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「総合的学習の時間」の単元カリキュラムの開発と理論モデルの構築に関する研究

1.「総合的な学習の時間」の単元カリキュラム開発の理論モデルの構築:伝統的な教科内容の理解や知識の蓄積でなく,身近な題材を出発点に,体験・実験観察・制作の課題探究の過程で,"発見と創造"の連鎖を繰り返しながら,"科学的な問い"と"課題探究能力"を獲得・育成を中核にしたトランスデシプリン(未知の知識・学問体系を創りあげる力)を目指す単元カリキュラム構成の理論モデルを提案した。2.小学校および中学校「総合的な学習の時間」の単元カリキュラムの開発:総合的学習の理論と実践例データベースを整理し,そのバックボーンに科学教育を置き,自然科学指向(物化生地を統合),社会指向(環境,エネルギー,危険,安全等),人間指向(遺伝・進化,健康等),技術指向(情報,製造等)を下位領域に,小学校・中学校9ケ年間の単元カリキュラムの構成試案を提案した。具体的には,(1)自然科学・環境への対応(a大気汚染,b水の汚染,c自然等),(2)情報教育への対応(情報処理の基礎,検索技術,ネットワーク活用等)等の総合的学習に相応しいカリキュラム開発と実践的試行を試みた。特に,子ども・教師にとって,未知の分野で課題に挑戦しながら課題解決していく探究能力形成を目的とする単元カリキュラム開発,インターネット利用の共同学習環境を整備した。3.「実験観察と探究と発見」を基盤にした新しい科学教育に対応した学習評価法の開発と試行:課題の現象の観察,実験観察を通し,現象を探究・発見しながら総合的な科学的知識や科学的探究能力,興味関心,探究的態度の形成過程,成長過程と指導の改善に役立てるオーセンティック評価(真正な評価,Authentic Assessment)のためのポートホリオ評価法(Portfolio Assesment)を試作・提案してきた。1.「総合的な学習の時間」の単元カリキュラム開発の理論モデルの構築学問中心の教科の教育内容や知識内容の理解の教育でなく,「生きる力」に結びつく課題探究能力,「智恵」の育成を目指し,子ども達の身近な題材を出発点に,単なる智恵の育成に留まらず,体験・実験観察・制作の課題探究の過程で,“発見と創造"の連鎖の中で,基幹となる“科学的な問い"の知識を獲得・体系化し,主体的に取り組む,学びを支援する「総合的な学習の時間」の単元カリキュラムの理論モデル構築の枠組み提案した。2.および3.小学校および中学校「総合的な学習の時間」の単元カリキュラムの開発(1)の視点で,小学校と中学校レベルの単元カリキュラム開発・教材開発の研究班に分け,I環境への対応(a大気汚染,b水の汚染,c自然と親しもう),II情報化への対応(a表計算ソフトの活用,bシミュレーションソフトの活用,cプレゼンティション用ソフトの活用,d検索ソフトの活用,fネットワークソフトの活用),III人の体について学ぶ(a感覚機関などの体のつくりについて),IVものづくりを通して学ぶ(a電気に関するものづくり,b化学についてのものづくり,c力学・光学・音に関するものづくり,c生物にかんするもの,e天文に関するもの)に分け,子ども・教師にとって既知の知識を総合化する,また,未知の分野,未踏の分野での課題に挑戦しながら課題解決していく探究能力形成を目的とする単元カリキュラム開発を行ってきた。4.「総合的な学習の時間」の評価と指導:伝統的な学問の概念体系,内容体系から導かれる教育評価と指導ではなく,(1)の立場に立ち,体験・実験観察・制作を通して形成される科学的探究能力,総合的な科学的認識,興味関心,探究的態度の形成過程を評価・指導するフレームワークと評価方法の試案の構想を固めた。

1.「総合的な学習の時間」の単元カリキュラム開発の理論モデルの構築:伝統的な教科内容の理解や知識の蓄積でなく,身近な題材を出発点に,体験・実験観察・制作の課題探究の過程で,"発見と創造"の連鎖を繰り返しながら,"科学的な問い"と"課題探究能力"を獲得・育成を中核にしたトランスデシプリン(未知の知識・学問体系を創りあげる力)を目指す単元カリキュラム構成の理論モデルを提案した.2.小学校および中学校「総合的な学習の時間」の単元カリキュラムの開発・総合的学習の理論と実践例データベースを整理し,そのバックボーンに科学教育を置き,自然科学指向(物化生地を統合),社会指向(環境,エネルギー,危険,安全等),人間指向(遺伝・進化,健康等),技術指向(情報,製造等)を下位領域に,小学校・中学校9ケ年間の単元カリキュラムの構成試案を提案した。具体的には,(1)自然科学・環境への対応(a大気汚染,b水の汚染,c自然等),(2)情報教育への対応(情報処理の基礎,検索技術,ネットワーク活用等)等の総合的学習に相応しいカリキュラム開発と実践的試行を試みた。特に,子ども・教師にとって,未知の分野で課題に挑戦しながら課題解決していく探究能力形成を目的とする単元カリキュラム開発,インターネット利用の共同学習環境を整備した。3.「実験観察と探究と発見」を基盤にした新しい科学教育に対応した学習評価法の開発と試行:課題の現象の観察,実験観察を通し,現象を探究・発見しながら総合的な科学的知識や科学的探究能力,興味関心,探究的態度の形成過程,成長過程と指導の改善に役立てるオーセンティック評価(真正な評価,Authentic Assessment)のためのポートホリオ評価法(Portfolio Assesment)を試作・提案してきた。
条件的活性型Ras発現マウス作製による発がん機構の解析

発がんの分子機構は、遺伝子変異に始まる多段階発がんモデルが提唱されているものの、がん特異的なゲノムの変異の出現機序については今だ明らかにされていない。発がん機構に関する詳細な解析のためには、時空間的に制御された発がんモデル動物の開発が必要である。ras遺伝子は、活性型Rasタンパク質により、がんが引き起こされることが知られており、H-rasは膀胱がん、肺がん、皮膚がん、K-rasは大腸がん、膵がん、N-rasは血液がんでの変異率が高い。そこで、活性型ras遺伝子を発現するトランスジェニックマウスを作製し、遺伝子発現のon/offが可能なCre-loxPシステムを用い、Creを作用させることにより活性型Rasの発現に始まる発がんの細胞現象の解析を行なった。その結果、Creを作用させることで導入活性型ras遺伝子が発現した四肢の表皮には大きな乳頭腫が発生したが、長期間を経ても、悪性化は起こらなかった。一方、同様に活性型Rasタンパク質を発現しているに拘わらず、脳の海馬では、細胞の増殖は認められず、Rasタンパク質組織によって、の役割が異なっていることが示唆された。発がんの分子機構を明らかにするとともに、その防御機構を知るためには、発がん物質の検出系を開発することが重要である。本研究ではヒトで多くのがんとの関与が明らかにされているヒトプロト型K-rasゲノムを導入したトランスジェニックマウスを作製することに成功し、今後の発がん検定系として樹立したい。
炭素同位体を用いた地球表層のメタン循環の解明

