hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
MRIに基づく匂いやフェロモンを識別する嗅神経回路の解析

多くの動物は、種の保存や生命の危機回避において、嗅覚を通じて外界から様々な情報を得ている。匂い物質やフェロモンといった化学物質がその情報の担い手であり、情動や行動、生理的変化を惹き起こす。本研究において、マウス脳内における匂い物質やフェロモン様物質に対する応答を、機能的MRI手法により捉えることに成功した。繰り返しの嗅覚刺激に呼応して周期的に信号変化が生じる脳内部位を抽出する解析手法を確立し、これを適用することにより、応答部位を同定した。刺激物質に応じて異なる脳領域に応答が見られた。【研究目的】多くの動物は、種の保存や生命の危機回避において、嗅覚を通じて外界から様々な情報を得ている。フェロモンや匂い物質といった化学物質がその情報の担い手であり、情動や行動、生理的変化を引き起こす。申請者らは、連携研究者との共同研究のもと、メスマウスの性行動を誘発するペプチド性フェロモンESP1について、物質同定、受容体、性行動に至る一連の構造機能解析を展開してきた。本研究は、これらの知見を発展させ、性行動を誘引するフェロモンや匂いを識別する神経伝達経路をMRIによって包括的に明らかにし、可視化することを目的とする。【研究実績】1嗅神経回路のMRI撮像条件の検討:匂い物質を検知する嗅上皮と嗅球、フェロモンを検知する鋤鼻器官と副嗅球のMRI撮像条件の検討を進めた。2メスに作用する匂い物質・フェロモンによる脳内の活性化部位の同定:オスから分泌されメスを誘引する匂い物質により、マウス嗅球上の特定部位が活性化されることをMRI法により明らかにした。【研究実績】メスマウスに作用する匂い物質について、マウス嗅球における匂い刺激応答を機能的MRI手法の1つであるBOLD法により捉えることに成功した。しかしながら信号変化が小さかったため、常磁性酸化鉄の造影剤を用いるcerebral blood volume (CBV)法を用いて、弱い活性化であっても捉えることのできるMRI検出系の検討を進めた。コントロールで用いた匂い物質について、嗅球に加えて脳深部の匂い刺激応答を捉えることが出来た。また、通例MRI法において動物は麻酔下において撮像するが、麻酔下動物では捉えれらない刺激応答を観測するため、覚醒下の動物においてもMRI撮像できる手法の技術開発を進めた。メスマウスに作用する匂い物質による刺激応答を捉えることに成功している。また、検出感度の向上のため、覚醒下の動物においてもMRI撮像できる手法や高速撮像法の開発を着実に進めている。研究代表者らは、連携研究者との共同研究のもと、メスマウスの性行動を誘発するペプチド性フェロモンESP1について、物質同定、受容体、性行動に至る一連の構造機能解析を展開してきた。【研究実績】ジャコウジカのオスから分泌され、メスを誘引する匂い物質について、マウス脳内における匂い刺激応答を、機能的MRI手法の1つであるBOLD法により捉えることに成功した。1分間隔の繰り返し匂い刺激に呼応して周期的に信号変化が生じる脳内部位を抽出する解析手法を確立し、これを適用することにより、応答部位を同定した。嗅覚伝導路である梨状皮質に加えて、脳深部の領域である外側視床下部や扁桃体にも応答が見られた。また、通常、MRI法において動物は麻酔下において撮像するが、麻酔下動物では捉えられない嗅覚刺激応答を観測するため、覚醒下の動物においてもMRI撮像できる手法の技術開発を進めた。嗅神経回路のMRI撮像条件の検討を行うことにより、オスから分泌されメスを誘引する匂い物質による嗅球の活性化を捉えることに成功した。しかしながら、オスから分泌されメスを誘引するフェロモン物質による副嗅球の活性化を捉えるまでには至っていない。条件検討を進めている最中である。

MRI撮像手法と条件の検討を引き続き行い、性特異的に作用する物質を用いて、高次嗅覚神経系における刺激応答を捉えられるようにする。また、得られた刺激応答の個体差・再現性の検証を進め、嗅球から高次の脳領域へと至る匂いを識別する神経回路を包括的に明らかにする。1嗅神経回路のMRI撮像条件の検討嗅球と副嗅球のMRI撮像条件の最適化を行い、また、より高次の嗅覚神経系を構成する脳内の嗅皮質、扁桃体や視床下部の撮像の検討も進める。2メスに作用する匂い物質・フェロモンによる脳内の活性化部位の同定オスから分泌されメスを誘引する匂い物質により、マウス嗅球上の特定部位が活性化されることをMRI法により明らかにした件について、再現性と他の手法による結果との整合性を確かめる。類縁物質との活性化部位の違いについて解き明かす。また、オスから分泌されメスを誘引するフェロモン物質による副嗅球の活性化を捉えるため、物質の提示法や撮像条件を検討する。現在は復旧しているが、超高感度MRI検出器の故障により、MRI実験が行えない期間が一時期あったため。次年度使用額が生じた理由として、今年度は、フェロモン物質による活性化を捉えることについて撮像条件の検討に集中したため、多量のペプチド性フェロモン試料を必要とせず、比較的高額な消耗品の使用が抑えられたことが、主に挙げられる。また、研究初年度であるため、国際学会における発表を差し控えたことも挙げられる。今年度分に予定していた研究費は、次年度、ペプチド性フェロモンに関する条件検討へ、主に使用する予定である。実験が実施できなかった分について、次年度のMRI実験回数を当初より増やす予定であるため、その分の試料調製費用などに次年度使用額を当てる予定である。1.設備備品費:本申請で購入の予定はない。研究遂行に必要な施設・設備は、研究代表者と研究協力者の所属する熊本大学と東京大学内に備わっている。2.消耗品費:実験動物の他、塩化マンガン・匂い物質・フェロモン・麻酔の試薬、ペプチド性フェロモン調製のための培養・精製試薬、プラスチック器具などを計上する。3.旅費:国内学会および国際学会において成果発表を行う。東京大学において研究打ち合せを行う。4.謝金:英語論文の校閲費を計上する。5.その他:論文投稿費を計上する。なお、各費目において90%を超えるものはない。
構造・環境・制御の相互作用によるグローバルストラクチャーの研究

