hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
CRISPR/Cas9システムを用いたゲノム編集によるPRRS抵抗性ブタの開発

豚繁殖・呼吸障害症候群(PRRS)の新たな制圧方法として、PRRS抵抗性ブタの開発を目的に、CRISPR/Cas9システムを利用して、PRRSウイルスのレセプター分子であるCD163及びSiglec1遺伝子をゲノム編集した。家畜ブタの受精卵を用いたゲノム編集では、1頭の産仔でSiglec1遺伝子に1個のアデニンのinsertionが確認されたが、ゲノム編集はモザイク状態であることが示唆された。マイクロミニピッグ由来の線維芽細胞において、CD163遺伝子の1塩基deletion或いは1塩基insertionされたゲノム編集細胞を樹立し、未受精卵との細胞融合による体細胞クローン胚を作製した。豚繁殖・呼吸障害症候群(PRRS)は、口蹄疫、高病原性鳥インフルエンザ等と同様に多様な抗原性を示すウイルスによる感染症であり、ワクチンプログラムで本病を制御することは極めて困難である。そのような感染症の新たな制圧方法として、本研究課題では、CRISPR/Cas9システムを利用して、PRRSウイルスのレセプター分子であるCD163及びSiglec1遺伝子をゲノム編集し、PRRSウイルス感染抵抗性ブタを開発することを目的として、以下の実験を実施した。1)PRRSウイルス感受性のサル腎臓上皮由来細胞である株化細胞株MARC-145のPRRSウイルスレセプター分子として報告されているCD163の遺伝子をCRISPR/Cas9システムを利用してゲノム編集することで、CD163分子の発現を阻害し、PRRSウイルス感染抵抗性細胞の樹立を試みたが、これまでのところ成功していない。2)CD163およびSiglec1のゲノム編集用プラスミドを構築した。3)家畜ブタの卵巣から未受精卵子を取り出し、培養することで成熟させた後、体外受精により得た受精卵の前核にゲノム編集用プラスミドを常法に従いマイクロインジェクションし、胚盤胞まで培養した。合計80個の胚盤胞からDNAを抽出し、PCRで目的のDNA断片を増幅し、ゲノム編集の有無について解析中である。4)3匹の排卵誘発した雌家畜ブタに人工授精して得られた約50個の受精卵の前核にCD163ゲノム編集用プラスミドを常法に従いマイクロインジェクションし、約30個の受精卵を1匹の仮親家畜ブタの卵管に移植し、6匹の産仔を得た。現在、ゲノム編集の有無について解析中である。そのような感染症の新たな制圧方法として、遺伝子改変技術による抗病性動物の開発が提唱されて久しいが、未だ家畜での成功例は報告されていない。本研究課題では、PRRS抵抗性ブタの開発を目的に、次世代遺伝子改変技術であるCRISPR/Cas9システムを利用して、PRRSウイルスのレセプター分子であるCD163及びSiglec1遺伝子をゲノム編集し、PRRSウイルス感染抵抗性ブタを開発することを目的として、以下の実験を実施した。1)ゲノム編集用プラスミドのブタ受精卵前核へのインジェクションによるゲノム編集操作を3回実施した。1回目は、39個の胚を移植し6頭の産仔が得られたが、塩基配列の解析の結果、ゲノム編集は認められなかった。2回目は、10個の胚を移植し1頭の白仔が得られたが、塩基配列の解析の結果、ゲノム編集は認められなかった。3回目は、9個の胚を移植したが着床しなかった。2)ゲノム編集用合成crRNA+tracrRNA+Cas9蛋白の受精卵前核へのインジェクションによるゲノム編集操作を実施し、35個の胚を移植したが着床しなかった。3)ゲノム編集用合成sgRNAとCas9 mRNAの細胞質へのインジェクションによるゲノム編集操作を2回実施した。1回目は、66個の胚を移植し妊娠を確認したが、母ブタが原因不明の胃破裂により死亡し産仔は得られなかった。7頭の死亡した胎仔について、塩基配列の解析を実施したが、ゲノム編集は認められなかった。2回目は、9個の胚を移植したが着床しなかった。以上の結果から、操作が簡単な細胞質へのインジェクションによる方法を選択し、仮親ブタへの移植胚数を40個以上とすることにした。ゲノム編集方法の検討(プラスミド或は合成crRNA+tracrRNA+Cas9蛋白の受精卵前核へのインジェクション、合成sgRNAとCas9 mRNAの細胞質へのインジェクションの優劣の評価)並びにインジェクション後の受精卵の仮親への移植条件の検討に時間を要しため、充分な産仔数が得られず、ゲノム編集ブタの作製までに至っていないため、遅れていると自己判断した。1)CD163及びSiglec1に対するゲノム編集用合成sgRNA2種類とCas

9蛋白の細胞質へのインジェクションによるゲノム編集操作を1回実施した。2頭の仮親ブタに、各々90個の胚を移植し、各々7頭及び4頭の産仔が得られた。計11頭の産仔について、皮膚からDNAを抽出し、塩基配列の解析を実施したところ、1頭でSiglec1遺伝子に1個のadenineのinsertionが確認された。他の部位の皮膚についても塩基配列の解析を実施したが、ゲノム編集は認められなかった。このことから、当該ブタのゲノム編集はモザイク状態であることが示唆された。2)マイクロミニピッグ由来の線維芽細胞及び間葉系幹細胞細胞にCD163遺伝子ゲノム編集用プラスミド(pX459)をトランスフェクションし、puromycineで選択することで、1塩基deletion及び1塩基insertionされたゲノム編集細胞を樹立した。3)2)で樹立したCD163遺伝子をゲノム編集したマイクロミニピッグ由来の線維芽細胞と未受精卵との細胞融合により、体細胞クローン胚を作製し、仮親ブタに34個の胚を移植し、現在出産待ちである。豚繁殖・呼吸障害症候群(PRRS)の新たな制圧方法として、PRRS抵抗性ブタの開発を目的に、CRISPR/Cas9システムを利用して、PRRSウイルスのレセプター分子であるCD163及びSiglec1遺伝子をゲノム編集した。家畜ブタの受精卵を用いたゲノム編集では、1頭の産仔でSiglec1遺伝子に1個のアデニンのinsertionが確認されたが、ゲノム編集はモザイク状態であることが示唆された。マイクロミニピッグ由来の線維芽細胞において、CD163遺伝子の1塩基deletion或いは1塩基insertionされたゲノム編集細胞を樹立し、未受精卵との細胞融合による体細胞クローン胚を作製した。家畜ブタからの受精卵の採取条件の検討に時間を要し、昨秋の発情期において、ゲノム編集用インジェクションを1回しか実施できず、平成26年3月に6頭の産仔を得たが、現在解析中であり当初の計画よりもやや遅れていると自己評価した。1)平成27年度に得られた検討結果に基づき、ゲノム編集操作がより簡単な細胞質へのインジェクションによる方法を選択し、合成sgRNAとCas9 mRNA或は合成sgRNAと核移行シグナル付きCas9蛋白の受精卵細胞質へのインジェクションを実施し、仮親ブタへの移植胚数を40個以上とすることでゲノム編集ブタの作製を試みる。2)ゲノム編集の効率が悪く目的のブタが得られない場合には、ゲノム編集のターゲット部位を新たに検索し、必要なプラスミド、RNAを構築する。3)受精卵でのゲノム編集が上手くいかない場合やモザイク個体が得られた場合には、ブタでは体細胞クローン技術が確立しているので、ヨークシャー種の線維芽細胞を用いて、ゲノム編集を実施し、体細胞クローン胚作製用に準備する。28年度が最終年度であるため、記入しない。獣医微生物学1)引続きゲノム編集用プラスミドのインジェクションを継続する(平成27年度1回目を平成27年4月に実施済)。2)CD163およびSiglec1の2つのゲノム編集用プラスミドの同時インジェクションについて検討する。3)ゲノム編集用プラスミドに代わり、sgRNAおよびCas9 mRNAの細胞質へのインジェクションについて検討する。
低エネルギー領域におけるポジトロニウム－原子相互作用の解明とキセノン問題の解決

