hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
多孔性配位高分子へのリチウム導入による新規水素貯蔵材料の創製

本研究では多孔質材料への新しいリチウム導入手法を確立し、リチウム導入により水素吸着量及び水素吸着熱の増加を達成し、実用に耐えうる新規水素貯蔵材料の開発につなげることを目的とした。対象とする多孔質材料として、金属イオンと有機配位子の架橋によって構成される多孔性配位高分子(PCP)に着目した。PCPは優れた細孔特性を有するため、水素貯蔵材料として有望視されている。このPCPにリチウムを導入することによって室温で十分な量の水素を貯蔵することが可能であると期待されている。前年度までにPCPにリチウム塩の溶液を含浸した後、熱処理によってアニオン種のみを脱離させリチウムを導入する手法を開発した。それによって水素吸着量の増加が確認された。本年度ではPCPにあらかじめリチウム交換サイトとして水酸基を組み込み、プロトンをリチウムと交換することによってリチウムを導入することを検討した。水酸基が組み込まれたPCPはほとんど報告がなかったため、Zn2+とテレフタル酸(BDC)によって構成されるMOF-5に水酸基を組み込むことをまず行った。MOF-5の合成時に用いる有機配位子であるBDCの一部を2-ヒドロキシテレフタル酸(HBDC)に置き換えることによって水酸基導入MOF-5(MOF-5-OH)の合成を行った。含まれるHBDCの量は054.2%の領域で制御が可能である。またHBDCが組み込まれることによって水素吸着量が増加した。また80°Cにおいては最適な反応時間があり72時間ほどで組み込まれるHBDC量、収率が極大となった。その後、リチウムtert-ブトキシド(LiOtBu)およびリチウムジイソプロピルアミド(LDA)を用いてリチウム交換を行った。水素吸着量はリチウム導入によって1.23wt%から1.34wt%に増加した。また単位面積当たりの水素吸着量も1.24molecule/nm2から1.35molecule/nm2に増加した。また図4に示す水素吸着熱もリチウム導入によって5.07-4.22kJ/molから5.49-4.72kJ/molに増加した。以上のことからリチウム導入により水素吸着量、水素吸着熱の増加が確認された。細孔構造を崩壊させずに導入するリチウム量を増加することが出来れば、より水素吸着量、水素吸着熱の増加が期待できる。修士の研究において多孔性材料に塩化リチウムをエタノールを用いて含浸し、熱処理を行うと、塩化エチルとして塩素が脱離し、Liのみをシリカ表面に担持され、水素吸着量が増加することを見出した。この結果より、Li塩を多孔性材料に含浸し、何らかの処理を行うことでアニオン種のみを脱離させれば、多孔性材料にLiのみを担持することが可能であると考えた。本研究では金属イオンと有機配位子によって構成された多孔性配位高分子(PCPs)に着目した。PCPとしてアルミニウムとテレフタル酸で構成された、MIL-53(Al)について着目した。このPCPは耐熱性が非常に高いため、450°Cまでの熱処理が可能である。これにLi塩を含浸し熱処理を行うことで水素貯蔵量の増加を試みた。MIL-53(Al)はBASF社から販売されている物を用いた。Li塩はLiNO3を用いて検討した。溶媒にはエタノールを用いた。200°Cで真空乾燥をしたMIL-53(Al)を各Li塩/エタノール溶液に加え、1晩室温下で攪拌し、濾過、洗浄後、LiNO3-MIL-53(Al)を得た。この真空下300°Cで熱処理を行いLi-MIL-53(Al)を得た。脱離種の定性にTG-DTA-MS、in situ FT-IRを、水素吸着量、表面積は吸着測定を、細孔中のLiの状態を固体NMRを用いて分析した。熱処理過程においてNO3-が分解し、NOとN2Oが脱離したことを確認した。また、固体NMRよりLiが細孔内に存在していることが分かり、LiはMIL-53(Al)の骨格中のアルミニウムとカルボキシル基との結合を切り、カルボキシル基の酸素原子に配位しているのではないかと考えられる。また、77K、87K下760torrで行った水素吸着測定より未担持のMIL-53(Al)は1.63wt%からLiを担持したものは1.75wt%に増加した。水素吸着熱をClausius-Clapeyron式から計算したところ、どちらのものも7.0kJ/molと変化がほとんど見られなかった。本研究では金属イオンと有機配位子によって構成された多孔性配位高分子(PCPs)での水素貯蔵に着目した。PCPは非常に高い表面積、細孔容量を有しており、水素貯蔵材料として注目されている。この水素貯蔵能を増加させるため細孔中へLiの担持を行い、水素との相互作用を高めることを目標とした。昨年度までにMIL-53 (Al)というPCPに硝酸リチウムを含浸し熱処理を行うことでLiを担持し水素吸着量の増加を確認した。またLiの状態について詳細に検討した。当該年度においては担持したLiの量が水素吸着量にどのような影響を与えるかを検討した。Liが担持されることで水素吸着量が1.66wt%から1.84wt%に増加することが確認された。

また単位面積当たりの吸着量は5.23から5.90 molecule/nm2に増加した。この値はLi原子1つが2つの水素分子を吸着していることを示す。しかし吸着熱には変化が見られなかった。これはLiは細孔コーナーに位置するカルボキシル基に配位しており、細孔壁に挟まれているため、Liの水素への相互作用がほとんど働かなかったと考えられる。また担持したLiの量が少ない時ではLi量に比例して単位面積当たりの吸着量は増加する。一方Li量が高くなると一定の値を示す。これはLiの量が多くなり細孔中で凝集してしまい、吸着サイトとして働かなくなるのではないかと考えられる。他のアルカリの硝酸塩を用いて同様に実験を行ったところ、Liと同様に水素吸着量が増加した。さらに他のPCPsに対しても検討を行った。具体的には亜鉛とテレフタル酸によって構成されたMOF-5というPCPsを用いた。これに対して同手法を用いると同時に、骨格であるテレフタル酸の一部をイオン交換サイト(OH基)を有する2,5-dihydroxybenzenecarboxylateに変え、さらにLiが担持できるような材料(MOF-5-OH)の合成を試みた。得られたMOF-5-OHは既報と同程度の水素吸着量を示した。そこにLiを担持することで水素吸着量、吸着熱が増加した。最も増加率が高かった試料は1.25倍の増加を示した。本研究では多孔質材料への新しいリチウム導入手法を確立し、リチウム導入により水素吸着量及び水素吸着熱の増加を達成し、実用に耐えうる新規水素貯蔵材料の開発につなげることを目的とした。対象とする多孔質材料として、金属イオンと有機配位子の架橋によって構成される多孔性配位高分子(PCP)に着目した。PCPは優れた細孔特性を有するため、水素貯蔵材料として有望視されている。このPCPにリチウムを導入することによって室温で十分な量の水素を貯蔵することが可能であると期待されている。前年度までにPCPにリチウム塩の溶液を含浸した後、熱処理によってアニオン種のみを脱離させリチウムを導入する手法を開発した。それによって水素吸着量の増加が確認された。本年度ではPCPにあらかじめリチウム交換サイトとして水酸基を組み込み、プロトンをリチウムと交換することによってリチウムを導入することを検討した。水酸基が組み込まれたPCPはほとんど報告がなかったため、Zn2+とテレフタル酸(BDC)によって構成されるMOF-5に水酸基を組み込むことをまず行った。MOF-5の合成時に用いる有機配位子であるBDCの一部を2-ヒドロキシテレフタル酸(HBDC)に置き換えることによって水酸基導入MOF-5(MOF-5-OH)の合成を行った。含まれるHBDCの量は054.2%の領域で制御が可能である。またHBDCが組み込まれることによって水素吸着量が増加した。また80°Cにおいては最適な反応時間があり72時間ほどで組み込まれるHBDC量、収率が極大となった。その後、リチウムtert-ブトキシド(LiOtBu)およびリチウムジイソプロピルアミド(LDA)を用いてリチウム交換を行った。水素吸着量はリチウム導入によって1.23wt%から1.34wt%に増加した。また単位面積当たりの水素吸着量も1.24molecule/nm2から1.35molecule/nm2に増加した。
Combinatorial再構成系を用いたγ-secretaseの構造解析

