hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
乳児の健康な皮膚バリア機能発達と皮膚常在菌叢形成に対するスキンケアの効果検討

2018年度は、前年度にリクルートした児を対象として、生後3-4か月時点で、クロスオーバー試験を行った。乳児の左右に腕それぞれに無作為に割り付けた2種のスキンケア(お湯のみ、または洗浄剤を用いた洗い方の違い;洗浄剤を用いて洗うのみ、または洗った後に保湿剤を塗布)を行い、皮膚バリア機能・皮膚常在菌叢の違いを検討した。日常的なスキンケアに近い形で、比較検討できるように考慮した。最終的に、36組の児と養育者に対して調査を行うことが出来た。2018年度内に常在菌の分析、データセットを完成させることができたため、2019年度には分析・論文執筆・発表を行う予定である。この調査の結果から、スキンケアの違いによる皮膚への影響を明らかにし、乳児へどのようなスキンケアを行うことが望ましいのか、その際個人間の差についてどのように考慮すべきかを検討する一助になると考える。また、生後1年時点での皮膚の状態、アレルギー(アトピー性皮膚炎、食物アレルギー)に関する追跡質問紙調査を行い、生後2週間の調査を行った56名中43名(追跡率76.8%)から返信があった。これによって、生後2週間、生後3か月、生後1年にわたる縦断調査を終了し、データセットを完成させることができた。近年、生後早期の皮膚バリア機能とその後のアレルギー発症に関連があるとされており、そのメカニズムの一助として、皮膚バリア機能を考慮した上での、アレルギー発症と生後早期の皮膚常在菌の影響の有無を検討していく予定である。当初の計画通り、2018年度内に調査、試料の分析を完了することができ、1年調査も含め、データセットを完成させることができた。2019年度は、調査で得られた結果の分析・論文執筆・発表を順次行っていく予定である。新生児・乳児のスキンケアによる短期的な皮膚バリア機能の影響、皮膚常在菌の定着に関連する要因の検討を行う。特に、皮脂の分泌の多い顔(額・頬)と、スキンケアを行う頻度が高いと考えられる腕を対象部位とする。新生児が行う沐浴の皮膚バリア機能への影響を検討するため、沐浴前・沐浴30分後、沐浴90分後の皮膚バリア機能(経皮水分蒸散量、角質層水分量、皮膚pH、皮脂量)の変化を検討した。妊娠期・産褥期に応募のあった58名中、56名について生後2週間時点で調査を行うことが出来た。現在、額・頬の皮膚バリア機能に関して分析を進めており、その結果、沐浴30分後は最も角質層水分量、皮脂量が少ない傾向にあること、沐浴90分後には沐浴前とほぼ同レベルまで回復する児と、少ないままでバリア機能の回復の遅い児がいることが明らかになった。また、沐浴前と90分後の変化量(回復の程度)がその後4週間の皮膚トラブルと関連することが明らかになった。沐浴の方法についても、洗浄剤の種類や保湿の有無だけではなく、洗う手順やすすぎの方法等に様々な方法が行われていることが明らかになった。今後、沐浴の方法と皮膚バリア機能の関連を検討していく予定である。次に、生後3-4か月の乳児を対象に、左右に腕それぞれに無作為に割り付けた2種のスキンケア(お湯のみ、または洗浄剤を用いた洗い方の違い;洗浄剤を用いて洗うのみ、または洗った後に保湿剤を塗布)を行い、皮膚バリア機能・皮膚常在菌叢の違いを検討する予定である。本年度はプレテストを実施、来年度から調査開始予定であったが、順調に準備が進んだため、生後2週間の調査を56名に対して実施まで終えることが出来た。現在、同じ児を対象とした生後3-4か月調査を行っており、2018年度前半には調査を終了できる予定である。

生後3-4か月の乳児を対象に、2種のスキンケアの違い(お湯のみ、または洗浄剤を用いた洗い方の違い;洗浄剤を用いて洗うのみ、または洗った後に保湿剤を塗布)による、皮膚バリア機能・皮膚常在菌叢の変化を検討する。現在調査を進めており、2018年度中に分析を進める予定である。さらに、同じ児を対象としているため、長期的な皮膚バリア機能の変化や皮膚常在菌叢の関連を検討することができる。さらに、生後3-4か月時点での皮膚常在菌叢を皮膚常在菌の定着した状態と考え、生後2週間時点の皮膚バリア機能の変化や、これまでの期間の日々のスキンケアを含め、皮膚常在菌叢に関連する要因の検討を行っていく予定である。2019年度は、調査で得られた結果の分析・論文執筆・発表を順次行っていく予定である。学会参加旅費について大学の女性スキルアップ支援事業の支援を受けることができた他、大学近隣で調査を行うことが出来たため、旅費の支出が少なかった。その一方で、生後3か月の調査について、予定よりも多くの協力が得られる見込みがあり、次年度使用額を皮膚常在菌叢の分析費用にあてることで、より多くのデータの分析が可能になる。また、次年度は論文執筆・投稿予定である。そのため、皮膚常在菌叢の分析、論文執筆時の英文校正、投稿費用が必要となる。大学の女性研究者支援制度によって人件費や旅費を充当できたことで、次年度使用額が生じた。そのため、次年度は予定以上にも学会発表、論文の発表を行うための費用にあてると同時に、詳細な分析を行うための分析補助の人件費や、予算の都合上分析が難しかった常在菌叢のサンプルの分析に使用する予定である。
96穴プレート埋め込み型水晶発振子マルチセンサの開発

