hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
学習科学を応用した２１世紀型スキルを促進する教師教育プログラムの開発

総括班は,理論的な考察と,アクティブラーニングの手法を検証した.グループ学習を自己調整,協同調整と社会的調整の三層から分析する新しい試みを提案した.教職科目班は,初等中等教育におけるデザイン研究の成果を教師教育にフィードバックし,現職教員の人材育成プログラムにまで拡張した.また,教育実習に関連した科目群の開発とその実証的な検討を展開し,インターネットを用いたSNSのシステムが有効に活用される事例を提供した.教科教育班は,理科教育法において,受講生の議論活動の着目した授業設計を考案し促進方法を考案した.また,モバイルシステムを利用することによって有益かつ迅速な評価を相互に行うシステムを提案した.本研究では,21世紀型スキルの獲得を目指した教授法を理解し,実践研究を継続的に展開する能力を備えた教師の育成のために,学習科学研究のこれまでの成果を踏まえた教材と,それを用いた具体的な教職科目・教科教育科目のコースウエアを開発する.これを用いることで,教職課程の科目全般に,学習科学のエッセンスを提供することができ,各担当教員が自分たちの授業実践に部分的に導入することができる.本申請期間中には,大学での授業実践研究を通して,開発する教材の効果の検証を行い,最終的には広くインターネットを通して関連する高等教育機関で利用可能な電子教材を提供する.国内の学習科学研究者の研究グループ(教職科目班,教科教育班)を構築し,国際的共同研究者との議論を通して各科目のコースウエアを開発する.H24年度に設計した授業を実践し,その効果をベースライン実践との比較で検証した.比較分析には,H24年度の前期から検討してきた新しい学習活動を評価する観点を利用した.第一に,教授内容の最終理解を最終レポート,あるいは成果物などを確立した観点から複数名が独立に評価し,その一致率( α係数)を検討した上で数量化して条件間比較を行った.第二に,設計した教材,活動,課題がその効果をどのように導いたのか,学習者の対話分析から検討した.事例の詳細な対話分析を実施すると同時に,申請代表者がこれまで基盤研究Bで開発した対話のネットワーク分析ツールを用いた指標化を試みて条件間比較を行った.その結果,各研究班において,昨年度の実践からの大きな改善が見られ,それを来年度以降に反映することとした.特に,総括的な評価と学習プロセスの形成的評価を総合的に判断するmulti-methodが有効であることがわかり,今後その確立と安定した利用を検討することとした.本研究では,21世紀型スキルの獲得を目指した教授法を理解し,実践研究を継続的に展開する能力を備えた教師の育成のために,学習科学研究のこれまでの成果を踏まえた教材と,それを用いた具体的な教職科目・教科教育科目のコースウエアを開発する.これを用いることで,教職課程の科目全般に,学習科学のエッセンスを提供することができ,各担当教員が自分たちの授業実践に部分的に導入することができる.本申請期間中には,大学での授業実践研究を通して,開発する教材の効果の検証を行い,最終的には広くインターネットを通して関連する高等教育機関で利用可能な電子教材を提供する.国内の学習科学研究者の研究グループ(教職科目班,教科教育班)を構築し,国際的共同研究者との議論を通して各科目のコースウエアを開発する.H24年度は,デザイン研究を継続していく上で,比較対象とするベースライン実践のデータの収集と,それを今後検討してく授業設計指針に照らし合わせて分析した.H24年度前期は,まず総括班を中心として,国際共同研究班との連携を取りながら,21世紀型スキルに着目して,新しい学習理論が現在どこまで構築されているのかを広くreviewし現状分析を行った.そこから,具体的な授業実践の設計のためのデザイン指針を導き出しつつ,各検討班から提供される実践報告を吟味する枠組みを構築した.各検討班は,この間比較対象とするベースライン実践の実施とそのデータの収集を行った.年次報告会として,各々の実践の報告とそれについてのディスカッションを密に行い,総括班側が確立するデザイン指針に則って現状の実践を分析するワークショップを展開した.教職班1では,教職大学院が県内の新たな学びを広げていく「拠点」として機能していくために,大学院生の活動として,アクションリサーチ先学校において同僚教員の異なる教育観の変容を促すような取り組みを意図的に支えた結果,実際に複数教員の教育観の変容を促すことに成功した.教職班2では,開放制教職課程において教育実習の事前事後指導に参加する学生が,教育実習に赴いている間にSNSを介して実習体験を報告・討論するようにし,様々な職場体験を共有し,その活動の中で教師としての職業観を涵養することを目指した授業実践研究を行った.デジタルストーリーテリングによる教育実習生活のイメージトレーニングおよびリフレクションによって,教職を意識した教育実習体験の報告が多く行われ,職業観の涵養に有効であることがわかった.教科教育班1では,昨年度に引き続き,学習科学の研究成果を応用し,科学技術の社会的問題に関するアーギュメントに焦点を当てた小学校理科の教職科目のコースウエアを評価・改善・実施した:(1)学習成果の評価として地球温暖化に関するアーギュメントの評価課題を開発するとともに,小学校教員を目指す大学生のアーギュメント・スキルの評価を行った.(2)評価基準のアーティキュレーションというデザイン指針に基づいてコースウエアを改善し,その効果を検証した.(3)評価基準が表現されたアーティファクトというデザイン指針に基づいてコースウエアを改善し,その効果を検証するための教育実践を実施した.また教科教育班2では,宮崎大学での小学校教員免許用の理科教育科目で,学生の理科授業観を,児童の変化を目指す学習者中心のものに変えることを目指した実践を行い,安定した効果が得られたかどうかを明らかにした.

その結果,「児童が自分の考えを他人に説明して異なる考えの人を説得する」を含めて多くの質問項目において,改善が見られた.最終年度となる平成27年度は,過去3年間にわたって各研究班によって培ってきたデザイン研究の成果を,学習科学を教師教育に利用できる形にまとめることに焦点をおいて,書籍の出版の準備に取り掛かった.各班で実証的なデザイン研究を継続しつつ,その知見を実践例として包含した授業研究のあり方やその理論的背景を日本教育工学選書の「学びのデザイン:学習科学」として出版するための内容の取りまとめを行った.そして,その構成として:(1)教育工学と学習科学の関係性について,(2)学習科学の理論的進展と海外の動向,(3)国内における学習科学実践,(4)学習科学とこれからの教育,の4セクションからなる内容にまとめ上げることができた.総括班は,理論的な考察と,アクティブラーニングの手法を検証した.グループ学習を自己調整,協同調整と社会的調整の三層から分析する新しい試みを提案した.教職科目班は,初等中等教育におけるデザイン研究の成果を教師教育にフィードバックし,現職教員の人材育成プログラムにまで拡張した.また,教育実習に関連した科目群の開発とその実証的な検討を展開し,インターネットを用いたSNSのシステムが有効に活用される事例を提供した.教科教育班は,理科教育法において,受講生の議論活動の着目した授業設計を考案し促進方法を考案した.また,モバイルシステムを利用することによって有益かつ迅速な評価を相互に行うシステムを提案した.各検討班が,経年でデザインの設計,実施,評価を着実に展開し,その成果が国際レベルの学会において評価され,また,国内においても学会誌へ採択されるなど,順調に進んでいる.27年度が最終年度であるため、記入しない。学習科学問題なく最終年度を迎えており,全体的な研究成果を教育工学選書の1つのvolumeとしてまとめる予定でもある.さらに,それに追加して,電子補助教材を作成し,広く高等教育機関で利用可能なものとする予定である.各研究班の授業設計実践研究の成果から,それぞれ著しい改善が見いだされており,その一部は国際的な学会において採択されるようになっている.また,国内においても学会や多くの実践者の研究会において,その成果を反映した研修プログラムも平行して展開することもできており,社会的な反響も大きい.各検討班において,ベースラインとなる実践授業のデータ収集は問題なく実施できた.また,その内容について総括班を交えて吟味検討した上で,H25年度の実践の設計に反映すべき点も明らかになった.27年度が最終年度であるため、記入しない。授業実践研究の方法論について,この二年度間の成果より新たに表手法についての知見が得られている.
後続要素の複雑さが言い淀みの発生に及ぼす影響についての日英語対照研究