平成19年度は,構造・環境・制御の相互作用によって形成される宇宙構造システムの研究として以下の3つの課題に取り組み,成果を得た.課題1.環境力(重力傾斜)による構造形状の維持とその安定性解析昨年度の結果をもとにして,重力傾斜を宇宙機システムの姿勢維持のみならず構造形状の維持に利用した新しい柔軟多体宇宙機システムを検討した.具体的には,非常に柔軟なパネル構造を複数バス系からテザーで支持する地球指向の太陽発電システムを対象とし,システムの安定性を重力,遠心力,歪みエネルギーからなるポテンシャルエネルギーを用いて評価した.さらに,安定な平衡点まわりにおける固有振動数,モード形状の導出を行うと同時に,重力傾斜を構造形状の維持に利用したシステムの特性を明らかにした.課題2.環境力(圧力差)を利用した柔軟膜面構造とその動的特性評価インフレータブル構造物を,構造内と環境との圧力差を利用した構造様式と捉え,内圧維持型のマルチセルインフレータブル構造の提案を行うと同時に,面内剛性の評価を実施した.さらに,展開時の動特性評価を行い,ケーブル要素による制御機構を組み込むことで,安定な展開が行えることを示した.課題3.柔軟構造要素によって結合された小型衛星群のフォーメーションフライト本年度は小型衛星群制御の要素技術として必至な,小型衛星の姿勢制御・決定系について,昨年開発・打ち上げに成功した超小型衛星HIT-SATのフライトデータを元に,その性能評価を行った.さらに,シミュレーションベースで,特定平面内をフォーメーションフライトする小型衛星群を柔軟構造要素で結合することにより,必要なスラスタ燃料が大幅に軽減されることを示した.軽量・大規模かつ安定な宇宙構造システムの構築を目的として以下の3つの研究を行った.課題1:重力傾斜を利用したマルチテザー方式による巨大膜面維持に関する検討太陽発電衛星,ソーラーセイルに代表される宇宙構造物においては,その巨大膜面の形状維持が重要な課題である.ここでは,環境力として重力傾斜を利用したマルチテザー方式による巨大膜面の形状維持検討した.特にその安定性の評価を行い,熱変形による姿勢運動と構造振動の連成が生じる可能性を明らかにした.また,ここでは構造・環境をポテンシャル関数で記述した.次年度は,これにポテンシャル関数で記述された制御力を導入することで,構造・環境・制御を統合的に扱う理論体系を整備する.課題2:フォーメーションフライトの基礎技術としての超小型衛星の姿勢制御3kg以下の超小型衛星HIT-SATの姿勢制御系を開発し,9月に打ち上げ・運用を行った.その結果,このクラスの衛星としては初めての能動的な制御による角速度変更を実証した.残念ながら太陽指向に至る指向制御の成功には至らなかったが,軌道上における磁気トルカの制御力,外乱等の基礎データを取得することができた.これらのデータは次年度にフォーメーションフライトを利用したグローバルストラクチャーの設計に利用する.課題3:マルチセルインフレータブル構造の基本特性評価柔軟・軽量な構造の基本要素として,本研究では薄膜を用いた内圧維持型のインフレータブル構造を検討している.膜面要素と本年度は,このマルチセルインフレータブル構造特性の基礎特性を評価した.特に,面内剛性の評価,デブリに対する耐性を明らかにした.次年度は,本年度実施した上述の要素技術の統合によって,構造・環境・制御の相互作用によるグローバルストラクチャーの設計・開発を行う予定である.平成19年度は,構造・環境・制御の相互作用によって形成される宇宙構造システムの研究として以下の3つの課題に取り組み,成果を得た.課題1.環境力(重力傾斜)による構造形状の維持とその安定性解析昨年度の結果をもとにして,重力傾斜を宇宙機システムの姿勢維持のみならず構造形状の維持に利用した新しい柔軟多体宇宙機システムを検討した.具体的には,非常に柔軟なパネル構造を複数バス系からテザーで支持する地球指向の太陽発電システムを対象とし,システムの安定性を重力,遠心力,歪みエネルギーからなるポテンシャルエネルギーを用いて評価した.さらに,安定な平衡点まわりにおける固有振動数,モード形状の導出を行うと同時に,重力傾斜を構造形状の維持に利用したシステムの特性を明らかにした.課題2.環境力(圧力差)を利用した柔軟膜面構造とその動的特性評価インフレータブル構造物を,構造内と環境との圧力差を利用した構造様式と捉え,内圧維持型のマルチセルインフレータブル構造の提案を行うと同時に,面内剛性の評価を実施した.さらに,展開時の動特性評価を行い,ケーブル要素による制御機構を組み込むことで,安定な展開が行えることを示した.課題3.柔軟構造要素によって結合された小型衛星群のフォーメーションフライト本年度は小型衛星群制御の要素技術として必至な,小型衛星の姿勢制御・決定系について,昨年開発・打ち上げに成功した超小型衛星HIT-SATのフライトデータを元に,その性能評価を行った.さらに,シミュレーションベースで,特定平面内をフォーメーションフライトする小型衛星群を柔軟構造要素で結合することにより,必要なスラスタ燃料が大幅に軽減されることを示した.
NeV領域重イオンビームプローブの開発

当共同研究計画は,大型ヘリカル装置のための6MeV重イオンビームプローブを開発することを最終目的として,その設計の基礎を作ることにあった。その課題は次の三つに要約できる。(1)6MeVでリップルの少ないビーム加速方式の設計(2)完全三次元軌道をとるビームの制御方式の設計(3)エネルギー分解能ΔE/E<10^<-5>をもつ分析器の設計以下に項目毎に,2年間の共同研究を通じて得られた具体的な実績についてまとめる。1.ビーム加速方式についてこれまでの重イオンビームプロープ(HIBP)では,熱放出型アルカリイオン源とシングルエンド加速器を用いる方法が採用されてきた。米国のTEXTトコマクではこの方式による2MeVのビームラインがすでに完成し,試験が行なわれている。しかしながら,レンセラー工科大学のグループの協力により,2MeVのシステムの詳細な資料を検討下結果,6MeVのシングルエンド方式は非常に大きく,実験室での配置がかなり困難であることがわかった。そので,よりコンパクトな,負イオン源とタンデム加速器を用いる方法を検討し,これを採用することにした。これは,エネルギー広がり10eV以下の金の負イオン源の開発のメドが立ったこと,電源の昇圧方式として,JIPPT-IIUトコマクの500keV HIBPで採用したシェンケル型を用いることによって,リップルを10^<-5>以下に押さえることが可能であること,がその根拠である。プラズマ中の揺となるので,タンデム加速器の高圧部に熱放出型タリウムイオン源を搭載する設計を検討している。一方,金イオンのプラズマ中での減衰がタリウムイオンより大きいことが予測されており,プラズマ中を通過する軌道が長いヘリカル系では,観測可能なプラズマ密度限界が下がるというデメリットがあるので実験的な確認が必要である。2.三次元ビーム軌道の制御方式についてヘリカル型磁場配位ではビームの軌道が完全に三次元となり,プラズマ断面にわたって二次元分布測定をする時の,測定精度が著しく損なわれる可能性がある。レンセラー工科大学のグループは,米国のATFトルサトロン装置で,中性ガスによるビームのイオン化反応(ガス散乱)を用いて分析器を較正する方式を取り入れ大きな成果を得た。しかし,エネルギー分析器の配置については従来の方式を取っているので,プラズマの観測領域が限られること,洩れ磁場の影響を受けること等の困難に直面している。我々は,CHS装置で200Kev HIBPを建設し,この中で分析器側にも掃引電極を入れ,二次ビームの軌道も含めて制御する方式を採用した。これによって,上記の問題がほぼ解決されると予想される。しかし,ビームの軌道制御は格段に難しくなるので,計算機による制御が必要である。3.エネルギー分析器の設計について従来,HIBPでは30゚入射型平行平板エネルギー分析器が利用されてきたが,電極電圧が高く,ガードリングと呼ばれる多段電極に入る紫外光の影響で電位分布が揺らぐことなど,いくつかのデメリットもあった。我々はこの共同研究を通して,ガードリングを用いない新型の分析器を開発し,JIPPT-IIUの500Kev HIBPを用いてその有効性を実証した。一方,トコマク装置でも,プラズマ電流によるポロイダル磁場の影響でビーム軌道がトロイダル方向ではエネルギー分析器の前面に掃引電極を置き,二次ビームを高速に掃引することで自動的に誤差除去ができることを示した。しかし,LHDの6Mev HIBPにこの方式を直接適用するには,1MeV以上の高圧をかけねばならず,現実的でない。このため,新しい方式を模索している段階である。例えば,入射角度を15゚程度に下げて印加電圧を下げる,減速管を用いて二次ビームのエネルギーを下げる,円筒型エネルギー分析器で印加電圧を下げる等の検討を進めているが,詳細は今後の課題として残されている。

