hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
環境保全を指向した新規有機ホスト無機複合体による特異な分離および反応場の創製

本研究では、水中の有害物質を捕集および分解する新規有機ホスト無機複合体を調製し、これに有害物質を濃縮した後そのまま分解・無害化する高効率な環境浄化システムの構築を目指した。その結果、パークロロエチレンやクロロベンゼン等の有機塩素化合物を効率的に脱塩素分解できる複合材料を調製できた。一方、この複合材料の重要な構成成分である界面活性剤と化学構造が類似した4級アンモニウム塩を反応媒体として用いて、セルロースを30%程度の反応率で解重合できた。また、グルコースから有価化合物5-ヒドロキシメチルフルフラールを60%程度の収率で合成できた。いずれも、草本系バイオマスを資源化する際に鍵となる結果である。天然の酵素や微生物を環境浄化に利用する試みは数多いが、一般に生物分解は操作条件に敏感であり、また汚染物質との接触効率を高めることが難しく、長時間の処理を要するなどの問題点がある。本研究では、これらの諸問題をバイオ技術とは別のアプローチで解決することを考え、酵素様活性を示す新規有機ホスト無機複合体を調製し、これに水中の汚染物質を濃縮した後そのまま分解・低害化する高効率な環境浄化システムの構築を目指した。パークロロエチレンは環境汚染物質の一つであり、特に土壌汚染では当該物質が地下水を媒介として拡散するため、汚染水の迅速処理は重要な課題である。パークロロエチレンは金属鉄粒子表面で還元的に脱塩素分解され、最終的にはエチレンになり無害化される。この反応は、鉄とニッケルの複合化により更に促進される。そこで、多孔質シリカゲルの細孔内に鉄/ニッケル粒子とアルキルアンモニウム塩系カチオン界面活性剤分子膜を複合保持した有機ホスト無機複合体を調製し、水中からパークロロエチレンを捕集して分解した。パークロロエチレンは界面活性剤分子膜(吸着ミセル・アドミセル)に捕捉され、鉄/ニッケル粒子と効率よく接触し、速やかに分解された。シリカゲルの細孔径や界面活性剤の分子構造を系統的に変化させ、鉄/ニッケル粒子形成に対するテンプレート効果や、パークロロエチレンのアドミセルへの分配挙動を検討し、今後の高性能化に向けての有用な知見を得た。一方、アルキルアンモニウム塩を反応媒体として用い、バイオマス関連物質であるグルコースを5-ヒドロキシメチルフルフラールへ変換した。これは、高エネルギー燃料やプラスチックの原料となり、バイオマス有効利用において重要な中間物質として注目されている。反応条件を系統的に検討したところ、ホウ酸を反応促進剤として複合使用すると満足すべき収率が得られた。天然の酵素や微生物を環境浄化に利用する試みは数多いが、一般に生物分解は操作条件に敏感であり、また汚染物質との接触効率の向上が難しく、長時間の処理を要するなどの問題点がある。本研究では、これらの諸問題をバイオ技術とは別のアプローチで解決することを考え、酵素様活性を示す新規有機ホスト無機複合体を調製し、これに水中の汚染物質を濃縮した後、そのまま分解・低毒化する高効率な環境浄化システムの構築を目指した。地下水中の有害有機塩素化合物の処理を想定して、アルキルアンモニウム系界面活性剤の分子凝集体とFe/Ni金属粒子を多孔質シリカゲルの細孔内に担持した有機/無機複合体について、環境浄化材料としての可能性を検討しており、これまでパークロロエチレンを例に取り、その捕集および分解挙動を検討してきた。今年度は対象をクロロベンゼン類に拡張し、当該材料の適用性を調査した。塩素を26個有するクロロベンゼン類は11種類あるが、いずれも界面活性剤凝集体に速やかに捕集され、その内2種の例外(ヘキサクロロベンゼンおよび1,2,4,5-テトラクロロベンゼン)を除きFe/Ni金属粒子により完全に還元的脱塩素分解された。一方、アルキルアンモニウム系溶融塩を反応媒体として用い、セルロース系バイオマスの資源化処理についても検討を進めており、これまでセルロース加水分解生成物であるグルコースから5-ヒドロキシメチルフルフラール(HMF)を60%程度の収率で合成できる方法を開発している。HMFは高エネルギー密度燃料やプラスチックの原料となり、バイオマス有効利用において重要な中間物質として注目されている。今年度は工程を遡り、当該溶融塩中でのセルロース加水分解を重点的に検討した。その結果、HMF合成で使用したグリコール酸をシュウ酸に置き換え、反応温度や時間を調節すると、30%程度ではあるがセルロース加水分解が進行した。研究の第一の目的である水中汚染物質の捕集分解については、これまでは単一の化合物のみを対象として検討してきたが、今年度は適用対象を拡張できた。また、バイオマスの資源化については、これまでグルコースを出発原料として検討してきたが、今年度は工程を遡り、セルロースを出発原料にしてもある程度の反応進行を確認できた。地下水中の有害有機塩素化合物の処理を想定して、アルキルアンモニウム系界面活性剤の分子凝集体とFe/Ni金属粒子を多孔質シリカゲルの細孔内に担持した有機/無機複合体について、環境浄化材料としての可能性を検討しており、パークロロエチレンやクロロベンゼン類の捕集および分解挙動をこれまで検討してきた。

そこで次の段階として、フミン物質が本浄化処理過程に及ぼす影響を検討した。フミン物質とは天然由来の有機高分子であり、土壌や環境水中には普遍的に存在している。フミン物質の例としてフミン酸を、有機塩素化合物の例としてパークロロエチレンを取り上げ、両者を含む試料水を本材料で処理したところ、フミン酸はパークロロエチレンの捕集には影響を及ぼさなかったが、分解を阻害した。その原因は、本材料にフミン酸が吸着し、反応表面であるFe/Ni金属粒子表面へのパークロロエチレンの接触が阻害されたためと考えられる。そこで界面活性剤の種類および担持量を検討し、フミン酸の吸着を抑制してこの問題を解決した。本研究では、水中の有害物質を捕集および分解する新規有機ホスト無機複合体を調製し、これに有害物質を濃縮した後そのまま分解・無害化する高効率な環境浄化システムの構築を目指した。その結果、パークロロエチレンやクロロベンゼン等の有機塩素化合物を効率的に脱塩素分解できる複合材料を調製できた。一方、この複合材料の重要な構成成分である界面活性剤と化学構造が類似した4級アンモニウム塩を反応媒体として用いて、セルロースを30%程度の反応率で解重合できた。また、グルコースから有価化合物5-ヒドロキシメチルフルフラールを60%程度の収率で合成できた。いずれも、草本系バイオマスを資源化する際に鍵となる結果である。研究の第一の目的は水中の環境汚染物質の捕集および分解であるが、これに対して本年度は基礎的な検討が系統的に進められ、今後の高性能化に向けての有用な知見が得られた。また、次年度に検討予定であったバイオマスの再資源化について、予備的な検討が十分に進められた。有機塩素化合物の捕集分解に関して、クロロベンゼン類の中で不完全にしか処理できなかった化合物があった。完全処理に向けて、反応を担う金属粒子の組成などを検討する。一方、セルロース系バイオマスの資源化については、セルロース加水分解の収率向上と生成物であるグルコースから5-ヒドロキシメチルフルフラールを得るまでの処理工程の連続化を検討する。分離化学パークロロエチレンの処理に関しては、汚染水中には天然起源のフミン物質が共存しているので、その影響を重点的に検討する。バイオマスの再資源化については、グルコースから更に実原料側に遡り、セルロースからの5-ヒドロキシメチルフルフラールの合成を検討する。次年度使用額は239円と小額であり、特別な事情・理由はございません。当初より予定されている次年度予算と併せて使用します。
使用中は分解せず使用後に速やかに分解する生分解性プラスチックの創成

