hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
放物型方程式論の深化と放物型性の起源の探索

研究課題に関して以下の成果が得られた.(1)従来のミトコンドリア膨潤モデルは,ミトコンドリアの空間移動は考慮されていなかったが,実際には空間移動することが知られている.空間移動の効果を考慮したPDEモデルを構築し,解の存在と一意性及び解の長時間漸近挙動に関する解析を行った.(2)退化する準線形作用素を主要項として持つ複素ギンツブルグ-ランダウ方程式の可解性を示した.従来の研究で仮定されていた方程式に現れるパラメータに関する技術的な条件を外し,かつ対象とする領域を一般の非有界領域にまで拡張した.コンパクト性の欠如を,局所強収束性と対角線論法で補い,技術的な条件を外す為に報告者によって開発された「劣微分作用素に対する非単調摂動理論」を援用した.(3)非有界領域における二重拡散対流方程式の時間周期問題は,方程式の強圧性とコンパクト性の欠如から,難しい未解決問題として残されていた.方程式に付随するエネルギー空間の全空間におけるスケール変換不変性を巧みに利用することによりこれらの困難を解決することに成功した.(4)対流項とヒステリシス効果を有する放物型方程式系の解の存在を従来の仮定を大幅に緩和した条件のもとに示した.報告者の開発したL∞エネルギー法(ソボレフの埋蔵定理に依らずL∞評価を可能にするエネルギー法)を改良することによって従来よりも複雑な方程式系にも適用することが可能になった.(5)解の時間微分にラプラス作用素のα次の分数冪を作用させた強消散項を有する波動方程式の放物型性を解析し「αが大きくなればなるほど,方程式の放物型性が増す」という予想を覆す現象が発見された.放物型性の起源を探る上で貴重な予備的結果である.研究目的に掲げた,具体的研究計画に対しておおむね計画に沿った成果が得られている.さらに,次年度以降の目標に対する予備的な研究成果も十分に得られている.(1)集合値項をもつ放物型方程式:多価作用素項がusc(上半連続)な場合に対する,初期値境界値問題で得られた予備的結果を完成させ論文に纏める.さらに,lsc(下半連続)な場合に対するFryszkowski's selection theoremの適用可能性について精査する.(2)ミトコンドリア膨潤モデル:PDE-PDEモデルを更に深化させ,解の存在と解の漸近挙動の解析を行う.さらに,拡散現象が非ニュートン流に従う,準線形問題に対しての解析にも着手する.(3)双曲型性と放物型性との間に横たわる階層構造の解明:強消散項を持つ波動方程式の放物型性に関する予備的知見を更に進展させ,実解析性やジュブレークラスの平滑化現象のための(必要)十分条件を探る.(4)複素ギンツブルグ-ランダウ方程式:消散系の方程式に対する時間周期問題をまず,有界領域に対して解析する.パラメーターに対する初期値境界値問題と同じ条件の下で,任意の大きさの外力に対して時間周期解を構成することを目指す.研究課題に関して以下の成果が得られた.(1)従来のミトコンドリア膨潤モデルは,ミトコンドリアの空間移動は考慮されていなかったが,実際には空間移動することが知られている.空間移動の効果を考慮したPDEモデルを構築し,解の存在と一意性及び解の長時間漸近挙動に関する解析を行った.(2)退化する準線形作用素を主要項として持つ複素ギンツブルグ-ランダウ方程式の可解性を示した.従来の研究で仮定されていた方程式に現れるパラメータに関する技術的な条件を外し,かつ対象とする領域を一般の非有界領域にまで拡張した.コンパクト性の欠如を,局所強収束性と対角線論法で補い,技術的な条件を外す為に報告者によって開発された「劣微分作用素に対する非単調摂動理論」を援用した.(3)非有界領域における二重拡散対流方程式の時間周期問題は,方程式の強圧性とコンパクト性の欠如から,難しい未解決問題として残されていた.方程式に付随するエネルギー空間の全空間におけるスケール変換不変性を巧みに利用することによりこれらの困難を解決することに成功した.(4)対流項とヒステリシス効果を有する放物型方程式系の解の存在を従来の仮定を大幅に緩和した条件のもとに示した.報告者の開発したL∞エネルギー法(ソボレフの埋蔵定理に依らずL∞評価を可能にするエネルギー法)を改良することによって従来よりも複雑な方程式系にも適用することが可能になった.(5)解の時間微分にラプラス作用素のα次の分数冪を作用させた強消散項を有する波動方程式の放物型性を解析し「αが大きくなればなるほど,方程式の放物型性が増す」という予想を覆す現象が発見された.放物型性の起源を探る上で貴重な予備的結果である.研究目的に掲げた,具体的研究計画に対しておおむね計画に沿った成果が得られている.さらに,次年度以降の目標に対する予備的な研究成果も十分に得られている.(1)集合値項をもつ放物型方程式:多価作用素項がusc(上半連続)な場合に対する,初期値境界値問題で得られた予備的結果を完成させ論文に纏める.さらに,lsc(下半連続)な場合に対するFryszkowski's selection theoremの適用可能性について精査する.(2)ミトコンドリア膨潤モデル:PDE-PDEモデルを更に深化させ,解の存在と解の漸近挙動の解析を行う.さらに,拡散現象が非ニュートン流に従う,準線形問題に対しての解析にも着手する.

(3)双曲型性と放物型性との間に横たわる階層構造の解明:強消散項を持つ波動方程式の放物型性に関する予備的知見を更に進展させ,実解析性やジュブレークラスの平滑化現象のための(必要)十分条件を探る.(4)複素ギンツブルグ-ランダウ方程式:消散系の方程式に対する時間周期問題をまず,有界領域に対して解析する.パラメーターに対する初期値境界値問題と同じ条件の下で,任意の大きさの外力に対して時間周期解を構成することを目指す.必要とした消耗品の購入額が,予定した金額に満たなかったため.次年度に消耗品用予算として繰り越す.
癒着胎盤の分子マーカーの同定とその臨床的意義に関する研究