生体分子間相互作用を「同時にマルチで」測定する装置として96穴プレート埋め込み型水晶発振子マルチセンサを開発し、市販することを目的とし、以下の成果を得た。1)試作器として、500mL容量の4穴プレートの底面に水晶発振子を固定化し、4つの振動数変化を同時に追跡できる装置を開発した。具体的には、水溶液の粘度や水圧に耐える安定な発振回路を開発し、発振子の固定化方法、セルの大きさ、4つに振動数変化を同時処理するプログラムの開発を行った。2)4つの水晶発振子の金電極上にビオチン-アビジン法を用いて塩基配列の異なるDNA二本鎖を固定化し、水溶液中で抗生物質や塩基配列特異的に結合するたんぱく質の結合挙動などの経時的変化から定量することに成功した。また、糖脂質単分子膜を固定化し、レクチンなどのタンパク質や酵素の結合を観察することにも成功した。3)8個の発振子を1/8秒ずつ1回振動させ、1秒で8個の発振子が1回ずつ発振する切り換え型回路を設計し、これを12列集計することにより96個の発振子の振動数を1秒に1点採取できるようにした。これらの8×12列の振動数の経時変化をGP-IBボードからパソコン上に表すプログラムを開発し、96穴式マルチセンサの試作器を準備中である。本研究は、生体分子間相互作用を「同時にマルチで」測定する装置として96穴プレート埋め込み型水晶発振子マルチセンサを開発し、市販することを目的としており、水晶発振子の片面をシリコン樹脂で被覆し、発振回路のQ値の増大化などにより、世界で初めて発振子を水中に浸して測定する装置を開発し、現在では国内10カ所、海外12カ所の研究グループに装置の提供や共同研究を行っている。生化学の分野で使われる96穴プレートの底に水晶発振子を埋め込んだマルチセンサは、生体分子間相互作用を96個の反応条件で同時に、重量変化としてその経時変化を追跡できる装置であり、より簡便で安価な装置として遺伝子診断、薬物のスクリーニングなどの分野での使用が期待される。1)96穴プレートに移行する前に、500mL容量の4穴プレートの底面に水晶発振子を固定化し、4つの振動数変化を同時に追跡できる装置を開発した。2)水溶液の粘度や水圧に耐える安定な発振回路を開発し、発振子の固定化方法、セルの大きさ、4つに振動数変化を同時処理するプログラムの開発などを行った。3) 4つの水晶発振子の金電極上にビオチン-アビジン法を用いて塩基配列の異なるDNA二本鎖を固定化し、水溶液中で抗生物質や塩基配列特異的に結合するたんぱく質の結合挙動などの経時的変化から定量した。また、糖脂質単分子膜を固定化しレクチンなどのタンパク質や酵素の結合を観察した。
体外受精が初期胚のゲノム・エピゲノムに与える影響の解析

流産絨毛組織を用いてゲノム微細構造異常とDNAメチル化異常を調べた。ART群で優位にゲノム構造異常がない流産が多く、他の要因による流産の可能性が示唆された(30%と8.6%)。人工妊娠中絶症例を加えて流産検体の特徴を明確化すると、ART群で高メチル化を呈するCpGサイトが明らかとなった。それらの領域はゲノム領域の中でも全能性維持機能性領域や分化制御に関わる領域に集約された。さらに、配偶子から初期胚では低メチル化領域であり、ART群での高メチル化の原因として、配偶子形成時のメチル化消去異常と、受精後の異常なメチル化獲得のいずれの病態も考えられた。体外受精・胚移植など、生殖補助医療に関連した流産絨毛組織30例、夫婦血液30例、自然妊娠による流産絨毛組織11例、夫婦血液11例を収集した。SNPアレイであるIlluminaのInfinium CytoSNP-850Kを使用し、微細ゲノム構造解析を行った。主として染色体異常による流産であり、7割は染色体数的異常例であり、3割は染色体正常例の流産であった。流産原因は母体と胎児側と双方に可能性はあるが、染色体以外の胎児要因は明らかではないため、染色体正常流産例は次世代シークエンサーIllumina HiSeq2500を用いたwhole exome sequencingによる流産原因を特定する解析を行っている。生殖補助医療に必須の胚の体外培養は、胚のエピゲノムが劇的に変化する初期胚発生時期に及ぶ。体外培養がエピゲノム、特にDNAメチル化に及ぼす影響を、これからの1年で調べる予定である。DNAメチル化解析は実験誤差が大きいため、同日に続けての解析が望ましいと考えられ、検体数が十分に集まった時点で解析を考えている。さらに、ゲノム、エピゲノム解析から胚発生に重要と考えられる遺伝子発現を同定し、遺伝子発現解析も追加する予定である。また、派生研究として、検体の中に特殊な多胎例がおり、胚盤胞移植による一絨毛膜性多胎発生に寄与する機構についての基礎的データを集積予定である。安全な体外培養環境を模索するための基礎的研究と位置付けられる。検体回収に関してはほぼ予定通りである。自然妊娠群(対照群)がやや少ないので、今後より力を入れて回収する必要がある。解析に関してはメチル化解析が進行していないが、検体回収後にまとめて行う方針のため、今年度施行すれば問題ないと考える。生殖補助医療(体外受精・顕微授精;以下ART)が胚発生に及ぼす影響をゲノムの微細な構造異常あるいはエピゲノム異常の観点から明らかにすることを目指した。対象として不妊治療中の自然妊娠例をを使用した(コントロール群)。85例の流産絨毛組織とその両親のDNAを回収し、Infinium CytoSNPBeadChip (Illumina)でトリオの全ゲノム微細構造異常解析と、67例の流産絨毛組織のInfinium HumanMethylation450BeadChip (Illumina)での解析が終了した。ゲノム構造異常を認めない例はコントロール群で3例(8.6%;全35例)、ART群で15例(30%;50例)で、コントロール群が少ないという数的バイアスは否めないがp=0.017で有意差を認めた。ART群にはゲノム構造以外の流産理由が存在する可能性が否定できない、と考えられた。コントロール群とART群でメチル化率の異なるCpGサイトは認められなかったが、人工妊娠中絶絨毛検体22検体を含めて検討すると、FDR補正後のp<0.05となるCpGサイトがART群で3029個存在し、かつ高メチル化傾向であった。コントロール群にも有意差を認めるCpGサイトは存在したが、1/10以下であった。順位和検定でトップ1000のCpGサイトをannotation file set ENCSR778VCWに当てはめるとTssBiv, BivFlnk, EnhBivに約半数が相当し、stemnessの維持に関わるBivalent modificationのメチル化を高メチル化させる確率が高いことがわかった。この領域は精子では低メチル化領域であり、de novomethylationの異常と考えられる。ICSIや培養期間の有無でメチル化に差は生じず、培養環境や本来受精卵の有する形質による可能性がある。さらなる検体回収と夏ごろにはメチル化解析を行う予定。DNAのメチル化は流産週数や発生段階で異なると考えられ、研究所にある人工妊娠中絶のデータとの比較も必要だと考えている。また、母体血の混入のリスクを考え、クオリティーチェックも行う予定である。染色体正常流産検体は全エクソン解析を両親ゲノムとのトリオで行うことで、新しい流産原因を特定できればと考えている。安全な体外培養をめざし、一絨毛膜性要胎の検体はゲノム・エピゲノム・エクソームを調べ、単胎妊娠と比較によって多胎妊娠を引き起こすメカニズムの一因を検討したい。

DNAメチル化解析が次年度となったため、必要経費が減少した。DNAメチル化解析は本年度にまとめて施行するため、研究に遅れは生じていない。さらにエクソーム解析など今後発生する検体解析用の試薬及び、今年度の研究成果の発表の旅費に申請したいと考えている。
多様性尊重と社会統合のためのグローバル時代のシティズンシップ教育カリキュラム開発

