hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
リグニン物質の改質,低分子化および有用化合物への変換のための電解プロセスの開発

前年度に確立された研究遂行の基本方針に基づいて今年度はリグニンの陽極低分子化における反応因子(主として電解条件)と低分子化生成物の分布との関係を解析するのに必要な電解データを集積することを最大の目的として研究を進めた。現在までのところ以下に概述するような結果が得られているが、一部は最終結論に近いものである。陽極材料:黒鉛,二酸化鉛,白金を広範な電解条件下で比較検討した結果、反応効率,耐食性,経済性の三つの要件を最もよく満すものとして二酸化鉛を最適陽極材料として選定した。電解液液性:強アルカリ性(NaOH)と強酸性(【H_2】【SO_4】)の電解液を比較検討した結果、原料リグニンの溶解性と反応効率では前者が圧倒的に優れていたのに対し、後者は二酸化鉛陽極の耐食性の点でやゝ優れていた程度であった。弱アルカリ性弱酸性については実用電解プロセス化した場合における液性制御の問題から当初より検討対象にしなかった。電流密度:0.55.0A/【dm^2】の範囲で検討したところ生成物によってはかなり影響を受けるものもあったが、総体的には微差であった。したがって、電極の有効利用という観点から当然できるだけ高い電流密度が望ましいので今後は使用可能な電流密度の上限を明らかにすることとした。通電量:0.21.0F/gの範囲で検討したところほとんどの生成物が強い影響を受け、通電量と生成物分布の関係は極めて複雑であった。したがって特定の目的生成物を効率よく得るためには通電量の最適化を綿密に行なう必要があると認められた。リグニンの種類:広葉樹,針葉樹,草本が原料の8種のリグニン試料を用いた。生成物分布へのリグニンの種類の影響は極めて大きく、通電量とともに生成物選択性への重要因子であった。
細胞個性に立脚したターゲティング型細胞治療システムの開発

細胞治療の実現を目的に、細胞毎に大きく異なる個性に注目し、「細胞個性に立脚したターゲティング型細胞治療システム」の開発に取り組んだ。細胞を生体に投与したときの生存期間および生理活性を最大化する方法として、細胞のスフェロイド化技術の利用を検討した。ポリジメチルシロキサン製マイクロポケットを用いることで均一なサイズの細胞スフェロイドが得られたが、接着性の高い細胞ではマイクロポケット表面への吸着によりスフェロイド形成が阻害された。この細胞接着は、ポリ(N-イソプロピルアクリルアミド)でポケット表面をコーティングすることで抑制可能であり、その結果、検討したすべての細胞種において細胞スフェロイドが作製可能であった。そこで、作製したスフェロイドを利用した疾患治療の可能性について、インスリン産生細胞であるNIT -1を用いて検証したところ、細胞懸濁液と比較してNIT -1スフェロイドが細胞の生存率を改善し、優れた血糖値抑制効果を示すことを見出した。人工多能性幹細胞(iPS細胞)が樹立されるなど、細胞治療に向けた環境が整備されつつある。しかしながらその実現には、体外から投与した細胞を長期間生存させるとともに、必要とされる局所でその生理機能を発揮させることが必須である。本研究では、細胞毎に大きく異なる個性に注目し、細胞を生体に投与したときの、1.生存期間(半減期)、2.体内分布、3.生理活性(薬理作用)を、治療効果を左右する要因として取り上げ、ドラッグデリバリーシステムの概念に基づき、遺伝子工学的手法と生物薬剤学的修飾法を駆使することで、「細胞個性に立脚したターゲティング型細胞治療システム」の開発を目指す。初年度である平成23年度には、体内動態評価を目的としてレポーター遺伝子を導入した細胞株を樹立するとともに、投与した細胞の生存期間の延長化を目的に、最近注目を集めているスフェロイド化細胞の利用を試みた。