hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
超電導薄膜積層体を用いた高出力密度埋込磁石型モータに関する研究

今年度の研究においては、まず積層超電導体を搭載予定のモータ界磁部分をバルク超電導体で置き換えた場合の埋込永久磁石型モータ(IPM)について有限要素法による電磁設計を行ない、モータのトルク特性や損失等に関する考察を行なった。また、実験準備を進めるため希土類系超電導線材及び、超電導体を実際に搭載して回転させるモータの調達を行なった。本研究成果によりモータ構造の違いにおける電磁特性を明らかにし、国内外で合計4件(招待講演1件、国際学会1件、国内学会2件)の研究発表を行い、さらに査読付の海外ジャーナル論文を1本出版した。まず電磁設計に関しては、3種類の回転子構造で電磁設計及び特性の比較を行なった。回転子構造は現用の電気自動車に用いられている構造を参考にしている。バルク超電導体配置としては、オーソドックスな横型配置、V字型配置、三角型配置としている。これらの構造に関して、バルク超電導体内の着磁強度をパラメータとして変化させた場合のトルク特性、モータ損失、さらにトルク発生時における界磁の貢献度を調べるため、トルクを界磁体積で割った値γ[kNm/m^3]を求めて比較を行なった。また既存の永久磁石を用いた場合との比較も行なうため、バルク超電導体部分へ永久磁石を用いた場合のモータの電磁設計も行い、同様に特性を算出した。その結果、V字型構造を採用した場合が最もトルク特性が高く、γの値も永久磁石型のV字構造と比較して90%以上向上した。電磁設計を行なう一方で、希土類系高温超電導線材並びに、実験用のモータを調達し、回転子部分にバルク超電導体を搭載して、液体窒素中にモータを浸した状態で回転させることにも成功した。本年度の研究では、積層線材の前に、本材料よりも高い電流密度を確保することが可能なバルク超電導体を用いて、埋込永久磁石型モータ(IPM)の電磁設計を行なっている。これは積層超電導体全体を一つの超電導体の塊としてみなした場合と位置づけることが出来、まず本構造にて超電導界磁をIPM構造に適用した場合の基礎特性を考察することが目的である。まず電磁設計に関して、ダンプやクレーン等の大型重機に求められる低速・高トルクのモータへの適用を前提として、3種類の回転子構造で電磁設計及び特性の比較を行なった。現用の大型ダンプに用いられている駆動用モータを参考にし、モータ直径は1.0m、回転数1900rpmと設定した。また、超電導体の冷却温度は65-77 Kと液体窒素の使用を前提とした冷却温度とした。これらの構造に関して、バルク超電導体内の着磁強度をパラメータとして変化させた場合のトルク特性、モータ損失、さらにトルク発生時における界磁の貢献度を調べるため、トルクを界磁体積で割った値γ[kNm/m^3]を求めて比較を行なった結果、V字型のバルク超電導体配置を回転子に採用した場合が最もトルク特性が高く、永久磁石を使用した場合よりも90%以上γの値が高くなることが示された。電磁設計を行なう一方で、本研究にて提案するモータの原理実験を行なうため、実験用モータを調達し、バルク超電導体を搭載して液体窒素内で回転させることにも成功した。さらに次年度の積層超電導体によるモータ界磁を実現するため、希土類系超電導線材の調達も行なっている。以上によりモータ回転子構造の違いにおける電磁特性を明らかにし、国内外で合計4件(招待講演1件、国際学会1件、国内学会2件)の研究発表を行い、さらに査読付の海外ジャーナル論文を1本出版した。前年度の電磁特性においては、V字型の回転子構造を持つIPMを採用した場合が最も高いトルク特性が高いことが示された。しかし、IPMの特長である二種類のトルク(マグネットトルク及びリラクタンストルク)に分解して考察した場合、発生トルクに対するマグネットトルクの割合が9割以上を占めていることが分かった。すなわち、リラクタンストルクを有効に活用できる余地がまだ残されていると考えられる。よって今後は更にこの構造をベースとして最適設計等を行なっていくことで、更に高いトルク特性を持つ超電導IPM構造を考察していく予定である。また、バルク超電導体(または積層超電導体)を永久磁石のように着磁せず、磁気遮蔽材として用いた場合のモータ特性についても考察していくことを考えている。前年度の結果を踏まえて、今年度はバルク超電導体を積層させた超電導線材に変更した場合に関する考察を、有限要素法解析及び実験の両面から進めていく予定である。特に、前年度に購入した希土類系高温超電導線材を積層させた構造に関しては、モータに搭載する前に、積層超電導体のみによる着磁実験や特性解析を行い、捕捉磁界の磁束密度分布や最大磁束密度を確認する予定である。超電導部分に焦点を当てた実験を行なう一方、積層した超電導体モータに搭載した場合の基礎特性を調べるため、測定系の構築を行なっていく必要がある。前年度はバルク超電導体を搭載したモータを回転させることに成功したが、トルク特性や回転数等の定量的な数値を得るため、トルクメータや回転計等をはじめとした測定機器を調達してモータ特性を測定するためのテストベンチを構築していく予定である。