Alzheimer病の発症に深く関与する老人斑amyloid構成成分であるAβpeptideを産生するγ-secretaseの機能構造解析はその根本的治療薬の合理的開発に重要である。本研究では、電子顕微鏡を利用した単粒子解析と呼ばれる構造解析手法によって、その巨大膜蛋白質複合体γ-secretaseの全体構造を明らかにする事が目的である。本酵素は、膜蛋白質の複合体であるために、非常に非特異的な吸着が多く、収量が得る事が難しいため、極低温法での撮影には至ったものの、さらなる詳細な機構解明には、より高い精度の精製と高い解像度が必要であった。そこで、単独で機能すると想定されている、本酵素のモデル酵素となるSPPに着目し、精製、及び、負染色法による電子顕微鏡像からの単粒子解析を行い、その4量体状態の3次元構造を得た。これに対する抗体との結合像の電子顕微鏡観察から、その膜配向性を決定し、内部・側面の構造が、これまでに結晶構造解析の報告のある、類似酵素の特徴と極めて似通っており、普遍的な酵素活性化機構が想定された。また、この4量体状態は、内因性SPPの主な状態であり、活性との関連に興味が持たれた。いくつかの結果により、N末端部分が中央に集まっている可能性が考えられたため、N末端側を中心に4量体を形成し、活性に影響しているという仮説を立てた。この多量体化の機能との連関を検討するため、S2細胞における内因性Drosophila SPPに対して、SPPの基質切断活性を評価するレポーターアッセイを用いて、外因性にN末端部分を発現させた場合の、内因性活性への影響を解析した。この部分SPPは、発現量が極めて低く、蛋白質解析は十分ではないが、活性を減少させる事が再現されている。この事は、SPPが適切な4量体構造を取る事で、活性を発揮するという新たな制御機構を示唆するものである。以上の成果は、申請書に記載した内容を達成し、さらに研究が拡大したものである。Alzheimer病の発症に深く関与するamyloid構成成分であるAβを産生するγ-secretaseの機能構造解析はその根本的治療薬開発に重要である。本研究では、電子顕微鏡を利用した単粒子解析によって、その巨大膜蛋白質複合体の全体構造を明らかにする事が目的である。本酵素は、非常に発現量が低く、凍結電子顕微鏡観察に適用する事が困難であったが、培養細胞のscaleを20Lまで増やし、その大量精製を行った所、飛躍的な精製酵素の回収に成功した。これにより、極低温電子顕微鏡法による撮影まで行った。また、本酵素のモデル酵素となるSPPに関して、負染色法による電子顕微鏡像からの単粒子解析により、その3次元構造を得た。また、本精製において、比活性を追う為の、功γvitroでの活性測定系の検討を、人工合成peptideを基質に用いて行い、感度は低いものの、精製蛋白質の挙動と一致する評価が可能となった。さらに、得られた構造は4回回転対称を示唆するものであった為、BlueNative-PAGEによって、内因性SPPが4量体である事、強制発現SPPが1,2,3,4、8量体を取り、4量体が主たる分子種である事を確かめた。また、これはゲル濾過の結果とも整合する。さらに、ここまではhuman SPPを用いているが、これはSDS-PAGEという強い条件においても、2量体が観察される。そこで、SDS-PAGEにおいて単量体しか観察されないDrosophila SPPを用いて、外因性にtagを付加したSPPと内因性SPPを免疫共沈降する事によっても、この多量体化が生理的に起こっている現象であり、本研究により得られた構造が妥当である事を示すばかりでなく、新規な知見であり、機能との関連を継続して検討中である。本酵素は、多段階の精製により純度は高められたものの、既知の構成因子以外の存在が銀染色で示されており、より均一な複合体を精製するため、膜画分を可溶化する界面活性剤を検討し、その収率と、活性の保持力を検討した。これにより、digitoninによる洗浄操作によりゲル濾過でのピーク幅が減少する事、カラムではなく、BATCH法を用いると、これまでに主に得られていた高分子量複合体に対して中程度の粒子が主な粒子となった。これが活性型複合体の中心、または、最小単位である可能性が高いため、現在、この粒子が複合体構成因子を含むかどうかを電子顕微鏡による観察で確認している。また、本酵素のモデル酵素となるSPPに関して、負染色法による電子顕微鏡像からの単粒子解析により、その3次元構造から、4回回転対称を示唆されていた。これに対して、N末端側を中心に4量体を形成している仮説を立て、その部分のみを精製、観察を行ったところ、これにより、予想通りのサイズの縮小が生化学的にも電子顕微鏡像的にも得られた。さらに、この多量体化が、機能と連関している事を確かめるため、Drosophila SPPに対するS2細胞におけるレポーターアッセイを用いて、外因性にN末端部分を発現させた場合の活性への影響を解析している。