網羅的解析により、胎盤特異的mRNAおよびmicroRNA (miRNA)を同定した。胎盤特異的mRNAのうち母体血漿中へ流入するhuman placental lactogen (hPL) mRNAは、前置胎盤のうち子宮摘出が必要な癒着胎盤のリスクを推定する分子マーカーとして有用と考えられた。また、胎盤特異的miRNAの多くはC19MC領域に存在し、発現プロファイリングは妊娠経過に伴いほとんど変化しないが、その発現量は妊娠経過とともに上昇していた。C19MCに存在する胎盤特異的miRNA発現量は、前置胎盤における癒着胎盤の危険性を予測する指標になり得ると期待された。また、術中超音波検査は前置胎盤における癒着胎盤の評価に有用と考えられた。目的:マイクロRNA (miRNAs)は、19-25bpのタンパク質をコードしない単鎖RNAであり、ターゲットになるmRNAの3'側非転写領域に結合して遺伝子発現を調節している。miRNAsは個体の発育・分化に関連しているため、母体血中の胎盤特異的miRNAsは妊娠中の分子マーカーとして注目される。そこで、次世代高速シーケンシング法を用いて、母体血中における胎盤特異的miRNAを網羅的にスクリーニングした。対象と方法:妊娠末期の母体末梢血、胎盤組織および臍帯血を一組として計2組を対象とした。それぞれの検体よりmiRNAを抽出し、イルミナ社ゲノムアナライザーを用いた次世代高速シーケンス法により、各検体間の発現レベルを比較検討した。発現レベルはリード数で算出し、5リード未満のものを陰性とした。臍帯血および母体白血球におけるリード数は陰性かつ胎盤組織におけるそれは100リード以上のmiRNAを胎盤特異的miRNAとした。本研究は倫理委員会の承認を得て、同意のもとに行われた。結論:同定された46個の胎盤特異的miRNAは、癒着胎盤を評価する手がかりになると考えられ、その多くはC19MC領域に存在していた。1)胎盤特異的microRNAの同定と癒着胎盤における臨床的有用性に関する検討胎盤絨毛組織及び母体血液を一組として、妊娠初期および末期の計2組について、それぞれの検体よりtotal RNAを抽出した。それぞれの検体について次世代高速シークエンス法による網羅的解析を行い、母体血液では発現していないが胎盤組織では発現している上位10個のmicroRNA (miRNA)を胎盤特異的miRNAとして選択した。成績:妊娠初期の胎盤特異的miRNAとして、発現レベルが高いものから順にmiR-518b、miR-519a-2、miR-1323、miR-516a-5p、miR-517a、血R-515-5p、miR-512-3p、miR-516b、miR-520hおよびmiR-517cが同定され(最小値-最大値:16941リードー134590リード)、全て19q13.42領域(C19MC)に存在していた。妊娠末期の発現プロファイリングと比較すると、妊娠初期と末期の胎盤特異的miRNAはmiR-517c以外の9個は一致しており、いずれの胎盤特異的miRNAも妊娠初期から末期にかけて発現量が2倍以上に上昇していた(最小値-最大値:2.05倍-7.26倍)。結論:胎盤特異的miRAの発現プロファイリングは妊娠経過に伴いほとんど変化しないが、その発現量は妊娠経過とともに上昇していた。C19MCに存在する胎盤特異的miRNA発現量は、前置胎盤あるいは癒着胎盤を予測する指標になり得ると期待された。2)癒着胎盤の診断における術中超音波検査の有用性に関する検討前置胎盤38例に対して、帝王切開時に術中超音波検査を行った。従来の術前超音波検査に加え、帝王切開時にリニア型プローブでMHz以上の高周波を用いて術中超音波検査を行った。術中超音波検査により、全例に脱落膜の詳細な評価が可能であった。癒着胎盤であった症例では術前超音波検査よりも術中超音波検査のほうがより実際の所見を反映しており、術中超音波検査は前置胎盤における癒着胎盤の評価に有用と考えられた。癒着胎盤への臨床応用:妊娠29ー32週の母体血漿中におけるcell-free hPL mRNA流入量の上昇と前置胎盤との関連を検討したところ、子宮摘出が必要であった前置胎盤症例におけるcell-free hPL mRNA流入量は、子宮を温存することが可能であった前置胎盤症例におけるそれと比較して有意に上昇していた。

前者はいずれも組織学的に穿通胎盤あるいは嵌入胎盤と診断された。すなわち胎盤特異的mRNAにも、癒着胎盤のために遺残した胎盤の状態を評価する、あるいは子宮摘出を必要とするような癒着胎盤を出生前に推定する分子マーカーとしての可能性が見出された。胎盤特異的microRNAの同定:母体末梢血と胎盤組織を一組とし、Human miRNA Microarray v2.0(Agilent)を用いて723種類のヒトmicroRNA (miRNAs)についてスクリーニングし、血液細胞と比較して胎盤組織で100倍以上のシグナル強度を認める82種類の胎盤特異的miRNAが選択された。そして、24種類の妊娠に関連した胎盤特異的miRNAが同定された。癒着胎盤の推定について、胎盤における遺伝子発現状態を反映する胎盤特異的mRNAと遺伝子発現制御因子である胎盤特異的miRNAの双方を同時に評価することで、その精度を向上させうることが期待される。平成23年度の研究目標は、1)胎盤特異的miRNAの同定と癒着胎盤における臨床的有用性に関する検討、および2)癒着胎盤の診断における術中超音波検査の有用性に関する検討であった、いずれの研究も平成23年度内に完遂され、妊娠初期および妊娠末期の胎盤特異的RNAのプロファイル及び発現量の推移を明らかにし、癒着胎盤における術中超音波検査の有用性が確認された。以上より、研究はおおむね順調に進展していると評価される。24年度が最終年度であるため、記入しない。平成24年度は、胎盤特異的cell-free miRNAマーカーセットの癒着胎盤への応用の可能性を前方視的に探る。具体的には、本年度も引き続き検体の集積し、母体血漿中への胎盤特異的RNA流入量を分子マーカーとして癒着胎盤をスクリーニングする。癒着胎盤のハイリスク群への術中超音波検査を施行し癒着胎盤の有無を評価し、分娩後の所見との対比からスクリーニングシステムの有用性を検証する。
ウシ卵母細胞の機能的完全性を裏打ちする卵丘細胞の分子生物学的特徴

これまでに経腟採卵(OPU)に先駆けFSH投与による卵胞発育処理を施すことでウシ卵子の発生能が向上することを明らかにした。これにはcAMPシグナルの活性化とMEKシグナルの抑制の関与が示唆された。そこで、この卵胞発育処理を体外で模倣するために、cAMPモジュレーターであるdbcAMPとIBMX、MEKの阻害剤であるU0126で体外成熟培養に先駆け2時間処理(pre-IVM)をした。その結果、dbcAMPとIBMXでpre-IVMすることで、卵子の発生能は改善するが(Sugimura et al., 2018)、U0126の効果は認められなかった。すなわち、卵子の発生能獲得にcAMPシグナルは関与するが、一方でMEKシグナルの抑制は関与しないことが示された。参考文献2018年度は移植結果に基づいた卵子の発生能評価を行う予定であったが、移植試験が十分に行えなかった。卵子の発生能に基づきOPUを実施する個体を3群にカテゴライズし、得られた卵丘細胞卵子複合体の卵丘細胞をトランスクリプトーム解析に供する。得られたデータから卵子の発生能制御因子を同定する。当該年度に予定して実験の一部が実施できなかったため、そのぶんを次年度に使用することとした。
遠隔放射線診療を用いた病院間の統合的医療情報管理とその医療経済効果に関する研究