大気中のメタンの循環を解明するために、まず、その安定炭素同位体比を精密に測定する技術を開発した。メタンを二酸化炭素へ変換するために白金-アルミナを用いた自動変換装置を製作し、変換効率が99.9%であることを確認した。また、炭素同位体比の値が既知である精製空気を本装置で精製し、得られた二酸化炭素を質量分析計を用いて分析することによって、総合精度が0.07パ-ミルであることを確認した。使用した大気試料は約3Lであり、従来の研究において必要とされた量の1/5に減ずることができた。本装置を用いて、ロシア中央気象観測局の協力を得てロシア上空の対流圏各層で採取された大気試料を分析し、観測の大きな空白域となっていたこの地域のメタンの炭素同位体比を初めて測定した。特に、湿地と化石燃料起源のメタンが定量的にも明瞭に区別できることを示した。また、日本上空の対流圏で採集された大気試料、および日本上空の成層圏の14km-35km間で採集された大気試料についても分析した。その結果、炭素同位体比は対流圏では約-48‰であり、成層圏においては、濃度とは対照的に高度と共に増加し、35kmで約-38.5‰であることが明らかとなった。このような高度分布の原因を明らかにするために、1次元光化学-拡散モデルを開発し、メタンの炭素同位体比の高度分布を計算したところ、主な成層圏におけるメタンの消滅源はOHとの反応であるが、炭素同位体比の高度分布にとってはC1との反応が特に重要であることが分かった。なお、成層圏でのC1との反応によるメタンの消滅量は10-15%と推定された。さらに、対流圏のメタン収支の解明に炭素同位体比を利用するために、2次元メタン循環モデルに炭素同位体の発生・消滅過程を組み込み、濃度と同位体比の緯度分布を解析することによって、近年の地球表層のメタンの発生量および消滅量を評価した。平成7年度は当初に計画した通りに研究を実施した。すなわち、(1)小型の耐圧型試料容器を製作し、試料の変質が生じないことを確認した、(2)白金-アルミナを用いた自動メタン変換装置を製作し、変換効率が99.9%と極めて高いことを確認した、(3)現有設備であるメタン濃度分析装置、質量分析計及び本研究で製作した自動メタン変換装置を用いて、航空機や大気球によって採集した試料大気のメタン濃度とその炭素同位体比をそれぞれ1ppbvと0.02パ-ミルの精度で測定した、(4)既に開発している二次元大気輸送-化学過程メタン循環モデルを改良し、濃度に加えて炭素同位体の交換過程を組み込んだ。これらの研究を通して、従来の約1/5と極めて少ない試料量で高精度の分析が可能な装置を製作することができ、試料採集における制約が大幅に改善された。また、ロシアにおける大気中のメタン濃度と炭素同位体比を初めて測定し、湿地と化石燃料起源のメタンが明瞭に区別できることを示した。一方、メタンから変換された二酸化炭素が白金-アルミナのペレットに吸着されたり、以前に吸着された二酸化炭素が離脱することによって、求める結果に影響を与えることも判明した。これらの影響は、予め炭素同位体比の値が分ったテスト空気を試料の前後に分析することによって補正したが、1つの試料の炭素同位体比の分析に非常に長い時間を要するという結果となった。

平成8年度には試料の分析速度を早めるために、幾つかの白金-アルミナのペレットを使用し、このような効果のないものを選ぶ予定である。日本上空の対流圏各層で航空機を用いて採集された大気試料、および日本上空の成層圏の14km-35km間の11高度で1994年8月31日に採集された大気試料についてメタンの安定炭素同位体比を測定した。その結果、炭素同位体比は対流圏では約-48%であり、成層圏においては、濃度とは対照的に高度と共に増加し、35kmで約-38.5%であることを示した。1次元光化学一拡散モデルを開発し、メタンの炭素同位体比の高度分布を計算したところ、主な成層圏におけるメタンの消滅源はOHとの反応であるが、炭素同位体比の高度分布にとってはClとの反応が特に重要であることが分かった。なお、成層圏でのClとの反応によるメタンの消滅量は10-15%と推測された。対流圏のメタン収支の評価に炭素同位体比を利用するために、昨年度に開発した2次元メタン循環モデルに炭素同位体の発生・消滅過程を組み込み、濃度と同位体比の緯度分布を解析することによって、近年の地球表層のメタンの発生量および消滅量を評価した。大気中のメタンの起源を解明するためには、安定炭素同位体比に加え放射性炭素同位体比が有効な情報をもたらす。そこで、メタンの放射性炭素同位体比を加速器質量分析計で測定するために、1000Lの大気試料を冷却した活性炭を通し濃縮する装置を新たに製作した。本装置によって仙台市内での都市大気と太平洋上でのバックグラウンド大気を濃縮し、メタンの放射性炭素同位体比を測定するために、平成7年度に完成させたメタン酸化装置を用いて二酸化炭素に変換した。
近藤絶縁体の理論

最近、Ce_3Bi_4Pt_3に代表される近藤絶縁体と呼ばれる新しい物質群が注目を集めている。本研究では、近藤絶縁体を格子アンダーソン模型を用いて理論的に調べた。本研究代表者はこれまでの研究で、この模型を軌道縮重度Nが大きな極限でもサイト間相関効果が十分に取り込める形に修正して、N→∞の極限で局所拘束条件を満たす厳密な1粒子グリーン関数を与える自己無撞着積分方程式を導き、この方程式を数値的に解くことにより重い電子系の振舞いを全温度領域で統一的に記述した(Y.Ono et al.:J.Phys.Soc.Jpn.60(1991)3475)。この自己無撞着積分方程式を近藤絶縁体を導くパラメータ領域に対して数値的に解くことにより、以下の結果を得た。1.伝導電子とf電子の総数がユニットセルあたり2個(一般には偶数)の時、この系は近藤絶縁体として振る舞う。2.高温T>E_0では、電気抵抗の対数温度依存性や帯磁率のキュリーワイス則など、近藤効果の特徴を示す。ここで、E_0はスレーブボソンの共鳴準位のエネルギーで、不純物近藤模型における近藤温度T_Kに対応する。3.低温T>E_0では、化学ポテンシャルは混成ギャップの中に入り絶縁体となる。このとき電気抵抗は熱活性型となり、帯磁率は温度の低下とともに減少しT=0で零となる。4.混成ギャップは温度の上昇とともに小さくなり、T>E_0で擬ギャップ構造に移り変わる。また、伝導電子とf電子の総数がユニットセルあたり1個(一般には奇数)の時に実現する電荷移動型絶縁体との比較検討も行った。
数値解析シミュレーションによる高周波アシスト磁気記録ヘッドの提案