研究全体の主な成果は三点である。1多様性尊重と社会統合の理念を持つ欧州評議会のシティズンシップ教育の教授用指導書を分析し、カリキュラム構成原理、教授学習過程の特徴、小・中・高の系統性を明らかにした。2欧州評議会のシティズンシップ教育を担う教師教育に関する聞き取りを行った。入手した資料を基に研修プログラムの目標・内容・方法・参加者の学びに関する分析を行った。3日本の中学校のシティズンシップ教育カリキュラム(3年のうち1年目)の開発を行った。自他を隔てる枠組みを「ボーダー(境界)」という視点から批判的に検討し、多様性尊重を促す取り組みを行った。ノルウェーの研究者と共同でカリキュラムを評価した。本研究の目的は、多様性尊重と社会統合のためのグローバル時代のシティズンシップ教育カリキュラム開発を行うことである。研究1年目の今年度は、次の3点に取り組んだ。まず、異なる発達段階を対象とした欧州評議会のカリキュラムを比較・分析し、その連続性の構造を明らかにした。分析の結果、人権条約から導かれた同一概念を繰り返し学ばせる構成であることが分かった。また、小・中・高段階の特徴として、小学校段階では共同体において自己を肯定的に位置づけ、成員としての自覚を高める学習が、中学校段階では主張の対立を人権の観点から分析し、合意形成のための手続きを探究させる学習が、高等学校段階では自己の意思決定と他者との交渉を通した社会参加の学習が重視されていた。この成果は、論文(「人権に基礎をおくシティズンシップ教育カリキュラムー欧州評議会の小・中・高段階の教師用指導書の連続性に着目してー」『奈良教育大学教育実践開発研究センター研究紀要』第23号、2014年、p.111-119)として発表した。次に、教授学習過程について、社会構成主義に基づく概念および、スキルや価値・態度形成という点から詳しい分析を行った。研究成果は2014年の国際理解教育学会の研究大会で発表予定である。3点目として、欧州評議会の教師教育プログラムをコーディネートしている、European Wergeland Center(ノルウェー、オスロー)を訪問し、担当者へのインタビューと意見交換、およびプログラム教材の収集を行った。カリキュラム開発の方策として、1既存のカリキュラムを使用して単独教科としての実施、2クロスカリキュラムとしての実施、3学校全体での実施、4地域と連携しての実施、の4つがあることが分かった。教師教育プログラムでは、教師が自分の学校の現状を振り返り、最も適した方法を選択・再構成・実施する過程を支援していた。本研究の目的は、欧州評議会の事例分析を通して、多様性尊重と社会統合のためのグローバル時代のシティズンシップ教育カリキュラム開発を行うことである。本年度は、1欧州評議会のシティズンシップ教育の教授学習過程の解明、2実施するための教員の支援の解明、3日本でのシティズンシップ教育実践への示唆の抽出、を目指した。研究成果は次の通りである。第一に、欧州評議会のシティズンシップ教育の教授学習過程の特徴が社会構成主義であることの意義について考察を行った。この過程では、「概念の意味の構成」と、「概念の意味に関する討議」という二つの学習が目指されていた。そして、それが概念の多様な意味の構成という「多様性の尊重」と、相手を尊重した議論という手続きが示す「普遍的な価値」の学習につながることを示した。研究成果は、第24回日本国際理解教育学会、および「シティズンシップ教育国際シンポジウム」で発表し、論文としても報告した(『奈良教育大学次世代教員養成センター研究紀要』第1号)。以上に加えて、本研究が理論的にも依拠しているコスモポリタンシティズンシップの提唱者の一人であるDr. Hugh Starkeyを奈良教育大学に招へいし、講演会を実施するとともに、本研究の1年目、2年目の研究成果について意見交換を行った。第二に、欧州評議会における教員研修について、前年度European Wergeland Centreにて調査を行った内容について、エンパワーメントのための概念理解のための研修プログラムという視点から、考察を行った。調査結果については、6月の第25回日本国際理解教育学会にて報告予定である。第三に、欧州評議会の事例から得た視点をもとに、日本の民間教育団体が実施する地球市民教育実践のプログラム、参加者の学びについての分析を行った。結果については、第17回学校教育研究会(於:同志社大学)で報告した。本研究の目的は、欧州評議会の市民性教育カリキュラムの分析を通して、多様性尊重と社会統合のためのグローバル時代のシティズンシップ教育カリキュラムの開発を行うことである。本年度は、1欧州評議会における概念学習プログラムの実態解明、2日本の中学校における市民性教育カリキュラム開発への着手を目指した。第一に、多様なアイデンティティを尊重するシティズンシップ教育において、教育の中で扱われる中心概念の異なる解釈は、修正・統一される対象ではなく、教育プログラムの中で積極的に取り上げられるべき教材であるという観点から、欧州評議会のCLEARプロジェクトの考察を行った。研究成果は、第25回日本国際理解教育学会の研究発表、および論文(『奈良教育大学次世代教員養成センター研究紀要』第2号)にて発表した。本稿では、CLEARプロジェクトの目標・および教授学習過程を具体的に示した。本プロジェクトの意義として、1概念の背景にある価値や文化への批判的理解の促進、2多様な立場を尊重しつつ意見を交流するためのスキルや態度の育成、312に支えられた異なるアイデンティティを尊重する態度の育成、を指摘した。第二に、市民性教育カリキュラム開発について、日本の中学校の社会科担当の教諭と共同で取り組んだ。

欧州評議会の市民性教育カリキュラムの特徴である、多元的・多層的アイデンティティの育成を目指す中学校1年生の年間カリキュラムを、共同で構想した。具体的には、既存の共同体を形成している「ボーダー(境界)」を批判的に読み解くことで、子どもたちの境界に対する認識の揺らぎを引き起こすことを目指した。同時に外部講師を招いて研究を深めた。研究の成果は、中学校公開研究会での教諭の授業提案、実践報告(シンポジウム「教員養成大学におけるグローバル人材育成を考える」)につながった。来年度は共同発表を予定している。欧州評議会の市民性教育のカリキュラムを詳細に分析することを通して、日本の中学校でのカリキュラム開発につなげていくことが出来ている。ただし、3年間のカリキュラム開発を予定しており、現時点では1年目のカリキュラムの構想が出来た段階である。来年度は、2年目、3年目のカリキュラムの構想を予定している。本研究の目的は、欧州評議会のシティズンシップ教育・人権教育(以下、EDC/HRE)の事例分析を通して、多様性尊重と社会統合のためのグローバル時代のシティズンシップ教育カリキュラムの開発を行うことである。研究全体の成果として、三点ある。第一に、EDC/HREの小・中・高の教授用指導書、およびCLEARプロジェクトと呼ばれる概念学習のカリキュラム・授業原理を示した。EDC/HREの理論的支柱の1人であるロンドン大学のHugh Starkey氏を奈良教育大学に招へいし、講演会を実施するとともに意見交流を行った。特徴として「構築」「脱構築」「再構築」というカリキュラムの軸と、多様な解釈に開かれた形で中心概念を教える社会構成主義的な教授学習過程を指摘した。第二に、日本の中学校における3年間のうち1年目のシティズンシップ教育のカリキュラム開発に、中学校の社会科担当の教諭と共同で取り組んだ。EDC/HREの特徴である多元的アイデンティティの育成について、生徒たちが、地域、国家、グローバルのレベルの問題に向き合っている多様な人と出会い、自らの認識の「ボーダー(境界)」を考察するカリキュラムを開発した。この実践について、大学の教職科目「カリキュラム論」の中で報告し、教員養成との関連も持たせた。この実践については、ノルウェーの大学の北山夕華氏、Audrey Osler氏らと共同で論文執筆を行った。第三に、シティズンシップ教育を実践していく上での教師の意識や関わりをどのように支援するのかについて、欧州評議会の教師教育を担うセンターを訪問し調査を行った。さらに、日本とノルウェーの教員養成大学の学生の意識や、大学において人権の特殊性と人権教育をどのように扱うかといった部分についても、シティズンシップ教育を実施する上で重要だと考え情報を収集した。その一部は教師教育の学会にて報告を行った。研究全体の主な成果は三点である。
基本生理機能調節における概日リズム制御蛋白質の酵素活性及び翻訳後修飾の役割

