hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
触媒を用いたCO_2の光化学的及び光電気化学的変換

それぞれの電極における炭酸ガスからの還元生成物は、Ti:水素,メタン,Fe:水素,メタン,Co:水素,メタン,Ni:水素,メタン,Pt:水素,Cu:メタン,エチレン,一酸化炭素,水素,Ag:一酸化炭素,水素,メタン,Au:一酸化炭素,水素,メタン,Zn:一酸化炭素,水素,メタン,Sn:一酸化炭素,水素,メタンであった。さらに,Cu電極を用いて極低温(-30°C)でCO_2の電気化学的還元を行った。最適条件下で42%の電流効率でメタンを生成した。このような低温下では競争反応である水素生成が8%以下に押さえられることがわかった。○珪酸塩を懸濁させた電解溶液を用いる光照射電気化学的還元の可能性の検討○適切な光触媒の開発:珪酸塩岩石に銅をドープした光触媒を調製し,光照射実験を行いつつある。この光触媒の大きさは30メッシュで室温での炭酸ガス還元実験の結果、蟻酸が良い効率で生成することが分かった。現在,担持する銅量の影響,光照射時間の影響及び温度の影響について検討を行っている。○これらの結果の一部はElectroanal.Chem.誌上及び中部化学関係学協会支部連合協議会秋季大会にて発表した。産業からの廃ガスのエネルギーで賄える程度の温度及び圧力条件下で,安価な炭酸ガスの燃料物質及び工業原料への変換技術の開発を目的として、「触媒を用いたCO_2の光化学的及び光電気化学的変換」を行った。ポテンショスタット等の装置を用いてCO_2の電気化学的・光電気化学的・光化学的に還元する方法を開発した。還元効率の良い電解質,温度等の条件の検討,光源としてXeランプを用いた場合の還元効率の測定,電解光照射セル,効率の良い電極材料・形状の開発を行った。その結果は次の通りである。○メタノール-ベンザルコニウム電解液の場合,作用電極として,Ti,Fe,Co,Ni,Pt,Cu,Ag,Au,Zn,Snを検討した。工業化を図るために、管状Cu電極を開発し研究を行なった。最適条件下で18%の電流効率でメタノール,蟻酸0.9%,メタン0.013%生成した。○光触媒として珪酸塩を懸濁させた電解溶液を用いる光照射電気化学的還元を検討した。銅電極を用いた場合、蟻酸,メタノール,メタン,エチレン,一酸化炭素,水素が生成した。特に蟻酸,メタノール,水素の生成に光触媒の効果が大きかった。○珪酸塩岩石(granite)に銅を担持した光触媒を開発し,光照射実験を行った。この光触媒(30メッシュ)を用いた室温での炭酸ガス還元実験の結果、蟻酸が生成する(28nmol/g,10h照射)ことが分かった。最適担持銅の量は0.1-0.5g/g,最適光照射時間は10時間,最適温度は20°C以下であった。
膀胱癌のCarcinoma in situ(CIS)における遺伝子異常

(目的)膀胱癌のCISにおける遺伝子的変異を検索することを目的として、現在までに知られている代表的分子種のcDNAを含むcDNA arrayを用い解析を行った。(結果と考案)CISおよび正常粘膜をプローブとしたオートラジオグラフィーのフィルムを比較検討した結果、CISにおいてintegrin beta 3の発現が低下していた。免疫組織化学的検討にても、integrin beta 3の発現に差が認められ、p53陽性細胞とほぼ一致してその発現が低下していた。正常粘膜ではintegrin beta 3は傘細胞に発現が強い傾向があった。PCR法で得られたcDNAをプローブとして用いているため、バイアスがかかることが予想されたが、cDNA arrayによる検索は、微細な病変の遺伝子解析に有用であると考えられた。今後は、integrin beta3のdown-regulationが腫瘍化に際しどのように関与しているのか、またp53ファミリーに属するp73との関係についても検討してゆきたい。※今回の研究成果の一部は、平成12年4月の第89回日本病理学会総会で発表された。免疫組織化学的検討にても、integrin beta 3の発現に差が認められ、正常粘膜ではintegrin beta 3は傘細胞に発現が強い傾向が認められた。今後は、integrin beta 3のdown-regulationが腫瘍化に際しどのように関与しているのか検証したい。また、PCR法で得られたcDNAをプローブとして用いているため、バイアスがかることが予想されたが、normalizationによりcDNAの均一化を行い、CISにおける他の遺伝子変異についても明らかにして行きたい。
戦後日本のシビリアンコントロール体制の模索―旧軍人を通して見た戦前・戦後―

本研究は、戦後日本のシビリアンコントロール体制がどのように模索されたのかを、旧陸海軍軍人の視点を新たに加えて再検討することを目的としている。平成22年度において第1に検討したのは、旧軍人が戦前の陸海軍組織とその制度をどのように理解していたのかという問題である。本研究では、とりわけ19301945年の時期について研究を進めることとした。調査場所は、主に防衛省防衛研究所図書館、国立国会図書館であった。なかでも私文書「高嶋辰彦史料」「鈴木重康関係文書」には、軍部大臣現役武官制に対する軍人たちの意見が含まれており、1930年代前半の状況を把握することができた。第2に検討したのは、太平洋戦争終結前後から再軍備にかけて、旧軍人が書籍・新聞・雑誌などに投稿した論文や意見である。雑誌は『自衛』『日本及日本人』『実業の世界』などを調査した。とくに、まとまった量の論考を残している服部卓四郎の統師権独立認識と再軍備における組織構想について史料収集を行った。服部は戦後も軍人の発言権を保持するためとはいえ、戦前の軍の暴走を反省し、シビリアンコントロールを肯定的に理解していたことは間違いない。他方、これまでの研究も踏まえた上で、研究成果の公表も積極的に行った。平成22年7月17日に神戸大学法学部で開催された日本政治外交史研究会で「中国駐日公使館と日中戦争への道」を報告し、戦前の軍の統制の実態を駐日中国公使館員の視点から分析した。また平成22年10月30日に日本国際政治学会分科会で「日中戦争の拡大-速戦即決論と総力戦論」を口頭発表し、日中戦争の拡大と軍の統制の連関について考察した。これらの報告によって、参加していたアメリカ史研究者や戦後日本史研究者との活発な意見交換ができ、有益な示唆を得ることが出来た。
非線形ディスクリプタ表現に基づく動的システムの解析と制御

