46リットルの密封容器内に植物材料を入れ20°Cで48時間気浴する処理がもっとも優れていた。3.メチルジスルフィド処理を行った球根類は処理後の発芽のみならず、茎葉の生長も早くグラジオラスでは12月末までの開花が可能となった。無処理の対照株の開花率は低かった。処理した株の切花本数は増加し、その品質も優れていた。4.メチルジスルフィドやアリルジスルフィドを含むニンニク磨砕物を球根や花木に処理しても発芽や開花促進に効果が認められた。5.メチルジスルフィド,硫化水素,ニンニク磨砕物(ペ-スト)を植物体に処理すると、24時間以内に呼吸の上昇がみられた。またデンプン分解酵素の活性も上昇した。6.ニンニク中のモノスルフィドを抽出して球根に処理すると発芽が早まった。以上よりメチルジスルフィドは休眠打破と開花促進について有効であったが、今後はこれらの薬剤の作用機構を明らかにする必要がある。また球根類、宿根類および花木の12月下旬の開花が実用的に成立するかどうかも検討する必要がある。球根類の休眠打破にもっとも有効であった2硫化メチルを用い春咲きグラジオラスの球茎の休眠打破および開花促進試験を行った。春咲きグラジオラスは夏咲きグラジオラスと比べ冬季栽培でもブラインドが出にくく12月に開花が可能となれば実用的価値がある。5月末に堀り上げた球茎を材料に用いた。6月12日,17g前後の球茎を選びデシケ-タ-内に入れた。この中にはあらかじめ1%の2硫化メチルが入れてあり、球茎が落下しないように金あみで区切った。処理は20°Cで4時間と6時間行った。

処理後、半分の球茎は直ちにガ-デンパンに植え付け、残り半分は30°Cで15日も高温貯蔵を行った後植え付けられた。結果は貯蔵の有無にかかわらず4時間2硫化メチル処理で発芽が早まった。6時間処理では対照区と同じであり過剰処理と思われた。次にこれらの球茎を温室で栽培し開花テストを行った。開花テストは12月下旬で打ち切った。結果は4時間2硫化メチル処理で貯蔵の有無にかかわらず70%の開花が見られた。対照区は2030%と低かった。さらに2硫化メチル処理した球茎では1個の球茎より2本出穂するものが見られ3050%(第2花茎)の開花率となった。したがって第1花茎と第2花茎の切花本数を合せて対照区と比べると、4時間2硫花メチル処理区で6倍(無貯蔵区)となった。以上より2硫化メチル処理により著しい開花促進がみられた。つぎに処理によって呼吸量がどのように変化するか比較してみたところ、処理により対照区の3倍の量となり、このことが休眠打破と関連があるように思われた。
人体血液輸送用軸流マイクロポンプの創成に関する基礎研究

本研究は、超精密マイクロ加工技術、特に5軸制御加工技術を活用し、体血液輸送用軸流マイクロポンプの製作、中でもその中心となるインデューサの加工をしようとするものであり、以下の結果を得た。1.流体機器の専門家の協力を仰ぎ、軸流ポンプの核となるインデューサの設計をした。液体ロケット用エンジンのターボポンプを真似て、これを最大径5mmまでに縮小したものをマイクロインデューサとして定義した。数値計算とターボポンプの縮小モデルから3次元CADシステムで形状設計を行い、3枚の等配されたスパイラルの羽根形状データを得た。2.設計されたマイクロインデューサを現有の超精密マシニングセンタで同時5軸制御加工をするためのNC情報を生成するCAMシステムを開発した。狭い羽根の間を、干渉を回避しながら、極めて薄い羽根を破損することなく加工できるよう工具経路生成法を工夫した。3.インデューサの羽根形状に基づき、加工に使用する工具としてダイヤモンドのボールエンドミルを設計し、これを専門メーカに発注するとともに、工具の取付け誤差低減法を工夫した。加工し易い無酸素銅で試作を行うが、そのための加工条件も検討した。人体に適合したチタンなどの材料は加工しにくいこともあり、研究期間中には対応できなくて今後の課題とした。4.ケーシングを加工するとともに、ベアリングやモータを購入し、マイクロポンプを組み立てた。完成したマイクロポンプに入出用の配管系を取り付け、作動液体として水による性能評価の実験を行ったところ、ポンプとしての性能が得られ、マイクロポンプシステムのプロトタイプが完成できた。5.体血液輸送用ポンプとしての性能を確認する必要があるが、インデューサの材料と血液の相互反応や影響などがあるので、チタンなどの材料によるポンプシステム構築を次の研究材料とする。