今年度の研究においては、まず積層超電導体を搭載予定のモータ界磁部分をバルク超電導体で置き換えた場合の埋込永久磁石型モータ(IPM)について有限要素法による電磁設計を行ない、モータのトルク特性や損失等に関する考察を行なった。また、実験準備を進めるため希土類系超電導線材及び、超電導体を実際に搭載して回転させるモータの調達を行なった。本研究成果によりモータ構造の違いにおける電磁特性を明らかにし、国内外で合計4件(招待講演1件、国際学会1件、国内学会2件)の研究発表を行い、さらに査読付の海外ジャーナル論文を1本出版した。まず電磁設計に関しては、3種類の回転子構造で電磁設計及び特性の比較を行なった。回転子構造は現用の電気自動車に用いられている構造を参考にしている。バルク超電導体配置としては、オーソドックスな横型配置、V字型配置、三角型配置としている。これらの構造に関して、バルク超電導体内の着磁強度をパラメータとして変化させた場合のトルク特性、モータ損失、さらにトルク発生時における界磁の貢献度を調べるため、トルクを界磁体積で割った値γ[kNm/m^3]を求めて比較を行なった。また既存の永久磁石を用いた場合との比較も行なうため、バルク超電導体部分へ永久磁石を用いた場合のモータの電磁設計も行い、同様に特性を算出した。その結果、V字型構造を採用した場合が最もトルク特性が高く、γの値も永久磁石型のV字構造と比較して90%以上向上した。電磁設計を行なう一方で、希土類系高温超電導線材並びに、実験用のモータを調達し、回転子部分にバルク超電導体を搭載して、液体窒素中にモータを浸した状態で回転させることにも成功した。本年度の研究では、積層線材の前に、本材料よりも高い電流密度を確保することが可能なバルク超電導体を用いて、埋込永久磁石型モータ(IPM)の電磁設計を行なっている。これは積層超電導体全体を一つの超電導体の塊としてみなした場合と位置づけることが出来、まず本構造にて超電導界磁をIPM構造に適用した場合の基礎特性を考察することが目的である。まず電磁設計に関して、ダンプやクレーン等の大型重機に求められる低速・高トルクのモータへの適用を前提として、3種類の回転子構造で電磁設計及び特性の比較を行なった。現用の大型ダンプに用いられている駆動用モータを参考にし、モータ直径は1.0m、回転数1900rpmと設定した。また、超電導体の冷却温度は65-77 Kと液体窒素の使用を前提とした冷却温度とした。これらの構造に関して、バルク超電導体内の着磁強度をパラメータとして変化させた場合のトルク特性、モータ損失、さらにトルク発生時における界磁の貢献度を調べるため、トルクを界磁体積で割った値γ[kNm/m^3]を求めて比較を行なった結果、V字型のバルク超電導体配置を回転子に採用した場合が最もトルク特性が高く、永久磁石を使用した場合よりも90%以上γの値が高くなることが示された。電磁設計を行なう一方で、本研究にて提案するモータの原理実験を行なうため、実験用モータを調達し、バルク超電導体を搭載して液体窒素内で回転させることにも成功した。さらに次年度の積層超電導体によるモータ界磁を実現するため、希土類系超電導線材の調達も行なっている。以上によりモータ回転子構造の違いにおける電磁特性を明らかにし、国内外で合計4件(招待講演1件、国際学会1件、国内学会2件)の研究発表を行い、さらに査読付の海外ジャーナル論文を1本出版した。
火山流体系の長期変動の地震学的解明 -アナログ記録から探る阿蘇火山微動活動-

本研究は,火山活動の推移に伴って火道システム内の流体系がどのように変化するかを地震学的手法により定量化することを狙い,阿蘇火山長周期微動を例にその波動特性の長期的変動を詳細に検討し,そのモデル化を行う.そのため研究計画2年度にあたる今年度は,まず初年度において開発を行ったアナログ記録トレース・ソフトウェアを利用し,1930年代から現在に至るまで残されている煤書き記録の数値化を進め,そこに記録されている火山性長周期微動の周波数特性をデータベース化した.今年度は,京都大学地球熱学研究施設に保存されている阿蘇火山の煤書き地震記録のうち1930年代から1960年代までの期間において代表的な記象約150枚をデジタル化し,そのトレースを行った.この期間は阿蘇火山の活動時期を2度含むものであるが,デジタル化の結果,長周期微動周期の時間変動は活動推移と強い相関があることが示された.さらに今年度は,このような長周期微動波動特性と火山性流体物性の関係を定量化するために流体亀裂問題の数値解法の拡張を行った.活動期における火道内現象には粘性物質であるマグマが関与するため,本研究では流体亀裂振動に対する流体粘性の影響にも着目し境界積分法を用いた数値解法の拡張を行った.その結果,流体亀裂振動の減衰特性とマグマ粘性の関係を定量化することが可能となった.阿蘇火山の浅部火道システムの場合,粘性率が10^4Pa・s以上の場合長周期微動として観測されるような地震波を発生し得ないことが示され,このような数値モデリングにより火道内の温度圧力状態の推定により強い制約を与えることが可能となった.また,これらの新たな数値モデリングを通した過去の記録の再検討と同時に,本研究の成果を今後の阿蘇火山の活動推移の定量的理解に役立てるため広帯域地震観測網を用いたリアルタイム・モニタリングシステムの構築も行った.本研究は,これまでの研究により火道システムの構造が解明されており,火山性流体と地殻の相互作用の最良の実験場ともいえる阿蘇火山を題材に,地震学的手法により火山性流体の物性変化の定量化を行うことを目的とする.静穏期の阿蘇火山での流体系の挙動は解明されているため,残す課題は,火山活動の推移に伴って流体系がどのように変化するかを明らかにすることである.そこで,本研究では,固液系における波動現象の数値モデリングを行うとともに,1930年代以降記録・保存されてきた火山性微動のアナログ波形記録をデジタル化し再解析を行う.本研究では長期的な火山性微動の変動の検出に主眼をおくため,研究計画初年度である今年度は,過去のアナログ記録のデジタル化に集中的に時間・資源を投資し研究を行った.記録のデジタル化にあたっては,紙記録のスキャン画像から効率的に波形を抽出するために,デジタイズ用ソフトウェアの開発を行い,長期間に渡る連続記録の数値化を行った.開発したソフトウェアはQtによるGUIを備え,予測フィルタによる波形トレースを行うものであり,本研究以外の用途にも利用することのできる汎用的な設計となっている.一方,このようにして得られた記録を解析した結果,1930年代の煤書き記録の中に約10秒の周期を持つ火山性微動が捉えられていることを初めて明らかにした.この微動は,従来の研究で指摘されていた約5秒周期の第二種微動に対応した火道システムの基本モードであり現在広帯域地震計で観測される15秒周期の長周期微動に相当するものと考えられる.またこの火山性微動の周期は時間的に変化をしており,その変化は表苗的な火山活動と強い相関を持つものであることも明らかになった.来年度以降,火道システムの数値モデリングを進めることにより,火山性微動周期の時間変化と火山性流体の変化を定量的に理解することが可能になると期待される.本研究は,火山活動の推移に伴って火道システム内の流体系がどのように変化するかを地震学的手法により定量化することを狙い,阿蘇火山長周期微動を例にその波動特性の長期的変動を詳細に検討し,そのモデル化を行う.そのため研究計画2年度にあたる今年度は,まず初年度において開発を行ったアナログ記録トレース・ソフトウェアを利用し,1930年代から現在に至るまで残されている煤書き記録の数値化を進め,そこに記録されている火山性長周期微動の周波数特性をデータベース化した.今年度は,京都大学地球熱学研究施設に保存されている阿蘇火山の煤書き地震記録のうち1930年代から1960年代までの期間において代表的な記象約150枚をデジタル化し,そのトレースを行った.この期間は阿蘇火山の活動時期を2度含むものであるが,デジタル化の結果,長周期微動周期の時間変動は活動推移と強い相関があることが示された.さらに今年度は,このような長周期微動波動特性と火山性流体物性の関係を定量化するために流体亀裂問題の数値解法の拡張を行った.活動期における火道内現象には粘性物質であるマグマが関与するため,本研究では流体亀裂振動に対する流体粘性の影響にも着目し境界積分法を用いた数値解法の拡張を行った.その結果,流体亀裂振動の減衰特性とマグマ粘性の関係を定量化することが可能となった.阿蘇火山の浅部火道システムの場合,粘性率が10^4Pa・s以上の場合長周期微動として観測されるような地震波を発生し得ないことが示され,このような数値モデリングにより火道内の温度圧力状態の推定により強い制約を与えることが可能となった.