1960年以降、線形システムに対する制御理論は大きな発展を遂げた。その過程で重要な役割を演じたのが状態方程式表現である。システムの内部変数として状態という概念を導入することにより、動特性に関する情報を必要かつ十分に表現することができる。したがって、状態方程式の解析・設計能力は非常に高い。線形システムに対する成功をもとに、非線形システムに対しても状態方程式に基づく解析・設計法が精力的に研究され、成果が得られている。しかし、非線形システムに対しては、状態方程式に基づいて議論すること自体が無理な場合がある。理論上は状態方程式で表すことができるシステムであっても、複数の非線形要素が結合したり、非線形要素が一つでも静的ループ内に存在すると、具体的な状態方程式を導くことは非常に困難、または不可能である。そのような状態方程式の表現能力の不充分さを解決するのがディスクリプタ表現である。ディスクリプタ表現は微分方程式と代数方程式を併せ持つシステムモデルであり、動的及び静的な要素の結合で構成されたシステムをすべて表すことができて、モデリング能力は非常に高い。複雑な非線形システムには、状態方程式では記述不可能なクラスが存在するが、ディスクリプタ表現はそれらをも容易に記述することができる。本年度は、微分可能でない非線形要素を含むシステムをディスクリプタ表現し、解の存在性と平衡点の大域漸近安定性を保証する条件を導いた。また、ゲインが有界な静的非線形ブロックを含むフィードバック制御系に適用し、その安定条件を線形行列不等式の解の存在性に帰着させた。そして、非線形システムと同様の解を発生することができる線形時変システムを対象に、線形行列不等式を用いた安定化制御則の導出を行った。本研究では、まず、任意の非線形微分・代数方程式は、変数を適当に選ぶことにより、微分が1階で、しかも線形に現れ、入力も線形に現れるようなディスクリプタ方程式で表せることを示した。そして、ダイナミクスを表す適当なディスクリプタ変数のスカラ関数を用いて、リアプノフ型の安定解析法を提案した。特に、ルーリエ型非線形フィードバックシステムに対して、線形行列不等式の安定条件を導いた。今後、安定化制御の開発につなげる。本年度は、ディスクリプタ表現のうち、従属接続型の微分・代数方程式系(状態方程式に代数方程式による拘束条件を併記した方程式系)を主な対象とし、2つの安定化制御法を導出した。一つは、スモールゲイン定理を繰り返し適用するもの、もう一つはバックステッピング法である。これらは、実際の物理系の多くに適用可能な制御法である。

しかし、非線形システムに対しては、状態方程式に基づいて議論すること自体が無理な場合がある。理論上は状態方程式で表すことができるシステムであっても、複数の非線形要素が結合したり、非線形要素が一つでも静的ループ内に存在すると、具体的な状態方程式を導くことは非常に困難、または不可能である。そのような状態方程式の表現能力の不充分さを解決するのがディスクリプタ表現である。ディスクリプタ表現は微分方程式と代数方程式を併せ持つシステムモデルであり、動的及び静的な要素の結合で構成されたシステムをすべて表すことができて、モデリング能力は非常に高い。複雑な非線形システムには、状態方程式では記述不可能なクラスが存在するが、ディスクリプタ表現はそれらをも容易に記述することができる。本年度は、微分可能でない非線形要素を含むシステムをディスクリプタ表現し、解の存在性と平衡点の大域漸近安定性を保証する条件を導いた。また、ゲインが有界な静的非線形ブロックを含むフィードバック制御系に適用し、その安定条件を線形行列不等式の解の存在性に帰着させた。そして、非線形システムと同様の解を発生することができる線形時変システムを対象に、線形行列不等式を用いた安定化制御則の導出を行った。
神経伝達物質による骨化制御

【緒言】平成11年度の研究より以下の結果を得た。(1)知覚障害を有しているラットでは結紮しなくともアキレス腱部に骨化が生じた。知覚障害の程度が進むほど生じた骨化は大きい傾向にあった。(2)結紮したアキレス腱組織内にsubstance P陽性細胞が観察された。そこでアキレス腱への侵害刺激が加わると後根神経節内での神経伝達物質産生が亢進し、軸索内を通り末梢へ輸送さるとの仮説を立て、以下の実験を行った。【方法】生後6週のWistarラットを用い右足アキレス腱のみを結紮した。結紮後1週、2週、4週、8週経過の時点でL3、L4、L5、L6椎体高位の後根神経節を両側とも灌流固定下に採取した。採取した後根神経節はパラホルムアルデヒドで固定しsubstance PとCGRPポリクローナル抗体を一次抗体として免疫染色を行い光顕で観察した。100倍視野での陽性細胞数を求め10視野の平均を細胞密度とした。なおアキレス腱結紮を行わなかった左側をコントロールとした。【結果】採取した全ての後根神経節でsubstance P陽性細胞、CGRP陽性細胞が観察された。免疫染色陽性細胞密度を椎体高位、結紮後の時期により比較した。Substance P陽性細胞密度:L4、L5椎体高位の後根神経節ではコントロールに比し陽性細胞密度が高かった。その傾向は結紮後1週、2週の時点で明らかであった。一方、結紮後4週、8週では明らかな差はみられなかった。CGRP陽性細胞密度:L4、L5椎体高位の後根神経節ではコントロールに比し陽性細胞密度が高かった。その傾向は結紮後1週では明らかだったが、結紮後2週、4週、8週では差はみられなかった。【考察】以上より、アキレス腱へ侵害刺激を与えると比較的早期に後根神経節内の神経伝達物質産生が亢進していた。アキレス腱組織中にsubstance P陽性細胞が確認されたことと考えあわせると、それらの神経伝達物質が末梢へ輸送され、異所性骨化形成に何らかの作用を発現しているものと推察された。(1)骨化抑制に関わる知覚神経の働きWistarラットを使用し、何も処置しないコントロール、大腿神経知覚枝の1つである伏材神経を切除したもの、大腿神経の知覚枝のみを切除したもの、capsaicinを投与したものと4種類のラットを作成した。いずれもアキレス腱に結紮等の処置は行わなかった。Capsaicinは過去の実験と同様、生後2日の時点で体重100gあたり50mgを皮下注した。いずれの群れも生後12週で軟線撮影を行った。フィルム上の骨化陰影を画像解析装置に入力し、骨化面積を計測し、それを骨化の大きさとした。なお骨化が見られぬものについてはその大きさを0とした。知覚障害のないコントロール群では骨化は見られなかった。一方、伏在神経を切除したラットでは5匹中1匹に骨化を認めた。大腿神経知覚枝を切除したラットでは、5匹中3匹に骨化が出現した。Capsaicinを投与したものでは、14匹中13匹に骨化が見られた。それぞれの群を比較すると、Capsaicin群が最も大きく、大腿神経知覚枝切除群、伏在神経切除群の順に骨化が小さく、知覚障害の範囲が広いほど骨化も大きい傾向にあった。Mann-Whitney検定を行うとCapsaicin投与群は伏在神経切除群、コントロール群よりも明らかに骨化が大きく、大腿神経知覚枝切除群と伏在神経切除群に有意差は無かった。(2)神経伝達物質(SubstanceP)が存在していることの証明Wistarラットの左側のアキレス腱のみ4-0ナイロン糸を用い結紮した。結紮後4週で両側のアキレス腱を採取した。採取したアキレス腱はアセトンにて固定後、DAKO社製抗サブスタンスP抗体を用い標識しDAB法にて発色させた。何ら処置を行っていない右側にサブスタンスP陽性細胞はみられなかったが、左側アキレス腱組織中にはサブスタンスP陽性細胞が観察された。