現在市販されている,高周波アシスト(MAMR)用ではない垂直ヘッドは主磁極(MP)およびトレーリングシールド(TS)が,強い記録磁界と急峻な磁界勾配を得るために媒体に対して斜めであり,MPーTSのギャップ(MP-TS gap)も斜めである.よってスピントルク発振素子(STO)も媒体に対して斜めの構造となるのが自然である.この斜め構造を前提に,強い高周波磁界を得るため,高周波発振層(FGL)がヘッド媒体摺動面(ABS)に露出する構造を検討した.この構造のSTOは矩形ではなく,台形であり,矩形STOと比べると体積が小さい.スピン注入層(SIL)が台形の短辺側にある,体積が小さい構造は注入されるスピンが不足し,FGLは安定に発振しないことを見出した(成果).また,この構造は電流の素子の両端に電圧を加えると,電極の面積が異なるため,素子の中で電流密度が一定ではない.STOの媒体に対しての傾きは,主磁極から発生する磁界強度とトレードオフの関係にあるが,発生する高周波磁界の強度も考えると15度程度の角度が妥当であることを述べた(成果).平成29年度までは,STO素子のみの孤立モデルおよびSTO素子と記録ヘッドの統合モデルを検討し,媒体の記録シミュレーションは切り離して行ってきた.平成30年度はこれらを一括して取り扱い,シミュレーションの近似度合いを上げて,実際に近いモデルで検討を行った.STOの回転は媒体の存在によりわずかに変化するものの,ほとんど影響がないことを予測した(成果).しかしながら,計算時間の問題から現状のソフトウェアおよびハードウェアでは媒体信号対雑音比(SNR)などを求めることは不可能であることを示した.申請時の目標としていた面密度4テラビット/平方インチ,記録周波数2GHzの記録は2次元平面では条件を見出せず,3次元記録の検討が必要であることを述べた.高周波発振素子(STO)は高周波アシスト磁気記録(MAMR)において最も重要な構成要素であり,STOが安定に発振することはMAMRの必須条件である.平成28年度は,より一般的である,媒体に対して垂直なSTOを検討した.記録ヘッドに組み込まないSTO(孤立STO)は,STO膜面に垂直で一様な交流磁界を加えると,磁界の強度に比例した周波数で発振する.具体的には,30nm ×30nm ×10nmのSTO素子では9kOeから14kOe程度の印可磁界(STO膜面の中心)で発振する.しかし,STOを記録ヘッドに組み込んだ場合(統合STO),記録ヘッド主磁極ートレーリングシールド間の磁界(ギャップ中磁界)はSTO膜面で不均一であり,孤立STOが発振する磁界強度(9kOeから14kOe)では発振せず,17kOe程度の強い磁界を加えないと発振しないことが分かった.この値(17kOe)は統合モデルでコイルに直流電流を流した場合にSTOが安定に発振する磁界(10kOe)と比べてもはるかに大きい.また,高周波発振層(FGL)の材料(ギルバートのダンピング定数,交換定数,飽和磁束密度)によっても安定な発振を得る可能性を示したが,磁界強度が最も大きな因子であることを示した.これはSTOを安定に発振させるためには,まず記録ヘッドを最適化せねばならないことを示しており,強い磁界を得る方策を示した.さらに,MAMRを用いた3次元記録に関し,ヘッドに近い側から順に20GHz, 46GHz, 80GHzの高周波磁界を加え,適当なexchange-coupled-composite (ECC)媒体を用いると3層に異なった信号を記憶でき,理想的には3倍の面密度を実現できることを示した.記録ヘッドに組み込んだ垂直構造のSTO(統合STO)が安定に発振する条件を検討した.平成27年度以前は統合STOでコイル電流に交流磁界を加え,FGLの飽和磁束密度を20kG以上とした場合には安定した発振を得ることができなかった.孤立STOでは適当なFGLの材料特性(ギルバートのダンピング定数,交換定数または飽和磁束密度)によっても安定な発振を得ることが可能であるが,統合STOでは加える磁界が十分な強度であることが安定な発振のためには必須であることを示した.磁界強度が十分であれば,FGLとSILからなる2層構造のSTOは,透過あるいは反射のスピントルクを利用したいずれの場合も,安定した発振を得ることができる.また,FGLを両側からスピン注入層(SIL)で挟んだ3層構造のSTOに対しても安定な発振を得た.ただし,低い電流密度で発振する構造や材料は検討していない.また,平成28年度は斜め構造STOは検討していない.MAMRによる3次元記録の可能性を検討し,媒体の強磁性共鳴を引き起こす周波数について検討した.

ヘッドに近い側から順に20GHz, 46GHz, 80GHzの高周波磁界を加え,適当なexchange-coupled-composite (ECC)媒体を用いると3層に異なった信号を記録でき,理想的には3倍の面記録密度を実現できることを示した.ただし,46GHzおよび80GHzなる高周波でSTOが安定に発振する構造や材料を提案することは平成29年度以降の検討課題である.使用ソフトウェアに関し,自作ソフトウェアはデータ作成,結果表示などの使い勝手が悪く,また,直方体と立方体しか使えないため複雑な形状への適応性が悪く,市販ソフトを中心に用いて解析を行ってきた.以上の通り,予定以上に進んだ内容もあれば,予定よりも遅れている課題もあり,総合的に判断して概ね順調に推移していると判断する.記録ヘッドは高い線記録密度を得るために,発生する磁界の勾配を高く保たねばならない.そのため,ギャップを狭めることは必須であり,最新の高周波アシスト用ではない市販品はギャップ長が20 nm以下である.これまでのモデル計算ではギャップ長を30 nmとしていたが高周波アシスト用記録ヘッドも20 nm以下として研究を進めた.また高トラック密度化のためサイドシールドも配した(成果).一方,狭いギャップにより,記録ヘッドースピントルク発振素子(spin torque oscillator: STO)の相互作用は強くなり,STOは発振し難くい.上記の観点から,厚い高周波発振層(field generation layer: FGL)や三層構造のSTOよりも構造が簡単な二層の素子が好ましい.このうち,反射のスピントルクを利用したSTOはスピン注入層を厚くせねばならないため透過のスピントルクを利用したSTOが望ましい.面積の大きなSTOは安定な発振を得にくい.一方,たとえば20nm ×20 nm ×10 nmのFGLは安定な回転を得やすい(成果).面積の小さなSTOは発振磁界強度の面で不利であると考えられてきたが,FGLの面積による発振磁界の強度に顕著な差異は見られないことを明らかにした(成果).これは磁界強度が磁化から観測点までの距離の2乗に反比例するためであり,少なくともFGLの面積に比例して発振磁界強度が低下することはない.記録ヘッドは,強い磁界を発生させるために,主磁極にテーパーがある.そのため,STOは媒体面に対して斜めの構造(斜めSTO)になることは避けられない.斜めSTOのトレーリングシールド面(ギャップ側)を主磁極面(ギャップ側)よりも傾け,STOをシールド面と同じ角度だけ傾けた構造は,矩形である限り,安定に発振することを見出した(成果).(1)ギャップ長を狭くする,サイドシールドを配するなど,ライトヘッドモデルの構造を市販品に近付けて検討した.そのため,STOが安定に発振する条件が大きく変わり,最初からデータを積み重ねることにした.(2)計画を立てた段階では強い高周波磁界を得るために,面積の大きなSTOを使わねばならないとの常識にとらわれていたが,面積は記録位置における高周波磁界の強度に大きな影響を与えないことを明らかにした.さらに,面積の小さなSTOは低い印加電流密度でも安定に発振することを見出した.(3)斜めギャップ中に,ギャップの傾きとは異なる角度のSTOを挿入し,安定して発振することを見出した.このときSTOの形状は四角柱ではなく,素子中を流れる電流密度も一定ではない.今後はこの点を考慮せねばならない.(4)当初は予定していなかった3次元記録に対しての可能性を見出した.その結果,面記録密度は大幅に向上すると思われる.(5)STO単独の素子,記録ヘッドのギャップに挿入したSTO(2層媒体の軟磁性裏打ち層を考慮)した解析シミュレーションに加え,媒体記録層を考慮したモデル計算を開始した.平成30年度中には十分なデータが得られると考える.(6)ソフトウェアの開発は断念した.自作ソフトウェアはデータ作成,結果表示などの使い勝手が悪く,モデル計算の効率が非常に悪かった.また,直方体と立方体しか使えないため複雑な形状への適応性が悪く,平成29年度はもっぱら市販ソフトを用いて解析を行った.
染色体間ドメインの制御と核形態の定量的解析