病院間の統合的医療情報管理を行うにあたり、大きな問題となるのはプライバシーの確保である。本研究を行うために安全性の確保が最優先であり、平成12年度よりセキュリティシステムの構築に関して研究をすすめた。セキュリティ通信に使用したシステムはISCL(Integrated Secure Communication Layer:統合型セキュリティ通信規格)と呼ばれるもので、財団法人医療情報システム開発センター(MEDIS-DC)の提唱する標準規格である。本研究では、ISDN 64Kbps,128Kbps,の二種類の回線を使用し、暗号化、メッセージ認証の各々単独使用と、暗号化とメッセージ認証の併用時での伝送時間を計測した。結果はISDN回線を使用し64Kbpsの伝送速度を使用した場合、TCP/IPではDICOMでの伝送時間は274.3秒であったのに対し、ISCLを導入し、暗号化を行った場合は311.3秒を要し、メッセージ認証を行った場合は307.6秒を必要とした。暗号化及びメッセージ認証を両者ともに行った場合は、313.5秒を要し、これはISCLを使用しないDICOM通信に対して14.3%の増加となった。通信の安全性を確保するためには許容できる範囲であると考えた。また伝送速度をISDN回線の128Kbpsのもとで行った場合はDICOM通信のみでは137.6秒であったのに対し、ISCLを導入し、暗号化を行った場合は188.0秒を要し、メッセージ認証を行った場合は184.7秒を必要とした。暗号化及びメッセージ認証を両者ともに行った場合は、189.8秒を要し、これはISCLを使用しないDICOM通信に対して37.9%の増加となった。通常の通信ではISDNの64Kbpsを使用するため、安全性の確保は前述の14.3%となり、通信の安全性を確保するためには許容できる範囲であると考えた。ISCLを使用することにより、個人のプライバシーを守るための安全なネットワークを確保することが可能であり、本研究での伝送時間を計測したところ、そのために必要な時間は14.3%の増加があったが、これは安全性を確保するためには許容できる範囲であると考えた。本研究では遠隔放射線診療における医療情報の統合的運用により、病院間で情報の共有化を行いそれにより得られる医療経済効果を明らかにする。現在のネットワークの技術を駆使すれば、それらの患者情報は各施設に存在しながら、遠隔地からの要求により即座に検索し情報を入手することが可能となる。各病院の患者情報を共有することにより、患者が異なる病院を受診した場合においても、前医での患者カルテ、検査結果、画像診断結果、を共有することが可能となり、いわばネットワークを通じて一つの病院となるバーチャル・ホスピタルが構築されることとなる。本研究では、遠隔放射線診療を通じ統合的に医療情報を管理する技術を開発を目指した。病院間のネットワークを構築するにあたり、患者情報の流出を防止することに留意する必要があり、そのセキュリティーには統合型セキュリティー通信規格(ISCL:Integrated secured communication layer)を用いた。ISCLはなりすまし防止のためには相互認証機能を、盗聴防止のためには暗号化機能を、改ざん防止のためにはメッセージ認証機能により安全性を確保している。ネットワーク上の各医療施設ではスマートICカードを用いることにより相互認証を行い、なりすましを防止する。ISCLはMEDIS-DCによる標準規格であるために、相互互換性を有し、医療施設の差異による医療情報の交換に支障を及ぼすことがなかった。患者情報をセキュリティーの確保されたネットワークで共有することが可能となり、病院間の統合的医療情報管理を行うための環境を整備した。次年度では、整備された環境での運用を行い、その医療経済効果に関して検討を行う。

通常の通信ではISDNの64Kbpsを使用するため、安全性の確保は前述の14.3%となり、通信の安全性を確保するためには許容できる範囲であると考えた。ISCLを使用することにより、個人のプライバシーを守るための安全なネットワークを確保することが可能であり、本研究での伝送時間を計測したところ、そのために必要な時間は14.3%の増加があったが、これは安全性を確保するためには許容できる範囲であると考えた。
草地における放牧牛の代謝生態と牧草の群落構造

放牧条件下の家畜のエネルギー代謝については,不明な点が少なくない.牧草地に春から秋まで昼夜連続して放牧されている乳牛育成子牛のエネルギー摂取,エネルギー消費の季節的推移を調べ,子牛の成長を再現するための数学モデル開発に必要なパラメータを得ることもねらいとして,牧草生産量,子牛による採食量,子牛の行動別熱発生量および体重増加を年間にわたって定量的に追跡した.とくに,舎飼に比べ放牧子牛の成長が劣るのは,夏季以降の採食量低下と生産効率の低下にあることを前回の科学研究費成果で示したが,その原因が,植物側の要因と動物側の要因が絡みあって起こると考え,放牧下の群落構造,草質,分布と,子牛の行動,採食量,熱発生との相互関係に注目した.結果(1)子牛の体重増加を草地の単位面積あたりのエネルギー蓄積量に換算し,牧草生産のために投射された日射エネルギーに対する牛体への蓄積量の比(光利用効率)を求めると,効率値は4月下旬5月中旬の春に最高,次いで6月中,下旬と9月中旬が高く, 8月と11月は低くなった.この高低は,牧草の成長速度および子牛の採食量の高低と一致したが,エネルギー流通過程を段階的に分けて変換効率をみると,段階ごとに異なる傾向があった.(2)子牛が摂取した可消化エネルギーのうち代謝エネルギーとして蓄積された割合(ME/DE)は,採食量ほどではないが季節的に異なり,採食量,増体の季節的傾向と似た変動を示した. ME/DE値は, 0.450.69であったが, ARC(1965)の舎飼条件の0.8よりも常に低かった.(3)放牧時の子牛の行動を5型に分類して24時間中に占める時間数とその間の熱発生をみると,春は短時間に多く食草し熱発生も高いが,気温,日射が高く群落構造も水平葉型,分散分布型となる夏は,少しずつ食草して時間は長くかけ熱発生は抑制していることが示された.放牧条件下の家畜のエネルギー代謝については,不明な点が少なくない.牧草地に春から秋まで昼夜連続して放牧されている乳牛育成子牛のエネルギー摂取,エネルギー消費の季節的推移を調べ,子牛の成長を再現するための数学モデル開発に必要なパラメータを得ることもねらいとして,牧草生産量,子牛による採食量,子牛の行動別熱発生量および体重増加を年間にわたって定量的に追跡した.とくに,舎飼に比べ放牧子牛の成長が劣るのは,夏季以降の採食量低下と生産効率の低下にあることを前回の科学研究費成果で示したが,その原因が,植物側の要因と動物側の要因が絡みあって起こると考え,放牧下の群落構造,草質,分布と,子牛の行動,採食量,熱発生との相互関係に注目した.結果(1)子牛の体重増加を草地の単位面積あたりのエネルギー蓄積量に換算し,牧草生産のために投射された日射エネルギーに対する牛体への蓄積量の比(光利用効率)を求めると,効率値は4月下旬5月中旬の春に最高,次いで6月中,下旬と9月中旬が高く, 8月と11月は低くなった.この高低は,牧草の成長速度および子牛の採食量の高低と一致したが,エネルギー流通過程を段階的に分けて変換効率をみると,段階ごとに異なる傾向があった.(2)子牛が摂取した可消化エネルギーのうち代謝エネルギーとして蓄積された割合(ME/DE)は,採食量ほどではないが季節的に異なり,採食量,増体の季節的傾向と似た変動を示した. ME/DE値は, 0.450.69であったが, ARC(1965)の舎飼条件の0.8よりも常に低かった.(3)放牧時の子牛の行動を5型に分類して24時間中に占める時間数とその間の熱発生をみると,春は短時間に多く食草し熱発生も高いが,気温,日射が高く群落構造も水平葉型,分散分布型となる夏は,少しずつ食草して時間は長くかけ熱発生は抑制していることが示された.
渦構造解析を通じた圧縮性乱流中の速度ベクトル非圧縮成分の圧縮性依存性の研究