なおアキレス腱結紮を行わなかった左側をコントロールとした。【結果】採取した全ての後根神経節でsubstance P陽性細胞、CGRP陽性細胞が観察された。免疫染色陽性細胞密度を椎体高位、結紮後の時期により比較した。Substance P陽性細胞密度:L4、L5椎体高位の後根神経節ではコントロールに比し陽性細胞密度が高かった。その傾向は結紮後1週、2週の時点で明らかであった。一方、結紮後4週、8週では明らかな差はみられなかった。CGRP陽性細胞密度:L4、L5椎体高位の後根神経節ではコントロールに比し陽性細胞密度が高かった。その傾向は結紮後1週では明らかだったが、結紮後2週、4週、8週では差はみられなかった。【考察】以上より、アキレス腱へ侵害刺激を与えると比較的早期に後根神経節内の神経伝達物質産生が亢進していた。アキレス腱組織中にsubstance P陽性細胞が確認されたことと考えあわせると、それらの神経伝達物質が末梢へ輸送され、異所性骨化形成に何らかの作用を発現しているものと推察された。
量子計算機を用いたハミルトニアン動力学系の量子操作・量子測定アルゴリズム

ハミルトニアン動力学の制御化の超写像を近似的に実装する量子乱択アルゴリズムを発見し、未知のハミルトニアン動力学系と量子計算機を組み合わせて、未知ハミルトニアンのエネルギー基底状態に対する射影測定を実行する量子アルゴリズムの提案と、その精度および実装コストの評価を行った。また、ハミルトニアン動力学系を用いた量子計算として、断熱量子計算モデルにおける量子ゲート列の並列化可能性を示した。さらに、量子力学の範囲内で実装可能な超写像を高階量子演算と定義し、ユニタリ変換の制御化や複素共役化などを実装する量子アルゴリズムを提案し、高階量子演算における因果性・並列性・非局所性の関連を解析した。本研究は、量子計算機を、計算アルゴリズムを実行するだけではなく、量子系に対して人工的な量子操作や複雑な量子測定を実装するための組み込みシステムとして活用するための方法論の構築と具体的な量子アルゴリズムの提案を行なうものである。特に、ハミルトニアンオラクルで記述される未知のハミルトニアン動力学系からなる量子系と量子計算機を組み合わせ、量子計算機上でハミルトニアンに依存しない普遍的な量子アルゴリズムを実行することによって、従来の方法では不可能や非効率的であった量子系への量子操作や量子測定を実装する新しい量子アルゴリズムを提案することを目的とする。今年度は、ハミルトニアンオラクルで記述される未知の物理系に対して、量子乱択アルゴリズムを用いることによって、エネルギー基底状態に対する射影測定を近似的に実行する量子アルゴリズムの提案を行った。また、あるクラスのハミルトニアンオラクルで記述される未知の物理系に対して、最大エネルギー固有値と最小エネルギー固有値の差を推定する量子アルゴリズムの提案を行った。そして、これらの量子アルゴリズムの精度の詳細な解析を行った。さらに、量子統計力学において散逸量子系を記述するマスター方程式にヒントを得て、マスター方程式が記述するハミルトニアン動力学系の熱平衡化を行なう量子アルゴリズムの提案を行った。一方、ハミルトニアン動力学系を用いた量子計算として、断熱量子計算モデルと測定ベース量子計算の複合系である、断熱ゲートテレポーテーションモデルを拡張することで、断熱量子計算モデルにおける量子ゲート列の並列化可能性を示した。また、断熱ゲートテレポーテーションモデルを用いて、ハミルトニアンオラクルに対して、その逆写像を近似的に実装する量子アルゴリズムを提案した。本研究は、量子系に対して人工的な量子操作や複雑な量子測定を実装するための組み込みシステムとして、量子計算機を活用するための方法論の構築と具体的な量子アルゴリズムの提案を行なうものである。特に、ハミルトニアンオラクルで記述される未知のハミルトニアン動力学系からなる量子系と量子計算機を組み合わせ、量子計算機上でハミルトニアンに依存しない普遍的な量子アルゴリズムを実行することによってハミルトニアンオラクルを入力とする超写像を実装し、量子系への量子操作や量子測定を実装する新しい量子アルゴリズムを提案することを目的とする。今年度は、制御量子ビットの入力に応じてハミルトニアンオラクルのオン・オフをコヒーレントに制御する操作を実行する超写像である、ハミルトニアンオラクルの量子制御化アルゴリズムの研究をさらに進めた。昨年度までに提案した量子制御化アルゴリズムでは、ハミルトニアンオラクルを作用させるターゲット物理系と同じ次元を持つ補助物理系が必要であったが、補助量子ビット系を用いずに同じ精度での制御化を実行できる新しい量子乱択アルゴリズムを構築した。ハミルトニアンオラクルの量子制御化アルゴリズムは、未知ハミルトニアン動力学系に対するエネルギー射影測定アルゴリズムの中核要素であり、新たに構築したアルゴリズムではToffoliゲートを用いる必要がないため、実用的に大きな優位性を持つ。また、ハミルトニアンオラクルが実装する超写像の性質を解明するために、ユニタリで記述されるオラクルをN回作用させた量子状態のみをリソースとして、ユニタリに対する超写像を実行するという全く新しいアイディアに基づいた超写像実装のための量子アルゴリズムの定式化を行った。この定式化の過程で、断熱量子計算と量子判別行列法に基づいた量子探索問題との関連を見出し、さらにこの二つのハイブリッドからなる量子アルゴリズムを示した。未知のハミルトニアン動力学系に対するエネルギー射影測定を近似的に実行する量子アルゴリズムの中核を担うハミルトニアンオラクルの量子制御化アルゴリズムについての研究では、昨年度までに提案したハミルトニアンオラクルの量子制御化アルゴリズムと比べて少ないリソースを用いて同じ精度を実現するアルゴリズムの提案ができた。このアルゴリズムの簡略化によって、エネルギー射影測定アルゴリズムを現在のテクノロジーによって実際の物理系で実現できる可能性が高まったため、プロトタイプの実験系の考察に着手することができた。このように本研究は、計算理論的な発展のみならず物理系での実装に向けての展望が開けつつある点を考慮し、期待以上の進展があったと判断した。実験的な実現に関する展望に関しては、平成28年度からは新学術領域「ハイブリッド量子科学」に公募研究として参加し、さらに進展させることになった。また、本研究では、写像に対する写像を記述する超写像を量子計算機上でどのように構成していくかを明らかにすることが中心的な課題であるが、入力となる写像を『保存』した量子状態をリソースとして、この量子状態から生成されるhigher orderの動力学を考察することによって超写像を実行するという、高次計算(higher order computation)の新しい実装方法を示したことは、従来にないまったく新しいアイディアであり、今後の発展可能性が大に期待できる。さらに、この定式化の過程で、断熱量子計算と量子判別行列法に基づいた量子探索問題との関連を見出し、この二つを組み合わせたハイブリッド量子アルゴリズムによってより効率的な量子計算を行うことが可能となることを示したことも、今後、量子アルゴリズムを考察する上で重要な指針となる興味深い成果であると考える。

