hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
新トラッキング法による革新的な低気圧診断

新トラッキング法を用いて個々の低気圧特性の詳細な定量化に関し、以下の3点を実現した。(A)対流圏界面付近の渦の幾何形状と渦の力学の関係を明らかにした。とくに、これまで誰も直接示していない渦の楕円形状と渦の西風運動量輸送の整合性に着目した。(B)熱帯低気圧へ新トラッキング手法を適用した。とくに、気象格子点データより、個々の台風の特性を明らかにしながら、客観的に追跡する方法を確立した。(C)日本付近を通過する温帯低気圧カタログを作成した。とくに、過去の気象統計と並び立って気象情報の現業利用に資するよう、主観的な天気図と整合性の高いものを公開した。新トラッキング法を用いて個々の低気圧特性の詳細な定量化を実現するため、平成25年度は、(A)対流圏界面付近の渦の幾何形状と渦の力学の関係を、とくに、これまで誰も直接示していない渦の楕円形状と渦の西風運動量輸送の整合性に着目することで、明らかにした。本研究で使用したデータは1980年2010年までの気象庁再解析データJRA25/JCADSである。高度10km付近の対流圏界面において、温帯低気圧は北半球冬季に太平洋上と大西洋上でもっとも活発となる。その温帯低気圧の渦としての動態は、運動量・熱・物質輸送と幾何形状に特徴づけられる。たとえば、北半球中高緯度において、水平渦の楕円長軸が北東南西(北西南東)向きであれば西風運動量を北(南)へ輸送する。このような渦による西風運動量輸送はジェット気流強風軸の南北変動とも大きく関係している。ジェット強風軸変動は季節変動や経年変動といったさまざまな時間スケールの変動成分を有する。このような時間スケールについて、ジェット気流変動と渦の幾何形状の関係を整理し、季節・領域に通じた温帯低気圧の運動量輸送と幾何形状の関係を調べた。その結果、対流圏界面付近の渦の形状とジェット気流の間の関係が気象力学の従来の知見と整合的なものであることがわかった。とくに、北極域における寒気の蓄積の度合いの強弱の指標である北極振動と、水平渦の幾何構造との間に相関関係を見出した点は特筆するものである。これら結果はJournal of Climateに出版された(Inatsu and Amada 2013)。主観的な天気図解析における低気圧の追跡を、客観的に電算処理するアルゴリズムは大循環モデル出力に対し爆弾低気圧など温帯低気圧の個々の特性を解析する際などに必要となる。本研究ではInatsu (2009)ですでに開発済の連結閉領域の重なりに着目した新手法により、個々の低気圧特性の詳細な定量化を実現することとし、平成26年度までに(A)対流圏界面付近の渦の形状とジェット気流の間の関係が気象力学の従来の知見と整合的なものであること(B)熱帯低気圧の動的追跡のためには、熱帯低気圧の性質による選別が重要となることを示した。平成26年度は、熱帯低気圧の動的追跡に、Inatsu (2009)で開発した低気圧トラッキングのアルゴリズムが適用可能であることを示した。とくに、北西太平洋における台風ベストトラックデータと比較しながら、過去30年の気象再解析データに基づいて個々の特性を明らかにしながら台風を動的に追跡し、熱帯低気圧トラッキングを最適に選別する方法を明らかにした。その結果、熱帯低気圧の動的追跡のためには、熱帯低気圧の性質による選別が重要となることがわかった。とくに風のシアと暖気核に注目した選別方法により、台風ボーガスが埋め込まれた過去の気象再解析データをもとにして台風同定を行ったところ、気象庁ベストトラックを基準にして86%の捕捉が可能となった。また、台風による熱輸送量の計算や温帯低気圧化の判別についても、トラッキングの中で自動計算できる可能性について調べた。平成27年度においては(C)日本付近を通過する温帯低気圧カタログを作成した。とくに、過去の気象統計と並び立って気象情報の現業利用に資するような、主観的な天気図と整合性の高いものを公開した。これらを総合して、熱帯低気圧・温帯低気圧の追跡に関する総合的な知見はInatsu and Amada(2013)およびSatake et al. (2013)等論文により公表したほか、日本気象学会や国際学会にて成果を発表した。さらに、気象庁現業における低気圧診断への採用や、爆弾低気圧の近年の動向に関する取材を受けて北海道新聞2015年3月1日付朝刊1面を飾るなど、社会的に大きな貢献した。また、研究成果のうちトラッキング・プログラムそのものと近年の温帯低気圧カタログはウェブページにて公開している。とくに、これまで誰も直接示していない渦の楕円形状と渦の西風運動量

輸送の整合性に着目した。(B)熱帯低気圧へ新トラッキング手法を適用した。とくに、気象格子点データより、個々の台風の特性を明らかにしながら、客観的に追跡する方法を確立した。(C)日本付近を通過する温帯低気圧カタログを作成した。とくに、過去の気象統計と並び立って気象情報の現業利用に資するよう、主観的な天気図と整合性の高いものを公開した。平成26年度研究計画として設定した(B)熱帯低気圧の物理と形状の関係は完全に終了した。また、一部来年度予定の北海道付近で急発達する低気圧の判別を実施し、3月1日付け北海道新聞朝刊1面に掲載された。気象学(C)日本付近を通過する温帯低気圧カタログの作成:主観的な天気図解析の温帯低気圧判別と対照しながら、過去のすべての温帯低気圧の履歴に対して新トラッキング手法を用いたカタログを作成する。新トラッキング手法を日本付近を通過する温帯低気圧に適用し、その経路や発達の様子を数表や図として公開する。たとえば、2011年12月の温帯低気圧の軌跡を新トラッキング手法と主観的な天気図解析によって取り出すことが可能である。特定年に対して、新トラッキング手法と主観的な天気図解析の温帯低気圧判別をなるべくあわせるように調整したのち、過去のすべての温帯低気圧の履歴に対して新トラッキング手法を用いたカタログを作成する。そのカタログには急発達など個々の温帯低気圧の特性も付記することで、現業などでの低気圧解析に資するものにする。なお、カタログはウェブページ上に閲覧制限なしに公開する予定である。研究の目的は、3か年で「(A)対流圏界面付近の渦の幾何形状と渦の力学の関係を明らかにする。」「(B)熱帯低気圧へ新トラッキング手法を適用する。」「(C)日本付近を通過する温帯低気圧カタログを作成する。とくに、過去の気象統計と並び立って気象情報の現業利用に資するよう、主観的な天気図と整合性の高いものを公開する。」を終えることである。平成25年度は、当初計画通り、(A)を完了することができた。今年度の助成金の執行に当たり、経費の端数として13,913円の執行残額が発生した。研究計画通り、平成26年度は研究目的の(B)を遂行する。論文投稿料のカラーチャージやウェブページのデザインの充実のような研究成果の公表の充実のために今年度の残額を利用する。3月5日の日本気象学会参加費に関する立替払い請求を3月中に行ったが、大学の会計システムの仕様上、支払が翌4月になったため。当初の予定どおり、日本気象学会参加費として執行する。
肥沃な三日月地帯の脆弱性を克服する雨水ハーベスティング

