hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
流れ問題のための高精度粒子法の開発と数学的正当化

本研究では,津波のように解析領域が複雑に変形する問題に対する数値シミュレーション手法として広く利用されている粒子法を数学的に捉え直し,流れ問題に対する新たな高精度粒子法の開発とその誤差解析による数学的正当化を推進する.本研究では2018年度までに次のような研究結果を得ている.初年度(2017年度)は,研究代表者らがこれまで行ってきた粒子法に対する数値解析の知見を用いて,流れ問題に対する粒子法の新たなスキームを提案し,その収束性を数値的に示した.提案したスキームは非圧縮性Navier-Stokes方程式にある条件下で厳密に収束するペナルティ問題を支配方程式とし,空間離散化に研究代表者らが提案している一般化粒子法を用いたスキームである.このスキームに対し,ペナルティ問題の収束条件と,研究代表者らの成果である粒子法の誤差評価の知見を用いて,本スキームの収束性の十分条件を予想し,その正当性を数値実験により示した.さらに,流れ問題に対する粒子法のスキームで現れる圧力Poisson方程式に対応するPoisson方程式を考え,そのPoisson方程式に対する粒子法の一意可解性と安定性を,粒子法における離散Sobolevノルムを導入することによって証明した.次年度(2018年度)は,2017年度の数学的結果を拡張し,非圧縮性流れ問題に対する粒子法の一意可解性と安定性を証明した.本研究では,離散化パラメータに対する3つの条件“粒子分布の接続性",“粒子分布の準正則性",“時間刻みの制約条件"を導入することで,一意可解性と安定性を示している.また,現在広く利用されている流れ問題に対する粒子法の安定化スキームに対して,その安定化項をエネルギー最小化問題を用いて理論的な導出を行った.粒子法は,有限要素法や有限体積法のような数値解析手法と比較して,安定性や収束性の証明のような数学的評価が非常に少なく,実用的な問題設定のもとではほとんど得られていなかった.そのため,安定な数値計算結果を得るための十分条件や,精度良い数値計算結果を得るためパラメータの設定の指針などが明らかになっておらず,実際の数値計算のトライ&エラーでこれらの条件を推定していた.今年度に本研究で示した非圧縮性流れ問題に対する粒子法の一意可解性と安定性は実際に用いられている粒子法に対して数学的評価を示したものである.例えば,“時間刻みの制約条件"は従来経験的に知られていた制約条件と一致しており,その制約条件の上限を具体的に示した.また,“粒子分布の準正則性"は粒子分布の一様性を表す指標に対する制約条件であり,その指標は従来経験的に知られていた指標と対応関係はあるものの,具体的な式は異なる.したがって,本指標を用いて粒子法の安定性を改善することが望める.一方で,本研究で示した安定化スキームの理論的導出では,粒子分布の一様性に関する従来の指標に対する制約条件を満足する効果があることを示している.したがって,安定化スキームにおける従来の指標を本研究で導入した指標に置き換えることで,本研究を具体的に応用することを画策している.以上より,今年度は示した実用的な問題設定のもとでの粒子法の数学的評価は本研究計画の達成目標の1つであり,その具体的な応用の指針も定めることができたので本研究の進捗はとても良好であると言える.さらに,上記の結果は全て論文化され,査読付き論文誌に公表されている.現在までに,流れ問題に対する粒子法の数学的な評価とその応用のための数学的あるいは工学的な知見も得られてきている.そこで,後半では具体的な応用に向けてより高安定・高精度な粒子法の開発とV&Vを中心に実施していく.具体的には,2018年度に得られた非圧縮性流れ問題に対する粒子法の安定性の条件を満足する安定化スキームを開発し,Taylor-Greenの渦流れのような厳密解のある問題の数値シミュレーションを通して検証を行う.さらに,Cavity問題や水柱崩壊問題のようなベンチマーク問題で妥当性を確認していく.さらに,より現実的な問題に応用するために工学や情報の研究者と共同して社会的な問題にも応用していきたい.また,より複雑な問題設定における粒子法の数学的評価も引き続き行っていく.本研究では,津波のような移動境界問題の数値シミュレーションに広く利用されている粒子法を数学的に捉え直し,流れ問題に対する新たな高精度粒子法の開発とその誤差解析による数学的正当化を推進することである.研究代表者らは,昨年度までに代表的な粒子法であるSPH法やMPS法を含む広い枠組みである一般化粒子法を導入した.さらに,Poisson方程式や熱方程式に一般化粒子法を適用し,その誤差評価を確立した.本年度は,まず流れ問題に対する粒子法のスキームの再構築を行った.非圧縮性Navier-Stokes方程式にある条件下で厳密に収束するペナルティ問題を用い,空間離散化に一般化粒子法を用いたスキームである.ペナルティ問題の収束条件と,研究代表者らの成果である誤差評価の知見を用いて,本スキームの収束性の十分条件を予想し,その正当性を数値実験により示した.この数値実験によって得られた収束条件では,より良い精度を得るためには計算量を指数的に増やさなければならないという問題があったため,次に,高精度な空間近似を用いた粒子法を含む新たな一般化粒子法の枠組みを構築した.

この枠組みでは,離散化パラメーターおよび最小二乗近似に付加する制約条件の選択によって,S-SPMやLS-MPSなどの高精度な粒子法を記述することができる.この一般化粒子法に対して,従来の誤差評価で用いた接続性の条件を用いることで,Poisson方程式に対する一般化粒子法の安定性を示した.粒子法は,空間の離散化において(i)粒子分布;(ii)粒子ごとの重み(粒子体積);(iii)重み関数の形状;(iv)重み関数のサポート半径を定める必要があり,差分法や有限要素法と比較して離散化パラメーターの種類が多く,実用的な問題に対する各離散化パラメーターの相関的・非相関的な収束性の条件は数値的にも明らかにされていなかった.本年度は,流れ問題に対する粒子法の収束条件を数値的に示したことにより,次年度からは数値的に得られた十分条件を考慮した上で誤差解析を行うことができる.また,Poisson方程式に対する一般化粒子法の安定性評価において,従来の一般化粒子法に用いた接続性条件を用いて評価することができたことから,今後の誤差評価においても従来の成果の知見を用いた評価が期待できる.以上より,本研究課題の研究初年度としての成果は十分に得られていると判断した.本研究では,津波のように解析領域が複雑に変形する問題に対する数値シミュレーション手法として広く利用されている粒子法を数学的に捉え直し,流れ問題に対する新たな高精度粒子法の開発とその誤差解析による数学的正当化を推進する.本研究では2018年度までに次のような研究結果を得ている.初年度(2017年度)は,研究代表者らがこれまで行ってきた粒子法に対する数値解析の知見を用いて,流れ問題に対する粒子法の新たなスキームを提案し,その収束性を数値的に示した.提案したスキームは非圧縮性Navier-Stokes方程式にある条件下で厳密に収束するペナルティ問題を支配方程式とし,空間離散化に研究代表者らが提案している一般化粒子法を用いたスキームである.このスキームに対し,ペナルティ問題の収束条件と,研究代表者らの成果である粒子法の誤差評価の知見を用いて,本スキームの収束性の十分条件を予想し,その正当性を数値実験により示した.さらに,流れ問題に対する粒子法のスキームで現れる圧力Poisson方程式に対応するPoisson方程式を考え,そのPoisson方程式に対する粒子法の一意可解性と安定性を,粒子法における離散Sobolevノルムを導入することによって証明した.次年度(2018年度)は,2017年度の数学的結果を拡張し,非圧縮性流れ問題に対する粒子法の一意可解性と安定性を証明した.本研究では,離散化パラメータに対する3つの条件“粒子分布の接続性",“粒子分布の準正則性",“時間刻みの制約条件"を導入することで,一意可解性と安定性を示している.また,現在広く利用されている流れ問題に対する粒子法の安定化スキームに対して,その安定化項をエネルギー最小化問題を用いて理論的な導出を行った.粒子法は,有限要素法や有限体積法のような数値解析手法と比較して,安定性や収束性の証明のような数学的評価が非常に少なく,実用的な問題設定のもとではほとんど得られていなかった.そのため,安定な数値計算結果を得るための十分条件や,精度良い数値計算結果を得るためパラメータの設定の指針などが明らかになっておらず,実際の数値計算のトライ&エラーでこれらの条件を推定していた.今年度に本研究で示した非圧縮性流れ問題に対する粒子法の一意可解性と安定性は実際に用いられている粒子法に対して数学的評価を示したものである.
部落問題・水平運動・融和運動史料に関する実証的研究

