hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
非膨潤性層状珪酸塩ナノシートのハイブリッド化

その結果、セリサイトにおいてもモンモリロナイトと同様に1層(厚み1nm)のレベルまで剥離分散させることが可能であり、高いアスペクト比のナノシート分散系を得ることできた。PA6に5質量%の有機修飾セリサイトを複合化したナノコンポジットは、高比剛性、高バリヤ性を示すことが確認された。今後、高分子中での分散ナノシートのアスペクト比とそれらの物性との関係を明らかにしていく予定である。複合材料を構成する強化材を超微粒子化した「ナノコンポジット」は、材料強度の向上だけではなく、新しい機能性材料としても注目されている。我々は、従来から研究されている粘土一高分子ナノコンポジットをさらに進化させて、粘土の代わりに天然マイカを厚み1nmレベルで剥離分散させたナノコンポジット製造に成功した。天然マイカを1層レベルまで剥離させるとアスペクト比(長さ/厚み比)を飛躍的に増大させることができるため、従来の粘土系高分子ナノコンポジッ・トと比べてガスバリア性や材料強度を大幅に改善することができる。工業的にも広く使われている天然マイカを一層レベルにまで層剥離させて高分子と複合化したナノコンポジットの研究例は他に類がない。更に、我々独自の方法(剥離層と未剥離層が規則的順序で積層した混合層珪酸塩の合成によって)でナノコンポジット中の分散粒子の層数制御技術に取り組んだ。その結果、分散粒子の積層枚数を均一に2層、3層で分散制御したエポキシ系ナノコンポジットの製造に成功した。この技術はナノコンポジットの性能制御や新たな機能付与など多様なナノコンポジットの創製が期待できる。その他に基礎的な検討として、分散粒子のモルフォロジー(アスペクト比)とナノコンポジットの物性(機械的性質、ガスバリア性など)との関係を明らかにした。
アルキルフェノール類の立体選択的水素化法の開発

環境負荷の小さい超臨界二酸化炭素溶媒と担持金属触媒を利用したアルキルフェノール類の水素化反応について検討した。超臨界二酸化炭素溶媒を利用することにより、従来の有機溶媒を利用した水素化法に比較し、香料原料として重要なシス体の4-アルキルシクロへキサノールを高い収率で合成することに成功した。担持金属触媒への酸添加や二酸化炭素加圧が触媒活性や選択性に与える影響を明らかにし、高い活性と選択性を有する触媒を開発した。アルキルフェノール類の水素化反応により得られるアルキルシクロヘキサノール類は香料原料として有用な化合物である。工業的には担持貴金属触媒と有機溶媒を使用した液相水素化法で製造されており、シス体とトランス体の二種のアルキルシクロヘキサノール異性体が得られるが、香気の点からシス体の選択率を向上させることが課題となっている。本研究では、有機溶媒の代替として超臨界二酸化炭素を溶媒として利用し、低環境負荷かっ高選択的にシス体のアルキルシクロヘキサノール類を合成するための触媒反応技術の開発を行った。平成21年度は4-イソプロピルフェノールの選択的水素化反応を検討した。超臨界二酸化炭素溶媒中の4-イソプロピルフェノール水素化反応では、活性炭担持ロジウム触媒が高活性であった。超臨界二酸化炭素溶媒の利用により、有機溶媒使用(2-プロパノール)に比べ2倍の速度で反応を進行させることができ、反応時間の短縮や貴金属触媒使用量の削減が可能であることを示した。さらに、シス体の割合(=シス体/(シス体+トランス体))を、有機溶媒使用の73%から、超臨界二酸化炭素溶媒の利用により78%まで向上させた。また、超臨界二酸化炭素溶媒中では脱水酸基体の副生が抑制されることを明らかにした。反応生成物の時経変化や、選択性の二酸化炭素圧力依存性の結果より、超臨界二酸化炭素溶媒中では、部分水素化体が触媒表面からの脱離-反転-再吸着を経てトランス体に水素化される経路が抑制されるために、シス体への選択性が向上したと考察した。環境負荷低減の観点から有機溶媒を使用しない化学合成プロセスの開発が望まれている。アルキルフェノール類の水素化反応により得られるアルキルシクロヘキサノール類は香料原料として有用な化合物であり、工業的には担持貴金属触媒と有機溶媒を使用した液相水素化法で製造されている。本研究では、有機溶媒の代替として超臨界二酸化炭素を溶媒として利用し、香気の点から望まれるシス体のアルキルシクロヘキサノール類を高選択的に、かつ、低環境負荷で合成するための触媒開発を行った。活性炭担持ロジウム触媒が超臨界二酸化炭素溶媒中での4-イソプロピルフェノール水素化反応に高活性であることを見出しており、さらに活性・選択性を向上させることを目的として、触媒への酸添加効果を調べた。活性炭担持ロジウム触媒に無機酸を添加することにより、得られる4-イソプロピルシクロヘキサノールのシス体の割合(=シス体/(シス体+トランス体))を、無添加の78%から88%まで向上させることに成功した。さらに、活性炭担持ロジウム触媒への酸添加により、反応完結までの時間を約2/3に短縮できた。反応生成物の時経変化を調べることにより、4-イソプロピルフェノールから直接4-イソプロピルシクロヘキサノールが生成する反応経路と、4-イソプロピルシクロヘキサノンを経て4-イソプロピルシクロヘキサノールが生成する反応経路があることを明らかにした。反応速度解析を行い、酸添加により4-イソプロピルシクロヘキサノンがシス体の4-イソプロピルシクロヘキサノールに水素化されるステップが促進されることを明らかにした。本研究では、有機溶媒の代替として超臨界二酸化炭素を溶媒として利用し、香気の点から望まれるシス体のアルキルシクロヘキサノール類を高選択的に、かつ、低環境負荷で合成するための触媒開発を行う。本年度は主に、超臨界二酸化炭素溶媒と担持ロジウム触媒を用いた4-tert-ブチルフェノール水素化反応に対する触媒担体、リン酸修飾、および、触媒還元温度の影響を調べた。種々の担体に担持したロジウム触媒を用いて反応を行ったところ、触媒担体によるcis-4-tert-ブチルシクロヘキサノール選択率の序列は、活性炭>アルミナ>H-Yゼオライト>シリカの順となった。しかし、これらをリン酸で修飾した場合、選択率の序列はシリカ>活性炭>H-Yゼオライト>アルミナの順となり、シリカ担体の場合にリン酸添加の効果が大きくなることが分かった。一方、アルミナ担体ではリン酸添加の効果がほとんど無いことが分かった。また、触媒の還元条件の影響を検討し、還元温度を低下させるとcis-4-tert-ブチルシクロヘキサノールの選択率が向上することを見出した。

