hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
多孔性ＤＬＣナノ薄膜を利用する創エネルギー技術の開拓

ダイヤモンド状カーボン(DLC)の高性能濾過フィルターを開発した。プラズマCVD又はスパッタ法により成膜されたDLC膜は、多孔性アルミナや適切な高分子基材を選択することで、耐有機溶媒性のナノ濾過膜としての優れた性能を示した。有機溶媒は、DLC層の内部に形成された直径1 nm以下の細孔を高速で透過し、有機溶媒の粘度に反比例して流束が大きくなった。DLC層に窒素原子を導入すると、ナノ細孔の親水性が大きく向上した。また、適切な高分子基材の選択と蒸着条件を制御することで、0.8 nm以下のナノ細孔が形成され、アゾベンゼンの阻止率が100%、塩化ナトリウムの阻止率が約90%の優れたナノ濾過膜が得られた。本研究では、有効膜厚が数nmから数10nmである多孔性DLC(ダイヤモンドライクカーボン)膜を創製し、その細孔径をサブナノメートル精度で制御するとともに、内部の親/疎水性を有機化学的に変換する技術を開発する。さらに、最先端の構造解析技術ならびに液体の分子運動論に立脚し、多孔性ナノ薄膜を介した水/有機溶媒の透過機構を解明する。これにより、(1)数100GPaの弾性率を有し、水が高速で透過する自立型正浸透膜(FO膜)を設計し、今世紀のエネルギー問題の解決に寄与する「浸透圧発電用DLC膜」を開発する。また、(2)超撥水性の多孔性DLC膜を設計することで、バイオマスエタノール等の効率的な選択透過膜を実現し、ナノ分離膜による新しい創エネルギー技術を開拓することを目的とする。23年度は、気化チャンバーを取り付けたプラズマCVD装置を利用して、元素組成や架橋密度、sp2/sp3炭素の比率が制御されたDLCナノ薄膜の製造を検討した。アセチレンを用いた場合、ヤング率(弾性率)が170GPa程度のDLC膜が得られた。また、原料ガスを選択することで、窒素や硅素、酸素を含んだDLC膜を製造することに成功し、膜の親/疎水性を制御できることが分かった。これらの膜は、有機溶媒を高速で透過させ、その透過速度は、有機溶媒の粘性に反比例して大きくなる。一方、水では、粘度から予想される透過速度よりも小さく、膜の内部は比較的疎水性であることが推測された。内部の細孔を親水化するために、化学的な酸化を試みたが、現状では、接触角を大幅に低下させることに成功していない。浸透圧発電用DLC膜の製造には、内部の孔径を現状の1nmから0.5nm程度まで小さくする必要がある。また、現行のプラズマCVD法では、DLC膜に内部応用が残り、引っ張りに弱く、基板の選択に制限があることが分かった。これらの問題は、24年度以降の研究により解決されることが期待される。本研究では、有効膜厚が数nmから数10 nmである多孔性DLC(ダイヤモンドライクカーボン)膜を創製し、その細孔径をサブナノメートル精度で制御するとともに、内部の親/疎水性を有機化学的に変換する技術を開発する。これにより、(1)数100 GPaの弾性率を有し、水が高速で透過する自立型正浸透膜(FO膜)を設計し、今世紀のエネルギー問題の解決に寄与する「浸透圧発電用DLC膜」を開発する。25年度は、主にエンジニアリングプラスチックの多孔性基材の上にDLC膜を成膜し、優れた分離性能を達成するための基材表面の形状、DLC膜の蒸着条件を検討した。また、新たなプラズマCVD装置の設計を行い、RF電源や電極間距離、蒸着温度などのパラメータを幅広く設定することを可能にした。さらに、エリプソメトリー等の手法により、DLC膜の密度や弾性率を詳細に検討した。24年度では、DLC膜中のナノ細孔のサイズが1 nm程度であったが、25年度の研究により、細孔サイズを0.8 nm以下にすることが可能となり、優れたNF膜特性が実現した。また、高い流束を維持しながら、塩の除去性能を高めることにも成功した。

さらに、最先端の構造解析技術ならびに液体の分子運動論に立脚し、多孔性ナノ薄膜を介した水/有機溶媒の透過機構を解明する。これにより、(1)数100 GPaの弾性率を有し、水が高速で透過する自立型正浸透膜(FO膜)を設計し、今世紀のエネルギー問題の解決に寄与する「浸透圧発電用DLC膜」を開発する。また、(2)超撥水性の多孔性DLC膜を設計することで、バイオマスエタノール等の効率的な選択透過膜を実現し、ナノ分離膜による新しい創エネルギー技術を開拓することを目的とする。24年度は、将来の量産化における歩留まりを向上させるために、様々な基板の上に、プラズマCVD装置を利用して多孔性DLC膜を製造し、その性能を評価した。特に、DLC膜では、基板の欠陥が濾過性能に大きく影響するため、分光学的な手法により、基板の品質を確認する方法を開発した。また、量産化では、膜の大面積化が課題となるため、300mm×300mmの加圧式濾過装置を製作し、多孔性DLC膜製造のための犠牲層となるナノストランドシートを大面積で形成できることを実証した。さらに、多孔性DLC膜の耐圧性を向上させるための基板の必要条件を明らかにした。浸透圧発電用DLC膜の製造には、内部の孔径を現状の1 nmから0.5 nm程度まで小さくする必要があるが、これは24年度においても成功していない。これまでの研究から、サブナノメートル精度の細孔径制御には、プラズマCVD装置の改良が必要であると考えられ、25年度での整備を検討している。高強度で有機溶媒耐性のナノ多孔性のDLC膜が開発され、実用化への検討が進められている。これは、当初の計画以上の進展であり、オイルを浄化する濾過フィルターとしての活用が期待できる。一方、浸透圧発電に利用するには細孔径を0.5nm程度にする必要があるが、現在の膜の細孔径は約1nmとなっている。今後は、孔径を小さくする手法として、プラズマ蒸着だけでなく、ポリアクリロニトリル膜の炭化を同時に検討している。25年度が最終年度であるため、記入しない。高強度で有機溶媒耐性のナノ多孔性DLC膜が開発され、日本の膜メーカーにおいて、実用化研究が進められている。特に、ナノ多孔性DLC膜は、資源開発におけるオイル等を含んだ排水(石油随伴水など)の処理に必要不可欠であり、産業界の期待が高まりつつある。一方、浸透圧発電への利用には、細孔径を0.5 nm程度にする必要があるが、DLC膜の細孔径は約1 nmとなっており、前年度からの進展がない。0.5 nmレベルの細孔径制御は、製膜条件を高度に制御する必要がある。このため、プラズマCVD装置の様々な改良を検討している。製膜条件を変えることで、塩の阻止率が70%程度まで出ているが、現状では流束が十分ではい。微細な穴の形成には、膜を形成するカーボンのドメインを小さくする必要があり、試行錯誤を繰り返している。1nm程度の炭素クラスターを解析できる高度な計測技術が開発されることが望まれる。これまでの研究から、特定の製膜条件で、塩の阻止率が70%程度のDLC膜が得られているが、現状では流束の大きな向上が見られない。サブナノメートルの細孔の形成には、膜を構成するDLCクラスターのサイズを小さくする必要があり、この目標に向けて試行錯誤を繰り返している。一方、本研究の期間内で実用化に繋がる成果を上げることも重要であり、1 nm程度の細孔サイズの多孔性DLC膜の将来の量産化に向けた基盤研究も進めている。
動脈硬化病変の発症と局在化機構のフィジオーム解析

