hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
大気乱流中の雲とエアロゾルを通しての太陽光による熱エネルギー伝達メカニズムの解明

そこで,本研究では,太陽光による熱エネルギーの大気乱流中における反射・吸収・透過プロセスに及ぼす雲の影響を,精巧な室内実験および高精度の数値シミュレーションを行うことにより解明することを目的とする.平成22年度の研究実施概要を以下に示す.(1)単一液滴の内外部流と熱輸送に関する研究:21年度までに開発した単一液滴の内外部流れを解くための三次元直接数値シミュレーション(DNS)コードを用いて,レイノルズ数や液滴・空気間の温度差を様々に変化させた計算を実施した.本DNSにより,気液間温度差および浮力が単一液滴の抗力に強く影響を及ぼすことが明らかになった.(2)分散二相乱流の熱輸送に関する研究:21年度に開発した対流雲中の放射エネルギーの反射・吸収・透過プロセスを模擬する三次元直接数値シミュレーション(DNS)コードに並列計算手法を導入することにより,より対流雲に近い大きなスケールの乱流中における放射エネルギーの反射・透過・吸収プロセスの三次元DNSを行った.本DNSにより,大きなスケールの乱流中では液滴により散乱する放射エネルギーの割合の減少が抑制されることが明らかになった.また,DNSコードを改良することにより,より波長の長い電磁波であるマイクロ波の散乱プロセスを模擬する数値シミュレーションも行い,乱流中では液滴によるマイクロ波の散乱強度が著しく増加する傾向が見られることが明らかになった.さらに,本計算結果の実験による検証方法についても検討を行った.近年,大気海洋大循環モデル(GCM)を用いて地球の温暖化を予測するための研究が活発に進められているが,その長期予測の信頼性は必ずしも高くはない.その原因の1つとして,温暖化の進行過程において特に重要となる地球全体の熱収支に及ぼす雲およびエアロゾルの影響が正確に評価できていないことが挙げられる.そこで,本研究では,太陽光による熱エネルギーの大気乱流中における反射・吸収・透過プロセスに及ぼす雲の影響を,精巧な室内実験および高精度の数値シミュレーションを行うことにより解明することを目的とする.平成23年度の研究実施概要を以下に示す.(1)単一液滴の内外部流と熱輸送に関する研究:単一液滴の内外部流れの三次元直接数値シミュレーション(DNS)により,浮力の影響を簡易的に考慮する際に良く用いられるブジネスク近似の妥当性を詳しく調査した.その結果,浮力は,液滴に働く抗力,Nusselt数,剥離位置,および渦特性を大きく変化させる働きがあることが明らかになった.また,気液間の温度差が大きくなると,ブジネスク近似はこれらの浮力の影響を再現できないことが明らかになった.(2)分散二相乱流の熱輸送に関する研究:対流雲中の放射エネルギーの反射・吸収・透過プロセスを模擬する三次元直接数値シミュレーション(DNS)を実施することにより,可視光線や赤外線に対する放射特性およびマイクロ波に対する反射特性に及ぼす乱流の影響のモデル化を行った.また,これらのモデルを用いて,メソスケール対流雲シミュレーションのデータを解析することにより,実環境スケールの雲の放射特性に及ぼす乱流の影響の評価を行った.その結果,可視光線および赤外線に対する放射特性に及ぼす乱流の影響は実際の雲では無視できるほど小さいことが明らかになった.一方,マイクロ波の反射特性は,乱流クラスタリングにより無視できないほど大きく増加する場合があることが明らかになった.
運動イメージによる運動機能改善効果-大脳皮質脳活動バイオフィードバックの応用

本研究は、運動イメージによりパーキンソン患者の空間認知能が改善することを明らかにした。次に、近赤外分光イメージング法を用いて、随意運動イメージと関連する脳活動領域を探索した。その結果、大脳皮質前頭前野の脳活動は上肢運動には反応せずその運動イメージで増加すること、逆に、頭頂部の運動野領域は上肢運動には反応したが運動イメージでは反応しないことを明かにした。前頭前野脳活動を用いれば運動イメージを可視化できるので、この脳情報のfeedbackは運動イメージを利用したリハビリテーション診療に貢献できることが示唆された。1)パーキンソン病疾患など運動失調の進行と共に随意運動は困難となるが、前以て身体空間や動作に関する運動イメージを獲得すると一時的に運動失調が減少すると言われている。そのため運動イメージと関連する大脳皮質脳活動を可視化できれば、効率的なリハビリテーションを実践できると考案し、本研究を推進した。昨年度に開発した動作分析・循環応答解析システムを用いて、健常者や運動失調者に対する上肢運動機能検査を実施した。上肢動作分析用にビデオ撮影および筋電図のテレメータ記録を行った。また心電図、動脈血圧、心拍出量、筋血流量等を連続記録し循環応答を解析した。さらに、近赤外分光装置を用いて大脳皮質全体または前頭前野の局所酸素化ヘモグロビン動態(Oxy-Hb)を記録した。Oxy-Hbは組織血流量に比例し間接的に脳活動を反映すると考えられている。2)大脳皮質前頭前野の脳活動は単純なハンドグリップなど上肢運動には殆ど反応しないが、その運動イメージ中には増加することを観察した。また前頭前野脳活動の大きさは運動イメージの主観的な鮮明度と相関する傾向を持っていた。対照的に、一次運動野など運動関連領域は上肢運動には反応したがその運動イメージには殆ど反応しなかった。以上の結果から、大脳皮質前頭前野の脳活動を用いて運動イメージを可視化できることが示唆された。さらに上肢運動の動画を視覚フィードバックすることで運動イメージの鮮明度は向上したので、前頭前野脳活動がその場合にはより増加すると期待された。3)運動イメージの臨床応用として、パーキンソン病患者を対象に、上肢運動の筋収縮を意識させるような運動イメージを取り入れたダンスを実施しその効果を検証した。ダンス後には手のメンタルローテーション課題に対する反応時間は有意に短縮したので、運動イメージにより形状認知機能が改善された可能性がある。能動的な立位動作や歩行動作は日常所作の基本をなし,それらの遂行状態はQuality of Lifeに直結する。Parkinson病,脊髄小脳路変性症,脳血管障害などによる運動失調の進行と共に,これらの動作は困難となる。しかし運動失調者が前以て身体空間や所為動作に関する運動イメージを獲得すると,一時的に運動失調が軽減するという臨床所見が報告されている。そこで,運動イメージを用いたより効率的なリハビリテーション実践の確立を目標として,平成23年度において上肢運動機能検査に対応した動作分析・循環応答の新しい評価システムの開発ならびに運動遂行中や運動イメージ中にみられる大脳皮質活動の連続計測システムの開発を目指した。その結果,上肢随意運動としてエルゴメーターを用いた上肢回転運動解析システムを作成した。このシステムは運動中の回転角度変化や発揮された筋トルク・筋電図を連続的に記録できた。健常者を用いて,このシステムが運動の適切な開始および終了さらに運動量の大きさやその時間経過を精密に計測できることを確認した。次に,大脳皮質活動のモニターとして,前額部用2チャンネル型近赤外分光装置(NIRS)ならびに全頭型52チャンネルNIRSを用いた計測システムを開発した。NIRSにより大脳皮質前頭葉および大脳皮質全体にわたる局所酸素化ヘモグロビン動態(Oxy-Hb)を計測した。Oxy-Hbは局所の脳組織血流量を反映し,それは間接的に脳活動量と対応する。その結果,大脳皮質前頭葉の脳活動が上肢随意運動の開始に約10秒先行して増加することを明かにした。また,上肢運動イメージ中にも前頭葉脳活動が増加した。対照的に,運動皮質活動は随意運動に増加したが,運動に先行した活動を示さなかった。平成23年度の研究目的である上肢運動機能検査に対応した動作分析・循環応答の新しい評価システムおよび運動遂行中や運動イメージ中にみられる大脳皮質活動の連続計測システムを開発できたので,当初の研究計画はおおむね順調に進捗している。この運動解析システムを用いて,健常者の上肢回転運動をすでに解析し,システムの有効性を確認した。また,近赤外分光装置(NIRS)を使った大脳皮質脳活動の連続計測システムを用いて,上肢運動中ならびに運動イメージ中にも大脳皮質脳活動,特に前頭葉の脳活動が増加することを明らかにした。