雨水ハーベスティングは,比較的小規模なスケールにおいて自然の降水を生物生産に変換する過程である。これまでの研究で,過酷な塩性乾燥環境下にあるヨルダン地溝帯に,砂漠の洪水を灌漑用水に変換する自律分散型灌漑スキームを構築した。また,冷涼なヨルダン高地,高温乾燥と寒冷湿潤の対極が著しいイラク北部でも,農業気象を自動観測している。本研究では,ヨルダン高地にマイクロ集水域での水分捕捉を行う実験圃場を新設しつつ,実験科学上の知見を数理科学の方法論にもとづいて記述,普遍化することにより,雨水ハーベスティングが,肥沃な三日月地帯全域における水と農業の脆弱性を克服するために有効であることを明らかにする。
都市交通におけるユーザ参加型コンテキストセンシング

我々の都市生活において快適な移動を実現するためには,電車や地下鉄のような公共交通機関の利用をよりスムーズで快適にすることが重要である.本研究ではユーザ参加型のコンテキストセンシングを適用することで,より快適な都市交通の実現を目指し,研究に取り組んだ.具体的には,人々が所有するスマートフォンに搭載されたセンサデータを統合して利用することで,電車内の混雑状況,駅構内の混雑状況,都市空間の混雑状況,といった様々なコンテキストを推定するための手法を設計し,実環境における性能評価により有効性を確認した.我々の都市生活において快適な移動を実現するためには、電車や地下鉄のような公共交通機関での移動をよりスムーズで快適にすることが重要である。本研究ではユーザ参加型のコンテキストセンシングを適用することで、より快適な都市交通の実現を目指している。初年度は電車車両内を対象に、スマートフォンを用いてユーザの乗車車両推定ならびに車両内の混雑状況推定を行う方式の設計を行った。提案手法は、乗客の持つ携帯端末が受信した近隣端末のBluetoothシグナルのRSSIをサーバに集約し推定を行う。この際、端末間で観測されるRSSIから、それらが同一車両に存在する確率(同一車両確率)および端末間が混雑している確率(混雑確率)を算出する。次に、得られた同一車両確率および一部の端末の(信頼度の高い)乗車車両情報を用いて全端末の乗車車両を推定し、その推定結果と端末間の混雑確率を用いて車両毎の混雑を推定する。同一車両確率および混雑確率の算出には、事前の学習データから構築した尤度関数を利用する。このとき、電車内の乗客移動は一般にあまり見られないことを利用し、同一車両確率を継続的に更新することで、乗降車が発生しても高精度かつ迅速な乗車車両推定および混雑推定を実現する。提案手法で得られたユーザの乗車車両情報および各車両の混雑状況を用いることで、乗車ユーザに対して降車後のホームにおける最適出口案内や乗車する旅客に対して車両レベルの混雑情報提示が可能になるなど、鉄道移動における高度なナビゲーションへの応用が期待できる。大阪都市部の4つの路線で259分間収集したデータを用いて提案手法を評価した結果、16名のそれぞれの車両位置を83%の精度で推定し、車両毎の混雑の有無をF値0.75で推定できることが分かった。我々の都市生活において快適な移動を実現するためには、電車や地下鉄のような公共交通機関での移動をよりスムーズで快適にすることが重要である。今年度はこれまで取り組んできた鉄道車両からさらに範囲を拡大し、プラットフォームにおける混雑情報付きのナビゲーションサービスを支援するため、デジタル地図の自動ラベリング手法を考案した。駅構内において改札を通過したり、エスカレーターやエレベーターを利用するなど特有の行動をとった際に、スマートフォンによってこれらの行動を検知し、自律航法で得られた推定位置とともにサーバーに集約することで、駅構内における様々な設備とその場所を推定する。行動の検知には、スマートフォンの様々なセンサ(加速度、ジャイロ、音、気圧、磁気)データを用いてそれらの行動を判別可能であることを実験から明らかにし、行動ごとに検知のための方法を設計した。また、様々な既存手法を組み合わせることで、実際の環境で起こり得る多様な行動を検知できるようにした。設計した手法を実際の駅構内において収集したデータにより評価したところ、異なる設備に対して偽陽性率9.7%、偽陰性率7.4%を実現でき、消費電力はGPSと比較して非常に小さいことが明らかになった。本方式により、駅構内の設備の設置場所が自動的に把握できるようになり、混雑状況などを考慮した高度なナビゲーションサービスの実現に役立つことが期待される。プラットフォームなど駅構内での混雑状況を推定するため、鉄道車両内の混雑推定で得た知見を生かし、スマートフォン同士の電波強度分布を調査した。その結果、駅構内での混雑状況把握には、ユーザがどこにいて、どんな行動をとっているのかを把握することが重要であることが分かり、駅構内でのデジタル地図の自動ラベリング手法を考案するに至った。これにより、ユーザがいる場所と、どんな行動をとっているかの推定が可能となり、ユーザコンテキストに応じた混雑状況の推定が実現できると考えている。したがって、おおむね順調に進展していると判断する。都市生活において人々の快適な移動を実現するためには,電車や地下鉄のような公共交通機関での移動をよりスムーズで快適にすることが重要である.本研究ではユーザ参加型のコンテキストセンシングを適用することで,より快適な都市交通の実現を目指している.平成28年度はこれまでの電車や駅構内におけるコンテキスト推定法の設計で得た知見に基づき,多様なセンサデータを活用した都市広域またはスポットレベルのコンテキスト推定法の設計に取り組んだ.具体的には,携帯電話の基地局通信履歴に基づく電車旅客数の推定,スマートフォン画像からの群衆混雑状況推定,車載カメラを活用した歩道の人流推定法の設計を行った.電車旅客数の推定では,通信時に基地局側で記録される端末IDのみを用いて,時刻表や路線図などの地理的情報と組み合わせることによって,電車旅客を推定するとともに各旅客が乗車している電車を推定する方式を考案した.スマートフォン画像からの群衆混雑状況推定では,撮影場所の事前知識を必要としないモバイル環境に適した群衆面積モデルに基づく方式を設計した.さらに,車載カメラを活用した歩道の人流推定では,深層学習により画像から方向別に歩行者を検出し,時空間的な特徴量に基づく補正を行うことで,スポットレベルでの人流推定を実現するための基礎技術を開発した.これらの成果は国際会議や論文誌での発表を行うなど,積極的な成果創出を行っている.