黙軒三好伊平次(一八七三-一九六九)は、融和運動に挺身する一方、部落問題の歴史的研究に従事し、膨大な史料を記録・収集した。本研究は社団法人部落問題研究所が継承・保存しているこの「三好文庫」史料と同じく収蔵している「水平文庫」史料(水平運動従事者の個人史料等)に属する主要史料に厳密な史料学的検討を加えることを基礎とした共同研究を通して、部落問題の歴史的研究の新たな展開を展望したものである。本研究では第一に、両文庫所収の史料群の中の主要なものについて、本研究組織の前近代史・近現代史研究者が個々に点検・校合・分析し、その史料的性格・内容を解明した。この作業を基礎として、三好伊平次による史料群採訪跡の一端を、岡山県・三重県・愛媛県の現地共同調査によってたどるとともに、三好の主著『同和問題の歴史的研究』などの検討を行った。以上の研究を通して、第二に、戦前期の部落問題の歴史的研究の到達点を精確に確定するとともに、各地域における史料調査・部落問題の現状調査を踏まえて、部落問題の地域史的研究の今日的課題を摘出した。また、三好伊平次が席を置いた内務省を中心とする政府の部落政策の諸段階を解明した。以上を踏まえて第三に、部落問題の歴史的研究と現状分析を二つながら推進したという三好伊平次の研究姿勢を先例として、本研究では、歴史研究と現状分析の結合、部落問題の現状分析とその解決の展望に立った歴史研究の方法を提示した。この研究を通して「三好文庫」「水平文庫」所収史料の大部分についてデジタル撮影を完了し、これを部落問題研究所において公開可能とするとともに、本編に加えて地域別(都道府県別)に編集した目録を作成して、一般利用に便宜を図った。第一年度の研究計画として、(1)撮影・複写による「三好文庫」史料等の共有化と保全、(2)共有史料の史料学的検討、(3)第二年度以降の史料調査のための予備調査を掲げた。(1)については、謝金を利用して専従の撮影担当者を確保し、竹永三男・井手幸喜が指揮してこれを推進した。その結果、「三好文庫」史料はほぼ撮影を終え、史料保全措置も講じることができ、近日中に研究分担者全員にCDにて配布するとともに、カラープリントとCDで閲覧に供することができることとなった。また(2)については、「三好文庫研究会」の例会を7回にわたって開催し、三好伊平次の研究業績と経歴を検討した上で、「三好文庫」中の部落調査史料、関東地域及び紀州地域の史料、水平運動・融和運動関係史料、北海道移住者調査史料、融和教育資料を逐一史料学的検討を加えつつ分析していった。その中で、三好伊平次による地域史料採訪自体の復元も追究し、「三好文庫」史料のもつ歴史学的意義を再確認していった。さらに(3)については、竹永三男が国会図書館憲政資料室・新潟県立文書館、鈴木良・竹末勤が東京国立博物館、井手幸喜が佐賀県地域について個別に史料調査・収集を進めるとともに現地踏査を行ったほか、三好伊平次生家とそこに遺された史料群を共同調査し、旁々三好伊平次関係者から聴き取り調査を行い、併せて、岡山大学「池田家文庫」、岡山市立中央図書館「光田健輔文庫」も調査した。このほか、「三好文庫」「水平文庫」史料を全社会的視野から検証するための基礎史料として、「協調会」の調査資料コレクションのマイクロフィルム版を購入し、研究資料を蓄積・整備した。以上のように、第一年度は、研究計画に沿ってほぼ所期の目的を達したが、第二年度には、そこで明らかになった課題の究明、史料調査の本格的展開と「三好文庫研究会」での検討、成果の公開を推進したい。