均一なサイズのマイクロポケットを含むプレートを用いて、各種細胞のスフェロイド化を検討したところ、NIH 3T3、マウスβ細胞株NIT-1、MIN6、マウスマクロファージ様細胞株RAW264.7、初代培養脂肪由来幹細胞(ASC)を含む検討したすべての細胞種において、細胞スフェロイドの開発に成功した。スフェロイドのサイズは、マイクロポケットの大きさで制御可能であった。24年度には、作製したスフェロイドを利用した疾患治療の可能性について検証した。インスリン産生細胞であるNIT-1は、スフェロイド化によりマウス腎皮膜下に移植後の細胞生存率が改善した。そこで、NIT-1スフェロイドを糖尿病モデルマウスに移植したところ、細胞懸濁液投与よりも優れた血糖値抑制効果が得られた。初年度である平成23年度は、株化細胞にレポーター遺伝子を導入し、体内動態評価に利用可能な細胞株の樹立を試みた。また、遺伝子導入マウスから種々の初代細胞を回収し、体内動態評価の可能性についても検討した。その結果、マウス線維芽細胞株NIH 3T3細胞にホタルルシフェラーゼ遺伝子を安定に発現された細胞株の樹立に成功した。また、緑色蛍光タンパク質(GFP)遺伝子導入マウスから回収した骨髄細胞をマウスに投与することで、マウス体内での細胞動態を経時的に評価できることを確認した。そこで、投与した細胞の生存期間の延長化を目的に、最近注目を集めているスフェロイド化細胞の利用を試みた。均一なサイズのマイクロポケットを含むプレートを用いて、各種細胞のスフェロイド化を検討したところ、NIH 3T3、マウスβ細胞株NIT-1、マウスマクロファージ様細胞株RAW264.7を含む検討したすべての細胞種において、細胞スフェロイドの開発に成功した。さらに、懸濁NIT-1細胞と比較して高いグルコース応答性インスリン分泌活性を有するNIT-1細胞スフェロイドの開発に成功した。

細胞スフェロイドの開発に成功したのが年度末に近かったため、その体内動態評価を次年度に先送りした。一方で、24年度に予定していた初代培養細胞での検討を前倒しして行ったため、全体としてはおおむね順調に進展しているとした。平成24年度は、以下の計画で研究を進める予定である。1.細胞スフェロイドのマウス体内挙動解析:これまでに開発に成功した各種細胞スフェロイドをマウスに投与し、レポータータンパク質を指標にその生体内挙動を追跡する。細胞の種類、スフェロイドのサイズ、投与部位の影響について検証し、生体内に長期間生存する投与システムに関する情報を収集する。2.生存期間延長を目的とした抗酸化酵素遺伝子導入細胞の樹立:これまでの癌細胞とホスト細胞との相互作用に関する検討結果から、細胞の生存及び体内分布には細胞間相互作用で発生する活性酸素が関与する可能性が推察される。そこで、さらなる生存期間延長を目的に、活性酸素消去酵素カタラーゼを遺伝子導入した細胞株を樹立する。細胞共培養実験及びマウス体内動態試験を行ない、このカタラーゼ遺伝子導入の影響を評価する。3.脂肪細胞含有細胞スフェロイドの開発:脂肪細胞が細胞生存に有用であるという最近の報告をもとに、脂肪細胞を含有する混合型細胞スフェロイドを新たに開発する。ここで、マウス線維芽細胞株3T3 L1細胞を脂肪前駆細胞として選択し、NIT-1細胞やRAW264.7細胞と共存させることで混合型細胞スフェロイドを作製する。脂肪細胞への分化のタイミングに関しては、スフェロイド化前後で比較検討する。得られたスフェロイドからのインスリン分泌あるいはサイトカイン産生を指標に、in vitroおよびin vivoにおける細胞機能に対する脂肪細胞共存の影響を評価する。4.マウスでの細胞治療システムの治療効果判定:以上の検討から長期生存する細胞システムを選択し、糖尿病マウスあるいは担癌マウスへの投与により治療効果を判定する。繰り越しした23年度分予算は、昨年度実施することを計画していた<平成24年度実験計画1.細胞スフェロイドのマウス体内挙動解析>に使用する予定である。<平成24年度実験計画14>に関しては、24年度に配分予定の研究費を用いて研究を遂行する。
マイクロバブルを用いた口腔嫌気性菌除去方法の検討

