hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
筋細胞および非筋細胞の構築における細胞骨格蛋白質タリンの役割に関する研究

タリンはビンキュリンやα-アクチニンと共に細胞接着斑を構成する細胞骨格蛋白質であり、細胞外マトリックス・細胞膜とアクチン線維を主成分とする細胞骨格とを連繋する位置に存在する。しかしその機能、特にアクチンとの結合能は不明であった。そこで、本研究ではまず、タリンが直接アクチンと結合出来るかどうかを精製成分を用いて検討することにした。その結果、世界で初めて、タリン(230kD)がF-アクチンのみならずG-アクチンとも効率よく直接結合し得ることを、新しい方法で精製した成分を用いたin vitroの系で証明することに成功し、接着斑におけるアクチンフィラメントと原形質膜との直接的な連繋体としてのタリンの機能を明確にした。また、タリンがアクチンフィラメントを架橋する性質を備えていることをα-アクチニンとの相互作用の解析を通じて明らかにし、タリンがおそらくは細胞膜直下で、アクチンフィラメント形成のための核となり、次いで、α-アクチニンとの協同作用により細胞内骨格の3次元構造の形成、即ち、細胞形態の決定に関与する可能性を示した。さらにタリンを細胞内の内因性の蛋白質分解酵素、カルパインで処理して得られたC-末端側の190kD断片は、インタクトなタリンで観察されたと同様な、あるいはむしろ高いレベルのアクチン結合能を示し、アクチン重合の核形成やゲル化を促進する作用も認め、C-末端ドメインが細胞骨格の組織化に重要な役割を果たすことを明らかにした。今後は190kD断片のどの部位に、このような機能が存在するかを詳細に検討し、α-アクチニンやビンキュリンの関与もさらに明確にし、また47kDのN-末端ドメインの細胞膜側との連繋の可能性も探ることによって、細胞接着斑における分子構築の機構を明らかにする必要があろう。タリンはビンキュリンやα-アクチニンと共に細胞接着斑を構成する細胞骨格蛋白質であり、細胞外マトリクス・細胞膜とアクチン線維を主成分とする細胞骨格とを連繋する位置に存在する。最近、私共は新しい方法で精製したタリン(230kD)がF-アクチンやG-アクチンと直接結合することを報告した。そこで本研究では細胞接着斑でのアクチンフィラメントの構築の機構を明らかにするために、まず、細胞接着斑における3つの主要成分、タリン、アクチン、α-アクチニン間の相互作用を検討した。タリンとα-アクチニンの間に相互作用は認められなかった。タリンとα-アクチニン両者はアクチンの重合の速度および程度を増加した。一方、タリンだけでは非常にわずかなアクチンゲル化活性しか示さなかったが、タリンはα-アクチニンの存在下で著しいアクチンのゲル化を引き起こし、ゲル形成に必要なα-アクチニンの濃度を減少させた。前もって重合させたアクチンに及ぼすタリンのゲル化促進活性はG-アクチンにおいて観察されたものよりは低かった。EDCあるいはジメチルスベリミデートなどの化学架橋試薬でタリンを処理すると、そのオリゴマーポヂベプチドを形成した。タリンG-アクチンの複合体形成が架橋剤や蛍光ラベルしたアクチンを用いた場合にも認められた。これらの結果はいずれもタリンがアクチンフィラメントのある限定された部位を架橋することを示している。以上のことは、タリンがおそらくは細胞膜直下で、アクチンフィラメント形成の核となり、次いでα-アクチニンとの共同作用により細胞内骨格の3次元構造の形成、即ち、細胞形態の決定に関与する可能性を示唆している。

前年度はタリン(230kD)がおそらくは細胞膜直下で、アクチンフィラメント形成のための核となり、次いで、alpha-アクチニンとの協同作用により細胞内骨格の3次元構造の形成、即ち、細胞形態の決定に関与する可能性を示した。そこで本年度はさらにタリンを細胞内の内因性の蛋白質分解酵素、カルパインで処理しN-末端側の47kD断片とC-末端側190kD断片に分解した。得られたC-末端側の190kD断片は、インタクトなタリンで観察されたと同様な、あるいはむしろ高いレベルのアクチン結合能を示し、アクチン重合の核形成やゲル化を促進する作用も有していることを認めた。一方、47kD断片はこれらの活性をほとんど示さなかった。ウサギに免疫して得られた抗鶏砂のう筋タリンの抗体を、脳、砂のう筋、骨格筋、心筋や卵管組織などのいろいろな鶏組織中のタリンおよびその分解断片の検出のために使用した。ほとんどの組織抽出物中には、インタクトな230kDポリペプチドの他に、免疫的に交叉反応を示す190kDポリペプチドを高レベルで含有することが明らかになった。このことはタリンが組織抽出物の調整中にプロテオリシスに非常に感受性が高いか、あるいはまた生筋細胞中でさえもこの現象が生じている可能性を示している。これらの結果はC-末端ドメインが細胞骨格成分の組織化に重要な役割を果たすことを示唆している。一方、N-末端ドメインは細胞膜構成要素と相互作用してなんらかの機能を発揮する可能性がある。今後は190kD断片のどの部位に、このような機能が存在するかを詳細に検討し、alpha-アクチニンやビンキュリンの関与もさらに明確にし、また47kDのN-末端ドメインの細胞膜側との連繋の可能性も探ることによって、細胞接着斑における分子構築の機構を明らかにする必要があろう。
大乗『涅槃経』を中心とした仏教の平等思想と差別思想の起源と変遷の研究