質量分析法を用いたスクリーニングにより、概日リズム制御因子CLOCK:BMAL1二量体に結合する新規因子として細胞死制御因子DAXXを同定した。DAXXは紫外線等のストレスに応答し、細胞周期、分化、及び細胞死誘導に関わる。DAXXはBMAL1と時間依存的に結合することを見出し、この時間依存的結合の分子メカニズムとして、ヒストンアセチル化酵素CBPによるBMAL1のアセチル化によるBMAL1とDAXXの結合能の亢進を支持する知見を得た。さらに、本研究はDAXX:BMAL1:CLOCK複合体の形成がCLOCK:BMAL1二量体の転写能を亢進し、分子時計の周期性を調節することを明らかにした。概日リズムはホルモン分泌等の基本的生理現象の周期を外環境に適応させ維持する機構である。この機構の異常は精神(不眠、うつ)、循環器(心筋梗塞、高血圧)、呼吸器(喘息)疾患を含む多くの疾患の病態に関与している。概日リズムは全身の個々の細胞に存在する転写/翻訳に依存したフィードバックループ(分子時計)により制御されている。特に、脊椎動物の分子時計においてCLOCKとBMAL1は二量体を形成し、転写活性化因子として機能する。分子時計がどのように疾患に関与する様々な基本的生理機能を制御しているかについては現時点ではほとんど解明されていない。本研究は概日リズムの分子時計が生理機能を調節する分子機構の解明を目指し、特に概日リズム制御蛋白質の酵素活性及び翻訳後修飾に注目して研究を進めた。まず、CLOCK:BMAL1二量体に結合する新規蛋白質として、細胞死制御因子DAXXを同定した。次に、分子生物学・生化学的解析により、DAXXがCLOCK:BMAL1二量体の転写能を亢進させること及びBMAL1のアセチル化を負に制御することを見出した。さらに、これらのDAXXによる分子時計制御因子の転写能及び翻訳後修飾の制御が分子時計の周期を制御すること明らかにした。疫学的な解析や概日リズムの異常を示す変異マウスの生理学・解剖学的解析により概日リズムと発癌等の疾患の関連は現象として多く報告されている。近年、BMAL1やCLOCK等の分子時計制御因子の変異マウスがリンパ腫、早老症、代謝異常を発症することが報告され、一部その病態メカニズムに分子時計が関与していることが強く示唆されている。DAXXと発癌の関連は多く報告されていることから、現在私は本研究の知見に基づいて概日リズムの異常と発癌の関連の分子機構の一端の解明を目指している。この機構の異常は精神(不眠)、循環器(心筋梗塞、高血圧)、呼吸器(喘息)疾患を含む多くの疾患の病態に関与している。脊椎動物の分子時計においてCLOCKとBMAL1は二量体を形成し転写活性化因子として機能する。本研究は概日リズムを制御する分子時計が生理機能を調節する分子機構の解明を目的に研究を進めた。まず、質量分析法を用いたスクリーニングにより、CLOCK:BMAL1二量体に結合する新規因子として細胞死制御因子DAXXを同定した。DAXXは紫外線等のストレスに応答し、細胞周期、分化、及び細胞死誘導に関わることが知られている。興味深いことに、DAXXはBMAL1と時間依存的に結合することを見出した。この時間依存的結合の分子メカニズムとして、ヒストンアセチル化酵素CBPによるBMAL1のアセチル化によるBMAL1とDAXXの結合能の亢進を支持する知見を得ている。さらに、本研究はDAXX:BMAL1:CLOCK複合体の形成がCLOCK:BMAL1二量体の転写能を亢進し、分子時計の周期性を調節することを示唆する知見を得ている。概日リズムの異常を示す変異マウスの生理学・解剖学的解析により概日リズムと発癌等の疾患の関連は多く報告されている。DAXXと発癌の関連は多く報告されていることから、本研究の知見は概日リズムと発癌の関連の分子機構の一端の解明に寄与することが期待される。
冬期湛水有機栽培水田において代かき回数が雑草発生に及ぼす影響

【研究目的・方法】渡り鳥の越冬地の減少対策として注目される冬期湛水有機栽培水田では、雑草抑制が課題となっている。本試験では代かきの除草効果に着目し、代かき回数と雑草発生の関係を、冬期湛水有機栽培水田において明らかにすることを目的とした。コナギを優占種とする冬期湛水有機栽培転換4年目の水田1筆内に、代かき回数を異にする3処理区[2/4/6回]を3反復で設け、水稲品種ひとめぼれを栽培した。複数回代かき処理前後の土壌を採取し、発芽法により埋土雑草種子量を調べた。また、本田における雑草の発生数・乾物重、水稲の生育・収量について調査を行った。【研究成果】埋土雑草種子量は、コナギなど複数種で代かき処理後に増加する傾向がみられた。これは代かき処理後の土壌試料に含まれる米ぬか資材の影響で、発芽が促進されたためと考えられた。代かき処理前の土壌試料にも、同様に米ぬかを加えた条件で再試験を行った結果、殆どの雑草で代かき処理後に埋土雑草種子量が減少する傾向がみられた。代かき回数と埋土雑草種子量の関係は雑草種により異なり、コナギやイヌホタルイでは回数を増やすほど減少する傾向がみられた。本田の雑草発生は、機械除草を一律に行った影響もあり少なかった。収穫期に認められた雑草はコナギ、オモダカ、クログワイが主であった。コナギは発生期間が長いこと、オモダカとクログワイは地下塊茎より発生することから、それぞれ機械除草を回避した個体が残ったものと考えられた。
非可換力学系の研究