(1)動脈硬化初期における単球-内皮細胞相互作用の解析収縮型の血管平滑筋細胞では、stress fiberが非常に発達しており、IL-1β刺激により細胞は軟化した。これは、動脈硬化病巣において炎症性メディエーターが脱分化を引き起こす可能性を示唆している。(2)運動と食餌制限の動脈硬化予防効果運動により動脈硬化のリスクは軽減でき、同時に運動は生体のレドックス機構にダイナミックに影響を与えることが示唆された。単球の血管内皮下浸潤動態に与える酸化LDLの影響を明らかにするため、コラーゲンを薄膜状に塗布、乾燥させたシャーレにHUVECを培養して単層になった時点で実験を行った。培養内皮細胞をIL1βで刺激して後、ヒト新鮮血から分離した単球を加え、レーザ走査共焦点顕微鏡で単球の内皮下浸潤動態を、三次元的にかつ実時間時系列的に観察した。コラーゲンに酸化LDLを添加していない場合は従来報告したように内皮上での動き、内皮下への浸潤開始、内皮下への浸潤完了に区別され、このことは酸化LDLをコラーゲンに添加しても変化しなかった。しかし、酸化LDLは単球の内皮下への浸潤開始のみを促進し、それ以降の単球の動きには影響しなかった。カロリー制限と運動が動脈硬化といかに関係するかを明らかにするため、ラットを食餌量により自由摂取群と70%摂取群に分け、各々をさらに運動群と非運動群に分けた。食餌制限と運動は同時に開始し、運動は水泳(1時間/日、5日/週)を8週間負荷した。毎週生理学的データを計測した。実験終了時にラット大動脈-腎動脈分岐部内皮細胞内のNO産生量およびスーパーオキサイド産生量をレーザ走査共焦点共焦点顕微鏡を用いて蛍光検出した。また、臓器中のSOD活性を測定した。カロリー制限と運動はともに動脈硬化の危険を低下させるとともに両者で相乗的に危険を減少させた。局所血管部位の内皮細胞内の酸化ストレス度は血管部位、運動、食餌による明白な際は見いだせなかったが、臓器SOD活性の測定結果から運動が臓器SOD活性を増加させ、その結果酸化ストレス度が低下し、動脈硬化の危険を低下させる可能性が示唆された。(1)動脈硬化初期における単球-内皮細胞相互作用の解析我々は,動脈硬化の主要促進因子である酸化LDLが内皮細胞間隙分子の発現を制御することにより(PECAM-1増加,VE-cadherin減少),単球の内皮下浸潤の開始を促進することを明らかにした.今年度は,PECAM-1に対する阻害抗体の効果を検討した.内皮細胞を予め最適条件のPECAM-1抗体で処理しておくと,酸化LDLによる単球の浸潤開始促進作用が有意に抑制され,前述の酸化LDLによるPECAM-1増加が単球浸潤促進の機序であることが確認された.次に,単球の接着や血流によるずり応力等の機械的刺激に対する内皮細胞の初期応答を検討した.今回は,機械刺激として,レーザーピンセットによる非接触状態での内皮細胞膜状への微小ひずみの添加について検討した.微小ひずみの添加により直ちに内皮細胞内Ca2+濃度が上昇し,周囲の細胞にも伝播した.細胞外のCa2+無しの状態,及びstretch-activated ionchannelの阻害下でも同様の上昇が観察されたことから,上昇したCa2+は主に細胞内ストア由来であると考えられた.(2)運動と食餌制限の動脈硬化予防効果動脈硬化に対し予防的に作用すると言われている運動と食餌制限の効果を実験的に検討した。正常ラットを食餌量により自由摂取群と70%摂取群に分け、各々をさらに運動群と非運動群に分けた。(1)動脈硬化初期における単球-内皮細胞相互作用の解析動脈硬化病巣では血管平滑筋細胞の形質変換(脱分化;収縮型→合成型)が起こり,プラーク形成に寄与することが知られている.

我々は,ヒト冠動脈血管平滑筋細胞の培養条件をコントロールすることにより,合成型,収縮型の細胞を維持し,それらの物性の違いについて検討した.細胞の物理的硬さ(弾性率)の定量評価が可能な原子間力顕微鏡を用いた計測では,合成型の細胞は収縮型に比べて有意に軟らかく),収縮型の細胞にIL-1β刺激を加えると合成型の如くに軟らかくなった.収縮型ではalpha smooth muscle actinの発現が豊富でstress fiberが非常に発達しているのに対し,合成型では細胞質全体に弱く発現しており,このことが前述の硬さの違いに影響していると考えられる.IL-1β刺激による細胞の軟化は,動脈硬化病巣において炎症性メディエーターが脱分化を引き起こす可能性を示唆している.現在,両細胞の遊走能の検討,及びIL-1β刺激による脱分化プロセスの詳細について検討中である.(2)運動と食餌制限の動脈硬化予防効果血圧、血中コレステロール、NO、スーパーオキサイドやスーパーオキサイド消去酵素(SOD)の活性に注目し、運動負荷の有無による各ファクターの変化を評価した。運動により、体重、血中コレステロールなど、いくつかの動脈硬化リスク項目は減少傾向を示した。運動負荷期間8週のラットにおいて、肝臓のスーパーオキサイド活性が著しく上昇した。これに対し、血中ではNOの増加が認められており、それにより血圧の上昇が抑制されていると考えられる。SODについては、早期の活性上昇は認められたが、慢性的な運動負荷により活性の増加は認められなくなった。以上の結果より、運動により動脈硬化のリスクは軽減でき、同時に運動は生体のレドックス機構にダイナミックに影響を与えることが示唆された。
超高効率量子もつれ光源および検出器の創成と量子もつれ回復プロトコルの研究