リン酸で修飾したシリカ担持ロジウム触媒の還元温度を検討し、93%のcis-4-tert-ブチルシクロヘキサノール選択率を達成した。環境負荷低減の観点から有機溶媒を使用しない化学合成プロセスの開発が望まれている。アルキルフェノール類の水素化反応により得られるアルキルシクロヘキサノール類は香料原料として有用な化合物であり、工業的には担持貴金属触媒と有機溶媒を使用した液相水素化法で製造されている。本研究では、有機溶媒の代替として超臨界二酸化炭素を溶媒として利用し、香気の点から望まれるシス体のアルキルシクロヘキサノール類を高選択的に、かつ、低環境負荷で合成するための触媒開発を行う。本年度は主に、超臨界二酸化炭素溶媒と担持ロジウム触媒を用いた4-tert-ブチルフェノール水素化反応に対する二酸化炭素圧力効果について、二酸化炭素-水素-4-tert-ブチルフェノール三成分系の相挙動観察と相平衡計算を基に検討した.4-tert-ブチルフェノール水素化反応の初速度は二酸化炭素圧の増加と共に増大することをすでに見出している.ビューセルを用いた反応相の観察を行い、4-tert-ブチルフェノールの溶解量が二酸化炭素圧と共に増加することを確認した.Pen-Robinson状態式を用いた相平衡計算を行い、4-tert-ブチルフェノールの溶解量が二酸化炭素圧と共に増加する結果を得た.二酸化炭素圧力の増加による4-tert-ブチルフェノール水素化反応速度の上昇が4-tert-ブチルフェノールの溶解量の増加と良く対応しており、水素化速度の増加は超臨界二酸化炭素溶媒中の4-tert-ブチルフェノール濃度が増加するためと結論した.触媒成分、調製法を検討し、93%のcis-4-tret-ブチルシクロヘキサノール選択率を達成しており、おおむね順調に進捗していると考えている。24年度が最終年度であるため、記入しない。さらなる反応選択性の向上を目指すとともに、酸添加による選択性向上の理由を明らかにする。
金属錯体結晶における光電子移動反応と逆反応のダイナミックス

1.錯イオン対結晶での光電子移動速度の測定。発光性錯体試料としてRu(dcbpy)_3^<4->[dcbpy=4,4'-dicarboxy-2,2'-bipyridine],Ru(CN)_4(bpy)^<2->,Ru(bpy)_3^<3+>等の誘導体を中心に、対錯イオンを電子移動が起き得るようなCo(L-L)_3^<+3->[L-L=en,NH_3,bpy],Co(dcbpy)_3^<3->等として組み合わせた9種類の複錯体の結晶を合成し、発光寿命の減衰(消光)を単錯体のそれと比較することにより電子移動速度を推定した。いずれの複錯体結晶も良く消光し(5.5x10^6-2.8x10^8s^<-1>)、その速度は弱い温度依存性を示した。かさばった配位子を有するCo(III)錯体の場合では、複錯体での電子的交換相互作用の大きさは大変小さくなり、さらに酸化還元電位との相関から結晶での外部再配列エネルギーも大変小さいことが明らかになった。2.結晶状態での過渡吸収測定は現在のところ大変むづかしい技術であるが、フェムト秒Ti:サファイアレーザー(150fs,75MHz,500mW)を自作し、微弱光励起での高繰り返しポンプ・プローブ法の測定システムを構築することができた。これにより溶液中イオンペア複錯体や複錯体単一結晶での高速逆電子移動速度を吸収法により直接測定できる可能性が高まった。
多重官能性天然有機化合物の全合成

マイクロスクレロデルミンAとBは1994年FaulknerらによりNew Caledonia近海に棲息する海綿の一種Microscleroderma sp.より単離された抗真菌活性を有する環状ペプチドである。(Candida albicans,Botrytis cinerea,Fusarium oxysporum等に対し成長阻害作用を示すことが報告されているが、その他の生理活性については詳細は判っておらず合成による供給が望まれている。グリシン、N-メチルグリシン、(3R)-4-アミノ-3-ヒドロキシ酪酸(GABOB)の他に全く新規の構造の2-カルボキシトリプトファン、ヒドロキシピロリドンを含むアミノ酸、(2S,3R,4S,5S,6S,11E)-3-アミノ-6-メチル-12-(p-メトキシフェニル)-2,4,5-ヒドロキシデカ-11-エン酸(AMMTD)の3種の異常アミノ酸からなる環状ヘキサペプチドである。我々は海洋産生理活性物質の合成研究の一環としてこのMicrosclerodermin類の合成を企画した。まず始めに構造の新規の3種のアミノ酸の合成法を確立し、その後環状構造の構築により全合成を達成する計画である。本年度は構造の最も複雑な構成成分AMMTDの鍵中間体の合成を行った。AMMTDの合成はメトキシフェニルエチレン部分を最後に導入し、連続した5個の不斉中心のうち4個を含む鍵中間体をまず始めに合成する計画をたてた。合成の鍵段階はシャープレスの不斉ジヒドロキシル化反応とドンド-ニのニトロンへのフランの立体選択的な付加反応である。市販のメチル(R)-ヒドロキシイソ酪酸から出発しWittig反応でC3単位を導入し、シリルエーテル部を脱保護、酸化、Wittig反応により炭素鎖を延ばし不飽和エステル体とした。これをシャープレスの不斉ジヒドロキシル化反応に付すと24:1の選択性で望みの配置を有するジオール体をほぼ定量的に得た。ジオールを保護した後、エステルをアルデヒドに変え、N-ベンジルヒドロキアミンと反応し、ニトロンに変換した。これに2-フリルリチウムを塩化ジエチルアルミニウム存在下に反応させると7:1の選択性で望みの配置のanti体が主成して得られた。付加体は三塩化チタンでN-O結合の還元的開裂後脱ベンジル化し、N-Boc体へ変換した。更にフラン環を酸化開裂してカルボン酸、エステル化して鍵中間体を得た。鍵中間体からAMMTD誘導体への変換と他の構成アミノ酸の合成は現在検討中である。
人間-機械協調型ロボットのための人間の確率的行動モデル構築手法に関する研究