以上のように,平成24年度で研究予定であるParkinson病,脊髄小脳路変性症,脳血管障害などによる運動失調者の上肢運動の解析と運動イメージの臨床応用に関する健常対照群データを得ることができた。平成23年度において上肢運動機能検査に対応した動作分析・循環応答の新しい評価システムおよび運動遂行中や運動イメージ中にみられる大脳皮質活動の連続計測システムを開発し健常対照群のデータを得たが,Parkinson病,脊髄小脳路変性症,脳血管障害などに伴う運動失調者を用いた研究は残されている。この研究を平成24年度に実施する予定である。また能動的立位動作を用いた新しい運動評価システムの開発も残された課題である。特に立位動作に伴う大脳皮質活動の計測システムへのノイズ対策を図らねばならない。平成24年度では,上記の課題を研究すると共に,上肢動作に対する運動イメージが運度失調が軽減するか否か,また軽減するとすれば大脳皮質脳活動がどのように関与するかについて明らかにしたい。この研究成果は運動イメージを用いたより効率的なリハビリテーション実践の基礎的データに繋がると期待できる。当研究代表者(松川寛二)は平成23年度の研究費を計画通り執行したけれども,研究分担者(宮口英樹)は当該研究費の一部(325,200円)を次年度に繰り越した。その理由は,平成23年度には,主に研究解析システムの開発とそれらのシステムを用いて健常対照群に関する研究を実施したけれども,Parkinson病者,脊髄小脳路変性症者,脳血管障害者などを用いた臨床応用は残されておりこれらは平成24年度に行う予定であるためである。宮口研究分担者は,この臨床応用部分を担当しているので,上記のような経過で研究費を繰り越した。平成24年度において,宮口研究分担者は,繰り越し額と平成24年度分担研究費を合わせて,消耗物品費・謝金・旅費などに執行して臨床研究を進捗させる予定である。
ベルギー・ルヴァンラヌーヴ・カトリック大学所蔵古典籍についての研究

ベルギー王国ルヴァンラヌーヴ・カトリック大学図書館に所蔵される日本古典籍は第一次世界大戦後まもなく昭和天皇によって寄贈されたものである。このコレクションは、もとルヴァン大学に所蔵されていたものが、一九七四年のルヴァン大学紛争の際に、新しく作られたルヴァンラヌーヴ・カトリック大学図書館の所蔵になったものである。筆者はこの研究において、昭和天皇の寄贈の経緯と、この寄贈に当たってどのような人物がコレクションの収集を行ったかについて調査し、かつ詳細な書誌目録を作成するものである。昨年度、筆者はこれまでにベルギーのルヴァン・ラ・ヌーヴ・カトリック大学図書館に所蔵される古典籍の書誌調査の再検討を行うために、国内に所蔵される同書同版異版本との照合を行い、刊年の確定、印年および修の有無の特定などを行った。また、これに伴い、この具体的な寄贈書籍の選定に当たって具体的に作業を行ったと考えられる早稲田大学及び小説家幸田露伴を中心にした文化人が寄与していたことを明らかにしえた。当時一橋大学の教授であった露伴の弟である幸田成友、露伴の弟子であった漆山又四郎、また漆山が関係していた早稲田大学、さらには東京専門学校(現早稲田大学)を創立し出版書誌富山房の基礎を作った小野梓などとの関係なども明らかになりつつある。そして、あるいはこれには宮内庁とも深い関係にあった渋沢栄一などの貢献もあったのではないかと考えられる。こうしたことを史料を渉猟しつつ明らかにし、さらにこの寄贈の根本に第一次世界大戦勃発と同時にわが国が占領した旧ドイツ領中国青島総領部から鹵獲した書物との関係があったこともまた昭和天皇のベルギーへの書籍の寄贈に大きく影響を与えたようである。青島で鹵獲された書物は一九一四年段階でのヨーロッパの最新の刊行物をも含めたものであって、これらが旧帝国大学に寄贈されることによって我が国の学問はさらに発展する大きな契機を与えたものである。つまり、このようなものをドイツから貰い受けたことに対するある種、感謝の意が、このベルギー、ルヴァン大学図書館復興への寄贈という形で行われたのではないかと筆者は考えている。こうした事情を考慮しながら、グローバルな視点から再度第一次世界大戦と集結後の国際関係および文化の交流、特に書物の動きを考察する研究を行った。本年度、筆者は、ルヴァン・ラ・ヌーヴ・カトリック大学図書館所蔵の和漢書をデータ化しながら、それぞれの書籍の刊行年、修年、印年などの書誌データをさらに詳細にするために、国内の図書館に所蔵される同名の書籍と比較を行った。また、本データを公開するために、書名及び著者名の索引を作成し、そのためのレイアウトを用意した。本図書館の蔵書については、すでに山崎誠氏によって『ルヴァンラヌーブ大学藏日本書籍目録』(勉誠出版2000.05)として発表されているが、書誌データとしての誤りや重要な書誌情報に欠落するところが多い。今回の調査によって、筆者は山崎氏の目録を正し、ルヴァン大学所蔵の古典籍の重要性を書誌的に解明することができた。ところで、現在ルヴァン・ラ・ヌーヴ・カトリック大学図書館に所蔵される日本古典籍は、第一次世界大戦によるドイツのベルギー侵攻に当たってルヴァン大学が攻撃を受け、戦後、大学復興と図書館再建に向けての運動の一環として行われた昭和天皇(当時皇太子)の寄贈によるものである。筆者は、この蔵書の全体像から昭和天皇が寄贈に当たってどのような意図を持っておられたか、またその寄贈する蔵書の収集に早稲田大学とも関係が深かった漆山又四郎とその師である幸田露伴、また露伴の弟で書誌学にも非常に造詣が深かった幸田成友が貢献したことをも確かめ得た。こうしたことは、これまで全く知られていなかった事実であり、幸田露伴を中心としたネットワークを知る上にも非常に大きな意味を持つものと考える。なお、本書のベルギーへの搬送には、日本郵船が利用されフランスのマルセイユを経たことが、昨年のマルセイユでの調査によって明らかになった。筆者はこうしたことをも更に詳細に今後報告していく次第である。
感光性自己組織化単分子膜の高機能化と有機薄膜トランジスタ作製への応用