本研究では,量子もつれ光子の発生,検出,制御とそれを用いた新たな量子情報通信技術の創成を目指し,(1)擬似位相整合非線形光学素子を用いた,通信波長帯における超高効率量子もつれ光源および光子検出器,(2)バルクおよび微小共振器構造半導体を用いた量子もつれ光子対の効率的な発生および制御方法,(3)長距離伝送に伴う量子もつれの低下を補うための,量子もつれ回復プロトコル,に関する研究開発を行った.本研究では,量子もつれ光子の発生,検出,制御とそれを用いた新たな量子情報通信技術の創成を目指し,(1)擬似位相整合非線形光学素子を用いた,通信波長帯における超高効率量子もつれ光源および光子検出器,(2)バルクおよび微小共振器構造半導体を用いた量子もつれ光子対の効率的な発生および制御方法,(3)長距離伝送に伴う量子もつれの低下を補うための,量子もつれ回復プロトコル,に関する研究開発を行った.1.励起光源用パルスレーザの開発(水津)1.55μm帯量子もつれ光子対発生システムのプロトタイプとなる光源を開発した.波長可変レーザからの連続波を強度変調器で切り出した光パルス列を2段階のファイバー増幅器により増幅することで,自然放出光ノイズに対して20dB以上のピークを持つ高ピークパワーのパルス光を得る事に成功した。2.量子もつれ光子生成PPLNデバイス評価システムの開発(枝松他)1.55μm帯の量子もつれ光子デバイスを評価するための近赤外マルチチャンネル検出器システムを用いた微弱光分光測定システムを構築した.先行試作したType0およびType1の位相整合PPLNデバイスの縮退点パラメトリック発生試験を行い、設計通りの波長変換が得られていることを確認した。3.半導体試料の作製・評価(中山他)量子もつれ光子対を発生させるための基盤となる励起子機能性物質の薄膜結晶成長と励起子光物性の研究を展開した.励起子束縛エネルギーが大きく励起子分子が安定な銅ハライド系とZnOの高品位結晶薄膜の作製に成功し(特にZnOに関しては画期的な成果),励起子-励起子散乱過程のダイナミクスなどの励起子光物性に関する新たな知見を得た.また,これらの物質と組み合わせるキャビティー構造の検討と試作を行った.4.2励起子状態からの量子もつれ光子発生についての理論(石原,安食他)励起子分子状態に共鳴する2光子共鳴散乱過程を取り扱うための理論モデルを構築した.本年度は主に(1)ナノ構造におけるもつれ合い光子対生成を記述する全量子理論の開発と(2)量子井戸におけるもつれ合い光子対生成の共振器による増強効果の研究を行い,ナノ試料においてもバルクを凌ぐ生成効率が得られること,共振器によって生成効率を劇的に増強する最適条件等を明らかにした.1.励起光源用パルスレーザの開発(水津)システムの励起光源として用いる,1550nm帯パルス光源を開発・改良し,パラメトリック下方変換を用いた量子もつれ光子生成デバイスの光源として十分な出力の第二高調波光を得た.2.量子もつれ光子生成PPLNデバイスの開発(枝松,水津他)今年度導入したレーザ描画装置を用い,Type-2擬似位相整合素子(平成17年度特許出願)を設計・作製した.この素子に関し,準同軸方向へ出射された光子対が偏光量子もつれ状態を形成することを見出した(特許出願).3.半導体を用いた量子もつれ光源(枝松他)励起子分子共鳴ハイパーパラメトリック散乱(RHPS)による量子もつれ光子対の発生をさらに高度化し,高純度の量子もつれをもつ光子対を発生することに成功した.4.半導体試料の作製・評価(中山他)RHPSが明確に観測できるCuCl薄膜の作製,微小共振器構造の作製と巨大ラビ分裂の観測に成功した.数μmオーダーのZnO厚膜において,微小ピラミッド構造が自己組織化成長することを見出した.5.2励起子状態からの量子もつれ光子発生についての理論(石原,安食他)励起子閉じ込め系において,散乱光の量子性を試料の幾何学的構造に応じて具体的に議論できる理論的枠組みを完成させ,閉じ込め励起子,励起子分子と共振器モードとが結合することにより生成される量子力学的準位構造の制御が,もつれ合い光子対生成特性を大幅に改善する自由度を提供することを示した.1.量子もつれ光子生成,検出用PPLNデバイスの開発(枝松,水津他)800nm帯における3次のType-2擬似位相整合PPLN素子を作製し,高効率な光子対生成を確認するとともに,Type-2擬似位相整合を用いた非縮退偏光量子もつれ光子対の新たな生成方法を考案した(特許出願).また,通信波長帯から可視光帯へのアップコンバージョン用PPLNデバイスを作製し,高効率な変換を実証した.2.多光子量子もつれ状態発生用光源の構築(枝松他)本年度導入した高出力フェムト秒Ybレーザをポンプ光として利用し,多光子量子もつれ状態の高効率な発生のための光源を構築した.3.半導体微小共振器試料の作製・評価(中山,溝口他)多元真空蒸着法によるCuCl微小共振器の作製の作製方法を確立し,励起子ポラリトンのラビ分裂エネルギーを30meV100meVの範囲で制御できることを見出した。

レーザーアブレーション/マグネトロンスパッタリング複合法によりZnO微小共振器の作製に成功し,励起子ポラリトンのラビ分裂エネルギー80meVを得た。4.二励起子状態からの量子もつれ光子発生についての理論(石原,安食他)励起子分子と共振器フォトンを強く結合させることでもつれ合い光子対生成効率を格段に向上する機構を明らかにし,ハイパーパラメトリック散乱による生成効率が低いIII-V族化合物系においてもナノ構造で十分な生成効率が得られることを示した。上述したCuCl共振器とのスペクトルを理論的に解析し、共振器-CuCl励起子結合系の形成を明らかにした。1.量子もつれ光子生成,検出用PPLNデバイスの開発(枝松他)昨年度に理論提案した2周期擬似位相整合を用いた非縮退偏光量子もつれ光子対生成素子を実際に作製し,偏光相関測定により量子もつれ光子の発生を実証した.また,通信波長帯から可視光帯へのアップコンバージョン検出素子に関し,内部効率がほぼ100%の高効率な変換を実証した.2.半導体微小共振器からの量子もつれ光子発生の理論(石原他)微小共振器構造を用いた量子もつれ光子対生成に関して,実験検証が格段に容易な新手法を提案した.そのスキームに対応する試料の作製法,特に重要なパラメータであるラビ分裂の制御の方法を考案し,実験的に得られたラビ分裂の値の変化を精度良く説明することに成功した.また,共振器中のV型3準位によるもつれ合い光子対生成の手法を理論的に提案し,励起光の偏光と周波数の選択により4つのBell状態の全てが同じ共振器系から生成可能であることを明らかにした.3.半導体微小共振器試料の作製・評価(中山他)rfマグネトロンスパッタ・真空蒸着法の複合方式により,HfO_2/SiO_2多層膜をDBRとした安定なCuCl微小共振器の作製に成功した.ループ共振器構造を用いることで,量子もつれ光子対生成において重要な要因であるラビ分裂を精密に制御できることを実証した.1.量子もつれ光子生成・検出用デバイス,量子もつれ回復プロトコルの開発(枝松他)2周期擬似位相整合を用いた非縮退量子もつれ光子対生成素子が,偏光のみならず周波数における量子もつれ発生素子として動作することを新たに確認した.モードロックYbレーザ励起のパラメトリック下方変換によって多光子もつれ状態を高効率で発生し得る光源を開発し,4光子GHZ状態の生成を量子状態トモグラフィによって実証するとともに,束縛もつれ状態の生成ともつれ回復の実証実験系を構築した.2.半導体微小共振器からの量子もつれ光子発生の理論(石原他)CuCl薄膜からの量子もつれ光子対生成に関し,その効率や量子もつれの純度を定量的に評価する手法を確立した.励起子超放射により非常に高品質な量子もつれ光子対が得られること,微小共振器構造を用いてその品質を保ったまま生成効率を高めることが可能であること,等の重要な知見を明らかにした.3.半導体微小共振器試料の作製・評価(中山他)CuCl微小共振器試料について,ラビ分裂の精密制御を実証した.光学評価および理論解析の結果から,膜の均一性や境界層の制御がラビ分裂や共振器Q値の精密制御に重要であることを見出した.さらに,広い応用が期待できる高品位ZnO微小共振器試料の作製に成功した.現時点ではこれらの試料を用いた量子もつれ光子発生の確認には至っていないが,高効率量子もつれ光子対生成のための微小共振器試料の作製技術を確立した.
超微量粉末電極を利用した新規電気化学システムのミネラルプロセッシングへの応用