昨年度までの研究によって、ハミルトニアンオラクルで記述される未知のハミルトニアン動力学系からなる量子系と量子計算機を組み合わせ、量子計算機上でハミルトニアンに依存しない普遍的な量子アルゴリズムを実行することによってハミルトニアンオラクルを入力とする超写像を実装し、量子系への量子操作や量子測定を実装する新しい量子アルゴリズムの提案やその改良が進み本課題の主な目的が達成された。そこで今年度は、ハミルトニアンオラクルをより一般化し、任意の未知の完全正値写像で与えられるオラクルを入力として別の完全正値写像を出力とするような量子力学の範囲内で実装可能な超写像を高階量子演算(higher order quantum operation)とあらためて定義し、高階量子演算を量子計算機上で構成するための定式化に着手した。高階量子演算は、入力となる完全正値写像を記述するChoi行列に対する写像の完全正値性の要請から、完全正値超写像である必要がある。オラクルを1回コールしただけでは完全正値超写像にならない超写像のうち、有限回コールすることで高階量子演算として実装可能となる超写像の持ちうる性質や、このような高階量子演算を実装する量子回路の持つ性質に注目して解析を進めた。その結果、ユニタリオラクルに関しては、ユニタリオラクルUの次元がdの場合には、オラクルをd回コールすることでU^dの普遍的制御ユニタリ化が可能であること、また、オラクルのd-1回コールによって複素共役化したユニタリの実装が可能であることを、具体的な量子アルゴリズムを構築して示した。また、ユニタリオラクルの複素共役化を実装する高階量子演算を用いることで、未知量子状態のエンタングルメント量を状態の同定せずに求めるエルミート演算子が構築できることを示した。ハミルトニアン動力学の制御化の超写像を近似的に実装する量子乱択アルゴリズムを発見し、未知のハミルトニアン動力学系と量子計算機を組み合わせて、未知ハミルトニアンのエネルギー基底状態に対する射影測定を実行する量子アルゴリズムの提案と、その精度および実装コストの評価を行った。また、ハミルトニアン動力学系を用いた量子計算として、断熱量子計算モデルにおける量子ゲート列の並列化可能性を示した。さらに、量子力学の範囲内で実装可能な超写像を高階量子演算と定義し、ユニタリ変換の制御化や複素共役化などを実装する量子アルゴリズムを提案し、高階量子演算における因果性・並列性・非局所性の関連を解析した。量子測定アルゴリズムに対しては、エネルギー射影測定を近似的に実行する量子アルゴリズムに関する研究をさらに進展させることができた。現在さらに簡略化された方法で、エネルギー射影測定アルゴリズムを実装する見通しがたっており、今後さらに発展させる予定である。
ピロリ菌CagAによる「Hit-and-Run」発がん機構の解明とその制御

1.ピロリ菌がんタンパク質CagAを誘導発現するトランスジェニックマウスの作製CagAを全身性あるいは胃消化管粘膜特異的に誘導発現させるため、β-actin (CAG)プロモーターとcagA遺伝子間にloxP-STOP-loxP (LSL)カセットを挿入した発現ユニットをROSA26遺伝子座に導入したマウス(ROSA-CAG-LSL-cagA)を作成し、このROSA-CAG-LSL-cagAマウスとCAG-CreERマウスあるいは胃粘膜特異的なCreER発現マウスとの交配を通して、コンパウンドマウス樹立に成功した。現在、これらCagA誘導発現マウスに種々のタイミングでピロリ菌CagAを発現させ、消化管粘膜を中心に病変の発症を継時的に観察している。2.ピロリ菌CagAによるゲノム不安定性の誘導ピロリ菌CagAの発現と宿主細胞ゲノム安定性の関連を検討したところ、CagA発現によりゲノムDNAの二本鎖切断(DSB)が誘導されることが判明した。さらに、このDSBがCagAによるPAR1bのキナーゼ活性不活化により惹起されることが明らかになった。そこでPAR1bリン酸化基質候補分子の網羅的探索を行ったところ、DNA複製フォークの安定性維持に重要な役割を担う分子Xが同定された。複製フォークの不安定化は直接二本鎖DNA切断につながることから、CagAを介したPAR1b不活化によるこの分子Xの機能障害がDSB誘発の直接原因と考えられた。CagA発現により誘導されたDSBは、相同組み替えではなく変異を生じやすい非相同末端結合(NHEJ)を介した機構により効率よく修復されるため、S/G2/M期停止することなく細胞周期回転が進行することも判明した。ピロリ菌感染を起点とする胃がんの「Hit-and-Run」発がん成立には、がん発症のプロセスの初期過程を推進するピロリ菌由来ドライバーと考えられるCagAの機能的役割が、時とともに宿主細胞側のゲノムないしエピゲノム変異に代償されていくプロセスが必要と考えられる。H30年度(2018)年度の研究成果から、CagAがPAR1b不活化を介してゲノム不安定性を誘導することが明らかとなった。この成果は、本研究の最大の目的である「Hit-and-Run発がん」の分子機構解明に大きく迫る重要かつ本質的な発見であると考える。胃上皮細胞内に侵入したピロリ菌CagAはPAR1bと複合体を形成することでそのキナーゼ活性を抑制する。PAR1bは元来細胞極性に関わるキナーゼとして単離されたが、これまでの研究から、1)ピロリ菌CagAが宿主細胞ゲノムの二本鎖DNA切断を誘発すること、2)このゲノム傷害活性はCagAによるPAR1bのキナーゼ活性抑制に依存すること、を見出した。これは、ピロリ菌CagAが宿主細胞にゲノム不安定性を誘導するという驚くべき発見であり、「Hit-and-Run発がん」の鍵を握るCagA依存的なプロセスからCagA依存的なプロセスへの移行が、CagAにより誘発されるゲノム不安定性を基盤として引き起こされる可能性がきわめて高まった。今後の研究では、CagA-PAR1b相互作用が標的とする二本鎖DNA切断誘導分子を同定するとともに、がん前駆細胞のCagA依存性からの脱却ならびにその後のピロリ菌非依存的な細胞がん化に関わるゲノム・エピゲノム変異の同定を目指す。この解析に強力な武器となる条件依存的CagA誘導マウスなど各種ゲノム改変マウスは既に作成済みである。一方、昨年度までの研究によりPAR1bが細胞密度の増大などで活性化されるHippoシグナルを制御するキナーゼとして働くことも明らかになった。この結果は、CagAによるPAR1bの不活化が、生理的なHippoシグナル制御機構を破綻させることを示している。Hippoシグナルはこれまで発がんに対して抑制的に働くと考えられてきたが、より最近の研究からHippoシグナル活性化が個体レベルでの発がんに対してむしろ有利に働くことも示されている。従って、Hippoシグナルとがんとの関連は文脈依存的であり、今後の研究でCagA-PAR1b複合体形成が引き起こすHippoシグナル制御異常と胃がん発症との関連も解明したい。1.ピロリ菌がんタンパク質CagAとSHP2の複合体形成能と発がんリスクとの関連を定量的に示す為に、様々な数のEPIYA-Cモチーフを保有する欧米型CagAならびにSHP2の組換え体を大腸菌体内で発現・精製した後、表面プラズモン共鳴法を用いてCagA-SHP2結合親和性を決定した。その結果、欧米型ピロリ菌CagAにおける胃がんリスク増大には1μM以下の解離定数(KD)を示す強いSHP2結合能を必要とすることが明らかとなった。2. Parafibrominはピロリ菌CagAの細胞内標的分子であるSHP2により脱リン酸化される。脱リン酸化Parafibrominはモルフォゲンシグナルのエフェクターであるβ-cateninならびにGli1と相互排他的に結合する一方、β-cateninとNotch intracellular domain (NICD)とは協調的に結合することで、Wnt, Hedgehog, Notchモルフォゲンシグナルを統合・集積する転写コアクティベーターとして機能することを明らかにした。3.発がんタンパク質としてのピロリ菌CagAの活性発現にはEPIYAモチーフのチロシンリン酸化が要求される。このEPIYAモチーフを脱リン酸化する宿主チロシンホスファターゼを探索し、SHP1を同定した。胃上皮細胞内におけるSHP1の発現増強が胃がん予防につながる可能性が示唆された。