平成19年度の研究課題に関する研究実績は以下のとおりである。1.マイクロバブル濃度の測定とバブル径の測定平成18年度の研究では,市販のマイクロバブル水にはほとんど抗菌性のないことが明らかとなった。原因としては,マイクロバブル濃度が低いこと,そしてバブルの径が大きくマイクロバブルとしての作用が発現していないことが考えられた。このため,高速ビデオ撮影装置を応用して,バブル発生状況を調べた。その結果,市販の装置では直径がナノメーターあるいはマイクロメーターレベルのバブルはほとんど発生していないことが明らかとなった。そこで,本学工学部(柳瀬眞一郎)に依頼し,工学部で開発されたマイクロバブル発生装置を用いて,以下の抗菌試験と,ヒト細胞への影響について調べた。2.歯周病細菌に対する抗菌試験歯周病細菌Porphyromonas gingivalisを対数増殖期まで培養し,培養液5ccに対して1ccのマイクロバブル水を添加し,その後の菌増殖を培養液の吸光度で評価した。その結果,菌増殖はコントロール(蒸留水)とマクロバブル水の間で差がなく,マイクロバブル水にはほとんど抗菌性のないことが示された。3.ヒト細胞への影響ヒト上皮系細胞(HeLa)と単球系細胞(THP-1)の培養液中にマイクロバブル水を添加して,2時間細胞を培養した。その後,細胞を回収して,マイクロバブルが細胞のサイトカインならびに増殖因子発現に与える影響をプロテインアレイ法で解析した。その結果,マイクロバブルを添加した細胞のサイトカインプロファイルと増殖因子プロファイルはコントロールと比較して変化がなく,マイクロバブルによる影響はないことが示唆された。これらの結果はマイクロバブルによる短時間の刺激では、細菌や細胞へ与える影響がほとんどないことを示すものである。今後は洗浄効果(プラーク除去)を中心にマイクロバブルの口腔内応用を考えていく必要がある。1.マイクロバブル水の歯周病細菌に対する抗菌作用の検討(1)方法歯周病細菌Porphyromonas gingivalisを嫌気培養し,対数増殖期の初期にマイクロバブル水を添加して,その後の増殖に与える影響を調べた。P.gingivalisの培養はブレインハートインフュージョン液体培地(5ml)で行い,これに200μl,1ml,そして2mlのマイクロバブル水を添加した。増殖に与える影響は1時間ごとの培養液の吸光度を測定することによって調べた。なお,マイクロバブル水は発生装置を15分間作動させた直後に装置から採取して使用した。(2)結果マイクロバブル水添加によってP.gingivalisの増殖は抑制される傾向にあったが,対照とした蒸留水に比べて有意に菌の増殖を抑える作用は認められなかった。2.マイクロバブル水の上皮細胞ならびに単核球に与える影響(1)方法THP-1ならびにHeLa細胞の培養液をマイクロバブル水にて作製し,通法に従い,培養して,細胞形態を観察するとともに,炎症性サイトカインの誘導が起こるかどうかを調べた。サイトカイン産生については抗体アレイを使用し,通常の培養液を用いた場合と比較した。(2)結果マイクロバブル水添加条件の培養によって,THP-1細胞ならびにHeLa細胞ともに形態的変化から細胞障害性を確認することはなかった。同様に,マイクロバブル水の添加によってサイトカインが誘導されることはなかった。3.結論・考察口腔細菌ならびにヒト細胞に対してマイクロバブルは大きな影響を与えないことが示された。今後マイクロバブル濃度を変化させて抗菌作用とヒト細胞への影響を調べる必要がある。
酵素内包シリカナノカプセルの創製とその活性の評価