細胞核内では、転写やRNAのプロセッシングなど生命活動に重要な事象が、複雑な制御を受けながら起こる。これを反映し、核内は高度に組織化され、染色体間領域には様々な核内構造体が存在する。しかし、その形成や制御機構は不明である。細胞の増殖・分化、疾患において、細胞核形態はダイナミックに変動し、同時に遺伝子発現プロファイルが変動する。がんを含む疾患では、特に核の形態変化が診断基準に使われる場合もあるものの、その分子機序は不明で、理解するためには、核形態の客観的な計測システムを確立することが極めて重要である。本研究課題では、画像解析技術の確立とともに、細胞核内構造の機能と形成メカニズムを解明し、細胞核の意義を理解することを目的とした。具体的内容は下記のとおりである。1.siRNAスクリーニングによりRCC1-Ran-RanBP2の核-細胞質輸送システムが、細胞分裂後の核スペックル再構築に働くことを見出した。また、リン酸化型SRタンパク質の正常な核内斑状分布が、選択的スプライシングに重要であることを見出した。核内構造体の構築を介した遺伝子の発現が核-細胞質輸送システムにより制御される、という新たな概念を創出した。また、マウス個体において、核スペックルの形成が分化にしただって制御されていることを見出した。2.細胞イメージのハイコンテント解析装置(イメージサイトメーター)を用いて、核スペックル、核膜、カハールボディ、染色体など核内構造体を自動認識させ、定量、評価する方法を確立した。細胞診断補助への応用を考慮しながら、がん細胞・組織幹細胞に応用し、それぞれを特徴づける形態を抽出した。3.コンピュータ教育型の新規パターン認識プログラムを用いて、細胞形態の分類、定量化を行った。疾患組織画像などに応用し、イメージインフォーマティクスの確立に貢献した。細胞核はゲノムの微小環境を形成、変換することにより遺伝子発現を制御する、高次エピジェネティクスメカニズムのひとつである。本研究は、細胞核内構造の形態、機能と形成メカニズムを解明することにより、遺伝子の発現制御における細胞核の意義を理解することを目的としている。(テーマ1)核内構造体の形成機構と機能の解明部分的siRNAスクリーニングによりRan-RanBP2の核-細胞質輸送システムが、核スペックル構成因子であるSRタンパク質群のG1期における核内斑状様の分布に関わることを見出した。また、この過程がSRタンパク質の細胞周期に特異的なリン酸化の制御下にあることを見出した。さらに、スプライシング因子であるSRタンパク質の正常な核内分布が、選択的スプライシングに重要であることを明らかにした。核内構造体の構築、さらには遺伝子の発現が核-細胞質輸送システムにより制御される、新たな概念を創出した。(テーマ2)遺伝子の核内における空間配置機構の解明乳癌の発生・増殖に女性ホルモンのエストロゲンおよびエストロゲン受容体が重要な働きをしている。乳癌組織においてエストロゲン受容体遺伝子(ESR1)が遺伝子増幅様の特殊な形態を示す場合がある。本研究では乳癌由来細胞を用いて、3次元DNA/RNA蛍光in situハイブリダイゼーション(3D-FISH)により、ESR1遺伝子の構築の変動と細胞核内における局在の相関関係の解明を行った。(テーマ3)核構造形態変化の定量・計測およびイメージインフォーマティクスの確立細胞イメージのハイコンテント解析装置を用いて、細胞核内構造体および染色体の形態を定量化解析を行い、核スペックル、核膜、カハールボデイーを自動認識、定量するためのプログラムソフトウエアを確立し、組織、細胞画像に適用した。
紫外レーザーを用いたホウケイ酸塩ガラスの光誘起高密度化の評価と塑性変形挙動