一方,金イオンのプラズマ中での減衰がタリウムイオンより大きいことが予測されており,プラズマ中を通過する軌道が長いヘリカル系では,観測可能なプラズマ密度限界が下がるというデメリットがあるので実験的な確認が必要である。2.三次元ビーム軌道の制御方式についてヘリカル型磁場配位ではビームの軌道が完全に三次元となり,プラズマ断面にわたって二次元分布測定をする時の,測定精度が著しく損なわれる可能性がある。レンセラー工科大学のグループは,米国のATFトルサトロン装置で,中性ガスによるビームのイオン化反応(ガス散乱)を用いて分析器を較正する方式を取り入れ大きな成果を得た。しかし,エネルギー分析器の配置については従来の方式を取っているので,プラズマの観測領域が限られること,洩れ磁場の影響を受けること等の困難に直面している。我々は,CHS装置で200Kev HIBPを建設し,この中で分析器側にも掃引電極を入れ,二次ビームの軌道も含めて制御する方式を採用した。これによって,上記の問題がほぼ解決されると予想される。しかし,ビームの軌道制御は格段に難しくなるので,計算機による制御が必要である。3.エネルギー分析器の設計について従来,HIBPでは30゚入射型平行平板エネルギー分析器が利用されてきたが,電極電圧が高く,ガードリングと呼ばれる多段電極に入る紫外光の影響で電位分布が揺らぐことなど,いくつかのデメリットもあった。我々はこの共同研究を通して,ガードリングを用いない新型の分析器を開発し,JIPPT-IIUの500Kev HIBPを用いてその有効性を実証した。一方,トコマク装置でも,プラズマ電流によるポロイダル磁場の影響でビーム軌道がトロイダル方向ではエネルギー分析器の前面に掃引電極を置き,二次ビームを高速に掃引することで自動的に誤差除去ができることを示した。しかし,LHDの6Mev HIBPにこの方式を直接適用するには,1MeV以上の高圧をかけねばならず,現実的でない。このため,新しい方式を模索している段階である。例えば,入射角度を15゚程度に下げて印加電圧を下げる,減速管を用いて二次ビームのエネルギーを下げる,円筒型エネルギー分析器で印加電圧を下げる等の検討を進めているが,詳細は今後の課題として残されている。今年度は日本から米国への出張3名、米国からの招聘2名を通して研究協力を行なった。主ため研究目的は二つあった。第一には、三次元ビ-ム軌道を持つヘリカル系磁場閉じ込め装置における重イオンビ-ムプロ-ブ装置の現状におけるいくつかの課題を明らかにし、その対策と今後の最適設計を考察し、CHS装置で建設中のビ-ムプロ-ブ装置に適用することである。ATF装置におけるビ-ムプロ-ブシステムの運転への参加を通して、漏れ磁場への対策、現方式でのエネルギ-分析器配置の制約、UV光の分析器への影響などいくつかに抜本的対策が必要であるとの結論に達した。招聘した米国側研究者との検討も参考にした上で、エネルギ-分析器の側にも掃引電極を置く新しいビ-ム掃引の方式、ガ-ドリングのない新しい平行平板型分析器の構造を採用し、CHSのビ-ムプロ-ブ装置の設計の修正を行なった。目的の第二は現在用いられている平行平板型エネルギ-分析器の問題点と高エネルギ-領域への拡張の可能性を検討することであった。
歯髄炎に起因した異所性異常疼痛に対する三叉神経節細胞間機能連関の分子機構解明