本研究では材料そのものは生分解性を有し、表面の化学構造だけを改変して生分解速度を制御することを試みた結果、主として以下の3点について成果を得た。1.ポリ乳酸(PLA)にコロナ放電処理を施すと分解が一定期間抑制されるが、ポリカプロラクトン(PCL)およびポリブチレンサクシネート・アジペート(PBSA)フィルムでは逆に分解が促進されることが明らかになった。また導入される官能基量を変化させても上記の傾向は変化しなかった。PLA処理表面では乳酸が生成され、乳酸の抗菌性が分解を一定期間抑制すると考えられた。2.コンポストから単離した一般細菌、放線菌、糸状菌を上記3種のプラスチック表面に塗布して親和性を調べた結果、PLA処理面ではすべての菌に対して抗菌性が発現していることが分かった。PCLとPBSAについては処理面での微生物の増殖が促進された。また脂肪族ポリエステル分解酵素であるリパーゼの吸着量も処理面で増加した。これらの結果は(1)の実験結果を支持するものであった。3.PCLとPBSAについてはコロナ放電により含酸素官能基を導入すると、微生物との親和性が向上するため分解を促進することはできたが抑制することはできなかった。そこで、わさび、からしなどの抗菌成分であるシニグリンをコーティングした試料を作成した。シニグリンはコンポスト中の植物細胞中に存在するミロシナーゼによって分解され微生物に直接抗菌作用のあるアリルイソチオシアネートを放出する。そのため微生物数が多くコンポスト中の植物性成分の分解が進むと抗菌効果も大きくなる。即ち、微生物数の増加をシニグリンコーティングPCL試料が自己認識して抗菌作用を働かせる構造が予想された。その結果、シニグリンコーティング試料は一定期間初期物性を保ちその後速やかに分解した。シニグリンのコーティング濃度を可変することで13週間程度分解を抑制しその後1週間以内に分解する構造を構築することができた。コロナ放電処理により生分解性プラスチック表面に含酸素官能期を導入し、分解速度を制御することを試みた。本年度は、主にポリ乳酸(PLA)とポリカプロラクトン(PCL)について、処理表面の化学構造と微生物との親和性について明らかにすることを目的とした。PLAとPCLにコロナ放電処理を施すことによって試料表面の酸素含有量が未処理のそれよりも10%増加した。これに伴い接触角も2030°低下し、両試料ともに親水性が向上した。これらの試料を未処理試料とともにコンポスト中に投入し分解試験を行ったところ、PLAの場合には、処理により分解が3週間程度抑制された。一方、PCLの場合には、処理により分解速度が2倍以上促進された。コンポスト中に生息した一般細菌、放線菌、糸状菌と処理表面との親和性を評価した結果、PLAでは、上記3種類の菌について処理表面に付着した微生物数は未処理のそれに比べて2桁以上少なく親和性が低下したことが分かった。一方、PCLでは、放線菌や糸状菌が増加し、特に糸状菌数は10倍以上増加することがわかった。このように同じ酸素含有基を導入しても分解速度に与える影響は生分解プラスチックの種類によって全く違ってくることが分かった。また、化学修飾法やESCAによる表面分析の結果、-OH、-COOH、C=OのほかにPLAの処理表面にのみエポキシ基が形成されることがわかり、微生物との親和性を低下させる要因であることが示唆された。

ポリ乳酸(PLA)とポリカプロラクトン(PCL)にコロナ放電処理を施すとPLAでは、分解が抑制され、PCLでは分解が促進されることが昨年度の研究で明らかになった。本年度は表面の化学構造と微生物の親和性や分解性との関係を化学修飾法やESCAによる表面分析により調べた。PCLについては含酸素官能基(-OH、-COOH、>C=O)の導入による濡れ性の向上と微生物との親和性向上により分解が促進されたと結論した。PLAについては表面処理により-OH、-COOH、>C=O以外に微生物との親和性を阻害すると思われるペルオキシド基やエポキシ基が導入ることが分かったもののその割合は0.15%と少なく微生物との親和性低下の主要因とは考えにくかった。PLA処理表面では乳酸が生成されており、乳酸の抗菌性が分解を抑制すると考えた。従ってコロナ放電処理で分解が抑制されるのはポリ乳酸特有の現象であると考えた。他の代表的な生分解性プラスチックであるポリブチレンサクシネート・アジペート(PBSA)についても放電処理を行ったところ、分解が促進されることが分かった。PBSAの場合にも濡れ性が向上し微生物との親和性も向上した。このように、コロナ放電処理によりPBSAの分解が促進されたのはPCLと同様の理由によるものであった。逆に、PCLやPBSAの分解を抑制することはコロナ放電処理による官能基の導入では達成できないと考えた。そこで、PLAの例を参考にしてPCLの分解を抑制する手法として、表面に天然抗菌物質をコーティングすることを試みた。その結果、微生物との親和性が低下し分解を抑制することができた。このように表面と微生物との親和性を何らかの方法で制御すれば分解期間を制御し得ることが示唆された。昨年度までの研究成果からポリ乳酸(PLA)にコロナ放電処理を施すと分解が一定期間抑制されるが、ポリカプロラクトン(PCL)では逆に分解が促進されることが明らかになっている。本年度は下記の2項目について分解制御を試みた。(1)PCLについて分解を一定期間抑制することを試みた。コロナ放電したPCL試料にわさび抗菌成分であるシニグリンをコーティングした試料を作成した。シニグリンはコンポスト中の植物細胞中に存在するミロシナーゼによって分解され微生物に直接抗菌作用のあるアリルイソチオシアネートを放出する。そのため微生物数が多くコンポスト中の植物性成分の分解が進むと抗菌効果も大きくなる。即ち、微生物数の増加をシニグリンコーティングPCL試料が自己認識して抗菌作用を働かせる構造が予想された。その結果、シニグリンコーティング試料は一定期間初期物性を保ちその後速やかに分解した。シニグリンのコーティング濃度を可変することで13週間程度分解を抑制しその後1週間以内に分解する構造を構築することができた。(2)PLAとPCLのブレンド試料を作成し、これにコロナ放電を施した場合に分解抑制か分解促進のどちらの効果が発現するか検討した。PLAとPCLのキャストフィルムにコロナ放電処理を施し分解試験した結果、PLAの分解抑制効果は現れなかった。これらのブレンドフィルムはPCLの海にPLAの島があるいわゆる相分離構造であり分解過程で界面剥離が見られた。そこで相溶性を向上させるためにPLAとPCL間のエステル交換反応を行った。
高度低分子化DNAを含有する法科学的試料からのABO遺伝子型判定法の開発