一方、全胃がん症例の10%程度に認められるEBウイルス感染により、SHP1がエピゲノムサイレンシングを受けることが明らかとなり、胃がん発症におけるピロリ菌とEBウイルスの機能協調が推察された。4.テトラサイクリン応答転写エレメントの下流にcagA遺伝子を接続した発現ユニットをリバーステトラサイクリン調節性トランス活性化因子(rtTA)遺伝子とともにROSA26遺伝子内にノックインしたテトラサイクリン依存性CagA誘導発現トランスジェニックマウスを作製した。ピロリ菌CagAがんタンパク質の分子多型にともなう発がんリスクのバリエーションを定量的に評価する系を樹立すると同時に、CagAの発がん活性に対抗する宿主細胞側分子としてSHP1を同定することに成功した。また、ピロリ菌CagA-SHP2軸の下流に位置すると考えられるSHP2脱リン酸化基質parafibrominの生理的な役割を明らかにした。テトラサイクリン依存性CagA誘導発現トランスジェニックマウスの作成も予定通りに進んでいる。以上の結果から、研究計画は順調に進行していると判断した。1.タンパク質共結晶化ならびにX線結晶解析を通して、全世界に広く分布するピロリ菌が保有するCagAがんタンパク質(欧米型CagA)ならびに胃がん最多発地域として知られる東アジアに蔓延するピロリ菌に特異的なCagA(東アジア型CagA)とそれらの細胞内標的分子である発がん性ホスファターゼSHP2間の複合体形成に関わるインターフェースの構造決定に成功した。その結果、欧米型CagAはEPIYAモチーフ内のリン酸化チロシン残基が構造的なコアとなってSHP2のN-SH2ドメインに結合するのに対し、東アジア型CagAはこのリン酸化チロシンに加えて、その5アミノ酸下流に存在するフェニルアラニンが第二の結合部位を提供することが明らかとなった。この結合モードの違いから、東アジア型CagAは欧米型CagAに比べて約100倍強力なSHP2結合活性を示した。東アジア型CagAによる強力なSHP2結合ならびにそれにともなうSHP2活性の著しい脱制御が日本、中国、韓国における胃がん多発の背景にあることが構造生物学的に明らかにされた。2. SHP2依存的なチロシン脱リン酸化により機能制御される核内足場タンパク質Parafibrominと相互作用する新たな転写制御因子として、がん抑制シグナル経路経路Hippoシグナル経路の標的分子として知られるYAPならびにTAZを同定した。これまでの多くの研究からYAPとTAZは転写コアクティベーターとして重複した機能を有するすることが示されている一方、互いにユニークな機能を発揮することも知られている。本研究から、TAZはチロシン脱リン酸化特異的にParafibrominと結合するのに対し, YAPはチロシンリン酸化型Parafibrominと結合することが明らかとなり、TAP,TAZ各々に特異的な活性化機構の存在が示された。2. CagAの重要な標的分子であるSHP2が支配するParafibrominを介した新規のYAP/TAZ制御系を見出し、発がん制御におけるSHP2-Parafibromin軸の重要性を示した。
シナプス形成に関与する接着分子ニューロリギンとその裏打ち構造の研究

神経シナプス接着分子ニューロリギンは後シナプスに局在して、前シナプスの接着分子ニューレキシンとヘテロフィリックな接着を行うことによりシナプス形成を誘導することが、細胞生物学的実験から支持されている。ヒトには4つのニューロリギン遺伝子(NL1-4)があるが、NL1とNL3は興奮性シナプスにNL2は抑制性シナプスに局在している。最近、NL3とNL4の異常が自閉症の原因となることが報告され注目されている。私たちは、ニューロリギンの裏打ち蛋白としてS-SCAMを見出し解析している。S-SCAMはヒトでは7番染色体に遺伝子があるが、異なる開始コドンからスタートする3つのアイソフォームα・β・γがある。S-SCAMαは6つ、β・γは5つのPDZ領域をもち、ニューロリギン以外にもNMDA型グルタミン酸受容体をはじめ様々のシナプス分子と相互作用している。平成17年度には、S-SCAMαのノックアウトマウスについて解析し、S-SCAMαがNMDA型グルタミン酸受容体刺激によって惹起される低分子量G蛋白Rhoの活性制御の足場として機能することを明らかにしている。また、神経細胞樹状突起スパインに存在する分子が、S-SCAMに結合することを新たに明らかにし、この分子の局在がS-SCAMとの相互作用に依存して変化することを示唆する予備的知見を得ている。さらに、従来、興奮性シナプスを対象としてS-SCAMの解析を行ってきたが、S-SCAMは抑制性シナプスにも存在し、そこでもニューロリギンおよび他の膜蛋白を裏打ちしていることを見出している。現在、S-SCAMが抑制性シナプスにおいても、興奮性シナプスにおけるのと同様に膜蛋白の集積に主導的な役割を果たすかを解析している。
確率的Slow Feature Analysisの構築と空間認識機能への応用（国際共同研究強化）