ホウケイ酸塩ガラスに深紫外レーザーを照射することにより,局所的に高密度化したガラスを作製し,その構造をラマン分光法により評価することができた。得られたガラスの構造は,ダイヤモンド圧子を用いて局所的に密度上昇させたガラスの構造と類似していたことから,ガラスの光誘起高密度化を確認することができた。さらに,この光誘起構造と,ファイバー曲げ試験により引張り・圧縮応力を負荷したガラスの構造を比較し,その特徴を明確化させるとともに,深紫外レーザー照射により負圧下のガラス構造を凍結できることを示した。研究初年度である今年度は,ホウケイ酸塩ガラスにおける「応力誘起高密度化のガラス組成依存性の評価」を目的として研究を進めた。圧縮応力下における構造変化のみならず,ファイバー曲げ試験による引張り応力下におけるガラスの構造変化にも着目して実験を行い,圧縮応力と引張り応力では異なる構造変化が生じることを明らかにした。ガラスは破壊直前に局所的に高い応力が負荷されるため,高応力下での構造変化を理解することは,ガラスの破壊現象を理解するために重要である。さらに,応力下での構造変化は,空隙などの構造自由度と関係するため,次年度以降の光誘起構造変化の研究に適したガラス組成を探索するためにも重要な特性である。圧縮応力下の試験については,種々のホウケイ酸塩ガラスにダイヤモンド圧子を用いて押し込み試験を行い,全押し込み変形に対する高密度化変形の割合を評価した。高密度化による体積収縮は,ガラス転移温度近傍の熱処理により緩和するため,熱処理前後の押し込み変形痕の体積から,高密度化変形の割合を決定できる。その結果,ホウ素を含有するガラスの高密度化割合は,3配位ホウ素の存在比と関係していることを明らかにした。一方,ファイバー試料を用いた曲げ試験では,破断面近傍の引張り応力付加部位の構造をラマン分光法により評価した。その結果,ホウケイ酸塩ガラスは,引張り応力下でも構造変化を示し,その挙動は圧縮応力による場合とは異なることが分かった。圧縮応力下では,Si-O-Si結合の平均結合角の減少と対応する永久構造変化が生じるのに対し,引張り応力下では平均結合角の増大が起こることを初めて明らかにした。さらに,ホウ素を含有するガラスは応力誘起構造変化が顕著であり,破壊前の非弾性的な変形が起こり易いガラスであると言えた。研究2年目であるH23年度は,ホウケイ酸塩ガラスの深紫外レーザー照射の効果を評価することを目的として研究を進めた。深紫外レーザー照射装置を用いて,市販のホウケイ酸塩ガラス板に波長248mmの深紫外レーザーを直径約0.1mmの領域に照射した。照射前後で顕微ラマンスペクトル測定を行ったところ,Si-O-Si結合の変角振動モードに帰属されるラマン散乱ピークがレーザー照射により,わずか(1cm-<-1>)ではあるが高波数側にシフトし,Si-O-Si結合の平均結合角が減少するというガラスの永久高密度化に特徴的な現象が確認できた。一方,レーザー照射実験で用いたケイ酸塩ガラス試料に,ダイヤモンド圧子を用いて押し込み変形痕を形成させ,変形痕に深紫外レーザー照射を行った。その結果,押し込み応力により高密度化された領域が構造緩和し密度が低下することがラマンスペクトルの変化から示唆された。また,この構造緩和は熱処理による高密度化の緩和と比べて,ラマンスペクトルの変化という点では類似していたが,高密度化された圧痕体積の回復という点ではその変化が小さいことが分かった。すなわち,高密度化されたガラスは,熱処理と深紫外レーザー照射により,それぞれ異なるガラス構造へと変化することが示唆された。レーザー照射による構造変化と併せてガラスの応力による変形挙動についても研究を進め,ホウケイ酸塩ガラスファイバーの破壊時の永久構造変化についての成果を取りまとめ,押し込み変形痕周囲の応力をその場測定する方法を確立した。研究最終年度であるH24年度は,ホウケイ酸塩ガラスファイバーへの深紫外レーザー照射効果の評価を主たる目的とした。ファイバーという形状を生かして,U字曲げ試験により高応力をガラスに負荷し,負荷応力が紫外線照射効果に与える影響を評価した。本研究では,外因性の傷を有しないガラスファイバーを試料として用いることで,室温において1 GPaを超える応力負荷に成功し,応力を負荷した状態で紫外線照射を行うことができた。その結果,次の成果が得られた。・ホウケイ酸塩ガラスファイバーに深紫外レーザーを照射すると,バルクガラスと同様にラマンスペクトルが変化することが分かった。このスペクトル変化は,ダイヤモンド圧子を用いた押し込み変形部位のそれと類似していた。さらに,種々の永久高密度化ガラスのラマンスペクトル測定により,紫外レーザー照射によるラマンスペクトルの変化が密度上昇によるものであることを明らかにし,残留する永久変形を実験的に測定する手法を確立した。・1 GPa程度の高応力を負荷した状態で深紫外レーザーを照射すると,引張応力負荷部で除荷後密度低下を示唆する構造変化が認められることが明らかとなった。

特に後者の研究成果は,GPa級の高応力の負荷と紫外線照射という2つの外場の効果により,室温でガラスの引張変形を凍結させた初めての例と言える。しかし,実験結果の定性的な再現性は認められるものの,ラマンスペクトルの変化には実験条件や測定箇所依存性があり,定量的な議論を行うには至らなかった。また,この現象が認められたガラスは,商業用の多成分ガラスであるため,現象の化学的原因を考察することは困難であった。現在,永久構造変形の原子レベルでの要因を考察すべく単純組成ガラスを用いた研究を継続して進めている。当初は,研究2年目のH23年度にファイバー試料へのレーザー照射を行う予定であったが,レーザーの不調等のトラブルのために,バルクガラスについて照射条件を確立するにとどまり,ファイバーへの照射実験までには至らなかったため。24年度が最終年度であるため、記入しない。研究初年度におけるホウケイ酸塩ガラスの応力下での永久変形挙動に関する成果,ならびに次年度の紫外レーザー照射によるガラスの構造変化に関する知見に基づき,ガラスファイバーを室温で永久構造変化させる条件を探索する。そのために,ホウケイ酸塩ガラスファイバーについて紫外レーザー照射による構造変化を評価するとともに,電子線照射も併せて行い,紫外線や電子線の照射が永久構造変化に与える影響を定量的に評価する。
海洋生物からのバイオナノファイバーの製造および透明な高機能性ナノ複合材料の創製

