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イソカルコゲナゾールの合成ならびに反応性に関する研究

複素環化合物、特に窒素やカルコゲン原子を含む5員複素環化合物は、医薬、農薬、香料等として幅広い利用が成されている分野である。本研究では、二つの方法で5員環状化合物の合成並びにその反応性を検討した。1.イソカルコゲナゾールの合成とそのジエンとしての有用性イソカルコゲナゾールの合成に当っては、1)プロピノン誘導体1に対しビス(N,N-ジメチルカルバモイル)ジカルコゲニド2/H^-を作用させ、生成するビニルカルコゲニド3に、引き続きNH_2OSO_3Hを作用させる方法、2)1をオキシム化後、2/H^-で処理する二つの方法で検討した。1)の方法では、3が好収率で生成し、引き続くNH_2OSO_3Hの処理では、テルル体からはイソテルラゾールTe-オキシドを、セレン体からはイソセレナゾールN-オキシドが生成し、これらはPh_3Pの処理で収率良く相当するイソカルコゲナゾールに変換できた。2)の方法は、セレン体のみに有効で、相当するイソセレナゾールを得た。得られたイソテルラゾール並びにそのTe-オキシド体は、DMADと室温程度の条件で、[4+2]環化付加物を生成後、速やかなTeまたはTe-0の脱離を経て、ピリジン誘導体を好収率で生成した。2.6H-1,3,5-オキサチアジンからの窒素および硫黄原子を持つ5員環ヘテロ環状化合物への新規な変換6H-1,3,5-オキサチアジンと単体硫黄のトルエン還流下の反応では、相当する3H-1,2,4-ジチアゾール4を、単体セレンとの反応では、3H-1,2,4-チアセレナゾールを、また単体テルルとの反応では、4を好収率で与えた。一方、6H-1,3,5-オキサセレナジンと単体硫黄との反応では、5H-1,2,4-チアセレナジンを、単体セレンとの反応では3H-1,2,4-ジセレナジンを好収率で与えた。これらの反応は初期に生成する1,3-カルコゲナザ-1,3-ブタジエンと単体カルコゲンの反応で進行すると推定された。複素環化合物は医薬,農薬、香料等として幅広い利用がなされており,多くの研究者が取り組んでいる分野である。本研究では報告例が極めて少ないイソカルコゲナゾール(Ch : Se、Te)の合成とその反応性、特にヘテロジエンとしての有用性を検討したもので、比較的安定なビス(N,N-ジメチルカルバモイル)ジカルコゲニド1をカルコゲン化試剤に用いるところに特徴がある。まずDMF中、-50°Cでジテルリド1(Ch=Te)とNaBH_4を処理後、プロピノン誘導体を作用させたところ、相当するN,N-ジメチルカルバモイル3-オキソプロペニルテルリド2が好収率で生成した。引き続き2にNH_2OSO_3H(4.4eq)を加え,メタノール還流下で処理したところ、イソテルラゾール3は痕跡程度であったが,相当するTe-オキシド体4が好収率で得られた。4は、CHCl_3中、100°C(オートクレーブ中)でPh_3Pを作用させたところ、高収率でイソテルラゾール3に変換できた。3-メチル-5-フェニルイソテルラゾール3aと5当量のDMADをベンゼン中、0°Cで6時間反応させたところ、85%の収率でジメチル2-メチル-4-フェニル-5,6-ピリジンジカルボキシレート5aが得られた。同様に、3aとメチルプロピオレート(還流下、10時間)およびメチル3-フェニルプロピオレート(120°C、12時間)との反応では、相当するピリジン誘導体5b,5cがそれぞれ80,28%の収率で得られ、後者の場合、70%の基質が回収された。一方3-メチル-5-フェニルイソテルラゾールTe-オキシド4aとDMADとの反応(室温、24時間)の場合もピリジン5aが77%の収率で得られた。これらの反応は、3aまたは4aとアセチレンとの[4+2]環化付加、引き続く速やかな単体TeまたはTeOの脱離を伴い、ピリジン誘導体5が生成したものと推定される。なおベンゼン中、4aとフェニルアセチレンとの反応(還流下、5時間)では75%の収率でイソテルラゾール3aが生成した。

1)の方法では、3が好収率で生成し、引き続くNH_2OSO_3Hの処理では、テルル体からはイソテルラゾールTe-オキシドを、セレン体からはイソセレナゾールN-オキシドが生成し、これらはPh_3Pの処理で収率良く相当するイソカルコゲナゾールに変換できた。2)の方法は、セレン体のみに有効で、相当するイソセレナゾールを得た。得られたイソテルラゾール並びにそのTe-オキシド体は、DMADと室温程度の条件で、[4+2]環化付加物を生成後、速やかなTeまたはTe-0の脱離を経て、ピリジン誘導体を好収率で生成した。2.6H-1,3,5-オキサチアジンからの窒素および硫黄原子を持つ5員環ヘテロ環状化合物への新規な変換6H-1,3,5-オキサチアジンと単体硫黄のトルエン還流下の反応では、相当する3H-1,2,4-ジチアゾール4を、単体セレンとの反応では、3H-1,2,4-チアセレナゾールを、また単体テルルとの反応では、4を好収率で与えた。一方、6H-1,3,5-オキサセレナジンと単体硫黄との反応では、5H-1,2,4-チアセレナジンを、単体セレンとの反応では3H-1,2,4-ジセレナジンを好収率で与えた。これらの反応は初期に生成する1,3-カルコゲナザ-1,3-ブタジエンと単体カルコゲンの反応で進行すると推定された。
脊柱靭帯の骨化機序の解明