文境界,節境界にはフィラーがよく観察される。これは,文や節などの談話の切れ目では,その先の発話内容や表現を考えるのに時間がかかるためと考えられる。そこで,まず,文頭,節頭に着目し,そこでのフィラーの使用頻度に関係すると考えられる要因を,節頭のフィラー全体と,その中でも高頻度の「エー」「アノ」「マー」について,『日本語話し言葉コーパス(CSJ)』コア中の模擬講演(107講演)を対象に調べた。その際,性別,年齢などの社会言語学的要因も考察対象に加えた。検討した要因は,1話者の性別,2年齢,3学歴,4講演経験,5直前の境界の種類,6節中語数,7節頭の接続詞の有無,の7つである。節頭フィラーの出現確率との間に有意な関連が見られたのは1性別,5直前の境界の種類,6節中語数の3要因であった。フィラーの出現確率は男性話者の方が女性話者よりも高く,文境界や深い節境界の方が弱い節境界よりも高かった。また,予測されたように,節中の語数が多いほど,フィラーの出現確率は上昇した。これらの結果から,節の開始時点で節レベルのプランニングがかなり先まで行われていることが示唆された。次に,頻度の高い3種類のフィラーを個別に調べると,男性の使用率が高いのは「エー」と「マー」で,「アノ」については男女間に有意差はなかった。直前の境界の種類との関係では「エー」のみ,強い節境界よりも文境界のほうが出現確率が最も高かった。この結果から「エー」は「アノ」「マー」よりも深い境界で用いられる傾向のあることが示された。節中語数との関連については「アノ」と「エー」はその効果が全体の傾向同様有意であるのに対し,「マー」にはその効果は観察されなかった。「マー」は,節頭のプランニングの負荷の大きさとは別の要因によって用いられていることが示唆された。以上から,フィラーの種類によってそれらを引き起こす要因に違いのあることが示された。言い淀み(非流暢性)とは,エート,アノーなどのフィラー,非言語的な音節の引き延ばし,語や音節のくり返しなど,自発発話に頻繁に観察される現象のことである。これらは,話者の発話生成上の何らかのトラブルの表れであり,できればないほうが望ましいものという否定的な評価が長年なされてきた。しかし,近年では,むしろ円滑なコミュニケーションを助けているという見方が広がりつつある。ただし,言い淀みに対する考え方には文化的な違いがあり,英語圏では,話者の認知能力の限界を表すものとして否定的にとらえる傾向が,日本語話者においてよりも強いように見受けられる。言い淀みの中でも頻度の高い,フィラーの総語数に対する割合を日英語の先行研究によって比較すると,英語で23%であるのに対し,日本語では約6%となっている。この数字だけを見ると,日本語話者の方が頻繁に言い淀んでおり,英語話者よりも発話生成能力が低いととらえられかねない。そこで,本研究では,発話状況,トピック,話者特性を,『日本語話し言葉コーパス(CSJ)』の一部と対照できるように統制した『英語話し言葉コーパス(COPE)』を構築し,これら2コーパス間で言い淀みの特徴や出現傾向を比較することを試みている。それによって,発話生成プロセスの言語普遍性と個別性を明らかにすることが本研究の目的である。予備的研究では,先行研究の比較によって得られた結果とは異なり,まず,全講演時間長に占める,フィラー長,50ms以上のポーズ長の割合は,それぞれ,5%,約30%と,日本語と英語でほとんど差がなかった。また,全語数に対するフィラー率も,どちらの言語においても約5%と,ほとんど差がなかった。このことから,予測に反し,日本語話者の方がフィラーの使用頻度が高いとは断定できないことが明らかになった。これまでに,アメリカ西海岸に住む2030代の英語話者男女各10名が"The mostmemorable event in my life"というタイトルで行った,約10分間のスピーチを収録し,その書き起こし,言い淀みラべリング,定形動詞節境界の付与が完了している。今年度,新たに,節より小さい単位である,句境界情報の付与を行った。節境界情報も精緻化した。また,フィラー長,その前後のポーズ長の計測が終わり,現在,エラー修正作業を行っている。構築中の英語話し言葉コーパス,COPEにおいて,フィラーと50ms以上のポーズに対する時間情報の付与が完了した。この情報を用いて,まず,各講演におけるフィラーの総時間とポーズの総時間が講演全体の長さに占める割合を英語・日本語間で比較した。日本語のデータには『日本語話し言葉コーパス(CSJ)』の一部を用いた。その結果,両言語間で,フィラー長の割合には有意差がないが,ポーズ長と発話部長の割合には有意差があり,日本語話者の方が間の多いスピーチをしていることが示された。次に,フィラーとポーズの語あたり頻度を両言語間で比較した。その結果,フィラーの頻度にのみ有意差があり,日本語話者の方が値は大きかった(英語4.2回/100語,日本語5.9回/100語)。さらに,フィラーの語あたり頻度を男女別に見ると,英語では男女間に有意差がないのに対し,日本語では男性話者の方が有意に高かった(女性3.7回/100語,男性8.2回/100語)。