研究代表者は分担者の協力を得て、研究期間中において、仏教における平等と差別の思想の起源と変遷というテーマのもと、特に仏教における差別的存在であるicchantikaに注目して『涅槃経』を中心にして、その概念と実態の変遷をインド仏教と東アジア仏教に探り、以下の検討結果を得た。1)icchantikaの最も基木的な性格は、大乗経典の、とりわけ当の『涅槃経』に対する誹謗者であるということ。2)Lankavatarasutraは『涅槃経』のicchantikaを受け継ぎ、本来の意義からすれば矛盾する大悲闡提を新たに創始し、二種のicchantikaを説いたが、その際、icchantikaの性格として、大乗経典の誹謗者、不成仏者という二つの性格を利用していること。(このことから6巻本以降の増広部分でicchantikaの成仏の可能性を説いている漢訳40巻本『涅槃経』は、インド成立が疑わしくなってくる)3)icchantikaは、インド仏教において既にその実体が失われて観念的存在へと変化したが、東アジア仏教にはその観念化したicchantika像が伝えられた。東晋から唐代に至る代表的な中国仏教者、道生、智〓、吉蔵、基らの解釈は「悪なる存在」としての一闡提(icchantika)であり、しかも成仏可能な存在であった。4)唯識の五性各別説に立つ基は、40巻本『涅槃経』でicchantikaの成仏の可能性が説かれているため、agotraの内容規定に腐心したが、日本も含めた東アジア仏教では万人平等の一乗仏教が優勢を占めたため、一乗仏教との間の論争はあったものの、主要な潮流とは成り得なかった。仏教における平等と差別の相反する思想は、具体的には平等思想は仏陀の教説としての四姓平等より大乗仏教の仏性如来蔵を根拠とした一乗皆成思想として現れ、差別思想は大乗『涅槃経』起源のicchantikaや瑜伽唯識の五性各別説として現れている。icchanitkaは『涅槃経』自体においてすでにその実体が失われつつあり、「悪くなる存在」として観念化が進んでいるが、後の『入楞伽経』や『大荘厳論経』などではすでに観念としてのみの存在になっている。このことは東アジア仏教においても同様で、一闡提は成仏不可能な存在としての観念的存在として扱われており、五性各別説との関連でら論じれることが多い。そして、その五性各別説は教理思想上、一乗皆成思想と対極にあるものである。以上のことを前提に、本年度は東アジアの平等、差別両思想の変遷について、まず平等思想としての一乗皆成思想をみることによって両思想の解明に努めた。具体的には、中国隋代に『法華経』の一乗皆成思想に依拠して統一仏教を樹立した天台智〓を取り上げ、彼の仏性・如来蔵思想に焦点を当て、大乗戒を説く『梵網経』との関わりから検討し、その結果、智〓の戒律思想の背景に仏性説が大きく関わっていることが知られた。さらにまた、如来性悪説を含めた彼の性具思想に焦点を当ててその原意を探り、善悪不二、現象法がそのまま絶対であるとする思想は、一法が一切法を本来的に具えていて完全であるとする一即一切の相即思想に由来し、彼のその思想的淵源は『華厳経』にあるということを指摘した。また日本においては、仏教を統一国家樹立の理念的支柱とした聖徳太子を取り上げ、文献資料の真偽問題の検討を経て、『憲法十七条』や「三経義疏」などを通して見られる太子の思想を究明し、その平等思想について論じた。

本年度において、研究代表者は東アジア仏教を中心に仏教の平等思想としての一乗思想を取り上げ、『浬槃経』の仏性如来蔵思想が中国仏教者にどのような影響を与えているかという問題の解明に当たった。具体的には、未だ仏性を説いていない『法華経』について、中国魏晋南北朝期の代表的仏教者である道生、光宅寺法雲と隋の天台智額らの解釈を知るために、『妙法華』中の「仏種」の語を取り上げて彼らの解釈を検討した。「仏種」の語は本来「仏種姓」と同義で、仏の血統、系譜などの意を表す語である。しかし、この語は『法華経』の梵本やチベット訳、竺法護の漢訳テキストには見られず、羅什訳のみに見られるものであって、その語の解釈は種々に異なっている。上記の仏教者たちの解釈は、法雲以外はいずれも仏性思想によってこの語を解し、特に智頻に至って初めてこの「仏種」の「種」を植物の種子と解釈して、仏性たる種子を衆生の心に植え付けるという下種論を創始しているという検討結果を得た。この下種論は日本天台を経て、日蓮によって批判的に取り込まれ、日蓮法華仏教において極めて重要な位置を占めているものであって、この天台の解釈の影響は実に大きい。同じく『浬槃経』に端を発するicchantika(一闡提)については、ごく最近『浬槃経』研究の新しい成果が出され(下田正弘『浬槃経の研究』)、その中で一闡提の実体について従来の「利養貪着者」という望月説が再び支持された。しかし、その説には諦法者としての一闡提という側面が欠落しており、賛同しがたい。その説に再検討を加えるために現在、法顕訳六巻本『浬槃経』の国訳・訳注を継続中である。研究代表者は分担者の協力を得て、研究期間中において、仏教における平等と差別の思想の起源と変遷というテーマのもと、特に仏教における差別的存在であるicchantikaに注目して『涅槃経』を中心にして、その概念と実態の変遷をインド仏教と東アジア仏教に探り、以下の検討結果を得た。1)icchantikaの最も基本的な性格は、大乗経典の、とりわけ当の『涅槃経』に対する誹謗者であるということ。2)Lankavatarasutraは『涅槃経』のicchantikaを受け継ぎ、本来の意義からすれば矛盾する大悲闡提を新たに創始し、二種のicchantikaを説いたが、その際、icchantikaの性格として、大乗経典の誹謗者、不成仏者という二つの性格を利用していること。(このことから6巻本以降の増広部分でicchantikaの成仏の可能性を説いている漢訳40巻本『涅槃経』は、インド成立が疑わしくなってくる)3)icchantikaは、インド仏教において既にその実体が失われて観念的存在へと変化したが、東アジア仏教にはその観念化したicchantika像が伝えられた。東晋から唐代に至る代表的な中国仏教者、道生、智〓、吉蔵、基らの解釈は「悪なる存在」としての一闡提(icchantika)であり、しかも成仏可能な存在であった。4)唯識の五性各別説に立つ基は、40巻本『涅槃経』でicchantikaの成仏の可能性が説かれているため、agotraの内容規定に腐心したが、日本も含めた東アジア仏教では万人平等の一乗仏教が優勢を占めたため、一乗仏教との間の論争はあったものの、主要な潮流とは成り得なかった。
地震・波浪影響を高精度予知可能な繰返し予歪損傷考慮型CTOD破壊評価標準法の創成

社会活動の基盤をなす社会インフラに多く用いられる大規模鋼構造物の設計・維持判断においては甚大な被害を招く脆性破壊防止のため、CTODクライテリオンを用いた破壊力学アセスメントが行われるが、近年の地球環境条件激化もあり、より高精度な評価が求められる気運にある。しかし、現存規格では評価者毎のノウハウに依存する部分があり、標準化が不完全である。そこで、本研究では、波浪や地震などの、繰返し負荷による限界特性の棄損を考慮した上で実験ノウハウを標準化するための研究を行う。この目的達成に共通するコア技術として「ランダムな塑性変形後の結晶粒内損傷分布を定量把握するためのメゾスケール数値モデル開発」を実施する。本研究は、溶接継手部の限界CTOD値把握のための試験片作製標準条件の解明と客観的評価手法の提供および正負交番負荷による材料損傷の高精度予測とCTODパラメータを用いた破壊評価法への組み込み方法の構築を目的に、中核技術としてランダムな塑性変形後の結晶粒内損傷分布を定量把握するためのメゾスケール数値モデル開発を行う研究である。ランダムな塑性変形後の結晶粒内損傷分布を定量把握するためのメゾスケール数値モデル開発は、学術的意義が大きい。研究成果は、ISO標準化などを通じて広く社会へ還元されることが期待される。
チューリングの拡散誘導不安定化再訪－解集合の大域的構造の視点から