また,これらの新たな数値モデリングを通した過去の記録の再検討と同時に,本研究の成果を今後の阿蘇火山の活動推移の定量的理解に役立てるため広帯域地震観測網を用いたリアルタイム・モニタリングシステムの構築も行った.
人類学の理論的枠組みを応用した日本語学習者のフィールドワーク教育

文化人類学で用いられるフィールドワークは、現地調査の過程で様々な人々と関わりを持ち、そのプロセスの中で現地の人々の生活世界を理解するホーリスティックな社会調査の方法であり、外国語学習においてもフィールドワークが言語文化の学びに役立つのではないかと期待されている。しかし、人類学の理論を応用した言語学習におけるフィールドワークの実証的な研究は少なく、人類学と言語文化教育のバックグランドを持つ研究者の連携による体系的な実践研究が強く求められている。こうした課題意識に基づき、本研究ではフィールドワークが言語文化教育にどのように活用できるのかを調査する。本研究の目的は第一に、留学生と日本の学生の混合フィールドワークプロジェクトの教育デザインの分析、学習プロセス、学習成果の分析を行う。第二に、それらの分析結果に基づいて、言語教育活動に活用できる部分を抽出したガイドラインを作成し、今後の教育活動の発展に資するリソースを提供する。本研究は平成28年度から平成31年度までの4年間行い、3年目にあたる2018年度は、これまでの調査を継続し、留学生と日本の学生が協働で行う国内のフィールドワーク教育の実態調査を行うと同時にこれまでのデータの統合、分析を行った。そして、フィールドワーク教育の効果的なデザイン、学びのプロセスの実態、学びの意義、教育上の留意点などを明らかにした。本研究の本年度の研究成果発表として、調査に関連する図書1冊、研究論文1本(査読付き)、学会発表5件(うち国際学会3件)を行った。本年度はフィールドワーク・プログラムの教育デザイン分析、学習プロセス・学習成果のデータの統合と最終分析を行ったが、当初予定したよりも多くのデータが集まったため、結果の統合と分析にやや遅れが生じた。このため、最終成果をとりまとめて発信するために事業期間を1年間延長することとなった。次年度(2019年度)は本研究の最終年度となる。これまでの研究の成果を統合し、国内で行われる留学生と日本人学生の協働フィールドワーク教育の意義と教育上の留意点をまとめ、学会発表、学術論文の執筆、図書出版などを通じて研究成果を広く対外的に発信する予定である。第一に、留学生と日本の学生の混合フィールドワークプロジェクトの教育デザインの分析、学習プロセス、学習成果の分析を行う。本研究は平成28年度から平成30年度までの3年間行い、初年度である2016年度は、教室での留学生と日本の学生の混合フィールドワーク・プロジェクトの分析を集中的に行った(教育指導場面の録画、学生のフィールドワークの観察、録画、録音データの分析、学生の発表、振り返りジャーナル、ミニエスノグラフィーの分析、参加学生のインタビュー結果の分析など)。これらのデータ収集、分析を通じて、フィールドワークプログラムの教育的な意義と指導の課題を明らかにした。本研究の研究成果発表として、調査に関連する研究論文6本(うち査読付き4本、国際共著2本)、学会発表9件(うち国際学会8件)を行った。初年度の目標であったフィールドワーク・プログラムの教育デザイン分析、フィールドワークを通じた学習プロセス・学習成果の分析をほぼ予定通り行うことができた(1年間で80名の学生のフィールドワークの実践データを収集、分析)。成果発表として、調査に関連する研究論文6本(うち査読付き4本、国際共著2本)、学会発表9件(うち国際学会8件)を行い、関連分野の研究者に調査で得られた知見を発信することができた。これまで人類学の理論と方法論を応用した言語学習におけるフィールドワークの実証的な研究は少なく、人類学と言語文化教育の両方のバックグランドをもつ研究者による体系的な実践研究が強く求められている。こうした課題に対応するために、本研究では言語文化教育とフィールドワーク教育の両面において専門性をもつ研究者が連携し、国内の言語文化教育におけるフィールドワーク教育の実態調査を行っている。本研究の最終的な目的は、国内での留学生と日本人学生のフィールドワークを通じた学びの意義、そして教育上の留意点を明らかにすることにある。本研究は平成28年度から平成30年度までの3年間にわたり行うもので、本年度(平成29年度)は調査の2年目にあたる。本年度行った研究は次のとおりである。1初年度の調査を継続し、留学生と日本の学生が協働で行う国内のフィールドワーク教育の実態調査を行った。2上記の調査データの分析を行い、フィールドワーク教育の効果的なデザイン、学びのプロセスの実態、学びの意義を明らかにした。そして、フィールドワーク教育を効果的に行うための教育上の留意点を明らかにした。3本研究の研究成果発表として、査読付き論文4件(うち国際共著1件)、学会発表9件(うち招待講演2件、国際学会4件)、そして図書4件が挙げられる。本年度の研究成果は、日本語教育だけでなく外国語教育、異文化間教育、国際教育などさまざまな分野で幅広く活用することができるものである。

