hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
ナノスケール強相関電子相ドメインの相転移・動的・空間配列トータル制御

電子相転移により数桁にも及ぶ電気伝導変化を示す強相関電子系酸化物において、次世代エレクトロニクスの研究が活発に進められている。本研究では、従来ナノ空間上にランダムに自然発生していた個々の金属-絶縁体ドメインに対して、空間配置を人為的に精密制御できる方法論を確立してきた。また、電流・電圧バイアスにより、個々のドメインの相転移を制御し、ドメインの空間配列の違いにより大きく電気伝導特性を変化させることに成功した。本研究の遂行により、微小エネルギーで高効率動作する多値スイッチング・メモリ応用やナノ電子相を操った回路等、新機能開拓に貢献できる成果である。ナノスケール電子相ドメインの「相転移」、「動的移動」、「空間配置」のトータル制御方法を確立するために、本年度では、下記の実験を行った。1)強相関酸化物ナノワイヤー素子の作製・・・パルスレーザデポジション(PLD)法による酸化物エピタキシャル薄膜作製技術とナノインプリント微細加工技術を用いて、当初の計画通り凡そ2030nm幅のVO2ナノワイヤーを作製することに成功した。2)サイドゲート型ナノワイヤー電界効果トランジスタ(FET)作製と物理モデル構築・・・PLD法+ナノインプリント法により、数百nm数μmのチャネル幅を持ったサイドゲート型VO2ナノワイヤーFETを作製した。大気中で電界を印加しチャネル抵抗を測定したところ表面吸着水分子の電気分解が起こり一部の水素イオンがVO2チャネル内に添加されることが分かった。ナノギャップ空間を利用した電気化学反応による新たなイオンドーピング手法を見出すことができた。また、不活性ガス中の吸着水分子が無い状況において同様の電界印加による測定を行ったところ、僅かであるが電子ドープによるチャネル抵抗の変化が見られた。3)ナノワイヤー電気物性評価と電子相ドメイン界面の物理モデル構築・・・VO2ナノワイヤー電子相ドメインの物性、及び電子相界面の状態を調べるために電気伝導特性評価、及び高輝度放射光による電子状態ナノ空間評価(BL07LSU:Nano-ESCA)を行った。その結果、ナノ細線においても十分にVO2の巨大電子相転移発現することが確認できた。また、金属電子相、絶縁体電子相のペルチェ係数の違いから、電子相界面では、電流印加方向によりペルチェ効果が働き、吸熱・発熱効果があることを見出した。本年度行った研究により、当初見込んでいた特性を実験により見出した意義は大きい。今後は、当初の研究計画をより強力に推進していく。1)強相関酸化物ナノワイヤー素子のナノ物性計測:全年度作製に成功したVO2ナノワイヤーに対して、原子間力顕微鏡(AFM)を用いて、電気伝導測定(C-AFM)、及び仕事関数測定(KFM)を行った。VO2の金属状態と絶縁体状態との仕事関数差を測定することができた。C-AFMによる電気伝導測定においても、金属-絶縁体の電気抵抗差を測定することができた。C-AFMでは、凡そ10nmの空間分解能で測定することが出来た。2)ナノドメインの相転移・動的制御:VO2ナノワイヤーへ電流を印加し金属-絶縁体電子相界面のペルチェ係数差を利用した吸熱・発熱によりナノドメインの相転移制御を試みた。熱量収支の簡単なモデル計算から相転移に必要な電流密度を計算し、実際に理論見積りした辺りの電流を流したところ、金属から絶縁体、絶縁体から金属への可逆相転移を確認した。しかしながら、変化しない場合も多いため、ナノワイヤー幅、デバイス形状等の工夫により、制御性を上げる必要がある。3)サイドゲート型ナノワイヤー電界効果トランジスタ(FET)動作の物理モデル構築:前年度に引き続き、サイドゲート型VO2ナノワイヤーFETにおいて、大気中で電界を印加しチャネル抵抗を測定と評価を行った。電気化学反応により吸着水の電気分解された水素イオンがVO2チャネル内に添加され大きく電気伝導特性が変化するが、その理論構築に当たり、電界を考慮した拡散方程式と非定常状態を考慮したフィックの第二法則を取り入れることによって、精密に拡散の時空間変化を追うことが出来、電気伝導特性変化と良い一致を見ることが出来た。■強相関酸化物ナノワイヤー素子のナノ物性計測前年度に引き続き原子間力顕微鏡(AFM)を用いて、VO2薄膜のナノ電気伝導測定(C-AFM)を行った。5 nmの空間分解能で電気伝導を測定することに成功し、単結晶VO2薄膜の金属ドメインの最小単位が10nm程度であることを突き止めるとともに金属ドメインが空間整列していることを見出した。本結果は、巨大On/Off比性能を持つ10nm級の極微デバイスにおいても動作し、多値機能を持つデバイス展開が出来ることを示唆する。今後のBeyond-CMOSに資する酸化物エレクトロニクス展開に繋がる結果である。■サイドゲート型ナノワイヤー電界効果トランジスタ(FET)動作前年度に引き続き、サイドゲート型VO2ナノワイヤーFETにおいて、静電効果によるVO2ナノワイヤーチャネルの10%程度の抵抗スイッチングに成功した。また、単結晶のナノワイヤーで幅を減少させるとOn/Off比性能が向上することが分かった。ゲート材料と界面制御を適切に施すことによって「相転移」を制御するトランジスタ展開へと繋がる重要な結果である。