本研究では、高度低分子化DNAを含有する法科学的試料からでも血液型判定が可能な検査法の開発を目的として、1塩基プライマー伸長反応を用いたABO遺伝子型検査法におけるPCRプライマーの改良並びに新しいプライマーを用いた本法の有用性を検証した。本法により、日本人30名の末梢血抽出DNAからいずれも正しく型判定され、検出限界はゲノムDNA50pgまで向上した。本法の種特異性の検討では、14種類の動物及び細菌のうち、チンパンジーとゴリラでのみ型判定されたが、それ以外ではヒトに相当するピークは検出されなかった。UV照射分解DNA試料を用いた実験では、増幅サイズが156bpと296bpであった以前のPCRプライマーでは400mJ/cm^2の照射で全てのピークが検出されなくなったのに対し、新しいプライマーでは800mJ/cm^2の照射でも型判定が可能であり、PCRプライマーを改良した本法の証拠物件鑑定における有用性が確認された。
選択的神経再生促進における遺伝子治療の確立

19年度は末梢神経再生の足場となり得るPLLA tubeを用いたtube内部構造の開発を行った。併行してラットの繊維芽培養細胞を用いた研究を行った。神経の再生を促す際に、過誤神経支配を可能な限りにおいて抑制し、正しいtarget (支配筋)に神経末端が到達するために有利なtube内部構造の開発を行った。具体的にはtubeの内部をハニカム構造とした。繊維表面には細胞の接着を可能とするためのコーティングを施した。ハニカム構造は神経終末の再生と培養細胞の接着との良好な足場となった。Tube内部をゲル状に固めた細胞培養液で満たした。この中で接着型の培養細胞を継代した。この培養繊維芽細胞には、lipofection法を用いて可視化の目的であるEGFPをラベルした神経栄養因子のplasmidを導入した。ラットの反回神経切断モデルに神経を架橋するべく、このハイブリッドタイプのtubeを使用した。6週間後にtubeを含めた神経を摘出して、切片を観察したところでは、神経終末のtube内部での伸長が確認できた。従来から使用していたタイプのtubeと比較して伸長速度は有意な差をもって増加していた。問題点としては、tube周囲からの繊維芽細胞・多核巨細胞のtube内部への浸潤があり、一部に肉芽を形成していたため、神経の伸長を妨げていると考えるcaseも存在した。また解決すべき問題としては、導入した細胞が繊維上でconfluentとなった際に増殖が止まるために、つまり細胞が存在する期間が限られ、栄養因子放出も持続しないことにある。神経支配される骨格筋から分泌される神経栄養因子等により軸策が標的筋に向かって誘導される選択的神経誘導効果を調べることを目的とした。まず、これらのシグナルを追うために、ラット骨格筋細胞のL6を10%FBS(fetal Bovine serum)から1%FBSに血清を変え、分化させることで網羅的に解析した。上記リン酸化酵素群において、明らかにリン酸化酵素活性が、分化・増殖に関係すると思われるものに標的を絞り、それらの優勢・劣勢遺伝子を構築の上、その遺伝子のloss of functionをみた。現在、骨格筋の分化・増殖におけるシグナルにおいて、重要な働きを持つと思われるリン酸化酵素をいくつか同定してきているが、一方でこれに関与するリン酸化シグナルを制御する因子の同定も細胞生物学ならびに生化学的アプローチにより進行中である。
東日本大震災時に果たした養護教諭の役割

甚大な被害を及ぼした東日本大震災の被災県として、いわゆる危機管理における養護教諭の役割を明確にするとともに、求められる資質とそれを保証する研修について明らかにするために、調査を行うこととした。全国の学校保健を担当する都道府県の指導主事、教育センターの指導主事等に質問紙調査による調査を行ったところ、47都道府県と20の政令指定都市のうち、37件の回答があった。(回収率55.2%)そのうち、全ての教職員を対象とした危機対応マニュアルが「ない」「わからない」と回答したものは8件(21.6%)で、29件(78.4%)は危機マニュアルを作成していた。また、マニュアル作成の時期は、「震災を契機として」が6件(16.7%)であった。37件のうち、養護教諭に特化した危機対応マニュアルがあるのは、わずか2件(5.4%)のみであった。さらに、自然災害対応のための養護教諭の研修があるのは、9件(24.3%)に留まっていた。被災3県の各養護教諭部会等からも養護教諭が震災時に行った役割を調査しているが、養護教諭の職務の困難さが挙げられている。今後、丁寧にその困難さについて分析検証し、養護教諭に特化したマニュアルの作成並びに研修へとつなげていきたい甚大な被害を及ぼした東日本大震災の被災県として、いわゆる危機管理における養護教諭の役割を明確にするとともに、求められる資質とそれを保証する研修について明らかにするために、調査を行うこととした。今後、丁寧にその困難さについて分析検証し、養護教諭に特化したマニュアルの作成並びに研修へとつなげていきたい
アルゴリズム取引が研究開発集約的な企業の評価に与える影響についての研究