自己組織化単分子膜(Self-AssembledMonolayer,SAM)を形成する化合物の分子設計を行い、熱酸化膜付きシリコン基板上にSAMを形成させることにより、従来の感光性SAMの感度を40倍向上させた。また、分子設計以外にもSAM形成や光照射の条件検討によっても、さらに大幅な感度の向上が可能であることを示した。さらに、有機薄膜トランジスタの性能を向上させるための感光性SAM形成化合物の分子設計・合成も行い、感光性SAMの高機能化に成功した。我々が槻発した光分解性の2-ニトロベンジルエステルとしてカルボキシ基を保護したシランカップリング剤1を用いると、得られる感光性の自己組織化単分子膜(Self-Assembled Monolayer,SAM)は、フォトマスクを用いた紫外線照射によって露光された領域にのみ親水性のカルボキシ基を生成する。さらに、1の芳香環の4,5位にパーフルオロアルキルオキシ基を導入したシランカップリング剤2のSAMの光照射前後の疎水性と親水性の大きな差を利用することにより、有機薄膜トランジスタ(Oraganic Thin Film Transistor, OTFT)を作製する新たな方法の可能性を見出している。本研究では、感光性シランカップリング剤に含まれる2-ニトロベンジルエステルのベンジル位の置換基および芳香環上の置換基、スペーサーのメチレン鎖長などを検討することによって、光照射に対してより高感度のシランカップリング剤の設計・合成を行い、得られる光分解性SAMをOTFT作製へ応用することを目的とした。1のSAMに対して,接触露光法によるパターニングの形成を試みたところ、蛍光顕微鏡を用いた従来の投影露光法よりパターンの精度は格段に向上することがわかった。1の2-ニトロベンジルエステルの芳香環の4,5位にメトキシ基を導入し、そのベンジル位の置換基Rを変化させた3を合成し、そのSAMを調製し、光照射に対する感度を調べた。3の溶液中での光分解速度はRがメチル<エチル=プロピル<イソプロピル<t-ブチルの順になり、置換基が嵩高くなるほど分解速度が大きくなることがわかった。しかし、SAM上での光分解速度は、Rがエチル<メチル=t-ブチル<プロピル<イソプロピルの順となり、R=イソプロピルで分解速度が最大となった。この結果を踏まえ、来年度はベンジル位にイソプロピル基あるいはその他のアルキル基が置換して、3,4位にパーフルオロアルコキシ基を導入したシランカップリング剤4を合成し、SAMを調製し、直接露光法によりパターニングを行ない、パターン化SAM上でのOTFTの作製、評価を行なう予定である。我々が開発した光分解性の2-ニトロベンジルエステルとしてカルボキシ基を保護したシランカップリング剤1を用いると、得られる感光性の自己組織化単分子膜(Self-Assembled Monolayer,SAM)は、フォトマスクを用いた紫外線照射によって露光された領域にのみ親水性のカルボキシ基を生成する。さらに、1の芳香環の4,5位にパーフルオロアルキルオキシ基を導入したシランカップリング剤2のSAMの光照射前後の疎水性と親水性の大きな差を利用することにより、有機薄膜トランジスタ(Oraganic Thin Film Transistor,OTFT)を作製する新たな方法の可能性を見出している。本研究では、感光性シランカッリング剤に含まれる2-ニトロベンジルエステルのベンジル位の置換基および芳香環上の置換基、スペーサーのメチレン鎖長などを検討することによって、光照射に対してより高感度のシランカップリング剤の設計・合成を行い、得られる光分解性SAMをOTFT作製へ応用することを目的とした。1の2-ニトロベンジルエステルの芳香環の4,5位にメトキシ基を導入し、そのベンジル位の置換基Rを変化させた3の溶液中での光分解速度定数をHHPLCで正確に求めたところ、置換基が嵩高くなるほど大きくなることがわかった(Rがメチルくエチル=プロピルくイソプロピル<t-ブチルの順)。この結果は、前年度にUVスペクトルの変化から見積もった速度の結果を支持している。3のモデル化合物として、安息香酸誘導体4を合成し、X線結晶構造解析を行なったところ、分解速度の大きな嵩高い置換基を持つものは、カルボニル基の結合距離が短いことがわかった。また、スペーサーのメチレン鎖長を変化させると、溶液中では光分解速度が変わらないのに対し、SAM上での光分解は、メチレン鎖長が長いほど遅くなることがわかった。そこで、ベンジル位にイソプロピル基が置換して、3,4位にパーフルオロアルコキシ基を導入したメチレン鎖長が短いシランカップリング剤5の合成ルートを種々検討した。我々が開発した光分解性の2-ニトロベンジルエステルとしてカルボキシ基を保護したシランカップリング剤1を用いると、得られる感光性の自己組織化単分子膜(SAM)は、フォトマスクを用いた紫外線照射によって露光された領域にのみ親水性のカルボキシ基を生成する。これを利用した細胞培養基板の作製を種々検討してきた。

さらに、1の芳香環の4,5位にパーフルオロアルキルオキシ基を導入した2のSAMの光照射前後の疎水性と親水性の大きな差を利用することにより、有機薄膜トランジスタ(OTFT)を作製する新たな方法の可能性を見出している。本研究では、感光性シランカップリング剤に含まれる2-ニトロベンジルエステルのベンジル位の置換基および芳香環上の置換基、スペーサーのメチレン鎖長などを検討することによって、光照射に対してより高感度のシランカップリング剤の設計・合成を行い、得られる光分解性SAMをOTFT作製へ応用することを目的とした。昨年度までの研究により、2の芳香環のパーフルオロアルキルオキシ基の代わりにメトキシ基を導入し、そのベンジル位の置換基を変化させた3を合成し、そのSAMを調製し光照射に対する感度を調べたところ、イソプロピル置換で最大となった。そこで、本研究ではベンジル位にイソプロピル基が置換して、3,4位にパーフルオロアルコキシ基を導入したシランカップリング剤4を合成した。4のSAMは従来のものに比べ光照射に対する感度が大きく向上した。さらに、アミノ基をカルバメートとして保護した5も合成した。5のSAMの光照射に対する感度は4に比べさらに向上することが分かった。また、3の一つのメチルエーテルをペンタフルオロフェニルエーテルに置換したシランカップリング剤6の合成にも成功した。6のSAMは、塗布した有機半導体ペンタセンの移動度を向上させることがわかった。光分解速度に及ぼすベンジル位の置換基、およびメチレン鎖長の影響については、詳細に調べることができた。しかし、新規シランカップリング剤旦の合成に手間取り、そのSAMの評価ができなかった。24年度が最終年度であるため、記入しない。5をできるだけ早く合成し、そのSAMを調製し、直接露光法によりパターニングを行ない、パターン化SAM上でのOTFTの作製、評価を行なう。また、パーフルオロアルキル基の代わりにペンタフルオロフェニル基を導入した6も合成し、それをSAMとして用いたOTFTの作製、評価を行なう。
安定同位体を用いた振動スペクトルによる生体関連カルシウム錯体の配位結合の解析