現在、系が安定しないため、確定的な事は結論できないが、活性は減少する傾向を見出している。以上の成果は、申請書に記載した内容を達成し、さらに研究が拡大したものである。Alzheimer病の発症に深く関与する老人斑amyloid構成成分であるAβpeptideを産生するγ-secretaseの機能構造解析はその根本的治療薬の合理的開発に重要である。本研究では、電子顕微鏡を利用した単粒子解析と呼ばれる構造解析手法によって、その巨大膜蛋白質複合体γ-secretaseの全体構造を明らかにする事が目的である。本酵素は、膜蛋白質の複合体であるために、非常に非特異的な吸着が多く、収量が得る事が難しいため、極低温法での撮影には至ったものの、さらなる詳細な機構解明には、より高い精度の精製と高い解像度が必要であった。そこで、単独で機能すると想定されている、本酵素のモデル酵素となるSPPに着目し、精製、及び、負染色法による電子顕微鏡像からの単粒子解析を行い、その4量体状態の3次元構造を得た。これに対する抗体との結合像の電子顕微鏡観察から、その膜配向性を決定し、内部・側面の構造が、これまでに結晶構造解析の報告のある、類似酵素の特徴と極めて似通っており、普遍的な酵素活性化機構が想定された。また、この4量体状態は、内因性SPPの主な状態であり、活性との関連に興味が持たれた。いくつかの結果により、N末端部分が中央に集まっている可能性が考えられたため、N末端側を中心に4量体を形成し、活性に影響しているという仮説を立てた。この多量体化の機能との連関を検討するため、S2細胞における内因性Drosophila SPPに対して、SPPの基質切断活性を評価するレポーターアッセイを用いて、外因性にN末端部分を発現させた場合の、内因性活性への影響を解析した。この部分SPPは、発現量が極めて低く、蛋白質解析は十分ではないが、活性を減少させる事が再現されている。この事は、SPPが適切な4量体構造を取る事で、活性を発揮するという新たな制御機構を示唆するものである。
冶金学におけるヒュームロザリー電子濃度則の普遍性とその限界に関するミクロな検証

ガンマ相合金は単位胞に52個の原子を含む複雑構造系で1原子あたりの電子濃度e/aが21/13で安定化していることが1920年代後半に指摘された.以来,これはHume-Rothery電子濃度則として知られてきた.この経験則を第一原理電子構造計算で定量的に解明する手法として研究代表者はFLAPW-Fourier法を開発した.本研究課題ではこの手法を用いて一連のガンマ相合金の安定化機構が逆格子ベクトルの2乗和が18の格子面群に相当するBrillouin zoneとフェルミ面の相互作用が作り出す擬ギャップ構造に起因することを証明した.ガンマ相合金は単位胞に52個の原子を含む複雑構造系で1原子あたりの電子濃度e/aが21/13で安定化していることが1920年代後半に指摘された.以来,これはHume-Rothery電子濃度則として知られてきた.この経験則を第一原理電子構造計算で定量的に解明する手法として研究代表者はFLAPW-Fourier法を開発した.本研究課題ではこの手法を用いて一連のガンマ相合金の安定化機構が逆格子ベクトルの2乗和が18の格子面群に相当するBrillouin zoneとフェルミ面の相互作用が作り出す擬ギャップ構造に起因することを証明した.平成20年度の成果は以下の通りである.(1)固溶範囲が有限なガンマ相を安定相として持つCu-Zn,Cu-Al,Cu-Ga,Cu-Cd,Ni-Zn系を選択した。融点が1455°Cに達するNiと融点が低くて蒸気圧が高いZnから成るNi-Znガンマ相の試料作成は容易でない。Ishimasa法を用いた電気炉の実験設備を物品費で購入し,最適な温度制御プログラムを完成させ,良質なNi-Zn系のガンマ相の生成に成功した。(水谷、長谷川、竹内)(2)Si単結晶を密度標準物質に選び,トリデカンを溶媒に使った液中秤量法を使い,単位胞内原子数Nの組成依存性に関する正確な実験データをCu-Zn,Cu-Al,Cu-Ga,Cu-Cd,Ni-Zn系について測定することに成功した。これにより,単位胞に導入される空孔の組成依存性を明らかにした。(水谷,竹内,長谷川)(3)我々が開発した遷移金属の価数を信頼よく評価出来るFLAPW-Fourier法で遷移金属を含むベータ相及びガンマ相合金のe/aを評価し、Ni-Al,Ni-Zn,Mn-Zn系などe/a=3/2則が成り立つと信じられてきたHume-Rothely則の破綻を証明した.(水谷,竹内)(4)平成20年3月にSPring-8放射光を利用した粉末結晶構造解析ラインBL02B2でCu-Cdガンマ相合金などの粉末回折スペクトルを測定した.そのRieveld構造解析は平成21年度の課題として残った.平成21年度の成果は以下の通りである.(1)平成20年度に作成したCu-Zn, Cu-Al, Cu-Ga, Cu-Cd, Ni-Znガンマ相合金について密度,格子定数を正確に測定し,単位胞に導入される空孔の組成依存性を決定した.多価元素の濃度の増加により系のe/aは増加するが,単位胞内の原子数が低下することで単位胞内の電子数e/ucがほぼ一定に保たれることを見出した.これで,フェルミ準位が擬ギャップ内にとどめることが可能となり,複雑系の安定化が図られることがわかった.その成果をPhilosophical Magazineに投稿し掲載可とした.(2)これまでの成果をFranceのNancyで開かれた複雑系合金に関する国際会議で講演し,高い評価を得た.(3)本年度の科研費でリナックス計算機と第一原理電子構造計算ソフトWIEN2kを購入し,Cu_5Zn_8ガンマ相合金の電子構造を計算し,フェルミ準位に擬ギャップを形成して安定化していることを明らかにした.平成22年度の成果は以下の通りである(2)有限な固溶範囲を持つCu-Zn,Cu-Al,Ni-Zn,Cu-Ga,Co-Znガンマ相合金を作成し,その密度と格子定数の精密測定から単位胞内の原子数の組成依存性を明らかにした.そして安定化範囲が有限になる機構を考察した,組成に応じてフェルミ準位は移動するが,ガンマ相合金が存在する全固溶範囲にわたってフェルミ準位は擬ギャップ内に収まることで安定化範囲が決まっていることを指摘した.(3)Mg17Al12化合物は単位胞に58個の原子を含む複雑系である.この系についてFLAPW-Fourier解析を実施し,この系では|G|^2=24と26が関与するFsBz相互作用によりFermi準位に擬ギャップを作り安定化していることを示した(4)3年間の成果をCRC Press, Taylor & Francis社から単行本として出版した.複雑構造でFermi準位に擬ギャップを形成して安定化している一連のガンマ相合金及びいくつかのMI及びRT型1/1-1/1-1/1近似結晶を中心に擬ギャップの成因機構を詳細に説明した.要点は我々が開発したFLAPW-Fourier法を使うことで,軌道混成効果の強弱に関係なく,FsBz相互作用を抽出することが可能となり,100年近く未解決のままで残っていたHume-Rothery電子濃度則の本質に迫る成果を得たことである.
多スピン系集合体による電子・磁気材料の設計