電子相転移により数桁にも及ぶ電気伝導変化を示す強相関電子系酸化物において、次世代エレクトロニクスの研究が活発に進められている。本研究では、従来ナノ空間上にランダムに自然発生していた個々の金属-絶縁体ドメインに対して、空間配置を人為的に精密制御できる方法論を確立してきた。また、電流・電圧バイアスにより、個々のドメインの相転移を制御し、ドメインの空間配列の違いにより大きく電気伝導特性を変化させることに成功した。本研究の遂行により、微小エネルギーで高効率動作する多値スイッチング・メモリ応用やナノ電子相を操った回路等、新機能開拓に貢献できる成果である。平成26年度の研究計画で挙げた3つの項目(1強相関酸化物ナノワイヤー素子の物性測定、2ナノドメインの相転移・動的制御、3サイドゲート型ナノワイヤー電界効果トランジスタ作製と物理モデル構築)に関して、項目1において、C-AFMを用いて10nmクラスの空間分解能で、電気伝導測定ができるため、ナノドメインの挙動観察に必須な測定手法を計画通り構築できた。項目2に関しては、金属-絶縁体ドメイン界面において、ペルチェ効果による吸熱・発熱効果を取り入れた計算を行い相転移に必要な電流値を算定し、実験値と良い一致を示し、ペルチェ効果が相転移制御に有効であることが示唆される結果を得た。また、項目3においては、サイドゲート型FETにおいて、大気中の吸着水分子の酸化還元反応によるVO2ナノチャネルへの水素イオンドープとその拡散について、詳細な理論モデルを構築することが出来、酸化還元反応を利用したナノFETデバイスという新たな領域を切り開くことが出来た。27年度が最終年度であるため、記入しない。酸化物エレクトロニクス今後の推進方策として、前年度に行ってきた実験結果を系統的に理解し、電子相転移の制御性を向上させていく。特に電界効果により個々のナノドメインの相転移制御を目指したナノデバイスの構築と特性評価に重点を置いて研究を行う。1VO2ナノワイヤー電界効果トランジスタ(FET)の構築:前年度までに構築してきたサイドゲート型VO2ナノワイヤーチャネルFETと共に、縦型固体ゲートFETも作製し、電界によるナノドメインの相転移制御に最適なデバイス構造を得る。2FET動作の評価:電界効果によって引き起こされる電荷蓄積によって“電子雪崩相転移"を計測し、ゲート電界に応じた電荷蓄積量と空間的な相転移規模を系統的に調べる。また、ナノワイヤーに一次元的に閉じ込められ整列したナノドメインに対して電界効果により相転移制御を行うことによって、金属-絶縁体一次元配列分布を自在に変えれるような制御技術を確立する。サイドーゲート型FETに関しては、ナノ空間の相転移の拡がりをレーザーラマン顕微鏡、或いはC-AFMを用いて調べる予定である。3FET動作の物理モデル構築:電界効果によって相転移したナノ電子相が系全体に与える影響を電子相配列の変化等から調べ、温度・時間の系統的変化から電子相同士の相互作用についての知見を得る。本研究によって、電子相ナノ部制のトータル物理モデルを構築し、ナノドメインの相転移制御方法の確立を行う。
TIGARを介した大腸癌微小環境におけるインスリンシグナル活性化の研究

1「大腸癌臨床検体におけるTIGAR遺伝子のCopy Number Variant (CNV)、メチル化解析による分類と臨床病理学的因子・予後の検討」:ヒト大腸癌cell line(DLD-1,SW48,SW480,CaCo2,RKO,WIDR)においてTIGAR-promoter領域に認めるCpG islandのメチル化の有無の検討を行ったところ、明らかなメチル化は確認出来なかった。しかしPilot studyとして実臨床で得た大腸癌検体を用い、Cell lineと同部位のTIGARメチル化解析を行ったところ、正常大腸粘膜組織16検体においてTIGAR-promoter領域のメチル化割合が全て5%未満であった。