界面活性剤を用いて酵素内包シリカナノカプセルを創製するに当たって、界面活性剤共存下でマイクロ・ナノ空間に封入された酵素が示す物性を評価するために、非イオン性界面活性剤が形成する超分子型水性ゲル中に様々な酵素や人工ホスト分子を封入し、その特性を評価した。酵素を封入した水性ゲルでは、いずれの酵素も水性ゲル中で水溶液系において観測されるものと同等の活性を保持していることが確認された。この酵素に対する阻害剤活性の評価では、小分子型およびタンパク質型阻害剤のいずれにおいても本来の酵素阻害能が保たれていることが確認された。また、界面活性剤の会合体が構築する疎水場を利用することで、酵素活性を様々な蛍光変化として検出する手法を確立した。以上の結果から、界面活性剤は酵素内包シリカナノカプセルの創製に有効であることが示唆された。人工ホスト分子を封入した水性ゲルでは新たな分子認識系の構築に成功した。ジピコリルアミン亜鉛錯体は、水中で種々のリン酸種と高い親和性を持って錯形成するホスト分子である。ここで、ホスト分子単独の状態と比較した錯体の親水性は、ゲストであるリン酸種に依存して変化するため、人工糖脂質の繊維状会合体が形成した超分子水性ゲル中では、ホスト分子の水相・疎水場間の分配比が錯形成前後で変化する。この特性を利用して、超分子水性ゲル中で環境応答性色素導入ホストによる親水性ベースでのリン酸種識別に成功した以上の結果をふまえ、この水性ゲルを媒体とすることで、さまざまな酵素や人工ホスト分子を安定かつ簡便に基板上に固定化することに成功した。これにより、様々な生体内現象を高効率的に解析可能な材料の構築が可能であることが示された。この結果を踏まえ、酵素内包シリカナノカプセルを基板上に固定することで生化学的研究にも貢献する生物材料が構築できるものと期待される。界面活性剤を用いて酵素内包シリカナノカプセルを創製するに当たって、ゾル-ゲル重縮合反応の条件について十分な知見を得るために、様々なポルフィリン型界面活性剤の会合体を用いてその超構造のシリカによる被覆について検討を行った。糖骨格を有する一連のポルフィリン型界面活性剤が形成する有機ゲル中においてテトラエトキシシランのゾル-ゲル重縮合反応を行った結果、ポルフィリンゲル組織の表層で特異的にシリカを成長させることに成功した。このゾル-ゲル重縮合反応の条件(温度、時間、濃度など)をコントロールすることで、多彩な構造を持つナノサイズの有機-無機ハイブリッドを作り分けることに成功した。また、一連のポルフィリン型界面活性剤の合成段階において、ポルフィリン誘導体合成における鍵中間体であるジアシルジピロメタンの新規な効率的合成法および精製法を確立した。さらに、酵素内包シリカナノカプセルへの応用を見越して、目的物質の様々な基盤表面への固定化について検討し、知見を得た。以上の結果は、本研究の目的である酵素内包シリカナノカプセルの調製に対してきわめて有用な知見をあたえる。さらに、ヘモグロビンなどに代表されるポルフィリン骨格を活性中心に有する機能性たんばく質に対して、半人工的に新たな機能を付与するためにも有用である。今年度得た知見を利用することで、様々な機能を持つたんぱく質を内包したシリカナノカプセルの創製を行えるものと期待される。界面活性剤を用いて酵素内包シリカナノカプセルを創製するに当たって、界面活性剤共存下でマイクロ・ナノ空間に封入された酵素が示す物性を評価するために、非イオン性界面活性剤が形成する超分子型水性ゲル中に様々な酵素を封入し、その活性を評価した。いずれの酵素も水性ゲル中で水溶液系において観測されるものと同等の活性を保持していることが確認された。また、界面活性剤が形成する水性ゲルの組織は疎水場を形成しており、酵素による分解の結果生じる基質断片をその疎水場に取り込むことが可能であった。この性質を利用して、環境応答性色素を利用した酵素活性の検出系を創製することに成功するとともに、酵素反応により界面活性剤組織上で蛍光共鳴エネルギー移動を発現する、より高度な材料の創製にも成功した。以上の結果から、界面活性剤は酵素内包シリカナノカプセルの創製に有効であるだけでなく、適切な界面活性剤を選ぶことで、酵素と界面活性剤が持つ機能が融合した、より高度な機能を発揮する生物材料の構築が可能であることが示唆された。さらに、この水性ゲルを媒体とすることで、さまざまな酵素を安定かつ簡便に基板上に固定化することに成功した。これにより、タンパク質の機能を高効率的に解析可能な材料の構築が可能であることが示された。