研究2年目の今年度は、関連史料の調査・収集・分析、撮影した「三好文庫」史料データの保存・公開・分析ほかを、以下の諸点について進めた。1.三好の踏査地・「三好文庫」「水平文庫」史料関連地域として、今年度は、三重県を採りあげ、三重県水平社の拠点・松阪市域と津市及び部落改善運動から水平運動への展開をみせた上野市域について合宿形式で合同調査・研究会を開催し、現地踏査と史料収集・聴き取り調査を行った。また、東京都・京都府(鈴木良担当)、福岡市(井手幸喜)、奈良県・新潟県・島根県・国立国会図書館(竹永三男)、和歌山県(藤本清二郎)、大阪府(塚田孝)、岡山県(大森久雄)の各地域について、史料調査・収集・分析を引き続き進めた。また、購入した協調会史料による対社会運動政策全般の研究に取り組んだ(尾川昌法)。2.「三好文庫」「水平文庫」史料の写真撮影を了えた文書を今年度購入したパーソナルコンピューター(富士通FMV-L20CR)に保存し直し、公開利用に供するとともに、CD-ROMで研究分担者に配布・共有して、各自の分析条件を整えた。同時に、プリントアウト・製本し、研究利用に供し、原文書の保全を図った。3.「三好文庫」研究会例会を7回開催し、分担者各自の研究成果を報告し共同検討するとともに(鈴木良・竹末勤・竹永三男)、関連主題に取り組んでいる研究者の研究報告も受けて、研究課題の分析・検討を推進した。これにより、京都府水平社と地域政治構造、水平運動・部落改善運動と真宗と寺院、山陰地域の部落の存在形態、三重県の水平運動と融和運動史料と研究状況、部落住民の北海道移住等々の解明を進めた。4.以上の成果は「ニュースレター」(No.68)を発行し、研究組織内で共有した。四年間の研究期間の第三年度目にあたる本年度は、前年度に引き続きほぼ隔月に研究例会を開催して「三好文庫」および「水平文庫」所収史料の検討・分析を、客演の研究者の報告も得て地域別に行うとともに、関連史料を当該地域において調査・収集し、それらの分析を進めた、さらに加えて、研究代表者・分担者による共同調査・合宿研究会を、愛媛県を対象地として実施した。まず、地域別研究では、研究分担者の井手幸喜(研究員・北部九州地域担当)が、「三好文庫」所収の前近代九州関係史料六点を解読・分析するとともに、関連史料として佐賀県多久市郷土資料館所蔵「多久家御屋形日記」の調査成果を併用して、肥前鍋島藩の籠番役支配と非人小屋の様相と機能について報告し、その究明を進めた。三好伊平次が注目してその史料を収集し、主著『同和問題の歴史的研究』で「さゝら」「説教」として論じた「三好文庫」伊勢国関係史料「簓考」「排田之事」については、今年度から研究分担者に加わった茂木陽一が、研究史の検討と三重県内史料の博捜の上に立って、解読・分析するとともに、紀州藩田丸領の「さゝら」支配と行刑役の実態分析を行った。また、愛媛県については融和団体善隣会と「三好文庫」所収のその機関誌「善隣』の分析を、客演の高市光男氏が行い、大阪府立中央図書館所蔵図書館所蔵本と併せて『善隣』誌の全容を把握した。大阪府についても、「三好文庫」所収の南王子水平社関係史料の網羅的検討を、在地史料をも併せて客演の朝治武氏が行い、一村全体が未解放部落であるという同村の政治・社会構造の特質分析の究明を進めた。
遷移金属を使わない重水による求核的な重水素標識手法の開発

従来は遷移金属を用いて行われていた有機化合物の重水素化標識を、遷移金属を使わずに、重水素源として重水を使用する新手法を開発した。リンー水素結合を有するアート型6配位リン化合物を安定な化合物として合成し、リン原子周りの配座が異なる二つの異性体をそれぞれ単離した。どちらも重水とのH-D交換反応と、カルボニル化合物のヒドリド還元反応が進行した。芳香族アルデヒド化合物を基質として検討した結果、二つの異性体では両方の反応において反応性に差が見られた。H-D交換とヒドリド還元をワンポットで行える反応条件を設定し、重水分子の重水素の極性変換を利用することで、重水を使った求核的な重水素化手法を開発できた。本年度は前年度までに開発した超原子価水素置換リン化合物を使った種々のカルボニル化合物との反応を検討し、ヒドリド還元剤としての有用性を検討した。その結果、アルデヒド、ケトン、α,β-不飽和アルデヒド等の種々のカルボニル化合物の還元に有用であることが明らかとなった。実用性を考慮して、H-D交換とヒドリド還元をワンポットで行える反応条件を探索した。重水を重水素源とするカルボニル化合物の求核的な重水素化反応、すなわち重水を用いた形式的なデューテリド還元反応を実現することができた。本研究の目的は、重水素源としては安価な重水分子を用いる求核的な重水素化反応を開発し、様々な基質を簡便に重水素標識する手法を開発することである。前年度までの研究で、水素原子を置換基として有するアート型6配位超原子価リン化合物を使用した重水素化反応は達成できたが、簡便に重水素標識を行うためには、ワンポットでの反応が必要不可欠であった。化合物の合成の再現性に問題があったため、当初の研究実施計画の研究期間を延長して、研究を進めた。その結果、最終年度には、ワンポットでの反応の有効性の検証を詳細に行うこととなった。溶媒、基質、添加物、反応時間等の反応条件について詳細な検討を行った。重水を重水素源として使用するカルボニル化合物のワンポットでの重水素化反応について、適切な反応条件を設定できた。前年度までの結果とあわせて、アルデヒド、ケトン等に対して重水分子による形式的な求核的重水素化反応を達成し、簡便な重水素標識手法を開発できた。従来は重水分子を重水素源に使用しようとすると、ほとんどが求電子的な重水素化方法であったために、適用できる基質に制限があったが、本研究成果である新たな重水素化手法の開発によって選択の幅が広がったという意味で、意義深い。重水素標識された化合物は反応機構研究等に必要不可欠であるので、本手法はそのような目的での重水素同位体標識化合物を合成しようとする研究者にとって有用なものになり得る。本年度は、リンー水素結合を有する6配位リン化合物の合成と、そのヒドリド性の実証を目的として、検討を行った。ヘキサフルオロクミルアルコール由来の二座配位子を二つ有する5配位リン化合物を出発物質として、リンー水素結合を二つ有するアート型6配位リン化合物を空気中室温条件下で安定な化合物として合成した。反応溶媒を始めとする合成条件と対カチオンを検討することにより、二つの異性体を単離することができた。それぞれの異性体について、X線結晶構造解析および核磁気共鳴スペクトルによって構造を明らかにしたところ、リン原子周りの配座が異なることがわかった。一方の異性体は条件次第でもう一方の異性体へと異性化した。理論計算から二つの異性体の安定性を比較したところ、実験結果と対応する結果を得た。また、二つの異性体でリンー水素結合の分極が異なることが、スペクトル測定と理論計算の両面から明らかにできた。芳香族アルデヒド化合物を基質とするヒドリド還元反応を検討した結果、一方の異性体では、触媒を添加せずともヒドリド還元反応が進行することがわかった。それに対して、反応性の低いもう一方の異性体を用いた場合には、ルイス酸またはブレンステッド酸を添加した場合にのみ還元反応が進行することがわかった。このように、配座異性体の違いによって反応性が顕著に異なることを見出すことができた。この反応性の違いは、理論計算から求められたリンー水素結合の分極と対応する結果であった。本年度の本研究の目的は、リンー水素結合を有するアニオン性6配位リン化合物を使ったヒドリド反応性の適用可能性の検証と、重水を使ったワンポットでのカルボニル化合物の重水素化を実現することであった。その二つの目的は達成できたので、おおむね順調に進展したと言える。

今年度の本研究の目的は、主にリンー水素結合を有するアニオン性6配位リン化合物を合成することと、そのヒドリド反応性を実証することであった。その二つの目的は概ね達成できた。さらに、6配位リン化合物は二つの異性体を単離することができたので、おおむね順調に進展すると言える。今後、これまでに得られた異性体の反応性の違いについて、反応機構の観点から明らかにし、反応の更なる効率化を目指す。今後は、種々のカルボニル化合物との反応を検討し、ヒドリド還元剤としての有用性を検討する。次に、リン化合物の互変異性とプロトン性を実証し、ワンポットで行える反応条件を探索する。最終的に、重水を重水素源とする重水素化反応を行い、重水を用いたカルボニル化合物の求核的な重水素化反応、すなわち重水を用いたデューテリド還元反応を実現する。反応機構の検証について、さらなる実験が必要であるので、試薬・ガラス器具に使用する予定である。次年度の研究費は、基本的に全額を試薬・溶媒の購入に使用する予定である。
水田におけるニゴロブナ仔稚魚の成長と微小生物群集との相互作用の解明