非可換力学系の研究とは一般の非可換代数上の群(または群もどき)の作用の研究のことである。(これは自然現象における時間発展や対称性を記述するものと期待される。)その代数が可換である場合を古典的ということにすると、まず古典論とその場合との比較が研究の対象となり、ついで非可換固有の現象をさぐることになる。これに関連して、群がコンパクトである場合に、研究代表者らは作用の性質と、接合積、共変表現に関して詳しい結果を得た。これによると、代数が単純なC^*環である多くの場合、作用は無限テンソル積に準じた構造、性質をもつ。(これはそれまでの可換群の場合の結果を拡張するものである。)代数がある種のW^*環で群が従順離散群である場合には、作用の(外部的共役類の)分類理論が存在する。代数がC^*環である場合は、分類問題は作用そのものへの条件なしには困難であったが、この事情は少しかわりつつある。分類理論においてW^*環の場合に重要な役割を演じた、自己同型写像に対するローリンの性質は、C^*環の場合にも重要であることが知られていたが、これまできわめて特殊な系にしか成り立たないと思われていた。研究代表者らはある種の場合にこの性質をしめすことに成功した。このことは、クンツ環を含むようなある種のC^*環の類の分類にも重要な影響をもつことが明らかになりつつあり、もっと広範囲な系に対してその成立を確かめることが急務である。他方、考えるC^*環が非常に簡単である場合にも、作用はかなり多様でありうることも分かってきた。今までに知られている方法だけで分類が可能かどうか微妙である。主たる成果は、正準反交換関係を満たす系におけるいわゆる準自由な自己同型写像についてのエルゴード的性質の究明である。正準反交換関係は作用素環としては2行2列行列の無限テンソル積として表わされるが、この環の自明な自己同型写像として無限テンソル積としてあらわされるものがある(2行2列行列の無限テンソル積を任意の無限テンソル積として再表現することにより)。示したことは、上述の準自由な自己同型写像が内部自己同型による摂動を加えるとこの型になることである。つまり、シフトのような強いエルゴード性(漸近的可換性)を示す自己同型でも内部自己同型による摂動で、強い意味でエルゴード性を失いうる。これは次のようにも解釈できる:十分に非可換な系は可換系よりも簡単な性質をもつ。この証明で重要な役割を演じたのがローリンの性質であり、ノルムで閉じた作用素環の範囲での初めての非回明な結果であるといえる。また、この種の結果は、作用素環の分類に関する結果より多くの場合に成立つことが予想されているが、それは今後の課題であろう。(弱いローリンの性質の必要十分条件はほぼ分っているが、ローリンの性質との関係は分っていない。)一径数自己同型群の場合も今後の課題である。この場合でも、上述の「内部的摂動でエルゴード性を失なう」に対応する性質は示せるが、ローリンの性質のようないわゆる相転移とも関係しそうな性質については何も分っていない。新たな力学系として、超対称的な力学系が今後重要になる可能性がある。この問題の研究にも着手し、予備的な結果を得た。非可換力学系の研究とは一般の非可換代数上の群の作用の研究のことである。本年度は、その代数が、正準反交換関係(CAR)代数を含む近似的有限次元(AF)環、その群が整数群である場合を主に研究した。

特にCAR代数の場合に、多くの準自由同型写像が(エルゴード理論における)ローリンの性質を満たすことを示した。(もっと一般の場合には、かなり弱いが一種のローリンの性質を満たすことを示した。)このことより、最近の帰納的極限で表わされるC^*環の分類理論を用いると、多くの場合に、この力学系より構成される接合積が同型になるという意外な結果が得られる。(ひとつの解釈は、非可換の場合には、普通の力学系の場合と違って、非常にエールゴード的な系でも任意に小さな内部摂動によって反エルゴード的な系に移りうるということである。)この発展としてC^*環の新たなクラスの分類理論が可能となった。従来知られていた分類理論で取扱うC^*環はすべて「有限」であったが、これによってクンツ環を含む「無限」のC^*環も分類理論の対象となった。(非可換代数そのものの研究と非可換力学系の研究はある意味で同値であり、後者の発展が前者の発展を促すことの好例である。)今後の当面の課題は、この分類理論を完成させること及び更に多くの系に対してローリンの性質を示すことである。
記憶項を伴う双曲型方程式の適切性に関する研究