骨形成因子(Bone Morphogenetic Protein)を実験動物(マウス)の腰椎硬膜外腔に投与し、黄色靭帯骨化症の疾患モデル動物の作成を試みた。この疾患モデル動物の黄色靭帯を放射線学的・組織学的手法を用して経時的に観察した。その結果以下に記す知見が新たに得られた。1.マウスの黄色靭帯内にある線維芽細胞は骨形成因子に反応して増殖し、軟骨細胞・骨芽細胞へと分化した。すなわち黄色靭帯は肥厚し、次いで骨化することが明らかとなった。2.この黄色靭帯の骨化症は経時的に徐々に増大し、近接する脊髄を圧迫して脊髄に病理組織学的な変化をもたらすことが明らかになった。3.この疾患モデル動物の黄色靭帯および脊髄に生じた病理組織学的な変化はヒトの黄色靭帯骨化症の病理組織像と類似したものであった。このことは、疾患モデルとしての妥当性を示すものであると同時に、ヒトの脊柱靭帯骨化疾の病因に骨形成因子が関与していることを示唆するものであった。研究計画は疾患モデルを用いての脊柱靭帯骨化症の解析であるが、この疾患モデルとヒトの臨床例との対比が必要である。そこで、臨床例の脊柱靭帯骨化部の病理組織標本をもとに、骨化部における細胞増殖因子や細胞外基質の局存を免疫組織化学的手法を用いて検討した。その結果、AgNOR(Argyrophilic Nucleolar Organizer Region)染色にて黄色靭帯内で増殖の旺盛な細胞は、血管周囲の線維芽細胞であることが明らかとなり、また、骨化部の一部の線維芽細胞や軟骨細胞には、Transforming growth facto-βなどの細胞増殖因子や、Fibronectinなどの細胞外基質が局在することが明らかになった。また、脊柱靭帯骨化症患者では血漿中のFibronectinが高値であることが明らかとなった。Fibronectinは、線維芽細胞の増殖因子であり、また、骨・軟骨形成にも重要な役割をはたしていることが知られている。大阪大学医学部整形外科学教室にて培養・継代しているマウスのDunn骨肉腫から骨形成因子(Bone Morphogentic Protein)を抽出し、部分精製した。この骨形成因子を実験動物(マウス)の腰椎硬膜外腔に投与し、黄色靭帯骨化症の疾患モデル動物の作成を試みた。この疾患モデル動物の黄色靭帯を、放射線学的・組織学的手法を用いて経時的に観察した。その結果、以下に記す知見が新たに得られた。1.マウスの黄色靭帯内にある線維芽細胞は、骨形成因子に反応して増殖し、軟骨細胞・骨芽細胞へと分化した。すなわち、黄色靭帯は肥厚し、次いで骨化することが明らかとなった。2.この黄色靭帯の骨化巣は、経時的に徐々に増大し、近接する脊髄を圧迫して脊髄に病理組織学的な変化をもたらすことが明らかになった。3.この疾患モデル動物の黄色靭帯および脊髄に生じた病理組織学的な変化は、ヒトの黄色靭帯骨化症の病理組織像と類似したものであった。このことは、疾患モデルとしての妥当性を示すものであると同時に、ヒトノ脊柱靭帯骨化症の病因に骨形成因子が関与していることを示唆するものであった。その結果、AgNOR(Argyrophilic Nucleolar Organizer Region)染色にて黄色靭帯内で増殖の旺盛な細胞は、血管周囲の線維芽細胞であることが明らかとなり、また、骨化部の一部の線維芽細胞や軟骨細胞には、Transforming growth factorーβなどの細胞増殖因子や、Fibronectinなどの細胞外基質が局在することが明らかになった。

その結果、AgNOR(Argyrophilic Nucleolar Organizer Region)染色にて黄色靭帯内で増殖の旺盛な細胞は、血管周囲の線維芽細胞であることが明らかとなり、また、骨化部の一部の線維芽細胞や軟骨細胞には、Transforming growth facto-βなどの細胞増殖因子や、Fibronectinなどの細胞外基質が局在することが明らかになった。また、脊柱靭帯骨化症患者では血漿中のFibronectinが高値であることが明らかとなった。Fibronectinは、線維芽細胞の増殖因子であり、また、骨・軟骨形成にも重要な役割をはたしていることが知られている。
省察的実践の理論に基づくソーシャルワーク実践方法と省察ツールの開発

初年度の平成30年度は、省察的実践に関する先行研究の検討を中心に研究を進めた。具体的には、(1)ソーシャルワークにおける省察的実践の研究動向を整理し、(2)省察的実践家の専門職モデルの理論的特性をまとめることで、省察的実践の理論に基づくソーシャルワーク実践方法の構築にむけた基礎的研究を行った。特に理論研究においては、本研究が省察的実践の理論に基づくソーシャルワーク実践方法の構築を目的としているため、ソーシャルワーク実践の4大構成要素(価値・知識・方策・方法)に着目し、それらが実践で機能するうえで、省察的実践がいかに寄与するかを検討した。そして、4大構成要素に対応する省察的実践の特徴をまとめ、省察的実践が、ソーシャルワークにおいて、1「行為のなかの省察」をとおして理論と実践を統合することと、2「行為についての省察」から過去・現在・未来を包括するプロセスであることを示した。また、そこでの形式知と実践知の位置づけを明確にすることで、ソーシャルワーカーの知を含めた実践方法の理論的基盤を整理できた。これらの理論研究とあわせて、質的研究に関しては、省察的実践の特性抽出(「行為のなかの省察」と「行為についての省察」の要素の質的検討)にむけた調査デザインの検討及び調査対象者の選定作業を行った。今後は、質的研究法に基づくインタビュー調査の実施・分析から、省察的実践を構成するシステム要因を明らかにしていきたい。理論研究については、おおむね計画にそって進められているが、省察的実践の研究で先行する海外の文献を渉猟することに時間がかかっている。また質的研究については、1年目となる本年度中に行為の中の省察の特性抽出にむけたインタビュー調査の開始を予定していたが、研究デザインの企画に時間を要したため、インタビュー調査の実施にいたらなかった。平成30年度のソーシャルワーク実践における省察的実践の理論特性の整理をふまえ、今後は、質的研究をとおしてソーシャルワーク実践にみられる省察的実践の構成要素を明確化し、省察ツールの開発にむけて研究に取り組んでいく。まず理論研究では、ソーシャルワークにおける実践ツールの特徴や活用方法と、省察を促進するツールの要素や内容の分析を行う。また、インタビュー調査の実施から、1ソーシャルワーカーの実践にみられる省察(行為のなかの省察)の要素と2実践のふり返り(行為についての省察)における省察対象や要素の質的検討を進める。特にインタビュー調査に関しては進捗が遅れているため、スーパービジョンの場を活用するなど、計画的に実施していきたいと考えている。調査デザインの検討に時間を要したため、当初平成30年度に予定していたインタビュー調査を実施することができなかった。そこで、平成30年度に予定していたインタビュー調査を平成31年度に実施するため、その調査旅費として使用する。また、インタビュー調査のデータ分析用に購入予定だったノートパソコンも購入していないため、次年度に購入を予定している。
イネを用いた短日植物の開花時期決定遺伝子の単離