さらに,これまでに取り組んできた駅構内におけるスマートフォンセンサを用いたユーザ参加型コンテキスト推定法について,様々な環境における性能を明らかにし,その研究成果をモバイル系難関国際会議ACM MobiSys 2016で発表するなど,国際的にも顕著な成果が挙げられている.研究計画では以下の3つの環境を対象にそれぞれユーザ参加型センシングによるコンテキスト推定法の設計を進めることとしていた.一つ目は(1)電車乗車中のように移動が大幅に制限された環境であり,2つ目は(2)駅プラットフォームのように人の列が形成される場所が事前に分かっており,電車の発着スケジュールや混雑状況に従って制限される移動領域が動的に変化する環境である.そして,3つ目は(3)地下街やショッピングモールなど,移動領域の制限がほとんど無い環境を対象とした場合である.これまでの研究で(1), (2)については電車内の混雑状況および乗車位置をスマートフォンに搭載されたBluetooth信号により推定する方式や,加速度,ジャイロ,地磁気センサなどのスマートフォン内蔵センサを組み合わせた駅構内の設備設置位置推定法を考案するなど,それぞれの環境における学術的な研究課題は概ね順調に解決してきている.さらに,平成28年度は(3)について重点的に取り組み,移動領域の制限がほとんど無い都市部における歩道や広場,都市全体などの様々なスケールを対象として,混雑状況や電車の乗車状況などの(1), (2)よりも広範囲を対象としたコンテキスト推定法の設計を行った.いくつかの学術的な技術課題解決や実証実験を行う必要はあるものの,計画していた(1)(3)の環境における学術的な研究課題は概ね順調に解決できており,予定通りの成果が期待できると考えている.我々の都市生活において快適な移動を実現するためには、電車や地下鉄のような公共交通機関での移動をよりスムーズで快適にすることが重要である。本研究ではユーザ参加型のコンテキストセンシングを適用することで、より快適な都市交通の実現を目指している。このため、これまでに電車の車内混雑状況の推定や、車載カメラを用いた歩道上の混雑状況推定、駅構内におけるコンテキスト推定に関する研究に取り組んできた。最終年度は、これまでに考案した駅構内における様々なユーザコンテキスト推定方式を基に、駅構内の様々な混雑状況の推定方式を考案した。駅構内における人々の行動パターンを分析することにより、券売機やエスカレーター、エレベーターなど、駅構内の設備それぞれに特有の混雑状況と相関のある特徴量を設計した。これらの特徴量を人々が所有するスマートフォンのみで収集し、それに基づき各設備とその周辺の混雑状況を推定する。特に、プラットフォームにおいて乗車列が形成される過程や、乗車列の長さに応じて異なる乗車時の行動の違いに着目し、乗車位置ごとに乗車列の長さを推定することに成功した。
ヒト性欲障害発現機構の包括的解析

性行動の本質をなす性欲は、男女を問わず極めて重要とされる。我々は性的興味を数量的に評価しうる視線追跡装置を考案し、性的興味における性差について解析を試みた。性的刺激度が強いビデオにおいて性的関心領域の性差が明らかとなった。さらに健康男性において人格を詳細に評価し、性的関心領域との関係を解析したところ、社会的内向性が強まれば性的関心度が低下することも明らかになった。性欲は本能の一つであり極めて重要であるが、ヒトの性欲中枢についてはこれまで十分に解明されたとはいえない。我々はこれまでに性的刺激ビデオを視聴覚しながらPET撮影を行い、性的興奮期には小脳虫部、プラトE一期には被殻が特異的に活性化されていることを見いだしている。しかし、これまでの解析は、被験者が性的刺激ビデオをどれだけ集中して視聴したかにより、結果が左右される危険性を含んでいた。しかし、これまで、性的関心度を解析する方法はなかった。今回、性的刺激ビデオを視聴している最中の視線をリアルタイムに追跡する装置を考案し、視線軌跡を解析することで、性的刺激に対する興味度合いを評価するした。視線解析装置は、肢体障害者の意思伝達用に開発された、Quick Glance2TM(Eyetech Digutal System Inc., Mesa, AZ USA)を改良した。まず、視線を追跡するソフトウエアを発売元と共同で開発し、視覚ビデオに対する視線を数値化し、解析方法の標準化,安定性を目的に、最初に正常コントロールで行った解析の妥当性を検討することとした。本装置を用いて、性的に問題のない男女11名ずつが、性的ビデオを視聴した際の性的関心領域を解析、比較したところ、性的刺激度が強いビデオにおいて性的関心領域の性差が明らかとなった。すなわち、男性は女性の顔に関心を持ち(57.4%vs.37.6%;p<0.05)、女性は男性の体に関心を持つ(1.0%vs.5.5%;p<0.01)ことが示された。また女性は性的表現領域以外の背景などを視ている時間が有意に多く、男性を対象に作成された性的ビデオに対してさほど興味を抱かない、もしくは差恥心からあまり凝視できない可能性が示唆された。さらに、性的関心度については客観的に評価された研究がほとんど存在しない。我々はこれまで、前者については、性的刺激ビデオを視聴覚することで活性化される性欲中枢部位をPET撮にて特定し、後者については性的刺激ビデオを視聴している最中の視線をリアルタイムに追跡する装置を用いた解析で、性的刺激度が強いビデオにおいては性的関心領域に性差が存在することを明らかにしてきた。本年度は、男性における性的関心度に人格が影響するかについて詳細に検討した。性的関心領域の評価は性差解析に有用であった解析方法、すなわち肢体障害者の意思伝達用に開発されたQuick Glance2TM(Eyetech Digutal System Inc., Mesa, AZ USA)と、独自に開発した視線追跡ソフトを用いて行った。人格評価は、550問の質問を二者択一で答えることで、10項目の人格および行動特徴(心気症、抑うつ、ヒステリー、精子病的催奇、男子性、パラノイア、神経衰弱、精神分裂、軽躁病、社会的内向性)を数量的に評価可能なミネソタ多面人格目録(Minnesota Multiphasic Personality Inventory ; MMPI)を用いた。まず30名の性的に健康な男性被験者(35.2±4.2歳)を対象に人格評価を行い、10項目いずれも標準的なスコアを示すことを確認した。次に、性的刺激ビデオで女性の裸体を視た割合と各人格スコアの相関を解析したところ、パラノイア、神経衰弱、社会的内向性において、有意な負の相関を確認した。さらに、10項目の人格スコアを多変量解析することで、最終的に社会的内向性のみが女性の裸体を視る割合と負の相関を示すことを見いだした。この知見は、男性の性欲低下に対する診療に役立つものと推測された。性欲は本能の一つであり極めて重要であるが、ヒトの性欲中枢についてはこれまで十分に解明されたとはいえない状況であった。そこで、我々はこれまでに性的刺激ビデオを視聴覚しながらPET撮影を行い、性的興奮期には小脳虫部、プラトー期には被殻が特異的に活性化されていることを見いだした。さらに、性的刺激ビデオを視聴している最中の視線をリアルタイムに追跡する装置を考案し、被験者の視線軌跡を解析することで、性的刺激に対する興味度合いを評価した。まず、男性は女性の顔に関心を持ち(574%vs.37.6%;p<0.05)、女性は男性の体に関心を持つ(1.0%vs.5.5%;p<0.01)ことを明らかにした。