アミノ酸及び関連化合物を含むCa錯体は,その生理活性等に関して興味が持たれているが,紫外・可視スペクトルを有効に利用できないうえ,振動スペクトルも経験的な解析方法に任意性が強いために,そのCa-配位子の結合に関する研究は少ない.そこで,本研究では, Ca-配位子結合に関する基礎的な知見を得る目的で, Ca-アミノ酸錯体及びその関連錯体の振動スペクトルを^<40>Ca-^<44>Ca置換による同位体効果等を用いて解析することにした.まず,複雑な構造のCa錯体に同位体効果を用いる方法の有効性を検討するため, Caと同様にd電子の遷移を紫外・可視部に持たない亜鉛を取り挙げ, L-ヒスチジン(His)錯体を亜鉛錯体を中心として検討した結果,金属-配位子伸縮振動の解析に同位体効果が有効であることが分かった.更に,錯体中のHisのconformationの差異の振動スペクトルに及ぼす影響をも明らかにした.次いで, 6配位のCa・GG, Ca・Glu, Ca・Sar及び8配位のCa・Gly, Ca・Aba, Ca・Pheについて,同位体効果を用いて検討した.その結果, ^<40>Ca-^<44>Ca置換によるシフトは, 340-220cm^<-1>の間のバンドに観測され,従来200cm^<-1>以下と考えられていたCa-配位子伸縮振動が相当高波数に存在することを明らかにした.また,これらのCa-配位子伸縮振動数は, 6配位錯体では300cm^<-1>前後, 8配位錯体では250cm^<-1>前後と6配位錯体の方が高い.更に,基準振動の計算結果によればCa-配位子の結合力は,伸縮振動数や結合距離から予想される以上に6配位錯体の方が強いことが分かった.また, L-ハイドロキシプロリンを含む構造未知の錯体について検討した結果, 6配位錯体に近いことが分かった.更に,核酸塩基を含む7配位Ca錯体は6配位に近いことも明らかにした.本研究では, Ca-配位子の結合力に関する知見を得ることができた.これらの結果は,酵素中の金属-蛋白の相互作用等の研究の基礎的なデータとして有益なものであると考えられる.アミノ酸及び関連化合物を含むCa錯体は,その生理活性等に関して興味が持たれているが,紫外・可視スペクトルを有効に利用できないうえ,振動スペクトルも経験的な解析方法に任意性が強いために,そのCa-配位子の結合に関する研究は少ない.そこで,本研究では, Ca-配位子結合に関する基礎的な知見を得る目的で, Ca-アミノ酸錯体及びその関連錯体の振動スペクトルを^<40>Ca-^<44>Ca置換による同位体効果等を用いて解析することにした.まず,複雑な構造のCa錯体に同位体効果を用いる方法の有効性を検討するため, Caと同様にd電子の遷移を紫外・可視部に持たない亜鉛を取り挙げ, L-ヒスチジン(His)錯体を亜鉛錯体を中心として検討した結果,金属-配位子伸縮振動の解析に同位体効果が有効であることが分かった.更に,錯体中のHisのconformationの差異の振動スペクトルに及ぼす影響をも明らかにした.次いで, 6配位のCa・GG, Ca・Glu, Ca・Sar及び8配位のCa・Gly, Ca・Aba, Ca・Pheについて,同位体効果を用いて検討した.その結果, ^<40>Ca-^<44>Ca置換によるシフトは, 340-220cm^<-1>の間のバンドに観測され,従来200cm^<-1>以下と考えられていたCa-配位子伸縮振動が相当高波数に存在することを明らかにした.また,これらのCa-配位子伸縮振動数は, 6配位錯体では300cm^<-1>前後, 8配位錯体では250cm^<-1>前後と6配位錯体の方が高い.更に,基準振動の計算結果によればCa-配位子の結合力は,伸縮振動数や結合距離から予想される以上に6配位錯体の方が強いことが分かった.また, L-ハイドロキシプロリンを含む構造未知の錯体について検討した結果, 6配位錯体に近いことが分かった.更に,核酸塩基を含む7配位Ca錯体は6配位に近いことも明らかにした.本研究では, Ca-配位子の結合力に関する知見を得ることができた.これらの結果は,酵素中の金属-蛋白の相互作用等の研究の基礎的なデータとして有益なものであると考えられる.複雑なカルシウム-アミノ酸錯体とその関連錯体の金属-配位子間結合について、他の方法では得難い基礎的知見を振動スペクトルから得ることを目的とし、本研究を行ない、昭和61年度には、次に示す結果を得た。1)しばしば、カルシウム錯体と対比される亜鉛錯体のうち、高分子状の亜鉛ヒスチヂン錯体を取り挙げ、振動スペクトルに及ぼす【^(64)Zn】-【^(68)Zn】置換による効果に基ずき、振動スペクトルの解析と基準振動の計算を行ない、亜鉛錯体がカルシウム錯体と良く対応していることを明らかにした。2)昨年度検討したグリシン及びアミノ酪酸カルシウム錯体に引き続き、8配位であることが知られているフェニールアラニンカルシウム錯体について重水素及び【^(40)Ca】-【^(44)Ca】

置換による効果を用いて、その振動スペクトルを解析し、227【cm^(-1)】にカルシウム-配位子伸縮振動が存在することを明らかにした。これらの結果から、8配位カルシウム錯体では、カルシウム-配位子伸縮振動は、250【cm^(-1)】前後に存在すると結論した。また、6配位であるグリシルグリシンカルシウム錯体についても同様に検討し、カルシウム-配位子伸縮振動は、345,268及び239【cm^(-1)】に存在することを明らかにし、この結果と昨年度の結果とから、6配位カルシウム錯体では、カルシウム-配位子伸縮振動は主に300【cm^(-1)】前後に存在すると結論した。3)構造未知のハイドロオキシプロリンカルシウム錯体について、【^(40)Ca】-【^(44)Ca】置換を行ない、カルシウム-配位子伸縮振動は、265【cm^(-1)】に存在することを明らかにした。上記2)の結果を用いれば、この錯体は、6配位であると推定できる。一方、実測を比較的良く再現する基準振動の計算によれば、カルシウム-配位子の結合力は、伸縮振動数や結合距離から予想されるよりも、6配位錯体の方が、8配位錯体より相当強く、2倍以上であることが分かった。
マルチフェロイック材料のME効果に関する研究