キセノンガス中で測定された熱化近傍のポジトロニウムの消滅率を、80 meV以下の超低エネルギー領域におけるポジトロニウムーキセノン衝突の全断面積および微分散乱断面積へと換算する方法を確立した。この方法は、衝突に際してスピンー軌道相互作用により生じるポジトロニウムの三重項ー一重項スピン転換反応が角運動量のないs波散乱では禁制であることを利用して、s波の散乱パラメータである散乱長や有効到達距離だけでなく、p波やd波の散乱パラメータを決定することを可能にするものである。この方法により、ポジトロニウムーキセノン衝突における散乱長の実験値を、ボーア半径を単位として2.06±0.10と見積もった。散乱長の符号が正で、絶対値が余り大きくないことは、キセノンがポジトロンに対して引力ポテンシャルとして作用することを意味し、より具体的には、電子間の交換相互作用による斥力をファンデルワールス力が部分的に打ち消してはいるが、散乱長が負に(あるいはポテンシャルが引力に)転じるほどファンデルワールス力は強くないことを意味する。また、従来よりポジトロニウムーキセノン衝突においてラムザウアー・タウンゼント効果(量子論的な効果により特定のエネルギーのポジトロニウムがキセノンを素通りする現象)を生じるかどうかは、理論・実験の両面から興味深い研究対象となっているが、今回の解析結果を1.0 eVまで外挿すると、s波散乱断面積に極小は存在するものの、その極小がp波散乱やd波散乱の陰に隠れてしまい観測されないとの予想を得た。以上の成果は2018年5月米国物理学会の雑誌(フィジカル・レビュー・A)に掲載された。また、この論文の内容について2019年7月に2つの国際学会から招待講演を受けており、低速陽電子・ポジトロニウム物理の第10回国際会議(セルビア)、および光子電子原子衝突の第31回国際会議(フランス)にて、それぞれ発表を行う。初年度(平成28年度)として、ポジトロニウム原子(Ps)のスピン状態が、標的原子とのスピンー軌道相互作用により変化する反応(スピン転換反応)を利用して、100 meV以下の超低エネルギー領域におけるポジトロニウムの原子衝突を解析するための、新たな測定系を構築した。具体的には、真空チェンバーの設計・製作、22Na陽電子線源の作製、温度制御系の構築、放射線検出器(BaF2およびLaBr3:Ce)の調整、および測定系の制御プログラムの作成を行った。放射線検出器には、時間分解能に勝れたBaF2シンチレーション検出器と、エネルギー分解能に勝れたLaBr3:Ceシンチレーション検出器を同時に用いることにより、ポジトロニウム原子から放射される消滅γ線の時間情報とエネルギー情報を同時に取得する。検出器からの波形信号を解析し、時間・エネルギーの二次元ヒストグラムにデータを落とし込む。完成したチェンバーの真空テストは完了し、高圧の試料ガス(アルゴン等)を入れての測定を開始した。ここまでのスケジュールは概ね予定通りであった。陽電子学会より会誌に最新の研究進捗状況を投稿するよう依頼があり、『スピン軌道相互作用によるポジトロニウムスピン転換反応「Xe問題」解決への道のりと新しい原子散乱研究への糸口」』を執筆し、掲載された。また、本研究を修士論文の課題として取り組んだ学生が、日本物理学会領域10より「学生奨励賞」(平成29年3月)を受賞した。当該学生は陽電子の分野では初の受賞者となった。測定系の構築・テストが予定通りに終わり、試料を用いた測定を開始した。これから本格的にデータが出始める。低エネルギー領域におけるポジトロニウムーキセノン原子系の測定結果(消滅率および運動量移行断面積)に対して、部分波解析の手法を適用し、散乱長や有効距離等の消滅パラメータの解析を行った。この解析結果より、ポジトロニウムのキセノンガス中における消滅率の温度依存性は、スピン転換消滅(ポジトロニウムとキセノン原子のスピン軌道相互作用によって、スピン三重項ポジトロニウムが短寿命のスピン一重項ポジトロニウムにスピン転換することによる消滅率)とピックオフ消滅率(スピン三重項ポジトロニウムの陽電子がキセノン原子の中の電子と衝突して対消滅することによる消滅率)のエネルギー依存性として説明することができ、この二つの消滅経路以外を考慮する必要はないことが分かった。(※2013年の研究で、ピックオフ消滅率の温度依存性が他のガスに比べて極めて大きいことから、未知の消滅経路が存在する可能性も考えられていた)また、この解析結果をポジトロニウムが生成媒体であるシリカエアロゲルから放出される直後のエネルギー(約1電子ボルト)まで外挿すると、弾性散乱断面積のピークが0.4電子ボルトに存在すること、また、その内訳の大半は角運動量がゼロではない成分によって占められていることも分かった。このことから、「キセノン問題」(キセノン中でのポジトロニウムの形成率は、ヘリウム中での形成率よりも著しく低いことは不自然であるが、その理由が未解明)の原因はこの0.4電子ボルト付近の断面積ピークであり、スピン軌道相互作用によるスピン転換反応によってポジトロニウムが熱化する前に消滅しているためと考えられる。ただし、最近の理論的な研究結果とは、断面積ピークの大きさが数倍程度異なっており、測定結果や解析方法の再検証が必要ではあるものの、現段階までの成果でフィジカル・レビュー・A誌への論文掲載が決まっている。