当初の計画通り、フィールドワーク教育のデザイン分析、学習実態調査、学習成果の分析、そして教育への応用に向けた教育上の留意点を明らかにすることができた。成果発表として、査読付き論文4件(うち国際共著1件)、学会発表9件(うち招待講演2件、国際学会4件)、そして図書4件が挙げられる。本テーマの関連分野の研究者、研究者に調査で得られた知見を発信することができており、本研究課題は順調に進展していると考える。文化人類学で用いられるフィールドワークは、現地調査の過程で様々な人々と関わりを持ち、そのプロセスの中で現地の人々の生活世界を理解するホーリスティックな社会調査の方法であり、外国語学習においてもフィールドワークが言語文化の学びに役立つのではないかと期待されている。しかし、人類学の理論を応用した言語学習におけるフィールドワークの実証的な研究は少なく、人類学と言語文化教育のバックグランドを持つ研究者の連携による体系的な実践研究が強く求められている。こうした課題意識に基づき、本研究ではフィールドワークが言語文化教育にどのように活用できるのかを調査する。本研究の目的は第一に、留学生と日本の学生の混合フィールドワークプロジェクトの教育デザインの分析、学習プロセス、学習成果の分析を行う。第二に、それらの分析結果に基づいて、言語教育活動に活用できる部分を抽出したガイドラインを作成し、今後の教育活動の発展に資するリソースを提供する。本研究は平成28年度から平成31年度までの4年間行い、3年目にあたる2018年度は、これまでの調査を継続し、留学生と日本の学生が協働で行う国内のフィールドワーク教育の実態調査を行うと同時にこれまでのデータの統合、分析を行った。そして、フィールドワーク教育の効果的なデザイン、学びのプロセスの実態、学びの意義、教育上の留意点などを明らかにした。本研究の本年度の研究成果発表として、調査に関連する図書1冊、研究論文1本(査読付き)、学会発表5件(うち国際学会3件)を行った。本年度はフィールドワーク・プログラムの教育デザイン分析、学習プロセス・学習成果のデータの統合と最終分析を行ったが、当初予定したよりも多くのデータが集まったため、結果の統合と分析にやや遅れが生じた。このため、最終成果をとりまとめて発信するために事業期間を1年間延長することとなった。2年目は、継続して学生間のフィールドワークの学習成果の分析を行うと同時に、全体のデータを統合し、留学生教育、言語文化教育の分野でフィールドワークを活用する際に必要な準備項目、実践手順、留意点などを整理し、ガイドラインの策定を行う。3年目(最終年度)は、これまでの継続研究の結果を統合し、ガイドラインを完成させる。そして、学会発表、学術論文の投稿、図書出版の準備、フィールドワーク教育のワークショップを実施し、研究成果を広く対外的に発信する。次年度(2018年度)は本研究の最終年度となる。これまでの研究の成果を統合し、国内で行われる留学生と日本人学生の協働
統合ナノバイオメカニクスの創成

分子スケールからのボトムアップアプローチによって,統合ナノバイオメカニクスを構築した.これにより,感染症を始めとする様々な疾患を計算機上で再現することに成功し,疾患の進行や薬効の定量的予測に基づく新しい診断・治療方法を創出した.さらに医療用MEMSデバイスの設計に応用し,がん細胞やバクテリアを分離・検出するバイオチップを開発した.研究成果は,査読付き雑誌論文として50編発表した.本年度は,分子スケールおよび細胞スケールの統合ナノバイオメカニクスを主な研究課題として推進した.得られた主要な成果は以下のとおりである.(1)バクテリアの分離技術は細胞操作や水の浄化等で重要な基盤技術である.流体力学,細胞生物学,生物物理学の知見を用いて,流路内でのバクテリア挙動の理論・計算解析, MEMS技術による微小流路作成, PIV法による挙動計測の手法を統合し,バクテリアを遊泳能によって分離するマイクロチップを開発した(Ishikawa et al., Lab. Chip, 14, 1023, 2014).(2)マラリア感染赤血球と血管内皮細胞に発現するタンパク間のリガンドーレセプタ結合の計算モデルを構築し,マラリア感染赤血球の細胞力学モデルを構築した.さらにこの手法をがん細胞の流動や血小板血栓形成の解析に応用した(Kamada et al., Microvasc. Res., 89, 95, 2013).(5)繊毛を有する微生物が気液界面に捕捉される現象を発見した.またこの現象が走化性や走地性などの生物学的要因によるものでなく,物理学的要因によるものであることを示した(Ferracci et al., PLoS One, 8, e75238, 2013).本年度は,分子スケールおよび細胞スケールの統合ナノバイオメカニクスを主な研究課題として推進した.得られた主要な研究成果は以下のとおりである.1.クライオ電子線トモグラフィ法を用いて気管繊毛内のモータータンパク質の三次元構造を解析し,ダイニン運動時の構造変化を解明した(Ueno et al., Cytoskeleton, 71, 412,2014).2.マラリア,白血球の免疫機能,血栓症,がんの血行性転移などにおける微小血管内の細胞流動を解析するための計算モデルを構築した(Takeishi et al., Physiol. Rep., 2, e12037, 2014).5.マイクロ・ナノバブルを用いて,酸素過飽和流体を生成できることを示し,マイクロ・ナノバブルを含んだ生理食塩水が血液の酸素化に有効であることを明らかにした(Matsuki et al., Int. J. Nanomed., 9, 4495, 2014).6.血液に関連する生命現象プラットフォームの構築に必要となる最先端の実験生体力学および計算生体力学の研究を網羅的に調査し,これらをまとめた総説論文を発表した(Omori et al., Ann. Biomed. Eng., 43, 238, 2015).本年度は,組織・臓器スケールの統合ナノバイオメカニクスを創成するため,前年度までに開発した分子・細胞スケールの統合ナノバイオメカニクスをボトムアップ的に応用し,特に細胞集団挙動が関わる生命現象を中心に研究を推進した.得られた主要な研究成果は以下のとおりである.1.微小血管中を流動する循環腫瘍細胞の挙動を初めて解析し,血管径の増加に伴い,赤血球集団との流体力学的相互作用の変化により流動形態がTrainからMarginationへと移行することを明らかにした(Takeishi et al., Phys. Rev. E, 92, 063011, 2015).2.細胞懸濁液の一般的なモデルとしてカプセル濃厚懸濁液を考え,マクロスケールの連続体モデル構築のための粒子応力テンソル解析を実施した(Matsunaga et al., J. Fluid Mech., 786, 110, 2016).例えばせん断方向の応力テンソル(せん断粘度)に対して,変形能を有するカプセル懸濁液では高次の効果が小さく,粒子体積率40%程度までは2次の関数として記述できることを示した.3.遊泳微生物の集団挙動を流体力学的に解析し,微生物形状のアスペクト比や遊泳モードによって様々な集団運動が形成され,これが主に近接の流体力学的相互作用によって生じることを明らかにした(Kyoya et al., Phys. Rev. E, 92, 063027, 2015).また細胞懸濁液における細胞の物質吸収の詳細を解析した(Ishikawa et al., J. Fluid. Mech., 789, 481, 2016).4.細胞の鞭毛が「スピン+旋回運動」というコマのような回転運動をしていることを実験的に見出し,理論解析と数値計算との統合的解析によって,回転メカニズムは鞭毛が作り出す流れで説明できることを明らかにした6.走光性を有する微生物と気泡流の干渉に関する実験を実施し,形成される渦のパターンや大きさを予測することを可能にした(Nonaka et al., Biol. Open, 5, 154, 2016).研究は当初の計画以上に進展している.

