hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
高精細3D再構築画像を用いたインタラクティブ電子教材の開発と生命科学教育への活用

初年度に確立した立体再構築画像作成に必要不可欠な一連の処理法を用いて、stage 51とstage 59のアカハライモリ幼生の腰部の立体再構築画像を作成した。stage 51幼生では956枚の連続切片を、また、stage 59幼生では917枚の連続切片を用いた(いずれも切片の厚さは1マイクロメートル)。立体再構築画像の作成には至っていないが、これらのstageのほかに、stage 30, 41, 60の幼生でそれぞれ数十枚の切片を作成した。さらに、透過型電子顕微鏡観察およびアルシアンブルー染色による骨化と軟骨形成の様子も調べ、アカハライモリの発生過程における椎骨の形態形成機構を解析した。その結果、(1)stage 51幼生では脊索の分節化は始まっていたが、骨化は開始していないこと、(2)stage 5759にかけて、脊索の分節化はさらに明瞭になると共に、骨化が始まっていること、(3)椎弓領域では軟骨をひな形とする軟骨外骨化の様式をとる一方で、椎体部分では軟骨をひな形としない膜内骨化の様式をとることが明らかになった。さらに、作成した立体再構築画像は様々な部位の構造を全体との関連で観察することが可能で、高等教育における教材として使用に耐える高品質なものを作ることが出来た。問題点も幾つか見つかった。高分解能バーチャルスライド作成では、高開口数の対物レンズを使用するため、1切片あたり数百数千枚の写真撮影が必須である。複数の試料に対して、これを手動で行うのは不可能ではないが非現実的である。さらに、大容量データセットから3D再構築画像を作成するには、現有のワークステーションでは不可能であった。当初の予定にはなかったが、2種のウニの胞胚プリズム幼生、各発生段階のニワトリ胚のエポキシ樹脂包埋試料を作成することができた。stage 51および57のアカハライモリ幼生尾部については、当初の予想を上回る高精細な立体再構築画像を作成することができた。さらに、他の顕微鏡法や染色法を組み合わせることにより、アカハライモリの椎骨形成のしくみの一端を解明できた。腎臓と唾液腺については、立体再構築画像を作成するには至らなかったが、2種のウニの胞胚からプルズム幼生、さらには、複数の発生段階のニワトリ胚をエポキシ樹脂に包埋することができた。以上のことから、おおむね順調に進展していると判断した。当初の予定通り、1つでも多くの発生段階のアカハライモリ胚の立体再構築画像を作成する。加えて、腎臓、唾液腺、アカウニ胚、バフンウニ胚、ニワトリ胚についても可能な限り多くの立体再構築画像を作成する。これと並行して、作成した立体再構築画像を授業で効果的に利用する方法(学生への提示法を含む)を確立する。3D再構築画像データをさらに有効利用するためには、構造全体および特定の構造の抽出(サーフィスレンダリング像作成)を高い精度で行う必要がある。そこで、人工知能を活用した構造抽出のための実現可能性の高い具体的方法を探る。両生類胚(変態直前の時期の胚)を対象に,(1)最適な試料作成法の確立,(2)連続切片の効率的回収法の確立,(3)光学顕微鏡写真の撮影,(4)写真の連結法の確立,(5)連結写真の圧縮法の確立,(6)全写真の向きの整列法の確立を行うことを目標に研究を開始した。その結果,(1)グルタールアルデヒドとフォルムアルデヒドの混合固定液に浸漬するだけでは胚内部の固定が不十分であり,これを解消するためには,上記の固定液とマイクロウェーブの併用が効果的であることが分かった。また,(2)連続切片の効率的回収を目指して,独自の装置の試作・改良を行い模索したが,結果的にうまくいかなかった。現在のところ,作成した切片を1枚ずつ拾い上げるという原始的な方法が最も高い確率で全切片を回収できるという結果に落ち着いている。ただし,切片を回収するためのまつ毛プローブには独自の工夫を施した。また,当初,0.5マイクロメートルの厚みの切片を作成して実験を進める予定であったが,1mmの領域の試料を得るためには2,000枚の連続切片を作成する必要があり,効率的切片回収法を確立する目的には非現実的であったので,切片の厚みは1マイクロメートルに変更した。(3)光学顕微鏡写真撮影に関しては3通りの方法を試した。高精細な画像を得るためには高い開口数を持つ対物レンズを使用することが必須であるが,4倍または10倍の対物レンズでの撮影も行った。(4)写真の連結,(5)連結写真の圧縮,および(6)全写真の向きの整列は,IMEやImageJなどのフリーソフトを利用することで問題なく実施可能であることが確認できた。約1,000枚の連続切片は50枚100枚のスライドグラス上に回収されている。これら全ての切片をできるだけ均一に染色する方法も考えねばならないことが途中で判明したが,これについても可能な方法をほぼ確立した。研究実績の概要に記した(1)(6)の項目について検討を行い,一部で研究開始前の予想とは異なる結果に至ったものもあったが,おおむね順調に進展している。

stage 51幼生では956枚の連続切片を、また、stage 59幼生では917枚の連続切片を用いた(いずれも切片の厚さは1マイクロメートル)。立体再構築画像の作成には至っていないが、これらのstageのほかに、stage 30, 41, 60の幼生でそれぞれ数十枚の切片を作成した。さらに、透過型電子顕微鏡観察およびアルシアンブルー染色による骨化と軟骨形成の様子も調べ、アカハライモリの発生過程における椎骨の形態形成機構を解析した。その結果、(1)stage 51幼生では脊索の分節化は始まっていたが、骨化は開始していないこと、(2)stage 5759にかけて、脊索の分節化はさらに明瞭になると共に、骨化が始まっていること、(3)椎弓領域では軟骨をひな形とする軟骨外骨化の様式をとる一方で、椎体部分では軟骨をひな形としない膜内骨化の様式をとることが明らかになった。さらに、作成した立体再構築画像は様々な部位の構造を全体との関連で観察することが可能で、高等教育における教材として使用に耐える高品質なものを作ることが出来た。問題点も幾つか見つかった。高分解能バーチャルスライド作成では、高開口数の対物レンズを使用するため、1切片あたり数百数千枚の写真撮影が必須である。複数の試料に対して、これを手動で行うのは不可能ではないが非現実的である。さらに、大容量データセットから3D再構築画像を作成するには、現有のワークステーションでは不可能であった。当初の予定にはなかったが、2種のウニの胞胚プリズム幼生、各発生段階のニワトリ胚のエポキシ樹脂包埋試料を作成することができた。stage 51および57のアカハライモリ幼生尾部については、当初の予想を上回る高精細な立体再構築画像を作成することができた。