本研究は、歯髄炎に伴う異所性異常疼痛の発症機構を解明する目的で遂行した。歯髄炎を生じると、炎症歯髄を支配する三叉神経節細胞活動が著しく亢進し、三叉神経節細胞にToll-like Receptor 4が強く発現し、舌に異所性異常疼痛が発症することを確認した。さらに、Heat shock protein 70が炎症歯髄組織で合成されて三叉神経節に運ばれ、三叉神経節細胞から放出されて口腔顔面領域を支配している三叉神経節細胞上のTLRに結合することにより、炎症歯髄神経を支配する三叉神経節細胞だけでなく、その周辺部に存在する三叉神経節細胞にも作用し、活動性の増強をもたらすことを明らかにしている。本研究では、歯髄炎に伴う異所性異常疼痛の発症機構を解明する目的で、歯髄炎モデルラットを作製し、行動解析、三叉神経節細胞の活動性変化および各種物質の合成変化に関して、三叉神経節細胞間の機能連関という観点から免疫組織学手法および生化学的手法を用いて検討することを計画した。これまで歯髄炎が引き起こされると、炎症歯髄を支配する三叉神経節細胞活動が著しく亢進することにより三叉神経節細胞にToll-like Receptor 4(TLR4)が強く発現し、舌に異所性異常疼痛が発症することを報告した。さらに、Heat shock protein70(HSP70)(TLRのリガンド)が炎症歯髄組織で合成されて三叉神経節に運ばれ、三叉神経節細胞から放出されて口腔顔面領域を支配している三叉神経節細胞に存在するTLRに結合することによって、炎症歯髄神経を支配する三叉神経節細胞だけでなく、その周辺部に存在する三叉神経節細胞にも作用し、活動性の増強をもたらすことを明らかにしている。26年度のプロジェクトにおいて、まずCFA歯髄投与後、舌の熱および機械刺激に対する逃避閾値を経時的に計測したところ、3日目において最も有意な閾値の低下を認められた。また、CFA歯髄投与後の三叉神経節において、多くのTRPV1陽性細胞およびHSP70陽性細胞を認めた。さらに、TLR4阻害薬の三叉神経節内連続投与により舌の熱および機械刺激に対する頭部引っ込め反射閾値の低下が抑制された。また、CFA歯髄投与後、舌へのTRPV1アンタゴニスト(SB366791)投与により,舌の熱刺激に対する頭部引っ込め反射閾値の低下が抑制された。これまでの研究として、CFA歯髄投与後の三叉神経節内において、多くのTRPV1陽性細胞およびHSP70陽性細胞を認めた。さらにTLR4阻害薬の三叉神経節内連続投与におり舌の熱および機械刺激に対する頭部引っ込め反射閾値の低下が抑制された。また、CFA歯髄投与後、舌へのTRPV1アンタゴニスト投与により、舌の熱刺激に対する頭部引っ込め反射閾値の低下が抑制された。本年度の研究としては、あらかじめ頭頂部よりカニューレを刺入し三叉神経節内に留置し、NF-kB阻害薬を三叉神経節内に連続投与し、CFA歯髄投与後,経日的に浅麻酔下にて機械的および熱刺激に対する逃避閾値の計測を行い、各種阻害薬の三叉神経節内連続投与により機械または熱痛覚に変化がおこるかを検索したところ、熱および機械刺激に対する頭部引っ込め反射閾値の低下が抑制された。また、あらかじめ逆行性トレーサーであるFGを舌に投与し、頭頂部よりカニューレを刺入し三叉神経節内に留置し、TLR4阻害薬, NF-kB阻害薬を三叉神経節内に連続投与したラットに対し、CFA歯髄投与後、経日的に灌流固定を行い、三叉神経節を摘出し、三叉神経節のFG陽性TRPV1陽性神経細胞数を免疫組織学的に解析したところ、FG陽性TRPV1陽性細胞数は減少傾向を認めた。本プロジェクトは、26年度の計画として、CFA歯髄投与による舌の組織学的変化の解析やNF-kB阻害薬の三叉神経節内投与による行動薬理学的解析を行う予定であったが、十分な結果が得られていない。その理由の1つとして、舌の組織は筋線維であり、固定ができず保存が難しい事があげられる。今後の改善策として脱血からの凍結をいかにスムーズにできるか実験方法の工夫が必要であると考える。

また、現在三叉神経節内におけるNF-kBの発現量を確認している段階であるため、阻害薬を用いての行動薬理学的解析は現在の実験が終わり次第遂行する予定である。27年度が最終年度であるため、記入しない。歯内療法学CFA歯髄投与による舌の組織学的変化の解析として、CFA歯髄投与後に舌を摘出しHE染色にて組織学的変化を解析する。また、CFA歯髄投与後、継時的に舌組織のTRPV1陽性神経終末の形態学的変化およびリン酸化TRPV1陽性神経を免疫組織学的に解析し、発現量をWestern blot法にて定量する。NF-kB阻害薬またはpERK阻害薬の三叉神経節内投与による行動薬理学的解析において、あらかじめ頭頂部よりカニューレを刺入し三叉神経節内に留置し、NF-kB阻害薬またはpERK阻害薬を三叉神経節内に連続投与する。CFA歯髄投与後、経日的に浅麻酔下にて機械的および熱刺激に対する逃避閾値の計測を行い、各種阻害薬の三叉神経節内連続投与により機械または熱痛覚に変化がおこるかを検索する。また、TLR4阻害薬, NF-kB阻害薬またはpERK阻害薬の三叉神経節内投与によるTRPV1受容体およびリン酸化TRPV1受容体発現解析、NF-kB acceleratorまたはpERK acceleratorの三叉神経節内投与によるTRPV1受容体およびリン酸化TRPV1受容体発現解析および行動薬理学的解析およびWhole cell patch clampを用いた舌投射神経細胞の興奮性変化の解析をも行っていく予定である。
精密有機合成と重合を融合したドミノ触媒系の開発

本研究では、提案者らが独自に開発した希土類触媒や遷移金属触媒を用いて、精密有機合成と精密重合の概念融合を図り、中分子からオリゴマー・ポリマーまでを一挙かつ精密に合成できるドミノ触媒系の開発を行っている。本年度は、希土類金属触媒を用いることにより、極性オレフィンとエチレンとの精密共重合を達成し、乾燥空気中のみならず、水や酸、アルカリ性水溶液中でも自己修復性能や形状記憶性能を示す新しい機能性ポリマーの創製に成功した。さまざまな測定の結果、エラストマー物性や自己修復性および形状記憶特性を発現する理由の一つとして、アニシルプロピレンとエチレンとの交互ユニットが柔らかい成分として働き、エチレン-エチレン連鎖の硬い結晶ユニットが物理的な架橋点として働くことができるネットワーク構造の構築が重要な鍵となっていることが明らかとなった。これらの成果は、研究の当初では全く予想できず、優れた自己修復機能性材料の設計・合成に新しい道を切り拓くものとして、今後さらなる展開が大いに期待できる。また、希土類触媒を用いたアニソール類とヒドロボランとの反応によって、アニソールのオルト選択的C-H結合のホウ素化を初めて達成し、またメチルスルフィドとヒドロシランとの反応では、alpha-C(sp3)-H結合の選択的シリル化を初めて実現した。基質がアリールメチルスルフィドの場合、ホウ素触媒を用いることにより、ドミノ反応的に分子内でC-Hシリル化反応が起こり、環化生成物であるチアシロラン化合物の合成に成功した。本研究では、スカンジウム触媒系を用いることにより、アニシルプロピレンとエチレンとの精密共重合を達成し、乾燥空気中のみならず、水や酸、アルカリ性水溶液中でも自己修復性能や形状記憶性能を示す新しい機能性ポリマーの創製に成功した。本研究成果は、今後の自己修復性材料の設計・開発にとって重要な指針を与えた。また、サンドイッチ型イットリウム錯体触媒を用いることにより、スルフィド類のαーCーHシリル化反応やアニソール類のC-Hボリル化反応の開発に初めて成功し、原子効率に優れた合成手法を開発した。以上のように、自己修復性能や形状記憶性能を示す新しいエチレンとアニシルプロピレンの共重合体の合成やスルフィド類のシリル化反応やアニソール類のボリル化反応など、ドミノ触媒系の基礎となる反応系の開発のほか、研究当初では全く予想していなかった自己修復材料が開発され、当初の計画以上に進展している。希土類触媒による新規重合反応の開発においては、まずこれまでの実験結果を踏まえて、引き続き、中心金属や配位子を適切に組み合わせて、対応する様々な希土類ジアルキル錯体を合成し、これらを触媒として用いてヘテロ原子の配位を適切に活用した精密重合および共重合反応を検討していく。具体的には置換アニシルプロピレンの他に、アリルアニリンやアリルスルフィド類とエチレンの共重合を行い、機能性ポリオレフィンを開発する。次に、希土類触媒と遷移金属触媒を組み合わせたドミノ触媒系によるピリジンやアニソール類の官能基化を行う。希土類触媒を用いてピリジンやアニソール類のオルト位CーH結合を活性化し、アルキルアルミニウムなどと反応させれば希土類金属とアルミニウムが交換可能となり、オルト位にアルミニウム種を持つ化学種が触媒的に生成できる。一方、銅触媒は、有機アルミニウム種などの二酸化炭素への付加反応に高い触媒活性を示す。これらの知見を利用し、希土類触媒によるC-H結合活性化と遷移金属触媒によるカルボキシル化を融合させ、カルボキシル官能基化化合物の触媒的合成法を開発する。本年度は、シクロプロペンとアリルアミン類の分子間ヒドロアミノ化反応において、触媒量のサンドイッチ型ランタン錯体の存在下に反応をおこなうと、不斉ヒドロアミノ化反応とジアステレオ選択的閉環反応が連続的に進行し、二環式シクロプロピルアミン誘導体が高エナンチオ選択的に得られることを見いだした。また、ハーフサンドイッチ型ランタン錯体を触媒として用いることで、閉環の際のジアステレオ選択性を変化させ、メチル基の立体が異なる生成物を高エナンチオ選択的かつ高ジアステレオ選択的に得ることにも成功した。さらに、ハーフサンドイッチ型希土類触媒を用い、従来の触媒系では困難なC(sp3)ーH結合挿入反応を検討した。その結果、カチオン性スカンジウムアルキル種を触媒として用いたところメチルスルフィドの硫黄原子に隣接するメチル基上のC(sp3)ーH結合活性化と、続くアルケン類の二重結合の挿入反応を経る付加反応が高い位置選択性で進行し、CーHアルキル化体が高い収率で得られることを見いだした。これは活性化されていないアルケン類に対し、非対称スルフィド類の位置選択的CーH結合挿入反応を触媒的に実現した初めての例である。一方、本研究室では希土類触媒の助触媒として用いていたルイス酸性有機ホウ素化合物とヒドロシランとの特異な相互作用を見いだし、これを利用した触媒反応の開発も進めており、これまで、B(C6F5)3を触媒とするジアルキルアニリン類のパラ位選択的シリル化反応を報告している。本年度は、B(C6F5)3が二分子のアリールヒドロシランのCーSi/SiーH間でのメタセシス反応に高い触媒活性を示すことを見いだした。