このことから,英語話者と日本語話者のフィラーの頻度を比べたとき,頻度が高いのは男性日本語話者であり,女性日本語話者の頻度は英語話者と大差ないことが示唆された。なぜ日本語話者においてのみこのように大きな男女差が観察されるのか,今後考えていく。次に,COPEの文境界,節境界に付与したラベルを用いて,文境界,節境界のフィラーの出現率と,境界の種類や後続節長との関連を調べた。さらにその結果を,日本語について行った研究結果と比較した。どちらの言語においても後続節長が長いほどフィラーの出現率は高く,フィラーが後続発話生成の認知的負荷に関連した現象であることが示唆された。一方,境界の種類別にフィラーの出現率を比較すると,英語では文頭で最も高いのに対し,日本語では,文頭ではなく深い節境界で最も高かった。今後,境界の種類とフィラーの出現率との関連を,より詳細に調べる予定である。英語話し言葉コーパスCOPEにおける,フィラーと50ms以上のポーズの時間情報ラベリングが,予定通り完了した。この情報を用いて,フィラー長,ポーズ長の割合やこれらの頻度を日英語間で比較し,新しい知見を得ることができた。英語の形態素解析も第1次作業は終わっている。また,既に付与されていた節境界ラベルを用いて,節境界におけるフィラーの出現率を調べ,後続節長や境界の種類と出現率との関係を考察した。さらに,節境界におけるフィラーの出現率に関して,日本語との対照研究も行うことができた。日本語と英語におけるフィラーの分布や働きの共通点と相違点を調べるために『日本語話し言葉コーパス(CSJ)』中の模擬講演と,自作の英語話し言葉コーパス“Corpus of Oral Presentations in English (COPE)"を用いて,引き続き分析を行った。まず,COPEにおいて,直前の節境界の深さ・種類と後続節頭のフィラーの出現率との関係を調べた。フィラーの出現率は,書き言葉の文境界に相当する深い境界と判断された境界直後の節頭の方がそれ以外の節頭よりも有意に高かった。一方,日本語では,文中の節境界直後のフィラーの出現率の方が文境界(深い境界)直後のフィラーの出現率よりも高かった。このことから,フィラーに反映される発話生成上の困難の種類には両言語で違いがあることが示唆された。すなわち,英語のフィラーには比較的大きなまとまりの概念生成上の困難が反映されるのに対し,日本語のフィラーが反映するのはよりローカルなレベルの発話生成プロセスであることが推測された。さらに,COPEで従属副詞節直後と等位節直後の節頭のフィラーの出現率を比較すると,前者の方が高かった。これは,従属副詞節を含む文の方が"so"や"and"で繋がれた文よりも構造が複雑なためではないかと思われた。日本語では,接続助詞「が」や「けれども」など直後の節頭の方が,条件節や理由節などの従属副詞節直後の節頭よりもフィラーの出現率は高く,英語とは異なる結果を示した。「が」や「けれども」はその前に複数の節を含むことが多く,比較的深い境界で用いられる傾向がある。したがって,その直後の境界は,英語の"but"のような等位接続詞前の境界と同等なものとして取り扱うのは不適切であることが示された。一方,接続助詞「て」に続く節も英語の"and"や"so"で繋がれた節と同種のものとして考察する必要のあることが示唆された。当初の計画通り,節境界におけるフィラーの出現率に影響を及ぼす要因を,日本語と英語の話し言葉コーパスを用いて分析した。
胃プロトンポンプの発現調節と機能制御にかかわる構造・機構の解明

(1)胃プロトンポンプのα,β鎖の相互作用と発現調節の解明胃プロトンポンプは触媒鎖であるα鎖と非触媒鎖であるβ鎖からなる.私達はHEK-293細胞にα鎖,β鎖のcDNAを導入した安定発現株を構築した.生合成されたα鎖は単独では細胞表面にまで達することはできずにERに留まり,すみやかにポリユビキチン鎖修飾を受けて,細胞内のプロテアソームで分解された.一方,β鎖と会合したα鎖は安定化されて細胞表面にまで輸送されてイオン輸送機能を行った.また,β鎖はα鎖との会合に依らず,細胞表面まで輸送されて安定に発現した.(2)可逆性プロトンポンプ阻害剤の結合部位の解明部位特異的変異導入法と,プロトンポンプの三次元構造のホモロジーモデリングを組み合わせて,可逆性のプロトンポンプ阻害剤であるSCH 28080の結合部位を解明した.ホモロジーモデリングで構築したプロトンポンプのα鎖のE_2,E_2Pフォームで,Tyr-801,Leu-811の近傍に,管腔側からSCH 28080が反応するのに丁度フィットするようなcavity構造を確認した.(3)胃プロトンポンプのプロトン輸送メカニズムの解明胃プロトンポンプによるプロトン輸送は原形質側ではアミノ酸間での電荷移動によって行われ,イオン輸送部位でプロトンが水分子に結合してオキソニウムイオンが形成されて,これが管腔側へと輸送されることを明らかにした.□一回膜貫通型タンパク質FXYD3/Mat-8の発現分布の確認FXYD3タンパク質は一回膜貫通型の膜タンパク質で,Na^+,K^+-ATPaseと会合してそのイオン親和性を変化させて生理機能を微調節する.本研究では,ヒト大腸がん組織とその周辺の正常粘膜における発現を比較して,正常大腸粘膜に高発現するFXYD3ががん化に伴って著しい発現抑制を受けることを明らかにした.(1)胃プロトンポンプのα,β鎖の相互作用と発現調節の解明胃プロトンポンプは触媒鎖であるα鎖と非触媒鎖であるβ鎖からなる.私達はHEK-293細胞にα鎖,β鎖のcDNAを導入した安定発現株を構築した.生合成されたα鎖は単独では細胞表面にまで達することはできずにERに留まり,すみやかにポリユビキチン鎖修飾を受けて,細胞内のプロテアソームで分解された.一方,β鎖と会合したα鎖は安定化されて細胞表面にまで輸送されてイオン輸送機能を行った.また,β鎖はα鎖との会合に依らず,細胞表面まで輸送されて安定に発現した.(2)可逆性プロトンポンプ阻害剤の結合部位の解明部位特異的変異導入法と,プロトンポンプの三次元構造のホモロジーモデリングを組み合わせて,可逆性のプロトンポンプ阻害剤であるSCH 28080の結合部位を解明した.ホモロジーモデリングで構築したプロトンポンプのα鎖のE_2,E_2Pフォームで,Tyr-801,Leu-811の近傍に,管腔側からSCH 28080が反応するのに丁度フィットするようなcavity構造を確認した.(3)胃プロトンポンプのプロトン輸送メカニズムの解明胃プロトンポンプによるプロトン輸送は原形質側ではアミノ酸間での電荷移動によって行われ,イオン輸送部位でプロトンが水分子に結合してオキソニウムイオンが形成されて,これが管腔側へと輸送されることを明らかにした.□一回膜貫通型タンパク質FXYD3/Mat-8の発現分布の確認FXYD3タンパク質は一回膜貫通型の膜タンパク質で,Na^+,K^+-ATPaseと会合してそのイオン親和性を変化させて生理機能を微調節する.本研究では,ヒト大腸がん組織とその周辺の正常粘膜における発現を比較して,正常大腸粘膜に高発現するFXYD3ががん化に伴って著しい発現抑制を受けることを明らかにした.胃酸分泌を行うプロトンポンプは触媒鎖であるα鎖と,非触媒鎖である糖蛋白質β鎖からなる.私はHEK-293細胞を用いてプロトンポンプのα鎖,β鎖の単独発現細胞,α鎖/β鎖の安定発現株細胞を構築した.α鎖は単独ではER(小胞体)に留められ,細胞膜表面での発現は見られなかった,また,単独で発現させたα鎖は不安定であり,ユビキチン鎖修飾を受けてプロテアソームによって分解された.一方,α鎖/β鎖を共発現させると,α鎖は安定化され細胞膜表面での発現が観察された.これに対して,β鎖はα鎖の有無に関わらず安定で,細胞膜表面に発現するという挙動が観察された.また,α鎖/β鎖の安定発現株細胞の細胞表面ではRb^+やプロトンの輸送活性が観察され,ポンプ阻害剤であるSCH28080によって阻害された(論文投稿中).また,ポンプのイオン結合部位を含むとみられるα鎖の第6膜貫通領域に系統的な変異導入を行い,HKK-293細胞に発現させて変異体の機能を観察した.その結果,膜貫通領域の酸性アミノ酸を中心にイオン認識部位を形成する残基がαヘリックスの片側に偏在すること,また膜の中央を境にして細胞質側にプロトンの認識に関与するアミノ酸が,管腔側にK^+の認識に関与するアミノ酸が局在することが観察された(Asano et al.,J.Biol.Chem.).