圧縮性乱流における速度ベクトル非圧縮性成分の変化を、一様等方減衰性乱流の直接数値計算と渦構造解析を主な研究手段として調べた。平成13年度の研究から1.圧縮性乱流においては、渦の断面積が非圧縮性乱流の渦に比べて30%以上低下する、2.同様に、渦の旋回の強度もマッハ数の関数として低下する3.渦の個々のダイナミクスにも圧縮性の影響が現れるということがわかった。平成14年度は、これらの変化の原因を調べた。この結果、4.上記1.-3.の変化は、時間発展初期における密度変化(渦中心軸上での密度の低下)および、渦伸張の低下にもとめられる、5.渦伸張低下の機構として、上記密度変化を引き金とする、渦成長の低下と背景シヤーの低下によるサイクル機構が有力な侯補の一つである、という2点を明らかにした。また、非圧縮性乱流の渦には現れない、圧縮性乱流の渦固有の性質として、周期が渦直径と同程度の渦波を発見した。この短波長の渦波の振幅はマッハ数が小さくなるにつれて減衰し、渦波はマッハ数ゼロの極限で非圧縮性乱流の渦に性質が一致するが、振動の周期はマッハ数に依存せず、ほぼ一定のままである。このような圧縮性乱流の渦の性質は、乱流音などさまざまな課題に重要な役割を果たすと考えられる。圧縮性乱流における、速度場ベクトルの非圧縮性成分の変化を、一様等方減衰性乱流の直接数値シミュレーション(DNS)と渦構造解析によって調べることが本研究の目的である。この目的を達するため、初期に速度場の非圧縮性成分だけをもち、密度が一様な初期条件から圧縮性乱流のDNSを行い、同レイノルズ数の非圧縮性一様等方乱流のDNSとの比較を行った。また、渦解析には、我々が開発した低圧力旋回渦の同定法[1,2を用いた。この研究からわかったことは以下の通りである。1.運動エネルギー、エンストロフィーなど、最も良く参照される平均量を調べた限りでは、この二つのDNSの間に大きな違いは見られない。2.渦構造解析を行ったところ、渦が計算空間に占める体積、渦の断面積などに、圧縮性の顕著な影響が見られた。具体的には、渦の中心軸の総延長では圧縮性と非圧縮性DNSの間にほとんど差が見られないが、渦の体積は非圧縮性渦に比べて圧縮性渦が30%以上小さくなるという結果が得られた。また、渦断面の半径の確立密度関数(PDF)を調べたところ、圧縮性渦のPDFは非圧縮性渦のそれに比べて、明らかに半径の小さい側へシフトしている。さらに、渦旋回領域外周を閉曲線とする渦循環を調べたところ、やはり圧縮性渦の循環に約30%の低下が観測された。これらの傾向は、圧縮性の影響によって、渦の旋回運動が抑制されることを示している。3.このような渦運動の低下は、渦中心軸のトポロジー変化などをもたらしている。一例として、旋回運動の低下した渦にキンク構造が発生した場合に、非圧縮性渦はその構造を保持している間にも、圧縮性渦は破断を生じてしまう例が挙げられる。また、渦の併進運動の速度も著しく変化しており、十分に時間発展した後の圧縮性及び非圧縮性DNSの渦構造は、お互いに著しく異なったものになっている。このよりに、運動エネルギーなどの代表的な積分量ではほとんど圧縮性の影響が見られないような圧縮性の弱い乱流でも、その内部構造は著しく異なっている。このような違いは、乱流混合などに大きな影響を及ぼすものと考えられる。
ポーリンを介したエネルギー代謝と細胞死制御の分子メカニズム

ミトコンドリアのポーリンは、永らく「外膜の単なる穴」とされてきた。しかし、最近の研究によって、ポーリンはヘキソキナーゼやbaxと呼ばれるタンパク質との相互作用を介して、エネルギー代謝や細胞死の制御に携わっている可能性が示唆されてきた。本研究では、ポーリンに関する多くの謎の解明を指向した基礎研究を行い、以下の知見を得ることに成功した。1)がん細胞のミトコンドリアには多量のヘキソキナーゼが結合するが、正常な肝臓のミトコンドリアにはほとんど結合しない。このことは、ヘキソキナーゼの結合部位であるポーリンが、がん細胞と正常な肝臓のミトコンドリアで質的もしくは量的に異なっていることを意味する。この理由の解明のために、がん細胞に発現したポーリンの解析を行い、両者の間に質的な差異はないとを明らかにした。2)ポーリンには少なくとも3種のアイソフォームが存在することが知られているが、縮重プライマーを用いたRT-PCRによって、第4のポーリンの存在を示唆する知見を得ることができた。このクローンに関する研究は、引き続き行っている。3)これまでに3種のポーリンアイソフォームのcDNAが単離されているが、実際にミトコンドリア外膜に存在するポーリンについて、タンパク質化学的な解析は全くなされていない。この問題の解明に向け、ポーリンに対する抗体を調製・解析を行った。これまでに、2型アイソフォームが最も多量に存在するであろうとの知見を得ることに成功した。ミトコンドリア外膜のポーリンは、ミトコンドリア内外の溶質輸送を司ることによってエネルギー代謝を制御すると同時に、ミトコンドリアからのシトクロムcの放出を制御することによって、細胞の運命を制御している。これらのメカニズムを解明する目的で、ポーリンの構造と機能に関する基礎的な知見を得ておくことが重要であるので、本年度は、このような観点からの研究を行い、以下の知見を得ることに成功した。1)脳やがん細胞などの糖代謝が活発な細胞では、解糖系の酵素であるヘキソキナーゼがミトコンドリアのポーリンに結合していることが知られている。しかし、正常な肝臓のミトコンドリアには、ヘキソキナーゼはほとんど結合しない。このことは、がん細胞と正常な細胞のミトコンドリアのポーリンに、質的もしくは量的な差異があることを意味している。そこで、がん細胞に発現したポーリンの構造解析を行い、これが正常細胞と同じであることを証明。がん細胞と正常な細胞のミトコンドリアで観察されるヘキソキナーゼの結合量の差が、これらに発現したポーリンの質的な差異ではなく、量的な差異によるものであろうことを明らかにした。2)ポーリンは、基本的にミトコンドリアに存在するが、ミトコンドリア以外の膜系でも存在が知られているため、上述のような問題を解明する目的では、ミトコンドリアに存在するポーリンタンパク質の解析が必須である。そこで、ポーリンに対する抗体を調製し、ミトコンドリア膜に存在するポーリンの免疫学的解析を行った。その結果、ミトコンドリアには、30kDa程度と32kDa程度の2種のポーリン分子種が存在することを明らかにすることができた。現在、これらのタンパク質の更なる解析を進めている。ミトコンドリアのポーリンは永らく「外膜の単なる穴」とされてきたが、最近の研究によって、エネルギー代謝や細胞死の制御に携わっている可能性が示唆されてきた。1)ポーリンには少なくとも3種のアイソフォームが存在することが知られているが、縮重プライマーを用いたRT-PCRによって、1型アイソフォームに極めてよく似ているものの1型アイソフォームとは明らかに異なったポーリン様のメッセージを同定することができた。このことは、第4のポーリンをコードするメッセージが発現している可能性を意味しでいる。現在このクローンの更なるキャラクタリゼーションを進めている。