キチンナノファイバーの簡便な調整方法を見出した。カニ殻からタンパク質と炭酸カルシウムを除去した後、酸性条件下においてグラインダーで解繊することにより調製できる。得られるナノファイバーは均一で幅が1020ナノと極めて細く、高アスペクト比である。この方法はエビ殻にも適用可能である。また、本法はカニ殻に内包されるキチンナノファイバーをありのままの状態で単離できるため、本来の結晶構造や形状が維持されている。また、キチンナノファイバーでアクリル樹脂を補強した複合材料の作成に成功した。この複合フィルムはキチンナノファイバーのサイズ効果により透明である。また、物性に優れるキチンナノファイバーの補強効果により、アクリル樹脂の強度、弾性率を大幅に向上させ、線熱膨張係数を大幅に低下させることができた。基盤Cキチンナノファイバーの簡便な調整方法を見出した。申請者らは平成20年度の科学研究費補助金の助成を受け、世界に先駆けて、カニやエビの殻に含まれるキチン質のナノファイバーを簡便かつ大量に抽出することに成功した。エビやカニの殻は極めて細く均質なキチンナノファイバーと、その隙間を満たすマトリクス成分(タンパク質と炭酸カルシウム)で構成されている。そこで、まずはエビ殻を原料として用い、水酸化ナトリウムおよび塩酸で処理することによって、上記のマトリクス成分を取り除いた後、精製したキチンをグラインダーで解繊したところ、幅10-20nmの極めて細く、均質なナノファイバーを得ることに成功した。また、酢酸を添加することによって、解繊効率が一層向上することを見出し、構造のより複雑なカニ殻からも均質なナノファイバーを単離することに成功した。本方法はカニやエビが外皮に蓄えているナノファイバーをありのままの形状で抽出することができる画期的な方法であり、従来の方法と比較して、化学的変性を受けておらず、繊維の細さ、均質性、アスペクト比、簡便性、製造コスト等の面で優れている。キチンは生体適合性や生分解性を有し、止血、創傷治癒、抗炎症作用、掻痒抑制など多彩な機能を備えていることが知られている。また、キチンナノファイバーは伸びきり鎖結晶で構成されているため、優れた物性を備えている。よって、機能と物性を兼ね備えたキチンナノファイバーは、医療や複合材料分野を中心とした幅広い利用が期待される。ナノファイバーの製造方法は従来の工業的なキチン精製方法に則っており、実用化に向けて低コストで大量生産が可能であり、この微細な繊維の利用開発はこれまで大量に廃棄されて来た、カニやエビの殻の有効利用に繋がる。本成果は既に、特許出願によって知的財産権を確保しており、学術論文や国際学会において発表をしている。日本は世界一のカニ、エビの消費大国であり、今後、日本がリーダーシップを取ってキチンナノファイバー研究分野を牽引していくと期待している。申請者は昨年度に世界に先駆けて、カニやエビの殻に内包されるキチン質のナノファイバーを単離することに成功した。今年度は科学研究費助成金を受けて、より効率的なナノファイバー製造技術の確立に成功した。すなわち、既に精製してある市販の乾燥キチン粉末から静電的な反発力を利用して容易にナノファイバーへと変換することが出来た。軽く、嵩が少なく、腐らない乾燥キチン粉末から速やかにナノファイバーが製造可能であるため、ナノファイバーの輸送、貯蔵、保管が容易であり、安定供給と低コスト化を図ることができるため、事業化の面で非常に有利である。次いで、大量かつ簡便にナノファイバーが得られたことを受けて、キチンナノファイバーを補強繊維としたプラスチックフィルムの開発を行った。キチンナノファイバーをシート状に成型した後、アクリル系の樹脂と複合化した。得られた複合フィルムの光透過率は約90%であり、極めて透明性が高かった。これはナノファイバーの繊維系がわずか10-20ナノであり、可視光の波長(400-800ナノ)よりも圧倒的に細いため、光の散乱が生じにくいためである。また、このナノファイバーは伸びきり鎖結晶性の繊維であるため、物性に優れまた、低熱膨張であるため、補強効果により樹脂の熱膨脹を85%も抑えることに成功した。一般的にプラスチックは高熱膨張であるため、低熱膨張性の透明プラスチックフィルムは、フレキシブルディスプレイ等の光学材料用の基板としての用途が考えられる。キチンナノファイバーを補強繊維として配合した多彩なプラスチックフィルムを調製した。物性に優れるキチンナノファイバーの補強効果によって、いずれのプラスチックにおいても強度、弾性率が大幅に向上させ、一方で線熱膨張係数を大幅に抑制することに成功した。さらにキチンナノファイバーが有機無機ハイブリッド素材の物性向上にも有効であることを見出した。

さらに、キチンナノファイバーの表面をアセチル基で修飾することにより、その複合フィルムの吸湿性を半分に低減することに成功した。キチンナノファイバーをアクリル酸でグラフトすることにより、アルカリ溶液への分散性を高めることに成功した。また、脱アセチル化反応により、キチンをキトサンに変換し、水への分散性を向上させることに成功した。これらの知見はキチンナノファイバーの配合効率を高める目的において有用である。なお、これらの反応は表面でのみ進行しているため、キチンナノファイバーの特徴的な物性を損なうものではない。キチンナノファイバーの生体への効果効用について検証し、皮膚の表皮厚を増大し、皮下の抗原繊維を向上することを見出した。この知見はすなわちアンチエイジング効果を示唆するものであり、キチンナノファイバーを配合したフィルムの利用の拡大が期待される。基盤C
原子状酸素耐性付与技術の高度化とマルチ環境耐性の可能性に関する研究

本研究では後処理で材料改質を行うことによって高い耐原子状酸素性を付与し、優れた耐宇宙環境性を持った宇宙用材料を生み出す基盤技術を創出することを目指した。本研究の耐原子状酸素性付与技術により材料改質処理を行った結果、ポリイミド材料は耐原子状酸素性を発現することが確認された。材料改質処理前後で機械特性・熱光学特性はほとんど変化しなかった。また耐放射線性も材料改質処理前後でほとんど変化しなかった。このことから材料改質の効果は材料表面近傍に局在化していたものの、本材料改質技術は有用であると考えられる。本研究を推進するにあたり、被処理材料をプロセスガスにより改質処理する必要があり、このためには専用処理容器が必要となる。今年度実施予定であった表面分析と来年度以降の物性・環境耐性評価で必要とされる被処理材料のサイズは大きく異なるため、これら両方に適用できるサンプルサイズへの処理が可能な、大きい専用処理容器を準備することが研究を加速する上で必要となった。このため今年度は専用処理容器の設計を進めた。プロセスガスの法規による圧力限界と、これらのプロセスガスを扱うことのできる業者での圧力保持・保管との兼ね合いにより、当初予定していたスペックでの設計はできなかったが、これらの妥協点を見出し、専用処理容器の設計を確定することができた。これと並行して代表者の研究機関でのインハウス試験による迅速な研究サイクルの実現を目指し、プロセスガスの使用が可能な実験設備の環境整備を進めた。またプロセスガスの材料中の透過性を模擬したシミュレーションに着手し、実験結果と合わせてプロセスガスの透過性と反応性を検討する準備を進めると共に、プロセスガスにて改質処理済みの表面分析用の極めて小さいサンプルに対し、原子状酸素の照射試験を開始することができた。本研究によるプロセスガスでの材料改質処理は長期間に亘って処理容器を占有してしまう。危険なプロセスガスを扱うことのできる機関は限られているが、当該の機関の既存の処理容器は利用頻度が高く、これらを使用できなかったことにより研究の開始当初で遅れが出た。その一方で来年度以降に予定していた、改質処理済みサンプルに対する原子状酸素照射を開始し、耐原子状酸素性付与の効果検討に着手することができた。来年度以降のプロセスガスによる材料改質処理に対して、今年度の様な事態が発生しないように、全てのサンプルに共通して使用できる専用処理容器を準備することで今年度の遅れを取り戻す。また原子状酸素照射装置は研究室内での利用頻度が極めて高く、その他の研究プロジェクトなどでそのマシンタイムが使われる。今後効率的に研究を進めるために、マシンタイムの適切な調整を実施する予定である。宇宙環境工学改良型専用処理容器に変更し、仕様変更と調整による設計が長引いたため、このための費用を持越しした。仕様を決定した改良型専用処理容器の製作に使用する。
ウイルスの伝播指向性を利用した中枢神経系への薬物輸送技術の新戦略