イネは代表的な短日植物であり、開花時期に影響を与えるさまざまな遺伝子座が同定されているが、いまだ遺伝子単離には到っていない。そこで、我々は、非自律性転移因子Dsと転移酵素をコードする35S-AcTPase導入形質転換イネを交配して得られた個体(F1)の自殖後代(F2)を用い、開花時期が早くなる個体を選抜し、その後代を用いた解析を行っている。開花が早い突然変異系統B-10-1-80は安定な表現型を示し、Dsを1コピーゲノム内に持っている(Ds80)。この系統を短日・長日条件下で栽培すると、短日条件下では開花に差は見られないが、長日条件下で約10日開花が早くなる。このことから、この系統の変異した遺伝子は、本来、その機能が短日条件において抑制されるため、短日条件下での開花に変化がないと考えられる。F2解析の結果、B-10-1系統は2つの遺伝子変異を持つと推定された。そのうち、ひとつは優性変異、もう一方は、劣性変異と考えられる。Ds80と表現型の連鎖を調べたところ、開花時期が野生型と同じF2個体にDs80をヘテロの持つ個体が複数存在するので、優性変異がDs80のタッグによる可能性は低いことが明らかになった。現在、もう一方の劣性変異とDs80の連鎖についてF3世代を用いて解析中である。突然変異系統C-2-3-241系統のF5世代を用い、開花時期を調べたところ、短日条件下で平均6日、長日条件下で平均12日早く開花するとの結果を得た。このことから、C-2-3系統の変異した遺伝子は本来、恒性的に開花を抑制する機能を持つ遺伝子と推定される。C-2-3-241はDsを1コピーのみゲノム内に持ち(Ds241)、現在、表現型とDs241の連鎖について解析を行っている。RI系統及びYACクローンによるマッピングの結果、Ds80は染色体6番、Ds241は染色体11番にそれぞれ座乗することが明らかになった。
GCIBを利用した独自の超軽量X線望遠鏡の角度分解能の改善

本研究は新規技術としてGCIB (Gas Cluster Ion Beam)を導入することで、マイクロマシン技術を利用した独自の超軽量X線光学系の反射面の平滑化を目指し、角度分解能の向上を図るものである。GCIBプロセス後、光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡および反射面の一次元プロファイルを取得し評価した結果、照射側となる光学系表側の表面の一部がえぐれ、エッチング効果が確認できた。しかしながら光学系裏側では大きな変化が見られなかったため、ビームが20 um間隔で並ぶ反射鏡間にはほとんど侵入することができない、もしくはエッチングパワー不足であることが分かった。本研究は新規技術としてGCIB (Gas Cluster Ion Beam)を導入することで、X線望遠鏡の反射面の面粗さを改善し、角度分解能の向上をはかるものである。初年度はまずは2回のGCIBプロセスを試し、評価を行った。1回目のプロセスではエッチングパワーが足りず、プロセス前後において反射面の面粗さに有意な差がでなかった。そこで2回目はエッチングパワーをあげプロセスを試みた(照射量は最大で4x10^16 ions/cm^2)。測定後は光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡および反射面の一次元プロファイルを取得し評価した。結果として、プロセス前後で光学顕微鏡においては有意な差は確認できなかったものの、電子顕微鏡イメージでは照射側となる望遠鏡表側の表面(材質はシリコン)の一部がえぐれ、GCIBによるエッチング効果が確認できた。しかしながら望遠鏡裏側では変化が見られず、ビームが裏側には届いていないことが分かった。また、反射鏡表面プロファイルでも有意な変化は確認できなかったことから、ビームが20 um間隔で並ぶ反射鏡間にほとんど侵入することができない、もしくはエッチングパワー不足であるということが分かった。以上、初年度は穴の表面加工までは確認できたため、次は基板を傾けての反射面の平滑化を試みる。今年度は2段型望遠鏡に組み立てての、初めてのX線詳細イメージ解析を行い、角度分解能および有効面積を評価した。結果、FWHMとしては4分角程度であったが、HPDとしては>90分角となり、テールの部分が無視できないことが分かった。また有効面積としては19 mm2程度であり、予想値の20 %にとどまった。前者については形状誤差および各反射鏡のアライメント誤差(DRIEプロセス後の反射鏡角度のばらつき)が支配的であることが分かった。また後者についてもアライメント誤差が主要因だと考えられる。これらの結果は共著者として査読付き論文にまとめた。また今年度は本望遠鏡用の光線追跡シミュレータを構築し、初めて2段型でのoff-axisに対する望遠鏡応答を定量的に調べることに成功した。これにより、off-axisが大きくなった場合、正規反射以外のいわゆる迷光成分が角度分解能を大きく劣化しうることが分かった。よって搭載時にはプリコリメータなどの迷光成分の混入防止策を講じる必要がある。また形状誤差をシミュレータの中に取り込むことで、実際に得られたX線イメージの再現にも成功し、反射鏡の平均的な表面形状の推定に成功した。これらは主著者として査読付き論文にまとめた。最後に、昨年度の結果から、GCIBプロセスでは特に反射鏡表面上の大きなスケールのうねりを選択的に取り除くのが難しいことが分かった。そのため、GCIBプロセス前の反射鏡の平滑化を目指し、改善策を検討し着手した。具体的には、シリコン深堀り技術で知られるDRIEプロセスにおいて、掘り始めと掘り終わりにかけ、プラズマパワーを変えるrampingプロセスの導入およびDRIE後のアニールプロセスにおける、圧力および温度の条件だしを行っている。GCIBプロセスを初めて本望遠鏡に試すことができ、望遠鏡の一部にエッチング痕は確認できてはいるものの、反射鏡表面の形状を大きく変えるには至っておらず、さらなる条件出しが必要であることが分かったため。X線天文学昨年度の結果から、最重要課題としてはエッチングパワー不足が考えられる。しかしながら現在の装置では最も強いエッチング条件を用いているため、これ以上のパワーの実現には、基板を傾けた上でのエッチング、もしくは装置の変更を検討する必要がある。また、長時間エッチングも考えられるが、反射鏡へのエッチングのみならず、望遠鏡基板へのダメージにも配慮しなければならない。最終年度にも装置選定を行う予定であり、旅費の増加が予想されたため。装置選定に伴う旅費にあてる予定である。
仮想世界と実世界の双方で作業可能な造形システムの研究