さらに、他の顕微鏡法や染色法を組み合わせることにより、アカハライモリの椎骨形成のしくみの一端を解明できた。腎臓と唾液腺については、立体再構築画像を作成するには至らなかったが、2種のウニの胞胚からプルズム幼生、さらには、複数の発生段階のニワトリ胚をエポキシ樹脂に包埋することができた。以上のことから、おおむね順調に進展していると判断した。初年度の研究において,試料の固定から始まり,3D再構築画像を作成するまでの一連の全過程で必要な方法は見出すことができた。2年目は,当初の予定通り,初年度に確立した方法を用いて,より多くの構造の3D再構築画像を作成することを目指す。さらに,作成した再構築画像から目的の構造のみを取り出す(セグメンテーションとよぶ)方法の確立も目指す。教材としての利用を考えると,セグメンテーション法の確立を避けて通る訳にはいかない。これらを実施するにあたり,本研究の目的のひとつでもある徹底的なフリーソフトの利用を目指すことは当然であるが,市販の3D再構築画像作成ソフトウエアも有効に利用する。これにより,フリーソフトの利用により何ができて何ができないのかを明確にすることができるとともに,フリーソフトを利用して作成した3D再構築画像やセグメンテーション画像の正確性の検証を行うこともできる。当初の予定通り、1つでも多くの発生段階のアカハライモリ胚の立体再構築画像を作成する。加えて、腎臓、唾液腺、アカウニ胚、バフンウニ胚、ニワトリ胚についても可能な限り多くの立体再構築画像を作成する。これと並行して、作成した立体再構築画像を授業で効果的に利用する方法(学生への提示法を含む)を確立する。3D再構築
星状神経節アブレーションを用いた新しい心不全治療の試み

心不全における心臓自律神経活動と不整脈の因果関係を明らかにし、交感神経活動亢進が様々な頻脈・徐脈性不整脈の発生維持のみならず、心室再分極の延長とばらつきなど不整脈器質を明らかにした。この結果から、両側交感神経節(胸髄2から4番レベル)をアブレーションにより交感神経遮断したところ、心房・心室の頻脈・徐脈性不整脈が有意に減少し、心不全合併不整脈に対する交感神経遮断の有効性を明らかにした。心不全治療において、β-ブロッカーが予後の改善に寄与することが明らかとなり、神経体液性因子のみならず、自律神経に対する介入の効用が明らかとなった。しかしながら従来、心臓自律神経が実際にどのように活動し、不整脈発生などに関与しているかは不明であった。研究代表者らは自由活動犬において、正常時と心不全時の交感神経、左迷走神経と体表面心電図の長時間直接同時記録に成功し自律神経活動と心拍の関係と特徴を明らかにした。交感神経活動は有意な日内変動をもち、発作性心房頻拍の86%は交感神経・副交感神経の同時発火により、心室期外収縮の78%は交感神経発火により発生し、洞停止の56%は交感神経発火による頻脈とそれが急停止した直後に発生することが明らかとなった。つまり心不全に合併する徐脈性・頻脈性不整脈のほとんどは交感神経の発火が関与して発生していることが明らかとなった。これらの結果からこの心不全モデルに対して、中枢からの交感神経端末としての中心をなす両側胸部星状神経節をアブレーション(胸腔交感神経遮断術)したところ、心不全のみ群に比し洞停止は有意に減少し、発作性心房頻拍は消失するなど極めて有効であることが明らかとなった。また心不全のみ群には見られなかったが、両側胸部星状神経節アブレーション群にのみ、迷走神経が孤立性に活動亢進することなどの特徴が観察された。今後、心不全の機能的予後の改善にも有効であることが期待できる。心不全において自律神経、ことに交感神経に対する介入が、症状や生命予後を改善すること、交感神経β受容体遮断薬の有用性が確立している。我々はペーシング誘発性心不全犬を用いて、自由運動下の交感神経、迷走神経、体表面心電図直接同時記録を施行し、心不全における様々な徐脈性また頻脈性不整脈の発生に交感神経活動亢進が関与していることを明らかにした。さらに我々は、体表面心電図における心室再分極相を表すQT間隔が、正常時とは異なり、心不全時には交感神経活動亢進とともに延長することを報告した。つまり、心不全における交感神経活動亢進が、不整脈の発生、維持のみならず、心室においてdown regulationしたカリウムチャネルにより延長し、空間的にばらついた再分極相を持つ不整脈基質(素地)をさらに悪化させることを明らかにした。また、心臓における中枢からの交感神経活動亢進の主たる経路である星状神経節をクライオアブレーションし、心不全合併不整脈を改善させる治療法であることが明らかにした。これらのことから胸腔内の胸椎(Th2-4)星状神経節アブレーションが、心不全患者において、少なくとも不整脈を介した生命予後の改善に寄与できることが明らかで、心臓に対する交感神経活動亢進をほぼ心臓だけの単臓器のみ遮断するため、ほとんど合併症なく、合併不整脈、心機能、生命予後の改善に寄与することが期待できる。心不全はしばしば洞機能不全を合併する。我々は高頻度心室ペーシング誘発心不全犬において、ヒト心不全・マウスと共に酸化カルモジュリンキナーゼII(ox-CaMK II)が洞不全症候群のバイオマーカーであること、また洞機能不全の分子生物学的機序にox-CaMK II誘発性洞房細胞死が影響していること、CaMK II阻害が洞機能不全の予防に有用である可能性を報告(J Clin Invest. 2011;121:3277-3288)した。また同様の心不全犬の自由行動下の交感神経活動、迷走神経活動と体表面心電図の直接同時記録では、正常心機能時には全く観察されなかった洞停止・洞徐脈などの洞機能不全エピソードが心不全犬のみ観察でき、この洞停止エピソードの多くが交感神経活動亢進と突然の停止それに伴う頻脈と洞停止(オーバードライブサプレッション)により発生していることを観察した。この心不全犬は組織病理学的検討で洞結節を含む心房組織に著明な間質の線維化を呈していたが、一方で洞停止エピソードの90%以上は夜間に発生し、昼間にはほとんど観察されなかった。このことは心不全で線維化しリモデリングが進行した心房は神経リモでリングも惹起し自律神経の影響を受けて病的洞徐脈が発生することを示している。この結果から心臓に対する両側胸腔内の交感神経節(胸椎2-4レベル)をアブレーションし観察したところ、発作性心房頻拍のみならず、洞停止エピソードは有意に減少した。
トポイソメラーゼ機能制御と乳児白血病、二次性白血病に関する研究