2)これまでに3種のポーリンアイソフォームのcDNAが単離されており、いずれのポーリンもミトコンドリアに局在していると考えられているが、細胞膜にもミトコンドリアのポーリンとよく似たタンパク質が認められており、メッセージレベルだけで、ミトコンドリアに発現したポーリンを議論することは困難である。また、ポーリンに対する抗体は、研究の歴史の長い1型アイソフォームに関するものがとられているものの、他のアイソフォームに対する抗体はまだ調製されておらず、タンパク質レベルでの知見は乏しい。このような現状を鑑み、ポーリンに対する様々な抗体の調製を行い、実際にミトコンドリアに存在するポーリンの解析を行った。その結果、2型アイソフォームが最も多量に存在するであろうとの知見を得ることに成功した。
多剤耐性緑膿菌に対する５－アミノレブリン酸を使用した光線力学療法

in vitroにおいて、5-アミノレブリン酸(5-ALA)を投与した緑膿菌では、総ポルフィリン量は増加し、5-ALAとEDTAを同時に加えたものでは、プロトポルフィリン9が著明に増加した。5-ALA単独では、緑膿菌に光線力学療法を行っても殺菌効果は認めなかったが、5-ALAとEDTAで行ったものでは、緑膿菌の制菌作用を認めた。最適な光線の波長は410 nmであった。今後は、in vivoでの検証を進める必要がある。まず始めに、緑膿菌に5-アミノレブリン酸(5-ALA)を加えるとプロトポルフィリンIX(PpIX)が増加するか調べた。緑膿菌に5-ALA 0.5 mg/mlを加え、液体クロマトグラフィーでポルフィリン量を測定した。その結果、総ポルフィリン量は5-ALAを添加していないものと比べ5倍増加したが、PpIXは2倍しか増加しなかった。次に、PpIXは2価鉄と配位してヘムとなることから、ヘムへ代謝させるのを防ぐ為に、キレート剤でエチレンジアミン四酢酸(EDTA)を添加し、PpIXの量が増加するか検証した。緑膿菌に5-ALA 0.5mg/mlとEDTA 1mg/mlを添加し、液体クロマトグラフィーでポルフィリン量を測定した結果、EDTA無添加群に比べ、PpIXの量は約10倍に増加した。この結果、EDTA添加により、緑膿菌内のPpIX量が増加することがわかった。次にin vitroで緑膿菌に5-ALAとEDTAを添加し、波長410 nmのLEDを照射した。10の5乗個の緑膿菌に5-ALA 1 mg/mlとEDTA 1mg/mlを加え、5時間後にLEDを照射出力50 J/cm2で照射し、19時間後に菌数を測定した。その結果、LED未照射群では、菌数が10の9乗まで増加したのに対し、LED照射群では、10の5乗個のままであり、5-ALAとEDTAを加え、波長410 nmのLEDを照射することにより、緑膿菌の増殖を抑制できることがわかった。in vitroにおいて、緑膿菌に5-アミノレブリン酸(5-ALA)を投与し、高速液体クロマトグラフィーでポルフィリン類を計測したところ、プロトポルフィリン9(PpIX)の比率は約2%であったが、キレート剤であるエチレンジアミン四酢酸(EDTA)を同時に添加したところ、PpIXの比率は14%と約7倍に増加することがわかった。次に、菌量を100000CFU/mlに調整後に、5-ALA無添加群、5-ALA添加群、5-ALA+EDTA添加群に分け、添加後に波長410 nmの発光ダイオード(LED)を照射出力50 J/cm2で照射し、24時間培養後の菌量を計測したところ、5-ALA+EDTA添加群では有意に菌の増殖を抑制することが出来た。電子顕微鏡で菌体を確認したところ、細胞壁の破壊像が認められた。次に波長を緑色(517 nm)、赤色(642 nm)、白色に替え、同様に50 J/cm2で照射したところ、いずれも菌の増殖を抑制することは出来なかった。以上、in vitroでは、緑膿菌に5-ALAとEDTAを添加し、波長410 nmの青色LEDを照射することにより、菌の増殖を抑制することが認められた。次にin vivoにおいて、マウスの背部に緑膿菌感染皮膚潰瘍を作成し、5-ALAおよびEDTAを腹腔内投与後に、創部に青色LEDを照射し、創傷治癒が促進するか確認を行ったが、創傷治癒の促進は認めなかった。形成外科
力学系と位相エントロピーの研究