人工現実感の産業応用の一つとして,工業デザインなどの芸術要素を含む手作業による造形作業支援システムの実現のために,仮想世界と実世界相互間で造形物体を移動可能にして,双方の世界で造形作業の補間を行うことのできるシステムの開発を行った.本年度は以下のような成果が得られた.(1)VR造形システムの開発運動視差表現のための頭部の位置・姿勢計測に,拘束感がなく適用自由度の高い画像処理による高精度計測システムを開発した.1台のカメラで複数のマ-カの位置・姿勢を高速・高精度で計測する方式を考案した.カメラの内部パラメータ(画像歪を含む)と外部パラメータを簡単にキャリブレーションできる新しいアルゴリズムを開発し,任意の環境に対する高精度計測を実現した.仮想物体操作器具として触覚機能付空間マウスを開発した.空間マウスからビーム状の仮想光線照射によって物体の把持,移動,切断,変形など意図した造形操作を素早く実行する方式で,高性能仮想世界インタフェースを構築した.(2)オクルージョンのない三次元デジタイザの開発実世界で加工した物体形状を仮想世界に取り込むための高精度三次元デジタイザを実現するために,カメラセルフキャリブレーション機能を有する新しい三次元形状計測法を開発した.空間中の2点間の距離のみの既知情報があれば,任意のカメラ設定でカメラキャリブレーションと形状計測が同時に最適化され実行できる.今後は任意形状の切削出力システムを開発し,(1),(2)と組み合わせて,仮想世界と実世界の双方で作業可能な造形システムを実現する計画である.人工現実感の産業応用の一つとして,工業デザインなどの芸術要素を含む手作業による造形作業支援システムの実現のために,仮想世界と実世界相互間で造形物体を移動可能にして,双方の世界で造形作業の補間を行うことのできるシステムの開発を行った.本年度は以下のような成果が得られた.(1)VR造形システムの開発運動視差表現のための頭部の位置・姿勢計測に,拘束感がなく適用自由度の高い画像処理による高精度計測システムを開発した.1台のカメラで複数のマ-カの位置・姿勢を高速・高精度で計測する方式を考案した.カメラの内部パラメータ(画像歪を含む)と外部パラメータを簡単にキャリブレーションできる新しいアルゴリズムを開発し,任意の環境に対する高精度計測を実現した.仮想物体操作器具として触覚機能付空間マウスを開発した.空間マウスからビーム状の仮想光線照射によって物体の把持,移動,切断,変形など意図した造形操作を素早く実行する方式で,高性能仮想世界インタフェースを構築した.(2)オクルージョンのない三次元デジタイザの開発実世界で加工した物体形状を仮想世界に取り込むための高精度三次元デジタイザを実現するために,カメラセルフキャリブレーション機能を有する新しい三次元形状計測法を開発した.空間中の2点間の距離のみの既知情報があれば,任意のカメラ設定でカメラキャリブレーションと形状計測が同時に最適化され実行できる.今後は任意形状の切削出力システムを開発し,(1),(2)と組み合わせて,仮想世界と実世界の双方で作業可能な造形システムを実現する計画である.
パラメ-タ-を持つ群を添字にもつgraded Hopf代数の研究

1.supermanifold,Liesupergroup,Lie superalgebriの基礎にあるものは、grassmann代数上の線型代数学と解析学である。supergroup,superalgebraの表現に重要な関係をもつgrassmunn代数上のsupermatrixの不変式を求めた。これらの結果は“Characteristic functions and invariants of supermatrices"で得られたものである。3.群Gと素環Rによって構成されるcrossed product R*Gのある種の素イデアルと、RのMartindule quotientSに自然に拡張出来るS*GにおけるRの中心化部分環の素イデアルとの対応関係を、stronglyG gradedrinyR=Σ_<y=G>Rg,Reは素環、のある種の素イデアルと、Reの正則元に関する商環におけるReの中心化部分環の素イデアルの対応関係に拡張した。未投稿であるが“A Note on strongly group-graded rings"で得られた結果である。
AMPK-mTORシグナル伝達機構の解析

AMPK-mTORシグナル伝達経路は細胞内のエネルギー調節に重要な役割を果たしている。多くのがん細胞ではmTOR異常な活性化が観察されているが、mTORの活性調節機構についてはいまだ不明な点が多い。そこで私たちは培養細胞を用いてAMPK-mTORシグナル伝達経路に関与するたんぱく質を網羅的に解析し、その結果、新規因子を同定することに成功した。本研究成果は、AMPK-mTORシグナル伝達の新しい経路を示唆し、さらなる解析によってさまざまな疾患に対する新規治療薬の可能性が期待できる。私たちはまずmTORとその活性化因子Rhebに結合するタンパク質の探索を行った。その結果、Rhebに結合するタンパク質としてすでに知られている脂質修飾酵素ファルネシルトランスフェラーゼ以外に、アポトーシス関連因子およびDNA合成に関与するタンパク質を同定した。また、mTORに結合するタンパク質として、既知の複合体構成因子Raptor、Rictor、GβL/mLST8、PRAS40、SIN1に加えて複数の新規結合タンパク質を検出した。既知の結合タンパク質の同定は、私たちの実験がうまく進んでいることを示しており、また、Rhebに結合する新規タンパク質はDNA合成に関与することから、mTORを介したタンパク質合成系と併せて細胞増殖や細胞サイズの制御に重要な役割を担っている可能性が推測できた。mTORに結合することが確認できた新規タンパク質は細胞骨格に関与するタンパク質であった。mTOR複合体のひとつmTORC2はアクチン細胞骨格を制御するがそのメカニズムについてはほとんどが謎であった。この新規タンパク質の発見はmTORC2からのアクチン制御機構を説明できる可能性がある。Rheb、mTORはがんや糖尿病だけでなく寿命にも関与するタンパク質であり、未知シグナル伝達の解析は新たな治療薬の開発につながる重要な研究である。また、Rheb-mTORを制御する因子のひとつ、AMPKはがんや寿命に関与するエネルギーセンサータンパク質でり、私たちはこのAMPKのサブユニットにそれぞれ結合するタンパク質も同定しつつある。また、mTORの阻害剤を用いたリン酸化プロテオーム解析を行い、新規mTOR基質の探索を行っている。これまでに複数の新規候補を同定しており、また、mTOR複合体1,2それぞれの基質を別々に検出できたことから、より詳細なmTORシグナルの解析が期待できる。本研究では細胞内エネルギーを制御するAMPK-mTORシグナル伝達経路に着目し、そのシグナル伝達機構に関与する因子の網羅的同定と解析を行った。1.まず、mTORの負の制御因子であるAMPK3量体、正の制御因子であるRhebについて、それぞれ免疫沈降法、およびLC-MS/MS法を用いて解析した。その結果、AMPK3量体、Rhebに結合すると考えられる新規タンパク質を複数同定した。これらの因子についてcDNAのクローニングを行い、さらに解析した結果、AMPK結合タンパク質においてmTOR制御に関与すると考えられる因子を1つ同定した。さらにこのタンパク質を2次元電気泳動により解析した結果、AMPKによりリン酸化の制御を受けることを明らかにした。2.次に、mTORの下流に位置し、mTORにより制御される因子をリン酸化プロテオーム解析を用いて網羅的に同定した。その結果、mTORが構成する複合体のうち、mTORC1により制御される新規タンパク質を10個、mTORC2により制御されると考えられる新規タンパク質を2個同定した。mTORの適切な制御は免疫機構や、生活習慣病・がんなどの治療に有効であり、最近では老化やうつ病などの疾患にも有効であることが報告されている。本研究によりmTOR制御に関与するタンパク質が同定されることは、新しいmTOR制御機構を解明し、それをターゲットとしたさまざまな新規治療薬の開発に貢献すると考えられる。
熱フォノニクスの新奇物理の探索と実現　－フォノニックブースト効果の実証