がんは環境因子と遺伝的要因によって発生する。これを証明する方法は多くない。我々は二次性白血病でMLL遺伝子の異常がトポII阻害剤でおこること、また乳児白血病でもMLL遺伝子異常が高頻度に見られることから、乳児白血病は発がんにおける環境要因を明らかにするよいモデルであることを明らかにした(Cancer Res 61(6):2542-6.2001)。一方このような環境負荷のもとでがんを発症する個体としない個体があることに注目して遺伝的要因の解明に至ろうとしている。今回の研究によって環境、遺伝、発がんの流れが解明されると期待され、小児科領域のみならず発がん研究全体に対するインパクトは大きい。乳児白血病患者においてMLL遺伝子異常の頻度が高く、この現象がTopoisomerase II αインヒビターによって引き起こされる二次性白血病でも認められることと、過去の研究においてAT患者細胞がTopoIIインヒビターに高感受性を示すことから乳児白血病患者におけるATM異常の関与を疑い、遺伝子の解析を行い、1例でミスセンス変異を認め、このミスセンス変異が正常ATMの機能を抑制するドミナントネガティブ効果もつことを見いだした。ATMは細胞周期チェックポイントの重要な分子であることから、G2/M期、ならびにスピンドルチェックポイントとMLL遺伝子の切断の関係をMLLの5'側、3'側をプローブとしたFISH法により解析した。その結果、正常細胞ではTopoIIインヒビターによってMLL遺伝子の切断とcleavable complex形成がおこるが、細胞周期はM期をこえず、MLL遺伝子の切断端の位置が変化することはないが、ATM欠損細胞ではM期からG1期へ進行する細胞集団が存在すること、さらにG1期へ進行した細胞においで染色体のダイナミックな変化がおこり、MLLの切断端の位置か大きく変化することを発見した。このことはTopoIIインヒビターによるDNA二重鎖切断の修復と細胞周期チェックポイントの正しい制御が染色体異常の進展を防ぐ重要な要因であることを物語っている。
高機能蛍光標識を複数用いた混相流の可視化画像計測法の開発

流体中に固体の粒子が懸濁した固液混相流について,流体の速度と粒子の位置の情報を同時に得るための可視化画像計測システムの構築を,本年度は発光ピーク波長の異なる2色の蛍光染料を用いたシステムヘの拡張を中心に行い,低レイノルズ数領域で静止流体中を浮上する球群の運動と周囲の流れ場の同時計測を行った.この結果,以下の知見を得た.1.(1)蛍光条科Marina Blue/紫外線発光ダイオード/ダイクロイックブルーフィルタ(<475nm)+シャープカットフィルタ(>420nm),(2)蛍光微小球Fluoresbright(NYO)/アルゴンイオンレーザー(514.5nm)/シャープカットフィルタ(>540nm),の組合せをそれぞれ球および流れ場に適用することにより,蛍光画像を分離して撮影することができた.2.2台のカメラを用いて,二次元のカメラ座標と三次元の物理座標をダイレクトマッピングで関係付けることにより,対象とカメラ間の容器壁面で屈折が生じる場合でも適用可能な,回転を含む粒子運動の三次元計測システムを確立した.3.流れ場の計測において,屈折率整合を行った結果,シート光を横切る粒子背後にできる影の部分による速度場の欠損がなく,またシート面とカメラの間に位置する球の背後の速度場も得られた.4.単独球の場合は回転を伴わずに浮上していくのに対して,球群の運動では,粒子同士が流体力学的な相互作用をするため,時間の経過とともに配置を変化させ外向きの回転運動を伴いながら上昇していく様子が捉えられた.以上より,本計測手法は時々刻々三次元的に配置を変える球群の連動と流れ場の解析に適用できると考えられる.今後は,レイノルズ数がこれよりも高い場合やせん断流中における粒子群と流れ場の計測に発展させていく予定である.流体中に固体の粒子が懸濁した固液混相流について,流体の速度と粒子の位置の情報を得るための可視化画像計測システムの構築を行った.本研究では,低レイノルズ数領域における粒子群の相互作用が支配的な流れを対象とし,懸濁粒子には直径6mmのアクリル球,流体には,粒子が可視化の障害とならないようにするために,グリセリンにヨウ化カリウムを添加してアクリル球の屈折率と整合したものを使用した.単独球および球群の浮上実験の結果,球のレイノルズ数は1よりも十分に小さいことを確認した.粒子の並進および回転運動を可視化するために,アクリル球の表面に紫外線によって青い蛍光を発するMarina Blueを2ヶ所埋め込みマーカーとした.粒子運動の可視化用の光源には,紫外線発光ダイオードをビデオ信号と同期して発光させる方法が有効であることがわかった.これを2台のCCDカメラでステレオ撮影し,三次元的な位置を測定するための光学系およびソフトウェアの開発を行った.一方,流れ場については,アルゴンイオンレーザのシート光を照明に用い,流体に混入したトレーサ粒子を,光学フィルタによってアクリル球のマーカーと分離して撮影し,球の運動と二次元平面内の流れ場を同時に測定する計画である.次年度は,この2色のシステムを比較的少数の粒子群が流体中を浮上するときの問題に適用するほか,沈降した粒子群がせん断流の中で相互作用によって再び懸濁する問題について,大量の粒子を用いた実験を行い,粒子運動の乱れ強さの分布や粒子を含む領域の平均流のプロファイルについて調べる計画である.このとき,粒子運動の可視化用のマーカーをつけた少数の粒子とは別に,粒子分布を調べるために異なる蛍光を発するマーカを全粒子に対してさらに加え,計3色のシステムに発展させていく.流体中に固体の粒子が懸濁した固液混相流について,流体の速度と粒子の位置の情報を同時に得るための可視化画像計測システムの構築を,本年度は発光ピーク波長の異なる2色の蛍光染料を用いたシステムヘの拡張を中心に行い,低レイノルズ数領域で静止流体中を浮上する球群の運動と周囲の流れ場の同時計測を行った.この結果,以下の知見を得た.1.(1)蛍光条科Marina Blue/紫外線発光ダイオード/ダイクロイックブルーフィルタ(<475nm)+シャープカットフィルタ(>420nm),(2)蛍光微小球Fluoresbright(NYO)/アルゴンイオンレーザー(514.5nm)/シャープカットフィルタ(>540nm),の組合せをそれぞれ球および流れ場に適用することにより,蛍光画像を分離して撮影することができた.2.2台のカメラを用いて,二次元のカメラ座標と三次元の物理座標をダイレクトマッピングで関係付けることにより,対象とカメラ間の容器壁面で屈折が生じる場合でも適用可能な,回転を含む粒子運動の三次元計測システムを確立した.3.流れ場の計測において,屈折率整合を行った結果,シート光を横切る粒子背後にできる影の部分による速度場の欠損がなく,またシート面とカメラの間に位置する球の背後の速度場も得られた.4.単独球の場合は回転を伴わずに浮上していくのに対して,球群の運動では,粒子同士が流体力学的な相互作用をするため,時間の経過とともに配置を変化させ外向きの回転運動を伴いながら上昇していく様子が捉えられた.以上より,本計測手法は時々刻々三次元的に配置を変える球群の連動と流れ場の解析に適用できると考えられる.今後は,レイノルズ数がこれよりも高い場合やせん断流中における粒子群と流れ場の計測に発展させていく予定である.