今年度は,有価証券報告書の研究開発活動についての記載内容を実際に取り上げ検討するとともに,テキスト分析の手法を活用し,前述の研究開発についての記載を対象としてデータセットを用いた統計分析を行った。具体的には,有価証券報告書に記載されている研究開発活動についての記載は,投資家が将来利益を予想するにあたって役に立っているのかを検証するものである。テキスト分析は現在急速に発展している分野であり,さまざまな手法が考案されているが,本研究では総単語数と異なり語数(TTR)という基本的な特性に着目して分析を行った。得られた結果は以下のとおりである。1総単語数(Tokens)が多ければ,将来ROAの水準も高くなることが示された。一方,前期と比べた総単語数の増加は,将来ROAの減少に結びつくことが分かった。2異なり語数(TTR)の水準が高ければ,将来ROAの水準が高くなることが示された。前期と比べた変化分と将来ROAの変化には明確な関係を見出すことはできなかった。前年度に行った文献レビュー・データの整備をふまえ,今年度の分析を行ったが,これら一連の成果は,石光(2018)『研究開発費情報と投資家行動』中央経済社。として出版されている。また企業へのインタビューの成果の1つとして,共同研究発表「複式簿記が提供する原価情報と競争優位性ー愛媛県内企業のシングル・ケース分析ー」を第68回日本会計研究学会関西部会において行っている。第1年度は概ね順調に研究課題を進展することができた。第2年度においては,先の実績の概要にも述べたように,データセットを用いた統計分析を行い一定の成果をあげることができている。インタビュー調査についても,数件ではあるが行っており,この結果についても何らかの形で公開することを考えている。最終年度となる3年目では,テキスト分析の手法をさらに精緻化し,検証に用いるモデルについても改良を加えた上で,証券市場におけるアルゴリズム投資の実態に向けて検証を進めていく。また,インタビューについても件数を増やしていき,仮説の設定や得られた結果のブラッシュアップを図っていきたい。これら分析から得られた結果は,学会報告,研究会を通して公開することによって,さらに研究を進展させていく。研究の初年度にあたる,平成29年度は理論的枠組みの構築とデータの整備を行った。まず,1R&D企業の証券市場での評価(プライシング)に関する先行研究のレビューを行った。R&D企業のプライシングについては、論者によって結果に相違があり,ミスプライシングの特定方法および解釈の観点から整理分類を行った。2アルゴリズム取引に関する文献について収集,整理を行った。とくに意思決定プロセスがこれまで主流であった人間による取引とどのように異なり,投資行動にどのように影響すると予想されるのかを確認した。3テキスト情報の分析手法および使用ケースについて先行研究のレビューを行った。この手法の使用は本研究課題の特色の1つであり,テキストを計量的な観点から分析するものである。近年,当該手法の発達は著しく,関連文献も増加しているので,最新動向についてもキャッチアップしていく必要がある。4先行研究のレビューおよびインタビューをもとに、仮説検証に使用するデータの整備を行った。テキスト分析の中心となる有価証券報告書データについては、学生に作業を依頼してデータ整備を行った。また紙媒体でしか入手できないテキスト情報についても,学生を雇用してデータ整備を行った。以上のように,研究課題に関連する理論的枠組みの構築とデータの整理を行い,次年度以降の課題推進の基礎をつくるとともに,それら成果の一つとして論文「有価証券報告書における研究開発活動の記載内容の分析」を発行した。本研究計画は,初年度終了時点において、研究計画・方法に示してた予定をおおむね消化している。当年度ではあまり行うことができなかったインタビューについても,もともと各研究年度で随時行う予定にしており,研究を推進していくうえにおいて大きな影響はない。

第2年度においては,先の実績の概要にも述べたように,データセットを用いた統計分析を行い一定の成果をあげることができている。インタビュー調査についても,数件ではあるが行っており,この結果についても何らかの形で公開することを考えている。現在のところ,研究がおおむね順調に進展していることをふまえ,次年度では、初年度における成果である先行研究のレビューおよび整備されたデータにもとづいた実証分析を行い,着実に研究課題を推進していく。さらに次々年度では更なる実証分析と成果の公表を行っていく予定である。最終年度となる3年目では,テキスト分析の手法をさらに精緻化し,検証に用いるモデルについても改良を加えた上で,証券市場におけるアルゴリズム投資の実態に向けて検証を進めていく。また,インタビューについても件数を増やしていき,仮説の設定や得られた結果のブラッシュアップを図っていきたい。これら分析から得られた結果は,学会報告,研究会を通して公開することによって,さらに研究を進展させていく。デスクトップPCを初年度に購入予定であったが,使用ソフトのOS対応の都合上,現PCによる作業が必要であったため,購入を延期した。来年度において、PCを購入する予定である。購入を予定していた統計パッケージソフトの値段が当初の見積りより高くなったため,次年度の予算と併せて使用するため。
地球とコンドライトの化学組成：初期太陽系円盤での主要元素分別

始源的隕石コンドライトや地球型惑星の元素組成は,初期太陽系での元素分別過程で決定されたと考えられる.主要元素Mg, Siの分別過程の鍵となるのは,フォルステライト(Mg2SiO4)凝縮・蒸発反応やエンスタタイト(MgSiO3)形成反応による固体Mg/Si比の変化過程である.本研究では初期太陽系を模擬した低圧条件でこれらの主要鉱物に関わる化学反応実験をおこない,その反応速度や反応機構の解明を目指した.主要な成果は以下のとおりである.(1)フォルステライトのH2-H2O雰囲気下での蒸発速度を決定した.H2Oの存在で蒸発が抑制されることが明らかとなった.抑制の程度には温度依存性があり,高温では水素による蒸発促進の効果が優勢となることがわかった.(2)フォルステライトのH2-H2O雰囲気下での凝縮速度を決定した.凝縮の速度論的障壁はこれまで求められてきた蒸発の障壁と同程度であることがわかった.(3)フォルステライトおよびエンスタタイト組成の非晶質ケイ酸塩の結晶化速度を決定した.水蒸気が反応障壁を下げ,結晶化を促進することもわかった.非晶質フォルステライトの結晶化の方が効果的に起こることもわかった.(4)フォルステライトおよびエンスタタイト組成の非晶質ケイ酸塩の水蒸気との酸素同位体交換反応速度を決定した.活性化エネルギーは両者で等しいが,頻度因子が異なり,非晶質フォルステライトの同位体交換が効果的に起こることがわかった.(5)以上の結果を総合し,原始太陽系円盤において,太陽からの距離に応じ,Mg, Siを主成分とする物質の化学組成,同位体組成,結晶性に分布が生じることを明らかにし,惑星材料の化学的多様性がつくられることがわかった.平成30年度が最終年度であるため、記入しない。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。始源的隕石コンドライトや地球型惑星の元素組成は,初期太陽系での元素分別過程で決定されたと考えられる.主要元素Mg, Siの分別過程の鍵となるのは,フォルステライト(マグネシウムに富むかんらん石:Mg2SiO4)とケイ素に富むガスとの反応によるエンスタタイト(マグネシウムに富む斜方輝石:MgSiO3)形成による固体Mg/Si比の変化過程である.本研究では初期太陽系を模擬した低圧条件でエンスタタイト形成実験をおこない,その反応速度を決定する.結果を基に初期太陽系でのエンスタタイト形成効率を推定し, Mg/Si分別が起きる条件およびコンドライトと地球の元素組成の関係を議論し,地球材料をつくった結晶分化の残渣がエンスタタイトコンドライトであるという新たな仮説を提案し,妥当性を検討する.平成28年度はエンスタタイト形成反応の基板となるフォルステライト形成実験を効率よく進めるため,現有の真空赤外線集光加熱炉を改造し,その性能評価をおこなった.ガラス管チャンバー保持機構,サンプル導入部,水蒸気供給系をそれぞれ改良し,真空度の向上,サンプル交換・水蒸気導入の簡便化をおこなった.改良した装置の性能評価のために,フォルステライトの低圧水素中,低圧水素ー水蒸気混合ガス中での蒸発実験をおこない,装置改良が予定通りおこなわれたことが確認された.また,装置改良を評価する過程で水蒸気存在下ではフォルステライト蒸発が抑制されるというこれまで予想されてきた現象が実際起こるということが実証された.エンスタタイト形成反応の基板となるフォルステライト形成の効率化のため,現有の真空赤外線集光加熱炉の改造をおこなった.ガラス管チャンバー保持機構,サンプル導入部,水蒸気供給系をそれぞれ改良し,真空度の向上,サンプル交換・水蒸気導入の簡便化をおこなった.改良した装置の性能評価のために,フォルステライト(Mg2SiO4)の低圧水素中での蒸発実験をおこなった.これまで低圧水素中でのフォルステライト蒸発実験は我々のグループを含め,多くの研究がおこなわれ,蒸発挙動がよく調べられているためである.低圧水素存在下でのフォルステライト蒸発実験から,装置改良が当初の目的を達するようにおこなわれたことが確認された.また,低圧水素ー水蒸気下でのフォルステライト蒸発実験もおこなった.水蒸気存在下ではフォルステライト蒸発が抑制されるとこれまで予想されてきたが,実際に確認はされていなかった.水蒸気存在下では蒸発速度が一桁程度減少したことが確認され,本実験により,蒸発の抑制が実際起こるということが初めて実証された.始源隕石コンドライトや地球型惑星の主要元素組成は,初期太陽系での元素分別過程で決定されたと考えられる.主要元素であるマグネシウム・ケイ素の存在比が地球と始原隕石コンドライトで異なることが知られており,この分別過程の鍵となると考えられるのは,フォルステライト(Mg2SiO4)とケイ素に富んだガスとの低圧条件下での反応によるエンスタタイト(MgSiO3)形成による固体Mg/Si比の変化過程である.本研究では,初期太陽系を模擬した低圧条件でエンスタタイト形成実験をおこない,その反応速度を決定する.結果を基に初期太陽系円盤でのエンスタタイト形成効率を推定し,Mg/Si分別が起きる条件およびコンドライトや地球の元素組成の関係を議論する(結晶分化の残渣がエンスタタイトコンドライトであるという新たな仮説の妥当性を検討する).エンスタタイト形成の基盤となるフォルステライトの低圧下での形成プロセスの理解が不十分であることもあり,フォルステライト形成過程を実験的にまず解明した.