上記の中間的な結果がフィジカル・レビュー・A誌に論文へ掲載となり(2018年3月30日付で受理)、今後の研究の進捗によって期間内に2報目も執筆できる。また、本年8月下旬の国際学会での発表を申し込んだ。キセノンガス中で測定された熱化近傍のポジトロニウムの消滅率を、80 meV以下の超低エネルギー領域におけるポジトロニウムーキセノン衝突の全断面積および微分散乱断面積へと換算する方法を確立した。この方法は、衝突に際してスピンー軌道相互作用により生じるポジトロニウムの三重項ー一重項スピン転換反応が角運動量のないs波散乱では禁制であることを利用して、s波の散乱パラメータである散乱長や有効到達距離だけでなく、p波やd波の散乱パラメータを決定することを可能にするものである。この方法により、ポジトロニウムーキセノン衝突における散乱長の実験値を、ボーア半径を単位として2.06±0.10と見積もった。散乱長の符号が正で、絶対値が余り大きくないことは、キセノンがポジトロンに対して引力ポテンシャルとして作用することを意味し、より具体的には、電子間の交換相互作用による斥力をファンデルワールス力が部分的に打ち消してはいるが、散乱長が負に(あるいはポテンシャルが引力に)転じるほどファンデルワールス力は強くないことを意味する。また、従来よりポジトロニウムーキセノン衝突においてラムザウアー・タウンゼント効果(量子論的な効果により特定のエネルギーのポジトロニウムがキセノンを素通りする現象)を生じるかどうかは、理論・実験の両面から興味深い研究対象となっているが、今回の解析結果を1.0 eVまで外挿すると、s波散乱断面積に極小は存在するものの、その極小がp波散乱やd波散乱の陰に隠れてしまい観測されないとの予想を得た。以上の成果は2018年5月米国物理学会の雑誌(フィジカル・レビュー・A)に掲載された。また、この論文の内容について2019年7月に2つの国際学会から招待講演を受けており、低速陽電子・ポジトロニウム物理の第10回国際会議(セルビア)、および光子電子原子衝突の第31回国際会議(フランス)にて、それぞれ発表を行う。ガスの種類、ガス圧、温度等を変えながら系統的なデータを取得し、分析を行う。キセノン、アルゴン、ネオンと原子番号の小さくなる順に系統的な測定を行う。最近の理論的な研究結果と、断面積ピークの大きさが2倍程度異なる(特に角運動量が1のp波成分の位相シフトが大きく異なる)ことから、測定結果やデータの解析方法の再検証も注意深く行う必要がある。本研究の測定方法は、低エネルギーでもp波(やd波)に高い感度を持つ点が強みであり、スピン軌道相互作用と弾性散乱の関係を明らかにしたい。なお、研究計画の変更は特に無し。
ベニボタル科昆虫をモデル群とした種分化と擬態形成の分子進化的研究

東南アジア産ベニボタル科Cautires, Xylobanus, MetriorrhynchusおよびBulenides属を研究の対象とした。合計107種約450サンプルよりDNAを抽出し、ミトコンドリアDNAのND5遺伝子の塩基配列を決定した。これらにMetriorrhynchinae亜科の他属15種を外群として加えて、系統解析を行った。さらに主な100種についてのCO1および2遺伝子の塩基配列を決定しND5に加えて系統解析した。その結果、以下のことがわかった。ベニボタル科はゴンドワナ大陸起源であると考えられる。ミトコンドリアDNA解析によれば、東南アジア島嶼における擬熊グループ間の形態変化に要する時間は大変短く、典型的には1つの擬態グループには全属から数種が加わっていた。異なる地域での類似擬態パターンは独立の起源であることがわかった。色彩多型が東南アジアのMetriorrhynchus属で見られ、類似擬態パターンの多起源性は同一種内でも見られた。ミトコンドリアDNAによる系統解析は、擬態グループ間の形態変化がMetriorrhynchus属のオーストラリアからアジアへの分布拡散の過程で起ることを証明した。日本列島のベニボタル科はトカラ海峡で大きく2つに分けられ、琉球列島には氷河時代に中国南部から北上してきたと考えられる。今後は進化速度が遅いリボソームRNA遺伝子などを用いて、系統樹の基幹部(族間)の分岐順序を確かにする必要がある。合計107種264サンプルよりDNAを抽出し、ミトコンドリアDNAのND5遺伝子の塩基配列を決定した。これらにMetriorrhynchinae亜科の他属15種を外群として加えて、系統解析を行い、初期的な結果を得た。さらに現在、120サンプルのPCR増幅が終わり、第2年度における塩基配列決定の準備をしている。これ以外の20群80サンプルは、用いたプラーマーで増幅ができなかった。初期的な解析によって次のことがわかった。擬態グループ間の形態変化に要する時間は大変短く、典型的には1つの擬態グループには全属から数種が加わっていた。ミトコンドリアDNAによる系統解析は、擬態グルーブ間の形態変化がMetriorrhynchus属のオーストラリアからアジアへの分布拡散の過程で起ることを証明した。ND5遺伝子の塩基配列決定は第2年度に終了するであろう。その結果は擬態の解析のみならず、分類や生物地理研究にも用いられるであろう。他の遺伝子の塩基配列もいくつかの限られた分類群に用いて、系統樹の基幹部の分岐順序を確かにするつもりである。初期的な結果を2003年3月、基礎生物学研究所で開催された昆虫の分子系統学のシンポジウムで発表した。
都市代謝システムの最適化シミュレーション

都市代謝システムの最適化を図るため、インフラストラクチャーの整備やライフスタイルの転換等、様々な現状改善シナリオのもとに、エネルギー需要量・供給量・消費量、エネルギー消費に伴う排熱量・大気汚染物質排出量、用水需要量・給水量・排水量、ゴミ発生量等の時空間分布構造の解析やコスト計算を行う、代謝構造から見た最適都市へのシナリオづくりのためのシステムを開発した。まず、東京23区をフィールドに都市構造とエネルギー消費との関係を明らかにするため、建築用途別単位延べ床面積当たりエネルギー消費量を算出し、土地利用情報を用いて、東京23区におけるエネルギー消費量分布の季節変化・日変化のCGアニメーションを作成した。今回試作したアニメーションは、1月から12月までの平均的な1日について24時間の変動を連続的に表示するものであり、1時間は約0.1秒で表現される。一方、このアニメーションのフレームを活用して今回開発された都市代謝シミュレーションシステムは、基本情報として人口・世帯数及び土地利用種別延べ床面積等のメッシュデータ、各種カテゴリー別原単位(エネルギー消費量や下水・ゴミ発生量等)、各種係数(ヒートポンプの熱効率等)、都市基盤施設の位置及び地図情報を有し、ある特定地域のエネルギー消費量、未利用エネルギー利用可能量等を算定・表示することが可能である。システム本体はワークステーション上で作動する。このシステムでは、下水道とゴミ焼却場の温熱を利用可能なものとして捉え、任意に設定された対象供給領域内の下水道幹線の結合点にヒートポンプをおいた場合得られるであろう温熱量と、ゴミ焼却場から得られるであろう温熱量を集計して表示し、供給量やその需要量に占める割合を算定することが可能である。
骨関節組織の老化変性の発生機序と、細胞寿命・老化の克服による関節再生修復法の開発