研究対象とした方程式は従来は方程式のもつ特性を生かしながら個別的に研究されることが多かったが、本研究ではその個別的な考察から系統的な性質を見出し、統一的な適切性理論を構築することを試みた。具体的には、発展方程式に対する抽象理論を構築することを試み、関連する研究分野を研究した。さらに、方程式が働く場として重要な関数空間である解析関数空間、ヒルベルト空間およびハーディー空間の立場からの理論考察を実施した。本年度の研究実績は以下の通りである。(1)半閉作用素全体からなる距離空間において、半閉な対称作用素の集合の中で自己共役作用素の集合は相対的に開集合である。前年度のこの研究成果を踏まえて、自己共役作用素を内点とする開球の半径の計算およびその最良性を検討した。その結果、特に2乗可積分な関数空間における1階の微分作用素およびラプラシアンの半径の値を与えることに成功した。(2)ベルグマン空間上の合成作用素および合成作用素と微分作用素との作用素積の有界性およびコンパクト性を作用素構成因子である正則関数の持つ函数論的な性質で特徴付ける研究を行った。合成作用素と微分作用素との作用素積の性質は解析関数φの増大度と微分の階数の双方に影響を受けること、Bekolle条件を満たす重み付きベルグマン空間上の合成作用素は重み関数とφ(z)-wの零点の個数関数との増大度の比により特徴付けられることを明らかにした。(3) Hardy空間、Bergman空間、Dirichlet空間を含むHibert空間の間の合成作用素の差のHibert-Scmidt性について研究した。特に、Dirichlet空間からHardy空間やBergman空間へ作用させる場合については積分条件による特徴付けを与えた。(4)微分作用素のイメージとは結びつきにくい連続性条件に着目し,単調作用素,劣微分作用素により支配される発展方程式の枠組みの1つの拡張を発展方程式研究会において成果発表した。1.半線形発展方程式の軟解はボルテラ型の積分方程式の解として定式化される。そのため,軟解の初期値に関する連続的依存性は,2つのボルテラ型の積分方程式の差を評価することで得られ,評価後の方程式は特異な核をもつスカラー値ボルテラ方程式となりえる。このような着想のもとで,特異な核をもつスカラー値ボルテラ方程式の極大解に対する比較定理を準備して,半線形発展方程式の可解性を考察し,無流速境界条件付き移流拡散方程式系へ応用した。2.ヒルベルト空間上の半閉作用素クラスの距離関数に関して,「半閉な対称作用素クラスにおいて,自己共役作用素クラスは相対的に開集合である」ことを証明した。既存の定理「稠密に定義された閉作用素クラスは半閉作用素クラスにおいて開集合である」をリゾルベントに関する条件に適用することで解決を図った。3.Bekolle条件を満たす連続関数を重み関数とするBergman空間上の合成作用素の有界性およびコンパクト性を作用素構成因子である正則関数の持つ函数論的な性質で特徴付ける研究を行った。この種の研究では正則関数の函数論的性質がどのように作用素の性質に影響するかを調べることが主題である。本研究では,J.H.ShapiroやW.Smithの研究手法に倣って正則関数と重み関数から構成されるNevanlinnaの個数関数を新たに導入し,この個数関数と重み関数の境界挙動を用いて合成作用素の有界性・コンパクト性が特徴付けられることを明らかにした。4.有界正則関数空間上で荷重付き合成作用素を考え,そのべき乗がコンパクトになることを作用素のシンボルの境界挙動についての条件で記述した。さらにそのとき,固有関数が有界であることとの関係について考察した。研究期間全体を通じて、研究対象となる方程式の個別的な考察から系統的な性質を見出し、統一的な適切性理論を構築する研究を行った。本研究は抽象化によって本質的な事実を見出すという数学の典型的手法の1例であり、意義深くかつ重要と考えられる。具体的には「方程式自体の理論構築」と方程式が働く場である「関数空間の立場からの理論考察」の双方の観点から研究を実施した。平成26年度に実施した研究の成果は以下の通りである。(1)微分作用素のイメージと結びつきにくい連続性の条件に着目して、自励な方程式系の適切性定理を考察し、単調作用素、劣微分作用素の理論の拡張を与えた。(2)遅れを伴う発展方程式について、制約付き消散条件のもとで、ある集合を出発した解がその集合に留まり続けるための十分条件がその集合に対する劣接線条件であることを明らかにした。(3) Kato-Rellichポテンシャルを備えたシュレーディンガー作用素の自己共役性に関する結果(Kato-Rellichの定理)に対して、平成25年度の研究で計算したラプラシアンの半径を用いることで、位相解析的な視点による別証明を与えることができた。(4)整関数から構成されるFock型関数空間の高階導関数による特徴付け問題と関連する同値なノルム評価不等式の確立を目指す研究を行った。ここで得られた結果を応用して、Fock型空間に作用するVolterra型積分作用素を特徴付ける作用素構成因子は2次以下の正則な多項式に限られることを明らかにした。

発展方程式(理由)本研究の目的は、記憶項を伴う双曲型方程式の適切性について、一般的かつ組織的に取り扱うための「理論構築」および「方程式が働く場である関数空間の立場からの理論考察」の双方の観点から研究を実施することである。後者については、ヒルベルト空間上の作用素論的側面から、解析関数空間およびハーディー空間の3つの立場からそれそれ研究を行う計画を立てている。「理論構築」については、単調作用素,劣微分作用素により支配される発展方程式の枠組みの1つの拡張を考察した。ヒルベルト空間上の作用素論的側面の観点からは、半閉作用素全体からなる距離空間において、自己共役作用素を内点とする開球の半径の計算およびその最良性を検討し、特に2乗可積分な関数空間における1階の微分作用素およびラプラシアンの半径の値を与えることに成功した。また、解析関数空間の立場からはベルグマン空間上の合成作用素および合成作用素と微分作用素との作用素積の有界性およびコンパクト性を作用素構成因子である正則関数の持つ函数論的な性質で特徴付ける研究を行った。ハーディー空間の立場からは, Hibert空間の間の合成作用素の差のHibert-Scmidt性について研究した。以上の研究内容は本研究計画・目的に沿ったものであるため、おおむね順調に進展していると判断している。本研究計画・目的に沿って、これまでに雑誌論文3件、学会発表6件の研究成果が挙がっているため。(今後の推進方策)発展方程式および偏微分方程式関係の研究会やセミナーに参加し研究資料・情報の収集を行う。特に現在,準線形双曲型発展方程式の時間大域解の理論の研究を行っている連携研究者の田中と研究代表者との研究打ち合わせは複数回にわたって,実施する。「方程式が働く場である関数空間の立場からの理論考察」は,平澤がヒルベルト空間上の作用素論的側面から,植木が解析関数空間の立場から,細川がハーディー空間の立場からそれぞれの研究を実行する。発展方程式および偏微分方程式関係の研究会やセミナーに参加し研究資料・情報の収集を行う。研究推進のために必要な偏微分方程式・発展方程式関係図書を購入する予定であったが、発注業者を指定することにより安く済んだため。少額のため、偏微分方程式・発展方程式関係図書に充当する。少額のため,偏微分方程式関係の図書購入に充当する.
懸濁液への高周波超音波照射による粒子混合物の分離