本研究課題の3年度目に当たる平成30年度は,国際共同研究者との間での機械学習技術の開発,計算論的神経科学,データ駆動型科学,確率的イメージング解析技術に関する研究を進めるとともに,今後の国際共同研究に必要な関連研究の研究推進を行った.計測イメージングデータからの大規模神経ネットワークダイナミクス抽出の実現に向け,本年度は,計測イメージングデータから神経ネットワークダイナミクスの抽出を実現するアルゴリズムの開発を推進した.イメージングデータからの情報抽出を実現する上で,特に,個々の神経素子や,ネットワーク構造に関する生物学的知見を事前確率として導入することにより,推定精度向上のための提案アルゴリズムの更なる改良を推進した.さらに,神経細胞からなる大規模ネットワークのみならず,グリア細胞に関する数理データサイエンス解析や,低フレームレートの動画像から高フレームレートの動画像を推定するためのアルゴリズム開発を推進するなど,国際共同研究の推進を行うとともに,これらの研究を,国内学会や国際学会において広く公表し,国際共著論文を含む複数の査読付きの英文論文として公表した.これらの研究成果は関連研究者の注目を受け,依頼講演を行うとともに,国内外の学会より,優秀論文賞などを受賞した.さらに,本研究課題における国際共同研究を推進するために,去年度に引き続き,神戸大学先端融合研究環・統合研究領域において,国際共同研究プロジェクト「神経回路網シミュレーションモデル研究」の研究プロジェクトリーダーとして,計算科学とデータ科学のアプローチを融合する学際研究を行った.予定していた研究がおおむね進展しているため.国際共同研究者との連携を進め,研究を推進する.内定年度:2015本研究課題の初年度目に当たる平成28年度は,国際共同研究者との間での機械学習技術の開発,計算論的神経科学の研究を進めるとともに,今後の国際共同研究に必要な関連研究の研究推進を行った.実験計測データからの大規模神経ネットワークダイナミクスの推定の実現に向け,本年度は,マルコフ連鎖モンテカルロ法に基づいた統計的推定アルゴリズムの推定を行った.従来手法ではダイナミクスを定める各種パラメータの推定は点推定に限定されていたのに対して,本研究課題では,マルコフ連鎖モンテカルロ法を導入することにより分布推定を実現し,限定された観測データからニューロン間の結合強度の精緻な推定が実現されることを示した.さらに,高次元データに潜む潜在構造を抽出するための推定アルゴリズムの構築を行うなど,国際共同研究の推進を行うとともに,これらの研究を,国内学会や国際学会において広く公表するとともに,査読付きの英文論文として公表した.さらに,本研究課題で予定していた国際ワークショップを,神経情報処理国際会議のスペシャルセッション"Data-driven approach for extractinglatent featuresfrom multi-dimensional data"として提案し,受理された.このスペシャルセッションにて,日本,中国,スペイン,オーストラリア,ドイツ,フランスなどからなる多国間の国際ワークショップを実現するとともに,本国際共同研究に関する研究打ち合わせも行った.また,所属研究機関である神戸大学先端融合環統合研究領域において,本研究課題に関連した国際共同研究プロジェクトの立ち上げを行うなどの研究推進活動を行った.予定していた研究がおおむね進展しているため.本研究課題の2年度目に当たる平成29年度は,国際共同研究者との間での機械学習技術の開発,計算論的神経科学,データ駆動型科学に関する研究を進めるとともに,今後の国際共同研究に必要な関連研究の研究推進を行った.実験・計測データからの大規模神経ネットワークダイナミクス抽出の実現に向け,本年度は,物理モデリングとスパースモデリングの融合を行うことにより,神経ネットワークダイナミクスの抽出を実現するアルゴリズムの開発を推進した.大規模シミュレーションデータに基づいて,提案アルゴリズムの有効性を検証するとともに,推定精度向上のための提案アルゴリズムの更なる改良を推進した.さらに,高次元データに潜む潜在構造を抽出するための新たなクラスタリングアルゴリズムの構築を行うなど,国際共同研究の推進を行うとともに,これらの研究を,国内学会や国際学会において広く公表し,国際共著論文を含む複数の査読付きの英文論文として公表した.これらの研究成果は関連研究者の注目を受け,国際学会より最優秀論文賞を受賞するとともに,国内学会において優秀発表賞を受賞した.さらに,本研究課題における国際共同研究を推進するために,所属研究機関である神戸大学先端融合研究環・統合研究領域において,国際共同研究プロジェクト「神経回路網シミュレーションモデル研究」の研究プロジェクトリーダーに就任し,計算科学とデータ科学のアプローチを融合する学際研究を行った.予定していた研究がおおむね進展しているため.本研究課題の3年度目に当たる平成30年度は,国際共同研究者との間での機械学習技術の開発,計算論的神経科学,データ駆動型科学,確率的イメージング解析技術に関する研究を進めるとともに,今後の国際共同研究に必要な関連研究の研究推進を行った.計測イメージングデータからの大規模神経ネットワークダイナミクス抽出の実現に向け,本年度は,計測イメージングデータから神経ネットワークダイナミクスの抽出を実現するアルゴリズムの開発を推進した.イメージングデータからの情報抽出を実現する上で,特に,個々の神経素子や,ネットワーク構造に関する生物学的知見を事前確率として導入することにより,推定精度向上のための提案アルゴリズムの更なる改良を推進した.さらに,神経細胞からなる大規模ネットワークのみならず,グリア細胞に関する数理データサイエンス解析や,低フレームレートの動画像から高フレームレートの動画像を推定するためのアルゴリズム開発を推進するなど,国際共同研究の推進を行うとともに,これらの研究を,国内学会や国際学会において広く公表し,国際共著論文を含む複数の査読付きの英文論文として公表した.これらの研究成果は関連研究者の注目を受け,依頼講演を行うとともに,国内外の学会より,優秀論文賞などを受賞した.

さらに,本研究課題における国際共同研究を推進するために,去年度に引き続き,神戸大学先端融合研究環・統合研究領域において,国際共同研究プロジェクト「神経回路網シミュレーションモデル研究」の研究プロジェクトリーダーとして,計算科学とデータ科学のアプローチを融合する学際研究を行った.予定していた研究がおおむね進展しているため.国際共同研究者との連携を進め,研究を推進する.国際共同研究者との連携を進め,研究を推進する.国際共同研究者との連携を進め,研究を推進する.
刺激応答性超分子ゲルの作製と機能評価