疎水性発色団としてポルフィリン亜鉛錯体を少量(0.10.2%)含む疎水基と親水基からなる両親媒性高分子を合成した。その際、電解質モノマーには2-アクリルアミド-2-メチルプロパンスホン酸、疎水性モノマーとしてはラウリル基、シクロドデシル基およびナフチル基を有するアクリルアミド誘導体を用いた。比較のため、少量の発色団を有するアクリルアミドモ合成した。得られた高分子に420_<nn>の光を照射すると、三重項になることを三重項一三重項の吸収変化から明らかにした。その吸収の時間変化を測定し、三重項の寿命を算出したところ、DMF溶液では、何れのポリマーも35_<ms>の寿命で変化がなかったが、水溶液では、疎水基を有するポリマーの場合、その寿命が10倍長くなることを見い出した。三重項寿命が著しく増大したため、燐光を測定したところ、疎水基を有するポリマーでは、通常観則されない燐光が790_<nm>に観測される上、三重項から一重項へ移った遅延蛍光も580700_<nm>に観測された。他の結果も考慮して、三重項の寿命が増大する原因は、ポリマー鎖に結合した疎水基がミクロドメインを作り、ポルフィリン亜鉛錯抑を疎水基がかこみ、個室化したことによると結論した。このように三重項寿命が長くなったので、その化学反応への利用を考えた。メチルビオロゲンを電子受容体として用い、その電子移動反応を行うと、逆電子反応が抑制され、有効な電荷分離が起こることを明らかにした。この研究は、新しい光学材料設計に新たな方法を提供した。
閉リーマン面上の特殊線形系と Weierstrass 点

閉リーマン面の研究における中心的課題の一つとして,その上の有理型函数の存在性および等角不変量を介してのリーマン面の分類問題がある.本研究では与えられた空隙列をもつWeierestrass点と自己等角写像との関係,特にリーマン面が他のリーマン面の2葉の被覆になる場合に関する成果,gonality列の傾斜不等式が成立しないリーマン面に関する成果,および,Clifford指数を計算する線形系の次数が最大になるリーマン面の特徴づけに関する成果を得た.Xを種数gの閉リーマン面とする.このときXから1次元複素射影空間への射の最小次数(degree)をXのgonalityという.この拡張概念としてr=1,2,3,...に対してXからr次元複素射影空間への射の最小次数をd_rと表すとき(d_r)をXのgonality列という.Xが特殊な場合(hyperelliptic, bielliptic, trigonal,非特異平面曲など),またBrill-Noetherの意味で一般の場合などではgonality列は既知であるが,多くの場合は未知である.前述の既知の例においては非特異平面曲線の場合を除くと不等式d_r/r≧d_{r+1}/(r+1)が成立する.本年はこの不等式が成立しないような閉リーマン面を求め,それらに共通する性質を研究した.さらに前年の研究と併せると一つの例から無数の例が派生することがわかる.一般にgonality列に関しては不等式d_r/r≧d_{r+1}/(r+1)が成立しているが,それが成立しない閉リーマン面は特殊なものと考えられる.したがって不等式が成立しない例を多数作ることによって,今後その特殊性がどのようなものか探る手掛かりを得た.Xを種数gの閉リーマン面とし,c=min{d-2r:次数d<g,次元rの線形系が存在する}と定義する.cをXのClifford指数という.これはXの重要な等角不変量のひとつである.c=d-2rをみたせばd<2c+5であることが知られているが,一般のXではd=c+2である.したがって,d>c+2,特にd=2c+3 (cが奇数), d=2c+4 (cが偶数)となるXの特徴づけに興味がある.先行研究としてEisenbud- Lange-Martens-Schreyer:The Clifford dimension of a projective curve, compos. Math. 72 (1989), 173 - 204.によるとcが奇数の場合d=2c+3, d-2r=cとなる線形系が存在するリーマン面ではg=2c+4, gonalityはc+3, c+2<d<2c+3ならばd-2r>c等が成立することが示されている.さらにd=2c+3, d-2r=cとなる線形系は唯一で半標準であるなどの結果が得られている.本研究ではcが偶数の場合を考察した.この場合でもd=2c+4, d-2r=cとなる線形系は唯一で半標準になることは証明できたが,gonalityがc+2になってしまうこと(つまり,d=c+2, r=1, d-2r=cになる),そのような線形系が無限個ありうることがネックになり,「c+2<d<2c+4ではd-2r>c」では示すことができなかった.ただし, c=4,6,8では示すことができた.次にXが位数2の自己等角写像fをもち,その商リーマン面の種数をhとするときg>6h+1ならばXがWeierstrass列がh-hyperelliptic半群である点をもてば,その点を不動点とする位数2の自己等角写像が存在することを示した.g=6h+1では成立しない例があることを示した.閉リーマン面の研究における中心的課題の一つとして,その上の有理型函数の存在性および等角不変量を介してのリーマン面の分類問題がある.本研究では与えられた空隙列をもつWeierestrass点と自己等角写像との関係,特にリーマン面が他のリーマン面の2葉の被覆になる場合に関する成果,gonality列の傾斜不等式が成立しないリーマン面に関する成果,および,Clifford指数を計算する線形系の次数が最大になるリーマン面の特徴づけに関する成果を得た.gonality列が完全に分かっている閉リーマン面の例はあまり多くはない.したがって,それが分かる閉リーマン面の例を数多く作ることが研究の手始めになる.その意味で今年度の成果は研究の進展に大きく寄与しているものと考えられる.数学今後は,2重被覆の場合をm重被覆(m>2)にすること,Cliffordの定理との関連を考察すること,自己同型との関連,Weierstrass点との関連などを考察していく予定である.研究分担者である大渕朗が次年度に中規模の研究集会を開催する予定であるのでその費用に充当するために本年度は全額使用しなかった.研究分担者である大渕朗が研究集会を開催する費用に充てる.
イタリア・ルカーニアの音楽・舞踊研究-現代社会における伝統芸能の観点から-