人間-機械協調型ロボットのアシスト制御系設計において、人間行動のばらつきが問題となる.これに対し、隠れマルコフモデル(HMM)を用いた確率的行動モデル表現の人間行動モデルを用い、尤度より人間行動特性の類似度評価を行う手法を提案した.さらに、HMMに区分操作データを与え、リアルタイムにオンラインで行動特性を評価し、現在の操作特性に最適なアシスト制御系を選択する手法を提案した.実験により、HMMが最適なアシスト制御系を選択することを確認し、確率的行動モデルによるアシスト制御系の有効性を検証した.人間-機械協調型ロボットのアシスト制御系設計において、人間行動のばらつきが問題となる.これに対し、隠れマルコフモデル(HMM)を用いた確率的行動モデル表現の人間行動モデルを用い、尤度より人間行動特性の類似度評価を行う手法を提案した.さらに、HMMに区分操作データを与え、リアルタイムにオンラインで行動特性を評価し、現在の操作特性に最適なアシスト制御系を選択する手法を提案した.実験により、HMMが最適なアシスト制御系を選択することを確認し、確率的行動モデルによるアシスト制御系の有効性を検証した.これまでは人間-機械協調型ロボットにおける人間行動モデル構築に,確定的なハイブリッドダイナミカルシステムをベースとしたモデル化手法を用いてきた。しかし,人間は同じ動作においてさえ再現性は完全ではない。再現性の低い行動を行う人間を同定対象とした場合には,人間行動モデルが精度良く構築できないという問題がこれまでの研究で明らかとなった。このため,本研究では人間の非一様性への対応のために,人間-機械協調型ロボットシステムにおける確率情報に基づくハイブリッドダイナミカルシステムを用いた人間行動モデル構築手法を確立することを研究目的とした。確率型モデルを構築するために使用するモデル構造を各種検討した結果,尤度によるモデル類似評価が行える隠れマルコフモデル(HMM)を人間行動モデル表現に採用することとした。HMMにより被験者の人間行動モデルを構築し,尤度によるモデル類似評価によって人間行動モデルの分類を行った。5人の被験者に対して行動モデルを構築し,分類を行った結果3つのグループに分類された。また,視点を変えて被験者の操作軌跡毎にHMMによる人間行動モデル構築を行った。5人の被験者の全てのデータをまとめて分類を行うと,同じ被験者の操作軌跡の中でも異なる行動モデルと判定されることがあり,他の被験者の行動モデルと類似すると判断されることも確認された。このように,これまでの人毎に設計していたアシスト制御系ではなく,人間の操作のばらつきを考慮し,類似操作毎にアシスト制御系を設計することで人の行動のばらつきに対応したアシストが実現できることが確認された。これまで、人間-機械協調型ロボットにおける人間行動モデル構築のため、確定的ハイブリッドダイナミカルシステムをベースとした人間行動のモデル化手法を用いてきた。しかし、人間は同じ動作でも一様な再現性は持たない。このため、本研究では人間の非一様性への対応のために、確率的ハイブリッドダイナミカルシステムを用いた人間行動モデル構築手法の確立を研究目的として、尤度という評価指標によりモデル類似性評価が行える隠れマルコフモデル(HMM)を人間行動モデル表現に採用した。本研究ではこの確率型人間行動モデルを、人間-機械協調型ロボットで一般的に用いられる可変インピーダンス制御系の最適なインピーダンスパラメータ選択への応用を考えた。被験者20名の位置決め操作データを用いて、従来の確定的人間行動モデルによって設計された各被験者のアシスト制御系の最適パラメータ値のグルーピング結果と、HMMによるグルーピング結果を比較した。その結果、グルーピング結果はほぼ同等であり、HMM表現された人間行動モデルにより作業者の行動特性分類が可能であることを確認した。さらに、実際の作業中にオンラインでリアルタイムでの行動特性認識を行うために、HMMに与える行動データを行動開始から現時点までの区分系列データとして尤度判定を行う手法を提案した。実験より区分系列データでの尤度判定で行動特性の認識が行えることを示した。さらに、パラメータ選択が必要となる時点までに、人間行動特性の認識が行えることを確認し、提案手法の有効性が検証できた。
保全地区・施設のバッファー・ゾーン設定モデル

世界遺産として登録された紀伊山地の霊場と参詣道は,その文化的景観が高く評価されており,これを取り巻く周辺環境は広範囲にわたっている。ここでのバッファー・ゾーンは,開発規制地域として参詣道の両側一律50mで設定されているが,その根拠は明確とはいえない。本研究では,このような世界遺産をはじめ様々な保全地区や施設のバッファー・ゾーンを設定する方法の提案を目的とする。レーザー測量とGIS/CADシステムを用いて森林内における視界,音量,および臭気について調査を行い基礎となるデータを得た。調査結果をもとにまとめた基礎となるデータベースにもとづいて,バッファー・ゾーンの設定のためのモデルを提案した。今年度は,昨年度にひきつづき紀伊山地熊野古道を対象として,バッファー・ゾーンのモデル化を検討した。昨年度の調査によって得たデータ(レーザー測量・測定)をもとに,植生モデルにおける理論値との比較検討を行い,現在バッファー・ゾーンのモデル化を行うための方法論を仮説的に見いだしている。理論値の算出方法は,特にスギ・ヒノキ・サワラ植林に対して樹冠と幹部分に分けたものと,植樹からの年数(視点高の幹径)と植栽密度,植栽方法を用いるものである。この結果と調査結果の比較を行ってきたが,密度や樹冠部分の大きさ等パラメータの設定等に問題があると考えられ,調査値との間に大きな差がみられた。この結果について,途中経過として,2013年度土木学会景観・デザイン研究発表会にて発表・ポスター展示を行い,多くの研究者と意見交換を行った。さらに,多くの実証データを得るため,また,研究途中の考察から近景から遠景に至る見え方に差があることが原因のひとつと考えられたため,新たに紀伊山地熊野古道を対象に調査を行った。ここでの対象地区は,高野山中辺路における7地点の対象地区,それぞれ50m(基準値)の距離に対し,視覚データ,照度,音量等のデータを収集した。調査日は2013年11月1日・2日である。分析では,各調査地点について,地形を考慮した可視・不可視分析をGISを用いて行うと同時に,その結果をモデル上で算出した結果と比較した。この結果は,近景と遠景について,現況に近い結果を得ることができた。以上の結果をもとに,再度レーザー測量値の算出を行い,結果として,近景以外のデータを含み初期データを用い算出することで,観測値に近い値を得ることができた。この結果について,2014年4月28日に行われる国際的な大会である地球惑星科学連合のGISセッションにて発表する予定である。今年度は最初に,本研究の対象地区である紀伊山地熊野古道について,樹木群を中心にバッファー・ゾーンのモデル化を検討した。このモデル化にあたっては,まず対象地区の植生とその分布について関連する資料の収集を行った。この結果をもとに,樹木量,森林空隙率,樹幹量,枝下部分高さ等の仮データを各植生について設定し,その代表的植生であるスギ・ヒノキ・サワラ植林,アベマキーコナラ群集,モチツツジーアカマツ群集について仮説的モデルを作成した。次に,3次元空間基盤作成のための基礎データを得るため,実際の植生に対して調査測量を行った。主にレーザー測量を用いて,植生状況が近いと考えられる高野山町石道の周辺を対象とした。ここでは,各植生モデルについて各種の物理的な基礎データを得ることを目的として,森林現況のほかに各地区の樹木サンプルデータを計測機器や写真によって得た。本調査は,2012年10月5日に6地点において実施した。これらの結果は,CAD/GISおよび専門ソフトウェアを用いて空間データ化を行った。現地調査に基づいた空間データを用いて,樹木等配置の連続性に対して現実に対応したモデル化を行った。このモデル化に際しては,各種の指標値から具体的に空間における関係式を導くこと,また,このことによって仮説的モデルとの関係検討を行い,最終モデルを設定することを目的としている。最終的に,仮説的モデルと現地調査の結果をもとに現地調査結果との照合等を行い,その結果,特に地形と樹木形状の関係,植生奥行きの把握方法,道路等による連続性の分断など,新しい指標値について検討を行う必要性を見いだしている。本年度は,最終成果をまとめるにあたり課題となっていたバッファー・ゾーンを提案するための植生地区のモデル化の検討を主に行ってきた。このモデル化は主に景観的視点から行ってきたもので,地形と樹木の樹冠,密度等の形状を詳細に扱う分析と合わせてこれらを総合的に扱う手法を検討してきている。バッファー・ゾーンが近景において遮蔽すべき対象と,あるいは遠景では同様のものが遮蔽すべき対象とはならない可能性をみいだし,これを視覚的分析から抽出する方法を検討した。さらに,ここでは視点からの連続性を評価することによって,距離感を抽出している。これらの成果は,景観的な視点から近景と遠景をもとに平面的なバッファー・ゾーンに対して三次元的なバッファー・ゾーンの設定モデルの意義を提案するものとなっている。また,視覚以外についても,その指標としての可能性を実空間での計測と,その場での心理量評価との関係によって抽出した。多くの指標は汎用化まで至っていないが,仮説的に対象地区に適用することができると考えている。以上の内容について,対象地区(5つについて分析を行っている)についての調査をもとにモデル化と結果のまとめを行い,対象地区の一部ではあるがバッファー・ゾーン算出結果と現場での調査結果について整合する成果を得ている。