反強磁性-強磁性微粒子の交換結合を介したME効果を室温以上で発現させるために、強誘電性および磁気転移点が室温以上のBiFeO_3を母相として、鉄系の酸化物を磁性微粒子としたFeO_x/BiFeO_3コンポジット薄膜を化学溶液堆積法により作製した。BiとFeが等量比の前駆体溶液にFeO_x前駆体溶液を加えると、Fe系の酸化物微粒子が析出したFeO_x/BiFeO_3コンポジット薄膜が形成した。FeO_x/BiFeO_3コンポジット薄膜はBiFeO_3薄膜に比べて飽和磁化が飛躍的に増加させることができた。FeO_x/BiFeO_3コンポジット薄膜の膜面垂直方向の組成を調べるために、XAS測定時のX線進入角を変化させたところ、Fe濃度は下部のPt電極側で高くなっていた。このことから、酸化鉄は下部Pt電極側に形成しているものと考えられる。そこで現在、詳細な膜構造について解析するために断面TEM観察をおこなっているところである。一方、強誘電性については、Feの組成比が高くなるにつれてリーク電流密度が多くなり、室温で強誘電性を評価することは困難であった。そこで、リーク電流を抑えるために液体窒素温度で測定したところ、Fe組成比が約25at.%までは自発分極を発現することがわかった。当該試料のME効果を調べるために、磁場中で強誘電性を評価できる装置を本補助金の支援を受けて作製した。試行錯誤の結果、ME効果評価装置は稼働しているが、同装置は室温でしかME効果を測定することが出来ないため、当該試料がME効果を発現しているかの判断はできていない。今後は低温測定が可能な装置へ改良し、ME効果の有無を調べる予定である。結論として、FeO_x/BiFeO_3コンポジット薄膜は室温ME効果の期待がもてるが、室温でリーク電流密度が高いことが課題となることが示唆された。平成18年度はマルチフェロイック材料の薄膜試料を科学溶液堆積法により作製し、強誘電性と磁性についての評価を中心に行いました。我々は数あるマルチフェロイック物質の中でも、常圧合成が可能なBiFeO_3および高圧でしか合成できないBiMnO_3を中心に研究を行いました。その結果、BiFeO_3薄膜に関しては高い保磁力(0.7kOe@RT,1.1kOe@100K)および高い残留分極値(89μC/cm^2@90K)が得られました。残留分極は実用されているPZT薄膜に比べてもかなり高い値であることからPZTに代替する新材料としての魅力があります。しかし、リーク電流密度が高く室温での強誘電性の評価は困難であり、応用上の欠点があります。そこで我々はBiFeO_3薄膜のリーク電流メカニズムについて検討を行なうことにしました。その結果、BiFeO_3薄膜のリーク電流メカニズムは印加電界の大きさにより変化することがわかりました。低電界側ではSchottky-emissionもしくはOhmic電流が支配的で、電界の増加とともにPoole-Frenkel(PF)trap limited電導に切り替わり、さらに高い電界では空間電荷制限電流へと三段階変わることがわかりました。光電子分光測定の結果、PFはBiFeO_3の酸素欠損が原因である可能性が高く、本来3価であるはずのFeが電荷中性を保つために2価へ変化しており、そのためリーク電流が高くなっていることが示唆されました。従って、熱処理中に酸素を流通させるなどして酸素欠損を補うことでリーク電流を低減させる等の工夫が必要であることがわかりました。次に、単結晶基板上に高圧相であるBiMnO_3薄膜の作製を試みました。結果として高圧相であるBiMnO_3はSrTiO_3(100)基板上へ<111>エピタキシャル成長しました。単相の作製範囲は狭く、650°Cの熱処理時のみでほぼBiMnO_3単相エピタキシャル薄膜を得ることに成功しました。平成19年度はBiMnO_3単相エピタキシャル薄膜の強誘電性および磁性について検討したいと思います。また、我々は誘電率測定装置に外部磁場を印加したME効果評価装置も作製中であり、BiFeO_3およびBiMnO_3のME効果について検討する計画であります。

一方、強誘電性については、Feの組成比が高くなるにつれてリーク電流密度が多くなり、室温で強誘電性を評価することは困難であった。そこで、リーク電流を抑えるために液体窒素温度で測定したところ、Fe組成比が約25at.%までは自発分極を発現することがわかった。当該試料のME効果を調べるために、磁場中で強誘電性を評価できる装置を本補助金の支援を受けて作製した。試行錯誤の結果、ME効果評価装置は稼働しているが、同装置は室温でしかME効果を測定することが出来ないため、当該試料がME効果を発現しているかの判断はできていない。今後は低温測定が可能な装置へ改良し、ME効果の有無を調べる予定である。結論として、FeO_x/BiFeO_3コンポジット薄膜は室温ME効果の期待がもてるが、室温でリーク電流密度が高いことが課題となることが示唆された。
礼文島における環境教育カリキュラムの開発とレブンアツモリソウの生態調査

レブンアツモリソウについて本年度はレブンアツモリソウの開花期に霜がきてほとんどの花が枯れてしまった。このためデ-タをとるための人工受粉は行えなかった。89月に生態調査を行ったが昭和63年度、播種した場所には発芽は見られない。一部に数年前人工受粉を行ったあとに幼苗が見られた。これの根をはずしてみると独立していることが確認された。標識株の調査は行ったが消滅しているもの新しいものがあり今後、数年間の調査・観察が必要である。稀少植物ついてはフタナミソウ・レブンアツモリソウの分布調査と播種を行った。環境教育の教育の教材として稀少植物のスライドと礼文島の植物を作成した。この一部は北海道の植物「野の花」へ掲載した。○環境保全のためのカリキュラムとして,自然史,郷土史に関するテキストを作成した.○AV教材の作成は一部行なったが,天候が悪く予定通り行なわれなかった.○自然観察園(実験地)の設置は,昭和62年度に財務局との打合せを行なった.昭和63年4月から正式に財務局から借用する.予定地には一部稀少植物の播種を行なった.○6月,沼田の指導のもとにレブンアツモリソウ生育地の被度調査を行なった.○昭和61年に播種したレブンアツモリソウの発芽の徴候は見られない.○レブンアツモリソウの人工受粉は1000株行なったが,種子が盗堀にあい,正確なデータはでなかった.これが町の関係者であるため当惑している.○このためにも早急に財務局から観察用実験地を借用し,ここで研究を行なう.レブンアツモリソウについて本年度はレブンアツモリソウの開花期に霜がきてほとんどの花が枯れてしまった。
化学分析法を用いた日常診断に有益な甲状腺がん診断法の開発

