hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
電解析出法による高強度ナノ結晶合金の開発とその塑性変形挙動

電解析出法により高強度・高靭性を有するNi-Wナノ結晶合金の作製が可能であることを示した。Ni-Wナノ結晶合金は明瞭な延性-脆性遷移温度(DBTT)を有しており、DBTTが室温以下の条件で、応力と加熱を加えると熱可塑性を生じて、これら材料の高強度・高靱性を維持したままで精密な成形加工ができることを示した。一方、ナノ結晶合金は、加工硬化性を示さず、引張変形を加えると変形が局所的に生じて、僅かな伸びで破断する欠点を有する。本年度は、これらナノ結晶合金に大きな塑性変形能を付与させることを目的として、ナノ結晶組織中に電解析出法とフォトリソグラフィーによるマイクロ成形加工技術とを組み合わせて,微細な穴を意図的に配置することにより塑性変形開始点を分散させた組織を作製し,引張強度を測定した.引張試験には歪ゲージを使用し,試験後は顕微鏡を用いた表面観察を行った.ナノ結晶Ni-W電析合金は,明瞭な延性-脆性遷移温度(DBTT)を有し,180°C以下の加熱処理においてDBTTは室温以下で飽和した.この時,本材料は脆化することなく熱可塑性を示し,成形加工を行うことが可能であった.また,本合金は熱処理中に収縮挙動を示し,これは結晶粒成長に伴う粒界体積率の減少によるものと考えられた.さらに,ナノ結晶Ni-16 at.%W合金中に,直径0.02および0.03mmの微小な穴もしくは高分子レジストを0.10mmの間隔で緻密に配列させた混合組織を作製し,引張試験を行った.その結果、緻密な穴を配列させることにより,引張破断強度は穴のない試料での1700MPaに比べて2200MPaまで上昇し、極めて高い引張破断強度を示した。さらに、破断歪量も1.0%から1.2%へと増加した.穴のないNi-W合金のみの試料では引張変形時の塑性変形が局所的に限定して生じたが,合金中に微細な穴を並べた試料においては,穴の周辺にいくつものすべり線が観察されたことから試験片全体に局所降伏が生じ、塑性変形が分散されたために,高強度を示したものと考えた.電解析出法により高強度・高靭性を有するNi-Wナノ結晶合金の作製が可能であることを示した。さらに、破断歪量も1.0%から1.2%へと増加した.穴のないNi-W合金のみの試料では引張変形時の塑性変形が局所的に限定して生じたが,合金中に微細な穴を並べた試料においては,穴の周辺にいくつものすべり線が観察されたことから試験片全体に局所降伏が生じ、塑性変形が分散されたために,高強度を示したものと考えた.電解析出法は電析基板を予め目的の形状にしておけば、材料の創製と成形を同時に実現できる優れたプロセスと言える。しかしながら,電解析出法により作製された硬質合金の多くは非常に脆く,その応用は大きく制限されている.著者らはこれまでに,高強度・高靭性を有するアモルファス及びナノ結晶Ni-W合金が電解析出法により作製できることを示し,これら合金の強度・靭性は結晶粒子サイズに強く依存して変化することを示した.また,これら合金の機械的性質は,電析時に合金中に混入する水素及び酸素等の微量不純物元素にも大きく影響されると考えられる.本研究では,電析条件及び電解浴中の溶存酸素濃度等を制御することにより,電析合金の強度・靭性に及ぼす組織及び不純物元素等の影響について検討した.本研究に用いた電解浴は,硫酸ニッケル,タングステン酸ナトリウム,クエン酸3ナトリウム(Na_3-Cit.)を主成分としたものを用いた.

電析Ni-W合金の機械的性質は硬度,曲げ破断歪及び引張破断強度の測定により検討した.電解浴中の溶存酸素は電解浴をArガスでバブリング処理することによって除去し,溶存酸素メータ(堀場製作所OM-14)を用いて残留溶存酸素量を測定した.電析Ni-W合金のW含有量,組織及び機械的性質は,電解浴中のNa_3-Cit.添加量と浴温度に大きく影響された。Na_3-Cit.=0.14mol/Lの場合,電析中に合金に混入する水素及び酸素量は浴温度50°Cのとき最小となり,完全密着曲げ状態でも塑性変形を生じて破断しない高強度・高靭性のNi-12.3at.%Wが得られた.TEM観察から約5nmの結晶粒径を有するナノ結晶組織が観察され,最大引張破断強度は1400MPaに逮した.予め電解浴中の溶存酸素量をアルゴンガスのバブリング処理により低下させても,合金中に混入する水素および酸素量は同様の結果を示した.このような最適電析温度はNa3-Cit.添加量の増加とともに上昇した.高強度・高靭性を示したNi-12.3at.%W及びNi-20.7at.%Wナノ結晶合金について,結晶粒径が10nm以上になると両合金とも激しい脆化状態を示した.硬質のナノ結晶粒子がfcc状に最密に充填したナノ構造モデルを考え,塑性変形は最密にナノ粒子が充填した粒界面に沿って生じると仮定し,塑性変形を容易に生ずる臨界結晶粒径について考察した.著者らは,これまでに高強度・高靭性を有するナノ結晶Ni-W合金が電解析出法により作製できることを示してきた.しかしながら,本合金は電析時の引張り残留応力が大きく,マイクロ部品への応用は困難とされている.本研究では,電着時の引張り残留応力の低減化条件と電析合金の組織との関係を検討した.また,本合金を用いて電解析出法によるマイクロ金属構造体の作製を試みた.本研究で使用したNi-W電解浴は,硫酸ニッケル,タングステン酸ナトリウムを用い,錯化剤としてくえん酸三ナトリウム二および硫酸アンモニウムを成分とし,電解浴温度は30°Cから80°Cの範囲で,電解電流密度は0.02から0.2A/cm^2の範囲で変化させた.またpH値は約7.3とした.残留応力の測定は基板(銅,ベリリウム銅)の片面のみに電析し,そのときの基板の湾曲歪量より求めた.本研究では電析時の残留応力に及ぼす電解浴温度,電解電流密度の影響について検討した.浴温度の変化に伴い,電析合金中に含まれる酸素及び水素の含有量が変化し,それらの値が最小となった浴温で作製したものに高靭性が認められた.この条件において,電流密度が0.03A/cm^2では10MPa/μmを超える高い残留応力を示したが,0.040.06A/cm^2で平均結晶粒径は48nmであり,高い靭性を有するNi-W合金が得られ,電着時の残留応力も24MPa/μmと大きく低下した.電流密度が0.07A/cm^2以上になると再び残留応力の増加が見られ,結晶粒サイズの増加する傾向が見られた.サッカリン添加の効果により最小残留応力は約2MPa/μm以下に低下し,本条件において幅30μm,長さ200μmのサイズのレジストパターン間への電析が可能であることを確認した.電解析出法により作製したNi-Wナノ結晶合金を、その優れた機械的特性を失うことなく精密に成形加工する方法を検討した。Ni-Wナノ結晶合金は、常温ではHV600以上の硬質・難加工性材料である。熱機械試験機を用いて、1kg/mm_2の引張荷重を加えた状態で、加熱速度10°C/min.で昇温させながら、試料の伸び歪み量を測定した結果、480°C以上の高温度側で、軟化による大きな伸びが観察され、わずかな引張応力で大きな変形が引き起こされることが明らかとなった。
構造認識標的化プローブを用いた腫瘍新生血管傷害療法の確立