生物の発生過程で起る形態形成の仕組みをTuringは「拡散誘導不安定化」と捉えた.複数の化学物質が反応するとき,一様な環境下でも空間的に非自明な構造(パターン)が自動的に形成され得るという主張である.定数定常解から非定数定常解が分岐することを以て,その数学的正当化とされがちであった.本研究では,そのような分岐が伴わないパターン形成が起こり得ることを示し,Turingの考えの新しい解釈を提唱した.出発点となるTuringの1952年の論文が書かれた時点では,非線型問題を系統的に研究するための数学的道具は殆どなく,また,反応拡散系におけるパターン形成が,実際に自然界に存在するかどうかも明らかでなかった.いわば,預言の書であった.その20年後あたりから,数学的な研究が本格化したが,当時の主な道具立ては「特異摂動法」と「分岐理論」であった.前者は非線型項の大域的構造を用いて解を構成するのに対し,後者は定常解の近傍で新たな解を見つける方法である.(定数定常解が不安定化するという)Turingの論文は,後者の立場に近く,非線型項の局所的な構造だけが使われ,その意味で普遍性をもっていた.そこでパラメータ空間で定数定常解からの分岐点をTuring点と呼ぶ人も現れるようになった.しかし,我々がシミュレーションで目にするのは,分岐点から遠く隔たった領域であり,また,分岐がない場合でも非自明解が存在し得る.たとえば,定数解はいつも安定であるが,一方の拡散係数が非常に小さいときにパターンが発生するということも起る.これは,Turingが云う空間的に一様な状態が不安定化することの一つのバリエーションではないか.つまり,定数定常解が大きな擾乱に対して不安定化すると解釈できるのである.実例を探すために,対象を拡げて結晶成長モデルなどの解析を行っている研究者を交えたワークショップを開催した.このような観点から,複数の定常解が存在する場合にそれぞれの解が引きつける初期値の範囲調べるため,数値実験を行ったところ,実際は,空間的に一様な定常解に収束する初期値がかなりたくさんあることが見えてきた.定数から非常に離れた安定定常解に収束する初期値の特徴を定量的に述べるのは,いまところ困難である.また,空間的に均一でない媒質中のパターン形成も分岐とは無関係に起こり得ることを証明した.生物の発生過程で起る形態形成の仕組みをTuringは「拡散誘導不安定化」と捉えた.複数の化学物質が反応するとき,一様な環境下でも空間的に非自明な構造(パターン)が自動的に形成され得るという主張である.定数定常解から非定数定常解が分岐することを以て,その数学的正当化とされがちであった.本研究では,そのような分岐が伴わないパターン形成が起こり得ることを示し,Turingの考えの新しい解釈を提唱した.今年度,Turingの反応拡散不安定化に関する論文の出版60周年を記念して,8月に仙台市国際センターにて研究集会"Turing Symposium on Morphogenesis--MathematicalApproaches Sixty Years after Alan Turing"を開催し,この60年間の反応拡散系の研究を振り返るとともに,今後の展望を示した.本研究課題の問題意識である「定常解の集合の大域的構造」の観点からの研究の重要性を強調した講演を行った.12月に明治大学で行われた研究集会では,活性因子ー抑制因子系の提唱者の一人であるMeinhardt教授と意見の交換をする機会を得た.提唱者の問題意識に直に触れることができ,大変有意義であった.また,定期的に「数理生物学セミナー」を開催し,Turingの論文を生物学的観点から評価した論文の輪講を行い,さらに実験生物学者にヒドラ頭部再生実験やゼブラフィッシュの第一運動神経軸索の形成実験の紹介をしてもらった.数理モデルに含まれる様々なパラメータの値が,実際には,どのような範囲にあるべきかを知るためである.非拡散性の成分と拡散性の成分との間の相互作用によってもパターンが生じ得るが,そのようなモデルの定常解の安定性は,反応拡散系の場合よりも弱い位相で取り扱う必要がある.このような場合の線型化安定性判定法を正当化することができた.不変多様体上での解の振舞いを解明することは,特異摂動解のダイナミクスを知る上で極めて重要である.これについて,最大点がただ一つ領域の境界上に存在するような解の大域的挙動を調べるための漸近展開の公式を確立したので,米国数学会東南支部会で発表した.定常解の大域的構造を調べるべき,代表的な数理モデルとして,GiererとMeinhardtによる活性因子ー抑制因子系に焦点を絞り,抑制因子の拡散係数が無限大となった極限系の構造を考察した.基礎生産項による大域的構造の変化についての概略が分かり始めた.ほぼ,当初計画に沿った進展と言える.精度保証付き数値解法などを援用して定常解の集合の大域的構造を解明するため,その方面の専門家と共同研究を進める.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。
断層リニアックグラフィシステムの開発と応用