水田に放流されたニゴロブナ仔魚は、たいへん速い成長を示した。標準体長は、後期仔魚期に餌不足によると思われる成長遅滞が起こった他は、ほぼ直線的に増加した。このことから同化速度が異化速度に対して十分に大きく、かつほとんどの時期に十分な量の餌があったことが推察された。ニゴロブナ仔魚放流区では、ミジンコ目はほぼ全滅し、カイミジンコ目も大幅に減少した。そして、ミジンコの濾過サイズに相当する微生物が対照区に比べて多くなる「トップダウン栄養カスケード」が観測された水田に放流されたニゴロブナ仔魚は、たいへん速い成長を示した。そして、ミジンコの濾過サイズに相当する微生物が対照区に比べて多くなる「トップダウン栄養カスケード」が観測されたニゴロブナ仔稚魚が水田の微小動物群集に及ぼす影響を明らかにした。稲藁施用の方法が異なる(秋施用,春施用,無施用)水田区画を2つずつ用意し,一方に3日齢のニゴロブナ仔魚を放流し(放流区),もう一方は放流せずに(対照区),微小動物群集の動態を比較した。ニゴロブナは仔魚期にはミジンコを選択的に捕食していたが,後期稚魚期にはユスリカ幼虫を選択するようになった。放流区ではミジンコ目がほとんど見られなくなり,カイミジンコ目も対照区より少なくなった。一方,ミドリムシ目,ハルテリア目など小型の原生動物は,放流区でより多くなった。この結果は,ニゴロブナ仔稚魚→ミジンコ→原生動物というトップダウン栄養カスケードの存在を示唆する。また,稲藁施用をした水田では無施用の水田よりもタマミジンコMoinaの発生が多くなる傾向が見られた。上記研究と同じ実験水田で,3日ごとに放流したフナを採集するとともに,水棲昆虫と微小甲殻類を定量的に採集し,また6日ごとにクロロフィルa量をサイズ分画ごとに測定した。2010年3月までに,6区画中4区画の微小甲殻類を定量し,クロロフィルa量の測定を完了した。対照区,放流区ともに,Moinaは仔魚放流直後に急増し,まもなく激減した。その後,対照区ではMoinaが再び増加し,その後優占種はミジンコDaphniaやケブカミジンコMacrothrixに置き換わっていった。一方,放流区ではミジンコの回復は見られなかった。クロロフィルa量は放流区でより多くなり,その傾向はミジンコに捕食され易い小サイズ分画でより顕著だったことから,ニゴロブナ仔稚魚→ミジンコ→微細藻類というトップダウン栄養カスケードの存在が示唆される。また,クロロフィルa量が全体としても増加したことから,稚魚が底泥中のユスリカなどを捕食したことよる,微細藻類の(再)懸濁あるいは栄養塩のくみ上げによる間接ボトムアップ効果も示唆される。安土町(現・近江八幡市)大中の滋賀県農業技術振興センターで2009年に行った実験のデータがほぼ出そろった。この実験では水田内に6つの区画を設け、うち3つに卵黄吸収直後(4日齢)のニゴロブナ仔魚を放流し、残る3つを対照区として、フナ仔稚魚の主な餌である微小節足動物の消長と、フナ仔稚魚の成長パターンを調べた。ミジンコ類で最も多く出現したタマミジンコMoinaは、田植えから約1週間後(仔魚放流直後)に対照区、放流区ともに急増し、まもなく激減した。カイミジンコ類ではIliocyprisが最も多く見られた。本属はフナが仔魚段階では放流区・対照区ともにほぼ同様の増加を示したが、フナが稚魚段階に達すると放流区の方が明らかに少なくなった。ソコミジンコ目も田植え2週間後くらいから増加したが、フナ放流区では中干しまでに減少して採集されなくなった。キクロプス目およびユスリカ科幼虫の消長に対するフナ放流の影響は小さかったが、中干し直前にはともに放流区でより少なくなった。ニゴロブナの成長パターンをさまざまな方法でスムージングしたところ、有効積算温度を横軸にとったロバストLOWESS回帰で良い結果が得られた。3つの放流区でいずれも稚魚への変態前後に成長が鈍り、稚魚の形態が完成して底生動物を捕食できるようになると再び成長速度が大きくなる傾向が認められた。上記の結果に基づき、今後は仔魚期および稚魚期それぞれの成長速度を、微小節足動物の密度で説明するモデルの構築を試みる。安土町(現・近江八幡市)大中の滋賀県農業技術振興センターで2009年に行った実験のデータを分析した。

この実験では水田内に6つの区画を設け、うち3つに4日齢のニゴロブナ仔魚を放流し、残る3つを対照区として、フナ仔稚魚の主な餌である微小節足動物の消長と、フナ仔稚魚の成長パターンを調べた。成長ゼロ点を5°Cと仮定した有効積算温度を横軸にとり、ニゴロブナの全長、標準体長および体重の成長パターンをさまざまな方法でスムージングしたところ、ロバストLOWESS回帰で良い結果が得られた。3つの放流区でいずれも、全長および標準体長はほぼ直線的に増加した。von Bertalanffyの成長式(微分方程式表記)において、異化速度の項を無視すると、体長に関して直線的な成長曲線が得られる。すなわち、ニゴロブナの同化速度が概ね体長の二乗に比例するというVon Bertalanffy成長式の仮定が妥当なものである限りにおいて、本実験におけるニゴロブナの異化速度は同化速度に対して十分に小さく、また餌の手に入りやすさが成長段階を通じてあまり変化しなかったことになる。本研究におけるニゴロブナの成長パターンは、金尾ら(2009)が滋賀県内の他の水田で報告した、稚魚期の後半に成長が著しく鈍る成長パターンとは好対照をなした。本研究ではユスリカ幼虫が実験終了まで豊富に生息していたために、餌不足が生じなかったものと考えられる。ただし詳細に見ると、稚魚への変態直前にMoinaがほぼ全滅すると成長の遅滞が認められ、稚魚になって底生動物を捕食できるようになると再び成長速度が大きくなる傾向が認められた。なお、全長に関する成長曲線が直線的になる傾向は、他の水田で2010年に調査を行ったダルマガエル幼生でも認められたため、水田で速い初期成長を示す脊椎動物に共通した傾向の可能性がある。
水素を選択的かつ一方向にのみ透過する膜の開発と分離膜反応器への応用