アゾベンゼンカルボン酸とL-アミノ酸エステルで形成される有機塩型化合物は、多くの有機溶媒をゲル化できる低分子ゲル化剤であることがわかった。また、これらのゲル化剤によって形成された超分子ゲルは、熱応答性、酸-塩基応答性ならびに光応答性を有する刺激応答性ゲルであることがわかった。さらに、熱応答性の超分子ゲルを形成する新規ゲル化剤を多数見出した。本研究は、水素結合やファンデルワールスカなどの非共有結合により液体をゲル化するゲル化剤へ光応答性・レドックス活性な官能基を導入することにより、光や電気刺激に対して可逆的にゲルーゾル転移を引き起こす超分子ゲルを開発するとともに、溶媒中でゲル化剤を直接合成(調製)することでゾルからゲルへ転移させる新規な超分子ゲル形成系の構築を行なうことを目的としている。平成20年度は、光機能性のアゾベンゼン誘導体を含む新規有機ゲル化剤の開発および有機塩型低分子有機ゲル化剤の開発を行った。まず、スルホン酸基およびカルボン酸基を持つアゾベンゼン誘導体を合成し、アミノ基を有するL-バリン・L-イソロイシン・L-リシン・L-ロイシン・L-フェニルアラニン・L-アラニン誘導体を合成した。そして、これらを溶媒中で混合することで光機能性官能基を持つL-アミノ酸誘導体を合成したところ、L-イソロイシンやL-ロイシンは多くの有機溶媒をゲル化できるゲル化剤として機能することがわかった。一方、L-リシン誘導体と長鎖アルキル基を持つカルボン酸で構成される有機塩もゲル化剤として機能することを見出した。これらの化合物は酸-塩基相互作用を通してゲル化に関与しているため、ごく少量の酸や塩基の添加によって容易にゲルーゾル相転移を起こす刺激応答性ゲルを形成することがわかった。残念ながら、光応答性官能基を持っている有機塩型ゲル化剤の形成する超分子ゲルは、光刺激に対して応答性をもたなかった。このような、簡単な分子構造を持つ有機塩型化合物は、比較的優れたゲル化剤として機能しかつ、酸や塩基、あるいはイオンの添加によって相転移を起こすことができる新しい超分子ゲルである。平成21年度は、光機能性のアゾベンゼン誘導体を含む新規有機ゲル化剤の開発を行った。これらの化合物は酸-塩基相互作用を通してゲル化に関与しているため、ごく少量の酸や塩基の添加によって容易にゲルーゾル相転移を起こすいわゆる酸-塩基応答性ゲルを形成することがわかった。さらに、アゾベンゼンの光照射に伴うシス-トランス異性化を利用して、形成した超分子ゲルにUV光照射を行ったところ、ゲルからゾルへの転移が観測された。さらに、可視光を照射するとゾルからゲルへの転移が起こった。結果として、アゾベンゼンを含むL-アミノ酸誘導体が、酸-塩基応答性、光応答性を有する超分子ゲルを形成するゲル化剤でることがわかった。平成22年度は、比較的簡単に合成できるL-アミノ酸を基盤とし、可逆的な光応答性を持つアゾベンゼン誘導体を含む新規有機ゲル化剤の開発を行った。まず、カルボン酸基を持つアゾベンゼンとL-バリン・L-イソロイシン・L-リシン・L-ロイシン・L-フェニルアラニン・L-アラニンのエステルとの反応により有機塩型の化合物を合成した。これらの化合物は、多くの有機溶媒をゲル化できる優れたゲル化剤であることは分かった。また、アゾベンゼン誘導体とL-アミノ酸エステルをそれぞれ溶媒に溶解させたあと、室温で混合するとすぐにゲル化形成できることも分かった。このゲルに、少量の酸あるいは塩基を加えるとゲルが崩壊した。これらの化合物は酸-塩基応答性ゲルを形成することがわかった。さらに、アゾベンゼンの光照射に伴うシスートランス具性化を利用して、形成した超分子ゲルにUV光照射を行ったところ、ゲルからゾルへの転移が観測された。

さらに、可視光を照射するとゾルからゲルへの転移が起こった。エステルのアルキレン鎖を変えると反応時間が変わることも発見した。結果として、アゾベンゼンを含むL-アミノ酸誘導体が、熱応答性、酸-塩基応答性、光応答性ゾルーゲル相転移を起こす超分子ゲルを形成するゲル化剤であることがわかった。
機械音波相互作用を利用した低電圧駆動型マイクロミラーの研究

平成30年度は、手計算による解析のため使用していた1自由度モデルの音波機械相互作用構造を任意形状のデバイスへの拡張を目的とし、数値計算による解析を進めた。数値解析により、弾性板を支持した構造の上下に空洞構造を設置した構造の周波数特性を解析し振動振幅の拡大が観測できた。また、音響空洞長の調整により振動振幅が変化することも確認された。音響空洞長に対するデバイス振動振幅の振動周期は音波波長の約2分の1となり、手計算による解析式で予測されたものとほぼ合致する結果が得られた。片側のみに音響空洞構造を設置した場合でも振幅拡大効果が観測されることが確認された。デバイスの振動形状や周波数により音響空洞の効果に差が表れた。音響空洞の効果が表れやすいのは振動構造体の長さが音波波長と同程度となる設計のデバイスであった。マイクロマシニングで製作可能な構造において片側への音響空洞の設置で2倍程度の振幅拡大効果が観測された。任意形状の解析に必要な数値解析をするための基盤が確立され、機械音波相互作用構造の研究をさらに進展させるために有用な結果が得られた。マイクロミラーは回転振動もしくは屈曲振動する小型光学鏡のことを指し、偏向・集光素子等として、近年ピコプロジェクターやウエアラブルグラスなどへ応用が進んでいる。これらの機器の重要な性能である解像度や消費電力はマイクロミラーの振動振幅と駆動電圧に直接関連するため、低駆動電圧で大振幅振動可能なマイロミラーの実現が望まれている。この要求に応える方法の一つとして、現在までに、屈曲振動型マイクロミラー構造に音波閉込めのための音響空洞構造を設置するデバイスを提案し、振動振幅特性の変化を観測した。本研究では、この音波と機械の相互作用を利用する新しい手法を追求し、更なる低電圧駆動型のマイクロミラーを実現することを目的としている。平成29年度は回転振動型のマイクロミラーについて理論解析と実験を進めた。大気中で振動するスキャナの主なエネルギ損失要因である音響放射損失と粘性損失の量を、解析的に推定し、音響空洞構造が有効によく表れる設計領域を推定した。この解析により、ミラーのサイズが大きくまた、振動周波数が高い回転振動型光偏向スキャナにおいて、粘性損失と比較し音響放射損失が大きくなる傾向となることが分かった。また、音響空洞構造を備えた回転振動型のマイクロミラーをSilicon on insulatorウエハを用いて実際に製作し、音響空洞の効果を測定した。音響空洞構造の長さを変えるとミラー振幅が周期的に変化した。この振幅周期はマイクロミラーの振動周波数より予測される音波波長の半分によく一致したため、回転振動型マイクロミラーにおいても、機械と音波の相互作用が表れることが分かった。回転振動型マイクロミラーにおいて、理論的な解析が進み、また実験においても音響空洞の効果が観測された。おおむね順調に進展していると言える。現状では近似されたモデルで解析を行っており、実際のデバイス構造の特性予測には精度が十分でない可能性がある。実際のデバイス形状においてこれらの効果の予測ができるよう、シミレーション等を用いて音響空洞構造の設計の精度を高める。予想より実験がよく進展したため、実験物品の購入費が少額となった。翌年度分として請求した助成金と合わせ実験物品等の購入に活用する。
微視破壊過程の三次元制御に基づく耐熱高靭性セラミックス複合材料の開発