リニアックの治療ビームによる断層撮影が可能な断層リニアックグラフィシステムを開発し、照合手法としての有用性について検討を行った。その結果、断層リニアックグラフィシステムは通常のリニアックグラフィと同等の被ばく線量で3次元的な照射部位の確認が可能であることが示された。本手法は既存の照合手法と比較して低い被ばく線量、非侵襲、簡便に実施可能である特徴があり、照合方法として有用であると考えられる。線源と受像器が連動する仕組みである断層システムは既製品として存在しないため、新たに設計した。線源はアイソセンタ面に対して円弧状に動作する必要があり、受像器はアイソセンタ面と平行を維持しつつ、線源の回転動作の曲率に合わせて連動する必要がある。線源として用いるリニアックは、線源がガントリ回転軸を中心にアイソセントリックに回転する機構となっているため、円弧移動方式における線源の移動と等しいことから、そのまま利用した。受像器にはイメージングプレートを放射線治療で使用される照射野画像用カセッテと組み合わせた。受像器は線源と連動して円弧移動の必要があり、診断用X線断層撮影装置の構造を参考に、回転運動を平行運動に変える「平行クランク機構」を用いて受像器とアイソセンタ面の平行の維持および受像器と線源とを連動させた。また、ガントリの円弧移動を受像器に伝達するため、ガントリと平行クランク機構の間は機械的に接続した。これにより線源と受像器の動作は連動し、断層撮影装置と同様の動作が可能となった。そして、構築した断層リニアックグラフィシステムの照合手法としての有用性を評価するため、振角と断層厚の測定について検討を行った。診断用の断層テスト装置ではチャートパターンが描出されなかったため、治療ビームで使用可能なタングステン球の断層厚測定器を作製して測定を行った。その結果、通常のリニアックグラフィでは全てのタングステン球が明瞭に描出されたが、振角が大きくなるにしたがい明瞭に描出されるタングステン球の減少が認められた。したがって、本システムを用いることで断層像が得られることが示された。本システムでは、振角60°の時は断層厚が約12mmであることが示された。リニアックの治療ビームによる断層撮影が可能な断層リニアックグラフィシステムを開発と応用を行う。放射線治療における「照合」は治療計画で作成した照射方法と治療時の患者セットアップが、幾何学的に一致しているか否かを治療線量投与前に確認する手順である。この確認では、固定具を含む患者セットアップが位置決め時と治療時で同一であること、皮膚マークとレーザーポインタを用いたセットアップにより患者座標と治療室座標の一致が得られていること、鉛ブロックやマルチリーフコリメータなどによる照射野整形が治療計画と一致していることなどが総合して評価される。近年の放射線治療は、線源回転軸間距離一定で行われるため、照射部位の確認はアイソセンタ位置で行われており、本研究で提案している断層リニアックグラフィはアイソセンタ面を含む断層像が得られるので、1枚の断層像で照合に利用できる。また、アイソセンタ面に対応する体表面に外部マーカーとして金属を貼付して断層リニアックグラフィ撮影を行うことで、外部マーカーを変位の指標として用いことができ、ビーム軸方向やローテーションによる変位を含む3次元的な変位の確認が可能になる。そのため、構築した断層リニアックグラフィシステムの照合手法としての有用性を評価するため、照射部位にビーム軸方向の変位が生じた場合、断層リニアックグラフィを用いて変位の確認が可能であるか、また、どの程度の変位であれば確認可能であるかを知るため、頭部ファントムと肺腫瘍ファントムを用いて検討を行った。その結果、頭部ファントムおよび肺腫瘍ファントムのビーム軸方向における0.51cmの変位の確認が可能であり、外部マーカーの併用が変位の確認に有効であることが示された。断層リニアックグラフィは、従来のX,Y平面のみによるリニアックグラフィの照合にZ(深さ)方向の情報を加味することができる。したがって、照合による被ばく線量を低減できるとともに、位置誤差や困難であった患者のローリングの検知も可能であり高精度の照合ができる。また、断層リニアックグラフィは、より簡単で精度の高い点検方法を開発することも可能であり放射線治療の品質管理に応用が可能である。本年度は、断層リニアックグラフィによる照合システムの実用化に向けた試験および品質管理への応用研究として、肺腫瘍ファントム等を用いて振角060゚を10゚間隔で撮影した画像に対してROIを設定し、ピクセル値から得られるIP入射線量を比較することで、通常のリニアックグラフィと断層リニアックグラフィにおける患者被ばく線量の比較を行った。また、臨床における断層リニアックグラフィシステムの品質管理への応用について検討を行った。その結果、振角が大きくなるにしたがいIP入射線量の比は減少傾向を示し、振角60゚は振角0゚と比較して10%減少した。したがって、IP入射線量を患者被ばく線量の指標とみなした場合、振角60゚断層リニアックグラフィにともなう患者

被ばく線量は、通常のリニアックグラフィのそれと比較して約10%の増加であると推測される。また、断層リニアックグラフィシステムをリニアックの品質管理への応用としては、適当なファントムを治療位置にセットアップし、ファントム表面のレーザーポインタ指示位置に金属細線などのマーカーを設置した状態で断層リニアックグラフィ撮影を行った。左右のレーザーポインタが両方ともアイソセンタを指している場合は両方のマーカーがボケないで描出され、アイソセンタを指していない場合はマーカーがボケて描出されることから、レーザーポインタの精度管理にも利用可能であると考えられる。
羽ばたき飛行における柔軟翼の有効性と三次元渦構造

本研究では,生物飛行の優位性を明らかにするために,主翼を柔軟な素材とし,ヒービング運動を付加した模型の空力特性を調査し,空力的に優れている羽ばたき条件を見出す.そして,空力性能と流体力学的現象との相互関係について明らかにする事を研究目的として進めてきた.3年間の結果として,(1)翼幅方向及び翼弦方向に主翼厚さのテーパを有する柔軟翼を,ABS樹脂の一種であるVero White Plusを造形材とした3Dプリンタによって製作し,羽ばたき振幅は,20°の時最も空力特性良好である事が確認できた.(2)翼幅方向に主翼厚さのテーパを付けた場合,テーパ比0.50の時最もCLmax(最大揚力係数)が大きくなり,翼弦方向に主翼厚さのテーパを付けた場合,テーパ比0.33の時最もCLmaxが大きくなり,再現性も良好であった.(3)揚抗比曲線より,翼幅方向にテーパを有するタイプEは,迎角3°4°にかけてCL/CD最大となり,優れた特性を示している事が確認できた.この迎角付近では,CD値マイナスとなり,推力を発生している事も確認できた.(4)模型に組み込まれているエンコーダ出力を基にPIVトリガー計測システムを構築し,特定のヒービング角度でPIV計測する事が可能となった.また,シャインフルーグアタッチメントを有する2台のCCDカメラと,精密位置決め可能なキャリブレーションプレートを用いたシート面内三次元PIVステレオ計測システムを構築した.その結果,良好な空力特性を示した柔軟翼の場合,後縁剥離渦と前縁剥離渦が合流して,強い再付着流が発生し,渦揚力を生み出している事が確認できた.この傾向は,ミッドスパンから翼端にかけて顕著であることが確認できた.また,流体力とPIVの同時計測を実施し,空力特性良好な柔軟翼の場合,ヒービング運動と揚力変動の位相が45度ずれている事が分かった.本研究は,3Dプリンタで翼厚の異なる楕円翼を造形し,これらの翼を風洞内でヒービング運動させ,翼厚分布が空力特性に与える影響を調査した.具体的には,Type AからType Hの8種類を製作した.翼の平面形状は,誘導抗力を軽減することができる楕円形を採用している.Type Aの材質はステンレス(SUS304)である.翼厚は翼根元から翼端まで0.2mm一定である.Type Bは外板をフィルム(AK-クリヤフィルム),翅脈をステンレス(SUS304)として構成されており,フィルム厚さ50μm,翅脈厚さ0.2mmである.Type C,D,Eの材質は, ABS樹脂の一種であるVero White Plus (RGD835)としている.これらの楕円翼は,翼幅方向にテーパをつけており,翼根元の翼厚を1.5mmで固定し,翼先端を翼根元の75%,50%,33%の厚さとした.Type F,G,Hの材質は,C,D,Eと同様のVero White Plus (RGD835)であり,翼弦方向にテーパをつけており,前縁の翼厚を1.5mmで固定し,後縁を前縁の75%,50%,33%の厚さとした.結果として,以下の結論を得た.1.羽ばたき運動の効果は,迎角10度以上で顕著になる.2.翼幅方向に主翼厚さのテーパを付けた場合,タイプD(テーパ比0.50)が最もCLmaxが大きくなった.3.翼弦方向に主翼厚さのテーパを付けた場合,タイプH(テーパ比0.33)が最もCLmaxが大きくなった.また失速角23度であり,前述のタイプDより7度大きい値となった.4.タイプA(ステンレス翼)とタイプDを対象として,迎角13度においてPIVトリガー計測を試行した結果,前縁剥離渦パターンが異なっている様子が確認できた.ステンレス製翼と比較し,最大揚力係数が増加するABS樹脂翼は存在し,翼幅方向及び翼弦方向に適度なテーパを付けると空力特性が改善される事が確認できた.今年度の研究目標は概ね達成できたものと考えられる.本研究では前年度に引き続き,種々の柔軟翼をABS樹脂の一種であるVero White Plus (RGD835)を造形材とした3Dプリンタ(OBJET24(Stratasys.Ltd))によって製作し,羽ばたき翼模型をエッフェル型三次元風洞内に設置し,ヒービング運動させて以下の結論を得た.(1)翼幅方向に主翼厚さのテーパを付けた場合,タイプD(テーパ比0.50)が前年度に引き続き,最もCLmaxが大きくなり再現性を確認することができた.(2)翼弦方向に主翼厚さのテーパを付けた場合,タイプH(テーパ比0.33)が前年度に引き続き,最もCLmaxが大きくなり再現性を確認することができた.(3)揚抗比曲線より,翼幅方向にテーパを有するタイプEは,迎角α=3°4°にかけてCL/CD絶対値最大となり,優れた特性を示している事が確認できた.この迎角領域付近では,CD値マイナスとなり,推力を発生しいる事も確認できた.