超微量粉末電極を利用した新規電気化学手法のミネラルプロセッシングへの応用を研究の目的としている。これまで、申請者の考案した超微量粉末電極の最適条件を検討し、簡便に各種鉱物の酸化還元条件を評価することができた。平成30年度(最終年度)においては、前年度において評価した銅鉱物、モリブデン鉱物、含ヒ素鉱物について、浮遊選別における分離について検討を行った。その結果、環境負荷が低く、経済的な酸化還元剤の添加を提案し、これらの添加により、従来難しかった分離が極めて効率的に行えることを見出した。添加剤としては、還元剤として亜硫酸ナトリウム、酸化剤として過酸化水素を提案した。これらの添加により、鉄を含む銅鉱物を選択的に酸化することができ、モリブデン鉱物、含ヒ素鉱物を選択的に浮遊回収できた。これらの結果は、論文、国際学会において発表してきている。また、これらの結果をもとに、精密に電位制御を行うことのできる反応槽を作成し、各種反応について詳細な検討を行った。平成30年度(最終年度)においては、直接電解による酸化還元反応の制御だけではなく、酸素および窒素吹込みのソレノイドスイッチによる制御を利用し、非電解式の反応制御槽を考案し、作成した。これらの装置は、電解による電位の偏り、電極上での過剰な酸化還元反応を防ぐことができ、かつ白金などの高価な電極を使用する必要がなく、浸出や排水処理などの現場に応用できるものと考えられた。本研究により、鉱物処理における革新的な分離方法、新しい添加物を提案でき、また、安価な電位制御法による効率的な湿式精錬・排水処理への応用を提案することができた。平成28年度においては、申請者の考案した超微量粉末電極の最適条件を検討するため、種々の条件において実験を行い、#800の研磨紙での湿式研磨が簡便かつ最も再現性の良い粉末試料が得られることを見出した。種々の硫化鉱物において粉末電極を作成し、黄銅鉱、黄鉄鉱、四面ヒ銅鉱、硫砒銅鉱などで従来法と比較して分解能の非常に高い良い結果が得られ、酸化還元電位における各反応についてより定量的に検討することが可能となった。また、電気化学反応の実操業への応用として、黄銅鉱と輝水鉛鉱の相互分離のための電解処理の検討を行い、電解処理の後の浮遊選別により、輝水鉛鉱を浮鉱、黄銅鉱を沈鉱としての分離可能性を示唆する結果を得た。XPS表面分析および電気化学測定により、この結果は黄銅鉱がより酸化されやすく、鉄や銅の酸化物が黄銅鉱表面を覆うためによる親水化が原因となることを見出した。より詳細な反応を検討するため、リングーディスク回転電極による実験のセットアップを行った。本セットアップにより、固相から溶出してきたイオンの挙動についても測定できることとなる。また、研究実施計画にあるように、電位制御プログラムとシステムを作成し、評価し、このシステムを利用した電解槽の設計と開発を行った。電位制御プログラムはLabviewソフトを用い、8チャンネル同時の制御を可能とした。電位制御のための電解槽は、電解式及び空気吹き込み式の2種類を開発し、どちらも大変良い電位制御ができることを明らかにした。先に述べた回転電極を組み合わせることによりより詳細な検討が可能となっている。この電解槽を用いて各種検討を行っている。平成28年度の研究実施計画に沿って研究は進められ、研究計画の内容に沿った研究成果が得られている。超微量粉末電極を用いて各種試料の電気化学的共同の評価を行い、最適な条件、簡便かつ再現性の高い実験手法が確立され、様々な試料において実験を行ったことで従来より詳細で定量的な成果が得られ、これらの結果は論文により発表された。また、並行して電位制御プログラム、電解槽の開発を行い、これらについても問題なく開発することができ、様々な条件できわめて正確に酸化還元電位を制御できる結果を得ている。これら研究実施計画に沿った成果に加え、本来次年度の課題となる、電解のミネラルプロセッシングへの応用として、黄銅鉱ー輝水鉛鉱の電解による分離の検討を行い、黄銅鉱の選択酸化に基づく浮選分離の可能性を示唆してきている。これらの結果の検討においては、電気化学的な分析以外に、XPSやSEM-EDXによる表面分析、接触角測定など多種多様な分析方法を用いてより系統的に検討を行ってきた。これらの結果は、いくつかの国際学会などで公表されてきた。また、電位制御の方法として、計画にあった電解法のみならず、プログラム制御による空気吹き込み式の電位制御法の開発にも成功してきている。この方法により、直接に電気を流すことによる電位制御と比較検討を行うことができ、また電流の流れにくい溶液中においても電位制御が可能となった。これらの結果により、より系統的な電位制御によるミネラルプロセッシングへの応用が可能となるものと考えられる。これまで、申請者の考案した超微量粉末電極の最適条件を検討するため、種々の方法において実験を行い、最適な条件を得ることができた。