一方、腫瘍組織16検体ではTIGAR-promoter領域のメチル化割合が5%以上であったのは2例(2/16=12.5%)と、10ー20%の大腸癌においては明らかなメチル化を認めているため、引き続き大腸癌組織を用いて検討を継続する予定である。2「進行大腸癌根治手術症例のTIGAR発現と生存期間の解析」:StageII/III大腸癌根治手術200例の病理学的検体を用い免疫染色にてTIGAR発現を解析し、長期予後との関連性を検証する。現在、条件設定が終了した時点である。3「TIGARによる細胞増殖に関するin vitro実験」:TIGAR mRNA発現は、DLD-1,SW48,HCT116,HCT116 p53-/-,HT29,WIDRはほぼ等しく、それに対してCaCo2、RKOは相対比2倍以上であった。次いでCaCo2、HCT116、HCT116 p53-/-を用いてTIGAR siRNAにおける細胞増殖実験を行ったところ、CaCo2、HCT116においては統計学的有意差をもって細胞増殖が抑制された。HCT116 p53-/-では明らかな増殖抑制は認められなかった。1大腸癌臨床検体におけるTIGAR遺伝子のCopy Number Variant (CNV)、メチル化解析による分類と臨床病理学的因子・予後の検討:2018年度は大腸癌組織1000余例を用いるための当院における倫理委員会への申請手続きに時間をかける必要があった。この時間は当初より推定範囲内であり、現在倫理委員会の承認は既に取得しており、今後はメチル化解析を順次行う予定である。2進行大腸癌根治手術症例のTIGAR発現と生存期間の解析:2018年度はヒト大腸癌検体に対して適切なTIGAR抗体の選択および免疫組織学的検索における至適条件の設定に時間を要した。またヒト大腸癌組織におけるTIGAR染色に対する倫理委員会承認を取得するための手続きを行なった。現在準備段階が終了し、次年度は解析を行う予定である。3TIGAR遺伝子を抑制するマイクロRNA (miRNA)群を用いたヒトCell lineとマウスモデルでのTIGAR遺伝子ノックダウンによる腫瘍増殖抑制効果の検討:TIGAR siRNAでの解析によるpilot studyが終了し、ヒト大腸癌cell line各種のTIGAR発現の違いを把握できた段階である。今後は適切なCell lineを抽出し、miRNAを用いての腫瘍増殖抑制効果の検討を行なってゆく予定である。1大腸癌臨床検体におけるTIGAR遺伝子のCopy Number Variant (CNV)、メチル化解析による分類と臨床病理学的因子・予後の検討:現在までのところ、pilot studyにおいて実臨床検体にてTIGARの明らかなメチル化を認める所見を得ており、引き続き大腸癌組織1000余例の検討を行う予定である。2進行大腸癌根治手術症例のTIGAR発現と生存期間の解析:条件設定が終了したため、今後は当院で手術施行し生存分析が終了しているStageIIおよびIII大腸癌200例の手術検体を用いて免疫組織学的検討を行う予定である。3TIGARによる細胞増殖に関するin vitro実験、TIGAR遺伝子を抑制するマイクロRNA (miRNA)群を用いたヒトCell lineとマウスモデルでのTIGAR遺伝子ノックダウンによる腫瘍増殖抑制効果の検討:ヒト大腸癌cell lineでのTIGAR発現の解析が終了したため、今後はヒトTIGARをターゲットにmiRNAによるTIGARのノックダウン効果の検討を行う予定である。また我々はマウスの大腸癌モデルにおいて腫瘍細胞におけるTIGAR発現の亢進をすでに確認している。そこで同マウスモデルを用い、miRNAによるTIGARのノックダウンを行い、その腫瘍抑制効果を検討する予定である。

3「TIGARによる細胞増殖に関するin vitro実験」:TIGAR mRNA発現は、DLD-1,SW48,HCT116,HCT116 p53-/-,HT29,WIDRはほぼ等しく、それに対してCaCo2、RKOは相対比2倍以上であった。次いでCaCo2、HCT116、HCT116 p53-/-を用いてTIGAR siRNAにおける細胞増殖実験を行ったところ、CaCo2、HCT116においては統計学的有意差をもって細胞増殖が抑制された。HCT116 p53-/-では明らかな増殖抑制は認められなかった。1大腸癌臨床検体におけるTIGAR遺伝子のCopy Number Variant (CNV)、メチル化解析による分類と臨床病理学的因子・予後の検討:2018年度は大腸癌組織1000余例を用いるための当院における倫理委員会への申請手続きに時間をかける必要があった。この時間は当初より推定範囲内であり、現在倫理委員会の承認は既に取得しており、今後はメチル化解析を順次行う予定である。