我々は、慢性リウマチ(RA)における傍関節性骨粗鬆症の発症機序を骨芽細胞の細胞寿命・細胞老化の観点から分析することを試み、骨芽細胞の寿命がRAの傍関節性骨粗鬆症に影響することを確認した。また、テロメアの逆転写酸素であるテロメラーゼを誘導することにより骨芽細胞寿命の延長を成し得ることが立証された。1.骨芽細胞活性及び細胞寿命の加齢に伴う変化RA、変形性関節症(OA)群とともに加齢に伴う骨芽細胞(初代培養)の増殖能、骨芽細胞活性、骨基質合成能及び細胞分裂可能回数の低下がみられ、平均テロメア長にも経年的な短縮傾向を認めた。両疾患群ともに、初代培養骨芽細胞の平均テロメア長と細胞寿命は有意な正の相関が見られた。同年齢間で比較すると、骨芽細胞の細胞活性・増殖能、骨基質合成能、細胞分裂回数及びテロメア長はいずれもRA症例がOA症例よりも低値を示した。RA、OA患者から分離されたすべての骨芽細胞群からは、本研究継代培養期間を通じてテロメラーゼ活性は検出されなかった。培養骨芽活性には、テロメラーゼを構成する3コンポーネントのうちhTRとhTP1は発現していたが、hTERTの発現は検出されなかった。hTERT cDNA導入骨芽細胞には、hTR, hTP1とともにhTERTが発現しており、テロメラーゼ活性が確認された。hTERT cDNAを導入した骨芽細胞は、コントロール細胞に比べて有意に細胞寿命が延長された。コントロール細胞では継代が進むに従い骨芽細胞活性及び骨基質合成能が低下するのに対して、hTERT導入骨芽細胞では長期的に維持される傾向がみられた。
階層型組み込みメニーコア向けタスク配置手法の研究

階層型メニーコアアーキテクチャに対し、階層構造を考慮したタスク配置手法を提案した。提案手法はLSI配置向けに提案された階層クラスタリング法をもとにしているが、タスクマッピング問題に適用するため、タスク間通信量や、アーキテクチャ内の配線の使用頻度の偏り等を考慮している。従来手法と比較した結果、通信コスト、アプリケーション完了時間を削減し、通信コストの最小化によってアプリケーション自体の実行時間が削減できるということを示した。今年度は、昨年度提案した初期アルゴリズムの改良を行った。プロセッサ数を16コアから64コアに拡張し、特に集中メッシュトポロジに対するアルゴリズムの検討を行った。与えられたタスクグラフをクラスタ化し階層構造を構成する「クラスタリング」、クラスタを均等に分割する「分割」、分割結果をプロセッサトポロジグラフにマップする「配置」の三段階に分け、それぞれに対してアルゴリズムを提案した。その結果、昨年度提案したアルゴリズムに対し、通信コストを15%程度減少させ、かつ、全体の混雑度分散化にも成功し、提案手法の有効性を示した。また、デッドライン等、組込みシステムならではの制約事項を考慮し、一つのプロセッサ内でタスクの順序を決定するアルゴリズムを提案した。今年度は、階層型プロセッサ・グラフ構造、タスク・グラフ構造を定義し、その上で階層クラスタリング手法を用いた初期アルゴリズムを提案した。その中ではコア間通信性能を考慮することによってアーキテクチャの特性を考慮すると共に、その条件の下で高い性能を実現するようなクラスタリング手法を提案した。また、タスクを配置する際にクラスタを崩す回数が増加すると配置コストが増えることを発見し、初期アルゴリズムの改善を行った。評価では、16コア、16タスクの例を用い、ランダムにタスクをマッピングした結果と提案手法の初期アルゴリズム、そして、改善を行ったアルゴリズムの有効性を示すために、クラスタを崩す回数が増加するように変更を加えたアルゴリズムに対しての比較実験を行った。タスクマッピング結果の通信性能を表すコスト関数に着目して実験を行ったところ、初期アルゴリズムではランダム配置をコスト関数において60%改善した。この初期アルゴリズムの結果を基準とすると、改善を行ったアルゴリズムでは、初期アルゴリズムの結果を26%改善、さらに、比較のために細部を変更したアルゴリズムに対しては17%コストを改善することに成功し、提案手法の有効性を示した。また、応用分野への適用として、交通流シミュレーションを、メニーコアであるGPUに向けた最適化を行い、国際学会REACTIONにて発表した。さらに、当該分野における国内最大の研究コミュニティである組込みシステム研究会、国内最大展示会であるEmbedded Technology 2012、一流国際学会の一つであるReal-Time SystemSymposium等に出張し、国内外の関連研究調査を進めた。今年度は、まずは大規模な階層型メニーコアに対するタスク配置に関して考案アルゴリズムの適用を進めた。計算機実験では256コア、1024タスクの実験まで行い、問題なく動作することを確認した。さらに、4タスク配置問題に特徴的な制約事項を考慮した手法の改良、を進めるとともに、当初予定していた6具体的アプリケーションを利用した性能評価、についても進めた。アプリケーションとしては将来重要なセンサレスモータ制御を用いた。当初計画では、5階層型スケジューリング・アルゴリズムとの連携方式の提案、を進める予定であったが、4タスク配置問題に特徴的な制約事項を考慮した手法、を進めたところ、制約事項を考慮する段階でスケジューリング考慮が必須であり、本研究で提案するアルゴリズムに階層型スケジューリング・アルゴリズムを含むことがわかったため、連携としては進めないこととした。その代わりとして、従来手法について、代表的な3手法を実装し、比較評価を行った。タスク生成ツールを用いた16から1024タスクのデータ、および実際のモータ制御データから取得したタスクグラフを用いて評価した。生成グラフにおいては、通信コストを36%14%削減し、アプリケーション完了時間では、32%8%の削減値を示した。モータ制御においては、通信コストを平均で15%、アプリケーション間完了時間を平均で8%改善し、階層を有効利用する解を生成した。組込みシステム今年度は、3階層クラスタリング手法を用いたタスク配置アルゴリズムの提案、および、4タスク配置問題に特徴的な制約事項を考慮した手法の提案、について進める計画であった。これに対し、すべての項目に対して手法を提案し、プログラムを実装し、簡単な例ではあるがタスク配置を実現できた。そのため、おおむね順調に進展していると考えている。ただし、昨年度16コア、16タスクであった対象を、64コア、64以上のタスクとしたものの、メニーコアとしては小規模であるため、今後さらに大規模な実験を行うとともに、手法の改善を進めていくことが必要であると考えている。今年度目標は、1階層型メニーコアに対する階層型プロセッサ・グラフ構造の定義、2各種並列モデルに対応するタスク・グラフ構造の定義、3階層クラスタリング手法を用いたタスク配置アルゴリズムの提案であり、3に関しては、a)アーキテクチャの持つ階層に合わせたタスククラスタリング、およびb)アーキテクチャ性能特性に則したタスク配置を行う計画であった。これに対し、すべての項目に対して手法を提案し、プログラムを実装し、簡単な例ではあるが、タスク配置を実現できた。