本研究は、腫瘍新生血管を標的とした効率的で副作用の少ないDDS製剤を開発することを目的としてスタートした。これまでに腫瘍新生血管に対する特異的プローブを開発し、効率的ながん治療法(腫瘍新生血管傷害療法)を提唱した。本研究ではよりよいプローブの開発のため、腫瘍血管新生標的分子を蛍光標識二次元ディファレンスゲル電気泳動(DIGE)およびTOF-MSにより探索した。ヒト臍帯内皮細胞をVEGFおよび腫瘍培養上清により刺激し、未刺激と比較検討した結果、36個のタンパク質の同定に成功した。同定したタンパク質の中にはミトコンドリア電子伝達系に関連する分子群、解糖系・ペントースリン酸回路に関連する分子、抗酸化ストレス分子、細胞骨格調節分子等があった。すでにVEGFとの関連が報告されているものもあったが、機能不明のタンパク質も存在した。次に細胞質と膜画分に分画して、プロテオーム解析を行った。膜タンパク質のプロテオーム解析の結果、76のタンパク質において発現量に差があることが確認された。特にこれまで、がん化により膜画分への移行が知られていたが、機能が明確でなかったタンパク質で大きな発現変動が見られたものを見いだしたため、その局在化の変動などについて解析した。さらに詳細な解析を進めている。また腫瘍新生血管傷害療法の改良と機構解明を目的に新生血管内皮細胞に高い発現を示す膜型マトリックスメタロプロテアーゼMT1-MMPに対する抗体を修飾したイムノリポソームに抗がん剤を内封し、培養細胞に対する殺細胞効果および担がんマウスに対する治療効果の検討を行った。その結果、ヒト繊維芽肉腫細胞およびヒト臍帯静脈内皮細胞に対する高い細胞増殖抑制効果を見いだした。しかしながら抗体を用いた場合にはマウスに対する抗体の交差性が問題となることも明らかとなった。本研究は、近年急速に発展してきたタンパク質工学を用いて腫瘍新生血管を標的とした効率的で副作用の少ないDDS製剤を開発することを目的にスタートした。申請者らは標的化効率の高い腫瘍新生血管を標的とするvascular targetingを行うために、ランダムなアミノ酸配列を発現するファージディスプレイペプチドライブラリーを用いて、腫瘍新生血管に対する特異的ペプチドを選別し、腫瘍新生血管を標的とするプローブの開発に成功した。この方法によりがん自体の標的化よりも効率的に腫瘍増殖を抑制することも明らかとなった。さらに腫瘍血管新生抑制活性を有するペプチドの単離にも成功した。これらの事実を踏まえ、本研究では、まず腫瘍血管新生標的ペプチドおよび腫瘍血管新生抑制ペプチドの標的分子を蛍光標識二次元ディファレンスゲル電気泳動(DIGE)およびTOF-MSにより解析した。新生血管に特異的に発現上昇するペプチドを決定するに到ったが、現時点では候補となる標的分子の同定には到っていない。また、申請者らはファージディスプレイペプチドライブラリーを用いた別のスクリーニング系により、がん細胞の浸潤活性を抑制する可能性のあるペプチドを見いだし、同様に腫瘍新生血管傷害療法に応用できることを見いだした(Int.J.Cancer 2004)。さらに、腫瘍新生血管傷害療法のさらなる改良を目指して、ペプチドプローブ修飾リポソームをPEG化し、長期血中滞留性DDS製剤の開発を行うことにも成功した(Bioorg.Med.Chem.Lett2004)。一方、申請者らは副作用の少ないがん光線力学的療法に腫瘍新生血管傷害プログラムを導入することで、効率的ながん治療が可能となることを見いだしている。この光線力学療法に先のペプチドプローブを応用することで、より効率的ながん光線力学的療法が可能であることを見いだした(投稿準備中)。さらに光線力学療法においてもPEG化リポソームの有用性を見いだした(投稿準備中)。本研究は、腫瘍新生血管を標的とした効率的で副作用の少ないDDS製剤を開発することを目的としている。

これまでに腫瘍新生血管に対する特異的プローブ(Ala-Pro-Arg-Pro-Gly)を開発し、効率的ながん治療法(腫瘍新生血管傷害療法)の提唱に到った。本研究ではまず腫瘍血管新生標的ペプチドの標的分子を蛍光標識二次元ディファレンスゲル電気泳動(DIGE)およびTOF-MSにより解析し標的分子を探索し、新規分子標的および新規DDSプローブの開発を目指した。ヒト臍帯内皮細胞をVEGFおよび腫瘍培養上清(Conditioned Medium)により刺激し、未刺激と比較検討した結果、数十種のタンパク質の発現変動を見いだした,この中には新規のタンパク質も含まれており、現在更なる解析を進めている。また腫瘍新生血管傷害療法の改良と機構解明を目的に検討を行った。腫瘍新生血管に特異的に結合するAPRPGで修飾したリポソームに長期血中滞留性を付与するために、APRPGのPEG化脂質を合成した。体内動態の解析から、APRPG-PEG修飾リポソームはがん組織により多く集積することが明らかとなった。担がんマウスに蛍光標識リポソームを投与し、リポソームの腫瘍内分布を解析した結果、PEG修飾リポソームは血管外に漏出し集積するのみであったのに対し、APRPG-PEG修飾リポソームは血管内皮細胞に集積した。さらに抗がん剤アドリアマイシンを内封したリポソームにより抗腫瘍効果についての検討を行った結果、APRPG-PEG修飾ADMリポソーム投与群では顕著に腫瘍増殖を抑制し、体重減少を指標とした副作用もみられなかった。以上の結果から、腫瘍新生血管を標的とするがん治療が有効であり、APRPG-PEG修飾リポソームは腫瘍新生血管傷害療法のDDSキャリアとして有用であることが示された。本研究は、腫瘍新生血管を標的とした効率的で副作用の少ないDDS製剤を開発することを目的としてスタートした。これまでに腫瘍新生血管に対する特異的プローブを開発し、効率的ながん治療法(腫瘍新生血管傷害療法)を提唱した。本研究ではよりよいプローブの開発のため、腫瘍血管新生標的分子を蛍光標識二次元ディファレンスゲル電気泳動(DIGE)およびTOF-MSにより探索した。ヒト臍帯内皮細胞をVEGFおよび腫瘍培養上清により刺激し、未刺激と比較検討した結果、36個のタンパク質の同定に成功した。同定したタンパク質の中にはミトコンドリア電子伝達系に関連する分子群、解糖系・ペントースリン酸回路に関連する分子、抗酸化ストレス分子、細胞骨格調節分子等があった。すでにVEGFとの関連が報告されているものもあったが、機能不明のタンパク質も存在した。次に細胞質と膜画分に分画して、プロテオーム解析を行った。膜タンパク質のプロテオーム解析の結果、76のタンパク質において発現量に差があることが確認された。特にこれまで、がん化により膜画分への移行が知られていたが、機能が明確でなかったタンパク質で大きな発現変動が見られたものを見いだしたため、その局在化の変動などについて解析した。
B前駆細胞性白血病におけるLMO2過剰発現の機序と意義に対する検討