平成27年度は,細胞スケールの計算生体力学手法をボトムアップ的に細胞集団挙動が関わる生命現象に応用し,循環腫瘍細胞,マラリア,精子,遊泳微生物まで様々な細胞懸濁液を解析した.特に,マラリアやがんの血行性転移に関わる分子-細胞-組織のマルチスケール解析を実現し,循環器系に対する生命現象解析プラットフォームを構築した.循環腫瘍細胞に関する成果は,米国物理学協会(the American Institute of Physics)が運営するニュースサイト, Inside Scienceで紹介されるなど世界的に注目されている.さらに,鞭毛の回転運動を実験的に発見し,理論解析と数値計算によってメカニズムを解明した.これは統合ナノバイオメカニクスの象徴的な成果である.これらの成果は雑誌論文14件,国際会議発表44件(うち招待講演22件)などで発表しており,アジア太平洋バイオメカニクス会議における基調講演を行うなど国際的に評価されており,当初の計画以上に進展していると評価している.本年度は,循環器系に対する生命現象解析プラットフォームの構築を推進した.得られた主要な成果は以下のとおりである.1.血球細胞と血管内皮細胞間の接着タンパクのリガンド-レセプタ結合(分子スケール),細胞膜・細胞質の固体力学・流体力学(細胞スケール),同種細胞間・異種細胞間の生化学的相互作用・力学的相互作用を連立する数理・計算モデルを構築し,循環器系の分子-細胞-組織(細胞集団)間相互作用の解析プラットフォームを構築した.これをマラリアに適用し,微小循環におけるマラリア感染赤血球の接着現象を再現・解析した(Ishida et al., Sci. Technol. Adv. Mater., 2016).4.平成26年度に実施したマウスの気管上皮細胞における繊毛細胞集団の作り出す流れ場の実験的解析を発展させ,液体粘度と繊毛運動および流れ場の関係を明らかにした(Kikuchi et al., Ann. Biomed. Eng., 2017).5.平成25年度に報告したバクテリア分離チップの開発においで確立した方法論を応用し,流体力学の理論に基づく微小流路形状の提案,流体計算による最適形状設計, MEMS技術とPIV法による微小流路実験を統合し,血漿層厚さを制御できる血液用マイクロチップを開発した(Saadatmand et al., J. Biomech., 2016).6.これまでに開発してきたカプセルや赤血球の高精度計算モデルを用いて,カプセルのリフト現象や赤血球の沈降現象の詳細を明らかにした(Nix et al., J. Biomech., 2016 ; Matsunaga et al., J. Fluid Mech., 2016).本年度は、前年度までに開発した解析プラットフォームを用い、生理現象から病理現象にいたる幅広い研究課題に取り組んだ。実験と理論、シミュレーションの手法を相補的に結合し、統合ナノバイオメカニクスを推進した。得られた主要な研究成果は以下のとおりである。1.タイニン分子モーターによって駆動される繊毛軸支の計算力学モデルを構築した。軸支が安定な回転運動を行うためには、タイニン活性の特性時間が重要であることを示した。この結果をスケールアップし、繊毛が作り出すマクロスケールな流れ場も明らかにした。(Omori, etal.,J. Biomech., 2017)2.毛細管内を流動する赤血球は、後方に渦を形成して血小板などの微小粒子を捕捉することを明らかにした。この成果は、ドラッグデリバリーにおける粒子サイズの選定に有用である。(Takeishi & Imai, Scientific Rep., 2017)
迅速網羅分析手法の開発とＧＩＳを活用した汚染評価システムへの導入

本申請研究は、1網羅分析手法と迅速データ処理システムの開発、2東京湾流域全域の河川試料の分析、3空間的汚染評価システムの構築・発展、の3つのテーマから構成される。申請研究遂行の最終年度として、1について非標的化合物の検出力について従来法よりもさらに高めるためのデコンボリューション手法を開発した。これは非負制約因子分析法に基づくシグナル分離法であり、従来よりも3倍程度多くの数の化合物を同定検出するノンターゲットスクリーニング法で、ソフトウェアNMFwithDBcreatorとしてリリースした。2について、NMFwithDBcreatorを適用し、395種の化合物同定する事ができた。この内で特に同定確度の高いものは67種であり、この中からデータ抽出容易な同定化合物27種を選びT-SENによる定量解析を実施した。農薬や化粧品の検出に加え、特にリン系難燃剤が高い相対シグナル比を示した。以上から本手法を用いることで優先的に対処していくべき汚染物質を絞ることが容易となる可能性が示された。3について、2で検出された非標的化合物情報をGIS上にマッピングし、空間的な汚染評価を可能とする枠組みを、提案実施した。67種化合物について、東京湾流域内の各試料採取地点における検出数をマッピングした。各地で検出数に大きな違いは認められなかったが、農地では農薬類が多く検出される等の検出される化合物組成の違いが認められた。さらに2で定量的情報を得た27種について値をマッピングした所、リン系難燃剤は都市域で特に高い値を示した。以上のように、網羅分析手法とGISを組み合わせて空間的な汚染評価を行う枠組みを用いることで、優先的に対処すべき汚染物質と注目すべき地点の情報が効率的に提供可能となることを示した。26年度が最終年度であるため、記入しない。本申請研究は、環境中化学物質の網羅分析手法の開発と迅速データ処理システムの開発及び汚染評価システムの発展を目的とし、(1)網羅分析手法と迅速データ処理システムの開発、(2)東京湾流域全域の河川試料の分析、(3)空間的汚染評価システムの構築・発展、の3つのテーマから構成される。申請研究遂行の初年度は、(1)網羅分析手法と迅速データ処理システムの開発に関して、当初の予定通り、2次元ガスクロマトグラフィー(GCxGC)と高分解能飛行時間型質量分析計(HRTOFMS)もしくは四重極型タンデム質量分析計(MS/MS)を用いた網羅分析手法の開発を行った。具体的には、対象物質の含有濃度が付値されている認証値付き環境標準サンプルの測定を行い、新規開発した解析ツールを用いた自動処理を行った。その結果、HRTOFMSで測定を行った場合、未精製試料に対しても、従来の高度前処理・測定法と遜色ないレベルで自動定量が可能となることが明らかとなった。この成果は国際誌に受理され、出版予定となっている。(2)東京湾流域全域の河川試料の分析に関しては、当初の予定通り、広範な極性の物質群を同時に捕集する事が可能な試料前処理・濃縮法の検討を行った。この最適化した方法を東京湾流域河川試料に適用しGCxGC-HRTOFMSによる測定を行った。今後はこの測定データの解析を進めて行く予定である。(3)空間的汚染評価システムの構築・発展に関しては、当初の予定通り、スイス連邦工科大学の共同研究者と汚染評価システムの開発を行う基盤を整えた。1年間の在外研究を予定しており、彼らの研究プロジェクトと連携し、網羅分析手法・空間的汚染評価システムの両面の開発に着手した。申請研究遂行の2年度目として、1に関して初年度に開発した2次元ガスクロマトグラフィー一高分解能飛行時間型質量分析計(GCxGC-HRTOFMS)のスキャン分析データに対応する標的化合物の自動定量ツール(T-SEN)に加え、化合物グループごとに迅速自動定量を行うComSpecを開発した。T-SENについてはGCにおける標的化合物異性体の分離が不完全となる際、正確な定量が困難となるが、化合物グループとして異性体合計含有量の定量を目的とするComSpecを適用することで補足的情報を得ることが可能であると示された。この成果は7-(1)-3の通り、誌上発表されている。また、これら標的化合物用のツールに加え、非標的化合物をデータ中から抽出するツール(仮称: DBCreator)の開発に取り組んだ。今後その成果発表を行っていく予定である。2についてGCxGC-HRTOFMSによる河川水試料分析を行っており、T-SENによるデータベース中化合物の探索・定量を行った。この非標的化合物スクリーニングにより本試料に含まれていた100種ほどの化合物のGC及びMS情報を得て、T-SEN用データベースに格納した。3について、本年度は特に網羅分析手法開発について多くの進展があったためにそちらにエフォートを注力した。汚染評価システムはGISを利用した空間情報を加味し、汚染予測結果を与えるものを想定している。検出された化合物は農薬類を中心に、工業原料・産業用途類・医薬品・化粧品類・難燃剤・燃焼由来物・天然物など多岐にわたるため、さまざまなケースでのシステムの可用性を調べることが出来ると期待される。