2進行大腸癌根治手術症例のTIGAR発現と生存期間の解析:2018年度はヒト大腸癌検体に対して適切なTIGAR抗体の選択および免疫組織学的検索における至適条件の設定に時間を要した。またヒト大腸癌組織におけるTIGAR染色に対する倫理委員会承認を取得するための手続きを行なった。現在準備段階が終了し、次年度は解析を行う予定である。1大腸癌臨床検体におけるTIGAR遺伝子のCopy Number Variant (CNV)、メチル化解析による分類と臨床病理学的因子・予後の検討:現在までのところ、pilot studyにおいて実臨床検体にてTIGARの明らかなメチル化を認める所見を得ており、引き続き大腸癌組織1000余例の検討を行う予定である。2進行大腸癌根治手術症例のTIGAR発現と生存期間の解析:条件設定が終了したため、今後は当院で手術施行し生存分析が終了しているStageIIおよびIII大腸癌200例の手術検体を用いて免疫組織学的検討を行う予定である。3TIGARによる細胞増殖に関するin vitro実験、TIGAR遺伝子を抑制するマイクロRNA (miRNA)群を用いたヒトCell lineとマウスモデルでのTIGAR遺伝子ノックダウンによる腫瘍増殖抑制効果の検討:ヒト大腸癌cell lineでのTIGAR発現の解析が終了したため、今後はヒトTIGARをターゲットにmiRNAによるTIGARのノックダウン効果の検討を行う予定である。また我々はマウスの大腸癌モデルにおいて腫瘍細胞におけるTIGAR発現の亢進をすでに確認している。そこで同マウスモデルを用い、miRNAによるTIGARのノックダウンを行い、その腫瘍抑制効果を検討する予定である。初年度(2018年度)は計画した研究の倫理申請やパイロットスタデイなど準備に費やされた部分が大きかった。次年度は研究を成熟させるために時間と費用を多く費やす予定であることが、次年度使用額が生じた理由である。
原発性骨髄線維症の分子機構解明と新規治療標的分子の同定

本研究では、申請者らが作成に成功したヒト原発性骨髄線維症(primary myelofibrosis;PMF)のモデルマウスを用いて、PMF病態の分子機構を明らかにする。分子機構の解明を通して治療標的となる分子を発見し、有効な新規治療法の開発へとつなげることが最終的な目標である。申請者らは先に、変異JAK2を恒常的に発現するトランスジェニックマウス(V617F-Tg)を2系統(以降系統1,系統2とする)を作成した。系統1では赤血球または血小板が増加しヒトPV,ETの病態が、系統2では骨髄巨核球の増加と骨髄線維化、髄外造血をきたしヒトPMFの病態が観察される。系統1(PMF)と系統2(PV,ET)との間に病態の違いを生じさせる分子機構を明らかにするため、野生型マウス、系統2マウス、系統1マウスの3群の造血幹細胞分画を用いて発現解析マイクロアレイによる遺伝子発現プロファイルの解析を施行した。更に系統2マウスで発現が亢進している遺伝子群から、病態への関与が推測される数種類の候補遺伝子を抽出した。ヒトPMF症例の病態を担っているのは異常クローンである造血幹細胞から生じる異常な巨核球であるため、現在候補遺伝子のin vitro機能解析を「その遺伝子はV617F変異と協調して、または単独で、巨核球への分化増殖を促進する機能を有しているか」に焦点をあてて進めている。また、候補遺伝子のノックアウトマウスを導入し、疾患マウスにおいて、候補遺伝子を欠損させると病態がどのように変化するかを解析中である。
電場中でのナノ液固界面の化学反応に関するハイブリッド量子古典計算法の開発

H23年度当初の研究目的は,(1)オーダーN型実空間密度汎関数コードの開発,(2)ハイブリッド量子古典法への外部電場の取り入れ法の開発,に大別できる.(1)に関しては,Kohn-Sham型密度度汎関数法の実空間グリッド表現の枠組みで,対象系をオーバーラップした複数領域に分割し,統一フェルミレベルの下で領域毎に計算した電子密度を合成して全密度を得る,分割統治型の実空間グリッド密度汎関数法(DC-RGDFT)の定式化に成功した.その際,総計算量を少なくする為に,比較的薄いオーバーラップであっても実用に使える精度となるように,各領域の電子密度を得る為のKohn-Sham型ハミルトニアン方程式に対して,電子相関効果を含めた適切なembedポテンシャルと全電子密度からずれを補正する働きをするdensity-templateポテンシャルを,それぞれ適用する空間を分けて導入した.また,開発したコードがオーダーNでスケールすることを.