ただし、現在用いている例は16コア、16タスクであり、メニーコアとしては小規模であるため、今後さらに大規模な実験を行うとともに、手法の改善を進めていくことが必要であると考えている。今後は、まずは大規模な階層型メニーコアに対するタスク配置に関して考案アルゴリズムの適用を進め、必要に応じて改善を進める。さらに平成26年度は、4タスク配置問題に特徴的な制約事項を考慮した手法の改良、を進めるとともに、当初予定していた6具体的アプリケーションを利用した性能評価、についても進める。アプリケーションとしては組込み制御分野を想定している。なお当初計画では、5階層型スケジューリング・アルゴリズムとの連携方式の提案、を進める予定であったが、4タスク配置問題に特徴的な制約事項を考慮した手法、を進めたところ、制約事項を考慮する段階でスケジューリング考慮が必須であり、本研究で提案するアルゴリズムに階層型スケジューリング・アルゴリズムを含むことがわかったため、連携としては進めないこととする。今後は、まずは大規模な階層型メニーコアに対するタスク配置に関しても考案アルゴリズムの適用を進め、必要に応じて改善を進める。さらに、当初計画通り、平成25年度は、4タスク配置問題に特徴的な制約事項を考慮した手法の提案を進める。特にリアルタイムシステムにおいては、タスクにはデッドライン、開始時間オフセット、周期などの様々な制約がある。階層クラスタリング、タスク配置アルゴリズムにおいて、それらの制約条件をアルゴリズムの目的関数、制約条件として考慮し、すべての制約を満足しながら効率よい実行を実現するようにする。当初計画よりも旅費実績が低めであったため差異が生じた。大規模問題への適用を進めるため、高性能計算機を購入する計画である。人件費・謝金、および旅費を削減し、高性能計算機購入に充てる計画である。当初提案に対する削減があり、計画していたパソコン購入を見送ったため、平成24年度研究費の差異が生じた。平成25年度に予定している大規模階層型メニーコアに対する実験に合わせ、計算機資源の購入を考えており、そのために使用する。ただし、平成24年度に生じた研究費差異のみでは不足するため、旅費削減によって対応する。
ニュージーランド文学における共生を鍵とした文化的対話の弁証法

ニュージーランドの平和・共生の思想形成に、文学は大きな役割を果たしてきた。20世紀初頭から、社会に対する様々な問題提起を行ってきた白人作家たちに、1970年代から著作を開始するマオリ作家たちが返答する。本研究は、文学を通じての両者の文化的な対話の内に、弁証法的な発展を読み取る試みである。白人作家を代表するキャサリン・マンスフィールドが創始した、社会的な境界線を消し去ろうとする「命の文学」を、マオリ作家を代表するウィティ・イヒマエラが、マオリの「マウリ(命の原理)」の概念と結び付け、どのように継承し、発展させていったのかを軸にして、ニュージーランドが共生社会を構築していった過程を明らかにする。2014年8月27日から2014年9月7日にかけてニュージーランドに赴き、研究発表及び研究のための資料の収集を行った。2014年8月30日にオークランド・インスティチュート・セント・ヘレンズにて開催された「ニュージーランド・スタディズ・ササイアティ・ジャパン・インターナショナル・シンポジウム2014」に参加し、「ウイティ・イヒマエラ・アンド・リテラチャー・オブ・モウリ」と題した研究発表(単独)を行った。また、オークランド市立図書館、オークランド大学図書館、オークランド工科大学図書館を利用して、資料の収集及び研究を行った。ワイカト大学で長くマオリ生徒の教育向上計画に研究代表者として関わってこられたテ・アラニ・バレット先生から研究についての意見・コメントをいただいた。2015年3月2日から2015年3月10日にかけて、ニュージーランドに再び赴き、主にオークランド工科大学を拠点として研究及び研究のための資料収集を行った。滞在中には、オークランド工科大学人文学部長アンネリーズ・ロスクヴィスト教授をはじめ、同学部のソンジャ・ギャラガー教授、ペイリン・ヤング教授らから、ニュージーランドにおけるマオリ、パケハ(ヨーロッパ系白人)、アジア系移民らが織り成す多文化共生について貴重なコメントをいただき、研究に関しての新たな知見を得ることができた。研究の成果として、論文「ウイティ・イヒマエラと命の文学」がオーストラリア・ニュージーランド文学の論文集に掲載され、彩流社より刊行される予定である。2015年11月3日に早稲田大学小野記念講堂において行われた第11回早稲田大学研究機構研究成果報告会「独立自尊の国ニュージーランドに学ぶ」では、総合司会を務めるなど、日本におけるニュージーランド研究の普及、発展に中心的にかかわった。また、2015年11月7日に弘前大学で開催されたオーストラリア・ニュージーランド文学会2015年秋季大会では、大会実行委員会委員長として企画・大会運営に携わるととともに、シンポジウム「ポストコロニアル文学の社会的機能」のパネリストとして、「生き延びるための思想と文学」と題した研究発表を行った。当発表は、科研のこれまでの研究成果の中間発表にあたる。ニュージーランドのポストコロニアル文学は、世界は多様であるという現実を正面から受け止め、その多様な世界を肯定する思想を紡ぎだす。その過程をマオリの口承の伝統・儀式に起源を認め、それらがニュージーランドの小説家たち(ウィティ・イヒマエラ、アラン・ダフ、ケリ・ヒューム、ロイド・ジョーンズ)がいかに発展させてきたかについて明らかにした。発表の要旨は学会誌である『南半球評論』第31巻に掲載され、さらに深化した研究論文は2016年に出版予定の『オーストラリア・ニュージーランド文学論集』(仮題)に掲載されることになっている。過去2年間の研究の成果は、今年度の学会での中間発表を経て、次年度にさらに深化したものとして『オーストラリア・ニュージーランド文学論集』(仮題)に掲載される予定である。2016年11月3日に弘前大学創立50周年記念会館岩木ホールにおいて開催された、弘前大学人文社会科学部国際公開講座2016「日本を知り、世界を知る」では、講演者の一人として「ニュージーランドから学ぶ共生の作法」と題し、マオリ文学作品に材を取りながら、いかにマオリ文化が西洋文化に問いを投げかけ、二つの文化が弁証法的に発展を遂げていくことにより多文化共生の文化・伝統が醸成されていったのかについての講演を行った。また、3年間にわたる研究の成果として執筆した論文「ウィティ・イヒマエラと命の文学」を2017年3月31日に彩流社より出版された初のオセアニア文学を扱った論集である『オーストラリア・ニュージーランド文学論集』(三神和子編)に発表した。本論文は、キャサリン・マンスフィールドに起源をもつ「命を与える文学」の伝統を、先住民族作家であるウィティ・イヒマエラがいかに継承し、短編集『ディア・ミス・マンスフィールド』、『家の柱に訊ねよ』、小説『人間の縄』、『クジラの島の少女』、劇作品『彼方を歩む女』において洗練されていったのかを作品を解釈することで明らかにした。マオリ文化と西洋キリスト教文化が共生を鍵として互いに影響し合い、ニュージーランド独自の共生社会を構築していった過程を、文学の立場から考察した。