本研究はイタリア南部の音楽・舞踊であるタランテッラを対象とし、その構造と美学の分析を通して、地域文化の伝統的な身体表現を読み解くものである。フィールドワークに基づき、複数の村のタランテッラの比較分析を行った結果、第一に、基礎研究となる、舞踊のステップと形式、さらに身振りの規則を整理して明らかにすることができた。第二に、舞踊分析に基づいて音楽を再検討することで、二連符から三連符へのリズムの変遷の可能性を論証し、踊り手(身体性)の観点から舞踊音楽の構造を分析・考察する重要性を指摘した。本研究は、イタリア南部ルカーニア地方の民俗舞踊/音楽であるタランテッラを、「現代社会に活きる伝統芸能」という観点から読み解き、その構造や美学を明らかにすることをめざしている。初年度は、タランテッラの音楽と舞踊それぞれの分析対象となる基礎資料の入手を進めると同時に分析・考察を開始した。主要な活動としで、夏期に現地で集中的なフィールドワークを行い、国内では分析の第一段階として資料の整理・記譜等の作業を進めている。フィールドワークでは、(1)ポッリーノの聖母祭をはじめとする主要な祭りにおけるタランテッラの記録(ヴィデオカメラによる)と参与観察、(2)ルカーニア地方の二つの村(サン・コスタンティーノ・アルバネーゼ、テッラノーヴァ・ディ・ポッリーノ)のタランテッラの実演の記録とインタビュー、(3)関連する資料(先行研究等)の収集の三つを行った。第一の祭りの記録は重要な資料で、聖母マリア信仰における音楽・舞踊の意味を、宗教的ひいては文化的・社会的観点から考察するため、踊り手をはじめとする人々の動作(ステップ、身振り、相互作用等)の分析を進めている。動作の文化的な意味を理解・解釈するには、より広範囲な文化的ふるまいの規則を調査する必要があり、次年度の課題としている。第二のタランテッラの実演記録は貴重な分析資料で、現在、舞踊の記譜法としてもっとも精密虚なラバノーテーションを用いて、二つの村のタランテッラの記譜を進めている。労力を要する作業記譜を継続しながら分析を進めており、タランテッラの記譜法とくに拍子に関して、新たな提言を行うべく論考を纏めている。本年度は、フィールドワークで得た収集資料からタランテッラの音楽・舞踊を分析・考察し、その成果を学会発表および投稿論文を通じて発表した。成果は大きく分けて基礎研究とそれに基づく仮説の二つである。まず、タランテッラの舞踊のステップと形式を、三つの事例(宗教行列のタランテッラ、ポッリーノ地方の「パストゥラーレ」、サン・コスタンティーノ・アルバネーゼ村の「クムザ」)を対象に分析・記譜し、整理した(一事例を紀要論文に掲載)。また、舞踊の身振りをめぐる規則について、伝統的な身体表現を措定すると共に、その社会的な意味を考察した(紀要論文)。さらに、以上の舞踊分析に基づき、タランテッラの音楽構造の再検討も試みた。とくに身体性(踊り手・演奏家の身体運動・感覚)に注目し、ステップの分析を通じて音楽のリズムを考察することで、歩行から舞踊へ移行する過程と並行した二連符から三連符への変遷を仮説として提示した(学会発表)。第一のタランテッラの基礎研究は、イタリアの民族音楽学においても未だ事例が限られていることから、重要な事例研究を提供することができた。第二のタランテッラの音楽・舞踊の構造については、国際学会の発表で一定の評価を得ると同時に貴重な意見・批判も得ることができた。今後の検証が課題であるが、音楽・舞踊の構造分析に身体性という一つの示唆を提示することができたと考えている。
細胞核と細胞質間の輸送の分子機構-インフルエンザウイルスによる研究

核と細胞質間の高分子物質の輸送機構の研究で、インフルエンザウイルスの増殖過程は幾つかの興味ある問題を提起している。(1)核内で複製したゲノムRNA・蛋白質複合体(vRNA)がウイルス粒子形成のために核孔から細胞質へと搬出される過程で、ウイルス粒子被覆蛋白質、M1蛋白質が関与することを明かとした。その分子機構を知る為に、tsM1変異株の解析を行ない新しい知見を得た。すなわち感染時間をこれまでよりも長くするとvRNPがM1蛋白質を伴うことなく細胞質へと輸送されることである。したがってM1が輸送のシャペロンとして働くというこれまでのモデルの修正が必要となり、それを検証する実験を行なっている。(2)核から細胞質へ搬出されたvRNPがウイルス粒子形成の次の段階で、細胞質でどの様な形態で存在するかは新しいモデルの検証に重要であると考えられた。ウイルス膜糖蛋白質NAの細胞質ドメインとそれに続く膜貫通ドメインの一部のアミノ酸配列は亜型間で良く保存されており、ウイルス粒子形成過程で重要な役割を持つと推測された。これらのドメインの種々の人工変異株ウイルスの回収をトランスフェクション実験で調べ、vRNPがこの領域と相互作用しM1がその仲介をする可能性が示めされた。またNAのこの領域の高次構造が重要であると考えられた。(3)ウイルスNS1蛋白質の核への搬入において核小体がはたす役割を調べ、NS1がリボソームRNAの特定の配列に強く結合することを明らかとした。また搬入の時間経過を調べ、NS1はまず核小体に分布し、その後核質中に展開することを明らかとした。すなわち搬入を仲介するシャペロンと共に核孔を通過したNS1は、まず核小体に入り、リボソームRNAに結合することによりシヤシャペロンを遊離し、その後核質中に入る経路が示唆された。このシャペロンの同定のためにTwo Hybrid System法とFar Western法でそのcDNAの分離を試みている。核と細胞質間の高分子物質の輸送機構の研究に関して、インフルエンザウイルスの増殖過程はいくつかの興味ある問題を提起していることを見い出した。そのうちの1つは、核内で複製したゲノムRNA・蛋白質複合体が、ウイルス粒子形成のために核孔から細胞質へと搬出される過程で、ウイルスM1蛋白質(ゲノムRNA・蛋白質複合体を被覆する蛋白質でエンベロープの裏うちをする)が関与することである。(1)高温感受性(ts)M1変異株ではゲノムRNAの核からの搬出が阻害された。ただしM1の合成量や安定性には異常はなかった。(2)M1は核に濃縮され顆粒状に分布した。この分布像は、tsM1でもまったく同じだったので、この変異M1では、核からの輸送に関わる活性部位が損なわれていると推定された。(3)tsM1の変異は1アミノ酸置換であり、これにより二次構造が大きく変化すると予想された。(4)M1合成量が非常に低下する変異株でもゲノムRNAの核からの搬出が阻害された。これにワクチニアベクターによりM1を供給すると搬出が促進された。(5)以上よりM1はウイルス粒子形成中間体であるゲノムRNA・蛋白質複合体を核から搬出する活性部位を持つと推定された。(6)一方、感染ウイルスゲノムが核孔から侵入する時、M1が遊離して細胞質に残されるという証拠がある。また、M1を発現ベクターで単独発現させると核周辺部にとどまるという結果を得ている。ウイルス感染細胞中でM1がどの様にして核に輸送されるかが新しい問題として提起された。

核と細胞質間の高分子物質の輸送機構の研究で、インフルエンザウイルスの増殖過程は幾つかの興味ある問題を提起している。(1)核内で複製したゲノムRNA・蛋白質複合体(vRNA)がウイルス粒子形成のために核孔から細胞質へと搬出される過程で、ウイルス粒子被覆蛋白質、Ml蛋白質が関与することを明かとした。その分子機構を知る為に、tsMl変異株の解析を行ない新しい知見を得た。すなわち感染時間をこれまでよりも長くするとvRNPがMl蛋白質を伴うことなく細胞質へと輸送されることである。したがってMlが輸送のシャペロンとして働くというこれまでのモデルの修正が必要となり、それを検証する実験を行なっている。(2)核から細胞質へ搬出されたvRNPがウイルス粒子形成の次の段階で、細胞質でどの様な形態で存在するかは新しいモデルの検証に重要であると考えられた。ウイルス膜糖蛋白質NAの細胞質ドメインとそれに続く膜貫通ドメインの一部のアミノ酸配列は亜型間で良く保存されており、ウイルス粒子形成過程で重要な役割を持つと推測された。これらのドメインの種々の人工変異株ウイルスの回収をトランスフェクション実験で調べ、vRNPがこの領域と相互作用しMlがその仲介をする可能性が示めされた。またNAのこの領域の高次構造が重要であると考えられた。(3)ウイルスNSl蛋白質の核への搬入において核小体がはたす役割を調べ、NSlがリボソームRNAの特定の配列に強く結合することを明らかとした。また搬入の時間経過を調べ、NSlはまず核小体に分布し、その後核質中に展開することを明らかとした。すなわち搬入を仲介するシャペロンと共に核孔を通過したNSlは、まず核小体に入り、リボソームRNAに結合することによりシヤシャペロンを遊離し、その後核質中に入る経路が示唆された。このシャペロンの同定のためにTwo Hybrid System法とFar Western法でそのcDNAの分離を試みている。
光刺激で誘導される葉緑体遺伝子の発現機構に関わるプロテインキナーゼの生化学的研究