本研究は、熱フォノンの波動性に基づき、トップダウンプロセスによって作製したフォノニック結晶構造によるバンドエンジニアリングにより、熱伝導制御を行うことを目的として行われた。波動性に基づいた干渉効果により、直観に反する熱伝導現象を実現することができる。これまでに進めてきた、フォノニック結晶ナノ構造におけるフォノンバンドダイアグラム計算プログラムの構築を進め、様々な基本格子中の熱流束スペクトルが計算可能になった。新規に、半導体薄膜上に金属または半導体ピラーを周期的に配置した新しいタイプのフォノニック結晶ナノ構造についても計算を可能にした。その結果、ピラータイプのフォノニック結晶ナノ構造でも、バンドエンジニアリングによって熱流束スペクトルが大きく変化することを見出した。また、フォノニックブースト効果の発現も可能であることを示した。これらの成果は、薄膜中にナノ構造を形成して界面を増やす必要なしに、薄膜上に形成することでも同様の効果が得られることを明確に示した点で新規性がある。また、当初計画になかった新しい発見を得て成果を得た。ピラータイプの構造を作製したところ、シリコンと金属ピラーの界面の相互拡散を利用することにより、熱伝導率を大幅に低減可能なことがわかった。これは、熱電変換材料の高性能化に応用が可能であり、実際に単結晶シリコン薄膜を用いて熱電変換能を測定したところ、40%もの増加を実現した。29年度が最終年度であるため、記入しない。本研究は、ナノスケール構造中で顕著になる熱フォノンの波動性および弾道性を利用することにより、バルクでは実現できない物理を探索し、制御することを目的として行っている。弾性論を用いた半導体ナノ構造の機械振動モード解析によって、熱フォノン輸送をシミュレートした。適切な厚さの薄膜に二次元フォノニック結晶パターニングを行うことで、薄膜よりも熱伝導率を高めることができ、三角格子が最も高い増強効果を示すことを明らかにした。希釈冷凍機を用いた実証実験に向けて、継続的に立ち上げ作業を進めている。半導体-絶縁体-金属-絶縁体-半導体からなるジョセフソン接合マイクロヒーターを設計し、作製中である。また、熱フォノンの弾道性を積極利用することで熱流に指向性を持たせることが可能であることを発見した。シリコンの薄膜に正方格子状に整列した直径約150 nmの円孔を形成すると、その隙間を縫うように熱フォノンが通過する。これにナノワイヤー構造の結合/非結合構造の二種類を用意して熱散逸時間を比較したところ、結合構造においてより早く熱散逸が起こることから、熱流に指向性を持たせることが可能であると証明できた。続いて、ナノ構造を放射状に配置することで、熱流を一点に集めることが可能なことを初めて提案、実証した。これは、固体物理学においてはじめて集熱のコンセプトを提案、実証したマイルストーン的成果であり、Nature Communicationsに掲載され、プレスリリースも行う予定である。新奇物理探索で、指向性を持った熱流の実証、固体集熱の実現を行い、ハイインパクトジャーナルに掲載される大きな成果を得ることができた。そのため、当初計画を大幅に上回る成果を既に得ることができた。希釈冷凍機を用いた極低温実験に向けた準備は順調である。引き続き希釈冷凍機の立ち上げ作業と極低温実験で用いる試料の作製を進める。また、モンテカルロシミュレーションおよび弾性論を用いたシミュレーションを用いて、フォノニック結晶ナノ構造における新奇物理探索を続け、シリコン薄膜をベースとしたフォノニック結晶ナノ構造による熱伝導制御技術の開発を進める。
農産加工施設におけるヒートポンプの有効利用とその性能向上に関する研究

1.九州、四国地域における各種農産施設の熱利用の実態を調査し、現行の施設の排棄熱量、投入エネルギの測定を通して、有効熱量の回収、シテスム構成の変更等による省エネルギ化の検討と、より有効で多目的利用が可能なヒートポンプシステムの導入に伴う問題点を明らかにした。各施設とも本研究のような熱エネルギの利用実態調査は実質的に初めてであり、また施設の関係者のもとにもエネルギの利用状況に関する資料が整備されておらず、エネルギの有効利用についての認識が不足していた。また各施設のシステムのライン構成は複雑でかつ独特のプロセスを有するため、まずプロセス全体の理解とともに対象農産物の特性を熟知する必要があった。2.木材加工場および海産物(干物)加工場においては徐々にヒートポンプを用いた低温除湿乾燥が普及しつつある。しかしその熱収支や材料自体の乾燥特性は不明であり、木材乾燥については実態調査により、また海産物の乾燥については室内実験によりその特性を明らかにし、ヒートポンプ利用による低温乾燥が有効なことを示した。3.ジュース加工場およびパインアップル加工場、さらに製粉・飼料配合工場についてはこれらのプロセスが他の工程と複合化され、熱エネルギ的には単独プロセスの収支解析が困難であったが、これまで議論されたことのない新しい知見が報告された。4.製茶工場の熱利用に関し、大小二つの工場について各プロセスの検討が行なわれ、粗柔工程からの熱回収の有効性が示された。5.食品加工として漬物加工場の漬物冷却装置の開発とその熱の有効利用として冷凍機をヒートポンプ化するための設計がなされ、有効性が実証された。またイグサの乾燥に関して、その基本的乾燥特性が実験により明らかにされヒートポンプ利用の有効性が示された。各研究分担者は与えられた分担課題についてそれぞれの施設のプロセスを予備調査に基づいて調査項目,留意点等の調査表を作成し,実地調査を行った.この結果,各施設について現在のエネルギ収支,今後の改善点等が明らかになった.すなわち,廃棄される未利用エネルギ量が多く,また省エネルギシステムとしての全体的な検討はほとんどなされていないことが示された.木材加工場,海産物(干物)加工場においては既に低温除湿乾燥方式としてヒートポンプの導入が図られており,特徴ある利用法がなされているが,その熱収支については求められたことがなく,また木材および海産物への品質的影響も明らかでない.イグサ乾燥施設については省エネルギ化と品質保持のため乾燥方式を変更し,風量およびその流し方の制御を試みている.製茶工場においても粗柔工程等からの熱回収が可能であれば省エネルギ効果が大きいが,工場のレイアウトとも関連づけて工夫する必要がある.食肉加工場についてはヒートポンプ導入による排熱回収のエネルギ収支を調査,計算したが現状では導入が困難であった.ジュース加工場,パインアップル加工場および製粉,飼料配合工場についてはこれらの調査工程が他の工程と複合システム化されており,単独での熱収支調査が非常に困難であったため調査を続行している.各施設とも本格的な熱エネルギの利用実態調査は初めてであり,いずれもエネルギの効率的利用についての認識が不足していた.また各システムのライン構成はそれぞれ独得で,複雑であるため,そのプロセスを理解するとともに対象とする産物の特性を生かしたシステム全体の改善が要求される.本材乾燥,海産物の乾燥,イグサの乾燥ではヒートポンプの導入により省エネルギ化,品質の保持が図れることが明らかになった.1.各分担者は昨年と同様に分担課題についてそれぞれの施設の熱利用に実態を調査した、現行施設の排棄熱量の回収、システム構成の変更等による省エネルギ化の検討と、より有効で多目的利用が可能なヒートポンプシステム導入に伴う問題点を明らかにした。