(4)タイプD(テーパ比0.50)において翼根元部から翼端部にかけて,翼弦方向にシート光を照射しPIVトリガー計測を実施した結果,翼端付近において複数の前縁剥離渦が翼上面に張り付いている出現確率が,PIV解析結果200枚を母集団に対して43%であり,他の主翼タイプと比較して高い値である事が確認できた.(5)シャインフルーグアタッチメントを有する2台のCCDカメラと,X軸クロスローラ(最小目盛0.01mm)により精密位置決め可能なキャリブレーションプレートを用いたシート面内三次元PIVステレオ計測システムを構築し,その計測ノウハウを獲得した.ABS樹脂を用いた柔軟翼の翼幅及び翼弦方向におけるテーパ比の効果の再現性を確認し,PIVトリガー計測によってその流体力学的背景について知見が得られた.また、シート面内三次元PIVステレオ計測については,シャインフルーグアタッチメントを有する2台のCCDカメラとX軸クロスローラ(最小目盛0.01mm)により精密位置決め可能なキャリブレーションプレートを用いた計測システムを構築する事ができた.今年度の研究目標は概ね達成できたものと考えられる.本研究では,生物飛行の優位性を明らかにするために,主翼を柔軟な素材とし,ヒービング運動を付加した模型の空力特性を調査し,空力的に優れている羽ばたき条件を見出す.そして,空力性能と流体力学的現象との相互関係について明らかにする事を研究目的として進めてきた.3年間の結果として,(1)翼幅方向及び翼弦方向に主翼厚さのテーパを有する柔軟翼を,ABS樹脂の一種であるVero White Plusを造形材とした3Dプリンタによって製作し,羽ばたき振幅は,20°の時最も空力特性良好である事が確認できた.(2)翼幅方向に主翼厚さのテーパを付けた場合,テーパ比0.50の時最もCLmax(最大揚力係数)が大きくなり,翼弦方向に主翼厚さのテーパを付けた場合,テーパ比0.33の時最もCLmaxが大きくなり,再現性も良好であった.(3)揚抗比曲線より,翼幅方向にテーパを有するタイプEは,迎角3°4°にかけてCL/CD最大となり,優れた特性を示している事が確認できた.この迎角付近では,CD値マイナスとなり,推力を発生している事も確認できた.(4)模型に組み込まれているエンコーダ出力を基にPIVトリガー計測システムを構築し,特定のヒービング角度でPIV計測する事が可能となった.また,シャインフルーグアタッチメントを有する2台のCCDカメラと,精密位置決め可能なキャリブレーションプレートを用いたシート面内三次元PIVステレオ計測システムを構築した.その結果,良好な空力特性を示した柔軟翼の場合,後縁剥離渦と前縁剥離渦が合流して,強い再付着流が発生し,渦揚力を生み出している事が確認できた.この傾向は,ミッドスパンから翼端にかけて顕著であることが確認できた.また,流体力とPIVの同時計測を実施し,空力特性良好な柔軟翼の場合,ヒービング運動と揚力変動の位相が45度ずれている事が分かった.本研究の実施により,羽ばたき飛行及び弾性翼の有効性が確認できた.しかしながら,風洞実験データは十分なものとは言えず,再現性の確認が必要である.また,今年度のデータを基に翼幅及び翼弦方向にテーパを持たせたABS樹脂翼を製作し,その空力特性と剥離渦配置パターンについて調査し,より明確な柔軟翼プロフィールの有効性についての知見を見出していく.(1)翼弦及び翼幅方向共にテーパを有する主翼を製作し,その有効性を探る.(2)最大揚力係数,最大推力係数,揚抗比において優れた値を示した弾性翼を対象として,前年度構築したシート面内三次元PIVステレオ計測を実施し,前縁剥離渦,後縁剥離渦、翼端渦を接合した三次元渦構造について知見を得る.
高効率な復帰変異株獲得による膜蛋白質とリガンドの相互作用解析法確立と創薬への応用