また,従来不整脈治療薬として用いられて来た薬物であるcibenzolineがプロトンポンプ阻害活性を持つことを見い出した.本薬物は細胞質側から働いてK^+と競合的にポンプを阻害し,これまで知られているプロトンポンプ阻害剤とは全く異なる作用機構を示した(Tabuchi et al.,Br.J.Pharmacol.).胃プロトンポンプは触媒鎖であるα鎖と,非触媒鎖である糖蛋白質β鎖からなる.私はHEK-293細胞を用いてプロトンポンプのα鎖/β鎖の安定発現株細胞を構築した.安定発現細胞はRb^+の細胞内輸送や,プロトンの分泌を示し,ポンプ阻害剤であるSCH28080によって阻害された.(Kimura et al.,J. Biochem.).ポンプのβ鎖に特徴的に存在する3つのジスルフィド結合の機能的な役割を明らかにする為に,β鎖に存在するシステイン残基に単独で,または複数の組み合わせで変異を導入して,ジスルフィド結合を破壊して,変異体β鎖とα鎖と共発現する安定発現細胞を構築し,酵素活性や細胞内での存在部位等を観察した.その結果,各ジスルフィド結合は酵素活性の維持に必須であること,β鎖がα鎖と会合して細胞表面に発現するのに重要な役割を果たすことが明らかになった(Kimura et al.,J. Biol. Chem.).温度感受性の大型T抗原遺伝子を導入したラットの胃粘膜上皮細胞を単離して不死化細胞株を構築した.細胞株は株毎に主細胞,壁細胞などに特異的なマーカーのmRNAを発現し,胃粘膜分化機構の研究や遺伝子発現の調節の研究に有用であることが確認された(Tabuchi et al.,Cell Struct. Funct.)α鎖単独,β鎖単独発現細胞をそれぞれ構築し,細胞内でのα/βオリゴマー形成の調節機構を検討した.その結果,β鎖と会合しなかった過剰のα鎖は小胞体(ER)に留められてポリユビキチン鎖修飾を受けて細胞質のプロテアソームによって特異的に分解されることが確認された.一方,β鎖はα鎖の有無に関わらず安定性に大きな変化はなく,過剰のβ鎖もポリユビキチン鎖修飾を受けず細胞膜表面に発現することが観察された.これらの結果から,細胞表面におけるα/β複合体の発現量はERでのたんぱく質の品質管理機構によって調節されることが明らかとなった(Kimura et al. Biochemistry, in press).胃酸の分泌を行うナノマシーンである胃プロトンポンプは触媒鎖であるα鎖と,非触媒鎖であるβ鎖からなる.本研究では,ポンプのα鎖の三次元構造を推定し,阻害剤の結合部位を決定した.また,プロトンポンプの生合成から細胞表面での機能発現,細胞表面での安定化や分解にいたる機能調節機構についても検討した.(1)膜貫通領域に対して網羅的な部位特異的な変異導入を行い,プロトンポンプの第5膜貫通領域にポンプ阻害剤(SCH 28080,SPI-447)の反応性に影響を与えるアミノ酸残基Tyr-801を発見した.また,Tyr-801の側鎖の嵩高さがポンプ阻害剤との反応に重要であることを見いだした.(2)ホモロジーモデリングによるプロトンポンプα鎖の三次元構造モデルの構築:プロトンポンプと高い相同性を有する骨格筋のカルシウムポンプの三次元構造をベースにして,ホモロジーモデリングを行い,プロトンポンプのE_1,E_2コンフォメーション(各々プロトン,カリウムイオンに親和性があるコンフォメーション)の三次元構造モデルを構築した.(3)プロトンポンプ阻害剤の結合部位の検討:Tyr-801を中心に、構築した三次元構造モデルに胃プロトンポンプ阻害剤(SCH 28080,SPI-447)の構造をフィッテイングさせて,エネルギー最小化をはかり,阻害剤の結合部位の立体構造を推定した.
修正重力理論とその宇宙論への応用