細長い領域における流れの数値計算法の開発とその災害予測への応用

本研究は河川、トンネル、パイプなど、正確かつ短時間で数値計算を行うことが難しいアスペクト比の非常に大きい領域における流れに対して有効的な数値計算法の開発と、その災害予測への応用を目的とするものである。代表者が考案した、流れを1次元流れと摂動に分け摂動部分に関する方程式を解くという、細長い領域における流れの数値計算法を、自由表面を含む流れと熱を含む流れに拡張し、防災に関連する諸問題に応用した。本研究はアスペクト比の非常に大きい領域における流れの有効的な数値計算法の開発とその災害予測への応用を目的とする。代表者が考案した単純な条件の元で成功している細長い領域における流れの数値計算法を、自由表面を含む流れと熱を含む流れに拡張するとともに、防災に関連する諸問題に応用する。本年度は計算法の基礎的な部分の拡張を行った。すなわち、もっとも単純な条件のもとで成功している現在の数値計算法(細長い領域での層流を1次元流れ+摂動に分け、摂動部分に関する方程式を解くという方法)を実用的な応用に役立てるのに必要な条件のもとで適用できるように段階を踏んで拡張していった。具体的には(1)直線境界の細長い領域における3次元流れ(2)合流をもつ細長い領域における3次元流れについて、自由表面を含む流れの場合には(1),(2)の順に、熱を含む流れ場合には(1)について行った。また、この拡張による問題点の抽出を行うとともにその解決を図った。本年度はプログラム開発段階であり、ノートPCを中心に計算を行った。そのため、研究代表者、分担者、研究協力者であるAFおよび大学院生が使用するノートPCを本経費で購入した。一部、大型計算機での実行も行った。また、専門家との研究連絡や資料収集のために旅費も経費に計上した。本研究の研究成果について、2件の学会発表を行った。代表者が考案した単純な条件の元で成功している細長い領域における流れの数値計算法を、自由表面を含む流れと熱を含む流れに拡張し、防災に関連する諸問題に応用する。本研究で提案する数値計算法は、細長い領域での層流を1次元流れ+摂動に分け、摂動部分に関する方程式を解くという方法である。初年度の基礎的な研究を基にして、本年度は実際の河川や地下鉄構内などへの応用を念頭においた複雑形状の領域に対して研究を行った。具体的には、以下の領域を扱った。(1)直線境界の細長い領域における3次元流れ(2)合流をもつ細長い領域における3次元流れ(3)分岐をもつ細長い領域における3次元流れ(4)波型の境界をもつ細長い領域における3次元流れ(5)細長い3次元領域の内部に障害物がある場合自由表面を含む流れについては(1)(2)を、熱を含む流れについては(1)を論文にまとめて投稿、ともに査読を受けて雑誌に掲載された。査読の際、細長い領域の流出入口における境界条件についての指摘を受け大幅に加筆した。その後、熱を含む流れについては(3)(4)(5)に関して学会発表を行った。本年度は、初年度に購入したノートPCおよび大型計算機を用いて計算を行った。また、専門家との研究連絡や資料収集、学会発表のための旅費も経費に計上した。本研究は河川、トンネル、パイプなどアスペクト比の非常に大きい領域における流れの有効的な数値計算法の開発とその災害予測への応用を目的とする。代表者が考案した、単純な条件の元で成功している細長い領域における流れの数値計算法を、自由表面を含む流れと熱を含む流れに拡張し、防災に関連する諸問題に応用する。今までの知見を基に、最終年度は以下の通り研究を行った。自由表面を含む流れについては、実際の河川への応用を念頭に置いて、波型の境界をもつ細長い領域および分岐のある領域に対して本手法が適用可能であることを確認した。