ポリマーテンプレートを利用して作製した銅ナノシリンダーの電界放射材料への応用

次世代デバイスとして期待される電界放射型デバイスとしての性能は、銅シリンダーの構造(長さ、径)、密度、シリンダーの間隔等に大きく左右されると思われる。そこで、この銅シリンダー構造を作製する為のテンプレートの材料として、本研究ではブロックコポリマーを用いる。従来、陽極酸化法により作製したアルミニウムの多孔質構造をテンプレートとして、そこに異なる金属を析出する研究例はある。しかしながら、孔の大きさを制御することが容易ではなく、50nm以下の孔構造を作製することは難しい。さらに、金属析出後にテンプレートのアルミニウムを取り除くことが困難である。一方、ブロックコポリマーは、2種類のポリマーが相分離を起こすことによってナノ構造を形成するもので、ブロックコポリマーの分子量、2種類のポリマーの比率等を変化させることで、様々な構造、サイズを制御できるものである。そこで、本研究ではポリスチレン(PS)とポリメチルメタクリレート(PMMA)から成るブロックコポリマーをテンプレートの材料として用いる。ブロックコポリマーとトルエンの3wt%混合溶液をITO基板上に150μl塗布し、スピンコーター(2000r.p.m.10s+3000r.p.m.60s)で広げた後、真空下、温度170度で24時間アニールを行う。アニール後の基板へVUV照射を行なった後、超純水へ浸漬し、PMMAを除去する。次に、ITO基板上へ作製されたブロックコポリマーのテンプレートを用いて銅の電析を特う。その後再びVUVを照射してPSを除去することで、基板上にシリンダー構造を作製し、AFMと走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて観察する。作製されたテンプレートの電流密度を測定し、評価した結果、銅ナノシリンダーテンプレートの作製が確認できた。本研究課題では、ポリスチレン(PS)とポリメチルメタクリレート(PMMA)の2種類から成るブロックコポリマー(BC)を用いてナノオーダーの多孔質構造を形成し、それをテンプレートに用いて金属のシリンダー構造を電気めっき法により作製するプロセスにおいて,(1)ナノオーダーのテンプレート作製の為の前処理方法の提案,(2)銅シリンダー構造作製の為の最適めっき法・条件の提案,(3)電界放射型材料としての銅ナノシリンダー構造の特性評価及び最適構造の分析,を行うことを目的とし,以下に平成16年度の研究成果を列挙する.1.エキシマランプを用いて親水化させたシリコン基板表面にスピンコーティングしたBC膜を,170°Cで保持された真空炉で24時間アニール処理することで,相分離構造したBC膜が得られることを示した.また,この構造は,原子間力顕微鏡を用いて,PSとPMMAの摩擦力の違いを評価することで確認可能であることを示した.2.さらに,102Paの雰囲気下でBC膜に波長172mmの真空紫外光を照射することで,PMMAが優先的に除去され,PSマトリックスから成るナノテンプレートの形成が可能であった.これは,PMMAとPSの分子構造の違いから,真空紫外光に対してPMMAの方がPSよりエッチング速度が早いことを利用した,また,形成されたナノポーラスの径は10-30nmであり,10×10mm2の基板全体に形成可能であることを示した.3.PMMAが除去されたナノポーラス領域に選択的にアミノ基終端の有機薄膜を形成し,無電解めっきの触媒となるパラジウム微粒子を選択的にナノポーラス領域に固定化することが可能であった.さらに,銅の無電解めっきにより1025nm径3.04.2nmの高さの構造を持つ銅のドット構造の作製が可能であることを示した.次世代デバイスとして期待される電界放射型デバイスとしての性能は、銅シリンダーの構造(長さ、径)、密度、シリンダーの間隔等に大きく左右されると思われる。
近代フランスにおける陶磁研究とシャンフルーリ

シャンフルーリは、1850年頃から約20年かけてフランス革命期につくられた民衆的なファイアンスを収集した。総計547点に及ぶそのコレクションは、民衆的なファイアンスの収集・研究を促し、収集品を革命のシンボルによって分類した彼の研究は、革命史研究に資することになった。セーヴル時代(1872-1889)のシャンフルーリの交友関係は極めて広く、彼は内外の収集家・研究者の協力を受けて、国内外の陶磁器及びそれに関する文献の収集に尽力した。本研究を通して実施した調査において、小説家・美術批評家として知られるシャンフルーリの陶磁史家としての活動が、フランスの陶磁研究の発展に大きく貢献するものであったことが判明した。4年間の研究期間を設定する本研究では、以下に列挙した3つの項目を解明することを目的として、一次資料の調査を進める。(1)フランス革命の陶器に関するシャンフルーリの収集、および研究の内容とその意義(2)セーヴル時代のシャンフルーリの収集および研究活動の内容とその意義(3)シャンフルーリと世界各国の陶磁収集家・研究者との間で築かれていた情報ネットワークの実態シャンフルーリは、1850年頃から約20年かけてフランス革命期につくられた民衆的なファイアンスを収集した。1、平成20年度の調査では下記の事項を確認し、目下それらの研究成果を報告するための論文を執筆中である。(1)シャンフルーリによる「フランス革命の陶器」に関する研究内容フランス革命の陶器の絵付けにみる「自由の木」や「自由の帽子」などのシンボルや「平等」「祖国」などの文字が、日常生活の領域で展開された革命期の政治闘争の高揚や当時の民衆の心性を把握するための歴史資料となりうる点を、シャンフルーリが重視していたことを確認した。(2)シャンフルーリが受理した書簡の調査パリ装飾美術館図書館所蔵「シャンフルーリ関連資料」に含まれる、シャンフルーリに宛てられた書簡の解読により、1858年から1865年にかけてヌヴェールの商人(Barat)から、シャンフルーリがフランス革命の陶器を購入していた事実を確認した。(3)同時代の新聞記事に関する調査パリ装飾美術館図書館所蔵「シャンフルーリ関連資料」に含まれる、シャンフルーリに関する当時の新聞記事の調査により、『革命期における愛国的なファイアンスの歴史』を著した1867年から1870年代にかけての間に、シャンフルーリの陶器研究に対する評価および収集家、陶器研究家としての彼の知名度が高まっていったことを確認した。1、平成21年度の調査では下記の事項を確認し、目下、その成果を報告するための論文を準備中。(1)シャンフルーリの著書『革命期における愛国的なファイアンスの歴史』(1867)に関する調査シャンフルーリがフランス各地を旅して約20年間かけて収集したフランスのファイアンスの総数は約600点にのぼる。その大半はヌヴェール産だが、ルーアン、マルセイユ、ムスティエ、リュネヴィル、パリ産のものもある。一連のフランス革命の流れを辿ることのできる貴重な歴史資料的価値のある彼のコレクションをパリ市が一括購入する話もあったが実現せず、1868年春に競売に付されて散逸。