さらに,類似の方法によって,今回対象とした世界遺産である熊野古道だけでなく,多くの異なる性格を持つ保全・保存の対象となる地区について,同様の方法を使用する可能性を見出している。この成果は,地域地区指定における新たな方法の可能性を示唆している。世界遺産として2004年に登録された紀伊山地の霊場と参詣道は,その文化的景観が高く評価されており,これを取り巻く周辺環境は広範囲にわたっている。線形状の世界遺産として2例目であるこの対象地区では,開発規制地域としてのバッファー・ゾーンは参詣道の両側一律50mで設定されているが,その根拠は明確とはいえない。本研究では,このような世界遺産をはじめとする様々な保全地区や施設におけるバッファー・ゾーンの設定に際して,これを補助するための方法の提案を目的としている。ここではまず,GISを3次元的に用いて地形をはじめ樹種や樹形,道路等の構造物の物理量や,文化財の位置,植生等のデータを収集した。また,現地においてレーザー測量と写真測量を用いて森林内の植生をもとに可視領域を求めるための基礎的な情報を収集するとともに,幹線道路からの音や匂いについても音量測定やニオイセンサによる調査を行い,モデル作成のための基礎となるデータを得た。これらから得た指標値と,調査結果をもとにしたデータベースにもとづいて,バッファー・ゾーンの設定を試行した。まず,モデル関数として森林内を視線が透過する距離について,幹の部分と樹冠部分,さらに中景・遠景を考慮して森林全体について,それぞれ距離と透過率の関係を見出した。次いでこれを地形と合わせ,参詣道からの見え方を表現した。これをもとに,森林を通して透けて見ることができる部分,森林を通さずに見ることができる領域を取り出し,その見え方を表現することでバッファー・ゾーン設定のためのモデルを作成した。音と匂いについては,空気中は既往研究をもとに,森林内は調査をもとに限界値を統計的に定める方法によって3次元の距離を算出した。以上の方法により,地形や植生による対象地区からの距離と視覚,嗅覚および聴覚との関係をもとにしたバッファー・ゾーンの設定のためのモデルを提案した。世界遺産として登録された紀伊山地の霊場と参詣道は,その文化的景観が高く評価されており,これを取り巻く周辺環境は広範囲にわたっている。ここでのバッファー・ゾーンは,開発規制地域として参詣道の両側一律50mで設定されているが,その根拠は明確とはいえない。本研究では,このような世界遺産をはじめ様々な保全地区や施設のバッファー・ゾーンを設定する方法の提案を目的とする。レーザー測量とGIS/CADシステムを用いて森林内における視界,音量,および臭気について調査を行い基礎となるデータを得た。調査結果をもとにまとめた基礎となるデータベースにもとづいて,バッファー・ゾーンの設定のためのモデルを提案した。上述のように,モデル分析から得た結果をもとに,予定どおりバッファー・ゾーンを作成している。さらに,類似の方法によって新たな保全地区・施設のバッファー・ゾーン算出の可能性をみいだしている。
複製と転写の制御蛋白DnaAの機能構造の解析と結晶化

1.DnaA蛋白は真正細菌で普遍的に染色体の複製及び遺伝子の発現を制御する。我々は、5細菌のDnaA蛋白のアミノ酸配列を比較することにより、N-末端的60アミノ酸からなる中程度に配列が保存されているドメインI、続く、細菌毎に長さが異なり(40-100アミノ酸)、配列に保存性が認められないドメインII、的230アミノ酸からなり、ATP結合配列を含む配列が高度に保存されているドメインIII、C-末端的100アミノ酸からなり、機能未知の配列が保存されているドメインIVの4ドメインからDnaA蛋白が構成されていると推定した。2.そこで、3種のプロテアーゼを用いて精製した枯草菌DnaA蛋白の部分分解を試みたところ、40kdおよび32kdの部分分解産物が共通して得られ、そのN-末端のアミノ酸配列から、ドメインIIとIII、ドメインIIIとIVの境界の2箇所に、特異的なプロゼアーゼが感受性部位があることが明らかになった。3.部分分解産物をnativeDNAcelluloseカラムによりDNA結合能を保持している産物と失った産物を分画したところ、ドメインIVを含む産物のみが結合し、それがDNA結合に必須であることが明らかとなった。そこで、ドメインIVとマルトース結合蛋白とのハイブリット蛋白を部合精製し、ゲルシフト実験を行ったところ、DnaA-boxを含む断片にのみ結合し、確かにドメインIVのみで特異的なDNA結合能があることが証明された。4.枯草菌DnaA蛋白のドメインIVを単独に精製しその機能を生化学的に解析することを目指したが、予想に反してマルートース結合蛋白とのハイブリッド蛋白がマルトースカラムに結合せず、精製が困難であった。そこで、新たにグルタチオン転移蛋白との融合ベクターを用いて、ドメインIVを融合蛋白として発現させたところ、グルタチオンカラムにより容易に精製デきるようになった。
フェムト秒レーザー極微加工法を導入した細胞センサ型局所環境モニタシステムの開発