化学反応と分離操作を組み合わせて行い反応の平衡を生成系へ移動させ、より効果的な反応を実施できる分離膜反応器の開発を行った。水素吸蔵合金を分離膜とした炭化水素と二酸化炭素水素化反応を行う分離反応器の開発を目指し、安価で高性能であり、工業的に使用可能な強度を持った分離膜の特性について検討した。パラジウムを主体とした複合膜について、触媒効果は高いが脱水素反応後に支持体との表面に炭素が成長し膜に剥離があり使用上困難だった。上記の要求を満たす水素吸蔵合金として触媒能、水素選択透過性、価格等の条件からLaNi_5およびCaNi_5が優位性を持っていることが解った。本研究ではこれらの組成の合金を主体とした水素吸蔵合金の複合膜を分離膜とした流通型管型分離膜反応器を作成し反応特性等の分離膜性能を検討した。水素吸蔵合金分離膜反応器中で分離膜の片側で飽和炭化水素であるメタン、エタン、プロパン、n-ブタンおよびシクロヘキサンの脱水素反応を、他方側で二酸化炭素の水素化反応を行い、合金の組成、種々の膜表面処理、膜の反応前処理及び製造法(成型厚、担体、組成)、流通ガス圧力、流通ガス種類等の飽和炭化水素の脱水反応と炭酸ガス水素化反応に対する性能評価を行った。LaNi_5およびCaNi_5膜にはH_2ガス選択透過性があり、これらの反応に対する触媒能もあり、実験的な分離膜反応器への応用が可能であると考えられた。今後更に、これらの分離膜の膜成型に関して、膜の強度、繰り返し反応に対する収縮性、選択透過特性、触媒製能の耐久性等を改良修正して工業的装置として使用できる膜への開発が必要である。水素透過パラジウム膜反応器の調製とその性能特性の検討:完全な透過性と高い透過速度を併せ持つ多孔性セラミック支持型パラジウム膜を調製した。セラミック粒子の押し出し成型法によって管状セラミックスを部分的に焼結して、気孔率3040%、細孔径120μmのセラミックス多孔性材を基材とした。この基材表面に無電解メッキ法によってパラジウムを付着させ、必要に応じて電解メッキを行って、パラジウム膜厚を調整した。また、安定化と高透過性のためPd膜上に銀の無電解又は電解メッキを施し、高温に加熱して合金化した。代表的な金属表面組成は75%Pd-25%Agであり、その組成はそれぞれのメッキ厚さによって変化した。この管型透過膜を装備した反応器を製作した。反応器内の透過膜の片側に一定組成(0.520.55モル分率)のアルゴンと水素との混合ガス、他方側にアルゴンガスを流通させた。気体温度を350°C500°Cに変化させ、水素ガスの透過速度を測定した。透過流速は温度上昇に伴って1.2から1.7(cm^3/(cm^2/min))へ増加した。本実験では、両気体の圧力差は一定としたため、透過係数も温度と共に増加することがわかった。パラジウム水素透過膜の飽和炭化水素脱水素反応特性の検討:水素透過パラジウム膜の片方側にアルゴンガス、他方に飽和炭化水素とアルゴンの混合ガスを流通させ、飽和炭化水素の脱水素化反応量を測定して、生成した水素ガスの膜透過速度を求めて、炭化水素ガスと反応時間の影響を測定した。反応時間が40分以上に長くなるとパラジウム膜が剥離し、脱水素反応及び水素透過速度が低下することが解った。平成18年度は以下に示す研究開発を行った。(1)水素透過能の評価実験水素化反応に対して触媒能を有するLaNi_5とCaNi_5を用いて水素吸蔵合金膜を調製し、ステンレス製管型反応器に装着した膜型反応器を製作して、HeとH_2ガスの透過流束を検討した。

透過流束はLaNi_5の方がCaNi_5より少し大きく、680730Kで0.45×10^<-4>から0.6×10^<-4>〔mol/cm^2/s〕と温度と共に上昇した。担体SiO_2にこれら合成金属を添加した分離膜のHeおよびH_2ガスの流束はLaNi_5,CaNi_5共に変化なく0.4×10^<-4>〔mol/cm^2/s〕となった。多孔性セラミックを担体したパラジウム分離膜をとした分離膜反応器の飽和炭化水素の脱水反応とH_2ガス透過性について検討した。H_2ガス透過性はArrhenius式で表され、脱水素反応で生成したH_2ガスの透過流束は0.0130.004〔cm^3/(cm^2/sec)〕となり、エタン>プロパン>メタン>n-ブタンの順で小さくなった。(2)分離膜反応器における脱水素反応と水素化反応LaNi_5とCaNi_5の二酸化炭素の水素化反応特性を検討した。二酸化炭素の還元による一酸化炭素(1)とメタン生成反応(2)の2段階反応が進み、(1)と(2)の反応が維持反応で進むとした場合、両反応速度定数の比(k_1/k_2)は触媒の前処理の方法によって異なった。LaNi_5とCaNi_5分離膜反応器を用い、シクロヘキサンの脱水反応と二酸化炭素水素化反応の及ぼす(a)膜形成の粉炭粒径と膜厚(b)膜への無電解メッキの影響(c)送入CO_2ガス圧力(d)膜成型圧縮圧力の影響(e)膜への金付着の影響(f)繰り返し使用による膜劣化等操作条件の影響を検討した。
非アルコール性脂肪肝炎発生におけるKupffer細胞の2面性機能異常の重要性