MLL陽性ALL株ではLMO2の蛋白発現が比較的低いにもかかわらずLMO2およびhHEXの遺伝子発現が高い傾向がみられた。さらにLMO2、hHEXともに発現が高い細胞株にLMO2のsiRNAを導入すると、hHEXの遺伝子発現が抑制された。以上からMLL陽性ALLを除く17;19転座型ALLなどのB前駆細胞型ALLでは、LMO2の過剰発現がhHEXの発現を誘導し白血病の発症に関与している可能性が示唆された。平成23年度に行ったB前駆細胞型ALL細胞株におけるhHEXの遺伝子発現の解析では、LMO2とhHEXに強い相関関係を認めた。そこでhHEXの蛋白発現をWestern blotting法で半定量化して比較した。17;19転座型ALL株では高い発現を認めたのに対して、MLL陽性株では、約半数の株で比較的低レベルにとどまり、MLL陽性株ではhHEX遺伝子の発現は高くてもhHEX蛋白の発現が低い株が多く、MLL陽性株を除くとhHEX遺伝子とhHEX蛋白の発現が相関する傾向が認められた。MLL陽性株ではLMO2の蛋白発現が低いにもかかわらずhHEX遺伝子の発現は高い傾向があり、MLL陽性株を除くと強い相関関係が認められた。特に、17;19転座型ALL株では、LMO2蛋白とhHEX遺伝子が共に高いレベルを示した。以上からMLL陽性ALLを除くB前駆細胞型ALLでは、LMO2の過剰発現がhHEXの発現に関与している可能性が示唆される一方で、MLL陽性ALLにおけるhHEX遺伝子の発現にはLMO2以外の因子が深く関与している可能性が示唆された。そこで、LMO2の過剰発現のhHEXの発現への関与について検証するため、LMO2とhHEXが遺伝子および蛋白レベルともに高発現されているPh1陽性ALL細胞株KOPN72bi株を用いてLMO2のshRNAを導入し、LMO2とhHEXの遺伝子および蛋白の発現を解析した。LMO2のshRNA導入により遺伝子発現はコントロールの30-20%に抑制された。これに伴いLMO2の蛋白発現はコントロールと比較して10%以下に、hHEX遺伝子の発現も40-20%に抑制されていた。以上の結果から、MLL陽性ALLを除くB前駆細胞型ALLにおけるLMO2の過剰発現は、hHEX遺伝子の発現を誘導し、白血病細胞の生存と未熟性の維持に関与している可能性が示唆される。LMO2はT細胞や赤芽球の初期分化に必須の転写因子で、LMO2遺伝子の過剰発現によりT-ALLを発症することが知られている。一方でLMO2のB細胞への関与については今までに検討されてこなかったが、我々は予後不良である17;19転座型ALLにおいて、転座により形成されるE2A-HLF融合遺伝子がLMO2の過剰発現を誘導して白血病の発症へと至らしめる可能性を見出した。この解析のなかではLMO2がB細胞の初期分化に関与しており、その発現制御の異常がB細胞分化を障害して白血病の発症につながる可能性が強く示唆されている。さらに、予後不良である11q23転座型ALLでも高頻度でLMO2が高発現しており、LMO2の発現が予後に関与している可能性が示唆される。そこで本研究では、B細胞の正常分化の過程とその破綻による白血病の発症におけるLMO2の意義をさらに明らかにして、B前駆細胞型ALLの新たな治療戦略の糸口を得ることを目的とした。McCormackらの報告によると、T-ALL患者の検体を用いたマイクロアレイ解析でLMO2が過剰発現することでLyl1、Hhex、Kit、Nfe2といった遺伝子の発現が誘導されており、このうちHhexを過剰発現させると胸腺細胞が長期間生存することから、HhexがT細胞の自己複製に関わっていることが証明された(Science. 2010)。このことはHhexがLMO2の下流遺伝子として働き、白血病細胞の生存にかかわっている可能性を示唆する。そこで、平成23年度はB細胞性白血病におけるLMO2とHhexとの関連について解析を進めた。まず、B細胞性白血病細胞株における、LMO2およびHhexの遺伝子・蛋白発現について解析し、つぎにLMO2のsiRNAを導入した細胞株でのLMO2およびHhexの発現の変化について解析した。まず、B前駆細胞型ALL細胞株28株について、Hhexの遺伝子発現をreal-timePCR法で解析し、LMO2遺伝子発現との相関を調べた。LMO2が高発現している17;19転座のみならず、予後不良な11q23転座型ALLでもLMO2、Hhexともに高発現している細胞株が複数株みられた。そこでHhexの蛋白発現について解析したところ、11q23転座型ALL細胞株では遺伝子発現は高いにもかかわらず蛋白発現が認められず、蛋白発現に他の要因が関わっている可能性が考えられた。