熱を含む流れについては、地下鉄構内など複雑形状をした領域での計算に備えて、細長い領域が互いに接続された場合において数値計算を行った。あわせて同じ問題を従来の手法で計算した場合、同程度の計算コストでは正しい結果が得られない(正しい結果を得るには、より長い計算時間をかける必要がある)ことを示し、本手法の有効性を示した。いずれも学会発表を行い、のちに論文にまとめて投稿、査読を受けて雑誌に掲載された。また、関連して、代表者の研究室所属の学生が卒業研究として地下鉄駅構内で火災が起きた場合の空気の流れの計算を行い、問題提起およびその解決を試みた。また、専門家との研究連絡や学会発表のための旅費、論文投稿費用、印刷費を経費として計上した。

本年度は、実用的な問題に適用することを念頭に、複雑な形状の領域における計算を行う計画であった。24年度が最終年度であるため、記入しない。今までの研究を基に、実用的な問題(河床変動やそれに伴う氾濫、地下鉄構内における火災など)を想定した計算を行う。なお、熱を含む流れについて、障害物の後ろにおける計算の不安定性が指摘されているため、解決を図る。
結合データ同化システム開発の方法と応用

研究代表者の上野は、ここ数年の間にデータ同化システムにおける正則化パラメータの最適化手法を開発し、大規模なシステムを対象とするデータ同化システムのパラメータ調整作業に解決策を与えた。データ同化システムにおいて、物理モデルと観測データそれぞれの重みを表すノイズの分散共分散行列の調整は必須であるが、一連の研究成果により、大規模なシステムを対象とするため膨大になりうるパラメータ調整作業に解決策を与えたものである。本応募課題は、物理モデルと観測データの関係において開発してきたこれらの研究成果を発展させ、結合システムを構成する各領域の物理モデル同士の関係に導入するものである。結合領域間の相互作用を統計的にモデル化し、そのパラメータを同成果を用いて最適化することにより、従来は困難であった時間スケールが異なる各領域の状態の同時推定が可能になることが期待できる。平成30年度は以下の研究を進めた。(1)昨年度、気象研究所結合同化システムを用いて、2014-2015年の2年間の再解析実験を実施したが、本年度は追加実験として、大気データ同化において熱帯域の観測データの重みを下げ大気の拘束を弱める実験と、衛星データを除き現場観測などの従来型観測データのみを同化する実験を実施した。両者とも通常の結合データ同化と大気・海洋間のデータ受け渡しを遮断した実験を行い、いずれの場合でも大気海洋結合により熱帯域の降水バイアスが減少していることが確認された。(2)数値天気予報モデルによる予報実験の結果から結合予測における入力データのインパクトについての統計的な評価を実施し、結合同化による海洋場の修正が、予測精度の向上に寄与していることを確認した。(3) Particle Filterを用いた放射線帯電子フラックス変動のデータ同化システムの開発を進めた。結合同化システムにより予報性能の改善が確認できたことは喜ばしい結果であった。その一方で、結合同化システムに誤差が含まれている場合の検証の必要性に思い至り、結合モデルで発達する誤差の成長の解析を開始した。ブリーディング法により大気海洋結合モデルでの誤差成長モードを取り出す研究を進めている。(1)宇宙放射線、電磁場観測の観測モデルを実際の物理課程に即して構築する。(2)大気・海洋・海氷結合同化システムを用いて再解析データを作成する。(3)ジオスペース結合同化システムを用いて再解析データを作成する。平成29年度は以下の研究を進めた。(1)中程度の複雑度の結合モデルをもとに、結合過程を表す統計モデル(弱結合モデル)の開発を進め、弱結合データ同化システムのプロトタイプを作成した。(2)弱結合同化システムの高度化のために、そのコンポネントとなる全球海洋4次元変分法データ同化システムの開発を行った。また、既存の大気海洋結合モデルを用いた予測結果を解析した。