これまでに、カゼインキナーゼII(CK-II)による分子量34kDaのRNA結合因子(p34)のリン酸化が、葉緑体遺伝子の転写後制御機構に重要な役割を持つことを示した。最近、CK-IIによってリン酸化される分子量56kDaのDNA結合性タンパク質(p56)と、CK-II-p34に親和性をもつ50kDaのプロテインキナーゼ(PK50)を葉緑体中に新たに見い出した。そこで平成7年度は、p56の精製と同定、およびPK50を生化学的に解析することにより、最終的に葉緑体の遺伝子発現に関与するCK-IIおよびPK50を中心としたプロテインキナーゼの機能を明らかにする目的で研究を行った。1.ホウレンソウ葉緑体粗抽出画分からp56を効率的に精製する方法を確立し、p56はssDNA-celluloseカラムククロマトグラフィーによる精製で、等電点の異なるp56A (pI6.8)とp56B (pI4.8)に分離された。2. p56Bは部分一次構造による解析から、葉緑体チラコイド膜に存在するATP合成酵素のβサブユニットであると同定でき、CK-IIによるp56Bのリン酸化は光合成のATP合成の過程で重要な役割を持つことが示唆された。3. p56Aを同定することはできなかったが、p56AのCK-IIによるリン酸化はA-TリッチのDNA存在下で著しく促進されることが明らかになり、本リン酸化は遺伝子発現に関与することが考えられた。4. PK-50は、CK-IIとともに分子量24kDaのDNA結合性タンパク質(p24)を共通の基質とし、本p24は核局在タンパク質であるヌクレオリンと高い相同性があることが明らかになった。以上の結果から、葉緑体の遺伝子発現機構では、CK-IIおよびPK50をはじめとしたプロテインキナーゼが相互作用し、重要な役割を果たすことが考えられた。
歯周病細菌による歯周病発症機序および全身性疾患発症増悪の分子基盤解明

歯周病は歯周病原細菌による慢性感染によって歯周組織が破壊される感染症である。本研究では、Porphyromonas gingivalisが産生するプロテアーゼ「ジンジパイン」が、歯肉上皮細胞の生理機能に重要なPI3K/Akt経路に対する作用を調べた。ジンジパインによりPI3K/Aktは抑制され、その抑制はジンジパインの細胞外作用とジンジパインの酵素活性を必要とすることが示唆された。さらには、Akt下流タンパク質であるGSK3, mTOR, Bad, PRAS40, MDM2のリン酸化レベルの変化を示し、それらの活性への影響が考えられた。本研究の目的は、歯周病原細菌と宿主細胞間の感染現象をP. gingivalisの病原性プロテアーゼジンジパインに着目し、宿主細胞機能に対するジンジパインの作用の解析から歯周病態発症の解明を目指す研究である。平成26年度の研究計画では、病態発症におけるジンジパインの重要性を調べるために、遺伝子組換えによるジンジパイン完全欠損株とその野生株を用いた感染実験による比較解析を行った。宿主細胞における重要な細胞内シグナル伝達経路であるPI3 kinase/Akt経路は、細胞の生存・増殖、細胞分化、グルコース代謝、タンパク質合成など多岐に渡っており、この経路へのジンジパインの影響に関して感染実験を行った。その結果、我々は歯周病原細菌P. gingivalisの感染によってPI3K/Akt経路の抑制を明らかにした。またその成果では2つの重要な知見を得ることができた。1つは、PI3K/Akt経路の抑制には、ジンジパインの酵素活性が重要であり、PI3Kと連結していると考えられる膜タンパク質の切断がPI3KおよびAktの抑制を惹起していることを示した。さらには、PI3KやAktの抑制は、P. gingivalisの細胞内侵入や産生されたジンジパインの取り込みによる細胞内からの作用ではないことが考えられた。これらの結果を平成26年度の実績として、2015年1月にThe Journal of Biological Chemistryへ論文報告を行った。本研究で得られた知見をもとに、継続的および発展的研究として平成27年度の研究計画と関連させ、歯周病態発症におけるジンジパインの重要性を明らかにしていく。本研究は,歯周病原細菌と宿主細胞間の感染現象について,P. gingivalisの病原性プロテアーゼジンジパインに着目し,宿主細胞機能に対するジンジパインの作用解析により,歯周病態発症の分子病態の解明を目的とする。平成27年度では,病態発症におけるジンジパインの重要性を調べるためにジンジパイン完全欠損株とその野生株を用いた感染実験による比較解析を行なった。歯肉上皮細胞においてPI3K/Akt経路は,細胞の生存や増殖,グルコース代謝,タンパク質合成に重要な役割を果たしている。我々の研究では,ジンジパインはPI3/KAktの活性を抑制することを明らかにしたが,その下流因子への影響については,多くの基質タンパク質が存在しており,分子ひとつひとつの解析が必要となる。今回の研究では,GSK3, mTORおよびタンパク質合成制御に関わる4EBP, p70S6K, RPS6,さらにはp53制御因子MDMに対する影響について検討した。その結果GSK3, mTOR, 4EBP, MDM2のリン酸化レベルは,野生株の感染によって起こるAktの活性抑制と並行して減少した。一方で,p70S6KとRPS6のリン酸化レベルはAktの抑制と相関しない結果を示した。なかでもRPS6は,野生株の作用によってリン酸化活性の亢進が認められ,Akt経路とは異なる経路の存在が示唆された。ジンジパイン欠損株の感染下では,上記のタンパク質のリン酸化レベルに変化は認められなかった。従って,ジンジパインはAkt経路のリン酸化レベルの変化を惹起し,それぞれのタンパク質の活性に対して影響を与えていることが考えられた。平成28年度では,これらのタンパク質が制御する生理的機能へのジンジパインの作用解析を行ない,ジンジパインの病原性発現機序および歯周病発症への役割を明らかにしていくことを計画している。平成27年度の研究は、研究実績の概要に示すように初年度の研究結果の発展的研究を行い新たな結果を得たため。本研究は、歯周病原細菌と宿主細胞間の感染現象を調べ、歯周病発症メカニズムの解明を目的とした。慢性歯周炎における主要な病原細菌であるP. gingivalisが、歯周組織のバリア機能である歯肉上皮細胞に対する影響について、主要病原因子ジンジパインを中心に、宿主細胞の細胞内シグナル伝達経路や遺伝子発現制御への影響について調べた。宿主細胞においてPI3K/Akt経路は、細胞の生存や増殖、グルコース代謝、タンパク質合成に重要な役割を果たしている。我々は、ジンジパインによる歯肉上皮細胞のPI3K/Aktの活性抑制の分子機序を示し、その下流タンパク質もリン酸化レベルの変化を示した。平成28年度研究計画では、オートファジーやタンパク質合成代謝に重要なmTORの役割とジンジパインによる影響について検討した。mTORは複合体形成によって異なる機能を持つmTORC1とmTORC2が知られている。我々は、タンパク質合成、翻訳に関与するmTORC1に注目し、その下流タンパク質である4EBPタンパク質のジンジパインによる影響について調べ、リン酸化活性の減少を明らかにした。それはPI3K/Aktの不活性化とmTORのリン酸化レベルと並行して減少した。一方で、ジンジパイン完全欠損株およびジンジパイン阻害剤を用いた実験では、そのリン酸化の減少は認められなかった。従って、ジンジパインの酵素活性による作用が重要であることが示唆された。