平成29年度においては、これらの手法を用いて鉱物の酸化還元を評価し、銅鉱物とモリブデン鉱物および含砒素鉱物の酸化反応および還元反応の起こる速さの違い、また表面性状の変化の違いにより、酸化還元反応による銅鉱物とその他の鉱物の選択的浮遊選別について検討し、黄銅鉱が選択的に酸化還元反応を起こす条件に保持した後に浮遊選別を行うことで、銅鉱物のみを浮遊選別で選別できる条件を得ることができた。メカニズムとして、黄銅鉱表面が酸化されることにより親水性の水酸化物が生成し、その他の鉱物は疎水性を保つためということを確認した。これらの結果は、安価に実用化に応用できるものとして期待でき、論文、国際学会において発表してきている。また、これらの結果を基に、精密に電位制御を行うことのできる反応槽を作成し、酸化反応による反応槽の電位制御だけではなく、還元反応による反応槽の電位制御においても可能となるよう、反応槽の構造を改造できるようにした。この改造により、還元反応を基にした系の電位制御も可能となり、種々の嫌気性還元菌の還元培養に応用することも可能となった。本電位制御システムは、酸化槽と還元槽をイオン交換膜により接続し、Labviewシステムを用いて多チャンネルで行うものであり、安価で取り扱いやすい、より効率的なシステムの構築と結果の評価が可能となった。平成29年度の研究実施計画に沿って研究は進められ、研究計画の内容に沿った研究成果が得られている。前年度において確立した超微量粉末電極を用いた電気化学的評価により、銅鉱物とその他の鉱物の酸化還元反応の起こる条件の差について検討し、代表的な銅鉱物となる黄銅鉱のみが酸化還元し、一般的な不純物、輝水鉛鉱、硫ヒ銅鉱などは反応しない条件を見出すことにより、黄銅鉱のみを不純物と浮遊選別により分離することが可能となった。この他、電位制御法を改良することにより、還元反応を基とした反応槽を作成することにも成功し、研究をより広い範囲で行うことができるようになった。超微量粉末電極を利用した新規電気化学手法のミネラルプロセッシングへの応用を研究の目的としている。これまで、申請者の考案した超微量粉末電極の最適条件を検討し、簡便に各種鉱物の酸化還元条件を評価することができた。平成30年度(最終年度)においては、前年度において評価した銅鉱物、モリブデン鉱物、含ヒ素鉱物について、浮遊選別における分離について検討を行った。その結果、環境負荷が低く、経済的な酸化還元剤の添加を提案し、これらの添加により、従来難しかった分離が極めて効率的に行えることを見出した。添加剤としては、還元剤として亜硫酸ナトリウム、酸化剤として過酸化水素を提案した。これらの添加により、鉄を含む銅鉱物を選択的に酸化することができ、モリブデン鉱物、含ヒ素鉱物を選択的に浮遊回収できた。これらの結果は、論文、国際学会において発表してきている。また、これらの結果をもとに、精密に電位制御を行うことのできる反応槽を作成し、各種反応について詳細な検討を行った。平成30年度(最終年度)においては、直接電解による酸化還元反応の制御だけではなく、酸素および窒素吹込みのソレノイドスイッチによる制御を利用し、非電解式の反応制御槽を考案し、作成した。これらの装置は、電解による電位の偏り、電極上での過剰な酸化還元反応を防ぐことができ、かつ白金などの高価な電極を使用する必要がなく、浸出や排水処理などの現場に応用できるものと考えられた。本研究により、鉱物処理における革新的な分離方法、新しい添加物を提案でき、また、安価な電位制御法による効率的な湿式精錬・排水処理への応用を提案することができた。
血栓形成における血管内皮細胞の役割に関する研究

血栓症発現における血管内皮細胞の役割につき検討し,以下の結果を得た.1)人胎盤より組織因子のアポ蛋白を精製し,これに対する抗体をつくり組織因子のラジオイムノアッセイ法を開発した.2)人培養血管内皮細胞はエンドトキシンやトロンビンの刺激により組織因子活性を発現するとともに,そのアポ蛋白の産生を促進した.この組織因子活性及びアポ蛋白の産生増加は,シクロヘキシミドの添加で抑制された.これによりエンドトキシンやトロンビン刺激による組織因子の増加は蛋白合成を併う変化であることを明らかとした.3)心筋梗塞や脳梗塞などの血栓症患者の内皮細胞機能を内皮細胞由来の蛋白であるフォンビレブラント因子活性及び抗原量,組織プラスミノゲンアクチベータの活性及び抗原量の血中濃度を指標として測定した.これら血栓疾患者では,フォンビレブラント因子は増加し,組織プラスミノゲンアクチベータ活性は低下していた.4)上記血栓症患者ではフィブリノゲン代謝が元進しており,その元進の程度と,上記3)により測定した血管内皮細胞機能の変化の程度と有意に相関した.6)以上の成績より,血管内皮細胞が何らかの原因で障害され,その機能が変化して,フォンビレブラント因子や組織プラスミノゲンアクチベータ活性の変化に加えて,組織因子産生増加を介して,血管内凝固を促進し,その結果凝固元進状態を惹起して血栓症発現に至ることが示唆された.この際,内皮細胞の組織因子産生を各種薬剤により調節することにより血栓症発現を予防し得る可能性も示唆された.血栓症発現における血管内皮細胞の役割につき検討し,以下の結果を得た.1)人胎盤より組織因子のアポ蛋白を精製し,これに対する抗体をつくり組織因子のラジオイムノアッセイ法を開発した.2)人培養血管内皮細胞はエンドトキシンやトロンビンの刺激により組織因子活性を発現するとともに,そのアポ蛋白の産生を促進した.この組織因子活性及びアポ蛋白の産生増加は,シクロヘキシミドの添加で抑制された.これによりエンドトキシンやトロンビン刺激による組織因子の増加は蛋白合成を併う変化であることを明らかとした.3)心筋梗塞や脳梗塞などの血栓症患者の内皮細胞機能を内皮細胞由来の蛋白であるフォンビレブラント因子活性及び抗原量,組織プラスミノゲンアクチベータの活性及び抗原量の血中濃度を指標として測定した.これら血栓疾患者では,フォンビレブラント因子は増加し,組織プラスミノゲンアクチベータ活性は低下していた.4)上記血栓症患者ではフィブリノゲン代謝が元進しており,その元進の程度と,上記3)により測定した血管内皮細胞機能の変化の程度と有意に相関した.6)以上の成績より,血管内皮細胞が何らかの原因で障害され,その機能が変化して,フォンビレブラント因子や組織プラスミノゲンアクチベータ活性の変化に加えて,組織因子産生増加を介して,血管内凝固を促進し,その結果凝固元進状態を惹起して血栓症発現に至ることが示唆された.この際,内皮細胞の組織因子産生を各種薬剤により調節することにより血栓症発現を予防し得る可能性も示唆された.血栓症発現における血管内皮細胞の役割につき、その凝固促進作用の面より検討し、本年度は以下の成績を得た。1)人胎盤より組織トロンボプラスチンのアポ蛋白を精製した。これに対する抗体をつくり、組織トロンボプラスチンアポ蛋白のラジオイムノアッセイ法を開発した。2)人培養血管内皮細胞はエンドトキシンやトロンビンの刺激により、織織トロンボプラスチン活性を発現するとともに、そのアポ蛋白の産生を促進した。この組織トロンボプラスチン産生はシクロヘキシミドの添加で抑制され、蛋白の合成を伴う変化であることを明らかとした。3)人培養血管内皮細胞の組織トロンボプラスチン活性の発現に平行して、内皮細胞への放射性ヨード標識第X因子の結合が増加し、内皮細胞表面上で血液凝固が進行することが判明した。4)心筋梗塞や脳梗塞などの血栓症患者の血中フォンビレブラント因子抗原量は増加し、組織プラスミノゲンアクチベータ活性は低下した。いずれも血管内皮細胞で合成放出される物質であり、これら血栓症患者ではその内皮細胞機能は変化していることが示唆された。5)これら患者ではフォブリノゲンの代謝回転の亢進がみられた。又この代謝回転の亢進の程度と内皮細胞機能変化の程度とが有意に相関した。6)以上の成績より血管内皮細胞が何らかの原因で障害されその機能が変化し、組織トロンボプラスチン産生を介して血管内凝固を促進し、その結果、凝固亢進状態を惹起して血栓症発現に至る事が示唆された。今後さらに組織トロンボプラスチンのアポ蛋白に対するモノクローナル抗体を作製して血管内皮細胞の血管内凝固促進機序の詳細につき明らかとしたい。
磁束密度とポテンシャルを変数とする混合有限要素法による3次元渦電流解析手法の開発