細胞をセンサーチップとし、キャピラリー電気泳動と結合する。その際、細胞に高電界がかからぬよう要所に電位バイパスの仕組みを作り、さらに内壁には細胞接着素地を作る必要があるなど、高度かつ精緻なガラスマイクロ加工技術を要する。このような高精緻加工にフェムト秒レーザーによる非熱瞬時極微剥離を利用する。今年度はフェムト秒レーザーによるガラスキャピラリーチューブ加工を行い、電気泳動の可能性を評価した。細胞に直接高電圧がかからぬようキャピラリーに電流バイパスのための微細孔をあける。その孔から泳動溶液が流出しないよう、十分に径を小さくする必要がある。具体的にはセンサー細胞より小さいあるいは同等の径とし、直径10μmの孔をあける。そのための専用の顕微レーザー加工用光学系を構築した。そこではじめに平面ガラス板にレーザーを照射し、穿孔径とレーザー強度の関係を求めて、最適レーザー強度を設定した。特に加工によって生ずるガラス屑を効率良く流し去るためアシスト液として蒸留水を使用し、蒸留水中で加工を行った。このような条件でガラスチューブ壁面にフェムト秒レーザーを照射して、所期の微細孔をあけることに成功した。次に、実際に電気泳動用の溶液を満たして9KVの電圧をかけ、溶液が泳動するか確かめた。泳動を可視化するためにローダミンを混入し、蛍光顕微鏡で蛍光バンドを観測することによりによって流れをモニタした。その結果キャピラリー内における泳動動作を確認した。フェムト秒レーザーは上記の加工以外に生体SHGやグルコースモニタリング用光源としての応用があり、ここで得られた成果を論文として報告した。この技術は細胞センサーからの信号取得に利用する計画である。加工に関しては研究を完了したばかりであるため、これから論文報告にまとめる。高出力フェムト秒レーザーを使用する機会を得たので、パルスレーザーによる遠隔顕微ドリル加工法の研究を行い、標記モニタシステムへ展開することを目的とする。今年度は主としてフェムト秒レーザーによる平面ガラス加工トライアルを行った。さらに細胞分子構造の変化に敏感な第二高調波光(SHG光)の導入を試み、SHG光応用に関する成果を発表した(別記論文リスト参照)。また励起光源としての発光ダイオード(LED)の分光研究も平行して行った。ガラスチューブ壁面にフェムト秒レーザーを照射して、微細孔を開けることができた。しかしながら孔位置の制御のために顕微モニターシステムの導入が必要であることが分かり、現在その導入を計画している。キャピラリー電気泳動については、泳動動作を確認した。細胞をセンサーとして活用する手法についてはこれまでの実績通り、ローダミン染色した酵母菌を使用し、その蛍光を顕微鏡下で観測した。酵母菌を長さ31cm,内径25μmのガラス管(キャピラリー)内の中央付近に付着させ、キャピラリー両端に5kVの直流電圧をかける。サンプル槽に2mMの水銀イオン溶液を注入した場合とpH2.5の酸性溶液注入では蛍光上昇に時間差が生じた。これらの液によって細胞が反応を起こし、一時的に活性が上がって蛍光ピークができることを確認した。
脂質トランスポーターのトラフィキング異常が惹起する胆汁分泌障害発症機構の解明

食の欧米化による過栄養状態は、生体のコレステロール恒常性を乱すことにより様々な疾患を引き起こす。特に体外への主要なコレステロール排泄経路である肝臓から胆管への胆汁排泄、およびそれを担う脂質トランスポーターの発現・機能変化は、これら疾患発症のメカニズムを解明するうえで極めて重要である。本研究は、栄養状態の変化が誘発するトランスポーターのトラフィキング異常、およびそれに付随する胆汁分泌異常が、如何にして病的環境を形成するかについて解析した。我々はこれまでに高脂肪食負荷によるコレステロールトランスポーター・ABCG5/ABCG8の毛細胆管膜への移行促進にcAMPシグナルが関与する可能性を見出している。本研究では、Protein kinase A (PKA)制御サブユニットIαの野生型および、機能抑制型変異体のFLAG融合タンパク質発現プラスミドを構築し、マウス肝臓に導入することにより、ABCG5/ABCG8の毛細胆管膜への局在化にPKAが重要であることを見出した。また、高脂肪食負荷により作成した胆石症モデルマウスでは、胆汁酸トランスポーター・ABCB11の毛細胆管膜局在化異常により胆汁中の胆汁酸濃度が低下すること、この現象に在来型Protein kinase Cが関与する可能性を見出した。胆汁中のコレステロール濃度の上昇、および胆汁酸濃度の低下は、コレステロール結石の発生を促す。よって本研究の結果は、高脂肪食によるABCトランスポーターの毛細胆管膜への局在化機構の破綻、および機能変化が、胆石症発症に深く関与することを示唆している。食の欧米化(高カロリー食中心の食生活)による過栄養状態は、生体のコレステロール恒常性を乱すことにより、動脈硬化症、脳血管疾患、心臓病、胆石症等の重篤な疾患を引き起こす。特にコレステロールの体外への主要な排泄経路である肝臓から胆管への胆汁排泄、およびそれを担う脂質トランスポーターの発現・機能変化は、これら疾患発症のメカニズムを解明するうえで極めて重要である。本研究は、栄養状態の変化や病的環境が誘発するトランスポーターのトラフィキング異常、およびそれに付随する胆汁分泌異常機構を解明するのが目的である。我々はこれまでにABCG5/ABCG8の毛細胆管膜へのトラフィキングにcAMPシグナルが関与する可能性を見出しており、2016年度はその現象にProtein kinase A (PKA)が関与するかについて検討した。まずPKA触媒サブユニットα(PKA Cα)のGFP融合タンパク発現遺伝子をハイドロダイナミック法によりマウス肝臓にin vivo導入し、マウス肝毛細胆管膜におけるAbcg5およびAbcg8タンパク質発現量を調べたところ、ともに増加していた。次に、PKA制御サブユニットIα(PKA RIα)の野生型(wt)および、触媒サブユニットが解離されない機能抑制型変異体(G324D)のFLAG融合タンパク質発現プラスミドを構築した。これら遺伝子のいずれかとAbcg5-CFP、およびAbcg8-YFP発現遺伝子を高脂肪食飼育マウス肝臓に共発現させたところ、PKA RIα(G324D)発現細胞では蛍光トランスポーターの毛細胆管膜への局在が阻害されていたのに対し、PKA RIα(wt)発現細胞ではこの阻害が見られなかった。以上の結果から、Abcg5/Abcg8の食事による肝毛細胆管膜への局在化にPKAが関与する可能性が示唆された。2016年度はABCG5/ABCG8の毛細胆管膜局在化の詳細な分子機構を調べるために、PKAサブユニットであるPKA Cα、RIαの野生型、およびRIα機能抑制型変異体を作成し、ハイドロダイナミック法でマウス肝臓にin vivo導入した。その結果、これらトランスポーターの毛細胆管膜への局在化にPKAが重要であることがわかった。次にどのPKAサブユニットが重要であるか調べるため、PKA RIIαの野生型発現遺伝子をマウス肝臓にin vivo導入したが、Abcg5/Abcg8の局在には影響を及ぼさなかった。さらにFLAG融合EPAC(Exchange Protein directly Activated by cAMP)発現遺伝子を構築し、マウス肝臓に発現させることに成功した。リン脂質トランスポーター・ABCB4、および胆汁酸トランスポーター・ABCB11の過栄養状態における肝細胞内トラフィキングを解析するために、マウス肝臓からAbcb11、およびAbcb4をクローニングしYFP融合トンランスポーター発現遺伝子を構築した。これら発現遺伝子をマウス肝臓にin vivo導入し、導入18時間後における遺伝子産物の発現分布を確認したところ、いずれの蛍光トランスポーターも肝毛細胆管膜に局在していた。また肝ホモジネートを調製し、ウェスタンブロットで蛍光トランスポーターのバンドが検出されたことから、目的の発現遺伝子が構築されていることが確認された。我々はこれまでに、胆石症モデルマウスでは胆汁中の胆汁酸濃度が低下しているにも関わらず胆汁酸トランスポーター・BSEPのmRNAは減少しないことを見出している。そこで2017年度はBSEPの毛細胆管膜への局在化異常がBSEPの機能低下を引き起こす可能性について検討した。