また女性は性的表現領域以外の背景などを視ている時間が有意に多く、男性を対象に作成された性的ビデオに対してさほど興味を抱かない、もしくは差恥心からあまり凝視できない可能性を報告した。次に、男性の人格を質問票により数値化し、人格と性的興味を解析したところ、健康な男性では社会的内向性の度合いと裸体を視る割合が負の相関を示すことを見いだした。性的反応の時期による性的中枢部位の推移や、性的興味に関するこれらの知見は、これまでの研究では全く触れられておらず、新しい情報として性機能障害の診療に役立つものと考えられた。以上の結果を、下記のごとく和文総説、英文研究論文として報告し、国内で8回の講演、発表した。
「第11回国際光生物学会議」開催準備のための統合研究

研究目的光生物学とは、光の生物に対する作用,生物の光受容の機構,発光生物の特性,光の医学的役割などを研究する学問的分野である.1992年に第11回国際光生物学会議が日本で開催されることが決まり、日本におけるこの分野の代表者がその準備のために研究交流することが必要となった.本総合研究では,主に学術的見地から,光生物学の現状を展望し,どのような課題について,どのように会議でとりあげ、プログラムを偏成すべきかを検討したい.研究経過と成果全体会議を2回,幹事会を2回,公開シンポジウム(共同開催)を1回開いて次の諸点を検討した.1、日本における光生物学の研究の現状を展望した.2、世界における光生物学の研究のうち、日本での研究が遅れている分野を見落すことのないよう検討した。その結果,太陽光紫外線の植物および海洋プランクトンへの影響などがそれに当ることがわかった.3、重点的に第11回国際光生物学会議でとりあげるべき主題として、光受容の分子機構、特に光形態形成,太陽光紫外線の人体影響とそのオゾン層による吸収の変化の意義、DNA損傷とその修復の機構などがあげられた.4、国内,国外の主な研究者にアンケ-トを送り,意見を求めるとともに参加を呼びかけた.5、日本学術会議との共催が内定したので,関連する申請内容などについて検討した.6、1991年に準備義員会を正式に発足させるための人選と交渉を行った.研究目的光生物学とは、光の生物に対する作用,生物の光受容の機構,発光生物の特性,光の医学的役割などを研究する学問的分野である.1992年に第11回国際光生物学会議が日本で開催されることが決まり、日本におけるこの分野の代表者がその準備のために研究交流することが必要となった.本総合研究では,主に学術的見地から,光生物学の現状を展望し,どのような課題について,どのように会議でとりあげ、プログラムを偏成すべきかを検討したい.研究経過と成果全体会議を2回,幹事会を2回,公開シンポジウム(共同開催)を1回開いて次の諸点を検討した.1、日本における光生物学の研究の現状を展望した.2、世界における光生物学の研究のうち、日本での研究が遅れている分野を見落すことのないよう検討した。その結果,太陽光紫外線の植物および海洋プランクトンへの影響などがそれに当ることがわかった.3、重点的に第11回国際光生物学会議でとりあげるべき主題として、光受容の分子機構、特に光形態形成,太陽光紫外線の人体影響とそのオゾン層による吸収の変化の意義、DNA損傷とその修復の機構などがあげられた.4、国内,国外の主な研究者にアンケ-トを送り,意見を求めるとともに参加を呼びかけた.5、日本学術会議との共催が内定したので,関連する申請内容などについて検討した.6、1991年に準備義員会を正式に発足させるための人選と交渉を行った.
ナノ金属上での有機分子の長距離秩序構造構築と分子プラズモニック材料としての展開

本研究では、π共役系高分子を金属表面上に精密配列する技術(垂直かつ高密度、及び分子スケールでの密度勾配)を確立し、金属と有機分子のいずれをも精密構造制御した新規な分子プラズモニックデバイスを作製する。表面プラズモン高効率導波路や低エネルギー(長波長)発光デバイスとしての展開を目指し、ナノ構造化金属によって異方化した光に対する長距離配列したポリマーの吸光・発光特性を明らかにする。
宇宙大規模構造の高精度理論テンプレートから探る精密宇宙論の研究

観測の進展に伴い、宇宙の「標準モデル」が確立し、宇宙論研究の主流は、標準モデルのより深い理解とその根源的理由を問う、「精密宇宙論」へとパラダイムシフトした。今後10年間で観測の大規模化・精密化がさらに進み、観測データと比較して微弱なシグナルを検出・測定するための、理論テンプレートの高精度化が重要かつ急務な状況である。本課題では、構造形成の基礎理論に基づき、摂動論的計算手法を用いて、様々な観測効果・物理過程を考慮した次世代銀河サーベイの高精度理論テンプレートを開発、将来の精密宇宙論に向けた実用性の高い解析手法を構築した。本計画は、銀河サーベイを用いた精密宇宙論研究において中心的役割を果たすパワースペクトル・バイスペクトルに焦点をあて、精密観測から宇宙論的情報を引き出す上で不可欠な高精度の理論テンプレートを、解析的な手法をベースに構築することを目標にしている。平成21年度の繰り越し申請分では、実用的な側面からの研究として、銀河バイアスの影響を取り入れた精密理論テンプレートの構築を進めた。構造形成の種である原始密度ゆらぎがガウス統計からずれた場合、ある種のゆらぎの生成機構では、銀河バイアスに強いスケール依存性が現れることが近年になって指摘されている。本研究ではより一般的視点から、原始密度ゆらぎの統計性が多成分の非ガウス場で表される場合に、銀河バイアスへの影響を理論的にモデル化し、N体シミュレーションを用いてその妥当性についての検証を行った。その結果、大スケールにおけるN体ハローのパワースペクトルは、理論モデルできわめてよく再現できることがわかった。さらに、一成分非ガウス場からなる原始非ガウス性に対し、N体ハローのバイスペクトルについても定量的に求め、通常のガウス初期条件では現れない、銀河バイアスの強いスケール依存性を見い出し、その傾向は理論モデルでよく記述できることをつきとめた。本研究で得られた理論モデルを足がかりにすれば、原始密度ゆらぎの非ガウス性が多成分由来か否かを観測から区別・検証することが可能である。原始密度ゆらぎの生成機構を解明する方法論の一部として、本研究の成果は重要な基礎と位置づけられる。本研究課題は、将来の大規模銀河サーベイを用いた精密宇宙論研究において中心的役割を果たすパワースペクトル・バイスペクトルに焦点をあて、精密観測から宇宙論的情報を引き出す上で不可欠な高精度の理論テンプレートを、解析的な手法をベースに構築することを目標にしている。平成22年度の繰り越し申請分では、精密理論テンプレートに取り入れる銀河バイアスの影響を調べるために、銀河パワースペクトルの観測データを用いた解析を行った。国内研究者の協力のもと、SDSS DR7のLRGサンプルをもとに銀河パワースペクトルを求め、銀河バイアスと赤方偏移歪みの効果や、重力進化による非線形効果との関係について調べた。その解析結果をもとに、N体シミュレーションを用いて観測と同等の条件を再現するハローカタログを作成し、より精度の高い理論テンプレートとの比較検討を行う準備を進めた(この研究の成果に関しては平成23年度の実績報告書参照)。また得られた観測データから宇宙論的情報を引き出すため、ダークエネルギーや重力理論のテストに対して、パワースペクトルに含まれる有意な情報量をフィッシャー解析にもとづき定量化した。その結果、ダークエネルギーに関しては銀河バイアス、赤方偏移歪みの効果は比較的ロバストであるが、重力理論のテストは赤方偏移歪みに対して非常に敏感に影響を受けることをつきとめた。一方、解析的な立場からは、ラグランジェ的な摂動論をもとに、赤方偏移歪みと非線形重力進化を取り入れた高次補正の計算に成功し、計算の実用性をチェックするとともに、銀河パワースペクトルへの応用可能性と、赤方偏移歪みの影響を見積もった。最終年度である平成23年度は、銀河バイアスの影響を取り入れた理論テンプレート作りを進めるとともに、理論テンプレートの高速計算を可能とする計算スキームの開発に取り組んだ。銀河バイアスに関しては、前年度までの研究成果である赤方偏移歪みの理論テンプレートに、スケール依存性を考慮した線形バイアスを取り入れ、N体シミュレーションによる検証を行った。その結果、従来のモデルに比べ、本研究の理論モデルはN体シミュレーションのふるまいをより正確に再現しただけでなく、赤方偏移歪みに付随して現れる銀河バイアス特有のクラスタリングの増大効果を説明することにも成功し、現モデルが実用段階として十分な状態にあることがわかった。一方、理論テンプレートの高速化に関しては、Γ-(ガンマ)-展開と呼ばれる非摂動な摂動計算スキームをもとに、具体的な解析計算手法を計算コードに実装、N体シミュレーションとの比較からその計算精度を検証した。さらに、この計算スキームをもとに計算を飛躍的に高速化できる方法論を考案した。