本研究は、これまで甲状腺分化癌診断に用いてきた血中サイログロブリン(Tg)測定法を全面的に改良した方法であるが、Tgをそのまま測定するのではなく、Tg分子内に存在する糖鎖変異の程度を糖鎖と親和性の高いLCAレクチンを用い、甲状腺癌が産生するTg分子内の糖鎖変異率を検出する全く新しい測定系である。この方法は(1)用手法によるELISA法を原理とする測定法を完成させ、(2)次に自動分析機による簡便な方法を構築した。この方法の検査時間はおよそ40分間で、検体の2本目から順次1分間隔で測定値を得ることができる。測定原理は2種類の抗Tgモノクロナール抗体(自家制:Mab1,Mab2)とLCAレクチンを用い、固相化したMab1と血清検体を反応させた後、POD標識Mab2を反応させ、血清中総Tg濃度の測定と同時にPOD標識抗体とLCAを競合反応させることにより得られるLCAが反応しないTg濃度(LCA非反応性Tg)の2つを求め、式からLCAが反応性するTg(L-RTg)の比率を自動分析機により自動計算させるものである。(3)サンプルは組織、細胞診時に得られる穿刺液および血清のいずれも測定可能である。この方法を用いることで今まで困難であった甲状腺がん診断が日常検査で可能となった。我々は甲状腺がん細胞が産生するサイログロブリン(Tg)分子内の糖鎖変異に着目し、糖鎖を認識するレクチンと抗Tgモノクローナル抗体を作成後、Tgの糖鎖変異を反映するレクチン阻害イムノアッセイ測定系を組立て、濾胞がんと濾胞腺腫の鑑別が可能な新しい甲状腺がん診断法を構築し、さらに、その方法が日常業務に応用可能かを血清および細胞診時に得られた穿刺液サンプルとして確認した。測定方法は甲状腺がん組織から精製したTgを免疫原とした認識部位の異なる抗Tgモノクローナル抗体を固相と酵素標識物に用いて測定系を組み立てた。操作方法は血清または予め希釈した穿刺液を反応後、洗浄し、LCAレクチンおよび標識抗Tgモノクローナル抗体を反応させ、LCAレクチンが反応したTg濃度を総Tg濃度に対する比率として求めLectin reactive Tg(LCA-Tg%)として表した。血清サンプルは良性疾患(バセドウ病)39例、良性腫瘍66例、甲状腺がん(乳頭がん66例、濾胞がん5例)および穿刺液サンプルは良性腫瘍69例、甲状腺乳頭がん6例である。血清総Tg値の分析では甲状腺がんと良性腫瘍では全く鑑別は不可能であったが、LCA-Tg%でカットオフ値81.8%を用いると甲状腺乳頭がん75.3%、濾胞がん80%、良性腫瘍20%が陽性を示した。甲状腺がんの腫瘍径1cm未満でも50%、3cm以上では85%が陽性を示した。リンパ節の転移の有無については差がなかった。また、同様に穿刺液では良性腫瘍の陽性率が10.1%、甲状腺乳頭がんで83.3%であった。良性腫瘍69例中2例にLCA-Tg%が異常値を示すものがあったが、細胞診の結果はそれぞれクラスIIIとIIであった。細胞診の結果をクラス別に平均LCA-Tg%を求めるとクラスIIIからLCA-Tg%は陽性となる傾向を示した。今回の化学分析法を用いた新しい方法では甲状腺がんの診断が可能であった。穿刺液内サンプルは血清と同様にTg糖鎖変異が生じていると考えられ、本測定法は血清および穿刺液のいずれのサンプルでも良性腫瘍と甲状腺がんの鑑別診断に応用が可能であること示唆された。現在、濾胞がんと濾胞腺腫の症例を増加し測定を更に行う計画である。本研究は平成17年度から18年度までの2年間、文部科学省科学研究費補助金、基盤研究(C)の交付を受けて行った『化学分析法を用いた日常診療に有益な甲状腺がん診断法の開発』の結果をまとめたものである。最近のがん診断法に関する研究は多岐にわたり行われているが、検診のための検査法の開発例は少ない。

そこで筆者らは平成13年度14年度、平成15年度16年度、平成17年度18年度の6年間、科学研究費を(いずれも基盤C)を受諾し、以下の内容を完成させた。前回の報告時にも述べているように、この方法は、これまで甲状腺分化癌診断に用いてきた血中サイログロブリン(Tg)測定法を全面的に改良した方法であるが、Tgをそのまま測定するのではなく、Tg分子内に存在する糖鎖変異の程度を糖鎖と親和性の高いLCAレクチンを用い、甲状腺癌が産生するTg分子内の糖鎖変異率を検出する全く新しい測定系である。これまでの研究期間で、(1)用手法によるELISA法を原理とする測定法を完成させ、(2)次に自動分析機による簡便な方法を構築した。この方法の検査時間はおよそ40分間で、検体の2本目から順次1分間隔で測定値を得ることができる。測定原理は2種類の抗Tgモノクロナール抗体(自家制:Mab1,Mab2)とLCAレクチンを用い、固相化したMab1と血清検体を反応させた後、POD標識Mab2を反応させ、血清中総Tg濃度の測定と同時にPOD標識抗体とLCAを競合反応させることにより得られるLCAが反応しないTg濃度(LCA非反応性Tg)の2つを求め、式からLCAが反応性するTg (L-RTg)の比率を自動分析機により自動計算させるものである。(3)サンプルは組織、細胞診時に得られる穿刺液および血清のいずれも測定可能である。この方法を用いることで今まで困難であった甲状腺がん診断が日常検査で可能となった。
機械的溶血の分子メカニズムの解明：微小孔形成と赤血球膜の相転移