雄性C57BL/6マウスを胆石症誘発食で7日間飼育し、肝臓におけるBSEPの発現分布を免疫組織染色法により確認したところ、毛細胆管膜へのBSEPの局在は阻害されていた。この現象をより詳細に解析するため、BSEP-YFP発現遺伝子をハイドロダイナミック法によりマウス肝臓にin vivo導入し、遺伝子導入24時間後における遺伝子産物の局在を解析したところ、胆石症誘発食群ではBSEP-YFPのシグナルのピークが毛細胆管膜から細胞質側に移動していた。BSEPのトラフィッキングにPKCαシグナル系が関与することが過去に報告されているため、胆石症誘発食摂餌群の肝臓におけるPKCαの活性化状態について調べた。その結果、普通食摂餌群と比較して肝毛細胆管膜におけるPKCαの発現量、およびリン酸化の増加が確認された。以上の結果から、胆石症モデルマウスではBSEPが毛細胆管膜から細胞質側へ移動し、胆汁酸の分泌が減少することによりコレステロール結石の発生が促進され、さらにPKCαが関与することが示唆された。2017年度はコレステロール胆石症発症に関与する脂質トランスポーターを同定するために、胆石症誘発食を用いた胆石症モデルマウスを作成し、胆石のもととなるコレステロール結晶の有無と胆汁脂質成分、および脂質トランスポーターの発現変動について解析した。その結果、結晶が発生し始める摂餌7日目に胆汁酸トランスポーター・BSEPの毛細胆管膜への局在が阻害されること、逆にコレステロールやリン脂質を分泌するABCG5/8、およびABCB4の局在は亢進する傾向があることを免疫染色法により見出した。さらにYFP (yellow fluorescent protein)融合BSEPを胆石症誘発食摂餌7日目のマウス肝臓に発現させることにより、この現象を定量的に解析することに成功した。以上の結果は、肝毛細胆管膜における脂質トランスポーターのトラフィキング異常がコレステロール胆石発生に深く関与することを示唆している。さらにBSEPの毛細胆管膜局在化異常に、在来型プロテインキナーゼC (cPKC)の関与を示唆するデータを得ることができた。ABCG5/ABCG8の膜局在化に関与する会合分子を探索するために、マウス肝臓に発現させたABCG5-YFP/ABCG8-YFPを抗YFP抗体を用いて免疫沈降で単離したが、十分な量の沈降物を得ることができなかった。そこでABCG5-YFP/ABCG8-YFPを過剰発現する細胞株からABCG5/ABCG8に相互作用する分子を探索することにした。現在、肝細胞株であるHepG2の過剰発現系を確立しているところであり、その前段階としてHEK293T細胞に一過性に発現させることに成功している。食の欧米化による過栄養状態は、生体のコレステロール恒常性を乱すことにより様々な疾患を引き起こす。特に体外への主要なコレステロール排泄経路である肝臓から胆管への胆汁排泄、およびそれを担う脂質トランスポーターの発現・機能変化は、これら疾患発症のメカニズムを解明するうえで極めて重要である。
パートナーからの暴力被害妊婦の周産期アウトカム改善に向けた新ケアプログラムの開発

調査結果から、パートナーからの暴力(Intimate partner violence: IPV)被害を受けた妊婦は、食事・睡眠・活動などの生活面で問題を抱え、更に妊娠中のメンタルヘルスも悪化することが明らかになった。特にIPV被害妊婦が抱える抑うつ・不安などのメンタルヘルス悪化は、産後うつ病やボンディング障害の要因となることが示された。これらの知見から、妊娠中から産後1か月における地域・多職種連携を基盤とした暴力に焦点化した擁護的介入、女性のニーズに合った心理介入・生活指導、子育て支援を包括した新たな周産期ケアプログラムを作成し、その実現可能性と臨床応用に向けた具体的な方法等の示唆を得た。実施概要:パートナーからの暴力(Intimate Partner Violence: IPV)被害妊婦の生活習慣とメンタルヘルスに焦点を当てたケア開発を目標に、平成25年度はIPV被害女性と女性相談員への個別インタビュー調査を実施し、IPV被害女性の生活習慣・精神面の実態とその関連要因を明らかにした。そしてIPV被害妊婦の生活習慣・精神面の実態とその関連要因、更に健康アウトカムへの影響を量的に検証するため、質研究の結果を基に調査プロトコール・質問紙の作成、倫理申請、フィールド調整などの調査準備を行い、縦断観察研究を開始した。現在フィールド調査中である。2.研究成果:1)インタビュー調査:平成25年2月6月にIPV被害女性5名・女性相談員4名への半構成面接を実施した。インタビュー内容は録音、逐語録を作成し、内容分析の手法を参考に、コーディング、サブカテゴリー、カテゴリーを抽出した。その結果、【食事量の低下】【睡眠障害】【活動量の低下】【飲酒量の増加】【抑うつ症状】【低い自尊感情】などIPV被害女性の全体的な生活習慣・精神面の悪化が明らかになった。またそれらの生活習慣・精神面は、社会サポート欠如、経済的困難などと関連していることが示唆された。2)縦断観察研究:インタビュー調査の結果を基に調査研究のプロトコールと質問紙を作成し、その方法・内容について倫理委員会の承認を得た。その後、フィールド施設(都内総合病院の産科外来)での調整を行い、調査研究実施の承認を得た。平成25年7月より病院の産科外来にて妊娠末期・出産直後・産後1か月の3時点での自記式質問紙・診療録を用いた縦断観察調査を開始、現在調査継続中である。1.概要:平成26年度は,パートナーからの暴力(Intimate Partner Violence:IPV)被害妊婦の生活習慣・精神的健康度の実態と周産期アウトカムへの影響を調査した.2.研究成果:平成25年7月平成26年7月に都内病院1施設の外来で,830名の妊娠末期の妊婦を対象に,自記式質問紙・診療録を用いた3時点(妊娠末期・産後直後・産後1か月)での縦断観察調査を行った.IPV被害妊婦とIPV被害がない妊婦の生活習慣(栄養素摂取量,睡眠の質,飲酒・喫煙状況,健康関連QOL(Quality of Life)と精神健康度(抑うつ・不安)を比較するために,t検定またはχ2検定を用い解析した.その結果,IPV被害妊婦(n=49)は,IPV被害がない妊婦(n=725)に比べて,ビタミンB6(p=.02)・ビタミンC(p=.05)の摂取量が少なく,起床後の疲労(p=.001)が強く,全体的健康感(p=.003)・日常役割機能(身体)(p=.05)・活力(p=.001)・心の健康(p<.001)・日常役割機能(精神)(p=.01)・社会生活機能(p=.003)が低く,体の痛み(p=.04),妊娠中の飲酒(p=.01),抑うつ(p<.001)・不安(p<.001)があることが明らかになった.更に,妊娠期のIPVと周産期アウトカムとの関連とその影響要因に関して共分散構造分析を用い解析した結果,妊娠期のIPVは産後うつ症状(p<.001)と有意な関連が見られ,その関連には妊娠期のうつ症状(p<.001)が影響したことが明らかになった.本結果から,周産期医療現場でのIPV被害妊婦に対する栄養,睡眠,QOL,精神的健康度を改善させる包括的なケアプログラムの必要性と,特に産後の精神的健康への影響を考慮した妊娠期の精神的ケア介入の重要性が示唆された.1.概要:パートナーからの暴力(Intimate Partner Violence: IPV)被害妊婦に対する周産期ケアプログラムの開発・評価を目標に、最終年度ではIPV被害経験を持つ母親を対象に、医療現場で行うIPV被害妊婦への支援・介入に関するニーズ調査を実施した。その調査結果を参考に、IPV被害妊婦に対する周産期ケアプログラム案を作成し、助産師5名にフォーカスグループインタビューを実施、ケアプログラム案の実施可能性や臨床応用の検討を行った。2.研究成果:平成25年度は、IPV被害者・支援者9名のインタビュー調査を実施、IPV被害女性の食事量低下・睡眠障害、抑うつ・不安感等全体的な生活習慣・精神的健康悪化が示唆された。平成26年度は都内医療施設で妊婦830名を対象に縦断調査を実施し、IPV被害妊婦の低い全体的健康感・日常役割機能、痛み、高い抑うつ・不安等が明らかになり、IPV被害妊婦への生活・心理面を改善する包括的なケアプログラムの必要性が示唆された。最終年度は、IPV被害経験を持つ母親31名を対象に、妊娠期ケアのニーズ調査を行った。