その方法とは、予め用意された計算データとの差分を取る事で、補正部分のみを新たに計算するというものであり、Γ-展開にもとづけば必要な計算はたかだか1次元の数値積分にとどまることが示される。このアイデアにもとづき、現在、高速計算コードの開発を進めており、完成すれば並列計算なしに数秒でパワースペクトルの計算が可能になる。
ゲノム領域特異的ヒストン修飾の変更技術による新たながんエピゲノムのシステム理解

エピジェネティックな変化が様々な生物現象に関与し、個々人のがん病態を後天的に規定することが示唆されている。すなわち、環境による影響を受けやすい塩基配列情報以外のエピジェネティックな変化は、がん化に関与すると考えられ、可逆的であり、環境・物質などの外部からの介入により人為的に変更することも可能である。我々はエピジェネティックな変化を塩基配列特異的にコントロールする技術をピロールイミダゾールポリアミド(PIP)とヒストン修飾酵素の阻害剤等の複合体を合成することで実現し、特定のゲノム領域に誘導することに成功している。この技術により、塩基配列特異的にエピゲノム修飾を変更する化学物質をバイオプローブとしてエピジェネティックな変化を一定のゲノムに強制的に導入し、細胞での遺伝子発現や表現型との因果関係や機能を類推することを試みた。細胞の性質を変化させる化合物のランダムスクリーニングにより、細胞を規定する内在性の遺伝子の活性化を探索、エピジェネティクスが関与できる未知の機能関連遺伝子ネットワークの解析を宮野研究室と連携して試みた。26年度が最終年度であるため、記入しない。遺伝子の配列ではなく、その遺伝子ゲノムの周囲のタンパク質の酵素修飾の変化であるエピジェネティックな変化をゲノム上の特定の部位で塩基配列特異的にコントロールする技術をピロールイミダゾールポリアミド(PIP)とヒストン修飾酵素の阻害剤(SAHA)の複合体(PIP-SAHA)を合成することで実現し、特定のゲノム領域に誘導することに成功している。(特許第4873510)この技術により、実際にがんの原因となるエピジェネティックな変化、個々人のがんを特徴づける変化を強制的にがん細胞に導入し、その因果関係や機能を類推することが出来ると考えられる。まずヒト正常皮膚由来線維芽細胞の性質を変化させることが出来る化合物を含むランダムライブラリー(32種類の化合物)を作成し、それぞれの化合物投与後の遺伝子の発現パターンを解析した。さらに使用したヒト正常皮膚由来線維芽細胞の全ゲノム配列を決定するため75ゲノム分の全ゲノムシークエンスを行った。このゲノム解析結果を現在算出中である。それそれの化合物はゲノムの特定の配列を認識すると考えられるため、このゲノム認識部位と発現パターンから化合物によるエピジェネティクな遺伝子発現制御パターンについて関連解析を行うことを次年度に企画している。これらの遺伝子制御、ネットワーク解析を当該研究分野の研究者と連携して試み、さらに、化合物の腫瘍に対する効果を類推し、新たながん治療標的、がん治療薬としての開発への糸口を探る。化合物のライブラリーを作成し、がん細胞株への投与を試みたが明らかな細胞増殖の変化や細胞形質の変化は得られなかった。このため正常細胞で同様の実験を行う事を先に行う事とした。正常細胞での32種類の化合物の投与後の遺伝子発現の解析データを取得し、使用した細胞の全ゲノム解析を行った。このプロセスに時間を要している。最終的に目標とするがん細胞での評価にまで行き着けるかは問題があるが、少なくとも新たなヒストンアセチル化のゲノム領域特異的な誘導と発現パターンの解析が正常細胞であるが行える見込みと考えている。がん細胞ではゲノム配列に多くの変異が起こっているため、正常細胞でエピゲノムを変更し、遺伝子発現パターンを変更することをまず試みた。この結果とゲノム配列情報を基に32種類の化合物がそれぞれ異なる遺伝子配列を特異的に認識することで、異なる遺伝子発現のパターンを生み出していることから、ゲノムのアセチル化をどのように変更すれば特定の遺伝子発現を制御できるかを検討する。この正常細胞での結果を基に、がん細胞への同様のアプローチが成り立つかを検討するという段階を踏んだ研究方針に変更し最終的にがん細胞のエピジェネティクスの変更を試み、抗がん作用を有する化合物を開発可能かを検討する。
超細胞毒性物質アレナスタチンAをリ-ドとする新規抗腫瘍剤の創製