このコレクションを基にした研究成果である本書は、好評を博して第3版まで出ており、初版に見られた幾つかの誤りも、第2版において訂正されている。(2)「シャンフルーリ関連資料」(パリ装飾美術館図書館所蔵)の調査シャンフルーリの生活、研究姿勢、交友関係について、次のような情報を得た。シャンフルーリは疲れを知らない収集家としてパリのあらゆる収集家・芸術家に知られており、日曜を除いた毎朝研究に専心し、旅先あるいは通りでは常にメモをとり、その情報を分類した。ファイアンスで埋めつくされたモンマルトルの彼の自宅は、常に訪問者や友人が絶えなかったという。(3)「シャンフルーリ関連資料」(国立セーヴル磁器製造所図書館所蔵)の調査シャンフルイーリは、1872年から1889年にかけてセーヴル製陶所および同博物館の学芸員をつとめた。当時は閑職とみなされた学芸員の職であったが、セーヴルでの彼は、収入源と目録の綿密な調査、およびコレクションの立て直しに尽力した。1、平成22年度の調査では、下記の事項を確認した。(1)シャンフルーリ著『陶磁器文献目録』(1881)に関する調査1872年3月のセーヴル製造所着任直後からシャンフルーリは、陶磁器関連文献の調査・収集に励んだ。その成果をまとめた『陶磁器文献目録』(1881)には、16世紀から19世紀までの世界各国の陶磁器に関する文献の情報が記されている。

同書の序文でシャンフルーリが、一般的な文献目録には陶磁器に関する情報が欠如している点、また当時重版されたオーギュスト・ドゥマン(Auguste DEMMIN)の陶磁器ガイドブックに不備が多い点を指摘しながら、豊富な情報(モノグラフィー等の発行部数の少ない資料を含む)を有し、研究者へ配慮した編集方針に基づいて執筆された自著『陶磁器文献目録』の有用性を謳っているように、同書は当時において画期的な書物であった。(2)「シャンフルーリ関連資料」(セーヴル国立製造所資料館所蔵)の調査1872年から1889年にかけてセーヴルで本格的な陶磁研究に励んだシャンフルーリは、その業務の中で、同僚やウジェーヌ・ピオ(Eugene Piot)をはじめとする内外の多くの陶磁研究者と交流しながら知見を深めた。(3)セーヴル国立陶磁博物館の所蔵品目録の調査セーヴル国立陶磁博物館にまとまった数の日本陶磁器が入るのは1878年パリ万博以降のことだが、それ以前にも日本陶磁器が購入・寄贈された事例がある。1886年6月10日には、パリで活躍した美術商の林忠正が同館を訪れ、所蔵されている日本陶磁器に関する情報(産地・製作年代等)を提供している。1、平成23年度の調査では、下記の事項を確認した。(1)「シャンフルーリ関連資料」(セーヴル国立製造所資料館所蔵)の調査シャンフルーリがセーヴルで学芸員として活躍した時代(1872-1889)に、彼がフランス内外の陶磁研究者、美術商、芸術家などより受けた書簡を閲覧した。その中には日本人の平山成信、林忠正、大英博物館学芸員のフランクス、英国ミントン社で活躍したフランス人芸術家ソロンなど日本美術に関心を寄せていた人物の手紙も含まれる。これらの書簡は、シャンフルーリの広範な交友関係、及び彼と世界各国の陶磁収集家・研究者との間の情報ネットワークの実態を跡付けるための貴重な資料であるが、これまでそれを詳しく調査した者はいない。(2)カルナヴァレ博物館所蔵品に関する調査陶磁器担当の学芸員にお会いし、同館に所蔵されているフランス革命期の陶器(その中にはシャンフルーリ旧蔵のものが多く含まれる)を見学し、それに関する情報(未刊行の先行研究含む)を提供して頂いた。(3)ナンシー市立古文書館における調査シャンフルーリの宿敵でもあった19世紀の作家で収集家のゴンクール兄弟に関する資料を閲覧し、東洋美術に関するメモ、著書の草稿、美術商から美術品を購入した際の領収書等を閲覧した。(4)英国国立美術図書館における調査シャンフルーリと交友のあった大英博物館学芸員のフランクスが、晩年にフランスを訪れた際に同国で見聞した内容を英国の研究者に報告している手紙、及びソロンが著した陶磁研究書等を閲覧した。
多点制御による新規多段階促進型触媒的不斉反応の開発

昨年度に開発した末端アルキンのカルボニル化合物へのインジウム(III)触媒を用いた触媒的付加反応を基盤として、まずその不斉反応への展開の検討を行った。本触媒系の開発にあたっては戦略として反応する2つの基質、すなわち末端アルキンとカルボニル化合物の両方を活性化するデュアルアクティベーションという概念を基盤とした。また、それはin situ IR及びNMRを用いた反応機構解析により、反応系中においてインジウム(III)触媒により末端アルキン及びカルボニル化合物の両方を活性化していることが示され、本反応の鍵であるデュアルアクティベーションが実現されていることがあきらかになっていた。これらの知見を基に、不斉配位子や反応条件の詳細な検討を行った。シクロヘキサンカルボキサアルデヒドとフェニルアセチレンとの反応をモデル反応として検討を行ったところ、不斉配位子としてBINOLを、アミン塩基としてジシクロヘキシルメチルアミンを用いることによって高い選択性及び反応性を示すことがわかった。さらに本反応系は幅広い基質一般性を有していることが明らかとなった。特に、これまでに成功例のなかった芳香族アルデヒドに関しても高い触媒活性を有しており、ベンズアルデヒドとフェニルアセチレンとの反応では2mol%まで触媒量を減じても、化学収率85%、不斉収率96%eeにて目的のプロパルギルアルコールを与えた。またアルキンに関しても、より反応性が低いアルキルアルキン等においても有効な触媒系であることがわかった。現在、さらなる実用性の向上を目指した検討を行っている。多段階反応の開発にあたって、まず基質の選択に腐心した。その結果、多段階反応に必要な多くの反応形式を有しているということと合成化学におけるその高い有用性から、中心となる基質としてアルキンを選択した。そして実用性が極めて高いものの、基質の一般性等、依然開発の余地を大きく残している末端アルキンのカルボニル化合物への触媒的不斉付加反応を第一段階の目標とし、検討を行った。戦略として反応する2つの基質、すなわち末端アルキンとカルボニル化合物の両方を活性化するデュアルアクティベーションという概念を基盤に検討を行った。これを実現するためには性質が大きく異なるこれら2つの基質の両方をいかに活性化できるかが鍵となる。効率的なルイス酸として用いられている3価のインジウム塩が、近年、アルキンを活性化する触媒として機能することが報告されたことに着目し、種々の3価のインジウム塩を用いて検討を開始した。その結果、触媒量のアミン塩基存在下、アルデヒドに対してはInBr_3が、ケトンに対してはIn(OTf)_3が、アキラルな系における末端アルキンの付加反応における極めて有効な触媒であることを見いだした。本触媒系は脂肪族及び芳香族アルデヒド、ケトンに対して適応可能であり、今後更なる基質一般性の拡大を検討していく予定である。またin situ IR及びNMRを用いた反応機構解析により、反応系中においてインジウム(III)触媒により末端アルキン及びカルボニル化合物の両方を活性化していることが示され、本反応の鍵であるデュアルアクティベーションが実現されていることを示すことが出来た。現在、本反応の不斉化に向けた検討を行っており、既に一部の基質において高い化学収率・不斉収率にて目的物を得ることに成功している。