本申請研究は、1網羅分析手法と迅速データ処理システムの開発、2東京湾流域全域の河川試料の分析、3空間的汚染評価システムの構築・発展、の3つのテーマから構成される。申請研究遂行の最終年度として、1について非標的化合物の検出力について従来法よりもさらに高めるためのデコンボリューション手法を開発した。これは非負制約因子分析法に基づくシグナル分離法であり、従来よりも3倍程度多くの数の化合物を同定検出するノンターゲットスクリーニング法で、ソフトウェアNMFwithDBcreatorとしてリリースした。2について、NMFwithDBcreatorを適用し、395種の化合物同定する事ができた。この内で特に同定確度の高いものは67種であり、この中からデータ抽出容易な同定化合物27種を選びT-SENによる定量解析を実施した。農薬や化粧品の検出に加え、特にリン系難燃剤が高い相対シグナル比を示した。以上から本手法を用いることで優先的に対処していくべき汚染物質を絞ることが容易となる可能性が示された。3について、2で検出された非標的化合物情報をGIS上にマッピングし、空間的な汚染評価を可能とする枠組みを、提案実施した。67種化合物について、東京湾流域内の各試料採取地点における検出数をマッピングした。各地で検出数に大きな違いは認められなかったが、農地では農薬類が多く検出される等の検出される化合物組成の違いが認められた。さらに2で定量的情報を得た27種について値をマッピングした所、リン系難燃剤は都市域で特に高い値を示した。以上のように、網羅分析手法とGISを組み合わせて空間的な汚染評価を行う枠組みを用いることで、優先的に対処すべき汚染物質と注目すべき地点の情報が効率的に提供可能となることを示した。26年度が最終年度であるため、記入しない。本年度は、予定していた網羅分析手法の開発に成功し、成果の公表を行うことができた。また在外研究も計画通り進展し、日本で必要となる作業を完了し、本年度末から渡航先での研究活動を始めている。以上の事から、研究計画は順調にしていると評価できる。網羅分析手法の開発も終え、公開体制も整えた。また、海外留学の計画も完逐し、研究の進展に重要となる知識と技術を身に付けることが出来た。今後の研究の推進方策については、研究計画通り、渡航先の大学及び研究機関において網羅分析手法による測定データの解析を進め、空間的汚染評価手法の開発と組み込みを進める予定である。今後は、これまでに開発した手法を用い空間汚染評価手法の開発に取り組む。また成果発表についても行っていく予定である。
極端紫外非線形光学による多電子励起状態の検出

本研究の目的は、フェムト秒レーザーの高次高調波を用いて、非線形光学過程により原子の多電子励起状態の生成することである。特に、ヘリウム原子の多電子励起状態を生成検証することを目的とした。これまで、原子分子の研究は軌道放射光を用いて行われてきたが、軌道放射光はコヒーレンスが悪いため非線形光学効果を起こすことができなかった。高次高調波を用いることにより極端紫外域における非線形光学過程の研究を行うことが初めて可能となる。当初ヘリウムの2s^2状態の検出を目指した。チタンサファイアレーザー(光子エネルギー1.55eV)の19次高調波(光子エネルギー:29.45eV)を発生させ、その2光子吸収を観測しようとしたが、2s^2状態の寿命が短いため観測できなかった。そのため、生成エネルギーが62.2eVの2p^2状態の検出を目的とした。これは、19次と21次高調波の和周波にあたる。発生した高調波を球面鏡でヘリウムガスに集光し2電子励起状態を生成し、その後、オージェ過程で出てくる光電子を、磁気ボトル型光電子分光器を使って効率よく検出した。その結果、39次と41次高調波による光電子の間の40次高調波に当たるところに光電子を観測することに成功した。レーザーの偏光依存性を測定してみると、等方的な空間分布を持っていることがわかった。これは、2p^2状態特有の依存性であり2電子励起状態が非線形光学過程により生成していることを示す。この成果は現在、英文学術誌に投稿中である。
水熱処理による官能基選択的加水分解法の開発