白人作家を代表するキャサリン・マンスフィールドが創始した、社会的な境界線を消し去ろうとする「命の文学」を、マオリ作家を代表するウィティ・イヒマエラが、マオリの「マウリ(命の原理)」の概念と結び付け、どのように継承し、発展させていったのかを軸にして、ニュージーランドが共生社会を構築していった過程を明らかにする。当初の計画通りにニュージーランドに赴いて研究及び資料収集をおこなうことができた。また、現地の著名な研究者と面会し、研究についての意見交換をすることができた。ニュージーランドで開催された国際シンポジウムにおいて、これまでの研究成果の発表をする機会も得ることができ、近日書籍の形で研究論文も刊行される予定である。研究最終年度は、研究活動の総括として緩急論文を発表する予定である。年度内にもう1度ニュージーランドを訪れ、マオリ人作家の第一人者であるウイ過去ティ・イヒマエラにインタビューを試み、ニュージーランドにおけるマオリ、パケハ(ヨーロッパ系白人)、アジア移民らが織りなす多文化共生についての意見を聞き、過去2年間の研究の蓄積のうえに、新たな知見を加えた研究論文を発表したい。英文学、ニュージーランド文学、マオリ文学次年度は、今年度実現できなかったニュージーランドのマオリ作家とのインタビューを行ない、ニュージーランドのマオリ文学と白人による文学が、弁証法的に発展し、「共生」についての思想を深めていく過程を検証していく。また、収集した資料に基づき、作品の解釈を行うことで、課題の研究をさらにすすめていく。次年度に再度ニュージーランドに赴き、マオリ人作家ウィティ・イヒマエラへのインタビューおよび取材をするために、繰越金を充てるために、書籍・資料の収集のための経費をおさえたため。次年度、夏季休暇中にニュージーランドに赴き、マオリ人作家ウィティ・イヒマエラへのインタビューをするための旅費・滞在費の一部に充てる予定である。
データマイニングを用いたナノテクノロジーシミュレーション支援システム

本年度は、ナノテク用新材料設計を支援するためデータ範囲から可視化すべき数値を自動計算する、半自動可視化システムについて研究を行った。本システムでは、可視化ソフトウェアAVSを用いて電子状態を可視化し、没入型3次元仮想現実体感システムCAVEに出力する。CAVEは立方体型のスクリーンを持ち、ユーザが内部に入って投影された立体視画像を見て、さらに視点制御やオブジェクト制御することで、仮想現実への高い没入感を得る装置である。可視化ソフトウェアAVSは,このCAVEに可視化画像を出力することができる。これまでの可視化は、ナノテク分野の研究者がトライアンドエラーによって経験的に可視化する数値を決定していたが、これを支援し、見落とし等を防ぐため、データマイニングやデータ解析によって、データの中で注目すべき数値を自動決定するのが本課題の狙いである。今年度は、試験的に入力データの空間微分画像、空間2次微分画像を作成したが、等値面を描くべき数値を検出することは困難であった。現在、しきい値処理によって、シミュレーション空間中にオブジェクトを作成し、そのオブジェクト数の変化による注目すべき数値の自動決定を試みている。可視化画像では、画像中で注目すべき部分をクローズアップした際に、現在表示しているのがどの部分であるのかがわかりにくいので、現在地を自動表示するプログラムを考案した。このプログラムにより、可視化画像がより理解しやすいものとなる。材料設計シミュレーション結果でのデータマイニングは難しいテーマであるため、今後も引き続き研究を行う予定である。データマイニングやデータ解析によって得られた知見を分かりやすく表現し、またその知見が物理的に正しいかどうかを検証するため、可視化が必要である。そこで、本年度はまず可視化に重点をおいて研究を進めた。そこで今年度は、入力データの数値範囲を用いて可視化する数値の自動計算を行うインターフェースを備えた可視化プログラムを開発した。これは、データマイニングやデータ解析によって決定した数値を入力するためのプロトタイプ実装に相当する。この結果に基づき5月のナノ学会第3回大会にてポスター発表を行い、専門家と意見交換を行う予定である。
極薄ストリップのマイクロ圧延における摩擦潤滑メカニクス