(3)電離圏-リングカレント-プラズマ圏モデルと放射線帯モデルを結合し、ジオスペース結合モデルの開発を進めた。(1)既存の弱結合同化システムを用いた、結合同化からの大気海洋結合モデルによる短期結合予測実験の結果について解析したところ、対流圏下層について、気象庁の現業で用いられている大気モデルの解像度を結合モデルと同程度に落としたものと比べて、良い予報精度を持つことを確認した。(2)上記システムで結合再解析、および、海洋から大気への海面水温データを受け渡す代わりに、観測海面水温を与えた非結合再解析を実施しその結果を解析したところ、結合再解析には非結合再解析と比べて降水量の分布や熱帯の降水量と海面水温のラグ相関関係の再現性に優位性が見られることを確認した。(3)上記の再解析を予報初期値とした一ヶ月結合予測実験を実施し、非結合再解析からの予測実験の結果と比較したところ、極域で予報の改善が見られることを確認した。

(1)昨年度、気象研究所結合同化システムを用いて、2014-2015年の2年間の再解析実験を実施したが、本年度は追加実験として、大気データ同化において熱帯域の観測データの重みを下げ大気の拘束を弱める実験と、衛星データを除き現場観測などの従来型観測データのみを同化する実験を実施した。両者とも通常の結合データ同化と大気・海洋間のデータ受け渡しを遮断した実験を行い、いずれの場合でも大気海洋結合により熱帯域の降水バイアスが減少していることが確認された。(2)数値天気予報モデルによる予報実験の結果から結合予測における入力データのインパクトについての統計的な評価を実施し、結合同化による海洋場の修正が、予測精度の向上に寄与していることを確認した。(3) Particle Filterを用いた放射線帯電子フラックス変動のデータ同化システムの開発を進めた。結合同化システムにより予報性能の改善が確認できたことは喜ばしい結果であった。その一方で、結合同化システムに誤差が含まれている場合の検証の必要性に思い至り、結合モデルで発達する誤差の成長の解析を開始した。ブリーディング法により大気海洋結合モデルでの誤差成長モードを取り出す研究を進めている。(1)各領域の効果の結合により表現された観測モデル(結合観測モデル)を開発する。(2)大気・海洋・海氷結合同化システムの開発を継続する。(3)ジオスペース結合モデルに観測モデルを統合し、ジオスペース結合同化システムを開発する。(1)宇宙放射線、電磁場観測の観測モデルを実際の物理課程に即して構築する。(2)大気・海洋・海氷結合同化システムを用いて再解析データを作成する。(3)ジオスペース結合同化システムを用いて再解析データを作成する。
ワーク・ライフ・バランスの一環としての両立支援策の再構築

短時間勤務者の上司が持つ短時間勤務者の中長期的なキャリア・イメージと、短時間勤務者への行動について検討した。その結果、短時間勤務者を部下とする管理職の42.8%が、短時間勤務制度の利用は取り戻すことができないキャリア形成上の遅れに繋がると認識していた。また、短時間勤務制度の利用が社内での人材としての評判を落とすリスクがあると認識する管理職は、より短時間勤務者のキャリ形成支援行動を取ることが確認された。さらに、短時間勤務者のキャリ形成支援行動には、同期と比較した際の短時間勤務者の昇進・昇格の遅れを抑制する効果が認められた。両立支援策の導入に際しては、出産・育児というライフイベントを経ても就業継続を可能にすることに重きが置かれてきたが、就業継続を通じた従業員のキャリア形成(能力の向上や昇進昇格)への影響は十分に検討されてきていない。そこで、両立支援策の中でも、短時間勤務制度に焦点をあて、育児による短時間勤務利用者の第一次評価者である管理職を対象として調査を実施した。管理職を調査対象としたには、従業員のキャリア形成に対しては、1上司の当該部下のキャリアに対する認知や展望、2仕事の与え方が影響を与えるからである。