具体的には,水蒸気存在下ではフォルステライトの蒸発が抑制されること,ただし,低温条件においては,水蒸気による抑制の効果は熱力学的予想ほどには効かず,水素による蒸発促進の効果が卓越することがわかった.また,フォルステライトの低圧水素・水蒸気雰囲気での気相成長の反応障壁は蒸発の反応障壁と同程度もしくは小さいことが明らかとなった.エンスタタイト形成プロセスの前段階であるフォルステライト形成に関する反応速度の実験的解明が完了した.特に水素,水蒸気といった原始惑星系円盤に存在する反応性の高い主要ガスの影響が明らかになった.(1)フォルステライト蒸発は水素中では促進されるが,水蒸気存在下では抑制されることが予想されてきた.しかし,これまで実験的に確認されてはいなかった.本研究により,水蒸気存在下では蒸発が抑制されることが示された.ただし,低温条件においては,水蒸気による抑制の効果は熱力学的予想ほどには効かず,水素による蒸発促進の効果が卓越することがわかった.(2)フォルステライトの低圧水素・水蒸気雰囲気での気相成長の反応障壁は蒸発の反応障壁と同程度もしくは小さいことが明らかとなった.エンスタタイト形成の基礎実験もおこない,実験条件を決定した.始源的隕石コンドライトや地球型惑星の元素組成は,初期太陽系での元素分別過程で決定されたと考えられる.主要元素Mg, Siの分別過程の鍵となるのは,フォルステライト(Mg2SiO4)凝縮・蒸発反応やエンスタタイト(MgSiO3)形成反応による固体Mg/Si比の変化過程である.本研究では初期太陽系を模擬した低圧条件でこれらの主要鉱物に関わる化学反応実験をおこない,その反応速度や反応機構の解明を目指した.主要な成果は以下のとおりである.(1)フォルステライトのH2-H2O雰囲気下での蒸発速度を決定した.H2Oの存在で蒸発が抑制されることが明らかとなった.抑制の程度には温度依存性があり,高温では水素による蒸発促進の効果が優勢となることがわかった.(2)フォルステライトのH2-H2O雰囲気下での凝縮速度を決定した.凝縮の速度論的障壁はこれまで求められてきた蒸発の障壁と同程度であることがわかった.(3)フォルステライトおよびエンスタタイト組成の非晶質ケイ酸塩の結晶化速度を決定した.水蒸気が反応障壁を下げ,結晶化を促進することもわかった.非晶質フォルステライトの結晶化の方が効果的に起こることもわかった.(4)フォルステライトおよびエンスタタイト組成の非晶質ケイ酸塩の水蒸気との酸素同位体交換反応速度を決定した.活性化エネルギーは両者で等しいが,頻度因子が異なり,非晶質フォルステライトの同位体交換が効果的に起こることがわかった.(5)以上の結果を総合し,原始太陽系円盤において,太陽からの距離に応じ,Mg, Siを主成分とする物質の化学組成,同位体組成,結晶性に分布が生じることを明らかにし,惑星材料の化学的多様性がつくられることがわかった.改良した装置で効率的にフォルステライト基板作成を進める.基板作成とともにフォルステライト成長速度の過飽和比依存性を決定する.これまでにある程度のデータは蓄積してきたが,本研究課題の中で確定させる.エンスタタイト形成実験をより効率的に進めるため,レーザーデポジション法で非晶質フォルステライトを作成し,結晶化させたものを基盤として用いることも検討する.
数学理解を育む可視化や表現変換のプロセスを味わうための高大連携教材の開発的研究