各施設とも今回のような熱エネルギの利用実態調査は実質的に初めてであり、また施設責任者のもとにも省エネルギの資料がなく、エネルギの有効利用についての認識が不足しているのが実状であった。また各分担のシステムのライン構成は複雑でかつ独得のプロセスを有するため、まずプロセス全体の理解とともに対象農産物の特性を熟知する必要があった。2.木材加工場、海産物(干物)加工場においては除々に低温除湿乾燥法としてヒートポンプの導入がなされているが、その熱収支や材料自体の乾燥特性は不明であった。阿部は木材乾燥について実態調査より、また松岡は海産物について乾燥実験を行ないその有効性を明らかにした。御木はかつお節工場における熱エネルギ使用量を調査し、その熱収支を明らかにしている。3.ジュース加工場およびパインアップル加工場、さらに製粉、飼料配合工場についてはこれらのプロセスが他の工程と複合化され、単独プロセスの分析が不可能であったが、省エネルギのための今後の検討資料は得られた。4.製茶工場の熱の有効利用に関しては粗柔工程からの熱回収の可能性が大小の工場について検討された。5.田中は漬物加工場における漬物冷却装置への熱の有効利用として冷凍機をヒートポンプ化するための設計およびその計算を行ない、その可能性を実証した。
老化過程における酸化的ストレスの公衆衛生学的意義

老化の初期変化を酸化的ストレスの集積としてとらえ、生体膜構成脂質の酸化機序と活性酸素種(O_2^ー)の消去機序の解明を目的とした。研究方法に用いた手法はGC/MS/COMによる分析と分光光度計による比色定量分析である。以下本研究により得られた知見等の成果を列挙する。1.0_2^ーによるLDL中脂質の酸化で、オクタデカノイド、エイコサノイドやドコサノイドの不飽和脂肪酸類がパ-オキシ体やエポキシ体に、飽和脂肪酸類からは水酸化体に変化する。コレステロ-ルでは脱水素体、エポキシ体、水酸化体やメトオキシ体に変化することが判明した。2.H_2O_2を用いてLDL構成脂質の純品の酸化で1.と同様の結果を確認したが、更にその異性体の生成が認められた。コレステロ-ルー5,6ーエポキサイドにα,αとβ,βが存在し、動脈硬化巣にはα,α体が蓄積していた。3.これらの酸化脂質の知見をもとに、老化性疾患での組織蓄積酸化脂質を検索した。(1)本態性高血圧症患者赤血球膜からコレスタ-3,5,7ートリエン、コンスタ-3,5ージェンー7ーエポキサイドの新生を発見した。(2)動脈硬化巣からデヒドロコレステロ-ル、そのエポキサイドとコレステロ-ルー5α,6αーエポキサイドの蓄積が判明した。(3)肺腺癌からC_<16:0,18:0,20:0,22:0,23:0,24:0>のαー水酸化体とコレステロ-ル酸化体が検出された。4.色素性繊毛結節性滑膜炎患者の膝関節液中からコレステロ-ルエポキサイドが検出された。そこで、健常単球との浮置を行うと、単球の泡沫化を惹起した。更に同体を兎膝関節に埋め込み病変の生起することも確認した。5.ス-パオキサイドジスムタ-ゼ活性は糖尿病患者幼若赤血球で健常者と同レベルであるが、老齢赤血球では顕著に低下することが判明した。老化の初期変化を酸化的ストレスの集積としてとらえ、初年度は生体膜構成脂質の酸化機序と活性酸素種の消去機序の解明を目的とした。(1)生体膜構成脂質の酸化機序解析の結果:まず健常人LDLを活性酸素で酸化し、酸化LDLの構成脂質のGC/MS分析を詳細に行い、エステル型不飽和脂肪酸側鎖とコレステロ-ル骨格の変化を確認した。前者はオクタデカノイド、エイコサノイドとドコサノイドの減少が認められ、それに対応する新生異性体二種を発見した。更に対照に見られないアルケニルメチルエ-テル体C_<16:1>とC_<18:1>、αーヒドロキシル体C_<16:0>、C_<18:0>、C_<20:0>、C_<22:0>、C_<23:0>とC_<24:0>を検出した。

後者のステロイド骨格の酸化体は多種類新生し、主なものはコレスター3、5、7ートリエンとそのモノエポキシ、ジエポキシ体とコレステロ-ルー5β、6βエポキシドとその異性体1種並びに脱水素体2種を検出した。以上のin vitroの知見をもとに、老化性代謝疾患の動脈硬化症と高血圧症について、粥状硬化組織と高血圧赤血球膜を用いて構成脂質の変化を検索した。健常対照に比較して、両疾患共不飽和脂肪酸側鎖のエイコサノイドとドコサノイドの著しい減少が見られ、コレステロ-ル誘導体はコレスター3、5、7ートリエンとそのエポキシ体を発見した。なお高血圧症患者の白血球・リンパ球と血小板分画でも同様の検索を行ったが著変は見られなかった。(2)活性酸素種の消去機序の解明の結果:上記生体膜構成脂質の変化は活性酸素種による化学的修飾と推定される。そこで活性酸素種の始発Super oxide anion(SOA)の消去酵素Super oxide dismutase(SOD)の活性に着目し、Cu、Zn SODをNBT法に従った改良法を確立した。この方法で幼、中、老令赤血球中のCu Zn SODの活性を測定した。また鎖状脂質の酸化によって生成するTBA反応陽性物質の定量も行っている。次年度はこれら三者の関係から酸化的ストレスの相相対評価が出来るものと検討している。老化の初期変化を酸化的ストレスの集積としてとらえ、本年度は、老化性疾患での酸化脂質の増減や活性酸素消去系酵素の活性を調査した。更に老化病変での酸化脂質の寄与をも検討した。1.生体膜構成脂質の酸化機序の解析並びに老化性疾患での酸化脂質の検索は、LDLを活性酵素O_2^-で酸化し、その構成脂質をGC/MS/COMで詳細に分析した。酸化脂質に変化する脂肪族はオクタデカノイド、エイコサノイドとドコサノイドが主成分で、ヘキサデカノイドは変化しなかった。コレステロ-ルはステロイド骨格のB環が酸化され、その脱水素体、エポキシ体や水酸化体が新生し、コレステロ-ル側鎖の変化は見られなかった。2.LDLの構成脂質をH_2O_2で酸化し、オクタデカノイド、エイコサノイドとドコサノイドの不飽和脂肪酸類からパ-オキサイド体やエポキシ体を検出した。コレステロ-ルエステルの酸化では(1)と同様種々の酸化体やその異性体が不飽和脂肪酸鎖より早くに検出された。3.老化性疾患として動脈硬化症、高血圧症、変形性関節炎、肺癌や脳腫瘍などの組織中の酸化脂質を調査した結果、これらの疾患に共通して酸化脂質中でも酸化コレステロ-ルの増加が認められた。4.酸化コレステロ-ルのエポキサイドをヒト健常男性単球と浮置しその影響を検討した結果、マクロファ-ジの泡沫化が起った。更にコレステロ-ルエポキサイドの徐放性ペレットを兎漆関節滑膜に埋め込み組織検索を行った結果、マクロファジの泡沫化、粥状化、細胞質内にヘモジデリンやカルシウムの粒、球状沈着が見られた。5.活性酸素消去系酵素のス-パ-オキサイドジスムタ-ゼの活性を糖尿病患者赤血球で測定した結果、幼若赤血球は健常者と同レベルであったが老化赤血球では活性が顕著に低下した。
構造化励起光照明と圧縮センシングを用いる蛍光トモグラフィーの高速化