一般相対論の代替理論としてどのような可能性があるかを探求するため、平成28年度に以下3つの研究を行った。1.重力場と質量を持ったベクトル場の非自明な相互作用の探求:宇宙初期のインフレーションや現在の宇宙の加速膨張を、重力場と非自明に相互作用するスカラー場(もっとも単純な場)によって説明しようという研究がこれまで盛んに行われてきた。これらの研究により、いままで不可能であると考えられていた余分なゴースト自由度を生じない高階微分を含む相互作用の存在が明らかになった。私はスカラー場に関するこれらの近年の発展が、より複雑な、質量を持ったベクトル場に関しても応用可能であることに着目し、これまでに誰も提唱していなかった余分な自由度の生じない重力場とベクトル場の相互作用を構築した。2.上記の理論における、宇宙の安定性の解析:上記のようなベクトル場が存在する場合に、実際の宇宙膨張にどのような影響を及ぼすか、特に、膨張宇宙が安定かどうかは極めて重要である。私はこの理論が加速膨張宇宙解を持つことを明らかにし、さらに、宇宙論的摂動論を用いた解析により、加速膨張宇宙が安定であることを明らかにした。3.高階微分重力理論による宇宙初期特異点回避の研究:特異点の生成は一般相対論の抱える大きな問題である。特異点が生成されうる強重力領域では重力の量子効果が無視できなくなると予想され、これが特異点の生成を妨げるはずだと期待されている。したがって、特異点の生成されない古典重力理論が構築は未知の量子重力理論の古典的有効理論の有力な候補となる。私は曲率スカラーに上限が存在するような高階微分重力理論に関し、膨張宇宙解を構築した。私は膨張宇宙解の周りの摂動を解析することによって、従来知らていた理論はゴースト不安定を生じ整合的でないことを明らかにした。さらに、このゴースト不安定性を回避するような新しい理論の拡張に成功した。28年度が最終年度であるため、記入しない。現実の重力が一般相対論でない重力理論にしたがっている可能性を探るため、私は平成26年度に主に以下の2つの研究を行った。1.一般の基準計量を持つmassive gravityのゴースト問題についての研究ゴーストとは逆符号の運動項を持つ非物理的な自由度のことである。一般的にこのような自由度は高階微分を含む自己相互作用によって生じる。私は一般の基準計量のmassive gravityにおいて、重力子のスカラーモードがこのような自己相互作用を持たないことを示した。さらに、基準計量の曲率が重力子の質量に比べ十分大きいとき、重力子のスカラーモードそれ自体が(自己相互作用由来でない)ゴーストとなり、解の不安定性が生じることを明らかにした。massive gravityの理論で、重力場と物質場との結合方法として、物理的計量と基準計量の特定の組み合わせで作られた複合計量を通した物質場との結合が注目されており、特に正準運動項を持ったスカラー場については、有効理論の範囲内でゴーストが現れないことが知られていた。一方で重力場とスカラー場から作られる理論でゴーストの現れない最も一般的なものとして、Horndeski理論と呼ばれる理論が知られていた。私は、これらの2つの結果を受け、massive gravityが複合計量を通し、正準運動項でなく、Horndeski理論と結合している理論を考案し、宇宙の膨張則、線形摂動の作用を導出した。摂動が安定である条件から、理論の持つ任意関数が満たすべき条件式を導出した。また、スカラー自由度の運動項の縮退を調べ、非自明なHorndeski項がある場合には、スカラーモードの運動項は3つの独立成分を持つ、つまりゴーストモードが生じることを明らかにした。現実の重力が一般相対論でない重力理論(修正重力理論)に従っている可能性の探求のため、私は平成27年度に主に以下の3つの研究を行った。1.修正重力理論の球対称時空解の構成とその摂動の解析を行った。修正重力理論であるMassive GravityとBi-Gravityにおいて、宇宙項入りの一般相対論の解である任意の球対称時空が、これらの理論の解となることを示した。さらに、これらの解の摂動が一般相対論とまったく同じ運動方程式に従うことを明らかにした。この結果は、球対称時空(宇宙論的時空を含む)とその摂動の観測から、これらの重力理論を一般相対論と区別できないという重要な事実を表している。2.高階微分を含む新しい重力理論の構築を行った。通常、高階時間微分を含む場の理論はゴースト不安定性を持ち、現実的な理論とはならない。しかし、拘束系である重力理論に対しては、このゴースト不安定性を回避できうる。私はリッチスカラーの2階時間微分(力学変数である計量の6階時間微分)を運動方程式に含むような理論を考え、それが一般相対論に2つのスカラー場を加えた理論であることを明らかにした。さらに、そのスカラー場がゴースト不安定性を引き起こさない条件を明らかにした。これにより、高階微分を含むがゴースト不安定性を持たないという新しい重力理論の可能性が明らかになった。3.修正重力理論におけるゴースト問題の研究を行った。Bi-GravityはBDゴースト不安定性を持たないことが知られている。このことから、グラビトンのスカラー部分はゴースト不安定性を持たないはずである。私はグラビトンのスカラー部分を抽出する脱結合極限を新しく提唱して、スカラー部分の運動方程式を具体的に書き下した。

運動方程式は高階微分を含むが、これに起因するゴースト不安定性は摂動展開が正当化されている低エネルギースケールでは起きないことを明らかにした。Massive Gravity, Bi-Gravityにおける宇宙論的解・球対称ブラックホール解のまわりの摂動を解析するという研究計画であったが、これは上記の研究1において完了した。これに加え上記の研究2、研究3も完成しており、ここから「当初の計画以上に進展している」と判断できる。一般相対論の代替理論としてどのような可能性があるかを探求するため、平成28年度に以下3つの研究を行った。1.重力場と質量を持ったベクトル場の非自明な相互作用の探求:宇宙初期のインフレーションや現在の宇宙の加速膨張を、重力場と非自明に相互作用するスカラー場(もっとも単純な場)によって説明しようという研究がこれまで盛んに行われてきた。これらの研究により、いままで不可能であると考えられていた余分なゴースト自由度を生じない高階微分を含む相互作用の存在が明らかになった。私はスカラー場に関するこれらの近年の発展が、より複雑な、質量を持ったベクトル場に関しても応用可能であることに着目し、これまでに誰も提唱していなかった余分な自由度の生じない重力場とベクトル場の相互作用を構築した。2.上記の理論における、宇宙の安定性の解析:上記のようなベクトル場が存在する場合に、実際の宇宙膨張にどのような影響を及ぼすか、特に、膨張宇宙が安定かどうかは極めて重要である。私はこの理論が加速膨張宇宙解を持つことを明らかにし、さらに、宇宙論的摂動論を用いた解析により、加速膨張宇宙が安定であることを明らかにした。3.高階微分重力理論による宇宙初期特異点回避の研究:特異点の生成は一般相対論の抱える大きな問題である。特異点が生成されうる強重力領域では重力の量子効果が無視できなくなると予想され、これが特異点の生成を妨げるはずだと期待されている。したがって、特異点の生成されない古典重力理論が構築は未知の量子重力理論の古典的有効理論の有力な候補となる。私は曲率スカラーに上限が存在するような高階微分重力理論に関し、膨張宇宙解を構築した。私は膨張宇宙解の周りの摂動を解析することによって、従来知らていた理論はゴースト不安定を生じ整合的でないことを明らかにした。さらに、このゴースト不安定性を回避するような新しい理論の拡張に成功した。私は本年度の研究成果を"おおむね順調に進展している"と自己評価する。その理由としては、上で挙げた2つの研究成果である。前者はすでに論文として出版済、後者も現在投稿中であり、十分な成果であると評価できる。一方で、最高評価を行わなかった理由としては、当初予定してた摂動論に関する研究が容易には進まず、進度が遅れてしまったことである。ただし、この研究は平成26年度中にまとめることはできなかったが、現在研究はほぼ完了しており、すぐに論文として出版する見込みである。私は今後の研究として以下の2つを計画している。1.特異点を持たない宇宙モデルの摂動解析任意の宇宙論的解が特異点を持たないよう作られた重力理論がある。しかし、この理論における宇宙論的解のまわりの摂動の振る舞いは未だ明らかになっていない。
薬物吸収障壁としての小腸および肝臓の協働機能解析