今年度の研究実績について述べる.エントロピー理論はClausius,Boltzmann,Shannon等に始まり,その後,von Neumannによって,量子力学構築が試みられ,量子系のエントロピー理論が生まれ,現在も様々な分野において,その研究が続けられている.本研究計画においても,以上のような背景にもとづいて,次に示すような研究実績をあげてきた.(1)解がカオス的に境界に漸近する力学系において,境界が存在する相空間上の位相的エントロピーのパラメーター依存性を調べた.(2)画像処理に用いられる回路の安定性の条件を見つけることができた.(3)光通信における誤り確率の定式化並びに相互エントロピーによる変調効率の比較等を行うことができた.(4)ガウス通信過程への相互エントロピーの応用等を論じた.(5)量子系のエントロピーの最大化,ファジーエントロピーの諸性質などについても論じた.(6)遺伝子解析にエントロピー理論を応用するため,2個の生物塩基配列,あるいはアミノ酸列をコンピュータによって,整列化する際,DP matcingを用いたアルゴリズムを提案し,従来の整列化法を比較検討した.(7)また,2個の塩基配列だけでなく,n個の塩基配列を同時に整列化する方法も提案し,その速さ等を従来の方法と比較検討した.(8)RGSMP(Reallocatable Generalized Semi-Markov Process)と呼ばれる一般の待ち行列ネットワークに応用することが出来る確率過程を提案し,その基本的な特性の解析を調べた.(9)RGSMPの定常分布の構造をあらかじめ仮定することにより,RGSMPの状態推移の構造が定常分布にどのように反映しているかを議論した.(10)ポアソン到着を持つ無限窓口待ち行列の系内仕事量のモーメントを計算しバースト型到着モデルへの応用を論じた.(11)率保存則についてサーベイを行うとともに,パルム測度に関する基本的な公式や各種の確率過程の定常分布を特徴づける式などがすべて率保存則より導かれることを示した.今年度の研究実績について述べる.エントロピー理論はClausius,Boltzmann,Shannon等に始まり,その後,von Neumannによって,量子力学構築が試みられ,量子系のエントロピー理論が生まれ,現在も様々な分野において,その研究が続けられている.本研究計画においても,以上のような背景にもとづいて,次に示すような研究実績をあげてきた.(1)解がカオス的に境界に漸近する力学系において,境界が存在する相空間上の位相的エントロピーのパラメーター依存性を調べた.(2)画像処理に用いられる回路の安定性の条件を見つけることができた.(3)光通信における誤り確率の定式化並びに相互エントロピーによる変調効率の比較等を行うことができた.(4)ガウス通信過程への相互エントロピーの応用等を論じた.(5)量子系のエントロピーの最大化,ファジーエントロピーの諸性質などについても論じた.(6)遺伝子解析にエントロピー理論を応用するため,2個の生物塩基配列,あるいはアミノ酸列をコンピュータによって,整列化する際,DP matcingを用いたアルゴリズムを提案し,従来の整列化法を比較検討した.(7)また,2個の塩基配列だけでなく,n個の塩基配列を同時に整列化する方法も提案し,その速さ等を従来の方法と比較検討した.(8)RGSMP(Reallocatable Generalized Semi-Markov Process)と呼ばれる一般の待ち行列ネットワークに応用することが出来る確率過程を提案し,その基本的な特性の解析を調べた.(9)RGSMPの定常分布の構造をあらかじめ仮定することにより,RGSMPの状態推移の構造が定常分布にどのように反映しているかを議論した.(10)ポアソン到着を持つ無限窓口待ち行列の系内仕事量のモーメントを計算しバースト型到着モデルへの応用を論じた.(11)率保存則についてサーベイを行うとともに,パルム測度に関する基本的な公式や各種の確率過程の定常分布を特徴づける式などがすべて率保存則より導かれることを示した.数理科学を対象とする様々な領域の中で情報科学と関連のある分野を解析的,特に確率的解析や函数解析の方法をベースにして統一的な観点から研究した.つまり,幾つかの複合領域についてそれらを統一的に取り扱うための基本概念を見い出し,その概念を根底に置きながら研究することによって新たな知見を得ようとするものである.具体的にはこの1年間に次のような内容の研究を行なった.1.解がカオス的に境界に漸近する力学系において,境界が存在する相空間上の位相的エントロピーのパラメーター依存性について調べた.2.R^<n+>上で定められた非線形力学系の漸近安定解の外部からのノイズの影響について研究を行った.また,負性抵抗を含む回路がストイキャパシタンスの影響により不安定になるケースについて調べた.3.遺伝子配列の整列化,相互エントロピーを用いた生物の類縁度の定式化により系統樹を作成し,遺伝子の情報論的取り扱いの有用性を示した.4.情報理論の基幹であるエントロピー理論を解析的,確率論的,量子論的に展開し,量子制御通信過程における誤り確率の数学的な一般式を導き,光パルス変調方式の効率を数理的に調べた.5.最近のスーパーコンピュータの発達と数式処理のソフトウェアの発展を利用して函数値の高速かつ精密な算法を情報理論的見地から再検討し,組合せ最適値問題や非線形計画法などで利用可能な新しい計算手法を開発するための基礎的研究を行なった.

6.デジタル回路網におけるバースト型のトラフィック問題を待ち行列モデルを使って解析し,光通信における通信路や交換機バッファーの容量,誤り確率等の最適値問題を数理的に研究した7.ニューラル・ネット及びシミュレーティッド・アニーリングについて数学的に厳密に定式化を行なった。特に,ニューラル・ネットを用いた最適値問題の解法における解の安定性を保障する幾つかの結果を得た.今年度の研究実績について述べる。エントロピー理論はClausius,Boltzmann,Shannon等に始まり、その後、von Neumannによって、量子力学の数学的構築が試みられ、量子系のエントロピー理論が生まれ、現在も様々な分野において、その研究が続けられている。本研究計画においても、以上のような背景にもとづいて、次に示すような研究実績をあげてきた。(1)解がカオス的に境界に漸近する力学系において、境界が存在する相空間上の位相的エントロピーのパラメーター依存性を調べた。(2)画像処理に用いられる回路の安定性の条件を見つけることができた。(3)光通信における誤り確率の定式化並びに相互エントロピーによる変調効率の比較等を行うことができた。(4)ガウス通信過程への相互エントロピーの応用等を論じた。(5)量子系のエントロピーの最大化、ファジーエントロピーの諸性質などについても論じた。(6)遺伝子解析にエントロピー理論を応用するため、2個の生物の塩基配列、あるいはアミノ酸列をコンピュータによって、整列化する際、DP matcingを用いたアルゴリズムを提案し、従来の整列化法を比較検討した。(7)また、2個の塩基配列だけでなく、n個の塩基配列を同時に整列化する方法も提案し、その速さ等を従来の方法と比較検討した。(8)RGSMP(Reallocatable Generalized Semi-Markov Process)と呼ばれる一般の待ち行列ネットワークに応用することが出来る確率過程を提案し、その基本的な特性の解析を調べた。(9)RGSMPの定常分布の構造をあらかじめ仮定することにより、RGSMPの状態推移の構造が定常分布にどのように反映しているかを議論した。(10)ポアソン到着を持つ無限窓口待ち行列の系内仕事量のモーメントを計算しバースト型到着モデルへの応用を論じた。(11)率保存則についてサーベイを行うとともに、パルム測度関する基本的な公式や各種の確率過程の定常分布を特徴づける式などがすべて率保存則より導かれることを示した。
メタセシス－ノンメタセシス連続反応を駆使した新規π電子系多環性複素環骨格の創製