結晶粒径の微細化及びナノ粒子の分散は強度の上昇に大きな役割を果たすが,破壊靱性の観点からは逆の効果を招く.破壊靱性を向上させるためには,フェイルセーフの概念に基づいた部分的に小さく壊して材料全体の破壊を防ぐことのできる不均質な組織が必要であり,かつ破壊過程を3次元的に制御する必要がある.本研究では,セラミックス単体,ナノ及びハイブリッド複合材料を作製し,破壊過程及び靱性上昇機構を定量的に評価した.すなわち,微視破壊過程を制御した高靱性セラミックス基複合材料の開発を目的とした.材料としては,Al_2O_3多結晶体,SiCナノ粒子分散Al_2O_3マトリックス複合材料,Al_2O_3粒子分散SiCマトリックス複合材料,針状LaAl_<11>O_<19>析出SiCナノ粒子分散Al_2O_3マトリックス複合材料とし,微視組織-破壊靱性-破壊強度の相互関係、微視組織-破壊経路-破壊靱性の関係を定量的に調べた.焼結プロセスの改善による結晶粒径の微細化及び欠陥寸法の減少は高強度化を招き,従来より2倍の強度を持つAl_2O_3多結晶体の作製を可能としたが,破壊靱性はほとんど変化せず,破壊強度は欠陥寸法に依存するとの線形破壊力学の概念が有効に働いた.SiC-Al_2O_3係複合材料の破壊機構に対しては,SiC粒子がき裂を引き寄せき裂のピニングを起こし,Al_2O_3粒子はき裂を押し出しき裂の偏向を起こす様子がシミュレーションされ,添加粒子の分散状態によるき裂進展経路及び破壊靱性の変化が定量的に評価された.また,AEによる微視破壊過程の3次元評価及びSEMによる破面観察の結果,Al_2O_3多結晶体中に分散されたSiC粒子はき裂の粒内進展を誘導し,き裂の応力腐食による進展速度を低下させることも分かった.本研究では,以上の微視組織と破壊機構に関する知見から,高強度,高靱性複合材料の開発を目指した.ナノ粒子による強度上昇には見るべきものが多いが、これだけでは破壊靭性の大きな上昇が望めない。繊維状、針状組織での靭性向上、また、分散粒子やプレートレット添加による靭性向上は不均一なき裂偏向によるものと言え、マイクロクラックが生じると靭性向上が見られる場合も多い。本研究では、ナノ及び、ハイブリッド複合材料を作製し、破壊過程の三次元解析を行い、靭性上昇機構を定量的に分類し、かつ寄与成分を定量的に評価し、微視破壊を制御した(フェイルセーフに基づいた)高靭性セラミックス基複合材料を開発することを目的とする。材料としてはSiCナノ粒子分散Al_2O_3基複合材料、針状LaAl_<11>O_<19>析出SiCナノ粒子分散Al_2O_3基複合材料などを用いて、対象温度は2000°Cまでを考えた。まず、アトライター、CIP、既存のホットプレスを用いて、セラミックス粒子を複合したナノコンポジット複合材料及び、針状LaAl_<11>O_<19>析出複合材料を試作した。次に、得られたハイブリッド複合材料についてX線による相分析及び、力学的特性評価を行ったところ、針状LaAl_<11>O_<19>により破壊靭性が上昇していることが明らかとなった。そして、SEM、TEMによる観察、AE、超音波による非破壊評価により、その微視破壊機構の解明を試みた。また、ワークステーションを用いてFEMによる熱膨張係数、弾性率のミスマッチにより発生する内部応力の解析を行い、き裂進展との関係を明らかにした。そして、これらの結果を用いて、ナノ及び、ハイブリッド複合材料の靭性向上機構を分類し、高靭性のハイブリッド複合材料設計の最適化を行い、最終的には、これらの結果に基づき、高強度、高靭性のハイブリッド複合材料を開発し、またその破壊メカニズムの解明および破壊モデルを確立することを目指した。結晶粒径の微細化およびナノ粒子の分散は強度の上昇に大きな役割を果たすが、破壊靱性の観点からは、このような組織制御は逆の効果を招く。破壊靱性を向上させるためには、フェイルセーフの概念に基づいた部分的に小さく壊して材料全体の破壊を防ぐことのできる不均質な組織が必要であり、かつ破壊過程を3次元的に制御する必要がある。本研究では、ナノおよびハイブリッド複合材料を作製し、破壊過程の3次元解析を行うことによって、靱性上昇機構を定量的に分類し、各々の寄与成分を定量的に評価した。すなわち、微視破壊過程を制御した高靱性セラミックス基複合材料の開発を目的とした。材料としては、SiCナノ粒子分散Al_2O_3基複合材料、Al_2O_3粒子分散SiC基複合材料、針状LaAl_<11>O_<19>析出SiCナノ粒子分散Al_2O_3基複合材料などを用いて、対象温度は2000°Cまでとした。まず、アトライター、CIP、ホットプレスを用いて、セラミックス粒子を分散した複合材料と針状LaAl_<11>O_<19>析出ハイブリッド複合材料を作製し、ハイブリット複合材料についてはX線による相分析を行った。次に、これらの材料に対する力学特性評価を行ったところ、粒子および針状LaAl_<11>O_<19>により破壊靱性が上昇していることが分かった。AEによる微視破壊過程の3次元評価、SEMとTEMによる破面および組織観察を行った結果、破壊靱性は粒子によるき裂のピニングおよび偏向で上昇していると結論された。

一方、粒子とマトリックス間の熱膨張係数のミスマッチにより発生する内部残留応力と、き裂進展との相互作用に対するシミュレーションからは、分散粒子によるき裂のピニングおよび偏向機構が定量的に評価された。そして、ナノおよびハイブリッド複合材料の靱性向上機構を分類した結果を用いて,高靱性ハイブリッド複合材料設計の最適化を行い、最終的には、高強度、高靱性のハイブリッド複合材料を開発し、その破壊機構の解明および破壊モデルの構築を目指した。結晶粒径の微細化及びナノ粒子の分散は強度の上昇に大きな役割を果たすが,破壊靱性の観点からは逆の効果を招く.破壊靱性を向上させるためには,フェイルセーフの概念に基づいた部分的に小さく壊して材料全体の破壊を防ぐことのできる不均質な組織が必要であり,かつ破壊過程を3次元的に制御する必要がある.本研究では,セラミックス単体,ナノ及びハイブリッド複合材料を作製し,破壊過程及び靱性上昇機構を定量的に評価した.すなわち,微視破壊過程を制御した高靱性セラミックス基複合材料の開発を目的とした.材料としては,Al_2O_3多結晶体,SiCナノ粒子分散Al_2O_3マトリックス複合材料,Al_2O_3粒子分散SiCマトリックス複合材料,針状LaAl_<11>O_<19>析出SiCナノ粒子分散Al_2O_3マトリックス複合材料とし,微視組織-破壊靱性-破壊強度の相互関係、微視組織-破壊経路-破壊靱性の関係を定量的に調べた.焼結プロセスの改善による結晶粒径の微細化及び欠陥寸法の減少は高強度化を招き,従来より2倍の強度を持つAl_2O_3多結晶体の作製を可能としたが,破壊靱性はほとんど変化せず,破壊強度は欠陥寸法に依存するとの線形破壊力学の概念が有効に働いた.SiC-Al_2O_3係複合材料の破壊機構に対しては,SiC粒子がき裂を引き寄せき裂のピニングを起こし,Al_2O_3粒子はき裂を押し出しき裂の偏向を起こす様子がシミュレーションされ,添加粒子の分散状態によるき裂進展経路及び破壊靱性の変化が定量的に評価された.また,AEによる微視破壊過程の3次元評価及びSEMによる破面観察の結果,Al_2O_3多結晶体中に分散されたSiC粒子はき裂の粒内進展を誘導し,き裂の応力腐食による進展速度を低下させることも分かった.本研究では,以上の微視組織と破壊機構に関する知見から,高強度,高靱性複合材料の開発を目指した.