本研究ではミトコンドリアのADP/ATP輸送体に注目し、その特異的阻害剤の1つであるボンクレキン酸との相互作用の様式を明らかにするために、ボンクレキン酸と相互作用しているアミノ酸残基の同定を目的とした研究を行う。この研究を推進するために、申請者らが最近確立したerror prone PCRと酵母のgap repair cloningの2つの技術を併用した高効率な機能復帰変異株の獲得技術を用いて、ランダムにアミノ酸変異を導入したADP/ATP輸送体のライブラリーの中から、ボンクレキン酸存在下でもヌクレオチド輸送活性を示す復帰変異株の取得を進めることを計画している。初年度の実験で、復帰変異株のスクリーニングに至適な実験条件を特定することができたので、H30年度には実際にボンクレキン酸存在下で生育できる復帰変異株の獲得を進めた。Zemanらによる先行研究によって、G30S、Y97C、L142S、G298Sの4つの点変異がボンクレキン酸耐性をもたらすことが報告されていたが、我々の研究で、L142SとG298Sの2つの変異を再現することができた。更に、I200V、S245P、V301Iという3つの新たな変異を特定することに成功した。また、これらのいずれの点変異を導入したADP/ATP輸送体も、野生型の輸送体が機能できなくなる0.2μMのボンクレキン酸存在下でもヌクレオチド輸送活性を示すことができることが明らかになり、これらのアミノ酸残基が実際にボンクレキン酸と相互作用していることを明らかにすることができた。すでに報告のあった4つの変異のうち、2つの変異(L142SとG298S)を再現できたのは驚きであった。とりわけ、変異する先のアミノ酸、すなわちこの2つの変異についてはSerが全くぶれることなく再現できたことは、他のアミノ酸への置換では耐性の獲得につながらないことを意味している。更に、新たに3つの点変異(I200V、S245P、V301I)を特定できたこと、またこれらのアミノ酸の点変異が実際にボンクレキン酸耐性をもたらすことを検証できたことは特筆に値する進捗である。これまでの研究で、ADP/ATP輸送体の7つのアミノ酸残基がボンクレキン酸と相互作用していることが明らかになった。ボンクレキン酸のADP/ATP輸送体との解離定数は10-8M程度であることが知られいるため、まだ未同定のアミノ酸残基がボンクレキン酸と相互作用している可能性が考えられるので、引き続きこれらの探索研究を進める。また、同定されたアミノ酸残基がボンクレキン酸との相互作用にどの程度寄与しているのかを明らかにするための実験にも着手したい。本研究では、我々が最近が確立した、error prone PCRと酵母のgap repair cloningを併用した高効率な復帰変異株獲得法を用いて、ADP/ATP輸送体がその特異的阻害剤であるボンクレキン酸とどのように相互作用しているのかを解き明かすことを目的としている。初年度は、まず実験系の確立をめざした実験を遂行した。ボンクレキン酸がミトコンドリアのADP/ATP輸送体の阻害活性を示すためには、反応液のpHをやや酸性側に設定する必要がある。これは1ボンクレキン酸の作用部位がミトコンドリアのマトリックス側に位置していること、2ボンクレキン酸が3価の負荷電を有しているために、中性のpHではミトコンドリア膜を透過することができず、若干酸性側で有効であるためである。このため、ボンクレキン酸耐性株の獲得に際して、まずやや酸性側(pH6.5)の寒天培地を調製する必要があった。pH6.5の寒天培地はオートクレーブした後、固まらないというハプニングもあったが、このトラブルを無事克服し、やや酸性の寒天培地を調製することができた。次の課題として、スクリーニングに際して用いるボンクレキン酸の濃度設定があった。すなわち、ADP/ATP輸送体が、変異によってどのくらいのボンクレキン酸耐性を獲得するのかという問題である。この問題を克服するために、野生型のADP/ATP輸送体を発現した酵母(wt)と、すでにボンクレキン酸耐性をもたらすと報告されている点変異体を発現させた酵母を用いて、塗布するボンクレキン酸濃度と培養時間の検討を進めた。その結果、2μMのボンクレキン酸を塗布した培地で48時間培養することで、ボンクレキン酸体性をもたらす点変異を的確にとらえることができることを明らかにすることができた。ボンクレキン酸耐性を獲得した酵母株のスクリーニングを効率よく行う実験系をうまく確立することができたため、当初の計画以上に進展していると判断した。

Zemanらによる先行研究によって、G30S、Y97C、L142S、G298Sの4つの点変異がボンクレキン酸耐性をもたらすことが報告されていたが、我々の研究で、L142SとG298Sの2つの変異を再現することができた。更に、I200V、S245P、V301Iという3つの新たな変異を特定することに成功した。また、これらのいずれの点変異を導入したADP/ATP輸送体も、野生型の輸送体が機能できなくなる0.2μMのボンクレキン酸存在下でもヌクレオチド輸送活性を示すことができることが明らかになり、これらのアミノ酸残基が実際にボンクレキン酸と相互作用していることを明らかにすることができた。すでに報告のあった4つの変異のうち、2つの変異(L142SとG298S)を再現できたのは驚きであった。とりわけ、変異する先のアミノ酸、すなわちこの2つの変異についてはSerが全くぶれることなく再現できたことは、他のアミノ酸への置換では耐性の獲得につながらないことを意味している。更に、新たに3つの点変異(I200V、S245P、V301I)を特定できたこと、またこれらのアミノ酸の点変異が実際にボンクレキン酸耐性をもたらすことを検証できたことは特筆に値する進捗である。ボンクレキン酸耐性株を識別するスクリーニング系はうまく確立できたため、error prone PCRとgap repair cloningを併用し、ADP/ATP輸送体の変異株を発現させ、復帰変異株獲得をめざす。なお、アミノ酸の置換の様式によって、ボンクレキン酸への抵抗性の程度が違ってくる可能性があると考えられるが、さしあたりは29年度に特定された2μMの条件で検討し、必要に応じて濃度を変化させた実験も行う。これまでの研究で、ADP/ATP輸送体の7つのアミノ酸残基がボンクレキン酸と相互作用していることが明らかになった。ボンクレキン酸のADP/ATP輸送体との解離定数は10-8M程度であることが知られいるため、まだ未同定のアミノ酸残基がボンクレキン酸と相互作用している可能性が考えられるので、引き続きこれらの探索研究を進める。また、同定されたアミノ酸残基がボンクレキン酸との相互作用にどの程度寄与しているのかを明らかにするための実験にも着手したい。初年度は条件検討が多かったため、さほど高額な経費を必要としなかった。一方で、次年度にはスクリーニングが動き出すために、多額の消耗品費が必要になることに加え、類似した研究課題を進めているフランス、スロバキアのグループとの意見交換を行うために国際学会に出席することを考え、次年度に必要になるこれらの経費を確保することに務めた。現有の消耗品を用いて実験を推進できたため、消耗品経費が予定より少なかった。引き続いた実験の遂行に必要な消耗品の購入、また研究をさらに発展させるため、情報収集の出張などに経費を充当する予定である。
トルコ農村社会におけるネットワークと家族の経済