小口分散型再生可能エネルギーの利用を促進する電力取引システムに関する研究

過年度までの経済実験により得られた知見について、総合的な比較考察を行うため、需要のばらつき・天候の変化・天気の予想精度の違いを加味した複数回の経済実験を追加的に実施した。取引参加者として、太陽光発電および蓄電池を設置した家庭を想定し、数世帯規模の世帯間取引を712日間程度行い、価格や取引量の変化を分析した。晴天時発電量が消費電力量2世帯分程度かつ蓄電池設置容量が晴天時発電量の3日分程度の場合、雨天や晴天の23日程度の連続によって価格変動が起こりうることを確認した。また、1日の家庭の需要パターンの違いや天気の予見可能日数の差異は最終的な取引結果に大きく影響を及ぼさないことが示唆され、これは各家庭における蓄電池設置の効果であると考えられた。加えて、取引形態として当日市場に加えて2日後の電力取引を加えた場合を想定して経済実験を行い、同取引のないケースと比較を行った。その結果、取引参加者にとって取引機会が増大し、取引量が増加するとともに、電力不足時の価格高騰が抑えられる傾向があることを確認した。さらには、市場形態のひとつとして、小規模再エネ事業者と消費者による取引市場を想定し、そこにCO2排出権取引が加わった場合の市場および消費者の行動についての経済実験によるシミュレーションモデルの検証も行った。排出権取引の設定により、設定した排出削減目標が達成できなかったケースはなかったが、電力需要量に対する再生可能エネルギーの供給可能量の比率によって、消費者もしくは発電事業者のどちらがプライスメーカーとなりうるかが異なることが確認できた。電力取引シミュレーションに必要な基礎的工学データ・社会科学データの整備を進めた。工学的データでは、下記2点について既往研究、関連データを参考にデータを整備した。1.再生可能エネルギーの導入ポテンシャル:気象官署・アメダスレベルの過去の気象情報をもとに、地理情報システム(GIS)を用いたレベルでの太陽光発電・風力発電の発電量を推計した。また、マイクログリッド導入にかかる設備コストや投入資材量に関するデータを収集・整備した。2.マイクログリッド・蓄電池の運転特性:マイクログリッドや個別施設に付属する蓄電池の充放電特性や送電ロスなど、設備運用に関するデータを収集した。また、電力取引市場参加者の行動のモデル化に必要な社会科学的情報についても整備した。電力取引市場導入時、小口事業者は、自らの発電・需要状況と市場の需給状況が変動する中で、現在・将来の気象情報を加味して売電・買電や蓄電を行う。その行動によって電力価格は変動し、電力需給は一定のバランスに収束される。この条件のもとで、小口事業者は一定の判断基準により行動する。たとえば、安定性を重視し、蓄電量を一定以上確保する戦略、収益性を重視し買電額を差し引いた収入を最大化する戦略などが考えられる。電力取引シミュレーション実施のため、行動を数パターンに類型化するが、小口事業者がどの程度の割合で各類型に含まれうるかを把握する必要がある。そこで、模擬的な電力取引市場を設定し、十数名の被験者による予備的な経済実験を実施し、個人の行動パターンや行動基準など、シミュレーションに必要な行動に関わる情報を得た。地域ごとに異なる再生可能エネルギーの導入ポテンシャルや、マイクログリッド・蓄電池の運転特性などの工学的データと、設置者の行動基準や電力取引市場の取引形態といった社会科学的知見を計画通りに蓄積できている。さらに、先物取引やオプション取引を組み合わせた電力市場取引の導入形態についても検討する準備が始まっている。先物取引の導入の有無、市場取引の地理的範囲(全国・都道府県単位等)、系統電力事業者との関係等、様々なパターンを想定し、実現可能性や公平性等の観点から、候補となるべきいくつかの市場形態を探る段階に到達している。電力取引市場参加者の行動のモデル化に必要な社会科学的情報について整備を進めた。安定性を重視し、蓄電量を一定以上確保する戦略、収益性を重視し買電額を差し引いた収入を最大化する戦略などが考えられる。シミュレーション実施のため、行動を数パターンに類型化するが、小口事業者がどの程度の割合で各類型に含まれうるかを把握する必要があることから、模擬的な電力取引市場を設定し経済実験を実施した。この結果から、個人の行動パターンや行動基準など、シミュレーションに必要な行動に関わる情報を得た。さらに、平成27年度に得たデータおよび知見も踏まえながら電力取引市場導入のシミュレーションモデルの構築を進めた。個々の小口事業者の電力取引行動について定式化を行い、与えられた条件下(気象条件、小口事業者の行動基準)における市場価格や市場取引量、再生可能エネルギーの新規導入量等の市場変動をシミュレーション分析した。はじめは狭い地域を対象として、行動が限定的で検証が容易なモデルを構築し、モデルの挙動を確認しつつ、より複雑な広域的モデルへ近づけて行った。一方で、平成27年度に得られた各種データの信頼性確保のため、データ検証や追加的な分析・実験を行った。また、コストや環境負荷等の、電力システムの評価指標についても、既存の公共事業の評価手法やライフサイクルアセスメント(LCA)等の文献調査やヒアリング調査をもとに、安定性・効率性・環境負荷の観点から検討した。

小口電力の多様な供給主体・需要主体を仮定した仮想的な電力取引市場のシミュレーションにより、市場設計の効果とリスクの指標の定量化が進んでいる。個人や小規模電力事業者などの多様な主体を類型化し、需要・供給パターンと、再生可能エネルギー供給に影響を与える気象情報や価格情報などを受けて各主体の選択行動をモデル化しながら、個々の行動の結果である、価格変動・社会負担・環境負荷などの指標を評価できている。平成2728年度において構築したシミュレーションモデルにおいて、電力取引市場の市場挙動のシミュレーションを実施した。平成28年度で構築したシミュレーションモデルをツールとして実装し、様々な条件(平成27年度で検討した複数の市場導入形態(電力固定取引制度の継続、現物取引のみ、先物取引やオプション取引の導入など))においてシミュレーションを行った。複数の評価指標間のトレードオフを考慮しつつ、効果とリスク(平成28年度に解析した指標)を定量化し、より効率的・安定的かつ社会的効果の高い市場設計を提案した。さらに、市場導入形態の比較など複数の条件による実際的なシミュレーション実施に向けて、経済実験を通して、取引主体の行動の類型化とその行動に関わるデータの蓄積を進めた。この一部は28年度において実施されているが、29年度では結果の詳細解析に十分となるよう、気候等の条件も変更しつつ複数回の実験を追加的に行った。