水熱処理による官能基選択的分解法の開発に対し、次の課題を設定した。課題1:一昨年度に見出した硫酸化多糖フコイダンにおいて温和な水熱条件(120-140°C)下でのグリコシド選択的加水分解挙動の検証のため、分子内にエステル基とグリコシド(アセタール)基を有する低分子化モデル化合物の合成行い、課題2:各種エステル結合に対する水熱条件下での加水分解挙動を検討するため硫酸エステル結合を有する低分子モデル化合物の合成を行う。課題1に対し、分子内にエステル基とグリコシド(アセタール)基を有する低分子化モデル化合物の合成を行ったが、その詳細な構造解析を行うのに必要な試料量を得るには至らず、引き続き合成実験を継続することとした。課題2については、マルトースの硫酸化物の合成を計画しているが、課題1の実施が遅延していることから目的化合物を得るには至っていない。国からの支援事業である「設備サポートセンター整備事業」の実務担当者として事業の推進、及び所属部局の改組に伴うセンター内の業務調整に注力する必要が生じ、本研究課題の遂行に著しく遅延が生じた。そのため補助事業期間延長を申請。改めて当初計画にある低分子モデルによる選択的分解性の検証を行うとともに、モデル化合物の合成を引き続き行う。さらに、糖質以外のモデル化合物の合成にも着手し、最終目的であるそれらの水熱分解性の検証を行う。水熱処理による官能基選択的加水分解法の開発に対し、本年度は1)市販の低分子モデルを用いた水熱処理により得られる分解生成物の構造解析、および2)各種エステル結合の加水分解性を検討するための低分子モデルの合成を中心に検討を行った。課題1に対しては、低分子モデル化合物の分解生成物の分離・解析を行うため、高速液体クロマトグラフィーによる分離条件の検討を行ったところ、ODSカラム、アセトニトリル/水系において分離可能とする条件を見出した。次に、水熱処理による分解生成物の構造解析を試みているが、サンプル量が少ないことから、現状のところ詳細な構造解析には至っていない。引き続き構造解析のための分離条件、解析条件の再検討を行い、構造解析を行っていく。一方、高分子のフコイダンの水熱処理の再検討(再現性の確認)を行ったところ、グリコシド結合が加水分解される条件において、フコイダン中に一部存在するアセチル基(エステル結合)が保持されていることを示唆する結果が得られた。これは本研究にも大きく関係する知見であることから、低分子のみならず高分子に対しても官能基選択的加水分解性の検討を併せて行っていくこととした。課題2に対しては、最も基本的な二糖であるマルトースの硫酸化物をモデル化合物に設定し、その合成を行っている。当初は6位選択的硫酸化を計画していたが、完全硫酸化物を当面の目的化合物として合成を行っているが、今後の分析に十分な生成物を得るには至っていない。高速液体クロマトグラフィーおよび水熱処理装置の立ち上げに予想外の時間を要したこと、市販の低分子モデル化合物の在庫量が少ないため予備実験や実験条件を慎重に吟味する必要があることから3カ月相当の遅れが生じている。水熱処理による官能基選択的分解法の開発に対し、1)昨年度見出した高分子フコイダンにおけるエステル結合の選択的加水分解の確認と市販の低分子化モデルおよび高分子フコイダンの水熱処理により得られる分解生成物の構造解析、2)各種エステル結合の加水分解性を検討するための低分子モデル化合物の合成を行った。課題1について、高分子フコイダンにおいてと水熱条件によりグリコシド結合の選択的に分解されるが、エステル結合が保持されることを確認した。低分子モデルにおいても昨年度検討した分離法により水熱条件によりエステル結合が保持さることが示唆された。しかしながら、その詳細な構造解析を行うのに必要な試料量を得るには至っておらず、引き続き分取実験を継続することとした。課題2については、マルトースの硫酸化物の合成を行っているが、課題1の実施に時間を要していることから、目的化合物を得るには至っていない。分解生成物の構造解析に必要な分取量を得ることに時間をかけたため、低分子モデル化合物および糖鎖以外のモデル化合物の合成については予定を繰り延べることとなった。当初の計画に対し少し遅れはあるものの、時間的な遅れであり、計画内容変更するものではない。時間的な遅れを取り戻しつつ、当初計画を実施する。

当初計画にある低分子モデルによる選択的分解性の検証を行う。モデル化合物の合成を引き続き行うとともに、糖鎖以外のモデル化合物合成にも着手し、それらの分解性の検証を行う。改めて当初計画にある低分子モデルによる選択的分解性の検証を行うとともに、モデル化合物の合成を引き続き行う。さらに、糖質以外のモデル化合物の合成にも着手し、最終目的であるそれらの水熱分解性の検証を行う。当初計画で本年度購入予定であった備品(50万円以下)1件の購入を見合わせたこと、消耗品の購入が予定より少なかったことによる。構造解析用試料の分離分取実験に時間を要し、モデル化合物の合成実験に当初予定より遅れが生じたため、それに必要な消耗品の購入が少なかったことによる。国からの支援事業である「設備サポートセンター整備事業」の実務担当者として事業の推進、及び所属部局の改組に伴うセンター内の業務調整に注力する必要が生じ、本研究課題の遂行に著しく遅延が生じた。そのため補助事業期間延長を申請し、次年度に改めて計画を実行する。研究遂行状況により当初予定の備品の購入、および次年度分と合わせて消耗品として使用する予定。
ランダム性を持つカゴ状熱電変換物質における電子の量子干渉を活用した物質設計の探求