常用量の薬物を服用した場合にも、一部の患者で重篤な副作用が発現する。薬物動態学の進歩によって、この主たる原因は薬物代謝の個体間変動、あるいは薬物相互作用による血中濃度の顕著な上昇であることが明らかになってきた。特に代謝クリアランスが大きい薬物については、経口投与時に顕著な初回通過効果を受けるため、バイオアベイラビリティに大きな変動が認められる。腎機能低下時における肝臓と小腸の初回通過代謝を系統的に検討するため、4種類の腎障害モデル(部分腎切除、グリセロール誘発、シスプラチン誘発・尿管結紮)ラットを用いてCYP3A分子種の代謝能の変動を評価した。腎障害時におけるCYP3A分子種の肝代謝活性には低下傾向が認められ、腎障害の発生機序によっては重度の低下が起こることが明らかになった。また、腎機能低下における小腸代謝能の変動についてはこれまで殆ど情報がなかったが、何れの腎障害モデルにおいてもCYP3A代謝能には有意な変動は認められず、肝臓と小腸のCYP3A分子種は異なる発現制御を受けているものと考えられた。さらに、免疫抑制剤タクロリムスや抗不整脈薬アジマリン、あるいはβ遮断薬プロプラノロールのように肝代謝が飽和性を示す薬剤では、腎機能低下時の小腸における吸収速度の変動が、肝初回通過効果に対しても大きく影響を及ぼすとの知見が得られた。この知見は、薬剤の小腸からの吸収率、あるいは肝臓における初回通過代謝を個別に評価するのみでは、経口投与時のバイオアベイラビリティやそれに及ぼす病態や薬物間相互作用の予測が難しいことを示唆する点で極めて重要と考えられる。特に肝代謝クリアランスが大きい薬物については、経口投与時に顕著な初回通過効果を受けるため、バイオアベイラビリティに大きな変動が認められる。一方、小腸にはチトクロームP450(CYP)3Aサブファミリーが存在するが、酵素活性は肝臓に比べ一桁以上低いため、薬物代謝に対する寄与は小さいと考えられてきた。また、小腸には薬物を排出するトランスポータ(P-糖蛋白質など)が存在するが、膜透過性が高い薬物については、消化管吸収が不完全になることでバイオアベイラビリティが低下するとは考え難い。しかし、小腸のトランスポータが、薬物の小腸上皮細胞における滞留時間を延長させるならば、小腸における薬物代謝が顕著に増大する可能性がある。申請者らは、CYP3Aサブファミリーで代謝される免疫抑制剤タクロリムスの体内動態を検討した結果、経口投与時の初回通過効果に対しては、肝臓のみならず小腸における代謝が大きく関与し、薬物動態の個体差の極めて重要な原因となっていることを見出した。さらに、タクロリムスや抗不整脈薬アジマリン、あるいはβ遮断薬プロプラノロールのように肝代謝が飽和性を示す薬剤では、腎機能低下時の小腸における吸収・代謝速度の変動が、肝初回通過効果に対しても大きく影響を及ぼすとの知見を得ている。これらの知見は、薬剤の小腸からの吸収率、あるいは肝臓における初回通過代謝を個別に評価するのみでは、経口投与時のバイオアベイラビリティやそれに及ぼす病態や薬物間相互作用の予測が難しいことを示唆する点で極めて重要である。免役抑制薬タクロリムスについては、腎移植時など腎機能が低下した患者にも投与されるが、腎排泄を殆ど受けないことから、腎障害時の体内動態については全く検討がなされていなかった。申請者らは、シスプラチン誘発腎障害モデルラットを用いて、タクロリムスの体内動態を検討した。タクロリムス経口投与時の血中濃度は腎障害群で約2倍に上昇し、バイオアベイラビリティの有意な増加が観察された。その要因については肝代謝能が軽度に低下することに加え、小腸吸収過程の変動が関与することが明らかとなった。

すなわち、タクロリムスの肝初回通過代謝には飽和性があるため、小腸吸収速度の増大に伴い肝抽出率が低下し、バイオアベイラビリティが上昇することが明らかになった。一方、タクロリムスの小腸における代謝は、腎障害時に変動しないため、バイオアベイラビリティの上昇には関与していないものと考えられた。さらに、腎機能低下時における肝臓と小腸の初回通過代謝を系統的に検討するため、4種類の腎障害モデル(部分腎切除、グリセロール誘発、シスプラチン誘発、尿管結紮)ラットを用いてCYP3A分子種の代謝能の変動を評価した。腎障害時におけるCYP3A分子種の肝代謝活性には低下傾向が認められ、腎障害の発生機序によっては重度の低下が起こることが明らかになった。また、腎機能低下における小腸代謝能の変動についてはこれまで殆ど情報がなかったが、何れの腎障害モデルにおいてもCYP3A代謝能には有意な変動は認められず、肝臓と小腸のCYP3A分子種は異なる発現制御を受けているものと考えられた。
生体触媒機能発現を目指した金属錯体/電子伝達複合系の開発

新規な触媒の開発を目指して,金属酵素の触媒機能を金属錯体で実現する研究の一環として活性中心を含む錯体の開発のみでなく,電子伝達系との組み合わせについて種々検討した。電子の供給源としては金属錯体系,光系,電気化学系,有機還元試薬系などを組み合わせた機能モデル系の構築を試みた。本研究では,酸素活性化,酸素の発生などの基盤的反応に関与する鉄と銅錯体と電子伝達系の複合系の開発という,これまでの研究から一歩踏み出した課題の解決に取り組んだ。1)金属錯体による選択的な酸素化機能の実現酸素化酵素としてはポルフィリン配位子を有するヘム鉄系と非ポルフィリン系の非ヘム鉄系(単核鉄と2核鉄)について種々の電子供与剤,電子伝達機能錯体を組み合わせて検討した。チロシンヒドロキシラーゼモデル反応,クロロカテコールジオキシゲナーゼモデル反応o-アミノフェノールの酸素化において新しい知見を得た。2)酸素化反応以外の生体内触媒反応生体内触媒のモデルとしての機能性抗体や生体内一酸化窒素の発生機構と検出方法の開発を行うとともに,モリブデン錯体系でのオキソ移動反応,チトクロームcオキシダーゼ反応活性中心のモデル化と新規酸素活性化反応の開発を行った。3)生体系の電子伝達機能のモデル系での実現生体触媒系では多くの酸化還元サイクルの組み合わせて効率的な触媒反応が完成されているのに対し,錯体系では電子供与サイクルの完成には程遠い。本研究ではビオローゲン結合型ポルフィリンによる光励起分子内電子移動の研究や人工ミオグロビンによる電子伝達反応の研究,さらには電解還元反応における選択性の検討など幅広い研究を行った。1)金属錯体による選択的な酸素化機能の実現酸素化酵素としてはポルフィリン配位子を有するヘム鉄系と非ボルフィリン系の非ヘム鉄系(単核鉄と2核鉄)について種々の電子供与剤,電子伝達機能錯体を組み合わせて検討した。非ヘム鉄系では生体系で重要な役割を果たすヒドロキノンの有用性について検討し,チロシンヒドロキシラーゼモデル反応において新しい知見を得た。2)酸素化反応以外の生体内触媒反応活性酸素種として金属スーパーオキシジスムターゼや抗体触媒,NOS反応についても研究の幅を広げ,活性酸素の反応として総合的な理解を深めた。また,光合成反応における水からの酸素発生反応についての顕著な結果を得た。生体系の電子伝達機能のモデル系での実現生体触媒系では多くの酸化還元サイクルの組み合わせて効率的な触媒反応が完成されているのに対し,錯体系では電子供与サイクルの完成には程遠い。本研究ではa)生体系で電子伝達に重要な役割を果たす鉄硫黄蛋白の機能発現機構を鉄硫黄クラスターを中心にモデル系での実現について検討した。b)光合成やヒドロゲナーゼなどの光誘起による電子伝達機構を明らかにし,多重金属型やビオローゲン結合型金属ポルフィリン系で類似機能を実現した。c)酵素を修飾電極に用いた新しい電極での反応で電子移動に関する新しい情報を得た。新規な触媒の開発を目指して、金属酵素の触媒機能を金属錯体で実現する研究の一環として活性中心を含む錯体の開発のみでなく、電子伝達系との組み合わせについて種々検討した。電子の供給源としては金属錯体系、光系、電気化学系、有機還元試薬系などを組み合わせた機能モデル系の構築を試みた。