複数のスパコンに関して千コアレベルを使用する大規模ベンチマークテストにより実証した.(2)に関しては,量子計算に実空間グリッド密度汎関数法(RGDFT)コードを使ったハイブリッド量子古典コードに対して一様な外部電場を導入し,実際にLiイオン電池の負極として用いられているグラファイト中のLiイオンの熱拡散係数がその炭素層に垂直な方向の交流電場の付与によって数倍も増大しうること等をシミュレーションにより示した.電極中のLi拡散過程は,Liイオン電池の出力性能の律速過程であり,この知見はLiイオンの性能向上のために重要である.その他,シミュレーション結果を分かり易く可視化するソフトの開発に成功し,ハイブリッド法での分子群の粗視化に関連して,粗視化分子のダイナミクス計算アルゴリズムも新たに提案した.Liイオン電池等の実用デバイスの高性能化に関連して,ナノスケールで複雑な界面の,実際的な設定でのシミュレーションが強く期待されている.本年度は,これらのDFT計算では直接扱えない大規模な複雑界面に対して,昨年度開発したオーダーN型のDFTコードを用いた大規模シミュレーション,DFT精度を全イオンに働く力に対して実現するハイブリッド量子古典シミュレーション,さらに準備計算としての古典分子動力学シミュレーションを行った.主な成果には以下が含まれる:1. Liイオン電池のグファファイト負極と電解液との界面における固体電解質皮膜に関連して,分割統治型の実空間グリッドDFTであるDC-RGDFTコードを用いた第一原理MDシミュレーションを,SEIー電解液の界面を通じたLiイオン移動に関して2,300原子規模で5.0 ps/run程度,異なる設定で実行した.計算結果の温度依存性などから.電解液に1mol/lの濃度で添加した塩(LiPF6)により,Liイオンの界面移動レートが2倍に上がることを発見した.2. DC-RGDFTを用いたハイブリッド量子古典コードを用いて,Liイオン電池のグラファイト負極内部のLiイオン群の拡散挙動に関するシミュレーションを実行した.Liイオン群を囲むように上下の炭素シートが変形して形成されたcageの中で個々のLiイオンが良く拡散する一方,Liイオン群の重心位置の拡散は,希薄極限でのLiイオンの場合と同程度であること等を発見した.H24年度の研究実績は以下4項目に大別できる:(1)オーダーN型実空間密度汎関数コードの開発とそのスパコン上での高並列性能の確認,(2)オーダーN型実空間密度汎関数コードを用いたLiイオン2次電池の負極近傍での固体電解質膜と電解質液との界面を通じたLiイオンの輸送に関するシミュレーションの実施,(3)オーダーN型実空間密度汎関数コードを量子領域の計算法に採用したハイブリッド量子古典法を用いたLiイオン2次電池のグラファイト負極内部でのLiイオン群の拡散に関するシミュレーションの実施,(4)剛体分子の新しい回転動力学アルゴリズムの開発とその大規模な液体および固体のシステムに関するシミュレーションの実施.(1)に関しては,スパコン京を含め,様々なスパコンでベンチマークテストを行い,そのいずれにおいても高い並列化効率を数千原子規模の対象系で実証した.(2)に関しては,固体電解質膜と電解質液との界面を,これまでよりも格段に多い2500原子規模でモデル化し,その第一原理分子動力学シミュレーションに成功した.(3)に関しては,昨年まではLiイオンを1個しか含んでいなかった対象系を,その10倍以上多数のLiイオン群の拡散挙動をまとめて扱えるように改良し,これまでよりも実際的なハイブリッド量子古典シミュレーションに成功した.(4)に関しては,時間反転対称を持ち,1ステップ当たりの計算コストが既存のいずれの方法よりも格段に少ない剛体分子回転アルゴリズムを創案し,実際に水分子からなる数百万原子規模の分子クラスター系に関して,その相互融合ダイナミックス,融解ダイナミックス,外部電場による蒸発率依存性等に関するシミュレーションを実施した.研究目的であった二項目で成果を上げたことに加えて,シミュレーション結果を可視化するソフトの開発,粗視化分子群のダイナミクス計算アルゴリズムの提案にも成功したため.25年度が最終年度であるため、記入しない。当初の目的項目よりも多い4項目で成果を上げたこと.今後は,「京」のような世界最大規模のスパコンを実際に用いたテストを行うと共に,Liイオン電池内のLiイオン輸送過程等について,適用シミュレーションを行う予定である.25年度が最終年度であるため、記入しない。今後は,「京」のような世界最大規模のスパコンを実際に用いたテストを行うと共に,Liイオン電池内のLiイオン輸送過程等について適用シミュレーションを進め,その結果をまとめて発表する予定である.