そこで、LMO2、Hhexともに遺伝子発現が高い細胞株でLMO2のsiRNAをエレクトロポレーション法で導入してLMO2をノックダウンし、Hhex発現の変化や細胞死が誘導される、あるいは細胞周期が停止するといった細胞の生存にかかわる変化が見られるのか現在解析を進めている。リンパ球系の細胞株は以前からsiRNAの導入が難しいことが知られているが、AppliedBiosystem社のNeon transfection sytemを用いたエレクトロポレ-ションで、さらに複数のsiRNAを混合して導入することでLMO2の発現を約4割程度に抑えることに成功している。LMO2の発現と関連するB細胞分化の事象を明らかにすることを目的として、現在の解析を続けると共に以下の項目について検討する。(1)LMO2発現による白血病形質の違いの検討:B前駆細胞型ALL細胞株28株を、LMO2の発現レベルで高発現群、中間発現群、低発現群に分けて、細胞表面抗原発現、B細胞分化に関わる転写因子群や造血因子受容体の遺伝子発現レベル、遺伝子発現プロファイリングについて比較を行う。(2)LMO2の標的遺伝子の同定とその解析:LMO2がB細胞分化において制御している転写機構を明らかにするために、LMO2を高発現している17;19転座型ALL細胞株において、抗LMO2抗体によって全ゲノムクロマチン免疫沈降シーケンス(ChIP-Seq)を行い、LMO2を含む転写複合体が結合しているDNAの塩基配列をリスト・アップする。(3)ALLでのLMO2遺伝子発現における近位および遠位プロモーターの活性の検討:LMO2は近位および遠位の2つのプロモーターによって制御されているが、B前駆細胞型ALLで近位および遠位プロモーターのバランスが細胞株ごとに異なることから、近位および遠位プロモーターのルシフェラーゼ・アッセイによってプロモーター活性と遺伝子発現レベルとの相関を明らかにする。さらに、主な転写因子の結合配列に変異を導入してルシフェラーゼ・アッセイを行い、それぞれのプロモーター活性に必須の領域を明らかにする。(1)LMO2発現による白血病形質の違いの検討:B細胞分化に関わる転写因子群や造血因子受容体の遺伝子発現レベルについては、real-time PCR法で解析する。候補となる遺伝子のTaqManや解析に使用するマスターミックスなどの試薬の費用にあてる。(2)LMO2の標的遺伝子の同定とその解析:LMO2の全ゲノムクロマチン免疫沈降シーケンス(ChIP-Seq)は、クロマチン免疫沈降を当研究室で行い、シーケンスについては広島大学原医研の稲葉教授の研究室で共同研究という形で行っていただく予定である。免疫沈降に必要な試薬の購入費用にあてる。(3)ALLでのLMO2遺伝子発現における近位および遠位プロモーターの活性の検討:近位および遠位プロモーターのプロモーター活性と遺伝子発現レベルとの相関を明らかにするためルシフェラーゼ・アッセイを行う。さらに、主な転写因子の結合配列に変異を導入してそれぞれのプロモーター活性に必須の領域を明らかにする。ルシフェラーゼ・アッセイ解析はすでに当科でルーチンに行われており、コンストラクト作成の手技等も習得済みである。解析キットの購入費用にあてる。以上のように研究費は解析用の試薬などの消耗品に使用する予定である。なお、今年度の残金については、実施内容に区切りがついたため、次年度の消耗品の購入にあてる。
自己集積型ヘムタンパク質超分子構造体構築への新しい取り組み

生体内に広く存在するヘムタンパク質は補欠分子ヘムがタンパク質マトリクスに結合した構造である。本研究では、ヘム分子を人工的にヘムタンパク質表面に共有結合で修飾することにより、ヘムとヘムタンパク質が分子間で連続的につながった自己集積型ポリマーを形成することを見いだし、その1次元3次元超分子構造体の構築を行った。さらに、バイオナノマテリアルを指向した金表面へのヘムタンパク質の高次積層手法を確立した。これまで、多くのSupramolecular polymerの構築が報告され、適した分子設計によって、一定の秩序を有した超分子集合体の形成を可能とすることが実証された。しかしこれまでは、ユニット(monomer)の分子量が1,000以下の小分子の積層によるモデル研究が主であり、生体系で組織化されたタンパク質や生体膜で見られるような超分子集合体のモデルとしては、まだ初歩的な段階といえる。次の段階としては、さらに巨大な集合系構築への挑戦や、得られたSupramolecular polymerの機能化への研究が必須となる。そこで、本申請者は、この課題を克服すべく、初年度はヘムタンパク質を素材とし、ヘムとタンパク質マトリクス(ヘムポケット)との非共有結合相互作用を利用した様々なタンパク質超分子集合体の創製を中心に研究を展開した。まず直鎖上のミオグロビンポリマーを合成した。このファイバー状のポリマーは、天然の単量体ミオグロビンと同程度の酸素親和性を有することが明らかとなった。さらに、このファイバーを過酸化水素で処理することにより、3次元のスポンジ状のクラスターを形成することも明らかとなった。一方、ヘムタンパク質のファイバーに対して、ヘム3量体を添加することにより、2次元メッシュ状のヘムタンパク質ポリマーが形成することも明らかとなり、そのモルフォロジーについては、AFM(原子間力顕微鏡)で詳細に観察することに成功した。一方、これら超分子ヘムタンパク質ポリマー形成に関する熱力学的挙動についても、綿密な考察を実施した。以上、初年度は、1次元から3次元状のヘムタンパク質超分子ポリマーの創製を実施し、様々な形状のタンパク質クラスターを得た。次年度は、さらなるユニークなポリマー形成と共に、その機能についての探索を行う予定である。本年度は、ナノバイオマテリアル創製に向けた、ヘムタンパク質(チトクロムb562変異体)と金界面のコンジュゲート作成を精力的に行った。まず、金ナノ粒子表面にヘムを結合させ、その溶液にアポヘムタンパク質(ヘムをヘムタンパク質から除いたタンパク質部分)を加え、ヘムタンパク質を金ナノ粒子表面に修飾した。さらに、ヘムタンパク質ダイマーのアポ体と、ヘムを表面に有する金ナノ粒子を共存させることにより、金ナノ粒子の集合体を得ることを電気泳動によって確認した。この集合体は、電子顕微鏡(S脳及びTEM)及び原子間力顕微鏡(AFM)にて観測を行い、金ナノ粒子が、規則正しくタンパク質を間に介して並ぶ構造をとっている。この金コロイド集合体については、今後、色々なデバイス(電子回路・触媒等)として応用可能と期待される。次に、金基板表面にヘムを修飾し、その基板上にヘムタンパク質を並べることを試みた。特に、ヘムをヘムタンパク質表面上に共有結合で結合したアポタンパク質を滴下することによって、金基板に56層のヘムタンパク質を積層することが可能となった。この積層状態は、QCM及び電気化学的測定から同定した。このヘムタンパク質修飾金基板を用いて、メチルビオロゲンをメディエーターとして添加した際に、光電変換を行った結果、高効率電流を獲得することに成功した。こちらの系に置いても、今後人工光合成系として、さらなる工夫を行う予定である。本年度は、まずミオグロビンポリマーをさらにクロスリンクさせて、巨大なタンパク質クラスターを作成することを実施した。具体的には、ミオグロビンポリマーに過酸化水素を添加することにより、3次元のタンパク質クラスターを得た。このクラスターも本来のミオグロビンの酸素保持能力を十分に要していることが明らかとなり、今後のバイオナノマテリアル創製に向けて、有意義なデータが得られた。次に、ミオグロビンとストレプトアビジンの超分子交互共重合体の合成を試みた。アビジンの補因子であるビオチン分子をヘムの末端に修飾し、そのヘムをミオグロビンアポ2量体(システインを表面に有するミオグロビン変異体のジスルフィド結合を介した2量体をアポ化したもの)に挿入した再構成タンパク質をまず調製し、その上でストレプトアビジンを添加することにより、ミオグロビン-アビジンが交互に並んだ超分子タンパク質ポリマーが得られた。この共重合体はAFM(原子間力顕微鏡)とQCM及びゲル排除クロマトグラフィーによって、確認した。このような、タンパク質の交互結合による自己組織化集合体形成を実施した例は、今までになく、今後のユニークな生体材料に応用可能と考えられる。さらに、昨年度に引き続き、ヘムタンパク質ポリマーを金基板あるいは金コロイドに修飾する手法を検討し、光電変換素子や金コロイドの自己組織化集合体形成を実施した。特に、タンパク質ポリマー集積金基板については、その表面をAFMで観測することに成功し、金基板表面のタンパク質ポリマーの構造が明らかとなった。また後者では、金属コロイドが非常に綺麗に空間的に並ぶことがTEM(電子顕微鏡)から明らかとなった。
日本人の低Ｗｅｌｌ－ｂｅｉｎｇ説明モデルの検証：自由選択の感覚と日本の社会環境