調査は、現在育児による短時間勤務制度を利用中の正社員を、第一次評価者として部下とする管理職(従業員規模は300名以上)1003名を対象として実施された。調査票は、1所属企業の両立支援策を含むHRM施策の概要、2短時間勤務者制度利用者の仕事ぶりやキャリアに対する認知、3管理職自身のリーダーシップなどを中心に構成された。調査結果は、現在分析中であり、現時点では明確な結果は得られていないが、単純集計からは、1短時間勤務制度利用者は他の従業員と比べて仕事に対する意欲が低いといった認識を管理職は持っていないこと、2短時間勤務制度の利用は、一時的なキャリアの遅れを生み、その遅れはその後も小さくはならないと捉えている管理職の割合が高いこと、3キャリアアップにつながるような仕事は任されにくいと考える管理職の割合が低くないこと、4短時間勤務者の就業継続や育児との両立に対して配慮する管理職の割合が高いこと、などが確認されている。短時間勤務制度利用者の現状を否定的には捉えていないが、仕事に対するドライブをかけるというよりは、育児との両立への配慮が重視されている現状が確認されたと言えよう。2012年度は、(1)両立支援策に関する欧米ならびに日本国内で発行された論文のレビュー、ならびに(2)既存データの分析を行った。論文のレビューからは、日本国内では、両立支援策の効果を検証することを目的とした研究がコンスタントに出されているが、提示された効果には広がりはなく、両立支援策がもたらす効果についてはある程度出そろった感がある。一方で、両立支援策ならびにその背後にある女性活用に対して、その効果を疑問視する研究も出てきている。これらの施策は、日本国内の特に大手企業を中心に施策を充実させる方向で進んできて両立支援策が、効果だけでなく次の課題をもたらす局面に来たことを意味すると捉えられる。また、両立支援策の中でも介護に関する施策について言及する研究が増えてきていること、育児休業よりは短時間勤務がより取り上げられていることをが確認された。介護をめぐる施策の利用者は育児をめぐる施策の利用者と異なる層であることから、管理職の対応にも違いが生じ、管理職の施策利用に対する認識も異なってくる可能性がある。既存データの分析からは、管理職が育児をめぐる両立支援策利用者を部下とする経験を通じて、利用者以外の女性を含む女性従業員全体に対する捉え方に変化が生じることが確認された。両立支援策が浸透し、利用する女性従業員が増加することで、部下の性別によって管理職がマネジメントを使い分ける可能性が今まで以上に高まると考えられる。企業へのワーク・ライフ・バランス(以下、WLB)の浸透が進む中、短時間勤務制度の利用者が急増しており、施策利用が利用者のキャリアに与える影響を検討することが急になっている現状を背景として、2014年度は育児による短時間勤務制度を利用する女性正社員(以下、短時間勤務利用者)の部下を持つ管理職559名に対してインターネットを通じた質問紙調査を実施した。管理職を対象とした理由は、彼らは部下への仕事の与え方ならびに、評価を通じて部下のキャリア形成に対し大きな影響を与えると考えられるからである。調査結果については現在詳細な分析を行っているが、概要としては以下の2点を指摘することができる。まず、短時間勤務利用者と、平均的な同期とを比較した場合の昇進・昇格の遅れについて、51.2%が「平均的な同期と比較して変わらない」と回答した。

だが、短時間勤務利用者の中長期的なキャリア展望については、「短時間勤務制度利用中に生じた遅れを、短時間勤務終了後にも取り戻すことはできず同期に追いつくことはできないが、遅れてキャリアアップする」と回答したものが34.7%、「短時間勤務制度利用中は遅れるが、短時間勤務終了後、同期に追いつく」と回答したものが34.0%であり、現時点ではキャリアの遅れは生じていいないが、短時間勤務制度利用はキャリアの遅れにつながると認識している管理職が一定数存在することが確認された。また、日々の接し方では「育児と両立できるように配慮している」といったWLBへの配慮の方が、「能力を高めるような仕事を与えている」といったキャリア形成を促進する働きかけよりもより積極的に行われていることが確認された。