クローズドサイクルMHD発電機の実用高度化に向けた戦略的基盤研究

本研究では、クローズドサイクルMHD発電の実用化に向けて、「MHD発電機の実用高度化」研究を戦略的に推進した。衝撃波管駆動MHD発電実験装置、および高精度電磁流体数値シミュレーションを駆使して、類似の発電システムの中では世界最高の発電出力密度を達成するとともに、発電機形状の改良による発電性能の向上を実証し、理論的裏付けとともに,更なる性能向上に向けての確度の高いロードマップを提示することができた。本研究の主眼は,クローズドサイクルMHD発電の実用化に向けて,より現実的立場に立ち先導的で牽引役となる「MHD発電機の実用高度化」研究を重点検討課題に焦点を絞って戦略的に推進することにある。具体的には,短時間ながらも様々な運転条件に柔軟に対応可能な衝撃波管駆動MHD発電実験装置,および高精度電磁流体数値シミュレーションを駆使して,発電機の実用高度化のために不可避な検討事項であるにかかわらず,連続発電装置(クローズドループMHD発電実験装置)では詳細に捉えることが困難な点に焦点を絞ってその明確化を図り,高性能化に向けての改善・改良策の具体的提言の有効性を実験的に証明し,将来研究に資する確度の高い指針を与えることを目的とする。平成19年度(初年度)は,衝撃波管駆動用ディスク形MHD発電機を用いて,発電内のプラズマ電磁流体挙動と発電性能など基礎物理現象を詳細に把握し,課題解決に向けての提言を行うための基盤を確立することに的を絞った。結果として,連続発電装置での超電導電磁石装置(中心磁束密度4.0T)を流用し,その印加磁束密度に適する作動気体全圧力を見極めることで,高い発電性能(等エントロピー効率50%、エンタルピー抽出率17%)を達成した。また,同時に類似の発電システムの中では世界最高記録となる高い発電出力密度0.76GW/m3を達成したことは特筆に価する。一方で,乱流モデル(LES)を考慮した2次元数値シミュレーションから,発電機形状の最適化により,より理想的な状態(高マッハ数,高ホールパラメタ)での更なる高性能化が期待できることが明らかとなった。今年度の実績を踏まえた更なる展開は,次年度以降に行うが,今年度得られた結果は,MHD発電機の持つ高い潜在能力を実証しており,本研究で達成しようとする研究成果の確実な基盤を築いたといえる。初年度(平成19年度)は,衝撃波管駆動用ディスク形MHD発電機を用いて,印加磁束密度に適する作動気体全圧力を見極めることで,高い発電効率(等エントロピー効率50%、エンタルピー抽出率17%)とともに,同時に類似の発電システムの中では世界最高記録となる高い発電出力密度0.76GW/m3を達成した。本年度(平成20年度)は,発電機形状の改良を行い,更なる高性能化を目指した。結果として,流路形状をわずかに凸型とすることで,直線型発電機と比較して,高いエンタルピー抽出率(高いシード率、強いMHD相互作用)状況下で、等エントロピー効率の向上が顕著となることを実証した。このことは,初年度行った乱流モデル(LES)を考慮した2次元数値シミュレーションからの示唆に基づくものであるが,同時に更なる最適化の余地が残されていることも明らかとなった。平成1920年度にわたる研究で,本研究課題の主たる成果は得られたものと考えており,次年度(最終年度)では,更なる高度化を図り,本研究課題の成果をとりまとめ,将来研究に資する確度の高い指針を与えたい。具体的には,衝撃波管駆動MHD発電実験装置,および高精度電磁流体数値シミュレーションを駆使して,連続発電装置(クローズドループMHD発電実験装置)では詳細に捉えることが困難な点に焦点を絞ってその明確化を図り,高性能化に向けての改善・改良策の具体的提言の有効性を実験的に証明し,将来研究に資する確度の高い指針を与えることを目的とする。

初年度(平成19年度)は,衝撃波管駆動用ディスク形MHD発電機を用いて,高い発電効率(等エントロピー効率50%,エンタルピー抽出率17%)とともに,類似の発電システムの中では世界最高記録となる高い発電出力密度0.76GW/m3を達成した。次年度(平成20年度)は,流路形状をわずかに凸型とすることで,直線形状の発電機と比較して,高いエンタルピー抽出率(高いシード率,強いMHD相互作用)状況下で,等エントロピー効率の向上が顕著となることを世界で初めて実証した。このような実績を踏まえ,本年度(平成21年度)は,当初の計画通り,更なる発電性能の高度化を図った。1)高性能発電性能実証実験では,ホール係数ならびに電気変換効率を定量的に評価するとともに,発電機上流域での低圧・高マッハ数の維持が発電性能の向上に寄与すること実験的に明らかにした。また,2)数値シミュレーションによる評価と最適化への指針では,乱流モデルを考慮した2次元数値シミュレーションを行い,実験結果との比較から,実験結果が概ね妥当であり,運転条件の最適化により更なる高性能化が可能であることを定量的に示した。以上要するに,本研究は3年間の研究期間を通して計画通りに遂行され,研究目的を達成することができたものと自己評価している。