本研究では、光学活性なCp配位子を有するランタン触媒を用いてシクロプロペンとアリルアミン類の分子間ヒドロアミノ化反応を行うことにより、不斉ヒドロアミノ化反応とジアステレオ選択的閉環反応が連続的に進行し、2-アザビシクロ[3.10]ヘキサン骨格を持つ二環式シクロプロピルアミン誘導体が高エナンチオ選択的に得られ、ドミノ触媒系の開発に成功した。また、カチオン性スカンジウムアルキル種を触媒として用いてメチルスルフィドとアルケンを反応させたところ、硫黄原子に隣接するメチル基のC-Hアルキル化体が高い収率で得られることを見いだした。本方法は医薬品や、機能性有機材料などの合成中間体として有用なスルフィド類を100%の原子利用効率にて合成することができる優れた方法である。後周期遷移金属触媒を用いたC-H活性化反応は多数報告されているが、硫黄化合物は触媒毒として働くためスルフィド類を基質として用いることは困難であり、希土類触媒を用いることによって初めて本反応が達成された。以上のように、高ジアステレオ選択的なドミノ環化反応やスルフィド類のアルキル化反応など当初の目標を上回る成果を得ることができ、計画以上に進展している。本研究では、提案者らが独自に開発した希土類触媒や遷移金属触媒を用いて、精密有機合成と精密重合の概念融合を図り、中分子からオリゴマー・ポリマーまでを一挙かつ精密に合成できるドミノ触媒系の開発を行っている。本年度は、希土類金属触媒を用いることにより、極性オレフィンとエチレンとの精密共重合を達成し、乾燥空気中のみならず、水や酸、アルカリ性水溶液中でも自己修復性能や形状記憶性能を示す新しい機能性ポリマーの創製に成功した。さまざまな測定の結果、エラストマー物性や自己修復性および形状記憶特性を発現する理由の一つとして、アニシルプロピレンとエチレンとの交互ユニットが柔らかい成分として働き、エチレン-エチレン連鎖の硬い結晶ユニットが物理的な架橋点として働くことができるネットワーク構造の構築が重要な鍵となっていることが明らかとなった。これらの成果は、研究の当初では全く予想できず、優れた自己修復機能性材料の設計・合成に新しい道を切り拓くものとして、今後さらなる展開が大いに期待できる。また、希土類触媒を用いたアニソール類とヒドロボランとの反応によって、アニソールのオルト選択的C-H結合のホウ素化を初めて達成し、またメチルスルフィドとヒドロシランとの反応では、alpha-C(sp3)-H結合の選択的シリル化を初めて実現した。基質がアリールメチルスルフィドの場合、ホウ素触媒を用いることにより、ドミノ反応的に分子内でC-Hシリル化反応が起こり、環化生成物であるチアシロラン化合物の合成に成功した。本研究では、スカンジウム触媒系を用いることにより、アニシルプロピレンとエチレンとの精密共重合を達成し、乾燥空気中のみならず、水や酸、アルカリ性水溶液中でも自己修復性能や形状記憶性能を示す新しい機能性ポリマーの創製に成功した。本研究成果は、今後の自己修復性材料の設計・開発にとって重要な指針を与えた。また、サンドイッチ型イットリウム錯体触媒を用いることにより、スルフィド類のαーCーHシリル化反応やアニソール類のC-Hボリル化反応の開発に初めて成功し、原子効率に優れた合成手法を開発した。
転写制御を担うエピゲノム調節の分子機構の解明