本研究は、高等学校数学と大学数学の懸隔を埋め、大学で新たに学ぶ数学分野の理解を促すための方法論として、数学的な事象・対象の可視化や表現変換に焦点を当て、そうした数学的方法論を学習できる高大連携数学教材(高等学校数学では扱われにくいが大学数学のトピックには繋がる教材)を開発することを目的とするものである。研究3年目の最終年度である平成30年度は、昨年度に引き続き、研究参加者が作成した教材・教具試案を基にして、具体的な教材・教具や指導案などを作成し、そうした教材・教具を使った授業実践や高大連携授業、演示を行い、そして全体会合等で当該教材・教具の有効性を議論・評価して、改善していく作業を行った。我々の研究グループは、大学で数学教育を担当する教員、数学の教科専門を担当する教員、高等専門学校教員、高等学校教諭からなっているため、理論と実践の両面から議論することができる。全体会合では、折りにふれ、教科書に記載されている適切な可視化の例や無意味な可視化の例を基にし、可視化ということの意味や目的・利点等について議論し、方向性を確認しながら研究を進めることができた。こうして作成した教材等成果は、可視化の手法の習得と活用に関わる内面的なプロセスとしての認知とメタ認知についての働きのプロセスについての考察、可視化や表現変換の観点からの事例を挙げて本研究の目的に関する理解と整理を施し、視覚化分野で重要と考えられている研究課題と教材開発の視点としても有効に機能しうるポイント(問題解決に対する寄与と抽象化・一般化の促進)を指適した論文とともに、研究成果報告書にまとめあげた。本研究は、高等学校数学と大学数学の懸隔を埋め、大学で新たに学ぶ数学分野の理解を促すための方法論として、数学的な事象・対象の可視化や表現変換に焦点を当て、そうした数学的方法論を学習でき、かつそのプロセスを味わうことができるような高大連携数学教材(高等学校数学では扱われにくいが大学数学のトピックには繋がる教材)を開発することを目的とするものである。数学を領域毎に学びがちな高校数学にこそ、本研究が目指すところの、数学の領域を横断的に学ぶことができる教材を用意しておくことは価値があり、本研究の特色と独創性はこの点にある。初年度である平成28年度は、PDCAサイクルのPlanの段階の活動を行った。先ずは、最初の全体会において、本研究の研究目標と方法に関した先行研究や授業実践時に利用できそうな機器とソフトについて評価グループから情報提供があり、具体的な実践例を題材として参加者で議論をした。この議論を踏まえ、各研究参加者が研究目的に適うと目される教材・教具の素材(例えば、特定の可視化・表現変換が解決を大いに進展させる問題)を開発・収集し、それを解析・代数・幾何の三つの教材開発グループ段階で検討し、試案化した。そして、評価グループを加えた全体会においてそれらの試案について再度検討し、実践に使用可能と目される段階の教材・教具となるよう、改良することを行った。研究発表の欄に記載した3件以外にも、高大連携授業の機会を利用して授業実践を行い、その効果や生徒の反応を検証した教材もある。研究実施計画に沿って、年3回の全体会合とグループ毎の会合を開催し、研究成果を積み上げてきている。成果の発表も行なっていることから,「おおむね順調に進展している」と判断される。研究2年目である平成29年度は、平成28年度に引き続き、PDCAサイクルのPlanの段階の活動を続けつつも、DoとCheckの段階の活動:蓄積した教材・教具試案を基にして、具体的な教材・教具や指導案など授業実践できる教材を蓄積させ、そうした教材・教具を使った授業実践や高大連携授業、演示を行い、研究グループ全体会合等で当該教材・教具の有効性を議論・評価していく作業を行った。こうして作成した教材等の例として「鏡を使った多面体の探求」、「グラフと隣接行列」、「一筆書きの数学」、「分数と小数を研究しよう小学生から大学生へ」、「平方三角数問題(等)の可視的解法」、「生きる上で必要な表現変換」、「石取りゲームの数理○○○表現で見える問題」、「2次方程式の虚数解の図式化」、「2乗和、3乗和の公式の図形による新たな証明」がある。全体会合では、折りにふれ、教科書に記載されている適切な可視化の例や無意味な可視化の例を基にし、可視化ということの意味や目的、利点等について議論し、方向性を確認しながら研究を進めた。また、ゲストスピーカーを招いて、工学機器を用いた「見せる数学」「触れる数学」のための教材作成とその活用について発表をしてもらうなどし、本研究グループの開発した教材を、触れて理解に繋げられる教材とすることができるような道筋を付けた。当初の研究実施計画に沿って研究を進めることができた。具体的には、高大連携的な数学教材案や教具素案の開発を進め、年3回の全体会合とグループ毎の会合において効果性の検討を行うなど研究成果を積み上げてきている。また、学会等で成果の発表も行ない、当研究グループ外の評価・意見も参考にして研究を進めている。

これらのことから,「おおむね順調に進展している」と判断される。本研究は、高等学校数学と大学数学の懸隔を埋め、大学で新たに学ぶ数学分野の理解を促すための方法論として、数学的な事象・対象の可視化や表現変換に焦点を当て、そうした数学的方法論を学習できる高大連携数学教材(高等学校数学では扱われにくいが大学数学のトピックには繋がる教材)を開発することを目的とするものである。研究3年目の最終年度である平成30年度は、昨年度に引き続き、研究参加者が作成した教材・教具試案を基にして、具体的な教材・教具や指導案などを作成し、そうした教材・教具を使った授業実践や高大連携授業、演示を行い、そして全体会合等で当該教材・教具の有効性を議論・評価して、改善していく作業を行った。我々の研究グループは、大学で数学教育を担当する教員、数学の教科専門を担当する教員、高等専門学校教員、高等学校教諭からなっているため、理論と実践の両面から議論することができる。全体会合では、折りにふれ、教科書に記載されている適切な可視化の例や無意味な可視化の例を基にし、可視化ということの意味や目的・利点等について議論し、方向性を確認しながら研究を進めることができた。こうして作成した教材等成果は、可視化の手法の習得と活用に関わる内面的なプロセスとしての認知とメタ認知についての働きのプロセスについての考察、可視化や表現変換の観点からの事例を挙げて本研究の目的に関する理解と整理を施し、視覚化分野で重要と考えられている研究課題と教材開発の視点としても有効に機能しうるポイント(問題解決に対する寄与と抽象化・一般化の促進)を指適した論文とともに、研究成果報告書にまとめあげた。平成29年度には、前年度の作業を継続させつつも、DoとCheckの段階の活動:蓄積した教材・教具試案を基にして、具体的な教材・教具や指導案など授業実践できる教材を蓄積させ、そうした教材・教具を使った高大連携授業や公開講座を行ったり、コミュニティスペース等での一般展示を検討するなどして、当該教材・教具の有効性を確認していく作業を同時進行させる。平成30年度には、Actの段階の活動:実践結果や研究グループ外の評価・意見を踏まえた評価グループからの具体的な修正要求をもとに、教材・教具や指導案の改善をしていく。そして、できるだけ体系化された形で小冊子や電子媒体に成果をまとめ、研究成果の共有化が広く図られるようにする計画である。授業実践に関しては、実施校の都合が優先される場合が多いため、学習者に対する教材使用時期と教材の適時性も考慮に入れ、実施校・研究協力者と協議しつつ平成29・30年度を通じて行うことにより実践の機会を確保する。また、各段階での研究成果を学会等で発表し、外部の評価・意見を参考にして研究を進める。本研究の最終年度である平成30年度は、教材案の開発・作成や先行研究との比較をこれまで同様に続けながらも、PDCAサイクルのActの段階の活動:実践結果や研究グループ外の評価・意見を踏まえた評価グループからの具体的な修正要求をもとに、教材・教具や指導案の改善を行うことに重点を置くこととする。そして、最終的には、それらの領域横断性と体系化を図り、できるだけ体系化された形で小冊子や電子媒体に成果をまとめ、研究成果の共有化が広く図られるようにする計画である。授業実践に関しては、実施校の都合が優先される場合が多いため、学習者に対する教材使用時期と教材の適時性も考慮に入れ、実施校・研究協力者と協議しつつ行うことにより実践の機会を確保することにする。
活性酸素の制御による口腔がん幹細胞標的治療法の開発