途上国の農村社会に住む人々は、社会的ネットワークを利用して経済活動を営んでいる(ネットワークの経済学)。農村社会の規範もまた、家族内の労働配分など、個人の厚生に直結する経済活動に影響を与えている(家族の経済学)。社会規範の強い農村においてネットワークが世帯の厚生に与える影響を評価するためには、社会規範を考慮した包括的な分析が必要である。本研究は、伝統的に家父長制家族制度を有し、かつ、社会的ネットワークが農村内の農家・労働者階層の形成や階層間の雇用契約に大きな役割を果たしていると考えられるトルコ共和国アダナ県の農村社会を対象とする。家計調査を実施し、ネットワークの経済学と家族の経済学の二つの視点を統合させた実証研究を行うことにより、社会的ネットワークの多寡が、社会規範のもとで農村世帯の生計戦略や農村内の不平等に及ぼす影響を包括的に評価する。2018年度は、調査地域において社会的ネットワークや家族制度が実際の農家行動と密接に関係しているのかどうかを確認することを目的として、現地で予備的調査を行った。調査においては、ネットワークの形成が不十分でかつ家父長制家族制度の影響を受けやすいと考えられる若手農業者の状況を把握するために、若手農家支援政策の受給者に対して聞き取りを行った。調査においては、支援政策の情報源、支援政策への申請理由、支援後の家族全体の農業経営・農家経済の状況変化、支援後の自身の能力及び農家経済全体に果たす役割の変化等について聴き取りを行った。ネットワークの形成が不十分でかつ家父長制家族制度の影響を受けやすいと考えられる若手農業者の状況を把握するために、予備調査として2018年の9月に若手農家支援政策の受給者に対して聞き取りを行った。調査においては、支援政策の情報源、支援政策への申請理由、支援後の家族全体の農業経営・農家経済の状況変化、支援後の自身の能力及び農家経済全体に果たす役割の変化等について聞き取りを行った。調査の結果、ネットワークの形成状況により情報の取得源が異なっていること、女性受給者の農業経営への関与の在り方に家父長制の影響が見られることなどの示唆を得ることができた。予備調査実施時点では、次年度以降の調査方針として、若手農家を中心にサンプルを収集する方向性を検討していた。しかし、若手農家支援政策の受給者の絶対数が少数であるために、統計分析に十分な数のサンプルを収集するためには農業省との連携が必要となるが、政策の変更や人員の配置換えなどにより協力体制を継続的に構築することにはリスクが伴うことが、予備調査実施後の2019年3月にアダナ県を訪問した際に行った研究協力者とのミーティングで明らかになった。このため、次年度以降は調査対象者を限定しない形で調査を行うこととした。調査対象の変更が必要になったものの、予備調査で得られた知見は、次年度以降に行う本調査における調査票の作成に資するものであり、研究はおおむね順調に進展していると考えられる。次年度以降は、以下の計画で研究を進めていく。まず、2019年度中にトルコのアダナ県の灌漑地域において家計調査を実施し、以下の内容についての情報を収集する。1階層の形成:アダナ県の灌漑農村地域では、大規模農家層と移住者を中心とした農業労働者層に階層が分化しているが、移住者の中には農地を獲得し農業経営者となる者も存在する。移住者が農家として定着する過程に着目し、移住先でのネットワークの形成と、農地市場へのアクセスにネットワークが果たす役割について情報を収集する。2労働契約:アダナ県の農業労働市場は季節雇用労働市場と年雇用労働市場に大きく分けることができる。季節雇用労働市場では仲介人が大きな役割を果たしているが、年雇用契約の多くは仲介人を通さないため、農家・労働者間のネットワークが季節雇用に比べより重要となると考えられる。農家・労働者間のネットワークを季節労働者と年雇労働者で比較するための情報を収集する。3生計戦略:家長の女性労働に対する態度を数値化することを目的として、イスラムに基づく社会規範や家父長制への意見についてのデータを収集しする。2019年度には、女性労働に対する社会規範が農村の民族・階層構成に依存せず一般性をもっているかを検証するために、移住者が少なく農業労働者層が形成されていないアダナ県の天水農村地域でも家計調査を実施する。上記の家計調査によるデータ収集を用いて、3つの項目に関する分析を進めていく。まず、2018年度から2019年度にかけて灌漑地域で収集したデータを用いた分析を行い、2019年度には天水地域で収集したデータと比較することにより灌漑地域で得られた結果の特殊性と一般性を検証する。

2018年度は、調査地域において社会的ネットワークや家族制度が実際の農家行動と密接に関係しているのかどうかを確認することを目的として、現地で予備的調査を行った。調査においては、ネットワークの形成が不十分でかつ家父長制家族制度の影響を受けやすいと考えられる若手農業者の状況を把握するために、若手農家支援政策の受給者に対して聞き取りを行った。調査においては、支援政策の情報源、支援政策への申請理由、支援後の家族全体の農業経営・農家経済の状況変化、支援後の自身の能力及び農家経済全体に果たす役割の変化等について聴き取りを行った。ネットワークの形成が不十分でかつ家父長制家族制度の影響を受けやすいと考えられる若手農業者の状況を把握するために、予備調査として2018年の9月に若手農家支援政策の受給者に対して聞き取りを行った。調査においては、支援政策の情報源、支援政策への申請理由、支援後の家族全体の農業経営・農家経済の状況変化、支援後の自身の能力及び農家経済全体に果たす役割の変化等について聞き取りを行った。調査の結果、ネットワークの形成状況により情報の取得源が異なっていること、女性受給者の農業経営への関与の在り方に家父長制の影響が見られることなどの示唆を得ることができた。予備調査実施時点では、次年度以降の調査方針として、若手農家を中心にサンプルを収集する方向性を検討していた。しかし、若手農家支援政策の受給者の絶対数が少数であるために、統計分析に十分な数のサンプルを収集するためには農業省との連携が必要となるが、政策の変更や人員の配置換えなどにより協力体制を継続的に構築することにはリスクが伴うことが、予備調査実施後の2019年3月にアダナ県を訪問した際に行った研究協力者とのミーティングで明らかになった。このため、次年度以降は調査対象者を限定しない形で調査を行うこととした。調査対象の変更が必要になったものの、予備調査で得られた知見は、次年度以降に行う本調査における調査票の作成に資するものであり、研究はおおむね順調に進展していると考えられる。次年度以降は、以下の計画で研究を進めていく。まず、2019年度中にトルコのアダナ県の灌漑地域において家計調査を実施し、以下の内容についての情報を収集する。1階層の形成:アダナ県の灌漑農村地域では、大規模農家層と移住者を中心とした農業労働者層に階層が分化しているが、移住者の中には農地を獲得し農業経営者となる者も存在する。移住者が農家として定着する過程に着目し、移住先でのネットワークの形成と、農地市場へのアクセスにネットワークが果たす役割について情報を収集する。2労働契約:アダナ県の農業労働市場は季節雇用労働市場と年雇用労働市場に大きく分けることができる。季節雇用労働市場では仲介人が大きな役割を果たしているが、年雇用契約の多くは仲介人を通さないため、農家・労働者間のネットワークが季節雇用に比べより重要となると考えられる。農家・労働者間のネットワークを季節労働者と年雇労働者で比較するための情報を収集する。3生計戦略:家長の女性労働に対する態度を数値化することを目的として、イスラムに基づく社会規範や家父長制への意見についてのデータを収集しする。
折紙工学と空間充填理論に基づく新しいコア構造の機能創出と製造法に関する研究