4EBPタンパク質の脱リン酸化は、その下流タンパク質である翻訳開始因子eIF4Eによるキャップ依存的翻訳を負に制御すると考えられる。つまり、この経路に依存した翻訳系の抑制が生じたことが考えられた。今後は、ジンジパインによるAkt/mTORC1/4EBP経路およびその下流タンパク質eIF4Eの機能を調べ、ジンジパインの歯周病発症への役割をさらに詳細に明らかにすることが必要である。歯周病は歯周病原細菌による慢性感染によって歯周組織が破壊される感染症である。本研究では、Porphyromonas gingivalisが産生するプロテアーゼ「ジンジパイン」が、歯肉上皮細胞の生理機能に重要なPI3K/Akt経路に対する作用を調べた。ジンジパインによりPI3K/Aktは抑制され、その抑制はジンジパインの細胞外作用とジンジパインの酵素活性を必要とすることが示唆された。さらには、Akt下流タンパク質であるGSK3, mTOR, Bad, PRAS40, MDM2のリン酸化レベルの変化を示し、それらの活性への影響が考えられた。当初の予定にそって概ね遂行することができ、その結果として、研究実績の概要に示すとおり、2つの重要な知見を得ることができた。さらにその成果を誌上で発表したため。平成27年度は,概ね計画に沿って遂行した。従って,研究の変更なく当初の計画も含めて継続して進めていく。28年度が最終年度であるため、記入しない。細菌学、感染症学平成26年度、概ね計画どおりに遂行することができたため、研究の方向性を大きく変更することなく、進めていく。当初の研究計画の一部において,予定通り結果が得られず,試行錯誤を繰り返していることから進行が遅れているためである。概ね計画どおりに遂行したが、分担研究者のひとりが病気のため休職することになり、当該分担研究者を中心に行う予定であった一部の実験の遂行計画を遅らせることになった。そのため、消耗品費を中心に次年度使用額が生じた。平成27年度に計画して実験の進捗が不十分であるものを含めて,最終年度となる平成28年度ではすべての研究計画を遂行する予定である。従って,すべての経費を執行する予定である。26年度に計画し、実行できなかった内容を含め、平成27年度計画を遂行する予定である。そのため、26年度使用しなかった費用を含めて今年度使用する予定となっている。なお、26年度病気休職となった分担研究者の復帰の予定が不明なため、平成27年度は分担研究者から外す計画になったが、当初その者が行なう予定となっていた当該研究内容については、研究協力者とともに研究代表者や他の研究分担者で行う予定である。またデータ処理を迅速かつ適切に行うことにより、研究全体を早く進めるため、その内容に長けた研究者を新たに分担研究者としてお願いした。
分子認識反応における、R-Rasに特徴的なN末およびC末領域の役割

低分子量Gタンパク質Rasは、細胞外からの刺激に応じて、いくつかの標的タンパク質を時空間的に適切に選択し下流へと情報を伝達する。しかしその経路選択のメカニズムは未だ定かでない。そこで本研究では、Raf kinaseの活性化反応におけるRasのC末領域の役割について明らかにする。そのためにH30年度は、細胞内におけるRasとRaf kinaseとの相互作用解析法の確立、およびFRET probeを用いたRafキナーゼの構造状態を検出する測定系の構築に努めた。具体的にはまず、Halo-tagが融合した恒常的活性型変異H-Ras(Ras-G12V)と、GFPが融合したRaf kinase (GFP-Raf)とをHeLa細胞内に共発現させた。また、H-RasのC末領域を、H-RasのホモログであるR-RasのC末領域と置換した恒常的活性型変異キメラH-Has(Ras-G12V-HR)も同様にGFP-Rafと細胞内で共発現させた。続いてHalo-tagをテトラメチルローダミンで蛍光染色し、TIRF顕微鏡観察により、生細胞内におけるRasとRafの2色同時観察に成功した。また細胞膜上におけるRas-G12V-HRのRafに対する親和性は、Ras-G12Vのそれに対する親和性とほぼ同程度であることがわかった。このことからRasのC末領域は、細胞膜上におけるRaf kinaseとの結合能に影響を与えないことが示唆された。一方、Raf kinaseの構造状態をモニターするFRET probeを用いた計測により、RasのC末領域は、細胞膜上においてRaf kinaseの閉じた構造から開いた構造への変換に重要であることが示唆された。当初の計画通り、初年度中に細胞膜上におけるRasとRafキナーゼとの相互作用解析法の確立、およびRafキナーゼの構造状態を検出する測定系の構築が完了したことから「おおむね順調に進展している」と判断できる。画像取得および取得した画像の解析処理の自動化を推進する。(理由)当初の計画では、遺伝子操作用試薬類、培養用試薬類、一般試薬類、プラスチック製品類の予算が必要であった。また細胞内のRasとRaf kinase間相互作用を蛍光顕微鏡観察するために、蛍光試薬類および光学部品の予算が必要であった。しかし、研究室の他の予算で他の目的の為に購入したものを、本研究にも使用する事が出来たことから、結果的に余剰金が発生した。(使用計画)引き続き、蛍光試薬・光学部品などの高額な消耗品費に充当する。また1分子蛍光観察した画像を解析する為のソフトウエア・解析機器等を新たに購入し研究を加速させる。
生物のナノヘア構造に学ぶ把持・脱離機構の破壊クライテリオン