結果、妊娠期にIPV被害を受けた母親は21名(67.7%)で、その内医療者に相談した者は2名(9.5%)のみであった。医療者によるIPV被害妊婦への支援は、全員(100%)が「必要」と回答し、具体的な支援内容はIPVスクリーニング(71.0%)、気持ちの傾聴(67.7%)、IPV知識の提供(58.1%)、生活相談・指導(35.5%)等が多かった。以上の結果から、他職種・地域連携を基盤とするIPV被害妊婦に対する擁護的介入(暴力発見・情報提供等)・心理介入・生活指導を包括した新ケアプログラム案を作成した。更に、助産師5名にフォーカスグループインタビューを実施し、ケアプログラム案の実現可能性や協働支援システム構築の必要性等の臨床応用の示唆を得た。調査結果から、パートナーからの暴力(Intimate partner violence: IPV)被害を受けた妊婦は、食事・睡眠・活動などの生活面で問題を抱え、更に妊娠中のメンタルヘルスも悪化することが明らかになった。特にIPV被害妊婦が抱える抑うつ・不安などのメンタルヘルス悪化は、産後うつ病やボンディング障害の要因となることが示された。これらの知見から、妊娠中から産後1か月における地域・多職種連携を基盤とした暴力に焦点化した擁護的介入、女性のニーズに合った心理介入・生活指導、子育て支援を包括した新たな周産期ケアプログラムを作成し、その実現可能性と臨床応用に向けた具体的な方法等の示唆を得た。当初の26年度の計画は,妊娠期から産後1か月の縦断観察調査の実施・分析,論文作成であった.現時点で縦断観察調査は終了しており,論文をまとめている.またその調査結果から,IPV被害妊婦に対するケアプログラム開発に向けて,現在ケアプログラム内容を検討していることから,概ね順調に進展していると考える.助産学IPV被害妊婦のケアニーズをより反映した周産期ケアプログラムを開発するために,妊娠期にIPV被害を経験した女性50名を対象に,自記式質問紙を用いた横断観察調査を実施し,IPV被害女性の産科医療現場での相談状況やケアニーズを把握する.その調査結果や産科学・助産学・IPVの専門家との意見交換により,産科医療施設で行う効果的で実現可能性が高いIPV被害妊婦に対するケアプログラムの理論や具体的な内容を検討する.開発した周産期ケアプログラムに関しては,平成27年9月頃に,産科医師や助産師10名を対象にしたフォーカスグループインタビューを行い,臨床現場で実施できるように改変し実用化を目指す.また今年度実施した縦断観察調査の結果に関しては,論文を執筆し学術雑誌に投稿予定である.当初の25年度の計画は、インタビュー調査の実施・分析、調査研究の計画・開始であった。現時点でインタビュー調査の実施・分析を終了し、論文をまとめている。また、調査研究の計画・倫理審査・フィールド調整を経て病院での縦断観察調査を開始・進行していることから、概ね順調に進展していると考える。平成26年度は平成26年7月に目標人数に達し調査を終了し,調査終了後はデータの解析やIPV被害妊婦に対する効果的なケアプログラム開発のための準備期間とした.
物質移動を考慮した土／水／空気連成解析による汚染土砂締固め管理手法の確立