転写制御は最近の研究の進展により、染色体環境が極めて重要であることが明らかにされつつある。染色体環境は、染色体構造調節やヒストンタンパク修飾パターン(ヒストンコード)によって調節されており、その活性化状態に応じ転写制御の効率が規定されることがわかりつつある。しかしながら、実際の分子機構やそれら制御因子の実態は必ずしも明らかでない。本研究では、転写制御を支える染色体環境の調節機構をエピゲノム制御やそれら調節因子の同定や機能解析により、転写とエピゲノムの共制御の分子機構の解明を目指している。本年度においては、新たなヒストンタンパク修飾について網羅的な検索を行なうとともに、新たなヒストンコードとしての単糖の機能について解析した。ヒストンH2Bのセリン112番残基に付加される単糖(Nアセチルグルコサミン)は、新たなヒストンコードとして機能し、H2Bリジン120番目のユビキチン化を亢進することを見いだした。このユビキチン化が染色体の活性度を規定する上で極めて重要なヒストンコードであるため、この単糖付加は更に上流に位置する極めて基礎的なヒストンコードであることがわかった(Fujiki et al.,Nature 2011)。また、ショウジョウバエを用いた転写とエピゲノム共制御を担う調節因子を分子遺伝学的アプローチにより検索したところ、ヒストン遺伝子の細胞周期依存的な転写制御と染色体不活性化を規定する重要な因子を見いだした。この因子は、ヒストンH3リジン9番をメチル化することで、周辺の染色体の不活性化を促す因子であることが証明出来た。本研究課題では、転写制御を担うエピゲノム調節に焦点を絞り、新規エピゲノム制御因子複合体の同定、およびエピゲノムを制御する新たなタンパク修飾の同定を目的として研究を遂行している。当該年度の研究成果は以下のとおりである。(1)新規翻訳後修飾に関わる新規酵素複合体の精製新規酵素複合体の精製・同定を目的とし、核内受容体をベイトとした複合体精製、および酵素活性を指標とした精製からの複合体精製を並行して行っている。まず、糖代謝に関与する核内受容体HNF4a、LXRをベイトとした精製を行った。それぞれの核内受容体の安定発現細胞株を樹立し、FLAG抗体によるタンパク質の濃縮、LC-MS/MSによる同定系を構築した。そこで、マクロファージ由来Raw細胞をLXR活性化リガンドで処理し、リガンド依存性にLXRに結合する因子群の同定を行ったところ、幾つかのリガンド依存的なLXRのコアクチベーターの同定に成功した。現在、これらの因子について酵素活性の検討を行っている。第二に、核内での新規酵素を同定するためにHeLa細胞核抽出液より種々の酵素活性を指標とした分画・精製を行った。その結果、核内脱糖酵素を新たに同定することに成功した。この因子について、安定発現細胞株を樹立し複合体精製を行っている。LC-MS/MSによる同定の結果、現在までに複合体構成因子の候補群の取得に成功している。これらの候補因子の脱糖活性との関連について評価を行い、細胞内のどのような現象に関連するか解析を行っている。(2)エピゲノム制御因子の活性調節を行う新規複合体の精製エピゲノム制御因子の活性調節を担う新規複合体の精製では、ピストン脱メチル化酵素PHF2をベイトとした複合体精製により、白血病原因遺伝子である新規核内因子PHF6の同定に成功している。PHF6のPHF2活性への影響を現在評価中である。
パンルヴェ系を中心とした可積分系の研究

力学系が可積分であるということは、数学的に定義されたものではなく、いろいろな考え方によって判定基準のようなものがある。解の、積分定数に依存して動く特異点が、極のみであるという性質をパンルヴェ性といい、これが可積分であるということの判定条件とされることが多いが、ある系がパンルヴェ性をもつことを示すことは一般には難しい。そこで解が級数でかけることを仮定して、その状況からこれを判定するということが古くから行われていて、これをパンルヴェ・テストという。このテストにとおらないものは、パンルヴェ性の意味で可積分でないということは正しく思われるが、この逆は、多くの場面で可積分であることの証拠のように扱れてるにもかかわらず、正しい命題ではないと考えた。今回の研究で、この反例、つまり、パンルヴェ・テストに通り、かつ、パンルヴェ性をもたない系を構成することができた。(論文準備中)他に平成13年度すでに得ている4件の結果、(ア)Garnier系のq-差分化、(イ)E_8^<(1)>型対称性をもつ離散パンルヴェ系の特殊解(村田、米田両氏との共同研究)、(ウ)パンルヴェ微分方程式の折りたたみ変換(津田、岡本両氏との共同研究)、(エ)パンルヴェIII型方程式の研究(大山、岡本、川向各氏との共同)は現在、(イ)のみ出版され、他については論文を準備中。早々に出版したいと考えている。1.Painleve方程式の高次元への自然な拡張であるGarnier系に対して、線形q-差分方程式の変形理論から、その差分化を得ていたが、この式は双有理変換の形で定義されていなかった。今年度の研究で、従属変数の対称式について書き直すことで、双有理理的な式に書くことができた。式の形が簡単になったこともあり、平行移動部分の対称性については決定することができた。(以前の結果と合わせて、論文準備中)2.離散Painleve系の中で、最も一般な場合とされるE_8^<(1)>型の対称性をもつ曲面に対応した差分系について、東大の学生の米田、村田両氏との共同研究でいくつかの特殊解が得られた。これらの中には、超幾何関数をその退化系列の中に含むような線形差分方程式で記述される場合も入っている。(以前からの結果と合わせて、論文を準備中)3.Painleve微分方程式の双有理的でない代数的対称性について、Folding変換というクラスを設定し、それをリスト・アップした。これは岡本、津田両氏との共同研究(論文準備中)4.Painleve微分方程式の中で、III型の特殊な場合について、それまでの多くの研究ではリストから落ちていたもの(初期値空間、対称性、Hamilton形式など)に関して計算を補い、同様の理論がつくれることを確認した。これは岡本、大山、川向各氏との共同研究(論文準備中)力学系が可積分であるということは、数学的に定義されたものではなく、いろいろな考え方によって判定基準のようなものがある。
概念設計指向の数値流体解析法構築と環境適合型航空機設計への適用