加えて、市場形態のひとつとして、小規模再エネ事業者と消費者による取引市場を想定し、そこにCO2排出権取引が加わった場合の市場および消費者の行動について経済実験によるシミュレーションを実施した。8回の経済実験の結果、次のことが明らかになった。(1)排出権取引の設定により設定した排出削減目標が達成できなかったケースはなかった。(2)電力需要量に対する再生可能エネルギーの供給可能量の比率によって、消費者もしくは発電事業者のどちらがプライスメーカーとなりうるかが異なる。複数回の経済実験とその評価指標の提案により、市場設計のための情報は蓄積されてきている。しかし、考慮する市場取引形態のバリエーションなどは当初予定していた水準にまでは達しておらず、数回の追加的な経済実験および分析が必要である。過年度までの経済実験により得られた知見について、総合的な比較考察を行うため、需要のばらつき・天候の変化・天気の予想精度の違いを加味した複数回の経済実験を追加的に実施した。取引参加者として、太陽光発電および蓄電池を設置した家庭を想定し、数世帯規模の世帯間取引を712日間程度行い、価格や取引量の変化を分析した。晴天時発電量が消費電力量2世帯分程度かつ蓄電池設置容量が晴天時発電量の3日分程度の場合、雨天や晴天の23日程度の連続によって価格変動が起こりうることを確認した。また、1日の家庭の需要パターンの違いや天気の予見可能日数の差異は最終的な取引結果に大きく影響を及ぼさないことが示唆され、これは各家庭における蓄電池設置の効果であると考えられた。加えて、取引形態として当日市場に加えて2日後の電力取引を加えた場合を想定して経済実験を行い、同取引のないケースと比較を行った。
細胞内「張力ホメオスタシス」の分子メカニズムの立証と普遍性の調査

細胞が張力を発生して構造を維持することは古くから指摘されているが、なぜ一定の大きさの張力を出し続けることができるのかは不明のままである。本研究者らはこれまでに細胞が張力を維持する分子メカニズムを調べ、非筋II型ミオシンが不可欠な役割を果たすことを明らかにしてきたが、その分子機構は定かでなかった。そこで本研究による蛍光イメージングにより、非筋II型ミオシンが細胞内で力を支えるときには基質であるアクチンからほとんど解離せず、従来考えられていたものより効率的に力を維持し続けることが明らかにされた。ストレスファイバーの張力の発生源である非筋II型ミオシンに結合して収縮状態を調節するミオシン軽鎖の変異体を用いて張力ホメオスタシスに及ぼすミオシン軽鎖のターンオーバーの影響を調べた。この変異体は研究協力者からの提供を受けて利用した。非筋II型ミオシンによる収縮はATP加水分解によって達成される。まず、ATP加水分解能を調節するミオシン軽鎖の擬似恒常リン酸化状態(活性化状態)やリン酸化抑制状態(不活化状態)を起こした変異体のプラスミドをヒト骨肉腫U2OS細胞に導入した。共焦点レーザー顕微鏡を用いてFRAP(Fluorescence recovery after photo-bleaching)実験を行い、蛍光タンパク質によって標識したこれらのミオシン軽鎖の変異体のターンオーバー速度を調べた。その結果、変異体ごとに大きな差が現れることが明らかとなった。また同細胞に繰り返し伸展刺激を与えると、ここでも変異体ごとに特有な速さでストレスファイバーが脱重合することがわかった。ここまでの研究から、ストレスファイバーが張力ホメオスタシスを起こす上で、構成タンパク質のターンオーバー、および力学環境の変化に応じた脱重合の両者が必要不可欠なメカニズムであることが明らかにされた。現在は、ミオシン軽鎖だけでなく、直接張力の発生に関わる非筋II型ミオシンも蛍光標識し、同様なFRAP実験に着手している。本実験では特に張力ホメオスタシスを実現する際のミオシン軽鎖と非筋II型ミオシンのダイナミクスに焦点を置いている。張力ホメオスタシスはストレスファイバーの等尺性収縮状態を基礎に作られると考えられる。本研究の目的の一つである「細胞外でストレスファイバーの等尺性収縮状態を実現する」ためには、それがどのような構成成分から達成されるかを明らかにすることが重要である。しかしながら従来は、マイナーなタンパク質成分を含めると、ストレスファイバーの固有成分の全体像は不明のままであるため、本年度はストレスファイバーの構成成分を調べた。まず浸透圧ショック法により、ストレスファイバーを平滑筋細胞から単離した。この過程におけるストレスファイバーの成分変化を調べるために、10数種類のタンパク質の抗体を用いてウエスタンブロッティングを行った。異なるイオン強度の溶液を用いて浸透圧ショックを行う際に、イオン強度が下がるほどストレスファイバーから解離するタンパク質の総量が少なくなることがわかった。また電子顕微鏡観察の結果、イオン強度が低いほどストレスファイバーの構造が正常に維持されていることがわかった。続いて低イオン強度溶液にtriton X-100を加えて、ストレスファイバーに付着する細胞膜成分の除去を試みた。その結果、親油成分だけでなく複数の水溶タンパク質がストレスファイバーから解離することがわかった。解離するタンパク質はRho-kinaseなど概してシグナルタンパク質であり、一方直接力の支持に関わるアクチンや非筋II型ミオシンなどはtriron X-100処理の有無に関わらずストレスファイバーに結合したままであった。他にも質量分析装置を用いて抗体では同定できていない成分のタンパク質群の特定を進めるなど、ストレスファイバーに固有なタンパク質成分を明らかにしつつある。2014年度は、前年度までに実施していたFRAP(Fluorescence recovery after photobleaching)の実験をより詳細に実施した。細胞張力の発生源である非筋II型ミオシンのATP加水分解能を調節するミオシン調節軽鎖(Myosin regulatory light chain, MRLC)の変異体をヒト骨肉腫細胞に導入・安定発現株を作製し、FRAPによってMRLCのターンオーバー速度を測定した。その結果、MRLCの擬似リン酸化状態ではターンオーバー速度が極めて低く、一方、擬似脱リン酸化状態ではターンオーバー速度が比較的速いことがわかった。MRLCの擬似リン酸化状態では、褪色直後に1割程度の蛍光が回復するが、それ以降はほとんど回復しなかったこと。MRLCは主に、アクチンストレスファイバーを形成しているミオシンに結合している。ストレスファイバーは数百nmの太さを有するために、その表面だけは周囲のMRLCと分子交換を成しうるが、表面以外はほとんど分子交換されず、そのために蛍光が1割以上は回復しなかったと考察した。これはMRLCの擬似リン酸化状態では、ミオシンが発生する力が大きく、ミオシンとアクチンの架橋に作用する張力が大きいために、ミオシンによるATP加水分解サイクルにおけるADP放出が抑制され、ミオシンとアクチンが結合を続けることに起因すると考えられる。