様々な粒子径をもつ粒子混合物の懸濁液に高周波超音波を照射して生成した霧の中に特定の粒子径を持つ粒子を取り込ませて分離する手法を開発した。回収された粒子は、粒子の種類によらず、特定の範囲の大きさを有している。2.4 MHzの超音波照射では、回収される粒子径範囲は90320 nmであった。この分離を適用できる粒子濃度は約1500 ppmまでであった。試料への界面活性剤の添加により回収粒子径を小さくすることができた。試料懸濁液を脱気して溶存空気濃度を低下させると分離が失われ、溶存空気が分離の発現に不可欠なことが明らかとなった。H24年度は粒子径測定においてH23年度までに使用していた動的光散乱装置に代えて粒子のブラウン運動解析に基づく装置を用いて行った。この変更により粒子径が50300nmにある粒子径分布を高い分解能で測定することが可能となり、粒子分離特性についてシリカとポリスチレンラテックスを用いて詳細な評価を行った。公称70、100、300nmの粒子懸濁液を超音波霧化したところ、霧に取り込まれる粒子の上限が270nmであることに加えて、70nmの粒子は霧に取り込まれず、分離できる粒子径に下限があることが明らかとなった。この分離特性は粒子の種類に依存しないことから、超音波霧化によれば、非常に狭い粒子径範囲の大きさの粒子を選択的に霧に取り込んで分離できることがわかった。分離できる粒子径に下限が存在するという事実は当初予測できなかった発見であり、現在もこの分離が発現するメカニズムの解明に取り組んでいる。分離粒子径を制御するための手法として、H23年度にイオン性界面活性剤を添加することで分離粒子径が小さくできることを明らかとした。H24年度は非イオン性界面活性剤を極低濃度で添加することで、分離粒子径が低下することに加えて、粒子回収量が劇的に増加する現象を発見した。本研究で提案する手法の実用化の観点から、粒子の回収率を高めることが重要であり、少量の添加剤を用いることにより粒子回収を大幅に促進kできることは、本技術の実用化に向けた意義が大きい。また、霧と共に分離された粒子の回収法について検討し、超音波霧化で生成した霧の回収率を80%まで高める手法を開発した。目標は回収率を100%に近づけることであり、さらなる改良を進めている。上で述べた成果について3件の国内学会と1件の国際会議での発表を行い公表した。混合粒子懸濁液から標的粒子を高い選択性で分離するために、懸濁液に高周波超音波を照射して、径のそろった微細液滴の生成と液中での粒子凝集の2つの作用を組み合わせ、標的粒子を霧に取り込んで分離する新手法を開発し、種々条件下での粒子分離特性の調査、分離粒子径制御とともに分離機構の解明を目的とする。50700 nmの幅広い径を持つシリカ及びポリスチレンラテックス粒子懸濁液を調製し、2.4 MHzの超音波を照射して生成させた霧の中に、特定の大きさを持つ粒子(径が90320 nm)が粒子の種類によらず取り込まれ、回収できることを明らかにした。この手法では、分離が、対象粒子の物性よりも大きさに強く影響され、しかも分離粒子径に下限があることが特徴である。本手法では従来法のようにフィルターなどの物理障壁がないため、高粒子濃度試料への適用が期待される。粒子濃度が1000 ppmの高い値でも高い分離性能が得られ、この性能は約1500 ppmまで高く保たれた。現在の膜分離ではこのように高い粒子濃度の適用は困難で、本手法の優れた点のひとつである。分離される粒子径は試料懸濁液への界面活性剤の添加とともに小さくなり、この傾向は、超音波で生成される液滴径の傾向と対応した。また、非イオン性界面活性剤の極微量添加により回収粒子数が飛躍的に増大し、粒子回収促進法として実用的な意義が大きい。霧とともに標的粒子を回収する方法について検討し、液体窒素による冷却が有効なことを見出した。粒子分離メカニズムの考察では、試料懸濁液中の溶存空気の減圧除去により分離性能が失われた。この事実は、超音波照射下での液中の気泡生成が分離に重要な役割を果たすことを示しており、特異な分離メカニズムが作用していることがわかった。気泡生成による液中での粒子凝集もしくは液滴生成に及ぼす作用は未解明であり、さらなる研究が望まれる。本研究は混合粒子懸濁液からの標的粒子の分離手法として、懸濁液への高周波超音波による微細液滴の生成と液中での粒子凝集の2つの作用を組み合わせた手法の開発を目的としている。

平成23年度は単成分多分散懸濁液の分離特性について調査を行い、異なる粒径を持つシリカ粒子混合分散液を試料として、1.6 MHz, 2.4 MHzの超音波照射による分離を行った。購入した広帯域パワーアンプを用いて試料に2つの異なる周波数の高周波超音波を照射できる実験装置を作成した。1001000 nmの間のシリカ単分散粒子試料を複数混合し、水に分散させた懸濁液を試料として用いた。種々の操作条件のもとで試料の超音波霧化を行い、粒子を霧に取り込ませて回収し、回収液に含まれる粒子径を動的光散乱装置により測定して分離特性を評価した。周波数について1.6 MHzと2.4 MHzを用いた場合での粒子の分離挙動に明確な周波数依存性は見られなかった。投入電力の増大とともに、霧に取り込まれる粒子径が大きくなり分離は低下した。比較的投入電力の低い条件が粒子分離に適することがわかった。2.4 MHzの超音波照射で分離できる粒子径の閾値が240 nmであることを明らかにした。試料溶液への界面活性剤の添加により、分離できる粒子径をより小さく制御することができるとともに、粒子の回収速度を大きくできることを見出した。これらの成果を論文としてK. Suzuki, J. Hisaeda, S. Nii, J. Chem. Eng. Japan, 45(2),114-118(2012)に発表した。粒子径分布の測定装置として、研究の計画段階で十分利用できると予測し、H23年度に使用した光散乱法による測定装置の性能に限界があることがわかり、粒子の分離特性を精密に把握できない問題に直面した。この問題は、H24年度に新しい測定方式の装置を利用することで解決したため、本研究で提案する分離手法の特性を詳細に把握することができた。当初計画では、H24年度に異種粒子の混合物の分離特性を解明する予定であったが、現時点でのこの目的の達成度は50%であり、半年程度の遅れが出ている。また、H24年度計画において、粒子の分離メカニズム解明を行う予定であったが、当初予想されなかった実験結果である、分離できる粒子径に下限が存在するという新発見により、これまでの仮説がそのまま適用できなくなり、新たな仮説を立てて検証することが必要となった。これら2つの、研究計画段階で予測ができなかったことにより、当初計画よりわずかに遅れが出ているが、他の研究計画については順調に進展している。H23年度の主な検討項目である、単成分多分散懸濁液の分離特性に関して、装置作成を完了するとともに分離の評価方法を確立し、分離に及ぼす操作条件の影響について実験的な検討を行った。H23で得られた成果を、予備検討の結果と合わせて論文として発表することができた。操作条件として、超音波の照射条件について500 kHzの周波数での検討が残されているため、目標の達成度を95%と評価した。H25年度には異種粒子混合物ならびに多分散粒子径からの標的粒子の分離特性について、同じ粒径もしくは異なる粒径の2成分を混合して調製して分離特性を調べる。H23、H24年度に得られた単成分多分散混合物の分離特性に関する知見と、H25年度で明らかにする予定の異種粒子混合物の分離特性に基づき分離メカニズムの仮説を立てる。分離メカニズムに大きく関わると考えられる因子は、霧化による液滴生成と、液中で粒子に作用する音響放射力であり、粒子径、粒子の荷電や親疎水性などの溶液や固体の表面特性、分散媒物性の条件を精密に制御した分離実験を行い、仮説の妥当性を立証する。また、分離に最も大きく影響を与える因子を選び出し、粒子分離モデルを構築して、主要な操作因子と分離特性との間の相関関係を整理して操作の設計指針を確立する。
ナノ結晶シリコン列における準弾道輸送現象の解明