申請者は、ラット初代培養細胞からなるBBB in vitro再構成系モデルを用いた解析によりPVの外殻からBBB透過能を有する2種類のペプチド配列の同定に成功した。当該ペプチドはそれぞれの配列のみで血管内皮細胞に特異的な細胞透過性を示すだけでなく、GFPなどと融合した組み替え蛋白質をも効率的に輸送、透過できる性質を兼ねそろえている。このペプチドはマウス脳血管内皮細胞株(MBEC4、bEnd.3)、ヒト臍帯血由来血管内皮細胞(HUVEC)に効率良く細胞内移行を示す。当該ペプチドはPVのBBB透過能を担う責任領域の可能性が高く、中枢神経系への薬物輸送担体に資する潜在性があるものと期待される。ポリオウイルス(PV)は消化管から侵入後、血液中から血液脳関門(BBB)を越えて脳実質部分に非常に速い速度で移行することは知られていたが、その伝搬の分子機構は未解明であった。申請者はin vitroモデルを用いた研究で、PVが細胞膜表面におけるFe3+輸送体であるトランスフェリンレセプター(TfR1)との結合を介し脳血管内皮細胞を越えるモデルを提唱した。しかしTfR1のノックダウンのみではPVの脳血管内皮細胞への透過を完全には抑えることができないことから、これとは異なるレセプター分子の存在が示唆された(Mizutani.T J Bio Chem. 2016)。そこで改めてPVの外殻タンパク質表面に存在する中枢神経指向性の責任部位の見直しを進めてきたが、興味深い観察としてTfR1との結合の責任領域とは異なる血管内皮細胞への効率的な移行能を示す新たな2種類のペプチド部位(CPP-N4,CPP-N6と命名)を同定した。このCPP-N4、N6はマウス脳血管内皮細胞株(MBEC4、bEnd.3)、ヒト臍帯血由来血管内皮細胞(HUVEC)に効率良く細胞内移行を示す一方で、ヒト正常繊維芽細胞(NRDF)および他組織由来のがん細胞株ではそれが確認されない(現時点で50種類のがん細胞株パネルで確認済み)。つまり当該ペプチドはPVのBBB透過能を担う責任領域である可能性が高く、中枢神経系への薬物輸送担体としての有効性が示唆された。初年度は本研究目的の血液脳関門への到達が期待されるペプチドの必要十分領域の同定を終え、次年度は機能解析への十分な時間的余裕が得られたため。中枢組織への薬剤送達技術の開発は物質輸送を厳しく制限する血液脳関門(BBB)を透過する必要があり困難を極めるが、学術および医学的発展においてその具現化の波及効果は大きい。中枢神経系に指向性を示すポリオウイルス(PV)にはBBBを巧みに透過する性質が知られるが、この分子基盤を理解し応用が可能となれば、上述の課題の克服につながり、中枢組織への輸送技術の礎を築くこととなる。申請者は、本研究課題においてラット初代培養細胞からなるBBB in vitro再構成系モデルを用いた解析によりPVの外殻からBBB透過能を有する2種類のペプチド配列(CPP-N4, N6)の同定に成功した。特筆すべきは、当該ペプチドはそれぞれの配列(17および35アミノ酸)のみで血管内皮細胞に特異的な細胞透過性を示すだけでなく、GFPなどと融合したリコンビナント蛋白質をも効率的に輸送、透過できる性質を兼ねそろえていることである。このペプチドはマウス脳血管内皮細胞株(MBEC4、bEnd.3)、ヒト臍帯血由来血管内皮細胞(HUVEC)に効率良く細胞内移行を示す一方で、ヒト正常繊維芽細胞(NRDF)および他組織由来のおよそ50種類のがん細胞株ではそれが確認されない。つまり当該ペプチドはPVのBBB透過能を担う責任領域の可能性が高く、中枢神経系への薬物輸送担体に資する潜在性があるものと期待される。本研究は当該ペプチドのBBB透過の分子機構の解明を進め、“向神経性ウイルスがいかにBBBを透過し、病原性を発揮するのか"という学究的疑問の解明の糸口を見出すとともに、このペプチドの特性を活かした新たな中枢神経系への薬物輸送技術創出の萌芽的な成果の作出に貢献した。本研究で見出したペプチドの細胞内移行には血管内皮細胞の細胞表面に特異的に発現する膜タンパク質の結合を介している可能性が高く、これに関わるそれぞれのレセプター分子の同定とその分子機構の解明は輸送技術の分子基盤の確立に必要不可欠であり、その積極的な解明を進める。ウイルス学
プロトンビーム直接描画を用いたフレキシブル光集積デバイスの実現