本研究では,酸素活性化,酸素の発生などの基盤的反応に関与する鉄と銅錯体と電子伝達系の複合系の開発という,これまでの研究から一歩踏み出した課題の解決に取り組んだ。1)金属錯体による選択的な酸素化機能の実現酸素化酵素としてはポルフィリン配位子を有するヘム鉄系と非ポリフィリン系の非ヘム鉄系(単核鉄と2核鉄)について種々の電子供与剤,電子伝達機能錯体を組み合わせて検討した。チロシンヒドロキシラーゼモデル反応,クロロカテコールジオキシゲナーゼモデル反応o-アミノフェノールの酸素化において新しい知見を得た。2)酸素化反応以外の生体内触媒反応生体内触媒のモデルとしての機能性抗体や生体内一酸化窒素の発生機構と検出方法の開発を行うとともに,モリブデン錯体系でのオキソ移動反応,チトクロームcオキシダーゼ反応活性中心のモデル化と新規酸素活性化反応の開発を行った。3)生体系の電子伝達機能のモデル系での実現生体触媒系では多くの酸化還元サイクルの組み合わせて効率的な触媒反応が完成されているのに対し,錯体系では電子供与サイクルの完成には程遠い。本研究ではビオローゲン結合型ポルフィリンによる光励起分子電子移動の研究や人工ミオグロビンによる電子伝達反応の研究,さらには電解還元反応における選択性の検討など幅広い研究を行った。
メタステーブル電子放射顕微鏡による固体表面最外層反応の動的観測

本研究では、よく規定された(well-defined)固体表面上における、分子の吸着、拡散、および分子間の二次元空間反応の動的過程を我々が最近開発したメタステーブル電子放射顕微鏡(MEEM、メタステーブル原子の衝突に伴って表面から放出される電子を電子レンズで結像させる装置)を用いて観測することを試みた。研究成果は以下の通りである。1.既存のMAES装置のMCP検出部にCCDカメラを直結し、このカメラをデータ解析装置につないでMEEM像の画像処理を行い、高感度でMEEM像を観測するシステムを完成した。2.蒸着基板(シリコン単結晶面、グラファイト劈開面、MoS_2劈開面、ダイアモンド膜等)を加熱により清浄化し、その過程をLEED(低速電子回折)、EELS(電子エネルギー損失分光)およびMAES(メタステーブル原子電子分光)等により確認した。3.上の蒸着基板の表面に有機物(フタロシアニン類、PTCDA(ペリレンテトラカルボン酸無水物)など)の試料を蒸着し、蒸着膜の経時変化、加熱による分子の拡散過程などをMEEM(ミクロ領域のPIESおよびエネルギー選別像を与える)とLEEM(ミクロ領域のEELSおよびエネルギー選別像を与える)により観測した。4.通常の表面解析装置により、上と同様の観測をPIES(ペニングイオン化電子分光)、ARUPS(角度分解紫外光電子分光)、HREELS(高分解能電子エネルギー損失分光)等を用いて行った。5.蒸着基板の表面に2種の試料(有機物とIn等の金属)を蒸着し、試料間の二次元空間反応を観測した。6.以上の結果、二次元空間反応における反応速度、分子中における反応部位、反応に伴う電子状態の変化の動的過程などが明らかになった。固体表面を積極的に二次元の反応場とみなし、その上での異種分子の拡散とそれに伴う分子間の二次元空間反応(表面最外層反応)を研究した例はほとんどないと思われる。本研究では、よく規定された(well-defined)固体表面上における、分子の吸着、拡散、および分子間の二次元空間反応の動的過程を我々が最近開発したメタステーブル電子放射顕微鏡(MEEM、メタステーブル原子の衝突に伴って表面から放出される電子を電子レンズで結像させる装置)を用いて、表面のミクロ局所領域で、リアルタイムで観測しようとするものである。1フタロシアニン類の単分子膜をグラファイト、MoS_2等の基板の上に蒸着して、通常の表面解析手段である低速電子回折(LEED)、オージェ電子分光(AES)、角度分解光電子分光(ARUPS)、高分解能電子エネルギー損失分光(HREELS)、ペニングイオン化電子分光(PIES)等でcharacterizationを行った。2現有のMAES装置のMCP検出部にOCDカメラを直結した。このカメラをデータ解析装置につないでMEEM像の画像処理を行い、高感度リアルタイムでMEEM像を観測するシステムを完成した。3 MEEM装置の試料室に蒸着基板(グラファイト、MoS_2等)を取り付け、それを加熱により清浄化した。清浄化の過程はPIES、LEED、EELS等で局所的に確かめた。4フタロシアニン類の超薄膜(1-数層)を基板上に真空蒸着で作り。蒸着時と蒸着後の基板温度を調整して分子配向を制御し、MEEMを用いて、薄膜最上層における分子の拡散過程およびメタステーブル原子の衝突による反応過程をミクロ領域のPIESとエネルギー選別像をモニターしながら観測した。本研究では、よく規定された(well-defined)

固体表面上における、分子の吸着、拡散、および分子間の二次元空間反応の動的過程を我々が最近開発したメタステーブル電子放射顕微鏡(MEEM、メタステーブル原子の衝突に伴って表面から放出される電子を電子レンズで結像させる装置)を用いて観測することを試みた。本年度の研究成果は以下の通りである。1蒸着基板(シリコン単結晶面、グラファイト劈開面、MoS_2劈開面、ダイアモンド膜等)を清浄化し、その過程をLEED(低速電子回折)、EELS(電子エネルギー損失分光)およびPIES(ペニングイオン化電子分光)等により確認した。2上の蒸着基板の表面に有機物(フタロシアニン類、PTODA(ペリレンテトラカルボン酸無水物)など)の試料を蒸着し、蒸着膜の経時変化、,加熱による分子の拡散過程などをMEEM(ミクロ領域のPIESおよびエネルギー選別像を与える)とLEEM(ミクロ領域のEELSおよびエネルギー選別像を与える)により観測した。3通常の表面解析装置により、上と同様の観測をPIES、ARUPS(角度分解紫外光電子分光)等を用いて行った。4蒸着基板の表面に2種の試料(有機物とIn等の金属)を蒸着し、試料間の二次元空間反応を観測した。5以上の結果、二次元空間反応における反応速度、分子中における反応部位、反応に伴う電子状態の変化の動的過程が朗らかになった。
高効率超伝導送電技術へのナノ組織制御・フォースフリー融合技術の構築