π電子系有機分子は、その広いπ共役系によって吸収した光を、電気エネルギーや蛍光に変換する特徴を持つ。その為、π電子系有機分子はインドシアニングリーン法の診断薬(Y. Chang et al, Chem. Rev. 2012, 112, 4391)や太陽電池(T. Torres et al, Chem. Rev. 2014, 114, 12330)に広く用いられている。現在、π電子系多環性複素環化合物の開発は、既知骨格の誘導体化による国際的な研究が盛んであるが、その骨格が限られていることが問題となっている。これらの化合物の骨格が限られている原因は、その合成法が限定されていることにある。そこで、「π電子系多環性複素環化合物の新規合成法の開発」及び「π電子系多環性複素環化合物ライブラリーの構築」を達成し、上記問題点を解決することを研究目的とする。ルテニウム触媒を用いたメタセシス/ノンメタセシスワンポット反応は、近年注目を集める炭素-炭素結合形成反応の手段の一つであり、や生理活性天然物を効率よく合成する最も重要な骨格形成法の一つと言える。今回申請者は、新規メタセシス/ノンメタセシスワンポット反応を開発し、新規含窒素多環式複素環骨格(Chem. Eur. J. 2015, 21, 17491-17494)および新規含ケイ素多環式複素環骨格を一挙に構築する手法(Chem. Commun. 2017, 53, 5970-5973)を確立した。また、合成した新規含窒素多環式複素環骨格および新規含ケイ素多環式複素環骨格の中からそれらの吸収特性・蛍光特性を調査したところ、5-メチルイソインドロキノリンが近赤外光を吸収する一方、6-メチルイソインドロキノリンでは、近赤外光の吸収を示さなかったことを明らかにした。29年度が最終年度であるため、記入しない。ルテニウム触媒を用いたメタセシス/ノンメタセシスワンポット反応は、近年注目を集める炭素-炭素結合形成反応の手段の一つであり、創薬科学や生理活性天然物を効率よく合成する最も重要な骨格形成法の一つと言える。今回申請者は、新規メタセシス/ノンメタセシスワンポット反応を開発し、新規含窒素多環式複素間骨格を一挙に構築する手法を確立した。申請者は、新規π電子系多環性複素環化合物を合成するため、1RCM / C-H活性化/環化ワンポット反応及び2エインメタセシス/ Diels-Alderワンポット反応及び3エインメタセシス/異性化/ Diels-Alderワンポット反応を開発に着手した。鋭意検討した結果、3エインメタセシス/異性化/ Diels-Alderワンポット反応を開発し、ナフト[3,2,1-de]キノリン骨格を得ることに成功した。このナフト[3,2,1-de]キノリン骨格は、本法でのみ合成することが可能である新規π電子系多環性複素環骨格である。現在も1RCM / C-H活性化/環化ワンポット反応及び2エインメタセシス/ Diels-Alderワンポット反応について検討中である。

今回申請者は、新規メタセシス/ノンメタセシスワンポット反応を開発し、新規含窒素多環式複素環骨格(Chem. Eur. J. 2015, 21, 17491-17494)および新規含ケイ素多環式複素環骨格を一挙に構築する手法(Chem. Commun. 2017, 53, 5970-5973)を確立した。また、合成した新規含窒素多環式複素環骨格および新規含ケイ素多環式複素環骨格の中からそれらの吸収特性・蛍光特性を調査したところ、5-メチルイソインドロキノリンが近赤外光を吸収する一方、6-メチルイソインドロキノリンでは、近赤外光の吸収を示さなかったことを明らかにした。引き続き、1RCM / C-H活性化/環化ワンポット反応及び2エインメタセシス/ Diels-Alderワンポット反応について検討を行い、新規ワンポット反応の開発を目指す。また、ホウ素やケイ素などの典型元素をπ骨格に組み込むことで、骨格内の電子構造を自在に修飾することが可能になり、新たな機能を付与することが出来る(S. Yamaguchi et al, Chem. Lett. 2005, 34, 2)。申請者が合成する新規π電子系多環性複素環化合物にホウ素やケイ素などの他のヘテロ元素を導入した化合物を設計し、その新規合成法を確立する。また、得られる新規π電子系多環性複素環化合物のHOMO / LUMO情報(Gaussianを用いた第一原理計算)と吸光・蛍光特性をデータベース化し、従来のπ電子系多環性複素環化合物との吸光・蛍光特性と比較し、最適骨格の構造変換を理論的に解析する。得られる結果を参考に、より最適なπ電子多環性複素環化合物を設計・合成・機能評価をする。29年度が最終年度であるため、記入しない。
プラズマと薄膜表面・界面の階層的複合反応制御による次世代ナノ加工技術の構築