底生海洋生物が代謝し生産する物質の中には、陸上の動植物由来の天然物質とは異質の新規で多彩な化学構造を有し、顕著でかつ様々な生物活性を示す化合物が見出だされており、医薬化学における新しいリ-ド化合物の探索の視点から注目されている。私達も、海洋生物由来の新規生物活性物質の探索研究を続けており、KB cellに対しIC_<50>値が5pg/mlの著しく強力な細胞毒性を示す微量活性成分のデプシペプチドarenastatin Aを見出だし、2D-NMR解析、分解反応および分解物の不斉合成により絶対立体構造を決定している。1.活性発現機作の解明やin vivoでの抗腫瘍性を解析するサンプルを確保するため、種々合成ルートを検討し、効率的な全合成法を確立した。2.Arenastatin Aの化学構造と細胞毒性活性の相関を調べる目的で、各不斉炭素の立体異性体を合成した。その結果、各異性体は細胞毒性活性をほとんど示さず、arenastatin Aの活性発現には、天然型の立体配置が必須であることが判明した。3.ArenastatinAがチューブリンの重合を阻害することにより活性を発現することを明らかにしたほか、生体内で代謝されやすいことが判明したことから、代謝されにくいアナログを合成することにより、新しい抗腫瘍剤開発のリ-ド化合物としての展開を進めている。
昆虫クチクラに複数体節をまたぐ「切取り線」を形成するメカニズム

昆虫を含む節足動物の体表面は、表皮細胞から分泌される細胞外マトリックスであるクチクラに覆われている。脱皮の際には古いクチクラの下に新しいクチクラがつくられ、古いクチクラが脱ぎ棄てられるが、古いクチクラはランダムに破れるのではなく、「切取り線」となる決まった部位から開裂する。また、「切取り線」は複数の体節にまたがって形成される。本研究では、ショウジョウバエが羽化する際に開裂する囲蛹殻の「切取り線」であるoperculum ridgeの形成メカニズムについて、operculum ridge形成細胞で活性化しているNotchシグナルに着目して解析し、クチクラに「切取り線」をつくる構造的・時間的・空間的なメカニズムの解明を目指した。3齢幼虫後期のクチクラについて、TwdlD-RFPによるepicuticleの標識およびprocuticleのキチン染色、さらには透過型電子顕微鏡による詳細な観察をしたところ、Notch活性化細胞直上のクチクラでは、キチン染色されない不明確な構造がprocuticleに観られ、電子密度が高くTwdlD-RFPが強く局在する構造がepicuticleおよびepicuticle直下のprocuticle領域に観られるなど、周囲とは明らかに異なる特殊な構造をしていた。また、Notchシグナルの阻害や異所的な活性化実験により、Notchシグナル活性化細胞によってこの特殊構造が形成されることで、「切取り線」として機能するoperculum ridgeが形成されることが示唆された。さらに、Notchシグナルの活性化とoperculum ridgeの特殊構造形成についての経時的な観察から、operculum ridgeの特殊構造は3齢幼虫のクチクラの形成開始時点からすでに形成されており、少なくとも一旦形成したクチクラを壊して作られるわけではないこともわかった。平成30年度では、operculum rigdeの構造や形成過程について重点的に解析し、operculum ridgeの特殊な構造を明らかにできた。また、その構造とNotchシグナルの関係、「切取り線」としての機能との関係、その構造ができる過程も明らかとなり、operculum ridgeの形成過程の一端が解明できてきた。令和元年度では、前年度の結果を受けつつさらにoperculum ridgeの構造を他のクチクラタンパク質の局在などを観察することで詳細に明らかにしてゆく。また、過去にGlucose dehydrogenase(Gld)がoperculum ridge直下の細胞で活性化しておりGldの突然変異体では羽化できないことが報告されており、平成30年度ではその結果を再現することもできた。そこで、Gldとopreculum ridge特殊構造形成の関係やNotchシグナルとGldの関係などを詳細に解析することを中心に、Notchシグナルの活性化によってoperculum ridge特殊構造の形成メカニズムの解明を目指す。(理由)operculum ridgeの構造や形成過程やNotchシグナルとの関係については、概ね当初の予定どおり順調に研究を進めることができたた。

一方で、Notchシグナル下流でoperculum ridgeが形成される具体的なメカニズムの解明については、Gldの関与が浮上したために過去の報告の確認をとることを優先したため、当初予定していた抗体や染色剤、ショウジョウバエ系統の一部が必要なくなった。一方で、過去のGldの報告については確認が取れたため、令和元年度ではGldとoperculum ridgeやNotchシグナルとの関係を重点的に解析することとした。(使用計画)Gldに関する解析をするための抗体や染色試薬、ショウジョウバエ形質転換体の作成、ショウジョウバエ系統の飼育などに使用する。
高齢者における生活リズムの調整に関するケア開発とその有効性を測定する指標の検討

本研究の目的は,看護の諸場面におけるケアの効果を,種々の指標によって多面的に評価するための指標の開発をすることと,同時にさまざまなケアを行うことによって人の身体あるいは心にどのような変化が起こるのかの基礎研究である。看護場面での生理指標として,内因性瞬目の可能性を検討した。また,睡眠と活動量についての相関について検証を行った。内因性瞬目については,乳児から高齢者まで看護の指標となるよう基準値が得られるよう測定を行った。その結果,乳児は平均02回/分,成人高齢者は20回/分前後であった。また,女性の瞬目率は40歳以降になると男性よりも有意に多かった。また,内因性瞬目は近年発達障害の指標としても使用されており,看護の中でも状態の観察の一項目として有用な指標と考えられた。睡眠については,夜間の病棟内の騒音と睡眠の程度について調査を行った。夜間の音の大きさは外科病棟,内科病棟ともに4047dBで,患者が目覚める原因となる音は大きさよりも,ナースコールや救急車の音であり,非日常的で病院特有な音が原因となっていた。また,患者の日中の活動量と睡眠状態の関連性については,療養高齢者の睡眠は,睡眠時間が長く,睡眠型は良好で,睡眠習慣が規則的である。療養高齢者の睡眠習慣と活動状況には,負の相関がある。療養高齢者の睡眠の質に対する主観的な評価と客観的な評価は異なっていて,客観的には悪いのだが,主観的には良好としている。本年度の全体的な目標は,(1)臨床場面でのケアとは何かという問題点の把握,(2)看護における典型的なケアの状況を実験室的に設定して生理指標の適用と評価をするための実験の遂行,(3)従来の研究で問題として浮かび上がっている瞬目の属性の利用可能性についての実験室的検討,(4)最新の技法である唾液に関する生化学的検査と免疫学的検査についてはまだ十分な技術の習得と知識の充実,(5)ビデオなどの画像資料の解析にかかわるプログラムの開発などを行うことであった.今年度は主に(4),(5)の唾液アミラーゼに関する資料収集と,測定方法の習得,ビデオなどの画像処理とそのデータの解析方法の開発をおこなった.唾液中のアミラーゼに関しては,一時的ストレスが測定値に反映するまでの時間は数分間と反応もよく,測定に使用可能と判断された.また,画像処理のプログラムもほぼ完成し,ビデオカメラで患者を測定し,その行動を分析するツールとして利用可能なところまで達したと考えられる.(1)については文献購読などの勉強会を行ってきたが,さらに学習が必要である.(2)については予備実験の準備段階で実験用の提示システムなどの構築を行っている.(3)について実験は実施できなかったが,今まで行ってきた実験のデータをもとに瞬目の属性についての分析の仕方などを検討した.さらに「Society for Psychophysiological Research 46^<th> Annual Meeting」において瞬目の属性の解析結果などを報告した.今年度は第一に生体センサーを使用して,生理指標としての瞬目および眼球運動の測定のためのソフトの開発と「瞬目の課題による変化」をテーマに測定方法の確認に関する研究を行った。測定方法については,第16回瞬き研究会の測定方法に関する部門で発表を行った。そのセンサーは2cm×2.5cm程度で身体につけても違和感なく,そのデータはコンピュータに無線で送られ,身体の拘束が生じないため,5m四方程度の室内ならば歩行も可能である。また,心拍数あるいは瞬目数さらには身体の動きを重力加速度でとらえることができるため,3次元で測定部位の動きをとらえることができるものである。今後,様々なシーンで生理指標を身体拘束なしに測定できるものとして利用できると確信している。「瞬目の課題による変化」については今後,学会発表予定である。さらに,入院中の患者の睡眠状態について,今年度は患者の状態,患者の行動と睡眠状態の関連性について調査研究を行った。その結果はまだ報告はしていないものの,興味深い結果が得られた。