本研究では異周速マイクロ圧延実験からFEMモデルに必要な基礎的な情報を得て、圧延不良を防ぎ優れた成形性と高精度で高品質の金属箔材を製造するために適した異周速マイクロ圧延における影響因子を解明することを目的とした。昨年度の成果を踏まえた当該年度における研究成果は以下のとおりである。当初の研究計画の大枠は達成した。(1)マイクロ異周速圧延機の試作開発と供試箔材の材料評価試験:昨年度開発したマイクロ圧延FEMモデルの実験的検証のため、異周速圧延が可能なマイクロ圧延機の設計試作に初めて成功した。その後の性能評価により所望の圧延機特性が得られていることを確認した。供試材として用いた金属箔(ステンレスSUS304)の焼なまし処理によってマイクロ圧延で重要な材料因子である結晶粒径、変形抵抗の異なる箔材を製造し、引張試験でその力学特性を得た。(2)マイクロ圧延におけるマイクロトライボロジーの観点からの素材表界面の変形観察と評価:上記供試箔材を用いたマイクロ異周速圧延実験を行い多くの実験データを収集した。その結果、種々の摩擦速度や箔厚の条件における表面アスペリティ部の変形挙動観察から、マイクロ圧延中の油膜厚と真実接触面積の変化を調査し、マイクロ圧延中の表面粗さ進展挙動が潤滑条件の影響を受けることを明らかにした。これは高品位な金属箔を得るための重要なマイクロ圧延における具体的な技術知見の一つである。(3) FEAモデルの妥当性評価:マイクロ圧延3次元FEM解析による表面あら進展と摩擦潤滑特性は定性的には妥当な結果を得ることができた。しかし表面アスペリティの塑性変形をFEAで十分にシミュレートできていないため、詳細な議論ができる段階まで至らなかった。当初の目的は得られた成果から大枠達成できており、成果として審査付ジャーナル論文1編、国際会議2件の発表を行うことができたことから、おおむね順調と評価した。まだ細かな点では残されている問題、十分な結果が得られていないところもあるが、残りの研究期間で解決したい。マイクロ圧延の3次元FEMシミュレーションは工具接触による塑性変形を考慮した表面あれ進展をまだ十分に表現できていない。表界面の塑性変形に伴う境界条件が変化する本問題の解析に多大な時間を要している。3次元表面粗さをモデル化したFEMモデルはすでに完成し論文として公表しているので、表面アスペリティーの塑性変形解析の問題解決にはズーミング法の導入を計画している。その手法等を導入することによって解析時間の短縮も十分に可能になり、解析精度も確保できるようになるものと期待している。その解決ができれば、残りの研究期間も当初の計画どおり研究がほぼ推進できるものと考えている。より高度な研究のためにはFEM結果と実験結果との定量的な比較が必要であり、トライボ特性評価に重要な高精度な膜厚測定法を導入することも検討する。H26年度の残りの研究期間では研究展開として、ロールの摩耗、マイクロ圧延中の初期介在物、ボイド、亀裂の研究にも着手する計画である。これらの研究成果も出れば、本研究はより体系的なものになり学術的にも高い評価が得られるようになると考えている。近年、金属素材を用いるマイクロフォーミングへのニーズが拡大している。その素材となる金属箔及び極薄ストリップには高い形状/寸法精度及び平坦度が要求されるが、これまで以上に優れた力学特性、機能特性付与とより高い品質保証が期待されている。それに伴いマイクロ圧延への技術要求も高くなってきている。マイクロフォーミング性と材料特性、表界面特性、成形条件との関係に関する解明された成果は、極薄ストリップのマイクロ圧延に反映され、表界面を考慮したマイクロトライボロジー、破壊も含めたマイクロメカニクスに活用が望まれる。一方、極薄ストリップのマイクロ圧延およびマイクロフォーミングの設計では適用できるFEMモデルは十分でなく、力学的、物理的特性値や諸境界条件に関して未解明な点が多い。これらに対する基礎的研究成果は少なく、かつ基礎的なマイクロ圧延に関する研究も極めて少ない。本研究では外国人特別研究員とマイクロフォーミングで実績のある受入れ研究者らとの共同研究によって、マイクロ圧延実験からFEMモデルに必要な基礎的な情報を得て、圧延不良を防ぎ優れた成形性と高精度で高品質の金属箔材を製造するためのマイクロ圧延における影響因子を解明することを目的とし、以下の事項について検討する。(1)FEAモデリングとその実験的検証:まず実験結果に適合できるFEMモデル提案を行った。三次元表面性状を考慮したストリップをモデル化してその圧延時の表面性状の変化をマイクロトライボロジーの観点からFEMシミュレーションを実行した。まだ十分な成果は出ていないが着実に進捗している。マイクロ圧延実験を効率的に実施・検討するため、マイクロ異周速圧延機の試作に取り掛かっている。(2)極薄ストリップのマイクロ圧延実験によるマイクロトライボロジー評価実験:マイクロ圧延実験から表面品質、摩擦係数、製品精度の評価と金属箔の材料評価試験を行い、一部の基礎データ収集を行った。(1)マイクロ異周速圧延機の試作開発と供試箔材の材料評価試験:昨年度

開発したマイクロ圧延FEMモデルの実験的検証のため、異周速圧延が可能なマイクロ圧延機の設計試作に初めて成功した。その後の性能評価により所望の圧延機特性が得られていることを確認した。供試材として用いた金属箔(ステンレスSUS304)の焼なまし処理によってマイクロ圧延で重要な材料因子である結晶粒径、変形抵抗の異なる箔材を製造し、引張試験でその力学特性を得た。(2)マイクロ圧延におけるマイクロトライボロジーの観点からの素材表界面の変形観察と評価:上記供試箔材を用いたマイクロ異周速圧延実験を行い多くの実験データを収集した。その結果、種々の摩擦速度や箔厚の条件における表面アスペリティ部の変形挙動観察から、マイクロ圧延中の油膜厚と真実接触面積の変化を調査し、マイクロ圧延中の表面粗さ進展挙動が潤滑条件の影響を受けることを明らかにした。これは高品位な金属箔を得るための重要なマイクロ圧延における具体的な技術知見の一つである。(3) FEAモデルの妥当性評価:マイクロ圧延3次元FEM解析による表面あら進展と摩擦潤滑特性は定性的には妥当な結果を得ることができた。しかし表面アスペリティの塑性変形をFEAで十分にシミュレートできていないため、詳細な議論ができる段階まで至らなかった。10月末から来日して間もないことと環境に慣れる時間も考えると、研究の進捗は概ね順調との評価も可能である。実際、表面性状を考慮した三次元マイクロ圧延のモデリングは予定どおり進めることができている。しかし、マイクロ圧延実験が予定どおり進めるまでには至っていない。当初はマイクロ圧延実験に関して引抜き試験機を改良した簡単なモデル実験で対応しようとしたが、それでは十分な極薄ストリップが製造できず、その対応に予想以上に時間を要したためである。現在では、異周速まで可能なマイクロ圧延機の試作開発と、外部機関の圧延機を用いた極薄圧延実験が行えるようになり、実験に着手してデータも得られるようになっている。当初の目的は得られた成果から大枠達成できており、成果として審査付ジャーナル論文1編、国際会議2件の発表を行うことができたことから、おおむね順調と評価した。まだ細かな点では残されている問題、十分な結果が得られていないところもあるが、残りの研究期間で解決したい。1)上記のとおり、マイクロ圧延実験に関しては、異周速圧延が可能なマイクロ圧延機の試作を進めており、これによって本実験が学内で実施できるようになり、計画に従って研究を進めることができると考えている。2)その試作開発までは外部機関で圧延実験ができるようになり、綿密な実験計画を立てることによって所望の検討成果が得られるようになると考えている。3)表面性状を考慮した三次元マイクロ圧延シミュレーションは実験検証がまだできていないが、有効性が検証できれば、急速に研究が進むものと考えている。現状での定性的な評価であれば、かなり妥当なみなせる結果が得られている。早目の検証実験を計画している。マイクロ圧延の3次元FEMシミュレーションは工具接触による塑性変形を考慮した表面あれ進展をまだ十分に表現できていない。
シングルナノ粒子の複合化ボトムアップによる３次元界面機能デザイン