本研究では,引張によるリン脂質二重膜の相転移のメカニズムを明らかにし,それが力学的負荷による微小孔の形成と膜の破断に与える影響を理解することを目的としている.平成30年度では,引張シミュレーションを行い,孔の形成・成長過程の観察を行った.当初の計画では,系は29年度に用いたものを用いる予定であったが,孔の形成・成長過程を見る上で系の大きさを拡大する必要がでたため,系を大きくした.それに伴い,計算コストが許容できないところまで増加したため,粗視化モデルを用いることにした.粗視化モデルを用いることで,計算コストが低下したため,脂質分子の種類やそれらの組成を変えた膜に対しても引張シミュレーションを行った.また,孔の成長等に深く関わっている物性値である線張力の推定も行った.その結果,膜の組成が変わったとしても,孔の形成・成長過程の膜構造変化に関しては大きな変化がないことが分かった.また,線張力の値は,膜全体の分子の組成ではなく,膜の縁部分の局所的な組成に影響されることが分かった.また,溶血現象がせん断流れ場中で起こることが報告されていることから,これまでの引張負荷だけでなく,せん断流れ場中でのリン脂質二重膜の挙動に関しても分子動力学シミュレーションを行った.このシミュレーションのために,局所的な温度をコントロールする計算コードの実装を行った.結果として,せん断流れ下では,流体力学的不安定現象により,膜に孔が形成されることが分かり,一定以上の大きさの膜ではマクロな線形安定性解析からその安定性が予想できることが分かった.計算コストの増加が予定通りの計算を困難にしたため,粗視化モデルの使用に踏み切った.その結果,様々な条件下での孔の形成現象が明らかになった.また,孔の挙動に深く関わる物性値である線張力を様々な組成の膜について算出することができた.平成29年度で用いたモデルでの結果と,平成30年度に用いた粗視化モデルの結果の違いについて議論する.そして,粗視化モデルでの孔形成と相転移の関係について,シミュレーションと自由エネルギモデルを用いて明らかにする.本研究では,引張によるリン脂質二重膜の相転移のメカニズムを明らかにし,それが力学的負荷による微小孔の形成と膜の破断に与える影響を理解することを目的としている.平成29年度では,リン脂質二重膜に引張を準静的に与える分子動力学(MD)シミュレーションを行い,二層構造膜から単層構造膜への相転移の特徴を定量化するとともに,その相転移のメカニズムを明らかにするために,膜の自由エネルギーモデルを提案した.MDシミュレーション中での相転移現象は系の大きさに影響されることが知られているので,これまで用いてきた当該分野で標準的な大きさである6 nm×6 nm程度の面積の膜(系S)に加え,12 nm×12 nm (系M),18 nm×18 nm(系L)の膜に準静的な引張を与えるMDシミュレーションを行った.その結果,それぞれの系において,二層構造相から単層構造相への相転移の膜に与えた面積ひずみに対する相図が得られた.系Sの場合と比べて,系Mでは,相転移が始まる面積ひずみの大きさが小さいことが分かった.また,系MとLでは大きな違いは見られなかった.MDシミュレーション中での相転移のメカニズムを明らかにするために,引張を受けた膜がもつ自由エネルギーモデルを提案した.このモデルは、引張による変形に伴う弾性エネルギー,相の境界で発生する線張力エネルギー,そして平衡状態でのそれぞれの相がベースとして持つエネルギーの差を考慮した.このモデルはMDシミュレーションから得られた相図とよく一致した.また,このモデル中において,現実の細胞スケールと同等の系の大きさを想定すると,膜が破断する面積ひずみ以下でこの相転移が起こりうることが見積もられた.平成29年度で行う予定であったことは以下の5点である.(i)分子動力学シミュレーションから引張による二層構造膜から単層構造膜への相転移を観察し,膜厚の変化等からその進行度合いを定量化する.(ii)また,系の大きさの違いが相転移に与えている影響を見積る.(iii)引張による二層構造膜から単層構造膜への相転移を表現できる自由エネルギーモデルを構築する.(iv)相転移のメカニズムを明らかにする.(v)モデル内のパラメータを現実の細胞膜に対応したものに変更し,現実では相転移がどのような条件で起こり得るかを予測する.これらは「研究実績の概要」で言及した通り,達成されており,学術論文としてまとめ,雑誌に掲載されている.以上のことから,本研究は「おおむね順調に進展している」といえる.本研究では,引張によるリン脂質二重膜の相転移のメカニズムを明らかにし,それが力学的負荷による微小孔の形成と膜の破断に与える影響を理解することを目的としている.平成30年度では,引張シミュレーションを行い,孔の形成・成長過程の観察を行った.当初の計画では,系は29年度に用いたものを用いる予定であったが,孔の形成・成長過程を見る上で系の大きさを拡大する必要がでたため,系を大きくした.それに伴い,計算コストが許容できないところまで増加したため,粗視化モデルを用いることにした.粗視化モデルを用いることで,計算コストが低下したため,脂質分子の種類やそれらの組成を変えた膜に対しても引張シミュレーションを行った.また,孔の成長等に深く関わっている物性値である線張力の推定も行った.

その結果,膜の組成が変わったとしても,孔の形成・成長過程の膜構造変化に関しては大きな変化がないことが分かった.また,線張力の値は,膜全体の分子の組成ではなく,膜の縁部分の局所的な組成に影響されることが分かった.また,溶血現象がせん断流れ場中で起こることが報告されていることから,これまでの引張負荷だけでなく,せん断流れ場中でのリン脂質二重膜の挙動に関しても分子動力学シミュレーションを行った.このシミュレーションのために,局所的な温度をコントロールする計算コードの実装を行った.結果として,せん断流れ下では,流体力学的不安定現象により,膜に孔が形成されることが分かり,一定以上の大きさの膜ではマクロな線形安定性解析からその安定性が予想できることが分かった.計算コストの増加が予定通りの計算を困難にしたため,粗視化モデルの使用に踏み切った.その結果,様々な条件下での孔の形成現象が明らかになった.また,孔の挙動に深く関わる物性値である線張力を様々な組成の膜について算出することができた.平成29年度で行った準静的な引張に加え,引張を連続的に与える非定常引張シミュレーションを行い,孔の形成・成長過程の観察を行う.系は29年度に用いたものをここでも用いる.孔の形成は引張速さに依存することが知られているので,引張速さを数段階変化させ引張シミュレーションを行う.孔の形成・成長の過程を観察し,孔の成長速度等を定量化する.また,孔の形成・成長によって膜に生じていた張力が緩和するので,それに伴う単層構造膜から二層構造膜へ戻る相転移に関しても29年度と同様に進行度合いの定量化を行う.分子レベルでの孔形成現象は確率論的な現象であるため,同じ計算条件で複数回の引張シミュレーションを行い,結果のばらつきを評価する.同様の引張シミュレーションを行った応募者の先行研究では1020回程度の計算がばらつきの評価に必要となった.非定常引張シミュレーションは準静的な引張に比べ計算コストが小さく,1計算あたり3日程度となると予想される.各引張速さのシミュレーションを20回行った場合,それぞれに2ヵ月程度かかると見積もられる.ここでは,平成30年度にそれぞれの計算をまず3, 4回ずつ行い,結果の傾向を把握したのち,平成31年度にかけて計算回数を増やしていくものとする.平成29年度で用いたモデルでの結果と,平成30年度に用いた粗視化モデルの結果の違いについて議論する.そして,粗視化モデルでの孔形成と相転移の関係について,シミュレーションと自由エネルギモデルを用いて明らかにする.計算結果保存用のHDDを購入予定であったが,想定していたよりデータ量が少なく,計算機付属のHDD内に保存できているため,購入を次年度に先延ばししたため当該年度では,計画していたモデルでの計算ができなくなったため,計算コストの低い計算に切り替えた.それに伴って,年度内で計算されるデータの容量も見積もりより減ったため,HDDと関連機器の購入を見送ったため.次年度において,より多数の条件で計算を行う予定のため,見送った分については,都度購入する.
金属／水を用いたハイブリッドスラスタの燃焼機構の解明