軽量で高剛性、高強度のコア構造は省資源に役立つことからますます重要となる。コアの代名詞でもあるハニカムコアは熱に弱く、高価であるもののハニカムに代わるものは得られていない。本研究提案の、折紙工学と空間充填理論によって得られたダイアコアは「日本の折紙の産業応用への大いなる可能性」として本年7月にNatureに取り上げられた。この可能性ある折紙工学が確かに産業応用されるためには計算力学援用による安価な成型法の確立、機能の最適化が必要である。これまでの強度・剛性に関する検討からダイアコアはハニカムコアに総合力で優ることが示され、10月9日の日刊工業新聞の第1面に取り上げられた。更に、我々は既存の角柱型のコアモデルとは全く異なる、正多面体、準正多面体の空間充填形や、捩れ多面体等の形を持つ数々の独創的なコア構造を創案している。本研究では、ダイアコアの安価な製造法の確立、遮熱、吸音・遮音などの機能創出などを行うとともに、角柱型でない新しい概念に基づくコア構造に関しても同様に、計算力学を援用し新しい意匠デザイン、機能創出と安価な成型法の開発を目指した。ただし、今回の期間(平成20年4月-5月)では、ダイアコアの成形シミュレーションの手法開発を行った。
可視領域に吸収を持つTiO_2薄膜の作製と電子状態計算による光機能性の解析

本研究の目的は、吸収端が250 300nm付近となるため、光触媒や光起電能の発現に、紫外光が必須であるTiO_2薄膜について、屋内外で、より効率的に光反応を起こすために、その可視光領域における光吸収の増感を検討することであった。このような増感剤添加により得られるTiO_2薄膜における光機能性は、TiO_2膜と添加した色素あるいは遷移金属イオンの両方の電子状態により発現し、そのメカニズムを定量的に解析するために、TiO_2膜自体のみならず、添加された色素あるいは遷移金属イオンの電子状態を同時にかつ正確に求める必要があるため、経験的なパラメーターを全く用いない、いわゆる第一原理分子軌道計算法の一つであるDV Xα法を用い、その電子状態を算出した。まず、有機-無機複合TiO_2薄膜の作製には、Tiアルコキシドに対してキレート環を形成する有機物の添加が有効であることから、様々なβ-ジケトンが配位したTiアルコキシドの光反応性について検討を行った。その結果、置換基の共鳴系を長くすると、HOMO-LUMO間のエネルギー差が小さくなること、また、光を吸収した時に電子が主に遷移すると思われるLUMO付近の軌道は、キレート環内のC-Oに関する反結合性の成分を含む軌道であることがわかった。このことから、用いるβ-ジケトンの共鳴系の長さを調節することにより、任意の波長に吸収をもたせることができる可能性のあることが明らかになった。また、TiO_2中に種々の不純物を添加したモデルについて考察した結果、遷移金属イオンを添加した場合は、不純物による準位が極めて局所的であり、光起電力など物性の可視領域化には有効でないことがわかった。また、アニオンを置換したほとんどの場合、酸化チタンのバンドギャップには変化が見られなかった。このような中で、Pイオンでチタンサイトを置換したモデルでは、伝導帯を形成する新たな準位がTiO_2のバンドギャップ内に現れること、またNイオンを添加した場合にのみ、HOMOのエネルギーが上昇し、バンドギャップが小さくなることを見いだした。これらの成果については、日本セラミックス協会2001年ガラス討論会および2002年春季年会において発表を行った。本年は、TiO_2薄膜および添加した不純物の電子状態について検討を行った。まず、不純物を含まない状態でのTiO_2薄膜の電子状態を算出するため、典型的なTiO_2結晶として知られているルチル型およびアナターゼ型について、モデルクラスターを構築し、その電子状態の検討を行った。その結果、ルチル型のモデルにおけるHOMO-LUMO間のエネルギーギャップは、3.6eV、アナターゼ型については4.23eVという値が得られた。実測値としては、ルチル型が約3.0eV、アナターゼ型では約3.2eVという報告があり、いずれのクラスターにおいても計算結果ではエネルギー差が0.61eV程度大きくなる傾向を示した。これは有限個の原子からなるクラスターモデルを用いているためであるが、一方で、ルチル型に比べてアナターゼ型において、エネルギーギャップが若干大きくなるという傾向はよく再現されており、不純物の添加効果を議論するためには十分な精度の結果が得られていることがわかった。次に、TiO_2膜中への不純物の添加効果を検討するため、モデルクラスター中のTiあるいはOイオンを、遷移金属イオンや種々のアニオンに置換したクラスターを作成し、不純物による電子状態の変化について検討を行った。第4第6周期遷移金属イオンによりTiサイトを置換した場合、TiO_2のバンドギャップ中に遷移金属イオンのd軌道を主成分とする準位が現れた。また、このような準位は、添加した遷移金属イオン周辺に非常に強く局在化していることも明らかとなった。ここで得られた結果は、遷移金属イオン添加により、可視領域に光吸収を持つTiO_2薄膜の作製が可能であることを示しているが、一方で、光吸収により遷移した電子は、遷移金属イオン周辺に局在化し、光起電力などには効果が期待できないことがわかった。また、Oイオンを他のアニオンで置換したモデルでは、ほとんどの場合、バンドギャップなどに顕著な変化は見られなかった。唯一、Nイオンで置換した場合のみ、HOMOのエネルギーが上昇し、TiO_2のみの場合に比べてHOMO-LUMO間のエネルギー差が小さくなることがわかった。

その結果、置換基の共鳴系を長くすると、HOMO-LUMO間のエネルギー差が小さくなること、また、光を吸収した時に電子が主に遷移すると思われるLUMO付近の軌道は、キレート環内のC-Oに関する反結合性の成分を含む軌道であることがわかった。このことから、用いるβ-ジケトンの共鳴系の長さを調節することにより、任意の波長に吸収をもたせることができる可能性のあることが明らかになった。また、TiO_2中に種々の不純物を添加したモデルについて考察した結果、遷移金属イオンを添加した場合は、不純物による準位が極めて局所的であり、光起電力など物性の可視領域化には有効でないことがわかった。また、アニオンを置換したほとんどの場合、酸化チタンのバンドギャップには変化が見られなかった。このような中で、Pイオンでチタンサイトを置換したモデルでは、伝導帯を形成する新たな準位がTiO_2のバンドギャップ内に現れること、またNイオンを添加した場合にのみ、HOMOのエネルギーが上昇し、バンドギャップが小さくなることを見いだした。これらの成果については、日本セラミックス協会2001年ガラス討論会および2002年春季年会において発表を行った。