ポーラスシリコンダイオードにおける高エネルギー弾道電子放出の物理的機構を理解するためのモデルを提案した.モデルは,原子論的強結合近似法と半古典的モンテ・カルロ法を結合にして構築した,弾道電子放出に関する測定結果の本質的な部分をよく再現した.モデルを拡張し,ナノ結晶シリコンを活性層に持つ金属半導体ダイオードで観測された,非常に大きな光導電利得の物理的機構の解明を行った.一様なナノ結晶シリコンでは,圧縮歪みにより光導電利得が増加することを,また,原子配置乱れがある場合,バンド端付近の準位の縮退が解けることにより,光導電利得が増加することを見いだした.ポーラスシリコンダイオードにおける高エネルギー弾道電子放出の物理的機構を理解するためのモデルを提案した.モデルは,原子論的強結合近似法と半古典的モンテ・カルロ法を結合にして構築した,弾道電子放出に関する測定結果の本質的な部分をよく再現した.モデルを拡張し,ナノ結晶シリコンを活性層に持つ金属半導体ダイオードで観測された,非常に大きな光導電利得の物理的機構の解明を行った.一様なナノ結晶シリコンでは,圧縮歪みにより光導電利得が増加することを,また,原子配置乱れがある場合,バンド端付近の準位の縮退が解けることにより,光導電利得が増加することを見いだした.本研究では,ナノ結晶シリコン列における準弾道電子輸送に対する完全3次元理論を構築し,準弾道輸送現象の解明を行うことを目的とする.従来の単純化した1次元モデルを,1.3次元空間における電子輸送,2.一般的な配列のナノ結晶シリコン列,3.インパクトイオン化散乱の取り込みという点において一般化する.この一般化により,準弾道輸送現象の物理的なメカニズムを解明すると同時に,ナノ結晶シリコンデバイス応用に向けて,電子放出の量子効率や放出電子の角度分布など,デバイス設計に必要な物理量の理論値を得ることを目的とする.本年度は,結合ナノ結晶シリコン列のトンネル過程に関する3次元計算ならびにナノ結晶シリコンにおけるインパクトイオン化確率の計算を行った結合ナノ結晶シリコン列のトンネル過程の3次元計算に関しては,本年度,有効質量近似ハミルトニアンを実空間で離散化する手法により電子状態を計算するプログラムを完成させた.ハミルトニアン行列サイズが大きくなるため,FEAST(http://www.ecs.umass.edu/polizzi/feast)アルゴリズムを採用したナノ結晶シリコンにおけるインパクトイオン化に関しては,半経験的強結合近似法を用いて得られた電子状態から,インパクトイオン化の確率を計算するプログラムを完成させた.ナノ結晶シリコンにおいては,運動量保存則に関する制約が解けること,ならびに,キャリア間距離が短くなるため遮蔽が弱まる効果により,バルクシリコンと比べて,立ち上がりが急峻かつ高いインパクトイオン化確率を示すことが分かった本研究では,ナノ結晶シリコン列における準弾道電子輸送に対する完全3次元理論を構築し,準弾道輸送現象の解明を行うことを目的とする.従来の単純化した1次元モデルを,(1)3次元空間における電子輸送,(2)一般的な配列のナノ結晶シリコン列,(3)インパクトイオン化散乱の取り込みという点において一般化する.この一般化により,準弾道輸送現象の物理的なメカニズムを解明すると同時に,ナノ結晶シリコンデバイス応用に向けて,電子放出の量子効率や放出電子の角度分布など,デバイス設計に必要な物理量の理論値を得ることを目的とする.本年度は,(2)および(3)に関して,一様歪みのある系および原子配置乱れのある系におけるインパクトイオン化確率の計算を行った,一様圧縮歪みの場合,ナノ結晶シリコンの禁止帯が狭くなると同時に,高エネルギーにおける状態密度が低下することが分かった.前者はしきい値を低下させることによりインパクトイオン化確率を増加させる.一方,後者はインパクトイオン化確率を減少させる.モンテカルロシミュレーションの結果,しきい値低下の効果が勝り,圧縮歪みにより,雪崩増倍が増加することが分かった.さらに,実際のナノ結晶シリコンを模擬するため,分子動力学に基づく熱酸化シミュレーションを用いて,乱れたナノ結晶シリコンモデルを構築し,インパクトイオン化確率の計算を行った.熱酸化シミュレーションにより得られた原子配置モデルでは,平均的には引っ張り歪みとなることが分かった.しかし,一様歪みの場合とは異なり,乱れの影響のため,バンド端付近・禁止帯内に状態が生じ,結果的にインパクトイオン化のしきい値が低下することが分かった.本研究では,ナノ結晶シリコン列における準弾道電子輸送に対する完全3次元理論を構築し,準弾道輸送現象の解明を行うことを目的とする.従来の単純化した1次元モデルを,(1)3次元空間における電子輸送,(2)一般的な配列のナノ結晶シリコン列,(3)インパクトイオン化散乱の取り込みという点において一般化する.この一般化により,準弾道輸送現象の物理的なメカニズムを解明すると同時に,ナノ結晶シリコンデバイス応用に向けて,電子放出の量子効率や放出電子の角度分布など,デバイス設計に必要な物理量の理論値を得ることを目的とする.本年度は,前年度までに作成したプログラムを用いて,種々の条件の元でインパクトイオン化確率および雪崩増倍率の計算を行った.分子動力学法に基づく熱酸化シミュレーションを行い,乱れたナノシリコン結晶モデルを構築した.その結晶モデルを用いて,インパクトイオン化確率の計算を行い,その結果を詳細に解析した.その結果,原子配置乱れにより,バンド端付近において,縮退した準位の縮退が解けることがインパクトイオン化確率に大きな影響を及ぼすことを見いだした.さらに,電界強度およびデバイス厚さをパラメータとして,雪崩増倍率の計算を系統的に行い,高い雪崩増倍率を得るための条件を探索した.

その結果,高電界領域において,雪崩増倍率は電界のべき乗で増大し,デバイスの厚さが厚い領域において,雪崩増倍率はデバイス厚さに関して指数関数的に増大することが分かった.本研究で開発したプログラムでは,原子配置が自由に設定可能であり,本年度,新たに光吸収過程のモジュールを追加した.その結果,ナノ結晶シリコンデバイス設計に応用可能な形のプログラムが完成した.本研究では,(1)3次元空間における電子輸送,(2)一般的な配列のナノ結晶シリコン列,(3)インパクトイオン化散乱の取り込みという点において一般化することを目的としているが,(2)および(3)に関してはおおむね完了しており,(1)に関しても一部着手しているため.24年度が最終年度であるため、記入しない。平成24年度は,結合量子ドット系に関する3次元の波動方程式からトンネル時間の運動エネルギー依存性を算出する.そこで得られた結果と,平成23年度までに得られたインパクトイオン化確率および乱れの効果を取り込んだ計算を行うことにより,電子放出の量子効率や放出電子の角度分布(放出電子の角度分布の計算にも波動関数が必要である)などデバイス設計に必要な物理量を算出すると同時に,ナノ結晶シリコン列における準弾道輸送現象の本質を明らかにする.24年度が最終年度であるため、記入しない。