うつ病の将来予測障害に関わる神経メカニズムの研究

本研究の目的は,うつ病の将来予測障害と認知行動療法の効果に関わる神経メカニズムを明らかにすることであった。遅延割引課題と機能的磁気共鳴画像法を用いて,うつ病患者の課題時の脳活動を健常者と比較し,さらに認知行動療法の前後で比較した。その結果,うつ病患者は健常者と比べて損失に対する割引が大きいこと,その割引の程度は認知行動療法を行うことで弱まること,神経レベルの変化がもたらされていることが明らかとなった。申請者は,機能的磁気共鳴画像法(functional Magnetic Resonance Imaging:以下fMRI)を用いて,うつ病における将来予測の障害とその神経メカニズムを明らかにすることを研究課題とした。今年度は,遅延割引課題を用いて,将来予測中の健常者の脳活動の解析を行った。これまで,31名の健常者を対象としたfMRI実験のデータ収集が終了しており,これらのデータの解析を行った。現在行っている解析結果から,報酬における遅延割引はこれまで先行研究で指摘されている神経基盤が関連することが確認できた。一方で,損失における遅延割引については,先行研究とは異なる結果が得られており,現在結果の精査を行っている。うつ病患者を対象としたfMRI実験に関しては,15例のデータ収集が終了した(行動実験は21名のデータが得られた)。患者のデータについては,現在もデータ収集を継続している。データ収集終了後には,うつ病患者と健常対照者との脳機能を比較して,うつ病における将来報酬予測の障害に関わる脳内メカニズムを検討することを予定している。なお,今年度は脳機能画像解析に先立って,これまで得られた21名のうつ病患者の行動データを解析した。一般的に損失における遅延割引はあまり生じないが,うつ病患者においては,損失における遅延割引が生じていることが明らかになった。また,集団認知行動療法の前後で比較を行うと,治療前よりも治療後の方が損失に対する遅延割引が和らいでいることが明らかとなった。来年度は,これらの解析に加えて,患者のfMRIデータの解析を行うことを予定している。前年度から実施している遅延割引課題を用いて,将来予測中の健常者の脳活動の解析を行った。31名の健常者を対象としたfMRI実験のデータ収集が終了しており,これらのデータ解析から,報酬における遅延割引はこれまで先行研究で指摘されている神経基盤と関連することが確認できた。一方で,損失における遅延割引については,先行研究とは異なる結果が得られており,昨年に引き続いて,現在も結果の精査を行っている。うつ病患者を対象としたfMRI実験に関しては,23例のデータを収集し目標症例数に達したためデータ収集を終了した(行動実験は29名のデータが得られた)。患者のデータ収集が終了し,健常対照者についてもデータ収集が本年度終了した。脳機能画像解析に先立って,うつ病患者における遅延割引課題の行動データを解析した。一般的に損失において遅延割引はあまり生じないが,うつ病患者においては,損失における遅延割引が生じていることが明らかになった。これらの解析に加えて,患者のfMRIデータの解析を行いプレリミナリーな結果を得た。即時報酬選択には中脳辺縁系(腹側線条体,PCC,MPFC),遅延報酬選択には外側皮質領域が関わるとされているが,集団認知行動療法により,損失予測時の線条体の活動が低下した。この結果は,中脳辺縁系の活動が抑えられることで,遅延割引が低下した可能性を示唆している。健常者のデータ解析において,さらなる解析が必要となり,当初の予定よりも時間がかかっている。一方で,うつ病患者のデータ収集に関しては,当初の計画よりも進んでいる。24年度が最終年度であるため、記入しない。健常者のデータに対してさらに解析を行い(機能結合の検討など),うつ病患者のデータが収集でき次第解析を実施する。
高活性・高選択的新規含フッ素官能基化反応の開発

以下の1-6について検討した。1.フッ素化試薬としてのEt_3N-5HF溶液:Et_3N-5HFがヒドロフッ素化や環化フッ素化、種々の有機化合物の電解フッ素化反応などに対し高活性・高選択フッ素か試薬や有効な支持電解質となることを明らかにした。すなわち、HF-Et_3Nは種々の官能基をもつ分枝オレフィンと反応し、分子内の官能基の影響を受けず三級アルキルフルオリドを選択的に与えた。また、アルケナ-ルをHF-塩基で処理すると立体選択的に環化反応を起こしてフッ素化し、対応する含フッ素環状アルコールを良好な収率で生成した。2.含フッ素溶媒中でのアニリン類の脱アミノフッ素化:アニリン類の脱アミノフッ素化反応についての機構を解明し、高収率・高選択的含フッ素化芳香族合成のための知見を得た。脱ジアゾ化段階における光照射の顕著な効果を認めた。3.含フッ素アルキル化:CF_3CHOのルイス酸誘導型エン反応において塩化亜鉛や亜鉛トリフラートが副反応を抑制し、含フッ素エン反応生成物を選択的に与えることを見出した。4.ハロ芳香族のハロゲン交換フッ素化:フッ素アニオンによる求核置換反応について検討し、ハロ芳香族アジン類のみならず強い電子吸引基をもつベンゼンもHF中の塩基共存によってハロゲン交換フッ素化しフルオロベンゼンを与えることを明らかにした。