今後、短時間勤務制度利用者への対応(キャリア形成促進・WLBへの配慮)の規定要因を検討することを通じて、短時間勤務利用者のキャリア形成を促進する管理職の行動の規定要因を明らかにする予定である。経営学上記のように判断した理由は以下2点である。第1に、短時間勤務者を第一次評価者として管理する管理職に対する調査は実施できたが、その分析がまだ途中であり、学会発表ならびに論文投稿という段階に至っていない点である。第2に、短時間勤務制度利用者に対する調査を2014年3月に実施する予定であったが、調査対象者確保上の問題で2014年度以降に順延になった点である。2011年度に実施した調査データの分析に時間がかかり、新しい調査を実施することができなかったため。2014年度は、前述の管理職調査の分析を進め、結果の公表を目指すと同時に、短時間勤務制度利用者に対する調査(短時間勤務制度が利用可能でありながら利用しなかった者も含める)を実施する。これらの調査の分析を通じて、両立支援策を利用する従業員のキャリア形成の在り方と期待される上司の役割を明らかにする。その結果を踏まえ、企業におけるワーク・ライフ・バランス施策(特に両立支援策について)の展開を提言する。(1)文献レビューを継続的に行う(2)管理職を対象とした調査を実施する。対象者を育児だけでなく介護による休業もしくは短時間勤務者まで拡大したうえで実施する予定である。前述したように、2013年度内に短時間勤務制度利用者を対象とした調査が、対象者を確保できなかいという理由のため、実査に至らなかったためである。調査対象者を確保すべく、条件の緩和と調査概要を再検討し、2014年中に短時間勤務制度利用者ならびに利用可能でありながら短時間勤務制度を利用しなかった者を対象とした調査を実施する予定である。ウェッブ調査を1管理職、2両立支援策利用者双方を対象として実施する予定である。
健足同期制御高機能義足の開発

低価格で自然な歩行を可能とする高機能駆動義足を開発する。具体的には、既存の廉価な駆動義足に取り付ける部品として、足部の底屈・背屈を行うInstep Push/Pull、踵上げを補助するHeel-up spring、つま先垂れによる躓きを防止するToe ballを開発する。Instep Push/Pullには一軸小型ステッピングモータを利用する。Heel-up springとInstep Push/Pullを健足に同期して制御することで、学習の手間がなく健常に高い歩行を実現する。これらの部品を片麻痺等で歩行障がいのある方の靴に取り付けられるようにすることで、量産効果による低廉化を図る。
全固体電池における固固界面イオニクス：構造物性相関の解明

全固体電池と液系電池の大きな違いは、電解質が固体であること、そしてリチウムイオンが固体電解質と電極の「固体/固体界面」を移動することである。そして、全固体リチウム電池の実用化に向け、その固体電解質/電極界面の低抵抗化が急務となっている。本研究では、(1)電解質/電極界面の抵抗は小さくできるのか?そして、(2)その界面抵抗はどこまで小さくすることができるのか?(3)抵抗の小さい界面はどのような構造であるか?の3点に着目し研究を行う。正極、固体電解質、負極の各薄膜を積層して薄膜型全固体電池を作製し、その電気化学評価を行うことにより、上記課題を解決する。
幹細胞を用いた骨再生医療におけるWntシグナルの影響に関する研究