本研究では,日本人のWell-being (幸福感)が低い原因を見出すために,「日本人の低Well-being説明モデル」の検証に取り組んだ。29年度には,一部予定を変更して前年度実施調査を発展させた日米比較調査を行い,このモデルの検証を重ねた。日米の社会人各500人からデータを収集し,日本人のWell-beingが低い原因として,「日本社会における人間関係の固定化→人々の排除回避傾向の高さ→自由選択の感覚の低さ→Well-beingの低さ」というプロセスの存在が認められた。この調査の意義は,(1)前年度とは別の調査会社の回答者から得たデータに基づいても,(2)バックトランスレーション(逆翻訳)によって日米間の調査項目の等質性がより保証された上でも,(3)より精緻に測定した回答者の人格特性を統制しても,前年度調査での結果が再現され,仮説が支持された点にある。知見の再現可能性がより求められる現況を鑑みると,より質の高い研究として公表する準備が整ったと言えよう。2回の国際比較調査を通して,本邦では注目されてこなかった個人の自由及びそれに影響を与える日本の社会環境の観点から日本人のWell-beingの低さの原因を明らかにしたことには,意義があると考えている。現在,28年度と29年度の調査結果を中心とした国際誌への投稿論文を執筆中である。なお,28年度調査の結果は,米国における人格社会心理学会大会で報告した。29年度には,自由選択の感覚とWell-beingの関係を軸に,より複合的な検討を目指した関連研究も実施した。第一に,前年度末の調査の第二回目を実施し,「良好な対人関係をもつことと個人の自由」及び「規範の厳格さと個人の自由」の観点からWell-beingへの影響を検討し,それぞれの結果を日本社会心理学会大会と中国四国心理学会大会で報告した。29年度中に新規の論文が受理されることはなかったが,上記のように学会発表については予定以上に行うことができた。29年度が最終年度であるため、記入しない。本研究では,日本人のWell-being (幸福感)が他の先進諸国の人々に比べて低い原因を説明すべく,「日本人の低Well-being説明モデル」の検証と提案をめざしている。このモデルの全体像について検証することを平成28年度における主たる研究課題と定め,日米の社会人それぞれ400名に対してインターネット調査を実施した。分析の結果,(1)日本の社会環境における関係流動性の低さ(人間関係が固定化されていること)が日本人の心理傾向(高い排除回避傾向)を形成しており,(2)それが人々の自由選択の感覚(自由に生き方・行動を選択しているという感覚)を低減させ,(3)結果的に,日本人のWell-beingの低さがもたらされていることが明らかになった。これは当該モデルについての仮説を支持する結果である。本研究の主たる貢献は,日本人のWell-beingの低さをもたらす要因を初めて実証した点,および従来の研究とは異なり,日本における自由選択の感覚の重要性に着目し検討を行った点にある。上記の結果および実施済みの研究における知見(例:日本人にとっても自由選択の感覚は年代を問わずWell-beingの重要な規定因である)に基づき学位論文を執筆した。その記述を発展させた論文が次年度中に国際誌に受理されることを目指す。さらに,上記の内容についての関連研究を世界価値観調査データに基づいて行い,21世紀前後の30年間のいずれの年代においても自由選択の感覚の低さが日本人のWell-beingの低さに大きく寄与していることを明らかにした。この結果をもとに,研究紀要論文を執筆し,また,日本社会心理学会第57回大会で発表を行った。同データを用いて,国際的に自由選択の感覚がWell-beingにとって重要な規定因であることを示した関連研究も実施し,国際比較文化心理学会第23回大会で発表した。当初の計画通り,平成28年度には日米比較研究を実施し,「日本人の低Well-being説明モデル」の全体像である「日本の社会環境における関係流動性の低さ→人々の排除回避傾向の高さ→人々の自由選択の感覚の低さ→人々のWell-beingの低さ」というプロセスの存在を実証した。その知見を中心に据えて学位論文を執筆し,現在,その内容に基づいて領域を代表する国際誌への投稿論文を作成中である。また,並行して関連研究について研究紀要論文を執筆し(審査あり),国内学会および国際学会での発表も行った。さらには,平成29年度での主たる課題である経験抽出法を用いた検討(今後の研究の推進方策で詳述)のために,必須となるデータ収集システムの年間ライセンスを取得し,具体的な調査計画の立案とシステムへの習熟にも努めている。追加的に,課題に関連した縦断的調査の第一回目も実施している(日本の社会人400名に対するインターネット調査に基づく)。以上から,本研究課題は概ね順調に進展しているものと考える。

日米の社会人各500人からデータを収集し,日本人のWell-beingが低い原因として,「日本社会における人間関係の固定化→人々の排除回避傾向の高さ→自由選択の感覚の低さ→Well-beingの低さ」というプロセスの存在が認められた。この調査の意義は,(1)前年度とは別の調査会社の回答者から得たデータに基づいても,(2)バックトランスレーション(逆翻訳)によって日米間の調査項目の等質性がより保証された上でも,(3)より精緻に測定した回答者の人格特性を統制しても,前年度調査での結果が再現され,仮説が支持された点にある。知見の再現可能性がより求められる現況を鑑みると,より質の高い研究として公表する準備が整ったと言えよう。2回の国際比較調査を通して,本邦では注目されてこなかった個人の自由及びそれに影響を与える日本の社会環境の観点から日本人のWell-beingの低さの原因を明らかにしたことには,意義があると考えている。現在,28年度と29年度の調査結果を中心とした国際誌への投稿論文を執筆中である。なお,28年度調査の結果は,米国における人格社会心理学会大会で報告した。29年度には,自由選択の感覚とWell-beingの関係を軸に,より複合的な検討を目指した関連研究も実施した。第一に,前年度末の調査の第二回目を実施し,「良好な対人関係をもつことと個人の自由」及び「規範の厳格さと個人の自由」の観点からWell-beingへの影響を検討し,それぞれの結果を日本社会心理学会大会と中国四国心理学会大会で報告した。29年度中に新規の論文が受理されることはなかったが,上記のように学会発表については予定以上に行うことができた。「日本人の低Well-being説明モデル」の内部構造に当たる自由選択の感覚とWell-beingの関係について経験抽出法を用いて検討することを,平成29年度での主たる研究課題と考えている。このことによって,回答者の日常生活により即した方法を用いた上で自由選択の感覚とWell-beingの関係が再現されるかを検証する。この検証を通して,平成28年度に実施した研究の知見と統合してモデルの妥当性を示すことを目指す。また,平成28年度に実施した日米比較調査の結果に基づく英語論文を書き上げ,平成29年度中のなるべく早い段階で国際誌にアクセプトされることを目指す。研究課題の最終年度であることを意識し,当該モデルの総まとめができるように調査実施に取り組むとともに,成果を国際発信することを目指す。29年度が最終年度であるため、記入しない。
金属クラスターの包接合成と単分子伝導特性