非アルコール性脂肪肝炎(NASH)の病因・病態は不明な点が多いが、近年その病態にKupffer細胞の機能異常が重要であることが指摘されるようになった。我々は、NASHラットモデルにてKupffer細胞の貪食能低下を蛍光ビーズ貪食実験およびSPIO-MRIを用いた実験にて明らかにし、NASH患者でも同様の病態が起きている事をSPIO-MRI解析にて明らにした。サイトカイン過剰分泌と貪食能低下という一見相反するKupffer細胞の機能異常がNASHの病態に重要であることが分かった。これまで、アルコール性脂肪肝炎などではKupffer細胞の貪食能低下によるエンドトキシンの増加が肝障害の原因として重要であることが以前から指摘されており、非アルコール性脂肪肝炎(NASH)においても同様の機序が存在するものと想定されてきた。そこで、20年度の研究で我々は、SPIO-MRIや蛍光ビーズ貪食評価などを用いた手法で、MCD食誘発NASHラットのKupffer細胞貪食能が低下していることを明らかにした。さらに、上記ラットモデルで確立したSPIO-MRI撮影方法を用いてNASH患者のKupffer細胞の貪食能の評価を行ったところ、C型慢性肝炎患者に比しNASH患者ではKupffer細胞貪食能の明らかな低下を認めた。そして、そのKupffer細胞の貪食能低下は、脂肪化の程度と強い相関関係があることも明らかとなった。また、形態学的検討の結果、KASHのKupffer細胞はC型慢性肝炎や正常肝と比べ膨化しているおり、既に過食状態になっていることが確かめられた。さらに、貪食能低下と炎症性サイトカイン過分泌の2面性機能異常状態はNASHの特微的異常状態であり、この状態がNASH発症、増悪に重要であることも明らかとなった。NASH動物モデル、NASH患者でもエンドトキシン血症が認められることが報告されており、その原因の一つとして今回我々が検討を行ったKupffer細胞貪食能低下が重要であることも明らかとなった。これまで我々は、非アルコール性脂肪肝炎(NASH)の病因におけるKupffer細胞の機能異常の重要性について報告してきた。本年の研究目的である「(1)貪食能低下と炎症性サイトカイン過分泌の2面性機能異常を持ったKupffer細胞の病態解析」については、NASH患者およびNASHモデルラットについてSPIO-MRIの手法を用いることにより、NASHではKupffer細胞からのTNF-αなどのサイトカインの分泌は過剰になっているにも関わらず、その貪食能は低下していることを明らかにし高い評価を得た(GUT、EASL2009)。さらに、Kupffer細胞の貪食能低下はNASHの進行度とは関連がなく、むしろ肝の脂肪化と関連が高いことを明らかとし、このことが単純性脂肪肝からNASHへの進展に重要な要因となっていることを明らかとなった。さらに、肝が脂肪化を起こすことでKupffer細胞は多くの脂肪滴を貪食することとなり、貪食能が低下することもあきらかとなった(未発表データ)。さらに、もう一つの本年の研究目的である、「(2)NASHの病態におけるKupffer細胞toll-likereceptor4(TLR4)の活性化と貪食能低下の関連」については、TLR4に変異があるC3H/HeJ miceでは肝の脂肪化刺激にても脂肪肝は来さず、蛍光ビーズの静脈内投与によるKupffer細胞貪食能の評価でも正常肝Kupffer細胞の貪食能と比べ低下していないことが明らかとなった(未発表データ)。TLR4変異C3H/HeJ miceマウスでは、肝内におけるTNF-αなどのサイトカインの分泌は亢進しておらず、貪食能の低下とサイトカイン分泌能には深い関連があることが想定される結果であった(未発表データ)。非アルコール性脂肪肝炎(NASH)の病因・病態は不明な点が多いが、近年その病態の一部にKupffer細胞の機能異常が関わっていることが指摘されるようになった。そこで本年度の研究課題として我々は、貪食能異常を中心としたKupffer細胞の機能異常につき実験動物およびNASH患者において検討を行った。NASHモデルラットを用いた蛍光ビーズ貪食実験の結果などから、NASH肝において脂肪化を来す早期の段階からKupffer細胞は膨化しており、TNF-αなどのサイトカインが過剰に分泌されるようになるが、それと同時に貪食能が低下することが明らかとなった。また、SPIO-MRIにて貪食能低下を評価できることがNASHラットを用いて明らかになったため、NASH患者についてSPIO-MRIを用いてKupffer細胞貪食能を比較したところ、他の肝疾患に比べ貪食能が低下していることが明らかとなった。さらに、それは脂肪化の程度に逆比例することも明らかとなった。これらのことから、肝脂肪化の比較的早期からKupffer細胞の貪食能の膨化と貪食能の低下およびサイトカイン過剰分泌が起こることが分かった。以上の結果は、数々の学会や研究会への発表とともに、2010年にGUTに論文掲載された。

さらに、Kupffer細胞の活性化を介したNASH発症におけるToll Like receptor 4(TLR4)の役割についての検討については、TLR4欠損マウスを用いたNASHモデルマウスでは、飼育早期において肝の脂肪化に抑制がかかるが、長期飼育では肝の脂肪化に影響を与えないことが明らかとなった。これは、TLR4欠損の役割を他のTLRが担うことによるKupffer細胞の活性化抑制の相補効果があることが示唆される結果となった。今後、詳細な検討をした上で、論文発表を行う予定である。
論述プロセスの分析・可視化に基づくアカデミック・ライティング指導法の開発

学術的な論文の論述プロセスを、研究行動の表現としての論文の構成要素の出現情況に着目して分野横断的に分析することによって、分野を超えた論文のタイプの類型化を行った。同時に、論文の各構成要素を形成する表現を抽出した。さらに、レポート・論文の構想段階のプロセスに沿った指導法を提案した。これらの成果をもとに、幅広い分野の学生が、論じる行為への理解を深め、レポート・論文に使われる文型や表現を学ぶための教材(『留学生と日本人学生のためのレポート・論文表現ハンドブック』)を開発した。本研究は、論文のタイプ別の構成要素、論述構造、典型的な産出プロセスなどを明らかにし、その成果に基づき留学生の論文作成支援の教材および教室活動の提案を行うことを目的としている。平成20年度は、先行研究の検討、論文例の収集、専門分野の教員からの資料収集などを行うとともに、パイロット的な調査として、自然科学、人文科学、社会科学の合計20分野の論文についてその構成要素や構造の分析を行った。その過程で、主たる論文のタイプとして、実験・調査などによる検証を目的とした「検証型論文」、文献に基づく論述過程に重点を置く「論証型論文」、両者の中間にあたる「複合型論文」の三つを抽出し、それぞれのタイプの論文の構成要素,論述構造について比較検討を行った。異なる分野における論文の構造の比較については、これまで論文の特定部分についての限られた分野での調査は行われているものの、本研究のような学術論文全体を視野に入れた調査研究は行われていない。20年度の研究は、今後2年間の本格的な調査に向けて重要な示唆を与えるものとなった。本研究は、論文のタイプ別の論述構造、構成要素、典型的な産出プロセスなどを明らかにし、その成果に基づき留学生の論文作成支援の教材および教室活動の提案を行うことを目的としている。平成21年度は、主に論文作成の支援教材の作成に取り組んだ。具体的には以下の通りである。まず、前年度に引き続き、論文のタイプ別の構成要素の抽出、およびそれぞれの要素に典型的に用いられる文型や表現、論文全体に共通する接続表現等の抽出および検討を行った。また、それらの文型や表現について、多様な分野の論文からの実例の収集も行った。また、科研メンバーのこれまでの教育経験で得た知見に基づき、学術的なレポートや論文の作成に必要な日本語に関する知識を13項目に整理し教材化を行った。以上の資料をもとに、1)レポート・論文作成のプロセス、2)論文のタイプによる構造の違い、3)論文の構成要素に応じたレポート・論文表現、4)レポート・論文の文章や日本語についての知識、などを系統的に学習できる教材の作成に取り組んだ。試作した教材については、研究グループ内での検討を行うとともに、複数の分野の専門家や留学生にモニターを依頼し、それぞれの立場からのコメントやアドバイスを集約し、教材としての改善を行った。以上のプロセスを経て、21年12月末に、学術日本語の新規参入者のための、論文の構造や論述のプロセスに着目したライティング支援教材(『留学生と日本人学生のためのレポート・論文表現ハンドブック』)を出版した。今回開発した教材は、これまで漠然としか述べられてこなかった<研究手法による論文の構造や論述プロセスの違い>を可視化するとともに、そのような論述プロセスと結びつけた形でレポート・論文に必要な文型・表現を学習できるようにしたもので、留学生のみならず日本人学生の論文作成にも極めて有効な教材であると考えられる。人文科学、社会科学、工学の合計180編の原著論文について構成要素や構造の分析を行った結果、論文のタイプとして、「実験・調査型」「理論構築型」「文献解釈型」「論説型」「複合型」の5つの類型が認められた。これらの構造型の出現の仕方にはある程度分野による特徴が見られるが,分野を越えて同様の構造型が認められるケースも多いことがわかった。また、同じく論文の構成要素に直目して、人文科学・社会科学・工学の合計270編の日本語原著論文を対象に、学術論文の導入部分における展開の型の分野横断的な比較を行った。その結果、共通点として「研究の対象と背景の説明」→「先行研究の提示・検討」→「研究目的・研究行動の提示」という典型的な展開の型が確認された一方で、分野や雑誌による展開の違いが明らかになった。また、冒頭章以降の章で研究目的・研究行動の提示が再帰する「課題設定再起型」のパターンが観察された。上記2つの研究により、論文の構造についての横断的な研究の可能性が明らかになり、日本語の論文の構造の「可視化」への道筋を示すことができた。さらに、昨年度に開発した教材を用いた実践を行い、その結果をもとに授業での活用の可能性を示した。論文のテーマの絞り込みから研究計画の具体化へと至る「研究ストラテジー」の養成、研究計画書や論文のスキーマの形成、論文の分析的な読みを通した論文作成能力の養成など、さまざまな段階での本教材の活用の可能性が明らかになった。