5.HF-塩基溶液支持電解質を用いる電解フッ素化反応:カルボニル化合物の電解フッ素化反応について検討した結果、脂肪族アルデヒドから酸フルオリド、環状ケトンからフルオロカルボン酸フルオリド、環状アルキリデンエステルからはβ,β-ジフルオロシクロアルカンカルボン酸エステルが選択的に得られることを明らかにした。6.β-ケトエステルのα位選択的フッ素化反応:β-ケトエステルのα位のフッ素化はヨードトルエンジフルオリドのみでは進行しないが、HF-アミン錯体を共存させることによりα-フルオロ体を高収率で与えることを見出した。1.含フッ素溶媒中での脱アミノ含フッ素官能基化反応:本年度は芳香環上および側鎖に種々の官能基を持った基質を用いた研究から、光あるいは熱による脱アミノフッ素化反応が複雑な構造を持った含フッ素芳香族化合物合成にも利用できるという知見を得ることができた。2.含パ-フルオロアルキル官能基化反応:トリフルオロアセトアルデヒドと各種オレフィン類やジエン類のエン反応において亜鉛トリフレートが非常に優れた触媒として働くことを見いだした。この触媒を用いると、オレフィンやジエンあるいはアルデヒドの重合といった副反応を押さえることが可能であり、目的のトリフルオロメチル基を持った不飽和アルコールを収率良く合成できる。3.フルオロアジン類の求核種による置換反応:本年度はフルオロアジン類とアルコキシドとの反応によるアルコキシアジン類の生成が、クロロアジン類を用いる従来法より、早く進行することを明らかにした。そして、従来法では不可能であった、三級アルコールのアルコキシアジン類合成がこの方法で可能なことを見いだした。4.有機ハロゲン化合物のハロゲン・含フッ素強酸アニオン種交換反応性:本年度は本反応により合成した、フルオロアジン類が(3)の反応によって、農薬などに利用されているアルコキシあるいはフェノキシアジン類へ効果的に変換できることを見いだした。平成7年度は、6年度の成果をもとに以下に示す1-4の反応について検討した。1.含フッ素溶媒中でのアニリン類の脱アミノ含フッ素官能基化反応:HF塩基

溶液中でのアニリン類のジアゾ化-脱ジアゾフッ素化反応収率は共存塩基や置換基の種類およびその位置の影響を受けた。この場合、極性置換基を持つパラアミノフェノールの反応におけるジアゾ化物と副反応物の生成機構を明らかにした。一方,中間生成イオン等価体としてのジアゾニウム塩を出発基質とするの脱ジアゾ化反応を行うことにより共存塩基濃度および基質置換基の影響を詳細に検討し、アニリン類の一段法脱アミノフッ素化反応についての機構解明のための知見を得た。さらに、脱ジアゾフッ素化段階における光照射の顕著な効果があることを認めた。2.含フッ素アルキル化反応:トリフルオロアセトアルデヒドとオレフィンおよびジエンとのルイス酸誘導型エン反応を行った結果、弱酸性スイル酸である塩化亜鉛や亜鉛トリフラートが重合等の副反応を抑制し、選択的に目的の含フッ素エン反応生成物を与えることを見いだした。また、亜鉛トリフラートは固-液不均一触媒として用いることができ、容易に回収して再利用できることを明らかにした。3.フルオロアジン類の求核種による置換反応:フルオロピリジンやフルオロピリミジンが他のハロゲン化物に比較して著しい活性を持ち、トリフルオロエタノール,ヘキサフルオロイソプロパノールのような非常に弱い求核種とも反応し対応する含フッ素アルコキシアジン類を与えた。4.有機ハロゲン化合物のハロゲン-含フッ素強酸アニオン種交換反応:弱い求核種である含フッ素強酸アニオンによるSnAr型求核置換反応について検討した。ハロ芳香族アジン類のみならず強い電子吸引基をもつベンゼンもHF中の塩基共存によって容易にハロゲン交換フッ素化しフルオロベンゼン類を与えることを明らかにした。平成8年度は、6・7年度の成果をもとにした研究を行い、以下に示す1-4の反応についての知見を得た。1.高活性・高選択的フッ素化試薬としてのEt_3N-5HF溶液:HFとEt_3Nから容易に調整されるEt_3N-5HFが不飽和結合へのヒドロフッ素化や不飽和アルデヒドの環化フッ素化に対して高活性・高選択的フッ素化試薬となることを見出した。また、種々の有機化合物の電解フッ素化反応の支持電解質として優れていることを明らかにした。2.HF-塩基とオレフィンおよび不飽和アルデヒドとの反応:n値が5あるいは6のEt_3N-nHF錯体は種々の分枝オレフィンに選択的にヒドロフッ素化して、分子内の他の二重結合やケトンおよびアルコール等の官能基の影響を受けずに三級アルキルフルオリドを与えた。また、5あるいは6-アルケナ-ルは立体選択的環化を伴ってフッ素化が進行し、対応する含フッ素環状アルコールを良好な収率で生成することを見出した。3.HF-塩基溶液を支持電解質として用いる電解フッ素化反応:HF-塩基溶液を支持電解質として用いる電解フッ素化反応について検討した結果、脂肪族アルデヒドはカルボニルα位のホルミル水素のフッ素交換が進行し対応する酸フルオリドが生成した。また、2, 2-二置換