粗さのある壁面や天井を機敏に移動するヤモリや虫などの指先の毛の梁構造による把持メカニズムを検討した.一定角度の傾斜を与えた一本の梁が物体表面を把持(凝着)する力を理論と実験によって検討し,それを並べて作る梁集合体構造による把持・脱離デバイスを複数の方法で試作した.櫛状構造を積層して作製することで,微小傾斜梁の集合体構造を作成できることを示し,その性能について検証した.熱力学的に厳密に可逆な接合プロセスへ役立てるため,ヤモリや虫等,自然界の生物が用いる多毛構造による把持と脱離機構を物理的に明らかにする.毛構造をモデル化し理論的な検討をおこなうとともに,実験による検討を行っている.今年度は特に,毛構造の凝着界面における摩擦力が把持力に及ぼす影響に注目した.毛構造を弾性片持ちはりに近似し,その側面が対象に凝着する弾性凝着モデルを用いた.従来のモデルと異なり,凝着面は摩擦に起因するせん断力が作用するとした.この近似ははりの傾斜角が30度程度までであればよい近似になることを明らかにしている.それ以上の角度の場合は大変形を考慮したはりの変形モデルを用いる必要があるが,それを用いると解析解が得られなくなるので,まずは,解析解を得られるモデルを用いることとした.モデルにより,はり1本に対するフォースカーブがえられ,把持力となる最大凝着力のせん断力依存性がえられた.実験的な検討は,弾性傾斜はりの凝着理論が良い近似となる条件で行った.PDMSのはりを自作し,それを斜めに固定,対象平面に対し,垂直に押し付けた後,斜め情報に引き上げ,その間の力を計測する実験をおこなった.引き上げ角は,はりを伸ばす方向から縮める方向まで±45度へんかさせた.引き上げ角がー20度15度程度の範囲をこえると,凝着面のすべりが発生し,モデルで用いた仮定が満足されなくなることがわかった.その範囲内では,最大凝着力のせん断力依存性が観測され,モデルで予測した依存性と同様な傾向を呈することが分かった.理論で予測された把持力(最大凝着力)のせん断力依存性を実験的に確認することができた.定性的には良い結果がえられた点では順調といえる.しかし,定量的にはまだ正確に見積もれていない点には注意が必要だと考えている.なぜなら,デバイス設計のツールとするには,定量的な見積もりができることが理想的だからである.結果を急ぐあまり,科学的な視点を見失うことは,結果的に遠回りとなることが多いので,次のステップに進む前に定量的な差の原因を物理的にクリアにしておく必要を感じている.この観点より,やや遅れていると判断した.熱力学的に厳密に可逆な接合プロセスへ役立てるため,ヤモリや虫等,自然界の生物が用いる,多毛構造による把持と脱離機構を物理的に明らかにする.毛構造をモデル化し理論的な検討を行うとともに,実験による検討を行っている.昨年度までの研究では,水平方向の力が把持力に及ぼす影響を理論と実験により検討し,我々の提案した理論で.実験結果の傾向を定性的に予測できることが分かったが,定量的な予測には至っていなかった.今年度は,その原因を解明するためのモデルの改良と多毛構造を実現するための多毛構造作成手法の改良に着手した.モデルの改良に関しては,ヒステリシス(エネルギー散逸)の影響とモデルで考慮されているエネルギーの分配に関して検討を行った.ヒステリシスのメカニズムとして接触線の最大値に比例するエネルギーが凝着プロセスを通して散逸されている可能性が示唆されたが,影響を定量的に見積もるまでは至っておらず引き続き検討が必要であることが分かった.エネルギー分配に関しては,梁モデルの軸方向の伸びと梁のせん断変形を考慮したモデルの改良を行ったが,この2つだけでは,はやり実験結果と理論との差を定量的に説明するには至らず,大変形の影響を調査してみる必要があることが示唆されている.多毛構造の作成手法の改良としては,櫛構造の積層による方法を提案した.金属板にエッチングで櫛構造を作成しそれをガラス板で挟んだ鋳型を真空容器中に設置し,PDMSを流し込むことで,櫛構造が作れることを示すことができた.今後はこれを積層して最終的な多毛構造とすることとしている.理論で予測された把持力(最大凝着力)の水平力依存性を定性的に説明できているので,おおむね順調ともいえるが,定量的には見積もれていない点に注目して,その原因の検討と,理論(モデル)の改良に時間を取っているため,若干遅れているといえる.定性的に説明つけられていることに甘んじて結果を急ぐあまり,科学的な視点を見失う可能性もあるので,理論的な検討にこだわった結果である.熱力学的に厳密に可逆な接合プロセスへ役立てるため,ヤモリや虫等,自然界の生物が用いる,多毛構造による把持と脱離機構を物理的に明らかにする.毛構造をモデル化し理論的な検討を行うとともに,実験による検討を行っている.理論モデルに関しては,昨年度までの研究により梁の軸方向の伸びと梁のせん断変形を考慮した弾性梁モデルでは水平方向の力が把持力に及ぼす影響を定性的に予測できるが実験結果と理論との差を定量的に説明するに至らないことが明らかになり,大変形を考慮した梁モデルが必要である課題が得られた.

多毛構造の実現に関しては,我々が提案した真空容器中における櫛構造の積層方法を用いて試作した.長さ1000μm,幅300μm,厚さ100μmの梁が一列に並べられたPDMSの櫛構造を複数枚作成しておき,梁の傾斜角が20度になるように櫛構造を一枚ずつずらして積層することで2000本の梁からなる多毛構造体を作った.作成した多毛構造体を用いて把持力の測定実験を行った.対象平面に対し,垂直に押し付けた後,斜め方向に引き上げ,その過程で多毛構造体に働く水平方向と垂直方向の力を,3分力計を用いて同時に測定した.梁を伸ばす方向(90度以下)に多毛構造体を引き上げる場合は対象平面と梁側面との間に把持力が計測された.一方,梁を縮める方向(90度より大きい角度)に引き上げる場合は反発力のみが発生し,前者と比べて容易に脱離を引き起こすことが計測された.さらに,作成した多毛構造体を二つ向かい合わせ,梁の長手方向を外側に向けて配置し,対象平面に対しそれぞれ水平方向の変位を制御することにより対象平面を把持・脱離するデバイスとして実現の可能性があることが実験によって明らかになった.粗さのある壁面や天井を機敏に移動するヤモリや虫などの指先の毛の梁構造による把持メカニズムを検討した.一定角度の傾斜を与えた一本の梁が物体表面を把持(凝着)する力を理論と実験によって検討し,それを並べて作る梁集合体構造による把持・脱離デバイスを複数の方法で試作した.櫛状構造を積層して作製することで,微小傾斜梁の集合体構造を作成できることを示し,その性能について検証した.把持力(最大凝着力)のせん断力依存性の支配的なメカニズムについて,理論的および実験的に十分に検討した上で,次のステップに進むことを計画している.理論的な検討により,容易に取り入れられるメカニズムは取り入れてみたが,それらのみでは問題を解決できないことが分かってきた.これ以上定量性の追求に力を割くよりも,定性的に説明できており,その原因もある程度しぼられていることに満足し,多毛構造の作成手法の確立に重心を徐々にうつすことにしている.工学