本研究ではIV族元素とIII族元素が混在するホスト格子構造を持つクラスレート化合物半導体において、高いキャリア移動率が実現する機構についてクラスレート構造との関連性に注目しつつ電子構造の視点から研究を行った。タイプI構造およびタイプVIII構造を持つBa-Ga-Snクラスレート半導体およびタイプII構造を持つK-Ba-Ga-Snの計算を行い、伝導帯下端の電子状態とラットリングを起こすゲスト原子間の相互作用と移動率の間に強い相関が現れることが明らかになった。また、元素置換効果によるキャリア散乱効果を解析するため、最局在Wannier関数を用いたバンド構造の解析について検討を行った。本研究では「ランダム化がもたらす均一性」の概念を検証し、熱電性能の向上指針を検討することを目的として、4つのサブテーマを設定し研究を行ってきた。現状では、(1) 2次元クラスレートモデルを用いた、ランダムポテンシャルが電子構造におよぼす効果の検討を主体的に行い,ほぼ予定した段階まで研究を進められている。以下に、具体的な進捗状況を示す。実際に存在するクラスレート半導体はIV族半導体と同様に原子が4配位の結合を持つカゴ状ネットワークで構成される3次元的な構造であるが、これをグラフェンなどと同様の3配位の近接原子を持つカゴ状ネットワークで構成される仮想的な2次元結晶構造を考え、その電子構造を調べた。この時、現実のクラスレート半導体は幾つかのカゴ状構造の組み合わせにより多様で大きな単位格子を実現しており、我々の2次元モデルでもクラスターブロックに基づく構造を再現させることに成功した。この構造モデルに基づき、まずは半導体構造を持つバンド構造を持つ結晶ポテンシャルの構成を行い、バンドモデルの構築を行った。次に、構築できたバンドモデルを用い、単位格子のサイズ依存性とバンド構造の関係を調べた。また、同様の2次元クラスレート構造モデルを用い、ホストサイトに2種類の原子をランダムに置換することで原子のランダム性がバンド構造におよぼす影響を調べた。ただ、原子配置のランダム性によるキャリア散乱効果を考慮したキャリア伝導の評価についてはまだ十分な結果を得られていない。今後、この点を調べる課題が残されている。また、具体的なクラスレート半導体におけるランダムポテンシャルによる散乱効果の探求については、置換原子におけるポテンシャルを見積もるためタイプI構造クラスレート半導体において局在基底を用いた電子構造計算を実施し、その特徴を調べた。本研究は以下に示すような4つのサブテーマで進めている:( 1 ) 2次元のクラスレートモデルを用い、ランダムポテンシャルが電子状態におよぼす効果を物理的に調べる。( 2 )具体的なクラスレート半導体においてホストサイト置換系に対するバンド構造計算を行い、原子置換によるランダムポテンシャルを計算、得られたランダムポテンシャルのモデルを用いキャリア伝導を調べる。( 3 )理論の結果を検証するため、ホストサイト置換の条件を変化させたサンプルの作成と、その輸送特性・熱電特性の測定をする。( 4 )ランダム化による物質設計に基づき高性能熱電材料実現の可能性を、理論グループと実験グループが連携し、新規クラスレートにおいて探求する。研究計画ではサブテーマ(1)を完了し、それに基づきサブテーマ(2-4)を行う予定にしている。現状でほぼ予定通りであるが、サブテーマ(1)におけるキャリア伝導に対する評価がまだ不十分であり、今後の課題となっている。前年度は2次元モデルによるバンド構造解析を中心に研究を進めた。今年度は、2次元モデルでの研究を継続しつつも、実際のクラスレート系を対象として研究を進めた。特に、今年度は局在的な特徴を持つワニア関数を用いた電子状態の解析方法をクラスレートに適用する方法について検討を行った。具体的にはタイプI構造を持つ、もしくはそのような構造が期待されるCs-Zn-Ge系およびNa-Si系である。ワニア関数による解析ではまずはブロッポ関数による電子状態を計算し、注目するバンドに対してワニア関数の計算を行う。この時、原子軌道的に局在性の高いワニア関数を構築する必要があり、そのために個々の原子軌道の特徴に基づく解析の必要がある。Cs-Zn-Ge系について各バンドと原子軌道の関係を詳しく解析した。この結果、Znの軌道はGe系の軌道と少し異なる振る舞いをしていることがわかった。Ge系のs軌道の位置にはZnのs軌道は無く、少しエネルギーの高い準位を作る。また、Znのd軌道に起因する分散の小さなバンドがZnのs軌道より少しエネルギーの高い位置に現れる。これらの知見にもとづき、Cs-Zn-Ge系に対してワニア関数による電子状態の解析を行なった。バンド構造はブロッホ関数による結果をよく再現することがわかった。一方、ワニア関数の局在性の評価では広がりが大きく原子軌道的な解釈が難しい結果であった。この点について原因と対策を明らかにするため、Na-Si系の解析を行なった。この結果、バンド端に位置する伝導電子帯はゲスト原子のs軌道のみならずホスト軌道のsp軌道との混成も大きく、伝導電子帯のワニア関数解析にもホスト軌道の効果を取り入れる必要があることがわかった。また、クラスレートでは単位格子内に多数の原子を持ち、基底の数が100個以上あるにも関わらず、バンドの軌道の絡み効果を考慮する必要があることがわかった。クラスレート半導体のホスト置換による散乱効果を議論するベースモデルの検討に時間を要した。昨年度に引き続き局所的な特性を持つワニア関数を用いた電子状態の解析方法に対する検討を行なった。これまでのクラスレート系に対する検討と共に、熱電材料の高性能化の観点からトンネル内にNa原子を内包するNa-Ga-Sn系に注目した。

バンド構造について、伝導電子帯は複雑な結晶構造を反映したバレイを多く持つマルチバレイ構造を持つことが示唆される結果となった。価電子帯にも特徴的なバンド構造が現れ、電子間相互作用が強く現れる酸化物系で指摘されるプリン型のバンド構造が示唆される結果となった。これらの特徴をより詳しく解析するとともに、熱電性能に対する元素置換効果の解析を進めるため、ワニア関数を用いた強結合モデル的な検討を行った。ワニア関数の構築には最局在条件を用い、適切なバンド構造の再現が可能な試行関数の調査を行った。その結果、Na原子については、s軌道のみ。Znについてはd軌道のみ。原子についてはs軌道およびp軌道を考慮し、単位格子あたり108個の関数を用いると良いことがわかった。実際に、これらの条件から伝導電子帯および価電子帯の両方について、密度汎関数法によるコーン-シャム軌道のエネルギーがバンドギャップ近傍で再現性の良い、再局在ワニア関数を得ることができた。この時、注目するSn原子軌道の軌道のひろがりはs軌道で0.28nm、p軌道で0.51nmとの結果であった。更に、熱電特性を決定づけるバンドギャップ近傍のバンドはSn原子軌道が主に関与していることが今回の解析から明らかになったことから、Sn原子軌道のs-p間で最近接に対するホッピングパラメーターを計算したところ、最大で1.6eVとなった。一方、ランダム性に関して、この系はNaの位置にランダム性を持つ。このランダム性が電子状態に及ぼす効果についても検討した結果、Naのランダム性の影響は小さいことを明らかにした。本研究ではIV族元素とIII族元素が混在するホスト格子構造を持つクラスレート化合物半導体において、高いキャリア移動率が実現する機構についてクラスレート構造との関連性に注目しつつ電子構造の視点から研究を行った。タイプI構造およびタイプVIII構造を持つBa-Ga-Snクラスレート半導体およびタイプII構造を持つK-Ba-Ga-Snの計算を行い、伝導帯下端の電子状態とラットリングを起こすゲスト原子間の相互作用と移動率の間に強い相関が現れることが明らかになった。また、元素置換効果によるキャリア散乱効果を解析するため、最局在Wannier関数を用いたバンド構造の解析について検討を行った。概ね予定した通りに研究が進んでいるが研究結果が不十分な部分もあるためこれまでの研究の進捗状況に合わせ今後の研究を進める。今後の研究方針の概要を以下に示す。2次元モデルの計算から得られた知見に基づき、具体的なクラスレート半導体において、ランダムポテンシャルの効果がどのように電子構造および輸送特性に影響を及ぼすかの検討を行う。ただし、輸送特性に対する影響については、まだ十分な結果が得られていないため、引き続き検討を行う。