シングルナノサイズの酸化物粒子の分散と凝集に基づくボトムアップ複合化手法の開発を行い、この方法によって固体酸化物形燃料電池(SOFC)の電極材料であるNiO-YSZ、並びにLSM-YSZ複合ナノ粒子の合成に成功した。これら複合ナノ粒子の集積によって三次元的に広がった三相界面の増大を実現し、従来法に比べて高性能なSOFC電極を得ることができた。塩基性炭酸Zr錯イオンを用いた多成分系共沈法を発案し、この方法によっても均質なNiO-YSZ複合ナノ粒子の合成に成功した。このNiO-YSZ複合ナノ粒子を用いてアノード支持型SOFCを作製した結果、電極のナノ構造化等によって電力密度の向上が観察された。固体酸化物形燃料電池(SOFC)に代表される電気化学関連のエネルギーデバイスにおいて、多くの場合、機能発現の場は二つの異なる固体と気相が交わる界面(三相界面)近傍であり、三相界面の増大がデバイスの高性能化をもたらす。三相界面の有効な増大はそれら異なる二つの固体がナノスケールにまで微細化し、さらにそれらが三次元の多孔質なネットワーク構造を形成することで可能になる。このナノ複合多孔構造を具体的に作り上げるプロセス技術として、本研究ではシングルナノ粒子を用いた複合化ボトムアッププロセスの開発を行う。さらに、高活性なSOFC複合電極の創製も試みる。平成23年度は化学溶液法によって合成した8mol Y_2O_3ドープZrO_2(YSZ)のシングルナノ粒子をモデル粒子として、複合化ボトムアッププロセスの基礎的検討を実施した。まず、シングルナノサイズのYSZ粒子の水中での分散凝集挙動を調べ、高いイオン強度下における溶媒和力と分散安定性、およびフラクタル凝集性とゲル化能などについての知見を得た。次に、3次元的網目状に凝集させたYSZ粒子上に金属塩を析出させ、それを熱分解させるアプローチで、ナノ複合粒子の合成を試みた。その結果、二つの粒子相がほぼ均質に配置するNiO-Ysz複合ナノ粒子を合成することができた。さらに、このNio-YSZ複合ナノ粒子の多孔質アセンブリと選択還元により、SOFCアノードとなるNi-YSZ多孔質電極を作製した。このアノードは三相界面の増大により、従来技術と比べてより高いアノード性能を示した。固体酸化物形燃料電池(SOFC)に代表されるエネルギー変換デバイスでは多くの場合、機能発現の場は二つの異なる固体と気相が交わる界面(三相界面)近傍であり、三相界面の拡張がデバイスの高性能化をもたらす。本研究ではこの三相界面の拡張を目的に、シングルナノ粒子を用いた複合化ボトムアッププロセスの開発とそれによる高活性なSOFC三次元界面機能の創製を行う。平成25年度は平成24年度に得られた知見に基づいて、独立分散したシングルナノ粒子と金属イオンが溶解した前駆体水溶液からシングルナノ粒子が物理的に架橋した骨格上に金属塩として析出する方法を確立した。このとき、(CH3)4NHCO3や(CH3)4NOHの有機塩基を助剤として加えることが、収率並びにナノレベルの複合化に有効であることを明らかにした。これにより、SOFCの代表的なアノード、カソードであるNiO-8mol Y2O3ドープZrO2(YSZ)、La0.2Sr0.8MnO3 (LSM)-YSZなどを合成することに成功した。また、得られた複合ナノ粒子を集積・厚膜化するコロイドプロセスと電極形成のための多孔質焼結プロセスを確立した。電解質支持型SOFCセルにおいて、三相界面の拡張に起因する電極反応抵抗の低減を観察するとともに、アノード支持型SOFCセルでは出力電力密度の向上が見られた。さらに、NiO-YSZをモデル系として、その配合比が微構造と電気化学特性に及ぼす影響を調べ、三相界面の拡張に不可欠な配合条件を明らかにした。その他、炭酸ジルコニウム錯体を用いることで、前駆体水溶液から均質な多元系沈殿物が得られることを見出し、NiO-YSZやLSM-YSZの複合ナノ粒子の合成に成功した。固体酸化物形燃料電池(SOFC)に代表される電気化学関連のエネルギーデバイスにおいて、多くの場合、電気化学反応場は二つの異なる固体と気相が交わる界面(三相界面)近傍であり、機能界面のデザインや三次元集積などがそれらデバイスの高性能化をもたらす。そこで本研究では、3次元界面機能デザインに資する複合化ボトムアッププロセスの開発を目的としている。平成24年度は平成23年度に得られたシングルナノ粒子の分散凝集特性に関する知見に基づいて、溶媒中でのそれらシングルナノ粒子のゲル化(3次元ネットワーク構造の形成)、並びにそのネットワーク構造上への異相ナノ粒子の複合化プロセスに関する検討を進めた。

具体的には、YSZシングルナノ粒子が完全分散した水系コロイドに金属イオンを共存させ、この状態からYSZゲル骨格上に、第二ナノ相を複合化する方法について検討した。さらに、得られた複合ナノ粒子の微構造解析を行うとともに、複合ナノ粒子を用いた機能性多孔体の作製も試みた。モデル材として、SOFCカソード材料であるYSZ-とLa0.2Sr0.8MnO3 (LSM)の複合ナノ粒子の合成を試みた。その結果、YSZとLSMの粒子相がほぼ均質に配置し、且つ両者の3次元的なネットワークを有する複合構造を得た。このYSZ-LSM複合ナノ粒子をスラリープリンティングと焼成により3次元集積してSOFCのYSZ-LSMカソードを作製した。100nm程度の結晶粒から構成される、3次元に拡張した三相界面がこのカソードに形成され、従来技術と比べてより高いカソード性能が観察された。また、ナノシートなどの異方性ナノ粒子の合成、並びにそれらの分散凝集挙動の実験的検討も進め、本研究の複合化ボトムアッププロセスに必要なナノ分散・凝集技術に関する知見を得た。平成23年度の主な研究目的は、「シングルナノ粒子の分散凝集挙動の解析等を通して、シングルナノ粒子を用いた複合化ボトムアッププロセスの開発を行うこと」であった。「9.」で示したように、この目的は概ね達成されており、研究は順調に進展している。25年度が最終年度であるため、記入しない。平成24年度はシングルナノ粒子とナノチューブやナノシートなどの異方性ナノ粒子の分散凝集挙動の解析等を行い、本研究の複合化ボトムアッププロセスに必要な分散技術の確立を目指すとともに、水溶媒中でのそれらナノ粒子の3次元ネットワーク構造の形成、そしてそのネットワーク構造上への異質ナノ粒子複合化プロセスに関する基礎的検討を進めること、さらに、複合ナノ粒子の積層化による機能性複合多孔膜の作製と評価を行うことを目的とした。【研究実績概要】で示したように、これらの研究目的は概ね達成されており、研究は順調に進展している。平成24年度はシングルナノ粒子の3次元ネットワーク構造の形成、並びにそのネットワーク構造上への異相ナノ粒子の複合化プロセスに関する検討を進める。さらに、複合ナノ粒子の積層化による機能性複合多孔膜の作製と評価も試みる。また、ナノシートなどの異方性ナノ粒子の分散凝集挙動の解析等を行い、複合化ボトムアッププロセスに必要なコロイド技術の確立を試みる。平成25年度は前年度までに得られた知見に基づいて、シングルナノ粒子の複合化ボトムアッププロセスの確立を進めるとともに、このプロセス技術をSOFC電極の3次元機能界面構築に展開するとともに、その電気化学特性等の解析を進めることにより、ナノスケールの3次元界面機能デザインに関する知見を得ることを目的とする。後者においては、シングルナノ粒子の複合化ボトムアッププロセスにて得られる複合ナノ粒子を用いてSOFC電極を作製する上で必要なプロセス開発を行う。具体的には、コロイドプロセスを用いて複合ナノ粒子を集積・厚膜化する湿式コーティングプロセス、および電極形成のための焼結プロセスの検討を行う。