本研究では未分化間葉系幹細胞(MSCs)の培養過程において、幹細胞の増殖・分化において中心的な役割を果たしているWntシグナルを制御することにより、短期間でMSCsを増殖させかつ早期に骨分化を誘導することを目的とし、増殖能を低濃度塩化リチウム、骨分化能をsFRP-3で亢進できることを示した。また乳歯歯髄由来の幹細胞が高い増殖能をもち、これがWntシグナルによって制御されている可能性を示唆した。近年、未分化間葉系幹細胞(MSC)の増殖および骨分化の過程において、Wnt/B-カテニン経路による制御が関連していることが明らかになってきた。そこで、本研究ではMSCの臨床応用における培養過程において、このWntシグナルを調節することにより効率的かつ効果的に骨分化誘導を行い、骨再生医療における更なる治療期間の短縮や効果的な骨造成を行うことを目的に検討を行った。まず、MSCの持つ細胞特性をWntシグナルの面から把握するために検討を行った。MSCの増殖過程においてB-カテニンのリン酸化を阻害し、その結果Wnt/B-カテニン経路を賦活する塩化リチウムを培養液に添加した。また、その増殖能をBrdUラベリング法にて各濃度で検討した。さらに、骨分化過程においてWntレセプターであるFrizzledをWntと競合的に阻害し、Wnt/B-カテニン経路を負に制御するsFRP-3を分化誘導培地に添加した効果について、Alizalin Red染色にて石灰化を、RT-PCR法により骨形成関連遺伝子の発現を分化誘導後7、14日目に評価した。MSCの増殖過程において塩化リチウム4mM添加群で非添加群に比べ、増殖能の増強が認められた。また、骨分化過程においてはsFRP-3添加群では分化誘導開始後7日目より非添加群に比較し、Alizalin Redに対する染色性を認め、ALPやRunx2などの骨形成関連遺伝子の発現増強を認めた。MSCの培養過程において、Wntシグナルを調節することにより、増殖因子を関与させず、効率的に細胞を増殖させ、さらに効果的骨分化能を上昇させられる可能性が示唆された。このことはMSCを用いた臨床応用の現場において、治療期間の短縮や治療の効率化に寄与すると考えられた。未分化間葉系幹細胞(MSCs)を用いた骨再生医療はすでに臨床現場において実用化されている。本研究ではMSCsの培養過程において、幹細胞の増殖・分化において中心的な役割を果たしていると考えられるWntシグナルを制御することにより、より短期間でMSCsを増殖させ、かつ早期に骨分化を誘導することを目的とした。本研究ではまず、骨髄由来MSCsを用い実験を行った。Wntシグナルを賦活する塩化リチウムを添加して培養を行ったところ低濃度の塩化リチウムの添加は細胞倍加時間やBrdUの取り込みにおいて有意に増加を示し、MSCsの増殖能が更新したことを示した。次にWntシグナルの負の制御因子であるsFRP-3を添加し骨分化誘導行った。すると非添加群に比ベアルカリフォスファターゼ、Runx2などの早期発現が確認された。これらの結果より、MSCsの培養過程においてWntシグナルを制御することは骨再生医療において効率性の面よりさらに有用であることが示唆された。さらにこれまでの研究により歯髄幹細胞の増殖能が骨髄由来MSCsより勝ることが報告されている。本研究では永久歯歯髄幹細胞や乳歯歯髄幹細胞を用いて細胞増殖の検討を行った。特に乳歯歯髄幹細胞においてはMSCsに塩化リチウムを添加した細胞と同等の高い増殖能をすでに保有していた。細胞内のβ-カテニンの局在を検討したところ乳歯歯髄幹細胞では骨髄由来MSCsに比べ核へのβ-カテニンの集積が顕著に認められた。このことは乳歯歯髄幹細胞の高い増殖能がWntシグナルによって制御されている可能性を示唆するものであり、乳歯歯髄由来幹細胞の細胞源としての有用性を示すものと思われた。
電気化学反応時におけるその場XPS測定システムの開発

軽元素の超薄膜をX線・光電子の窓、真空と溶液の隔膜、および電極として利用することによって、従来、真空中でのみ測定可能だったX線光電子分光法を世界で初めて固液界面における電気化学プロセスのその場観察に応用した。薄膜に正電位を印加する事によって溶液との界面において薄膜が酸化する様子を観察することに成功したほか、金属イオンを含む溶液と接触させた状態で薄膜に負電位を印加する事によって、金属イオンが薄膜上に金属として析出する様子を観察した。本研究では、真空と電解質溶液を隔てる隔壁、X線・光電子を透過する窓、電気化学反応用電極として軽元素の超薄膜を利用した環境セルを開発し、固液界面での電気化学反応をその場で分析することが可能なX線光電子分光(XPS)の実現を目指している。