本研究では,航空機概念設計の段階で求められる高速性とロバスト性を兼ね備えた概念設計指向の数値流体解析法を構築した。任意の複雑形状を取り扱えるよう格子生成には階層型の直交格子法を採用し、その上で圧縮性流体の支配方程式を解析するプログラムとした。壁面境界条件の取り扱い方法(埋め込み境界法),物体に働く力の計算法,乱流モデルとの連成,流体解析の空間高次精度化,に取り組み,航空機設計において解析が求められる様々な流れ場への適用が可能となった.開発したコードは,航空機翼周り解析を中心に離着陸時の低速流れや超音速巡航の造波抵抗推算,また非定常音響解析など幅広い分野の解析に役立っている.本研究は、任意の複雑形状に対して高速かつロバストに流体計算を行い、その知識を航空機概念設計に迅速に反映させるための数値流体解析法、概念設計指向の数値流体解析法を構築することが目的である。第1段階では、計算機環境の整備および、概念設計指向数値流体解析法の構築を行う。第2段階では、概念設計指向数値流体解析コードの高度化を実施する。乱流モデルの組み込みや並列計算に向けた検討など、航空機概念設計への適用を視野に入れた改良を実施する。第3段階では、概念設計指向数値流体解析法の成果を環境適合型革新的航空機の概念設計に適用する。平成23年度は、主に第1段階の課題を実施し、本研究が目指すコード開発の基礎となる部分の構築が完了した。平成24年度は主に第2段階となるプログラムの高度化に取り組んだ。当初は、乱流モデルの組み込みや並列化を予定していたが、より複雑な物体周りの解析を行うための格子生成プログラムの改良や、高レイノルズ数流れの解析を視野に入れた境界条件の改修の必要性があったことから、これらの課題に優先的に取り組んだ。これらの改良は終了し、複雑かつ複数物体の取り扱いが容易にできるプログラムが構築できた。現在は、乱流モデルを実装中である。また、研究室内の学生にプログラムを積極的に利用してもらうことで、適用範囲の拡大、修正箇所の明確化が日々進展している。発表に関しては、米国航空宇宙学会主催のCFD Conference(2013年6月開催)での口頭発表が受理された。また国内の研究会・講演会で合計4件の口頭発表行った。本年度は主に3点に取り組んだ。はじめに、複雑な物体形状周りにおける定常乱流の計算を可能とするために、直交格子に適した定常乱流計算手法を開発した.埋め込み境界法にSA乱流モデルから導かれた壁関数を組み合わせ,境界層解像に必要な格子数の増大を抑えた.検証のために平板を用いた計算を行った.物体壁面と格子が同一方向の場合は壁から一点目のy+が120程度で乱流境界層が解像可能であり,壁面を格子に対して傾けた場合でも一点目のy+が30程度であれば乱流境界層を解像可能であった.続いて、非構造直交格子において高次精度でセル表面の変数値を補間する方法を構築した.非構造格子では隣接するセルの情報にしか簡単にアクセスできないが,ここでは直交格子の利点を生かし,等間隔領域において勾配値を高次精度化した.1次元および2次元の検証問題において,新しく構築した手法を用いた場合,従来用いられてきた2次精度や3次精度の手法を用いた場合よりも大幅に解像度が向上した.1階勾配値のみを4次精度に向上させる方法は,補間スキームを完全な空間5次精度にする方法と比べ,検証問題の結果では大きな差異が見られなかった.また,ハンギングノードにおいては若干精度が低下するものの従来の手法より良い移流結果が得られ,また顕著な非物理的散逸や反射も生じないことが確認された.新しく提案した計算法は,計算時間については従来の3次精度風上バイアス法と比べ,10[%]程度の増加に留まったことから、構築したスキームは精度の演算量の両面からバランスの取れた実用的な計算手法である.最後に、実用計算に向けたプログラムの高速化に取り組んだ.単CPUでの実行性能向上と共に、OpenMPによる並列化に取り組み,ワークステーション上での三次元計算が実用的な時間内で可能となった.本研究では,航空機概念設計の段階で求められる高速性とロバスト性を兼ね備えた概念設計指向の数値流体解析法を構築した。壁面境界条件の取り扱い方法(埋め込み境界法),物体に働く力の計算法,乱流モデルとの連成,流体解析の空間高次精度化,に取り組み,航空機設計において解析が求められる様々な流れ場への適用が可能となった.開発したコードは,航空機翼周り解析を中心に離着陸時の低速流れや超音速巡航の造波抵抗推算,また非定常音響解析など幅広い分野の解析に役立っている.本研究は、任意の複雑形状に対しては解析が困難である乱流境界層や衝撃波等の現象を高速かつロバストに捉え、その知識を航空機概念設計に迅速に反映させるための数値流体解析法、概念設計指向の数値流体解析法を構築することが目的である。第1段階では、計算機環境の整備および、概念設計指向数値流体解析法の構築を行う第2段階では、概念設計指向数値流体解析コードの高度化を実施する。

平成23年度は、主に第1段階の課題を実施し、計算機環境の整備およびベースとなる概念設計指向数値流体解析法(PDOC)の構築を主として行った。初めに計算機のやコンパイラ・後処理可視化ソフトウェアの整備した。大学院生を含め複数の研究者が同時にプログラム開発を行えるよう、バージョン管理を導入したソフトウエア開発環境の構築を行った。続いて、2次元版および3次元版の完全自動格子生成するプログラムを作成した。併せて、2次元版および3次元版のオイラー方程式並びにナヴィエ・ストークス方程式に基づく流体ソルバーを構築した。これにより、本研究が目指すコード開発の基礎となる部分の構築が完了した。開発したコードを用いて解析解の存在する基礎的な流れ場との比較検証を中心としたプログラム検証を実施した。発表に関しては、国内の研究会・講演会で合計3件の口頭発表を行った。また関連した研究を実施している東北大学との情報交換を積極的に実施した。平成23年度は、概念設計指向数値流体解析法(PDOC)の構築を主として行い、本年度の大きな目標であった、完全自動格子生成するプログラムの作成及び、オイラー方程式&ナヴィエ・ストークス方程式に基づく流体ソルバーの構築ができた。いずれも2次元版と3次元版の基礎となるコードが完成できた。平成24年度は、昨年度の結果を踏まえ、プログラムの高度化に取り組んだ。格子生成プログラムについては、複雑な形状の取り扱いを目的として、複数ファイルで定義された複数物体周りの解析が実施できるようになった。物体毎に最小格子幅、境界条件の設定ができるようにすることで、柔軟に計算を行う事が出来る。更に流体現象に適した格子生成を目的として,後流領域への自動格子生成やRefinement Boxの追加機能を実装した。流体解析プログラムについては、高レイノルズ数流れの解析を視野に、Immersed Boundary Methodを用いた境界条件の改良を行った。現在はこれに基づき、乱流モデルの実装を行っている。また、物体に働く力の推算方法の影響についても定量的に評価を行った。他にもDual Time Step法を用いた陰解法を実装し、非定常流体計算が可能となった。研究の進捗に伴い、明らかになった問題に対して研究が十分に進捗したと考えられる。研究開始時に予定していた、乱流モデルの組み込みついても、目途が立ってきていることから、当初の予定通りに研究が進捗している。いずれも2次元版と3次元版のコードが完成できたことから、平成24年度以降の研究を遂行する上での礎を築くことができた。開発にあたり、当初は2次元版の拡張により3次元版コードが完成できると見込んでいたが、3次元版においては特にプログラムの高速化が開発の初期段階から必須である事が明らかになった。そのため、冗長なプログラム部分の改修のみならず、物体交差判定アルゴリズムの高速化や形状データのグループ化等の高速化アルゴリズムを新たに取り入れることにより、課題を解決した。
ニホウ化マグネシウム超伝導体における磁束ピンニング機構の解明と実用化基盤研究