また、本教材は,留学生のみならず日本人学生に共通して活用できること,論文作成に直面する学部後半や大学院の学生だけではなく,日本語のアカデミック・ライティングの入門期の学生にも,日本語の文章語の知識や技術を指導する教材として有効であることも確認された。
胃癌の肝転移、腹膜播種に対するコンビネーション遺伝子治療の研究

自然発生的に胃癌を罹患するWFラットを使い胃癌細胞の初代継代を行った後ラットの胃癌細胞株の樹立を試みたが樹立できなかった。そのためヒトの胃癌細胞株(MKN-1,28)をヌードマウスの肝臓に接種しヒト胃癌肝転移モデルを作製した。このモデルを使って自殺遺伝子(HSV-tk)単独による治療効果及び副作用を検討した。恒常発現のCMV, RSV、腫瘍特異的発現のCEAの各プロモーター下にtkを発現する3種のADV-tkを作成。in vitroの検討でRSV-tk, CMV-tkはすべての胃癌に、CEA-tkはCEA発現胃癌に細胞死誘導効果を示した。in vivoで、CEA発現胃癌(MKN28)肝転移モデルマウスにおいてCMV-tk, RSV-tk, CEA-tkとも著明な腫瘍退縮・消失効果を認め、病理組織学的に腫瘍が消失した割合は、CMV-tk, RSV-tk治療群が各々64、65%CEA-tk治療群では25%であった。副作用としてはCMV-tk, RSV-tk治療群では、血清ALT値が200以下の軽度の肝障害を認めるのみで、重度の臓器障害は他臓器にもみられなかった。さらにCEA-tkでは肝障害もみられなかった。一方CEA非発現胃癌(MKN-1)肝転移モデルマウスにおいては、RSV-tkは著明な腫瘍退縮・消失効果を認めたが、CEA-tkは治療効果を示さなかった。今回の結果より、胃癌肝転移に対するRSV-tk, CMV-tkによる遺伝子治療は、いずれも重大な副作用なしに著明な治療効果が期待でき、さらにCEA発現胃癌には、より安全なCEA-tkも選択できると考えられた。(研究の目的)本研究はラットの胃癌細胞株を樹立した後、肝臓と腹腔内にラットの胃癌細胞を接種し同所性胃癌転移モデルを作製する。これを用いて胃癌の肝転移と腹膜播種に対する自殺遺伝子(HSV-tk)とサイトカイン遺伝子(IL-2,GM-CSFなど)によるコンビネーション癌遺伝子治療の治療効果を検討する。(研究の状況)I.ラットの胃癌肝転移、腹膜播種モデルの作製(1)ラットの胃癌細胞株の樹立自然発生的に胃癌を罹患するWFラットを使い胃癌細胞の初代継代を行った後ラットの胃癌細胞株の樹立を試みているが現時点では樹立できていない。今後さらに検討を加えて樹立を試みる予定である。(2)ラットの胃癌肝転移、腹膜播種モデルの作製ラットの胃癌細胞株が樹立できていないため、ヒトの胃癌細胞株(MKN-1,28)をヌードマウスの肝臓に接種しヒト胃癌肝転移モデルを作製した。このモデルを使って現在自殺遺伝子(HSV-tk)単独による治療効果及び副作用を検討している。II.アデノウイルスベクターの作製と導入効率の検討(1)アデノウイルスベクターの作製と調整(2)ADV/lacZをヒト胃癌細胞株に感染させたのちXgal染色を行い導入効率を検討した。結果は3種類のヒトの胃癌細胞株(MKN-1,28,45)においてm.o.j30で約70%以上の導入効率を認めた。ヒト胃癌肝転移モデルにおける遺伝子導入効率はADV/lacZ1×10^6pfu注入で約10%程度の効率であった。
１次元量子Ｂｉナノワイヤー熱電変換素子の巨大ゼーベック効果実証とその機構解明