浅い凹みをもつトレー型のAu(I)3核錯体は、[3×n]型のAu(I)イオンクラスターを構築するための土台となる。積層数nは、溶媒やAg(I)イオンの添加に従って一義的に定まった(n = 2-4)。かご状錯体内で構築した[3×n]型のAu(I)イオンクラスターは、Ag(I)イオンの挿入によって、電気伝導度が10倍変化した。π共役系分子のホモ集積体とヘテロ集積体の電気伝導度を明らかにした。ホモ集積体は高い電気伝導性を示したのに対して、ヘテロ集積体は整流特性を示した。整流方向は、かご状錯体内でのπ共役系分子の集積順序によって制御された。金属イオンクラスターの電気伝導特性を評価するためには、金属の数と配列が厳密に制御されたクラスターを合成する必要がある。これまでは、有機ピラー型かご状錯体の内部空間に金属錯体を集積して全体を覆うことで、三角柱状の金属イオンクラスターを合成してきた。本研究では、広い平面構造をもつAu(I)三核錯体を修飾し、溶液中での有限集積体を可能にすることで、金属イオンクラスターを精密合成することを目指している。平成25年度は、周囲に3-ピリジル基をもつAu(I)三核錯体を設計し、隣接する3-ピリジル基どうしをパラジウム錯体で連結することで、浅い底をもつトレー型分子を合成した。トレー型分子は、溶液中で、平面分子と安定な会合体を形成することを見出した。トレー型分子は、水-アセトニトリル混合液に溶解した。NMRスペクトルより、3箇所のPd連結部位が同じ側に向いた構造と1箇所が反転した構造が、65:35の比で存在した。この溶液にトリフェニレンを懸濁させ、50°Cで30分攪拌した後、余剰のトリフェニレンを濾別した。NMRとESI-MSの解析より、1:1会合体の形成を確認した。会合後、トレー型分子は3箇所のPd連結部位が同じ側に向いた構造に収束した。トレーの底にトリフェニレンが置かれていることは、類似のトレー型分子を用いて、X線結晶構造より確認した。トレーの浅い底が、分子認識に有効な疎水場を提供し、溶液中での安定な会合体形成を可能にした。得られた成果は、第24回基礎有機化学討論会等にて発表を行った。金属配列を自在に設計できれば、金属の種類や数、配置に応じた性質(電気伝導度特性など)の発現につながる。平成26年度は、浅い凹みをもつAu(I)三核錯体を足場として、三核錯体を積層することで、任意のAu(I)三次元配列を構築した。積層数(n)は、溶媒やAg(I)イオンの添加に応じて精密に調節できた(n = 2-4)。トレー型Au(I)三核錯体は、ピリジル部位がせり上がった構造をとり、この浅い凹みに平面分子を捕らえる。トレー型錯体の水-アセトニトリル(7:3)混合溶液に平面型のAu(I)三核錯体を懸濁させ加熱撹拌すると、ダブルデッカー型のAu3-Au3配列が収率93%で得られた。この構造はNMRとCSI-MSによって明らかにした。一方、水中では2分子のトレー型Au(I)三核錯体が、平面型のAu(I)三核錯体を上下から挟み、トリプルデッカー型のAu3-Au3-Au3配列を定量的に形成した。さらに水中、AgNO3存在下では、Au3-Au3-Ag-Au3-Au3配列を選択的に与えた。NMRとX線結晶構造解析により、Ag(I)イオンは電子豊富な平面型のAu(I)三核錯体の間に存在し、ダブルデッカー型のAu3-Au3配列同士をつないでいた。さらに、Au(I)イオンとAg(I)イオンは近接しており、両者の間に相互作用がはたらいていた。得られた成果は、第24回基礎有機化学討論会、第95日本化学会春季年会にて発表を行った。さらに、ドイツ化学会誌Angew. Chem. Int. Ed (2014) vol. 53, 11186-11189にて論文発表した。芳香族分子の集積体(πスタック)を介した電荷輸送は、有機電子デバイスにおいて重要な役割を担っている。平成27年度は、有機ピラー型かご状錯体を用いて構築される芳香環有限集積体に着目し、かご状錯体の内部に包接される芳香族分子の入れ替えとそれに応じた電子機能の発現を目指した。電子ドナー性ゲストとしてトリフェニレンを、電子アクセプター性ゲストとしてナフタレンジイミドを選択し、ドナー性ゲスト同士が集積したホモ集積体と、ドナー性ゲストとアクセプター性ゲストのペアからなるヘテロ集積体をそれぞれ合成した。集積体の熱力学的安定性は、ホモ集積体<ヘテロ集積体となった。集積体の単分子伝導度を測定すると、ホモ集積体は単一の伝導度ピークを示したのに対して、ヘテロ集積体は複数の伝導度ピークを示した。この結果は、ヘテロ集積体に特徴的なドナー/アクセプター性ゲストの積層順序に起因し、ヘテロ集積体は整流特性を有することが分かった。理論計算から、順バイアス方向はドナー→アクセプター方向であることが示された。