本研究では,金属/水を用いたハイブリッド超小型衛星用スラスタの宇宙作動実証を目指し,金属/水ー反応系の燃焼機構の解明を行う.超小型衛星の多機能化および深宇宙探査には,推進機がますます不可欠な存在となる.そのため,高度なミッションには多様な推進能力が求められる.その中で,無毒で安全かつ高速マヌーバを実現する大推力推進機として,金属/水ハイブリッドスラスタが提案されている.先行研究では調査されてこなかった低圧下および非粉体金属燃料での本反応を利用したスラスタ研究を実施し,金属/水を用いたハイブリッド超小型衛星用スラスタの実現を目指す.超小型衛星の多機能化および深宇宙探査には,推進機がますます不可欠な存在となる.高度なミッションには多様な推進能力が求められる.その中で,無毒で安全かつデブリ回避・軌道投入に必要な高速マヌーバを実現する大推力推進機として,金属/水ハイブリッドスラスタが提案されている.これまでの金属/水ハイブリットスラスタの研究は,アルミニウムおよびマグネシウムを対象として行われてきたが,いずれも水素発生器あるいは打ち上げ用ロケットを想定している.したがって,すべての研究は高圧かつ金属粉体燃料を設定しており,宇宙空間を想定した低圧下および非粉体金属燃料での本反応を利用したスラスタ研究は行われていない.本研究では,金属/水を用いたハイブリッド超小型衛星用スラスタの宇宙作動実証を目指し,金属/水ー反応系の燃焼機構の解明を行うことを目標として研究を進めている.本申請対象となる課題の解決のために2つの小テーマに細分化し研究計画を立てた.1「燃料後退速度の燃焼室圧力および混合比依存性の解明」:複数回の燃焼実験より,燃料後退速度の燃焼室圧力および混合比依存性を解明する;2「燃料後退モデルによる支配機構の解明」:固体ロケットで簡易的に用いられている粒状拡散火炎モデルを参考に燃料後退モデルを構築する.燃焼実験結果とモデルによる解析結果の比較により、本方式ハイブリッドスラスタの支配的な反応メカニズムを明らかにする.1および2を遂行するために,まずは金属を簡易的に加熱でき,かつ,宇宙空間で確実に点火できる方法について検討した.文献調査を踏まえて本研究では,酸化鉄(III)とアルミニウム粉末のテルミット反応に着目し真空下での反応実験を行った.20 Pa程度の減圧下でのテルミット反応を確認した一方で,大気圧下とは異なり著しく弱い反応を観測し,宇宙空間でのテルミット反応を利用した点火手法の難しさを本研究より明らかにした.10月に研究課題採択を受けたが,1月の研究拠点変更に伴い,主に実験から構成される本研究は進捗がやや遅れている.また,金属燃料表面に有する酸化被膜を溶融させるのは通常のロケット燃料と比較すると難しく,金属/水の反応を開始することができていない.1月から3月までの期間を新年度に向けての準備期間として当該分野の主要な研究者との綿密な議論を行い,本研究課題の解決に向けた有益な方策を得ることができた.酸化被膜を有する金属表面を溶融・蒸発させ,水との金属燃焼を開始させるのが,本研究の肝である.そこで,新年度では化学燃焼を用いて,金属を加熱することとする.金属燃料は燃焼器内に挿入され,炭化水素系燃料とガス酸素の燃焼ガスによって高温状態に晒される.その後,バルブ操作によってガス酸素供給から液体水供給を開始させる.これらの燃焼実験を実施し,燃料後退速度の燃焼室圧力および混合比依存性を解明する.また,燃焼実験結果と燃焼モデルによる解析結果の比較により、本方式ハイブリッドスラスタの支配的な反応メカニズムを明らかにする.本研究では,金属/水を用いたハイブリッド超小型衛星用スラスタの宇宙作動実証を目指し,金属/水ー反応系の燃焼機構の解明を行う.超小型衛星の多機能化および深宇宙探査には,推進機がますます不可欠な存在となる.そのため,高度なミッションには多様な推進能力が求められる.その中で,無毒で安全かつ高速マヌーバを実現する大推力推進機として,金属/水ハイブリッドスラスタが提案されている.先行研究では調査されてこなかった低圧下および非粉体金属燃料での本反応を利用したスラスタ研究を実施し,金属/水を用いたハイブリッド超小型衛星用スラスタの実現を目指す.超小型衛星の多機能化および深宇宙探査には,推進機がますます不可欠な存在となる.高度なミッションには多様な推進能力が求められる.その中で,無毒で安全かつデブリ回避・軌道投入に必要な高速マヌーバを実現する大推力推進機として,金属/水ハイブリッドスラスタが提案されている.これまでの金属/水ハイブリットスラスタの研究は,アルミニウムおよびマグネシウムを対象として行われてきたが,いずれも水素発生器あるいは打ち上げ用ロケットを想定している.したがって,すべての研究は高圧かつ金属粉体燃料を設定しており,宇宙空間を想定した低圧下および非粉体金属燃料での本反応を利用したスラスタ研究は行われていない.本研究では,金属/水を用いたハイブリッド超小型衛星用スラスタの宇宙作動実証を目指し,金属/水ー反応系の燃焼機構の解明を行うことを目標として研究を進めている.本申請対象となる課題の解決のために2つの小テーマに細分化し研究計画を立てた.1「燃料後退速度の燃焼室圧力および混合比依存性の解明」:複数回の燃焼実験より,燃料後退速度の燃焼室圧力および混合比依存性を解明する;2「燃料後退モデルによる支配機構の解明」:固体ロケットで簡易的に用いられている粒状拡散火炎モデルを参考に燃料後退モデルを構築する.燃焼実験結果とモデルによる解析結果の比較により、本方式ハイブリッドスラスタの支配的な反応メカニズムを明らかにする.

1および2を遂行するために,まずは金属を簡易的に加熱でき,かつ,宇宙空間で確実に点火できる方法について検討した.文献調査を踏まえて本研究では,酸化鉄(III)とアルミニウム粉末のテルミット反応に着目し真空下での反応実験を行った.20 Pa程度の減圧下でのテルミット反応を確認した一方で,大気圧下とは異なり著しく弱い反応を観測し,宇宙空間でのテルミット反応を利用した点火手法の難しさを本研究より明らかにした.10月に研究課題採択を受けたが,1月の研究拠点変更に伴い,主に実験から構成される本研究は進捗がやや遅れている.また,金属燃料表面に有する酸化被膜を溶融させるのは通常のロケット燃料と比較すると難しく,金属/水の反応を開始することができていない.1月から3月までの期間を新年度に向けての準備期間として当該分野の主要な研究者との綿密な議論を行い,本研究課題の解決に向けた有益な方策を得ることができた.酸化被膜を有する金属表面を溶融・蒸発させ,水との金属燃焼を開始させるのが,本研究の肝である.そこで,新年度では化学燃焼を用いて,金属を加熱することとする.金属燃料は燃焼器内に挿入され,炭化水素系燃料とガス酸素の燃焼ガスによって高温状態に晒される.その後,バルブ操作によってガス酸素供給から液体水供給を開始させる.これらの燃焼実験を実施し,燃料後退速度の燃焼室圧力および混合比依存性を解明する.また,燃焼実験結果と燃焼モデルによる解析結果の比較により、本方式ハイブリッドスラスタの支配的な反応メカニズムを明らかにする.