超伝導の物理現象「フォース・フリー状態(縦磁界効果)」を用いて、長距離超伝導直流送電技術応用が期待される超伝導ケーブルを検討する。そこで、液体窒素温度(77K)、縦磁界下における特性向上をめざし、REBa2Cu3Oy (REBCO; RE = rare earth)超伝導膜および線材のナノ組織制御技術を構築した。REBa2Cu3Oy (REBCO)超伝導体は従来の金属系超伝導体や他の高温超伝導体と比較して高磁場においても高い臨界電流密度(Jc)を有しているため、さらに高性能な超伝導線材の実現に向けて研究が行われている。磁場中超伝導特性の向上には超伝導体内への人工ピンニングセンター(APC)と呼ばれる常伝導体の導入が有効である。超伝導特性の向上は量子化磁束に働くLorentz力を低減することでも達成できる。理想的には電流と磁場が平行である状態(縦磁場)を実現すればLorentz力はゼロになる。縦磁場下ではLorentz力はゼロであるが、自己磁場(誘導磁場)に起因するフォース・フリートルクの発生により量子化磁束が運動するため磁束ピンニングが重要である。この状態で観察される様々な超伝導電磁現象は縦磁場効果と呼ばれる。縦磁場効果の中でも、磁場中Jcが自己磁場下におけるJc (Jcself)と比較して向上し、ピークを持つ現象は線材の臨界電流(Ic)を大幅に向上させる可能性を有するため、この現象を積極的に利用したフォース・フリーケーブルが提案されている。この設計には利用する線材の縦磁場下における超伝導特性評価が重要であるが、縦磁場効果によるJcピーク向上はほとんどが金属系超伝導体に関する報告であった。本年度は、BHO添加SmBCO積層薄膜における縦磁場効果によるJcピークの発現機構の解明を目的として、積層薄膜構造が縦磁場下における磁束ピンニング機構に与える影響について検討した。総膜厚依存性評価より、400 nm以上の総膜厚でJcピークが観察された。総膜厚の増加に伴うIc及び自己磁場の増加に起因して磁束ピンニングの寄与が大きくなったことを示唆している。積層薄膜の総膜厚及び積層界面密度が縦磁場中Jcに与える影響を評価した。また、積層界面密度依存性評価より、Jcピークの発現には80 layers/μm以上が必要であることが明らかになった。この結果は、フォース・フリートルク及びLorentz力の双方を十分にピン止めできる薄膜構造が必要であることを示している。さらに、Jcピークの発現には各層厚よりも積層界面密度が大きく寄与していることも明らかにした。我々はこれまでに、人工ピンニングセンター(APC)をナノレベルで制御して導入したREBCO超伝導薄膜において縦磁場効果によるJcのピーク向上を報告した。この薄膜はAPCを含む層と含まない層を制御して多層化した構造を有しており、この構造を系統的に変化させることで、Jcピークが発現する条件を探索、特定した。縦磁場下においては量子化磁束に大きなローレンツ力は生じないが、自己磁場に起因して回転運動することが考えられる。この量子化磁束の回転運動を効率よくピン留めできる三次元的なAPCの存在がJcピークの発現に寄与している、と推察した。本年度は、さらにケーブル応用に向けたより簡素な薄膜構造の探索とJcピークの発現に寄与する根本的な要因を特定するために、薄膜作製条件を変化させ、その過程で自然に導入される結晶欠陥等による磁束ピンニングに関して検討した。APCを導入していないREBCO薄膜において、測定環境温度を低下させるにつれ、縦磁場中のJcが向上することを確認した。さらに、量子化磁束の回転運動及び磁束ピンニングに対してより詳細に理論構築するために、計算機シミュレーションによる磁束運動の可視化を検討した。縦磁場下において量子化磁束をピン留めできる効率的なAPC形状の検討を行い、概ね実験結果に沿った三次元的なAPCの存在が有効であることが示された。さらに量子化磁束の回転運動及び磁束ピンニングに対してより詳細に理論構築するために、計算機シミュレーションによる磁束運動の可視化を検討した。縦磁場効果はNb-Ti等の低温超伝導体において半世紀以上前から報告がなされていた。なかでも、弱磁場中においてゼロ磁場に対して臨界電流密度(Jc)がピークを持って大幅向上する現象が知られていた。この現象を超伝導電力ケーブルに利用できれば大幅な電力容量の増大が見込めるが、次世代超伝導線材として期待される高温超伝導体(REBa2Cu3Oy, REBCO)においては縦磁場効果に関する報告がほとんどなく、Jcピークの発現メカニズムは不明瞭であった。

縦磁場下においては量子化磁束に大きなローレンツ力は生じないが、自己磁場に起因して回転運動することが考えられる。この量子化磁束の回転運動を効率よくピン留めできる三次元的なAPCの存在がJcピークの発現に寄与している、と推察した。本年度は、さらにケーブル応用に向けたより簡素な薄膜構造の探索とJcピークの発現に寄与する根本的な要因を特定するために、薄膜作製条件を変化させ、その過程で自然に導入される結晶欠陥等による磁束ピンニングに関して検討した。APCを導入していないREBCO薄膜において、測定環境温度を低下させるにつれ、縦磁場中のJcが向上することを確認した。これは薄膜内の積層欠陥が、環境温度の低下に伴い細くなる量子化磁束のピン留めに寄与したためであると推察される。しかし、多層構造のようにAPC導入や薄膜構造を制御できないため、系統的にJcピークの発現する条件を特定するには至っておらず、また、液体窒素温度下においてJcピークは観察されていない。これより液体窒素運用によるケーブル応用には、最適なサイズ及び形状のAPCの導入をより簡便に行うことが必要であると示唆された。RE系高温超伝導薄膜内に常伝導物質(人工ピンニングセンター、APC)を添加することで、磁場中超伝導特性の向上が数多く報告されている。電流と磁場が並行である縦磁場においてもそれは同様であり、これまでに規則的な多層構造によるAPC導入が縦磁場効果による大幅な電流容量増大を報告してきた。特に、ランダムパーティクル状のAPC導入の検討、縦磁場中特性の理論的理解と決定機構の考察、さらに金属基板上での縦磁場効果実証と電力ケーブルへの応用を中心に研究を遂行してきた。ランダムパーティクル状のAPC導入の検討では、これまではAPC添加層と無添加層を規則的に積層した薄膜構造を中心に縦磁場効果の評価を行ってきた。これはAPC添加層による磁束のピン止めと、無添加層に外部磁場と並行な電流が流れることが縦磁場効果に対して有効であると推察したためである。その比較として、薄膜内に比較的ランダムにAPCを導入した場合の縦磁場中特性を評価することで、より有効な薄膜構造を提案することに応用できる。しかし、いずれの試料においても縦磁場効果による臨界電流密度(Jc)の大幅増加は観察できなかったため、磁束のピン止めが十分であっても、積層構造のように電流が磁場に対して並行に流れられる層の存在が重要であると考えられる。さらに、縦磁場効果の報告は主にセラミックスなどの単結晶基板上での超伝導薄膜などの研究であったが、応用に向けて曲折可能な金属基板上での実証が必要である。その結果、大幅なJc増加が観察できたBaHfO3(BHO)添加Sm123積層薄膜を様々な条件で作製、評価し、大幅なJc増加を金属基板上でも再現することができた。現状で自己磁場に対して最大で10%以上のJc増加が観察でき、ナノ組織制御による縦磁界効果を用いた長尺超伝導導体などに向けて基礎実験が確認された。超伝導の物理現象「フォース・フリー状態(縦磁界効果)」を用いて、長距離超伝導直流送電技術応用が期待される超伝導ケーブルを検討する。