東日本大震災で発生した膨大な放射能汚染土砂を安全に管理することが求められており,土砂を汚染物質の漏出なく最適に締固めることが重要となってくる.そのためには,これまで経験学的に行われてきた締固めを力学的に説明する必要がある.ここでは,まず締固めを土/水/空気連成問題としてとらえ,解析によって表現することを試みる.また,物質輸送方程式を組み込み,外力変化による土壌内の物質移動も同時に予測できる解析手法を確立する.東日本大震災で生じた放射性物質の拡散は,広範な土壌汚染をまねいた.その結果,大量の除染による発生土が予想され,その管理処分地の選定のみならず,管理方法が問題となっている.本研究では,管理方法として予想される高盛土の安定性と溶解物質の拡散挙動予測を目的としている.初年度は,変形,浸透,物質移動を同時に表現できるモデルの構築と初期値境界値問題としての定式化を行った.また,室内締固め試験を行い,締固め時に発生するサクション挙動を提案するモデルによって表現した.平成25年度は,まず盛土への降雨浸潤挙動について明らかにすることを目標とした.まず,土/水/空気/溶解物質連成解析によって,降雨強度や斜面傾斜角が異なる傾斜地への降雨シミュレーションを行った.その結果,降雨によって形成される浸潤線の降下速度が降雨強度に依存することを明らかにするともに,斜面の表層が降雨によって含水率を増加させると,斜面方向の浸潤が卓越するようになってくることを明らかにした.この浸潤挙動はキャピラリーバリアシステムで期待される側方排水に該当するため,キャピラリーバリアシステムのメカニズムについても検討を行った.キャピラリーバリアは,保水性の異なる地盤材料を斜面上に傾斜させて層構造を作ると,その層間での流れが卓越することで鉛直流を抑制する目的で処分場などに用いられているものの,そのメカニズムを定量的に表すことが難しいとされてきた.ここでは,2種類の材料の層厚,傾斜角を変えた降雨シミュレーションを行い,その感度分析を行った.これによって層構造によって側方排水機能が保たれる降雨強度が異なることを明らかにした.東日本大震災で発生した膨大な放射能汚染土砂を安全に管理することが求められており,土砂を汚染物質の漏出なく最適に締固めることが重要となってくる.そのためには,これまで経験学的に行われてきた締固めを力学的に説明する必要がある.ここでは,まず締固めを土/水/空気連成問題としてとらえ,解析によって表現することを試みる.また,物質輸送方程式を組み込み,外力変化による土壌内の物質移動も同時に予測できる解析手法を確立する.東日本大震災によって発生した福島原子力発電所事故によって,大気に放出された放射性物質は拡散しながら降下し土壌を汚染するだけでなく,各用水,農畜水産物への混入が予想され,早期の除染が社会的に焦眉の問題となっている.今後,大量の放射能汚染土砂を含有放射性物質の漏出を抑制しながら,特定の限られた領域内に力学的に安定した状態で保管するために,広範な地盤工学の知見を結集した締固め施工による,盛土建設が必要となることは明らかである.これまで,土壌汚染問題は浸透拡散問題として扱われ,地盤の変形の影響は考慮されることはなかった.しかしながら,地上で地盤材料を保管するには,体積を小さくし,力学的安定性を確保できる締固めによる盛土施工が必要であり,材料の変形は無視できない.ここでは,理論,解析,実験を駆使し,自然環境(降雨浸透,蒸発散など)の中で汚染物質の漏出を抑制し得る,安全な盛土構築手法の確立を目指す.まず,既往の土/水/空気連成有限要素解析コードに物質輸送方程式を適用し,土/水/空気/溶解物質連成有限要素解析コードを開発した.締固めを模擬する際には,締固め層内での含水率の局所的な分布が生じる可能性があり,同時に物質移動を表現する本研究においては,精緻な空間離散化を行う必要がある.研究者らがこれまで有していた物質輸送を表現し得る解析コードは,応力変形に関する変数四角形要素の各節点で,水頭や状態量は要素中心で代表していたため,解析精度に問題があった.本研究では,新たにアイソパラメトリック要素を用いた空間離散化を行った.その結果,解析精度が向上するとともに,濃度フラックスが卓越する条件での解析の不安定化を抑制できるようになった.東日本大震災によって発生した福島原子力発電所からの放射性物質の拡散は,いまだに復興の大きな障壁となっている.大気に放出された放射性セシウムは雨水に溶解し,イオンの形で地盤に降り注ぎ,表層5cmほどの領域の地盤以沈着していると言われている.表層地盤の除染が有効な手段であるものの,広範囲に拡散しているため,表土量だけでも膨大な体積となる.この様な汚染土砂を含有物質の漏出なく,安定した形で管理することが求められている.本研究では,汚染物質の移動挙動を考慮した締固め管理手法の確立を目指した.まずは,締固め施工による効果を明らかにするために,土/水/空気連成解析を用いて締固めシミュレーションを行った.その結果,室内締固め試験にみられる最適含水比,最大乾燥密度を表現できるとともに,その乾燥側,湿潤側で内部の乾燥密度や含水状態の分布傾向が異なることが分かった.また,これまで経験的に知られていた,せん断強度や圧縮性といった力学特性と締固め曲線の関係を表現することができ,その発現メカニズムを明らかにした.物質移動を考慮するためには,この局所化の影響による計算誤差を小さくする必要がある.

そこで,それまでの土/水/空気/溶解物質連成解析に用いていた空間離散化手法を修正し,アイソパラメトリック要素を導入した.その結果,解析精度が向上し,濃度フラックスが卓越する条件での解析の不安定化を抑制できるようになった.しかしながら,外力による物質移動は降雨浸透などの水理境界条件変動に比べるとかなり小さいことが明らかとなった.そこで,処分場などで遮水工法として用いられている,キャピラリーバリアシステムの性能に及ぼす影響因子についても,本研究で開発した解析コードを用いて検討した.その結果,キャピラリーバリア性能に及ぼす傾斜角や層厚など影響を定量的に表現することができた.土木工学・地盤工学地盤材料は,土粒子とその間隙に存在する水,空気の三相混合体である.なおかつ,粒状体としての性質を有することから,挙動が複雑であり,変形と浸透を切り離して考えるべきではない.本研究の骨子である土/水/空気/溶解物質連成問題は,すべての相を力学的に矛盾なくモデル化することを目的としており,ここまで解析を行いながら数値計算精度や感度について検討を行いながら,使用範囲や解析手法を明確にしてきた.解析対象である盛土に対しては,ある程度浸透挙動を予測できるようになってきた.しかしながら,変形に関しては,現場のみならず模型実験でも実測データが少なく,その検証には至っていない.また,溶解物質についてもモデルの妥当性について検証方法を模索しているところである.汚染物質を含む土砂を,締固めて盛土を構築する際の問題となる,物質の移動を表現するためには,これまで長い土質力学の歴史の中で力学体系に組み込まれてこなかった「締固め」を如何に定義するか,また地盤の変形を考慮した土中の移流拡散を定式化する必要がある.本研究では,既往の不飽和土の力学体系の中で土/水/空気連成初期値境界値問題として「締固め」を表現するとともに,矛盾なく物質項の連成にも成功している.その意味で,当初の目的を十分に果たしていると考える.しかしながら,得られたモデルは,「締固め」と「物質移動」を個別に表現できる点の検証は行っているものの,そもそもの変形が物質移動に与える影響に関する研究やそれに伴う問題が生じた事例がないため,解析結果の妥当性を検証するところまではいっていない.次年度以降,具体的な実際の現象と解析結果を比較検討し,その精度を高めていきたいと考える.今年度は,数値計算の予測精度を高めることおよび現場への適用法を探ることを目的とする.解析精度に関しては,模型試験の実施とともに実験結果と解析結果を比較検討し,その誤差の要因を検討する.また,同時に本研究で扱う土粒子間隙に空気相を有する不飽和土では,負の間隙水圧を計測するためにテンシオメーターと呼ばれる特殊な水圧計が必要となるが,テンシオメーターでは高い負圧が発生した時や長期観測で受圧部のセラミックが乾燥すると内部で水のキャビテーションが生じ,正確に負圧を測定することが困難で,解析結果と比較する計測データが限られるという問題があった.そこで,高容量テンシオメーターの開発を行い,本研究のモデルから得られた成果を現地計測にフィードバックするプロセスを提案する.当該年度に開発した土/水/空気/