芳香族分子を内包していない空のかご状錯体では、伝導度は極めて小さかった。以上より、かご状錯体の中に入れる分子の組み合わせで、抵抗・導線・ダイオードを作り分けることに成功した。得られた成果は、アメリカ化学会誌J. Am. Chem. Soc. (2015)vol. 137, 5939-5947にて論文発表した。本成果は、「電子回路を組んだ後でも回路部品の機能を入れ替えられる素子を1つの分子で実現した」ことを意味し、日刊工業新聞(2015年6月22日号)にも掲載された。当研究課題の目玉の1つである有機ピラー型かご状錯体の電気伝導度測定を、電気伝導度の計測の専門家と理論計算の専門家との共同研究により行うことができ、論文として発表することができた。芳香族ヘテロ集積体の電気伝導度測定により整流特性を発現させることに成功したが、金属クラスターの電気伝導度測定までには至らなかった。総合的に判断すると、研究はおおむね順調に進展しているといえる。有機ピラー型かご状錯体の内部空間に、Au(I)3核錯体を1分子、2分子、3分子集積させたAuイオンクラスター(Au3, Au6, Au9)は、高い電気伝導性を示し、長距離電子輸送を可能にする。平成28年度は、Auイオンクラスター(Au6, Au9)にAg(I)イオンを挿入した際の電気伝導性を調べた。Au3-Ag-Au3, Au3-Ag-Au3-Ag-Au3ヘテロイオンクラスターの電気伝導性は、元になるAuイオンクラスターと比べて約1/10に減少した。Auクラスターの高い電気伝導性は、Au(I)3核錯体どうしに働く多点でのAu(I)-Au(I)相互作用に起因することが立証された。本成果は、Chem. Lett. (2016)vol. 45, 764-767にて論文発表した。有機ピラー型かご状錯体内で、電子ドナー性のAu(I)3核錯体と、電子アクセプター性のM(I)3核錯体(M = Ag, Cu)をペア包接させることにより、Au3-M3ヘテロイオンクラスターの合成に取り組んだ。ドナーとアクセプターからなるヘテロ集積体はホモ集積体よりも安定である。実際、電子アクセプター性のゲストとして有機分子であるナフタレンジイミドを用いた場合には、Au(I)3核錯体とナフタレンジイミドとのペア集積体を形成した。しかし、Au3-Au3イオンクラスターに対してCu(I)3核クラスターを過剰量加えてもゲスト交換は起こらず、Au3-Cu3クラスターは得られなかった(Au3-Au3イオンクラスターの構造は維持された)。一方、Ag(I)3核クラスターを過剰量加えた場合には、Ag(I)3核クラスターが分解し、遊離したAg(I)イオンがAu3-Au3イオンクラスターに挿入され、Au3-Ag-Au3ヘテロイオンクラスターを定量的に形成した。浅い凹みをもつトレー型のAu(I)3核錯体は、[3×n]型のAu(I)イオンクラスターを構築するための土台となる。積層数nは、溶媒やAg(I)イオンの添加に従って一義的に定まった(n = 2-4)。かご状錯体内で構築した[3×n]型のAu(I)イオンクラスターは、Ag(I)イオンの挿入によって、電気伝導度が10倍変化した。π共役系分子のホモ集積体とヘテロ集積体の電気伝導度を明らかにした。ホモ集積体は高い電気伝導性を示したのに対して、ヘテロ集積体は整流特性を示した。整流方向は、かご状錯体内でのπ共役系分子の集積順序によって制御された。
日本人の非伝統的海外留学の拡大とそのメカニズム解明

近年、日本では「長期海外留学の減少」と「大学生の短・中期海外留学の増加」(約6割が1ヶ月未満の滞在)が顕著になっている。更に、英語先進国(伝統的留学先国)以外に、ASEAN、アフリカ、中南米、南アジアといった非伝統的留学先国への留学が拡大している。つまり、日本からの海外留学に変容(短期化/多様化/プログラム化/大衆化)が見られる。この変容において「政府」、「大学」、「大学生」の相互・因果関係を明確に指摘できていない。結果、教育政策の運用や効果等の議論に精度を欠く状態である。本研究では、大学を対象として、非伝統的海外留学プログラムの動態(設計/取組/課題等)を解明し、政策提言に用いる。
参加型調査によるセルフアドボカシー促進要因の解明に関する研究

本研究では、知的障害当事者の参加による参加型アクションリサーチの実施を通して、セルフアドボカシーを当事者主体で進めるために必要となる条件、受けるべき支援の性質、展開の手順や留意点、活動において考慮されるべき点を明確にし、そのことを踏まえて知的障害当事者主体によるあるべきセルフアドボカシーの展開方法について、知的障害当事者とともに検討を図ったうえでその知見の普及を図ることとした。そしてその際に、調査を通してセルフアドボカシーを当事者主体で進めるための要素を明らかにすることとした。それらのことを踏まえた上で、平成30年度の研究の成果として、前年度に引き続きセルフアドボカシーグループの代表者2名に調査者として研究に参加してもらい、6月17日から9月27日にかけて広島県、富山県、大阪府、福岡県の4か所において24名のセルフアドボカシーのリーダーに対してインタビュー調査を実施した。なお、インタビュー内容については調査対象者の許可を得た上でICレコーダーで録音し、録音データについてはテープ起こしを行い内容の整理を行った。その結果、セルフアドボカシーグループのリーダーから、会に入ったきっかけ、会で行っていること、会の実施場所、会における役割、会の活動費、支援者の見つけ方、支援者がいてよかったこと、支援者がいて悪かったこと、会において楽しかったこと、会において困ったことに関して様々な意見を聞くことができた。これらの研究の成果と昨年度の研究の成果により、セルフアドボカシーを当事者主体で進めるために必要となる条件、受けるべき支援の性質、展開の手順や留意点、活動において考慮すべきことが明確になり、その結果を冊子化して配布することを通してその知見の普及を図ることができた。本研究では、知的障害当事者の参加による参加型アクションリサーチの実施を通して、セルフアドボカシーを当事者主体で進めるために必要となる条件、受けるべき支援の性質、展開の手順や留意点、活動において考慮されるべき点を明確にし、そのことを踏まえて知的障害当事者主体によるあるべきセルフアドボカシーの展開方法について知的障害当事者とともに検討を図ったうえでその知見の普及を図ることとした。それらのことを踏まえた上で、平成29年度の研究の成果として、まず、セルフアドボカシーグループの代表者2名に研究協力者として研究に参加してもらい、調査対象地域及び調査項目についての検討を行った。その結果、北海道、青森、福島、茨城(2か所)、埼玉、神奈川、徳島の計8か所において調査を行うこととなった。また、調査項目について、上述の2名に原案を出してもらい、それを踏まえた協議の結果10項目からなる調査項目が定められた。その上で、セルフアドボカシーグループのとりまとめ組織に研究実施についての了解をいただき、研究倫理審査を踏まえた上で9月23日から2月11日にかけて上述の8か所において52名のセルフアドボカシーのリーダーに対してインタビュー調査を実施した。なお、インタビュー内容については調査対象者の許可を得た上でICレコーダーで録音し、録音データについてはテープ起こしを行い、内容の整理を行った。その結果、セルフアドボカシーグループのリーダーから、会に入ったきっかけ、会で行っていること、会の実施場所、会における役割、会の活動費、支援者の見つけ方、支援者がいてよかったこと、支援者がいて悪かったこと、会において楽しかったこと、会において困ったことに関しての意見が述べられていることがわかった。当初、全国8地域において調査を実施する予定であったが、その半分の4地域での実施にとどまった。しかし、その代わりに4地域の中の8か所で52名分のインタビューデータをえることができた。その点については当初の予想を上回る成果を挙げられたと考える。今後は残り4地域についても調査を実施し、さらなるデータの収集を図りたい。調査対象地域である8地域のうち調査未実施の4地域について調査を実施する。

その上で、前年度の調査結果とあわせてデータの整理を行い、調査対象者等調査関係者を招集して調査結果に対する意見を募り、適宜内容の見直しを図った上で調査結果を冊子にまとめ、全国のセルフアドボカシーグループに配布することとする。調査のスケジュール調整の関係で次年度送りになった調査対象地域があるため、その際に必要となる旅費等が次年度送りとなった。
高温・高速・高感度動作を実現する単一光子検出器に関する研究