プラズマエッチングにおいて基板表面に生じる微小なラフネスは,プラズマ・表面相互作用の時間・空間的不均一性(揺らぎ)に起因すると考えられる.モンテカルロ法をベースとした独自の3次元原子スケールセルモデル(ASCeM-3D)に基づくエッチング表面形状進展シミュレーションを構築して,ナノスケールデバイス作製で問題となるパターンの上底面・側壁に生じるナノスケールの表面ラフネスとリップル構造(イオン入射角度に依存)を再現した.さらに,プラズマ実験と古典的分子動力学シミュレーションをあわせて,これらの形成機構解明にせまるとともに,パルスバイアスエッチングによる表面ラフネス抑制を実験実証した.プラズマエッチングにおいて基板表面に生じる微小なラフネスは,プラズマ・表面相互作用の時間・空間的不均一性(揺らぎ)に起因すると考えられる.モンテカルロ法をベースとした独自の3次元原子スケールセルモデル(ASCeM-3D)に基づくエッチング表面形状進展シミュレーションを構築して,ナノスケールデバイス作製で問題となるパターンの上底面・側壁に生じるナノスケールの表面ラフネスとリップル構造(イオン入射角度に依存)を再現した.さらに,プラズマ実験と古典的分子動力学シミュレーションをあわせて,これらの形成機構解明にせまるとともに,パルスバイアスエッチングによる表面ラフネス抑制を実験実証した.プラズマと薄膜表面・界面の階層的複合反応制御による次世代ナノ加工技術の構築について,微細パターン底面・側面においてナノスケールの微小な寸法誤差・形状異常・界面変質層(いずれもパターン/アスペクト比依存性を含む)を生じる要因と発現機構解明を進めた.具体的には,[1]独自のモンテカルロ法をベースとした原子スケールセルモデル(ASCeM)による加工形状シミュレーションの高度化をはかり,Cl_2プラズマによるSiエッチング表面の局所酸化(保護膜形成)によるマイクロマスク形成と,マイクロパターン側壁でのイオン散乱の相乗効果よる鋭い残渣(マイクロピラー)の形成機構を明らかにした.このマイクロピラーは,プラズマから入射する粒子(イオン,中性の保護膜形成種)の速度分布の揺らぎに起因して局所形状が変化する.さらに,[2]古典的分子動力学(MD)法について,Si/Br, Si/HBr系の相互作用ポテンシャルを構築するとともに,Si/F, Si/Cl, Si/Br系について,MDベースの加工形状シミュレーションを行い,加工形状とともに,微細パターン内の表面反応層の差異について考察した.また,[3]Cl_2プラズマによるSiエッチングを対象に,フーリエ変換赤外(FTIR)吸収分光法による基板表面の反応生成物のその場観測を行い,エッチング中の表面には,低次のSiCl_x(x=1-3)のみならずSiCl_4, Si_2Cl_6などの飽和分子も存在することを明らかにした.この結果は,従来知られるX線光電子分光(XPS)による観察と異なり,今後の研究進展により,エッチング表面反応過程に関する新しい理解につながることが期待できる.プラズマと薄膜表面・界面の階層的複合反応制御による次世代ナノ加工技術の構築について,実験・シミュレーション両面から,プラズマと表面・界面のナノスケール相互作用の特徴,および相互作用の揺らぎ,について機構解明とモデリングを進めた.具体的には,(1)原子スケールセルモデル(ASCeM)によるエッチング加工形状シミュレーションを,これまでの2次元から3次元モデル(3D-ASCeM)に拡張し,パターン底面のラフネスや,側壁のラインエッジ・幅ラフネスを再現可能とした.(2)Cl_2およびCl_2/O_2プラズマによるSiエッチングにおけるナノスケールの表面形状/ラフネスを,走査型電子顕微鏡(SEM)および原子間力顕微鏡(AFM)を用いて計測し,3D-ASCeMと比較した結果,O_2混合比およびイオンエネルギー依存性について,実験とシミュレーションの一致を得た.(3)古典的分子動力学(MD)シミュレーションの空間スケールを,これまでの一辺3nmから6nmに拡張し,エッチングにおける表面ラフネス形成の初期過程を原子レベルで再現した.(4)フーリエ変換赤外(FTIR)吸収分光法を用いて,Cl_2プラズマによるSiエッチング表面の反応生成物の動的挙動をその場観測し,表面反応層の組成の時間変化とイオンエネルギー依存性を明らかにした.(5)基板表面のシースを含むプラズマ状態をシミュレートする粒子モデル(PIC/MC)を構築し,基板表面に入射するイオンと電子の動的挙動を明らかにして,ASCeMモデル,MDシミュレーションとの融合をはかった.これら一連の実験・シミュレーションの成果は,プラズマナノ加工における揺らぎについて,プラズマ由来の揺らぎと,表面での相互作用の揺らぎの峻別と制御につながる.塩素系・臭素系プラズマによるシリコンエッチングを対象に,実験・シミュレーション両面から,プラズマと表面・界面のナノスケール相互作用の特徴,および相互作用の揺らぎ,について機構解明とモデリングを進めた.具体的には,(1)独自の3次元原子スケールセルモデル(ASCeM-3D)によるエッチング加工形状シミュレーションを発展させて,ナノスケールデバイス作製で問題となるパターン側壁に生じるラインエッジラフネス(LER)様のナノスケール表面リップル構造(イオン入射角度に依存)を再現した.このような表面リップル構造の発現は,プラズマから表面への入射粒子の揺らぎや,表面相互作用の揺らぎに起因すると考えられているが,従来のモデルでは再現できなかったものである.

(2)古典的分子動力学(MD)シミュレーションを発展させて,ラジカル入射の効果と斜め入射イオンの効果を考慮に入れたモデルを開発し,実際のプラズマエッチングのパターン側壁のラフネス形成にかかわる物理的・化学的メカニズムを原子レベルで調べた.(3)Cl_2プラズマによるSiエッチング表面のラフネス(凹凸)と反応生成物組成を,原子間力顕微鏡(AFM)とフーリエ変換赤外(FTIR)吸収分光法を用いて系統的に調べ,エッチング速度と表面ラフネス・反応層厚さの間の相関関係を明らかにした.(4)基板表面のシースを含むプラズマ状態をシミュレートする粒子モデル(PIC/MC)について,実際のエッチングに用いるCl_2プラズマのモデルを構築し,基板に入射するイオンの動的挙動に対する負イオンの影響を明らかにした.塩素系・臭素系プラズマによるSiエッチングにおけるプラズマと表面・界面のナノスケール相互作用の特徴,およびその揺らぎについて,特に表面ラフネス(凹凸)とリップル(周期構造)形成に焦点を当て,モデリングと実験により形成機構の解析を進め,表面ラフネス抑制法を提案した.具体的には,(1)独自の3次元原子スケールセルモデル(ASCeM-3D)を用いたエッチング加工形状シミュレーションにより,イオン入射角度に依存して発現するラフネスとリップルを発見し,いずれの入射角度においても,入射粒子パラメータやその表面との相互作用の空間不均一性に起因するランダムな微小ラフネス形成が持続すること,エッチング時間の経過にともなうラフネスの発達やリップル形成に関して,垂直入射におけるランダムラフネスの発達には微小ラフネス表面におけるイオン散乱とマイクロマスキングが,一方,斜め入射におけるリップル形成にはイオン散乱・幾何学的シャドーイングとエッチング・スパッタリング収率のイオン入射角度依存性が起因すること,基板温度上昇の効果は表面を平滑にすること,を明らかにした.(2)基板RFバイアスパワーを変化させたプラズマエッチング実験(イオン垂直入射)とASCeM-3D,および古典的分子動力学(MD)シミュレーションとの比較により,イオンエネルギーに依存して2つの表面ラフネス形成・発達のモードが存在すること,低イオンエネルギー領域のラフネスはASCeM-3Dで再現できること,一方,高イオンエネルギー領域のラフネスはASCeM-3Dで再現できず,エッチング反応生成物イオンの寄与があること,を明らかにした.さらに,(3)ASCeM-3Dにより得られた表面ラフネス時間進展の様子をもとに,パルスバイアスエッチング(RFバイアスの繰り返しオンオフ)による表面ラフネス抑制を実証した.塩素系・臭素系プラズマによるシリコンエッチングにおけるプラズマと表面・界面のナノスケール相互作用の特徴,および相互作用の揺らぎについて,特に表面に形成されるラフネス(凹凸)とリップル(周期構造)に焦点を当て,機構解明とモデリングを進め,さらに,それらの制御・抑制法を考察した.具体的には,(1)独自の3次元原子スケールセルモデル(ASCeM-3D)によるエッチング加工形状シミュレーションを駆使して,プラズマから基板表面に入射する反応粒子のパラメータ(イオンエネルギー・入射角度およびそれらの分布,中性ラジカル・反応副生成物・酸素フラックス)のラフネスやリップル形成に対する影響を系統的に調べた.