蛍光画像計測は光計測であることから生体組織による光散乱のため組織深部の情報の取得に限界がある。組織深部の3次元的蛍光色素分布情報を得ることができる拡散蛍光トモグラフィーは、生体組織の光散乱効果により蛍光励起光源の照射点近傍から得られる蛍光情報は組織の比較的浅い部分の情報を含み、照射点遠位から得られる蛍光情報は組織の深い部分の情報を含むという原理を活用し、組織内の光伝播の逆問題として解く手法である。しかしその測定速度に限界が存在する。膜電位・細胞内Ca2+イオン動態など動的な現象を計測するためには測定周期(時間分解能)を10msec以下にすることが求められている。本研究では近年画像再構成等に応用されている圧縮センシング技術を融合した3次元拡散トモグラフィーの高速化手法を開発し、心筋組織内の電気的興奮伝播現象の高速3次元可視化を行うことを目的とした。具体的にはDMD(Digital Micro Mirror)を用いた高速励起光変調システムを有する蛍光計測の系の製作と観測信号の圧縮センシングによる3次元蛍光色素分布の再構成手法の開発を行い、その基本的機能と限界をシミュレーションと実験により検討した。シミュレーションモデルを用いて、時間軸方向の情報を位相で表現することでCLOT再構成の際に生じていたノイズによる影響を低減でき,フィラメントを深さ2.5mmまでを距離誤差0.625mm以内で推定できることを示した.またランダムパターン照射によるCLOT計測システムの構築を行い,静的な蛍光ファントムに対する再構成を試み、十分な時間分解能での計測が可能であることを示し、CLOT再構成の実現可能性を確認した。しかし実際の生体試料での計測では十分な性能を得ることができなかった。生体組織の散乱係数・吸収係数等の光学定数の適切な設定が重要であることが示され、課題が明らかとなった。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。1 )高速多点構造化励起光による励起蛍光画像計測系の製作と改良従来の蛍光トモグラフィーシステムにおける計測速度を向上するために本研究ではDigital Micromirror Device(DMD)と高感度のMulti-Pixel Photon Counter (MPPC) (Cameral)により高速化を図る。DMDは多数のマイクロミラーが平面上に配列された素子である。これを用いて高速にランダムパターンの励起洗を標本表面に照射し、得られる蛍光信号を高感度カメラで計測するシステムを製作した。特に時間分解野の高いDMD素子と駆動回路を導入し、十分な計測時間分解能を持ちシステムとした。現在基本性の確認中である。2)再構成アルゴリズムへの圧縮センシングの応用検討励起光パターンに対する試料内での光学散乱をモデル化し、さらに蛍光色素の量子収率を仮定することで3次元試料のボクセルに存在する蛍光色素濃度と試料表面で観測される蛍光信号の関係を線形モデルとして定式化した。心臓細胞膜電位モデルを組み込んだ興奮伝搬の2次元組織におけるコンピュータシミュレーションにより得られたSpiral波を3次元的に任意の方向に重ねた疑似的なScroll Waveモデルに対して考案した圧後リズムを適用しすScroll Waveの中心部分を表すフィラメントの3次元位置推定を試みた。またシミュレーションでは一定の測定誤差を雑音として加えて検討を行った。フィラメントの同定には研究者らが開発した心臓膜電位の位相分散解析による方法を適用した。この結果、3次元組織の中でフィラメントの位置を組織表面より2-3mmの深さまで推定可能であることを示唆する結果を得た。電気緊張電位の効果も含め3次元的な広がりを心臓細胞膜電位分布に対する性能検討や、実験的検証モデルの構築が課題である。1)高速多点構造化励起光による励起蛍光画像計測系の製作と改良工学系の基本分を製作済みであり、研究開始時に課題であった構造化照明素子の、構造化照明パターン切り替えに要する分解能により必要となる分解能測定時間分解能が得られていなかった点については、新たな素子と素子駆動回路を導入することで解決することができた。一方検出系に必要となるイメージインテンシファイアの不具合について現在解決法の検討を行っている。しかしながら基本的部分の構築は終了しており、H30年度の研究計画はほぼ実施できる状況である。2)再構成アルゴリズムへの圧縮センシングの応用検討様々な条件でのコンピュータシミュレーションによる検討を行い、適用可能範囲の見積もりがほぼできている。また使用する構造化照明パターンの適切性についても考察を進めており、来年度実試料を用いた実験に移行できる状況にある。この場合、推定結果の正しさを検証するための生体試料中での興奮波面発生法が課題となるが、点通電刺激により発生する仮想電極分極現象という比較的理論的推定が容易な現象を活用することで、実験系を構築できることに着想し、検討を進めている。したがって実験的評価についても結核にほぼ従って取り組むことが可能となっていると考えている。