万一、真空と電解質溶液を隔てる薄膜が破壊されると、測定室で急激な真空悪化が起こり、放電によりアナライザーが深刻なダメージを受ける恐れがある。そこで初年度は、薄膜破壊時の装置へのダメージを最低限にとどめるマイクロ型セルを開発した。今年度は、実際にこのセルを用いて電気化学反応のその場観察実験を行った。実証1.マイクロ型セルに水を封入し薄膜電極に正電位を印加する事によって、水/薄膜界面での薄膜の電気化学的酸化膜成長が観察された。光電子のエネルギー、薄膜および酸化膜における元素密度などから、さまざまな電位・時間における酸化膜の厚さ変化をサブナノメートルスケールで決定することに成功した(論文投稿中)。実証2.薄膜電極の裏面に析出する元素を薄膜を通して観察できることを実証するため、薄膜電極に金属を電解析出させ、析出金属からの光電子強度が増加する様子を観察した。このとき、金属析出は比較的早い段階で頭打ちとなってしまった。これは小型のセルを利用しているため、内包される反応物の量が限られているためではないかと考えられる。現在、より広範な電極反応への応用を目指して、薄膜電極の材料探索・改良、セルのスケールアップ、測定ジオメトリの最適化を進めている。固液界面では、腐食、電析、電極反応などの種々の興味深い過程が起こっている。燃料電池の電極反応の効率はこれらの積み重ねによって決定されるため、各過程の理解が重要である。このような過程の詳細を理解するためには、界面の構造や電子状態の変化をその場で観察する必要がある。X線光電子分光法(XPS)は、物質の表面組成および表面種の化学状態を非破壊かつ再現性よく分析可能な手法である。従来のXPSでは、媒質中における放出光電子の減衰を防ぐため、測定には真空が必要であった。このため、実動作環境における触媒や電気化学条件下における電極の表面状態を観察することは不可能であった。そこで本研究では、固液界面プロセスをその場観察できるXPS測定システムを開発し、燃料電池用電極の劣化過程の解明を目的としている。初年度は、2種類のセル(マイクロ型セルとフロー型セル)の設計・開発を行うとともに、測定対象である白金電極/電解質水溶液界面(燃料電池用モデル電極界面)における構造変化について予備的理解を深めた。フロー型セルは、薄膜によってシールされた先端部を真空中に導入し、溶液をフローしながらXPS測定を行うというものであるが、溶液リークが測定系に致命的なダメージを与える可能性が示されたため、開発を断念した。一方、このような状況に備えて同時開発を進めていたマイクロ型セルは、ほぼ完成といえる状態にあり、溶液と固体表面が接触した状態での測定に成功しつつある。古典的な電気化学計測、および走査型プローブ顕微鏡などの手法によって、燃料電池用モデル電極界面に関する理解も十分深まっており、次年度は、当初の予定通り、電気化学条件下での測定に挑戦する。研究実績の概要に記載したとおり、あらかじめ二つの方法を立案して研究に臨んでいたことが功を奏し、一方を断念したものの、なお予定通り研究が進行している。本研究の目的は、固液界面プロセスをその場観察できるXPS測定システムを開発することと、それを燃料電池用電極の劣化過程の解明に応用することである。すでにシステムの開発には成功しつつあるので、今後は燃料電池系への展開を図る。まず電気化学系に応用可能であることを実証するために、電極表面の酸化など比較的簡単な系からスタートする。続いて、燃料電池において実際に電極として利用される白金薄膜でセルの一部をコーティングし、電解質との界面における酸化状態や吸着物質の決定を行う。研究費の大部分は測定セルの試作・開発費に充てる。このほか、大型放射光施設(SPring-8)および高エネルギー加速器研究機構(KEK)を利用するため、1年間で5ー6回程度の出張旅費(30万円)が必要である。また、当該分野での研究の主導権を握るため、国内外で学会発表を行うための旅費(30万円)を必要とする。