それは状態の良い患者のほうが睡眠状態の自己満足度は低く,状態の悪い患者のほうが睡眠について満足度が高いものであった。看護職として「眠れない患者」について全身状態が悪い印象を持っていたが,その仮説は誤っていたことが検証された。今後は上記の生体センサーが有効に使用できることを確認したので,この睡眠状態と生体反応の関連性について検討していきたいと考えている。今年度は,学会発表を2件とそれに伴う論文を作成し,現在投稿中である。また,平成21年度には1件の学会発表の予定である。睡眠と瞬目の指標ともに,先行研究においても加齢と関係があると考えられている。そのため,生理指標の一つである瞬目を睡眠研究の基礎的研究として行ってきた。また,睡眠も瞬目も新生児から高齢者まで発達的変化を遂げることも知られている。1920年代頃より睡眠と瞬目については海外において数件の論文において検討されてきているが,REM睡眠とnon-REM睡眠と瞬目に関連する発達的変化については詳しく調べられていない。そのため,高齢者との比較研究のため新生児の瞬目に関する調査を一件,新生児から高齢者までの調査を一件行い学会発表および論文作成を行った。また,もう一件,病院に入院中の患者の環境と睡眠について今年度は基礎的な研究を行い,「夜間の病棟内の音の発生と睡眠への影響」というタイトルで日本看護学研究において学会発表を予定している。高齢者は睡眠が浅く,睡眠に対する充足感も低いことは一般的にも知られている。病院に入院中,あるいは施設内において,慣れない環境の中で眠ること,多人数の中で眠ることによって生活リズムが崩れたり,そのことによって病状が悪化してしまうことも考えられる。今年度が研究の期間の最終年となるが,看護におけるケアと睡眠の状況についてまでの研究には至らず,主に生理指標の確認作業である基礎的な研究に終始してしまった。期間は終了してしまうが,今後は,睡眠に対するケアについて,また,高齢者が身だしなみを整えることの大切さや生活リズムが睡眠の状態にどのように影響しているかについて研究を継続していく予定である。
ハドロン構造と反応に対した非摂動論的研究

本課題研究ではハドロンの非摂動論的性質を量子色力学(QCD)を基盤にする有効模型を利用して研究する。ここで、低エネルギハドロン物理で重要な役割を果たす非摂動論的QCD真空とカイラル対称性に注目する。本研究の方向は二つで、1)非摂動論的QCD真空のインスタントン解を用いたハドロン構造と2)有効ラグランジアン方法及びカイラル対称性を使ったハドロン反応の研究である。両方から得られた情報は互いにフィードバックされ、非摂動論的ハドロン物理の静的,動的情報の総合的な理解を深める。その上、今、関心が高まっている有限温度、密度でのハドロンの性質、カイラル対称性の回復、QCD相転位なども視野に入れて研究する。新しい要素としてはAdS/QCDとインスタントン物理との連関性、ヘービクォーク有効場理論とインスタントンの結び、非局所相互作用によるPolyakov線と非閉じ込めの研究などが考えられる。
インビトロタンパク質合成系を用いたリポソーム-細胞間ギャップ結合の形成とその応用

リポソームを用いた薬剤導入法の効率の低さや細胞毒性などの問題点を解決するため、インビトロタンパク合成系を用いて、ギャップ結合(GJ)の構成タンパク質であるコネキシン43(Cx43)をリポソーム内で発現させることにより作成したCx43発現リポソームの機能解析、および実用化への応用研究を行っている。このリポソームから培養細胞への物質導入効率を検討するため、リポソームを作成時にカルセインを加え、内部にカルセインを含むCx43発現リポソームを作成し、これをCx43発現細胞に添加した。添加2時間後、リポソームから細胞へのカルセインの移行が認められた。同様に、この系を用いてNF-κBシグナルを阻害するオリゴペプチドを培養細胞に投与したところIL-1β刺激に伴うNF-κBプロモーター活性の上昇、およびCyclooxygenase-2のmRNA発現量の上昇を優位に抑制した。これらの物質移行はCx43を発現していないリポソームやギャップ結合の阻害剤を前処理した場合には認められなかったことから、Cx43発現リポソームの投与によりリポソーム-細胞間に機能的なギャップ結合が形成されることが示唆された。さらに、Cxの別のサブタイプであるCx32を同様に発現させたリポソームで蛍光物質導入実験を行ったところ、Cx32発現培養細胞に対しては物質輸送が認められたのに対し、Cx43発現培養細胞に対してはそのような効果が認められなかった。Cxタンパク質には約20種類のサブタイプが存在し、発現パターンには組織特異性がある。したがって、本研究結果は将来的にvitroやvivoにおける組織・細胞選択的な薬剤導入への可能性を高めるものであり、今後さらに実用化に向け研究を継続する。リポソームを用いた薬剤導入法の効率の低さや細胞毒性などの問題点を解決するため、インビトロタンパク合成系を用いて、ギャップ結合(GJ)の構成タンパク質であるコネキシン43(Cx43)をリポソーム内で発現させることにより、Cx43を膜に組み込ませたリポソームを作成した。作成したリポソームを膜分画と上清に遠心分離し、ウェスタンブロットで検討したところ、Cx43タンパク質の大部分が膜分画において検出された。次に、このリポソームの物質導入効率を検討するため、リポソームを作成時にカルセインを加え、内部にカルセインを含むCx43発現リポソームを作成し、これをCx43発現細胞に添加した。この物質移行はCx43を発現していないリポソームやギャップ結合の阻害剤を前処理した場合には認められなかったことから、Cx43発現リポソームの投与によりリポソーム-細胞間に機能的なギャップ結合が形成されることが示唆された。さらに、この系を用いてNF-κBシグナルを阻害するオリゴペプチドを培養細胞に投与したところIL-1b刺激に伴うNF-κBプロモーター活性の上昇、およびCyclooxygenase-2のmRNA発現量の上昇を優位に抑制した。以上の結果から、Cx43発現リポソームを用いることでギャップ結合依存的に細胞内へ薬剤を導入することができ、新規DDSとしての可能性を見出すことができた。そこで、現在、Cx43とはギャップ結合の形成が認められないCx32の発現ベクターを作成し、リポソーム-細胞間ギャップ結合においてもサブタイプ選択性があるかどうかを検討している。本実験は将来、in vivoにおける組織特異的な薬剤導入を目指す上で重要な基礎実験となると考えている。