量子暗号通信のキーデバイスである単一光子検出器として、高温超伝導体でナノワイヤーを実現するための要素技術についての研究を行った。高温超伝導材料にはYBa_2Cu_3O_y(YBCO)を用いて実験を行い、Pt/Auのキャップ層を持つYBCO膜で、250回折り返された、全長約25mm、幅200nmのメアンダ型ナノワイヤーを100×100μm四方の領域に形成できることを示した。また、YBCOエッチング時に試料ステージを液体窒素冷却することにより、プラズマ衝撃による劣化の影響を抑制し、幅200nm、長さ1μmのワイヤーで超伝導電流を確認した。さらに、YBCOと単結晶基板のヘテロ界面近傍における格子不整合について検討し、20nmの膜厚でも80K以上の臨界温度(T_c)を持つYBCO膜の作製に成功した。一方、8010nmの範囲で膜厚とT_cの関係を調べ、実効的に膜厚10nm以下の特性を有する高温超伝導ナノワイヤー実現の可能性を示し、その方法について述べた。高温超伝導(HTS)ナノワイヤを単一光子検出器として用いるためには、「十分薄い」、「十分細い」、「十分長い」、「十分な超伝導特性を持つ」ナノワイヤの作製法を確立しなければならない。この実現に向けて、技術的には「HTS薄膜の極薄膜作製法」と「ダメージフリーHTSナノ加工法」を確立することが必要である。H21度当初は、まず、再現性よくHTS薄膜(YBa_2Cu_3Oy:YBCO)を得るための最適条件の検討を行った。スパッタリング法を用い、MgO単結晶基板上に、100nm程度の膜厚で、完全c軸配向し、超伝導転移温度85K以上を示し、十分平滑な膜表面を有する成膜条件を得ることができた。次に、これを極薄化しても良好な超伝導特性を維持するためには、薄膜の成長開始直後のエピタキシーが重要であると考え、YBCOと、より格子整合のよいSrTiO_3およびNdGaO_3単結晶基板への成膜の検討も開始した。これと並行して、「広い面積で均一に細密メアンダ構造を実現する加工方法」を検討するため、電子ビーム描画条件の最適化を行い、100nm程度のラインアンドスペースを持ったメアンダパターンの作製が可能であることを確認した。さらに、数100μm□内に細密メアンダラインを折り込む場合に、超伝導特性の基板面内依存性を実測により評価できるよう、一定の周期で電極を挿入するパターンレイアウトの検討を行った。一方、ダメージフリーナノ加工プロセスに関しては、良好な超伝導特性を示すことにおいて、十分な再現性が得られておらず、プラズマエッチング時の冷却システムが十分機能していないことが明らかとなった。H22年度は、早急にこれを改善する必要がある。また、プラズマエッチングを基本としたトップダウン型プロセスよりも、劣化に対するリスクが低いボトムアップ型プロセスを新たに考案し、その実現の見通しを得ることができている。高感度な単一光子検出器を高温超伝導体で実現しようとする場合、基本素子となるナノワイヤには(a)高い受光効率、(b)低い臨界電流I_cが要求される。初年度は、「パターニングの観点」から、ワイヤの最密メアンダパターンの加工法、装置の加工限界に迫る線幅w(100200nm)加工法を検討した。その結果、(b)について更にI_cを小さくする必要があるという課題が残った。I_cは材料の臨界電流密度J_cとナノワイヤの断面積SによってI_c=J_cSで表わされるため、本年度は、(1)J_cを下げる手法、(2)Sを下げる手法を「高温超伝導体(YBa_2Cu_3O_y:YBCO)の成膜方法の観点」から検討した。(1) YBCOは結晶方位に対しJ_cの異方性を有する。一般的に制御が容易なc軸配向膜(c軸膜)が多く用いられるが、a軸配向膜(a軸膜)のJ_cはc軸膜よりも約1桁小さいため、これを活用できれば加工に要求されるスペックを下げることができる。そこでa軸膜の可能性について検討した。主に結晶成長温度をパラメータとした配向制御に成功し、完全なa軸配向結晶を得ることができた。

しかし、超伝導転移温度T_cがc軸膜に比較して著しく低く、これを解決するにはさらに長期間の検討が必要であると判断した。(2)ナノワイヤの線幅wに関しては、昨年までに本研究に用いる電子ビーム露光装置の性能限界に達しているためYBCOの膜厚t(=S/w)を薄くする可能性について検討を行った。ヘテロエピタキシー膜として得られるYBCOは単結晶基板との界面付近での格子歪により、それが緩和する一定の膜厚以上となってはじめて良好な超伝導性を示す。一般的には100nm以上が多く用いられる。今回、YBCOとの格子不整合の小さいSrTiO_3(不整合2%)、NdGaO_3(不整合1)基板を用いて、tを下げることを試みた。スパッタリング成膜時の結晶成長温度、Ar,O2ガス分圧をパラメータとして適する成膜条件を導出し、従来の膜厚に対し20%(20nm)にしても、80K以上のT_cを持つYBCOの作製が可能となった。高感度な単一光子検出器を酸化物高温超伝導体(Yba_2CU_3O_y:YBCO)で実現することを目的として、(1)低い臨界電流(I_C)、(2)高い受光効率、を有する高温超伝導体ナノワイヤーの作製法についての検討を行ってきた。(1)については、c軸配向膜に比べ臨界電流密度(J_c)が1桁程度低いa軸配向膜の利用を検討したが、高い臨界温度(T_c)の成膜を再現よく行うことは困難との実験結果を得た。一方、エピタキシャルYBCO薄膜の成長開始時の格子ひずみ(単結晶基板との格子不整合)を小さくし、従来の20%程度まで薄くても高い超伝導性(臨界温度80K以上)を保つことに成功した。さらに、形状としての厚さは20nmであっても、超伝導電流が流れる実効的な厚さは5nm程度で実現できることを実験的に確認した。このことは、動作温度を予め考慮して、YBCOの膜厚を設定すれば実効膜厚を数nmとする素子の作製が可能であることを意味し、低いI_cのYBCOナノワイヤーを得るにはこの方法が最も現実的であると結論付けた。また、プラズマエッチングをYBCOに施さず、ボトムアッププロセスでナノワイヤーの構造・機能を実現する新しい技術の導入を試みたが、工程数が増えることによる歩留まりめ低下も生じるため、必ずしも有利とは言えず、従来のトップダウン型プロセスを基本として、YBCOのエッチング時に液体窒素を冷媒に使った試料ステージの冷却が歩留まり率の向上には有効であると結論付けた。(2)に関しては、100×100μm□の領域に、180nmのラインアンドスペースでメアンダ構造を有するナノワイヤー形状にYBC0が加工可能であることまでを電子顕微鏡レベルの観察で確認し、一定の受光効率が確保できることを示すことができた。しかし、本研究の期間内でそれを用いた動作確認を行うまでには至ることはできなかった。電気的特性の評価は、別途行った、200nm幅、1μm長さのワイヤーで確認し、良好な超伝導特性を得た。