実用化に向けて研究開発の進んでいる二ホウ化マグネシウム(MgB2)超伝導体の基礎特性の解明、及び超伝導応用の際に重要な特性パラメータである臨界電流密度の制限機構の解明を目指し研究を行った。本年度の研究結果を以下に箇条書きに記す。(1)常伝導状態における電流制限機構の評価MgB2多結晶体における電気伝導度の抑制の原因を探るため、MgB2粒表面を覆う酸化物絶縁体と空隙の影響を考慮したパーコレーション問題を九州工業大学の松下照男教授と共同で検討した。同等の超伝導特牲と粒間結合を有し、充填密度のみを変化させた一連の試料を解析した結果、MgB2の伝導機構は平均場理論をサイト・パーコレーション系に拡張したモデルにより記述できることが明らかになった。この解析によりMgB2のコネクティビティ(有効伝導度)の制限因子を個別に定量評価できるようになり、MgB2粒の表面の約30%は絶縁酸化膜に覆われ、典型的なMgB2バルク、線材のコネクティビティはわずか10%以下であることを明らかにした。(2)MgB2の臨界電流密度の支配因子の評価コネクティビティの影響を除外した真の残留抵抗値から電子平均自由行程や不純物パラメータ等を理論的に導出し、MgB2のピンニング機構の解析を行った。試料間のピンニングカの違い、及び電子顕微鏡観察から得られた粒径を考慮した臨界電流密度はコネクティビティと相関し、MgB2の支配的なピンニング機構が粒界電子散乱であり、臨界電流密度の決定因子がコネクティビティと粒界ピンの2つであることを明らかにし、それぞれの寄与を定量的に示した。(3)残留磁化法による粒内臨界電流密度の評価残留磁化法によりコネクティビティを評価する研究を米国立強磁場研究所のLarbalestier教授と共同で行った。Beanの臨界状態モデルを元に、一般的に多結晶超伝導材料の残留磁化特性を解析する理論モデルを考え、残留磁気モーメントが飽和する磁場(飽和印加磁場)から粒内に局在化して流れる粒内臨界電流と、試料全体を流れる粒間臨界電流のそれぞれを導出するモデルを開発することに成功した。MgB2多結晶体に対する解析においては、粒内を流れる局所電流と粒界を流れるマクロ電流による磁化を独立に測定することに成功し、粒内臨界電流密度、粒間臨界電流密度とその比で与えられるコネクティビティを求め、局所的には極めて高い臨界電流密度を持つ超伝導電流がMgB2多結晶体内を流れていることを見出した。コネクティビティの影響を除外した真の残留抵抗値から電子平均自由行程や不純物パラメータ等を理論的に導出し、MgB2のピンニング機構の解析を行った。実用化に向けて研究開発の進んでいる二ホウ化マグネシウム(MgB_2)超伝導体の基礎特性の解明、及び超伝導応用の際に重要な特性パラメータである臨界電流密度の改善を目指し研究を行った。化学的反応性や蒸気圧の高い金属マグネシウムの量を精密制御し、再現性よく高特性MgB_2バルク体試料を得るために独自に開発したPowder-in-Closed-Tube法を用い、MgB_2超伝導体の化学組成の制御やナノメートルスケールの微細組織の制御がMgB_2の超伝導特性に及ぼす影響について系統的に調べた。その結果を以下に箇条書きに記す。(1)MgB_2へのマグネシウム、ホウ素以外の異種元素のドープを試みたところ、炭素を含む化合物のドーピングにより高磁場下における臨界電流密度が劇的に改善することが分かり、これがMgB_2のホウ素サイトへの炭素元素の部分置換に由来することを明らかにした。(2)マグネシウムとホウ素の混合粉末を、マグネシウム融点(650°C)以下の比較的低温で固相反応させることにより作製したMgB_2バルク体は、より高温で作製したMgB_2と比較して高い臨界電流特性を示すことを見出し、これが数百ナノメートルレベルのMgB_2結晶粒径の変化と、結晶粒間の超伝導結合の強化に由来することを明らかにした。

(3)粉末XRDパターンから得られたMgB_2(110)結晶面のピーク半値幅(FWHM)とMgB_2の高磁場領域における磁束ピンニング力の間に極めて強い相関があることを発見した。これは、層状構造を有するMgB_2結晶の面内方向の結晶性を低下させることが、MgB_2の上部臨界磁界H_<c2>及び磁束ピンニング力の改善に有効であることを意味する。結晶性の劣化は、MgB_2結晶粒界近傍において電子の平均自由行程と超伝導コヒーレンス長を局所的に短縮させることにより、MgB_2固有の粒界ピンニング機構の強化に寄与したことが示唆された。実用化に向けて研究開発の進んでいるニホウ化マグネシウム(MgB_2)超伝導体の基礎特性の解明、及び超伝導応用の際に重要な特性パラメータである臨界電流密度の改善を目指し研究を行った。化学的反応性や蒸気圧の高い金属マグネシウムの量を精密制御し、再現性よく高特性MgB_2バルク体試料を得るために独自に開発したPowder-in-Closed-Tube法を用い、MgB_2超伝導体の化学組成の制御や微細構造の変化がMgB_2の超伝導特性に及ぼす影響について系統的に調べた。本年度の研究結果を以下に箇条書きに記す(1)MgB_2のホウ素サイトへの炭素元素の置換効果について調べた。炭素を含む化合物のドーピングによって高磁場下における臨界電流密度が向上するが、これは炭素完素置換によって導入されるMgB_2結晶内の歪みの導入に由来することを明らかにした。また、炭素源ドーパントのサイズや反応性の違いによる超伝導特性への影響を調べたほか、遷移温度の低下と臨界電流密度の磁場特性向上のクロスオーバーの生じる最適な炭素置換量を明らかにした。(2)九州工業大学松下研究室と共同研究を行い、MgB_2超伝導体への炭素置換、低温生成が磁束ピンニング特性に及ぼす影響について明らかにした。(3)米国ウィスコンシン大学応用超伝導センターと共同研究を行い、ファラデー効果を利用して鉄ガーネット膜などの磁性薄膜をインディケーターとして試料内の磁束密度分布を可視化する磁気光学法(MO法)により、MgB_2多結晶体内の電流分布や局所的欠陥の直接観察を行った。その結果、バルク体内のクラックや低密度MgB_2のコロニー等の、数十μm以上の大きさの欠陥が臨界電流特性に強い影響を及ぼしていることを明らかにした。また、より微小なスケールで生じていると考えられるMgB_2粒界におけるコネクティビティ低下の兆候をMO法、及び電磁気的測定の双方から観測した。実用化に向けて研究開発の進んでいる二ホウ化マグネシウム(MgB2)超伝導体の基礎特性の解明、及び超伝導応用の際に重要な特性パラメータである臨界電流密度の制限機構の解明を目指し研究を行った。本年度の研究結果を以下に箇条書きに記す。(1)常伝導状態における電流制限機構の評価MgB2多結晶体における電気伝導度の抑制の原因を探るため、MgB2粒表面を覆う酸化物絶縁体と空隙の影響を考慮したパーコレーション問題を九州工業大学の松下照男教授と共同で検討した。同等の超伝導特牲と粒間結合を有し、充填密度のみを変化させた一連の試料を解析した結果、MgB2の伝導機構は平均場理論をサイト・パーコレーション系に拡張したモデルにより記述できることが明らかになった。この解析によりMgB2のコネクティビティ(有効伝導度)の制限因子を個別に定量評価できるようになり、MgB2粒の表面の約30%は絶縁酸化膜に覆われ、典型的なMgB2バルク、線材のコネクティビティはわずか10%以下であることを明らかにした。(2)MgB2の臨界電流密度の支配因子の評価コネクティビティの影響を除外した真の残留抵抗値から電子平均自由行程や不純物パラメータ等を理論的に導出し、MgB2のピンニング機構の解析を行った。