従来のベクトルポテンシャルを未知変数とした有限要素磁界解析手法を用いた場合、解析者が実際に知りたい磁束密度の値を得るために、微分演算が必要である。したがって、解の精度を上げるためには要素分割を密にする必要があり、これが計算時間および記憶容量の増大につながり、三次元場磁場解析の実用化の大きな障害となっている。そこで本研究では、解析者が知りたい物理量を微分演算なしに直接求める方法について研究を推め次の成果をあげた。(1)磁束密度を直接未知変数とする新しい手法を用いて、2次元場、軸対象場、3次元場に対する定式化およびプログラム開発を行い、従来法に比べて、磁束密度の精度が45倍向上することを確認した。(2)この考え方を渦電流場問題に拡張するために、渦電流の流れる領域ではベクトルポテンシャルを、その他の領域では磁束密度を未知変数とする手法の定式化を行った。(3)(2)の方法による2次元場用のプログラム開発を行った。(4)本手法の有用性を客観的に評価するために、有限要素解析結果を高精度に可視化するための新しい方法を開発した。(5)本手法を三次元場問題に拡張するために、三次元場についての定式化を完了し、そのプログラム開発を行っている。(6)三次元有限要素解析を実行するために必要な四面体要素自動作成を高速に行う新しい方法を考察し、そのプログラム開発を行った。
線叢の幾何にあらわれる非線形可積分系の研究

1.線叢は3次元射影空間内の直線の2次元族のことである。方程式論的には2変数2未知関数の階数4の斉次線形方程式系と考えてよい。その同値問題はパラメータ空間上の平坦射影接続に帰着して解かれる。これによって、微分不変量を特定することが出来る。線叢は一般に2つの焦曲面を持ち、焦曲面の間の対応を与えている。従って、曲面のラプラス変換は線叢の立場から考えることが出来る。この歴史は古く、G.Darbouxの曲面論の本にはさまざまの扱いがなされているし、また、射影微分幾何の好個の題材であり、多数の研究が前世紀以来行なわれてきた。2.線叢は非線形可積分系の見地からしても豊かな内容を持っている。典型的な方程式は戸田方程式、sinh-Gordon方程式である。幾何学的な対象として重要なものは射影極小曲面である。我々の見地からの過去の成果の整理はまだ行なわれていない。3.この研究では、射影微分幾何のformulationを整理して、このような見地から線叢を見直すことを行なった。関連する話題を含めて、「超幾何系E(k,n)の定める写像について」(東工大,1996年6月3日),「常微分方程式の幾何-やさしい射影微分幾何」(東工大,1996年6月4-7日),「アファイン曲線について」(奈良女子大学,1996年11月11-15日),「射影微分幾何学の問題」(福岡大学,1996年11月20日),「Two topics on affine curves」(東北大学,1996年12月17日),「線叢の幾何」(北海道大学,1997年1月21日)の講演を行なった。これらの講演及びこれまでの講義を基に"On line congruence and Laplace transformation"にまとめている。
歯周病原性細菌内毒素による宿主細胞の活性化と細胞表面抗原の解析

歯周病原性細菌のPorphyromonas gingivalisをとりあげ,そのLPSの免疫学的特異性を明らかにした.次にLPS刺激後の宿主免疫反応としてのB細胞活性化機構を明らかにすることを目的に,C3H/HeJおよびC3H/HeNマウスB細胞を対象にLPS刺激後のチロシンリン酸化反応の検討を行った.さらにP. gingivalisのfimbriaeについても免疫学的,分子生物学的に検討を加え,以下の結論を得た.1.種々のP. gingivalis株より精製したLPSには共通抗原性が認められた.2.LPS刺激によるB細胞チロシンリン酸化反応を検討した結果,マウス脾臓B細胞中にチロシン残基が特異的にリン酸化される分子量,26.0kDaおよび24.8kDaの少なくとも2つの基質タンパク(それぞれp26.0,24.8)が存在することが明らかとなった.3.p26.0およびp24.8は,C3H/HeJおよびC3H/HeNマウスに共通して存在し,B細胞内の細胞膜画分中に局在することがすることが強く示唆された.5.EcLPS刺激後C3H/HeNで認められたリン酸化基質タンパクのバンドは,P. gingivalisのLPS(PaLPS)刺激後認められたバンドと一致することから,異なるLPS刺激によってもB細胞内では同一の経路を介してシグナル伝達が行われていることが強く示唆された.6.LPS刺激後の細胞内チロシンリン酸化反応およびマイトジェン活性は,ともに細胞内チロシンリン酸化反応抑制剤であるハービマイシンAによる前処理で完全に抑制されたことから,PgLPS刺激によるB細胞の活性化には細胞内チロシンリン酸化反応が必須であることが示唆された.7.種々のP. gingivalis株のfimbriaeの免疫学的特異性を検討した結果,LPSとは異なり,P. gingivalis株間の差異が認められた.遺伝子レベルでのfimbriaegeneの検討からもP. gingivalis株ごとの特異性が認められた.歯周病原性細菌のPorphyromonas gingivalisをとりあげ,そのLPSの免疫学的特異性を明らかにした.次にLPS刺激後の宿主免疫反応としてのB細胞活性化機構を明らかにすることを目的に,C3H/HeJおよびC3H/HeNマウスB細胞を対象にLPS刺激後のチロシンリン酸化反応の検討を行った.さらにP. gingivalisのfimbriaeについても免疫学的,分子生物学的に検討を加え,以下の結論を得た.1.種々のP. gingivalis株より精製したLPSには共通抗原性が認められた.2.LPS刺激によるB細胞チロシンリン酸化反応を検討した結果,マウス脾臓B細胞中にチロシン残基が特異的にリン酸化される分子量,26.0kDaおよび24.8kDaの少なくとも2つの基質タンパク(それぞれp26.0,24.8)が存在することが明らかとなった.3.p26.0およびp24.8は,C3H/HeJおよびC3H/HeNマウスに共通して存在し,B細胞内の細胞膜画分中に局在することがすることが強く示唆された.5.EcLPS刺激後C3H/HeNで認められたリン酸化基質タンパクのバンドは,P. gingivalisのLPS(PaLPS)刺激後認められたバンドと一致することから,異なるLPS刺激によってもB細胞内では同一の経路を介してシグナル伝達が行われていることが強く示唆された.6.LPS刺激後の細胞内チロシンリン酸化反応およびマイトジェン活性は,ともに細胞内チロシンリン酸化反応抑制剤であるハービマイシンAによる前処理で完全に抑制されたことから,PgLPS刺激によるB細胞の活性化には細胞内チロシンリン酸化反応が必須であることが示唆された.7.種々のP. gingivalis株のfimbriaeの免疫学的特異性を検討した結果,LPSとは異なり,P. gingivalis株間の差異が認められた.遺伝子レベルでのfimbriaegeneの検討からもP. gingivalis株ごとの特異性が認められた.我々はPorphyromonas gingivalis由来のLPSはその生物学的活性が腸内細菌由来のLPSと異なり,LPS低応答性のC3H/HeJマウスのリンパ球,マクロファージに対して刺激反応を明らかに示すことを報告した。しかし,P.gingivalisのLPSの細胞内のシグナル伝達機構に関しては明らかにはされていない。本研究は,P.gingivalisのLPS刺激によるマウスB細胞内チロシンリン酸化反応についてE.coli由来のLPSと比較検討を行ったものである。B細胞は,C3H/HeN,C3H/HeJマウス脾細胞の単個浮遊液をSephadex G-10カラムおよび抗マウス免疫グロブリン抗体によるPanning法を用いて分離したものを実験に供した。これらのB細胞を用いて上記両LPS刺激後の細胞内チロシンリン酸化反応について検討した結果,P.gingivalisのLPS刺激では特異的にチロシン残基がリン酸化される数種の基質蛋白が存在することが明らかとなった。さらにこれらの基質蛋白はいずれのマウス脾臓B細胞にも共通して存在し,超音波処理により破壊したB細胞の膜画分中に局在することがつよく示唆された。