ナノ空孔を有する石英ガラステンプレートの開発について、線引き法による石英ガラスの引き延ばし条件を、温度および圧力を適切に変化させることで、1000nm50 nm程度の内径を制御して意図的な直径を有する石英ガラステンプレート作成方法を確立した。また、直径100 nmの空孔を有する石英ファイバーにBiを高温圧入して作成した1次元量子Biナノワイヤーの結晶方向をX線回折を用いて特定することに成功した。Biナノワイヤーの2端子測定法による物性評価用の電極膜蒸着の前処理として、直径500nmおよび200nmのBiナノワイヤーを対象に、自動研磨機を用いてワイヤー端面研磨を行った。硬度の異なる石英とBiを同程度に平滑化するために、研磨時の治具、研磨材の粒径および研磨台の回転速度の最適値決定のため、現在も様々な条件での研磨作業を続けている。また、研磨の精度を実験者の技量によって変化させないために、研磨機の改良を複数回行った。結果、直径500 nmのBiナノワイヤーについては半分以上の確率で研磨が成功し、電極膜作成が可能になった。しかし、直径200 nm以下のBiナノワイヤーに関しては研磨成功率が2割程度であるため、最適研磨条件を今後も検討する必要がある。直径が100 nm以下の一次量子Biナノワイヤーについては4端子測定法により物性評価を行うために、デュアルFIBを用いてナノ電極を取り付けることを試みたが、ナノサイズのBiワイヤーにナノ加工を施す前に、より加工が容易なマイクロサイズのBiワイヤーを用いてナノ電極の作成を行った。結果、ゼーベック係数、抵抗率、ホール係数の温度依存性(300K- 20K)測定に成功し、ナノ電極が300K- 20Kの温度領域において正確な測定を行うために有効であることが証明できた。また、文献を参考にした1次元状態密度を考慮したモデル計算プログラムが完成した。直径100nmスケールの1次元量子Biナノワイヤーについては作成、測定、解析等が当初予定していた計画からは少し遅れているが、100 nm以上の直径のBiワイヤーについて不明瞭であった物性について明らかにできた。測定した直径1900nmのBiワイヤーの抵抗率の温度依存性から、低温における温度係数の上昇が見られた。これは、特定の結晶方向において見られる現象として過去の文献にも示されているが、その原因は特定されていなかった。しかし、本測定では4端子法を実現したことにより、同一サンプルからゼーベック係数、抵抗率、ホール係数の全てが特定できたため、低温における温度係数の上昇が、電子移動度の上昇による現象であることが現段階の解析結果として得られた。本結果については、2019年5月にフランスで行われる国際学会E-MRSにてポスター発表を予定している。また、測定系の改良を行う中で、インピーダンススペクトロスコピー法(IS法)を用いて熱電変換材料の無次元性能指数zTを熱測定を介さずに直接測定する事に成功した。これは、Bi2Te3バルク試料を対象にして測定を行ったが、同時に熱伝導率および比熱についても特定することに成功し、正確な測定が困難である熱測定を介さず、測定誤差を把握しやすい電気測定のみを用いたという点において、熱電変換材料の高精度な評価が行えたといえる。本測定方法の開発は当初予期していた物とは異なるが、IS法を用いた熱電変換材料の評価は、今後、Biワイヤーに対しても有効であるといえる。また、カリフォルニア大学リバーサイド校(UCR)にて、クリーンルーム作業を体験し、マイクロ・ナノデバイス作成の基礎を学んだ。自身の大学には無い最新の実験設備を使用することで、クリーンルーム作業を要する実験過程とそうでないものを効率的に切り分ける重要性を再確認した。昨年度に作成した石英ファイバーの中から、直径100 nm20 nm程度の空孔を有するものをSEMの断面観察により探し、Biを高温圧入し、1次元量子Biナノワイヤーを作成する。それと同時に、内径100nm以下の石英ファイバーの作製にあたる制御方法を検討、実験し、石英ガラス試料から効率的にナノサイズのファイバーを作製できる圧力・温度変化の条件を特定する。また、1年目に確立したナノ加工技術を用いて、ワイヤー直径100nm以下のナノワイヤー熱電変換素子の物性測定を行っていく。トリプルFIBを用いてワイヤー直径50nm程度の1次元量子Biナノワイヤー熱電変換素子の局所電極形成を行う。さらに、直径の異なるBiワイヤーを複数個用意し、ナノ加工済みのサンプルでゼーベック係数、抵抗率、ホール係数、ネルンスト係数を測定し、それぞれの物性値のワイヤー直径依存性を調べる。これと並行し、1次元状態密度を導入したモデルを完成させ、実験値との比較を行っていく。なお、この領域では半金属ー半導体転移、バンドの離散化など、量子1次元化特有の現象に加えて、表面状態による閉じ込め準位への影響を考慮する必要がある。そのため、これまでの計算モデルと実験値の差異を手がかりに、茨城大学の小峰先生および電気通信大学の伏屋先生の協力の下、新しいモデルの構築を行い、実験データの解析を進めていく。さらに、昨年度に10,0001,000nmの範囲でも内径を制御しながら石英ファイバーを作製することに成功したため、マイクロスケールのBiワイヤーの作製も行っていく。そこでフランスの強磁場装置を有するESPCIと共同研究を試み、ホール係数やネルンスト係数など、磁場測定を必要とするような物性値について明らかにしていく。

また、IS法を用いたzT評価をBiワイヤーに対しても適応し、zTの値について定常法で測定した結果と比較する。ナノ空孔を有する石英ガラステンプレートの開発について、線引き法による石英ガラスの引き延ばし条件を、温度および圧力を適切に変化させることで、1000nm50 nm程度の内径を制御して意図的な直径を有する石英ガラステンプレート作成方法を確立した。また、直径100 nmの空孔を有する石英ファイバーにBiを高温圧入して作成した1次元量子Biナノワイヤーの結晶方向をX線回折を用いて特定することに成功した。Biナノワイヤーの2端子測定法による物性評価用の電極膜蒸着の前処理として、直径500nmおよび200nmのBiナノワイヤーを対象に、自動研磨機を用いてワイヤー端面研磨を行った。硬度の異なる石英とBiを同程度に平滑化するために、研磨時の治具、研磨材の粒径および研磨台の回転速度の最適値決定のため、現在も様々な条件での研磨作業を続けている。また、研磨の精度を実験者の技量によって変化させないために、研磨機の改良を複数回行った。結果、直径500 nmのBiナノワイヤーについては半分以上の確率で研磨が成功し、電極膜作成が可能になった。しかし、直径200 nm以下のBiナノワイヤーに関しては研磨成功率が2割程度であるため、最適研磨条件を今後も検討する必要がある。直径が100 nm以下の一次量子Biナノワイヤーについては4端子測定法により物性評価を行うために、デュアルFIBを用いてナノ電極を取り付けることを試みたが、ナノサイズのBiワイヤーにナノ加工を施す前に、より加工が容易なマイクロサイズのBiワイヤーを用いてナノ電極の作成を行った。結果、ゼーベック係数、抵抗率、ホール係数の温度依存性(300K- 20K)測定に成功し、ナノ電極が300K- 20Kの温度領域において正確な測定を行うために有効であることが証明できた。また、文献を参考にした1次元状態密度を考慮したモデル計算プログラムが完成した。直径100nmスケールの1次元量子Biナノワイヤーについては作成、測定、解析等が当初予定していた計画からは少し遅れているが、100 nm以上の直径のBiワイヤーについて不明瞭であった物性について明らかにできた。測定した直径1900nmのBiワイヤーの抵抗率の温度依存性から、低温における温度係数の上昇が見られた。これは、特定の結晶方向において見られる現象として過去の文献にも示されているが、その原因は特定されていなかった。しかし、本測定では4端子法を実現したことにより、同一サンプルからゼーベック係数、抵抗率、ホール係数の全てが特定できたため、低温における温度係数の上昇が、電子移動度の上昇による現象であることが現段階の解析結果として得られた。本結果については、2019年5月にフランスで行われる国際学会E-MRSにてポスター発表を予定している。また、測定系の改良を行う中で、インピーダンススペクトロスコピー法(IS法)を用いて熱電変換材料の無次元性能指数zTを熱測定を介さずに直接測定する事に成功した。これは、Bi2Te3バルク試料を対象にして測定を行ったが、同時に熱伝導率および比熱についても特定することに成功し、正確な測定が困難である熱測定を介さず、測定誤差を把握しやすい電気測定のみを用いたという点において、熱電変換材料の高精度な評価が行えたといえる。