本研究では近年画像再構成等に応用されている圧縮センシング技術を融合した3次元拡散トモグラフィーの高速化手法を開発し、心筋組織内の電気的興奮伝播現象の高速3次元可視化を行うことを目的とした。具体的にはDMD(Digital Micro Mirror)を用いた高速励起光変調システムを有する蛍光計測の系の製作と観測信号の圧縮センシングによる3次元蛍光色素分布の再構成手法の開発を行い、その基本的機能と限界をシミュレーションと実験により検討した。シミュレーションモデルを用いて、時間軸方向の情報を位相で表現することでCLOT再構成の際に生じていたノイズによる影響を低減でき,フィラメントを深さ2.5mmまでを距離誤差0.625mm以内で推定できることを示した.またランダムパターン照射によるCLOT計測システムの構築を行い,静的な蛍光ファントムに対する再構成を試み、十分な時間分解能での計測が可能であることを示し、CLOT再構成の実現可能性を確認した。しかし実際の生体試料での計測では十分な性能を得ることができなかった。生体組織の散乱係数・吸収係数等の光学定数の適切な設定が重要であることが示され、課題が明らかとなった。1)高速多点構造化励起光による励起蛍光画像計測系の製作と改良現在進めている政策と調整を継続し、早期に実験可能なシステムを構築する。測光光学素子の感度向上を図る。2)再構成アルゴリズムへの圧縮センシングの応用検討昨年度に実施した2次元心造興奮電波モデルでの旋回性興奮パターンの積み重ねから、3次元モデルを拡張しより現実に近いスクロール波構造に対してもどの程度の再構成能力があるのかを検討する。また時間軸方向の情報の活用方法についても追加的に検討する。膜電位感受性色素で染色した実験動物摘出心灌流標本において、様々な部位からの電気刺激を加えることで、電気的興奮波を発生させ、蛍光動画像を計測し、心室壁内の興奮伝播の推定を試みる。この場合数点での細胞外電位計測結果など参照信号となるものも同時計測し、得られた結果の電気生理学的な妥当性の検討を行う。また最終目的であるスクロール波の3次元計測に関しては、その3次元構造の推定がシミュレーションを用いて比較的容易である、通電刺激直後に発する仮想電極分極(Virtual Electrode Polarization)現象により発生するスクロール波構造に対して、実験により提案手法を評価する。スクロール波の構造分析には最近提案した位相分散解析(Tomii N et al.、IEEE Trans BME, 63 (9), 1795-8211; 1803, 2015)の手法を適用し、スクロール波のコア構造を同定し、その3次元構造と理論解析から予測される構造の比較検討を行う。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。
強誘電体ドメインの制御による新機能開発

強誘電体の電気的特性を支配するのはドメインであることを示すための基礎的な実験と、実際にドメインコントロールして新たな物性を付加することを試みた。強誘電体に関しては、ランダウの現象論を用いた物性の解釈がこれまでの研究の中心であったため、構造に関しては周期的構造を仮定した平均構造のみが注目されてきた。しかし、巨大な誘電率を示すリラクサーの出現によって平均構造では説明できないような電気的特性をドメイン構成によって解釈する試みが行われるようになった。実際に、リラクサー強誘電体をはじめ、複雑なドメイン構成を有する強誘電体結晶のX線回折パターンはシャープなブラッグ反射とそれに付随するブロードな散漫散乱で構成されている。これは強誘電体がリジッドな骨格である平均構造の他に、平均構造からわずかにずれた局所構造をも有していることを示している。この2種類の構造を放射光を用いた2種類の測定手法によって観測した。結晶の骨格に関する部分に関してはX線トポグラフィを用い、平均構造からのずれに関してはPair-distribution function(PDF)解析を用いた。まずX線トポグラフィに関しては、強誘電体のドメイン近傍の結晶性を評価するためにこの手法を用いた。特に典型的な強誘電体であるチタン酸バリウムに関する実験では、これまでの90度ドメインの構成モデルを覆すようなドメイン境界近傍の局所歪みの存在を明らかにし、このドメイン境界の歪みを積極的に利用することによって、平均構造をも変化させるような劇的な変化を強誘電体に引き起こさせることを実証した。このようなドメイン境界に存在する局所歪みによって、平均構造とはことなる構造が不均一に存在することがわかった。このような局所構造の構造解析をPDF解析によって視覚化した。強誘電体では非常に強く散漫散乱が観測されるため、平均構造からの構造のずれの存在は古くから知られている。しかし、その平均構造からのずれを定量的に、構造解析のパラメータとして得るには中性子施設やSPring-8のような大強度高エネルギーX線の使える放射光施設得られたデータでPDF解析を行う必要がある。PDF解析は、これまで中性子を用いた実験が主であったが、微量のサンプルでデータコレクションが可能という点ではX線の方が圧倒的に有利である。そこで、本研究によってX線PDF解析を強誘電体へ適用する実験を先駆的に行った。成果としては、強誘電性半導体混晶、ビスマス層状化合物、リラクサー強誘電体などで平均構造とは異なる局所構造が存在することを示した。また、現在、トポグラフィで局所歪みの存在を実証したチタン酸バリウムを用いた実験を進めており、これが実現すれば、平均構造と局所構造の両面からドメイン形成が誘電体に及ぼす影響を調べることができることになる。強誘電体のドメイン構造に誘起される新たな物性を明らかにするため、高エネルギーX線を用いたPairDistributionFunction(PDF)法と高コヒーレントX線を用いたX線トポグラフィによって構造解析を行った。PDF解析では強誘電体の局所構造がわかり、X線トポグラフィではドメインコンフィグレーション(ドメイン構造)がわかる。すなわち、両者を組み合わせることによってドメイン構造によって誘起された強誘電体の平均構造からのずれを明らかにすることができる。本年度は、同一のサンプルに対して、両者を組み合わせる段階にまで達してはいないが、それぞれの手法を個別に用いることによって、成果を得ている。現段階ではPDFとトポグラフィの摺り合わせが完全ではないが、実験を通じて改良しており、来年度以降に同一サンプルに対し適用する予定である。PDF解析の対象としてチタン酸ビスマスを用いた。PDFは結晶のみならず、液体やアモルファスに対しても適用できるという特徴をいかして、アモルファス状態からの結晶化過程を明かにした。液体から結晶まで同じ実験を行い、同じ解析手法によって解析が行えるため、これらの結果は結晶成長過程の解明に役立てられると考えている。X線トポグラフィでは、ドメイン制御を行ったサンプルに対する応用実験を行った。チタン酸バリウムに不純物であるストロンチウムを添加することによって欠陥を生成し、その欠陥によってドメインの広がりが抑えられるため、微小なドメインが形成される。このドメイン構造が生じるローカ1ルな歪は結晶全体に伝搬し、平均構造を歪めていることがわかった。このような局所構造による格子歪が結晶全体に伝わるという結果はドメインエンジニアリングの際の重要な情報である。また、チタン酸ビスマスの結晶化過程をさらに詳細に検討し、液相を経る結晶化過程では、結晶相でも、液相の影響を受けることをPDFによって突き止めた。この研究結果はJournal of Applied Physicsに掲載予定である。また、このチタン酸ビスマス(BiT)と同様の液相でのローカルな歪みが他の誘電体でも存在するかどうかを確かめるため、La_4Ga_5SiO_<14>(LGS)の放射光X線トポグラフィを行った。その結果、LGSにおいても、BiTと同様の局所歪みによって結晶が歪んでいることがわかった。本研究の最終的な目的は、ドメインコントロールによる物性制御であるが、ドメイン制御以前に結晶育成の段階で大きな問題があることがわかった。ドメインは結晶中のわずかな歪みによってトラップされるため、極力歪みの少ない結晶を用いることが重要である。そこで、液相を経ないような単結晶育成法を検討する必要がでてきた。その一つとして、Solid-State Single Crystal Growth(SSCG)を考えている。この方法は固相における、異常粒成長を用いているため、液相を経ずに単結晶を育成することができるため、液相からの局所歪みから解放されることが期待される。