従って、力が強いほどミオシンはアクチンと結合をし続けて張力を、ATPの加水分解を伴わずにエネルギー的に加工率的に支えやすくなり、細胞張力の維持に貢献している、と見なすことができる。生体医工学細胞内のストレスファイバーを対象とした実験は順調に進んでいる。一方、細胞から単離したin vitroにおけるストレスファイバーについては、張力ホメオスタシスとの関連がまだ十分に明らかにできていない。しかし、単離したストレスファイバーの機能と構成タンパク質は前年度までの研究で詳細に調べており、この技術をもとに現在実験に取り組んでいる。ストレスファイバー固有の構成成分群を初めて明らかにしつつある。これはストレスファイバーを用いて「in vitro張力ホメオスタシス」を達成するうえで基礎となる情報であり、それが得られたことは人工的に当該ホメオスタシス現象を再現する必要条件の同定につながる。次年度の研究に具体的な手がかりを与えたという意味でも、ここまで順調に研究を進めることができていると評価している。当初の予定の実験を速やかに遂行する予定である。本研究代表者は平成25年度より名古屋工業大学へ移籍した。名古屋地域ではストレスファイバーに関する研究に取り組む複数の研究グループがあるために、これらの関連深い近隣の研究者と協力して研究を進めることを検討している。研究代表者は平成25年4月に東北大学から名古屋工業大学へ異動した。その前後における引っ越し作業と異動後の実験室の立ち上げに研究計画に一部遅れが生じ、そのため次年度使用額が生じた。次年度使用額は実験消耗品として利用し、当初予定していた実験を実施する予定である。次年度使用額は、今年度の研究を効率的に推進したことに伴い発生した未使用額であり、平成25年度請求額とあわせ、平成25年度の研究遂行に使用する予定である。
反応性アークプラズマプロセスによる超高硬度窒化炭素の作製

本研究では,我々がシールド型アークイオンプレーティング法を用いて合成に成功した超高硬度の窒化炭素薄膜を,ハードコーティング材料として実用化するための基礎的研究を行うこと,さらに,高い窒素含有率とsp^3結合率とを同時に満足する窒化炭素薄膜の作製プロセスを見いだし,結晶相窒化炭素β-C_3N_4合成への方向性を探ることを目的とした.本年度は,設備備品として申請したトライボスコープを,現有の原子間力顕微鏡(AFM)に取り付ける改造を行い,作製膜の微小硬さと摺動特性を測定するとともに,圧痕や摩耗部分をAFM観察できるようにした.さらに,それらの結果と赤外吸収分光分析およびX線光電子分光分析による膜の結合状態分析結果との相関を調査した.基板バイアスおよび窒素圧力をさまざまに変化させて窒化炭素成膜を行い,トライボスコープにより微小硬さを評価した.膜厚は150nm一定とした.その結果,基板バイアスを上げるほど,また圧力を高くするほど膜硬さが減少した.作製膜の結合状態分析から,基板バイアスの印加は,膜中のカーボンネットワークをsp^2化させること,また窒素圧力の増加は,窒素含有率を高めるものの,C-Nの3次元構造ではなくピリジン的な結合を作りやすくさせることが示された.これらの結合状態変化が,膜硬さの低下をもたらしたと考えられる.最も硬い窒化炭素膜の作製条件は,バイアスなし,窒素圧力0.01Paであった.このときの微小硬さは約30GPaであり,同装置で実測したサファイア(0001)単結晶(28GPa)よりも高かった.トライボスコープを用いた硬さ試験における圧子の押し込み深さは10nm程度であり,膜厚の1/10を大きく下回った.従って,本研究で作製した窒化炭素膜のように,残留応力による剥離のため薄い膜しか堆積できない場合でも,トライボスコープにより測定した硬さ値は,十分信頼できるといえる.また,1μm×1μmの領域を荷重75nNでスキャンし,その領域をAFM観察する摩耗試験を行ったところ,窒化炭素膜の摩耗深さはサファイア単結晶のそれの約1/5であり,窒化炭素の優れた摺動特性が示された.反応活性度の高いアークプラズマを用いることにより,グラファイトと窒素を原料として,アモルファス窒化炭素(a-C:N)の薄膜を作製し,構造,化学結合状態,機械的・電気的・光学的特性など基本的性質を明らかにするとともに,新しい超高硬度材料,光学材料としての応用の可能性を検討した.a-C:N薄膜の作製には,開発したシールド型アークイオンプレーティング法を用いた.窒素圧力,基板バイアス電圧を変化させ,物性への影響を調査した.また,反応ガス中にアルゴンを添加し,アルゴンイオンによるイオン衝撃効果についても検討した.作製膜の組成をX線光電子分光法(XPS)により測定し,化学結合状態をXPS,赤外吸収分光法及びラマン分光法を併用して評価した.透過型電子顕微鏡により微小構造観察を行い,ダイナミック超微小硬度計を用いて硬度を測定した.残留応力を成膜後の基板変形より求めた.作製膜中のN/C原子数比は,0.130.51の範囲で制御できた.-300V付近の適切な負バイアス印加によりa-C:N薄膜の硬度は上昇し,最大でシリコン基板の約2倍(ヌープ硬度換算で約2800)となった.a-C:N薄膜は,ダイヤモンドライクカーボン(DLC)の構造に類似しているが,DLCより熱的安定性に優れていた.高硬度を示したa-C:N膜中には,カーボンネットワーク中にC-Nの3次元構造が含まれ,微結晶のβ-C_3N_4が生成していることが,電子線回析により明らかとなった.硬度の上昇は,カーボンのsp3成分の増加と,β-C_3N_4微結晶の生成によっていると考えられる.反応ガス中へのアルゴンガス添加により,a-C:N薄膜の硬度はさらに上昇し,最大でシリコン基板の約4倍,ヌープ硬度換算で約5600を得た.このことから,a-C:Nがヌープ硬度5000を越える超硬質膜となることが判明した.本研究によりa-C:N膜が,切削工具,金型,磁気ヘッド,ハードディスクなどへのスーパーハードコーティング材料として工業的に応用が可能であることが示された.本研究では,我々がシールド型アークイオンプレーティング法を用いて合成に成功した超高硬度の窒化炭素薄膜を,ハードコーティング材料として実用化するための基礎的研究を行うこと,さらに,高い窒素含有率とsp^3結合率とを同時に満足する窒化炭素薄膜の作製プロセスを見いだし,結晶相窒化炭素β-C_3N_4合成への方向性を探ることを目的とした.本年度は,設備備品として申請したトライボスコープを,現有の原子間力顕微鏡(AFM)に取り付ける改造を行い,作製膜の微小硬さと摺動特性を測定するとともに,圧痕や摩耗部分をAFM観察できるようにした.さらに,それらの結果と赤外吸収分光分析およびX線光電子分光分析による膜の結合状態分析結果との相関を調査した.基板バイアスおよび窒素圧力をさまざまに変化させて窒化炭素成膜を行い,トライボスコープにより微小硬さを評価した.膜厚は150nm一定とした.その結果,基板バイアスを上げるほど,また圧力を高くするほど膜硬さが減少した.作製膜の結合状態分析から,基板バイアスの印加は,膜中のカーボンネットワークをsp^2化させること,また窒素圧力の増加は,窒素含有率を高めるものの,C-Nの3次元構造ではなくピリジン的な結合を作りやすくさせることが示された.