多様な周辺環境への近接が可能となる高分子薄膜内に光集積素子を内包させたフレキシブル光導波路を形成する微細加工技術を開発した。集束陽子線による微細加工(PBW)法により、厚さ数十μm程度の自立高分子薄膜にマッハツェンダー(MZ)型光導波路を形成した。ブラッグピーク近傍の高密度エネルギー付与を利用し、薄膜深部のみに局所的屈折率変化を誘発した。微細加工部をコア部、周辺領域をクラッド部とすることで、継ぎ目ない薄膜に光導波路が実装された。MZ導波路の一部に電極を付与し、熱光学効果による光スイッチング機能についても確認した。本技術により、任意の機能性高分子内部に光伝送路実装が実現できる。高分子材料の薄膜内部に光集積素子を内包させ、多様な周辺環境への近接が可能なフレキシブル光導波路の開発を行う。イオンビーム微細加工(Proton Beam Writing: PBW)により、生体親和性の高い高分子材料であるPDMSの材料深部に高密度な屈折率変化を誘発できる。この変化を利用し、厚さ数μm程度のPDMS薄膜のみで構成された材料内包型の光導波路を実装し、光変調・演算を可能とする。さらに、技術応用として、高温・高湿度環境や折り曲げ等の機械的刺激に導波路を暴露させながら光学特性を評価する。これにより、将来、光信号処理機能が付帯されたウェアラブル集積型光学素子の要素技術を創生する。本年度は、当初の研究計画どおり、高分子材料であるPDMS試料内部にマッハツェンダー(MZ)型の光導波路をPBW微細加工により形成した。量子機構高崎研に設置された3MVシングルエンド加速器集束イオンビーム措置を利用し、縦: 30 mm×横: 40 mm×厚み: 10-40μm程度のPDMS薄膜内部に、加工精度1μm程度で、2分岐構造を有するシングルモードの光導波路を薄膜内部に形成した。本PDMS薄膜を支持基板上から剥離させ、光導波路を自己保持型の高分子薄膜中に形成することに新規に成功した。光導波路の評価として、1.55μmの赤外光を入力とした近視野像観察装置を利用した。光導波路が平坦な平面に置かれた状態と、曲率半径1.5 mm程度の円柱に巻きつけた状態の両条件において、光導波路内部での光伝播が確認できた。さらに、MZ型光導波路構造の片側分岐部分に熱光学効果発現を目的としたヒータ電極を形成し、外部電源のON/OFFにより光伝播の制御を試みた。このうち、Ti製の薄膜電極を付加した複数のフレキシブル光導波路素子において、近視野像の出力が、外部電圧印加により明滅する様子を確認することができた。本年度に予定していた自立薄膜PDMS基板での光導波を確認し、さらに次年度以降に計画していた折り曲げなどの機械的変動を加えながらの光伝播に成功した。これに加えて光導波路表面にTi電極を形成し、そのスイッチング動作を確認するなど想定を上回る成果を得た。高分子材料の薄膜内部に光集積素子を内包させ、多様な周辺環境への近接が可能なフレキシブル光導波路の開発を行うことを研究目的とする。これにより、将来、人が身にまとうウェアラブルな通信デバイスに光信号処理を付帯可能とする集積型光学素子の要素技術を創生する。本年度までに、集束イオンビームを用いた微細加工技術であるPBW(Proton Beam Writing)微細加工技術を用いたフレキシブル光導波路の開発を行った。照射イオンのエネルギーを変化させることで、侵入深さを変化させ、単一の高分子薄膜材料の任意深さにマッハツェンダー型の光導波路の形成を可能とした。とりわけPBW技術の加工材料選択性の高さを活用し、材料選択性に富んだ微細加工が可能である。昨年度においては、生体親和性の高い高分子材料であるPDMSの材料深部に高密度な屈折率変化の誘発が実現している。本年度の研究開発においては、PDMSに発現した光屈折率変化を利用し、厚さ数μm程度のPDMS薄膜のみで構成された材料内包型の光導波路を実装し、光スイッチング機能の基礎評価を実施した。簡便な薄膜型電極の付与により光明滅を確認することができた。さらに、PDMSで確立したPBW微細加工による光導波路形成技術を応用して、フレキシブル電子回路材料であるポリイミド薄膜や、PMMA薄膜などにも同様の埋め込み加工による光導波路を実現した。照射量の調整により、従来光導波路の形成が困難であると考えられていたポリイミド薄膜を経由した状態でも近視野像中に光スポットを確認することができた。さらに、各材料を用いたフレキシブル光導波路について、折り曲げ等の機械的刺激に導波路を暴露させながらその光学特性を評価することができた。集束イオンビームのエネルギー調整により、任意の高分子薄膜材料内部に光導波路を形成する技術の開発を進めている。昨年度までのPDMSに加え、フレキシブル電子回路材料であるポリイミド薄膜や、PMMA薄膜などにも同様の光導波路埋め込み加工を実現した。これらのフレキシブル光導波路について、折り曲げ等の機械的刺激に導波路を暴露させながらその光学特性を評価することができた。また、同様の光導波路について、基本的な光スイッチの動作を確認した。

今後周辺環境の変化を加えながら、光導波路の挙動を確認することで、目的とするフレキシブル型光集積回路の実現を目指す。高分子材料薄膜の局所位置に量子ビームを用いた微細加工を施すことで、光回路を実装する技術の開発により、多様な周辺環境に近接した位置での利用が可能なフレキシブル光導波路・光回路の実装技術を開発することを目的とする。量子ビームのうち、集束イオンビームを用いた微細加工技術である集束プロトンビーム描画法(Proton Beam Writing; PBW)を用いて、汎用性の高い高分子であるPDMS,ポリイミドや、生体親和性の高い高分子材料として開発されたMED-610などの薄膜内部にマッハツェンダー(MZ)型の光導波路を実装した。特にイオンビームの特徴として、ブラッグピーク近傍における高密度なエネルギー付与が挙げられる。これを利用することで、高分子の深部のみに化学変化を誘発すること、またこれにより光学的な屈折率変化を局所的に誘発することが可能となる。微細加工部分を光導波路コア部分、周辺の化学変化が乏しい箇所をクラッド部分とすることで、継ぎ目のない一体型の高分子薄膜内部に光導波路を実装することが可能となる。本研究では、0.5, 0.75, 1.7 MeVといった単一のエネルギーを持つ陽子線を集束し、静電的なスキャナーおよび2次元ステージによるビームと試料両方を走査することで、厚さ数μmから数十μm程度の厚みの高分子薄膜に2次元的な構造に対応するパターンとしてマッハツェンダー(MZ)光導波路を形成することに成功した。これらを周辺環境温度・湿度や機械的刺激を変化させながら赤外線透過スポットを観察し、光導波路の機能の基礎的な特性を評価した。またPDMSを中心としたMZ光導波路内包薄膜の一部に電極を付与することで、熱光学効果による光スイッチングの原理についても確認した。これらの技術開発により、光導波路・光スイッチを生体親和性など特徴的な機能を有する高分子内部に実装することが可能となった。多様な周辺環境への近接が可能となる高分子薄膜内に光集積素子を内包させたフレキシブル光導波路を形成する微細加工技術を開発した。集束陽子線による微細加工(PBW)法により、厚さ数十μm程度の自立高分子薄膜にマッハツェンダー(MZ)型光導波路を形成した。ブラッグピーク近傍の高密度エネルギー付与を利用し、薄膜深部のみに局所的屈折率変化を誘発した。微細加工部をコア部、周辺領域をクラッド部とすることで、継ぎ目ない薄膜に光導波路が実装された。MZ導波路の一部に電極を付与し、熱光学効果による光スイッチング機能についても確認した。本技術により、任意の機能性高分子内部に光伝送路実装が実現できる。本年度で得られた成果を元に、工学的な達成項目を数値計算や理論的考察などを加えながら議論し、現象の体系的な理解を図るとともに、研究達成目標を追加し、新たな開発目標を定める。本年度までに開発したPBW技術では、エネルギー・照射量の調整により、従来PDMSのみであった加工対象をポリイミドや、PMMAなどの薄膜にも拡張できた。これらの材料ごとの特性の違いを活用しながら、それぞれの環境影響や応用範囲を検討し、光導波路本来の応用用途以上の研究展開可能性の拡大を目指す。量子ビーム科学光導波路の評価において、光学部品の導入を予定していたが、本年度内に計画していた光学評価については既存設備で代用できたため、予算執行計画を変更することとなり、未使用額が生じた。光導波路開発において複数種類の導波路が開発されているため、次年度以降の光導波路応用において用途に合わせた光学系の構築が必要である。