E.coliのLPS刺激後はC3H/HeNマウスでは同様に特異的リン酸化基質蛋白のバンドが確認されたが,C3H/HeJマウスではhouse keepingと比較し新たなバンドは検出されず,細胞内のシグナル伝達が行われていないことが示唆された。またP.gingivalis LPS刺激後認められたバンドは,E.coli LPS刺激後C3H/HeNマウスで認められたバンドと一致することから,異なるLPS刺激によっても細胞内では同一の経路を介してシグナル伝達が行われていることが推測される。P.gingivalisのLPSによるC3H/HeNマウス、C3H/HeJマウス脾臓Bリンパ球に対する増殖活性は、[^3H]チミジンの取り込みからE.coliのLPSと比較検討した。その結果、P.gingivalisのLPSはLPS非応答性のC3H/HeJマウスの脾臓Bリンパ球に対しても強い増殖活性を示すことが明かとなった。ヒト歯根膜線維芽細胞を対象とした場合、[^3H]チミジンの取り込みからは10μg/ml以上の濃度のP.gingivalisのLPS刺激で有意にDNA合成が促進されることが明らかとなった。ヒト歯根膜線維芽細胞の細胞増殖は顕微鏡下での計測からも確認された。さらに、ケモタキシスチャンバーを用いてヒト歯根膜線維芽細胞のP.gingivalisのLPSに対する遊走活性を検討した結果、10μg/ml以上の濃度のP.gingivalisのLPSで遊走細胞数が有意に増加することが明らかとなった。当初、P.gingivalisのLPS以外に、リポタンパク、線毛タンパクについても、その活性を検討する予定であったが、より安定して供給が可能であること、対照としてE.coliのLPSを用いることができることなどから、LPSにしぼって検討を行った。増殖活性に関してはC3H/HeNマウス、C3H/HeJマウス脾臓Bリンパ球に対してP.gingivalisのLPS刺激で強い増殖反応が観察されこれまでの報告を支持する成績が得られたものの、細胞内のタンパクリン酸化反応に関しては、細胞内基質タンパクのチロシン残基に対するリン酸化反応測定系の確立のみ完了した。ヒト歯根膜線維芽細胞については、これまでの報告では。LPSの細胞毒性に関するものがほとんどであったが、本研究の結果、P.gingivalisのLPSが強い増殖活性を有し、またこれらの細胞に対して走化能を有することが強く示唆された。Porphyromonas gingivalisのLPS刺激後の宿主免疫反応としてのB細胞活性化機構を明らかにすることを目的に,C3H/HeJおよびC3H/HeNマウスB細胞を対象としてLPS刺激後のチロシンリン酸化反応についてより詳細な検討を行った.さらにP.gingivalisのfimbriaeについても,種々の株より精製したfimbriaeを用いてその免疫学的特異性をLPSと比較検討するとともに,分子生物学的な検討を行った.以下に,集積された結果を列記した.1.P.gingivalisのLPS刺激によるB細胞チロシンリン酸化反応では,細胞膜画分中にチロシン残基が特異的にリン酸化される少なくとも2つの基質タンパクが存在することが示唆された.2.その2つの基質タンパクは分子量がそれぞれ26.0kDa,24.8kDa (p26.0およびP24.8と略)で,
ナノ粒子ベシクル新規水相合成法の開発とナノ粒子の規則的複合化に関する研究