癌組織は強い低酸素とともに,極度の低栄養状態にある.そのような環境で生じる活性酸素(ROS)ががん幹細胞や,さらにそのニッチの役割を果たす腫瘍血管の生態に及ぼす影響を解明し,がん幹細胞の標的化治療法につながる分子機構に迫った.ROSにより癌細胞において幹細胞マーカーの発現や血管新生因子の発現が亢進し,さらに腫瘍血管内皮においても様々な遺伝子の発現が変動した.ROSにより増加する腫瘍血管内皮由来分泌たんぱくのうちがん細胞を走化させ,未分化性の維持に働くことものがあることが示唆された.最後に,抗酸化剤DPIを用いてin vivo腫瘍増殖に対する効果を検証した.癌組織は強い低酸素とともに,極度の低栄養状態にある.そのような環境で生じる活性酸素(ROS)ががん幹細胞や,さらにそのニッチの役割を果たす腫瘍血管の生態に及ぼす影響を解明し,がん幹細胞の標的化治療法につながる分子機構に迫った.ROSにより癌細胞において幹細胞マーカーの発現や血管新生因子の発現が亢進し,さらに腫瘍血管内皮においても様々な遺伝子の発現が変動した.ROSにより増加する腫瘍血管内皮由来分泌たんぱくのうちがん細胞を走化させ,未分化性の維持に働くことものがあることが示唆された.最後に,抗酸化剤DPIを用いてin vivo腫瘍増殖に対する効果を検証した.がんの発症や進展にはその微小環境で産生される活性酸素が関与している。近年、がん組織には分化したがん細胞の他に未熟ながん幹細胞が存在することが明らかになってきた。がん幹細胞における薬剤抵抗性など悪性形質の獲得と未分化性の維持に活性酸素が関与している可能性があり、さらにがん幹細胞のニッチである腫瘍血管内皮細胞において活性酸素ががん幹細胞の生存や未分化性の維持にどのように貢献しているのかについても解明することが保険級の目的である。COX-2はプロスタグランジンの合成酵素で、炎症局所や腫瘍内で高発現していることが知られている。口腔がん細胞を移植したヌードマウスにCOX-2選択的阻害剤NS398を投与したところ、腫瘍の成長が有意に抑制され、これは、腫瘍細胞に対するCOX-2阻害剤の直接的な抑制作用ではなく、腫瘍間質に存在する腫瘍血管新生が特異的に抑制されたことによるものであることを報告した。副甲状腺関連タンパクPTHrPは乳がんや前立腺癌の骨転移において重要な役割を果たすことが知られている。口腔がん細胞でもPTHrPが高発現していることを我々は見いだした。さらに実際の口腔がん患者でPTHrP陽性率と腫瘍の転移・再発に有意な相関があることも明らかにした。腫瘍間質に存在する線維芽細胞は腫瘍血管と同様に正常細胞とは異なった形質を発現していることが報告され、cancer-associated fibroblast(CAF)と称されている。口腔領域に発生する粘表皮がんで検索したところ、PTHrPを高発現する粘表皮がんの中間細胞集にCAFが多くみられ、さらに新生血管が豊富に存在し、PTHrP発現腫瘍細胞の悪性形質との関連が示唆された。1)低酸素や抗がん剤処理によって細胞内に蓄積する活性酸素が,がん幹細胞においてどのようにその高い浸潤転移能や薬剤耐性などに関わっているのかを解析した.フローサイトメーターとウエスタンブロット法を用いて、腫瘍血管内皮とがん幹細胞における活性酸素(ROS)産生能を検討した.2)薬剤処理による活性酸素量の解析:抗がん剤処理によって,上記で分離されたがん幹細胞や腫瘍血管内皮における活性酸素量とnon stem cancer cellにおける活性酸素量とを比較検討した.腫瘍血管内皮細胞では幹細胞性をもつものに高い活性酸素量を示すものが多かった.ROSの産生により,さらにがん細胞や血管内皮細胞においてROSがその染色体不安定性の機序になっているかについての解析もはじめた.3)ROSを介したNF-κB、Baxなどの細胞内シグナル伝達の解析:低酸素や抗がん剤処理によって活性酸素(ROS)産生が生じたあと細胞内で動くシグナル伝達がどのように変化するかを解析した.ROSによってSmad2/3,NFkBが各リン酸化抗体によってリン酸化されていることが細胞免疫染色によってわかった.また,これらの分子の活性化は細胞により異なることがわかり,幹細胞に特有のROS蓄積後のシグナル伝達経路の存在が示唆された.また,Nrf2などROS産生に関わる分子として最近報告されている分子に関しても発現レベルを解析している.癌組織は強い低酸素とともに,極度の低栄養状態にある.そこで,平成26年度は低酸素培養器を用い,低酸素,低酸素(1%5%O2),低栄養下(無血清培地下)で,活性酸素(ROS)能が変化するかを検討した.低酸素,低栄養にすると腫瘍血管内皮においてROSが蓄積し,これまでわれわれが見出してきた腫瘍血管内皮の特性の一部が誘導された.つまり,腫瘍血管内皮においてCOX2, VEGF, PTGIR, Biglycanなどこれまでわれわれが腫瘍血管内皮において高い発現と血管新生促進因子としての機能を見出している分子群の発現が亢進した.これらの分子のうち,いくつかはがん細胞の走化因子としての役割も果たしていることが見出された.これらのことはROSにより発現が誘導されるこれらの分子をつかって腫瘍血管ががん幹細胞のニッチとして機能している可能性が示唆された.さらに,がん幹細胞が未熟な性質を保持したまま血管ニッチに存在しているメカニズムを探るために腫瘍血管内皮とがん幹細胞の共