リポソームを用いた薬剤導入法の効率の低さや細胞毒性などの問題点を解決するため、インビトロタンパク合成系を用いて、ギャップ結合(GJ)の構成タンパク質であるコネキシン43(Cx43)をリポソーム内で発現させることにより作成したCx43発現リポソームの機能解析、および実用化への応用研究を行っている。このリポソームから培養細胞への物質導入効率を検討するため、リポソームを作成時にカルセインを加え、内部にカルセインを含むCx43発現リポソームを作成し、これをCx43発現細胞に添加した。添加2時間後、リポソームから細胞へのカルセインの移行が認められた。同様に、この系を用いてNF-κBシグナルを阻害するオリゴペプチドを培養細胞に投与したところIL-1β刺激に伴うNF-κBプロモーター活性の上昇、およびCyclooxygenase-2のmRNA発現量の上昇を優位に抑制した。これらの物質移行はCx43を発現していないリポソームやギャップ結合の阻害剤を前処理した場合には認められなかったことから、Cx43発現リポソームの投与によりリポソーム-細胞間に機能的なギャップ結合が形成されることが示唆された。さらに、Cxの別のサブタイプであるCx32を同様に発現させたリポソームで蛍光物質導入実験を行ったところ、Cx32発現培養細胞に対しては物質輸送が認められたのに対し、Cx43発現培養細胞に対してはそのような効果が認められなかった。Cxタンパク質には約20種類のサブタイプが存在し、発現パターンには組織特異性がある。したがって、本研究結果は将来的にvitroやvivoにおける組織・細胞選択的な薬剤導入への可能性を高めるものであり、今後さらに実用化に向け研究を継続する。
リン酸塩ガラスと有機分子の反応を利用した中温プロトン伝導体の作製

耐熱性の高いベンズイミダゾール(Blm)とリン酸亜鉛ガラス(ZPG)の反応を利用してプロトン伝導性ハイブリッド(ZPG/Blm)を合成した。ZPG/Blmは、100200°Cの中温域において粘稠性物質であり、200°C程度まで揮発しなかった。さらに、これとリン酸ジルコニウムナノ粒子との複合体を作製してプロトン伝導度を二桁向上させることに成功した。酸水素燃料電池として評価したところ、最大出力は150°C無加湿において、約111mW/cm2を示した。イミダゾールとリン酸亜鉛ガラスの反応を利用し、200°C付近まで熱的に安定で、10^<-3>S/cm程度の電導度を示すハイブリッド材料(ZnP/Im)を作製した。しかし、粘稠性で自立膜として使用できず、また活性化エネルギー(60kJ/mol)が大きい。そこで、キャリアー数の増加とそれに伴うプロトンドナーとしての役割を期待して、リン酸ジルコニウムナノ粒子の導入を試みた。溶融法により作製したZnO-P_2O_5ガラスを粉砕した粉末とイミダゾールとを混合して、130°Cで熱処理してZnP/Imを作製した。一方、ZrOCl_2・8H_2Oへ正リン酸を滴下し攪拌しながらZnP/Imを混合し、50160°Cで熱処理した。一軸加圧成型により作製された試料は、柔軟性のある透明で均一な厚さ150μm程度の自立膜として得られた。X線回折から、リン酸ジルコニウム(α-Zr(HPO_4)_2・H_2O)ナノ結晶が生成しており、さらに、その層間域を示すピークが大きくシフトしていることがわかった。イミダゾール分子のインターカレーションが考えられる。得られたハイブリッド材料において、160°Cでの電導度は3.6mS/cm、アレニウス式から求めた活性化エネルギーは16kJ/molであった。^<31>P MAS-NMRスペクトルでは、リン酸ジルコニウムに帰属されるピークが低磁場側へシフトしていたことから、イミダール分子がリン酸ジルコニウム表面のP-OH基と水素結合し、結果として、プロトネートされると推察された。また、^1H MAS-NMRスペクトルでは、OH基に帰属されるピークが低磁場側へシフトしていた。リン酸ジルコニウム結晶表面付近で、水素結合性が増し、プロトンキャリア数も増加していることが電導度向上と活性化エネルギー低下に寄与していると予想される。さらに、より耐熱性の高いベンゾイミダゾール(BIm)を用いてクラスターを合成し、これとリン酸ジルコニウムを複合したハイブリッドを作製する方法も検討をはじめ、熱処理温度を最適化すれば合成可能である見込みを得た。今後は、この系を中心に検討していく。本年度は、リン酸亜鉛ガラス/ベンゾイミダゾールハイブリッド材料(ZPG/BIm)、およびリン酸ジルコニウム粒子をZPG/BImに分散した材料(ZrP-ZPG/BIm)の構造評価と燃料電池特性ついて検討した。熱分析結果より、ZPG/BImは、中温域において粘稠性物質であり、200°C程度までの熱安定性を有する材料であった。FT-IRスペクトルおよび^<13>CMAS-NMRスペクトルより、試料中にはZn^<2+>イオンと結合しているベンゾイミダゾールとのクラスター、またベンゾイミダゾール同士で水素結合を形成しているクラスターが存在していることがわかった。さらに、^<31>P MAS-NMRスペクトルにおいて、試料中にはオルトリン酸やピロリン酸が存在しているおり、このリン酸グループがプロトン伝導に寄与していることも明らかになった。160190°Cで試料中のピロリン酸とベンゾイミダゾールとのクラスターを主にプロトン伝導が起き、190230°Cにおいてはオルトリン酸とベンゾイミダゾールのクラスター、さらにはベンゾイミダゾール同士のプロトン伝導が主に起こっているのではないかと考えている。ZrP-ZPG/BImは、塑性変形を有し、プレス成型することにより厚さ150μmの膜状に成型可能であり、160°C程度までの熱安定性を有する材料であった。試料中にはα-Zr(HPO_4)_2・H_2O粒子(13nm)が生成していた。^<31>P MAS-NMRスペクトルから、試料中のオルトリン酸は周囲のクラスターによって束縛された状態をとっており、^1H MAS-NMRスペクトルから、リン酸ジルコニウム粒子表面のP-OH基由来のプロトンが豊富に存在し、ベンゾイミダゾールと水素結合を形成していることが想像された。リン酸ジルコニウムナノ粒子添加により、電導度が大幅に向上し、活性化エネルギーの低下が見られた。現在、伝導機構の解明について検討を続けている。