ナノ粒子の集積構造は、ナノ粒子単体とは異なる機能を発現する。ナノ粒子が中空状に集積したナノ粒子ベシクルでは、触媒性能の向上や特異なプラズモン特性が報告されている。しかし、従来法では多段階プロセスや低収率といった問題点があった。本研究では、アニオン性界面活性剤の分子集合体を利用したナノ粒子ベシクルの新規合成プロセスを開発した。ナノ粒子存在下でその分子集合体を形成させた後に、シリカ析出反応を行うことで、シリカコートしたナノ粒子ベシクルを高い収率で簡便に合成することに成功した。この手法は種々のナノ粒子の集積に適用可能であり、触媒やプラズモン材料の高機能化に大きく寄与することが期待できる。本研究では、ナノ粒子が集積した構造を持つ新規微粒子合成法の開発を目指している。特に、アニオン性界面活性剤が水溶液中で形成するナノ粒子ベシクル(ナノ粒子が集積し内部が空隙構造)に着目している。平成25年度は、ナノ粒子ベシクルの形成メカニズムの解明や2種のナノ粒子の複合化、シリカ被覆ベシクルへの金ナノ粒子集積を検討した。まず、ナノ粒子ベシクルの生成過程を様々な電子顕微鏡を用いて観察したところ、界面活性剤の自己集合体構造が形成し、反応中にセリアナノ粒子と相互作用することがわかった。また、最終的に得た粒子は、セリアナノ粒子が10 nm程度の層となっており、その周りをシリカで被覆している構造であることがわかった。次に、2種類のナノ粒子を用いた集積化を検討した。セリアナノ粒子と金ナノ粒子を同時に添加するだけの簡便な手法で集積を達成した。ここで気相反応における触媒特性を評価したところ、CO酸化反応が100°C以下の室温に近い温度で開始することがわかった。これは、2種のナノ粒子が近接した相乗効果に因るものと考える。また、シリカ被覆ベシクル表面への金ナノ粒子の集積化を検討した。シリカ表面は多様な表面修飾が可能であり、本研究ではシリカ表面と親和性の高いバインダーを用いることで、金ナノ粒子の集積化に成功した。これはバイオセンシング材料として期待できる。以上より、ナノ粒子集積構造の形成メカニズムを明らかにすると共に、複数の用途に利用可能な粒子の合成に成功した。本研究では、粒子内部にナノ粒子が集積した構造の微粒子合成法の開発を行った。アニオン性界面活性剤水溶液にナノ粒子を添加し、その混合液中でシリカの析出反応を行うことで、中空シリカ粒子内部にナノ粒子が集積した構造の新規微粒子の合成に成功した。平成26年度は、表面プラズモン共鳴に起因する特異な光学特性を持つ金属ナノ粒子を集積した微粒子合成を試みた。上記手法を用いることで、中空シリカ粒子内部にプラズモンナノ粒子を集積させることに成功した。合成粒子のプラズモンピークは、ナノ粒子の集積状態やナノ粒子濃度に依存して長波長側にシフトした。さらに、2種類のプラズモンナノ粒子を同時に添加し実験を行ったところ、どちらの粒子も中空シリカ粒子に内包され、それぞれのナノ粒子に由来するプラズモンピークは長波長側にシフトした。これらの結果より、ナノ粒子の表面プラズモン共鳴を制御可能な新規微粒子の合成に成功した。研究期間を通じて、シングルナノサイズのナノ粒子を内部に集積した中空シリカ粒子の新規合成法の開発に成功し、この手法は様々なナノ粒子に適用可能であることを明らかにした。このナノ粒子集積型の中空シリカ粒子は、触媒やバイオセンシング分野に応用可能な新規ナノ材料であることが示唆された。材料化学工学平成25年度では、まずナノ粒子ベシクル形成機構を解明する上で重要な知見を得た。これは、本手法を他のナノ粒子に適用する場合や、ナノ粒子集積構造を利用した応用の際に重要となる。また、2種のナノ粒子の複合化することによる触媒活性の向上を達成した。これは本研究のナノ粒子集積技術の有用性を示す具体例だと考えている。平成26年度は、ナノ粒子ベシクルの形成メカニズムの詳細を評価すると共に、ナノ粒子集積構造の多様化を検討する。また、外部への成果発表を積極的に行い、他の専門家と意見交流を行うことで研究を深化し、応用の幅を広げる。当該年度では国際会議への参加(情報収集)を検討していた。しかし、概ね良好な結果を得たため、成果発表を行う方針に変更し、次年度の国際会議へ参加することとした。国際会議における成果発表と共に、合成した粒子を用いた粒子の触媒活性評価の委託費用に使用する。
エピタキシャルリフトオフ法による発光素子搭載光電子集積回路の研究

集積回路(LSI)内で、金属配線を用いて高速な信号伝達を実現しようとすると、大きなサイズが必要になり、LSIチップ内での配線には適さなくなる。信号伝搬速度とサイズの問題を解決する手法として、光配線が有力な候補となり得る。本研究では、LSIチップ内での光配線を実現するために、GaAs発光素子を搭載する技術を主に、いくつかの技術を開発した。従来は、GaAs発光素子を研磨法によって薄層化し、これをSiLSIチップ上に張り合わせていた。しかし、この方法は高価なGaAs基板を消費してしまうため実用的ではない。本研究では、研磨法に代わって、エピタキシャルリフト法と呼ばれる方法を改良し、従来の18培の高速化を達成した。エピタキシャルリフト法とは、GaAs基板上に発光素子を形成する際、AlAs層を挟んでから発光素子を形成し、その後AlAsリリース層を弗酸によって選択的にエッチングし、GaAs発光素子をGaAs基板から剥離し、SiLSI上に積層する方法である。高速化は、エッチング液に界面活性剤、消泡剤を添加、加温し、さらに窒素圧力5kgf/cm^2を印加することにより達成された。発光素子をSi基板上に張り合わせる技術を開発し、その発光素子に劣化のないことを確認した。さらに、発光素子と光導波路を結合するグレーティングカプラの設計・製作法、無欠陥光導波路作製技術、および分岐光導波路の設計・製作法を開発した。また、光配線のメリットを最も発揮できる多分岐光配線システムとして、光結合コホーネンネットと呼ばれる画像認識チップを設計・試作し、その基本的な部分の動作を確認した。本研究ではエピタキシャルリフトオフ(ELO)法と呼ばれる方法により、Si集積回路上へ高品質な発光素子を搭載する方法を確立することを目的としている。平成8年度は、ELO法の高速化を行った。ELO法は非常に薄いAlAs層を弗酸によって選択的にエッチングし、AlAs層上に形成した薄い発光素子をGaAs基板から剥離する方法である。従って剥離速度が遅いことや剥離後の発光素子のハンドリングが困難であるなどの問題があった。そこで弗酸に界面活性剤と消泡剤を添加し、液温を40°Cに加熱することで、AlAsエッチング速度を約8倍に高速化することができた。この方法によりGaAs基板から剥離した発光素子の結晶性に顕著な劣化が無いことをホトルミネッセンス法により確認した。さらに剥離後の発光素子の支持にサファイア基板を用いる新たなELO法を開発し、薄膜のハンドリングの問題を解消した。サファイア基板は透明なのでSi集積回路上への発光素子の位置合わせもガラスマスクと同様に容易に行うことができる。また、弗酸に耐性のあるポロプロピレン製のホルダーとネジを用いて人工的にウエハ-を反らせ、AlAs層のエッチングを促進させる方法を開発した。高速ELO法によりGaAs基板から剥離したGaAs発光素子アレイを3次元積層装置を用いてSi基板上に接着した。接着にはGaAsとSiの両者と室温でも反応するPd金属を用いた。Si基盤上に搭載したGaAs発光素子の光出力が、GaAs基板上の発光素子の光出力を上回っていた。GaAa/Pd界面で光が反射し上方へ出射してきたものと考えられる。この結果は、光出力の高い発光素子をSi集積回路上にも搭載できる可能性を示唆している。なお設備備品のパーソナルコンピュータ及びAT-MIO-16Xボードは、MBE装置を自動化し、結晶成長時の様々な情報をリアルタイムで観察する目的で購入した。平成9年度はELO法の更なる高速化を行った。