培養の系において腫瘍血管内皮の活性酸素を除去し,ニッチとしての性質にどのような変化が出るのかを解析した.腫瘍血管内皮におけるROSを阻害すると,腫瘍血管内皮細胞のVEGFやIL6の発現が低下した.IL6はがん細胞の未分化性の維持に働くことが報告されており,さらにVEGFはABCトランスポーターの発現を亢進させることがわかっている.以上のことから,ROSにより腫瘍血管内皮細胞で発現亢進する分子ががん幹細胞の未分化性を維持している可能性が示唆された.最後に,抗酸化剤DPIを用いてin vivo腫瘍増殖に対する効果を検証した.DPIにより,腫瘍のサイズは変化しなかったが,腫瘍血管のROSが低下し,血管新生も抑制された.さらに肺への転移の抑制もみられた.26年度が最終年度であるため、記入しない。医歯薬学26年度が最終年度であるため、記入しない。がんの微小環境における血管・線維芽細胞の異常性発現についての研究を推進し、原著論文3編を報告している。現在、活性酸素がこの機構にどのように関与しているかの詳細について検討している。計画の大半を実施できており,興味深い知見が得られたことから,翌年度の研究計画を順調に進めることができるため26年度が最終年度であるため、記入しない。現在進めている研究をさらに発展させ、臨床応用が可能となるように、北海道臨床開発機構との連携を深めている。1)がん幹細胞のニッチとしての腫瘍血管内皮細胞における活性酸素の蓄積解析:低酸素培養器を用い、低酸素、低酸素(1%5%02)、低栄養下(無血清培地下)で、活性酸素(ROS)能が変化するかを検討する。また,腫瘍血管内皮細胞とこれらのがん幹細胞との相互作用を解析するために腫瘍血管内皮とがん幹細胞との接着や生存性をこれらの共培養でどのように変わるのかなどについても検討する.2)腫瘍血管内皮における活性酸素産生ががん幹細胞に与える影響に関わる解析:がん幹細胞が未熟な性質を保持したまま血管ニッチに存在しているメカニズムを探るために腫瘍血管内皮とがん幹細胞の共培養の系において腫瘍血管内皮の活性酸素を除去し,ニッチとしての性質にどのような変化が出るのかを解析する.具体的には腫瘍血管内皮細胞とがん幹細胞との接着やがん幹細胞が腫瘍血管内皮に対する遊走性などが腫瘍血管の活性酸素阻害によりどのように変わるのか,また,がん幹細胞の未熟さにどのように影響を与えるのかをCD90, CD133, ALDH, DLK1 CD44vなどの分子の発現の変化により解析する.3)抗酸化剤を用いての活性酸素を標的とした治療の取り組み:既存の抗酸化剤や緑茶カテキン、イソフラボンを始めとした抗酸化物質を用いてROSが除去されうるかをフローサイトメトリーにより検討する.4)がん幹細胞の活性酸素を標的とすることによるin vivo腫瘍モデルを用いた治療実験:従来の抗がん剤と活性酸素を標的とした上記薬剤などとの併用療法がもたらす抗腫瘍効果が抗がん剤単独療法に比べてどのように異なるのかをin vivo腫瘍モデルを用いて検討する.26年度が最終年度であるため、記入しない。平成24年度未使用額が発生した理由は、研究計画の中で当初行う予定だったものの一部を次年度に繰り越したためで、本年度に一括して使用する予定である。
ゲルマニウム室温ランダウ量子振動素子の創製

シリコン基板上の伸張歪ゲルマニウム・量子井戸構造によるバンド・バレー制御を基盤技術として、共鳴光励起・熱電子緩和利用による室温動作ランダウ量子振動素子を創製に関する研究を行った。(1)30バンドk・p摂動法によるバレー選択光励起法の開発、(2)時間分解円偏光フォトルミネッセンスによる伸張歪Geへの室温光スピン注入、(3)Ge多重量子井戸への375Kの高温光スピン注入を実証し、磁場中の円偏光蛍光観察から熱電子のバレー散乱を利用した電流駆動室温量子振動素子の動作を確認した。本研究では、シリコン基板上の伸張歪みゲルマニウム量子構造を対象として、共鳴励起・ホットエレクトロン励起を利用し、室温生存可能なLandau準位を基本とした、室温動作ランダウ量子振動素子(スピンフィルタ、波長多重円偏光光源、量子標準素子)を創製することを目的としている。本年度は、超高真空固体ソース分子線エピタキシ装置を用いて、シリコン基板上伸張歪ゲルマニウム薄膜の作製方法の確立を行い、室温において伸張歪ゲルマニウムの直接遷移端における光学的スピン注入と検出に初めて成功した。これは結晶成長中に導入される結晶欠陥由来の非発光中心が再結合寿命の比較的長いゲルマニウム間接遷移端由来蛍光を抑制し、サブナノ秒程度の再結合寿命を有するゲルマニウムの直接遷移端由来蛍光のみが観察される自然発生的な再結合寿命ゲーティング効果に起因したものである。ゲーティング効果の実証のため、バルクゲルマニウムにおける時間相関単一光子計数法による時間分解円偏光フォトルミネッセンスの時間ー波長領域フルマップ測定から、0.5ns幅のゲーティングを適用することで、バルクゲルマニウムの直接遷移端においても室温で光学的スピン注入と検出に初めて成功した。ゲルマニウム基板上に形成したType-1ゲルマニウム多重量子井戸の直接遷移端において、375Kの高温においても明瞭な光学的スピン注入に成功し、また低温領域において間接遷移端への光学的スピン注入にも初めて成功した。間接遷移端において観察された正の円偏光度は直接遷移端に注入されたHH由来の電子スピンがバレー散乱において間接遷移端にスピン情報を保持したまま注入された可能性を示唆しており、バレー散乱を用いたスピンフィルタ効果の重要な証左である。¬本研究では、シリコン基板上の伸張歪みゲルマニウム・量子井戸構造によるバンド・バレー制御を基盤技術として、共鳴励起・ホットエレクトロン励起利用による室温動作ランダウ量子振動素子を創製することを目的としている。これまで、(1)サブナノ秒時間ゲート円偏光フォトルミネッセンスからゲルマニウム直接遷移端への室温光学的スピン注入・検出、(2)ゲルマニウム多重量子井戸直接遷移端発光において、摂氏100度での明瞭な光学的スピン検出、(3)バレー散乱を介した間接遷移端へのスピン情報保持の実証を報告してきた。本年度は、まず30バンドk・p摂動法を用いて波数空間電荷分離を考慮した光吸収マッピングを作成し、M1型van Hove特異点選択励起による間接遷移端の活性化を見出した。これは間接遷移端を利用した光学的スピン応用のみならず、高効率太陽電池の新たな設計指針の提案に繋がる。次に、バルクゲルマニウム・伸張歪ゲルマニウム薄膜の磁場中円偏光フォトルミネッセンスにおいて室温での明瞭な量子振動を観察した。励起強度調律による電子温度と格子温度との相関から、ホットエレクトロンとバレー散乱による非常に速いフェルミ端非依存な発光機構が室温量子振動の発現に重要であることを見出した。さらにたエレクトロルミネッセンスにおいても明瞭な室温量子振動を観察し、実デバイス展開に重要な電流駆動ランダウ量子振動素子の実証に成功した。スピン・バレー自由度制御による室温量子振動といったIV族半導体の新機能発現は工業的なシーズ発現のみならず、量子力学・量子情報分野への学術的な寄与が期待できる。半導体物性ゲルマニウムの直接遷移端を利用した新規スピン機能素子の創製を目的とし、シリコン基板上ゲルマニウムの結晶成長技術、またゲルマニウム量子構造、伸張歪ゲルマニウムへの室温光スピン注入に成功している。磁場中円偏光分解フォトルミネッセンスからも各試料において明瞭な室温ランダウ準位が観察されており、当初の予定通り進展している。室温零磁場環境においてゲルマニウム量子構造、伸張歪ゲルマニウムへの光学的スピン注入に成功し、基盤的な技術・情報は得られている。今後は当初の予定通り、磁場環境中においてゲルマニウムにおいて発現するランダウ準位に起因する室温量子振動を利用した新規デバイスの実証を行う。具体的には円偏光エレクトロルミネッセンスによる非磁性または磁性電極から伸張歪ゲルマニウムへの電子スピン注入実証、磁場中時間分解円偏光フォトルミネッセンス・エレクトロルミネッセンスによるスピン緩和機構とバレー間散乱との相関評価とスピンフィルタリングの実証を行い、具体的な量子デバイスの提案・実証を行う。