この酵素に対する阻害剤活性の評価では、小分子型およびタンパク質型阻害剤のいずれにおいても本来の酵素阻害能が保たれていることが確認された。また、界面活性剤の会合体が構築する疎水場を利用することで、酵素活性を様々な蛍光変化として検出する手法を確立した。以上の結果から、界面活性剤は酵素内包シリカナノカプセルの創製に有効であることが示唆された。人工ホスト分子を封入した水性ゲルでは新たな分子認識系の構築に成功した。ジピコリルアミン亜鉛錯体は、水中で種々のリン酸種と高い親和性を持って錯形成するホスト分子である。ここで、ホスト分子単独の状態と比較した錯体の親水性は、ゲストであるリン酸種に依存して変化するため、人工糖脂質の繊維状会合体が形成した超分子水性ゲル中では、ホスト分子の水相・疎水場間の分配比が錯形成前後で変化する。この特性を利用して、超分子水性ゲル中で環境応答性色素導入ホストによる親水性ベースでのリン酸種識別に成功した以上の結果をふまえ、この水性ゲルを媒体とすることで、さまざまな酵素や人工ホスト分子を安定かつ簡便に基板上に固定化することに成功した。これにより、様々な生体内現象を高効率的に解析可能な材料の構築が可能であることが示された。この結果を踏まえ、酵素内包シリカナノカプセルを基板上に固定することで生化学的研究にも貢献する生物材料が構築できるものと期待される。
リン酸化プロテオミクスを用いたがん細胞特異的シグナル伝達機構の解明

がん細胞では、チロシンキナーゼ受容体の過剰発現や調節機構の損失などにより正常細胞と比較して細胞分裂に関わる様々なシグナル伝達経路が活発化している。本研究では、ナノ液体クロマトグラフィー-質量分析法(nanoLC-MS/MS)を用いたリン酸化プロテオーム解析によりタンパク質のリン酸化を網羅的に同定、定量し、がん組織に特異的、または過剰に亢進しているシグナル伝達経路や関与するプロテインキナーゼを明らかにすることを目的とする。本年度では、前年度において最適化を行った組織からのタンパク質抽出方法を用いて、がん組織および正常組織中における代謝酵素の定量解析およびリン酸化プロテオーム解析を行い、がん組織において発現量が変動している代謝酵素およびリン酸化量が変化しているタンパク質の同定、定量を行った。同一器官でタイプの異なるがん組織の解析の結果、組織の違いにより解糖系やクエン酸回路に属する代謝酵素の発現量の変動に相違が観測された。同様にリン酸化プロテオーム解析においても、がんのタイプによりリン酸量の変化が見られるタンパク質が異なっており、発癌機序の違いによるシグナル伝達経路への影響をリン酸化プロテオーム解析により観測可能であることを示した。また、リン酸化プロテオーム解析によって得られた情報を可視化する手段として、細胞内の各プロテインキナーゼとその基質タンパク質間に見られるネットワークを予測し、リン酸化プロテオーム解析の定量結果を図として表示するデータ解析ツールの作成を行った。キナーゼ-基質間の関係性の予測には、タンパク質間相互作用やリン酸化モチーフなどの情報を利用した。上述の実験結果において、がん組織でリン酸化の亢進が観測されたタンパク質群に対し責任キナーゼを推測することで、がん特異的なシグナル伝達経路を抽出した。24年度が最終年度であるため、記入しない。本年度では、最初に、リン酸化プロテオミクスを行うための試料調製法の開発として、組織からのタンパク質抽出の最適化を行った。さらに、測定技術の高感度化を行い、分析カラムのミクロ化や界面活性剤を用いた溶解法を組み合わせることで超高感度分析システムを構築した。開発した分析法を用いることで、従来法に比べてMSへの試料導入効率は約30倍に増加し、微量なペプチドでも高感度に分析することが可能となった。このことにより、1分析で4000種以上のリン酸化サイトが同定できるようになっただけでなく、これまで測定が困難だった極微量の試料量からでも大規模なリン酸化プロファイルが得られるようになった。次に最適化した試料調製法を用いて、がん及び正常組織の代謝酵素の定量解析及びリン酸化プロテオーム解析を行った。がん組織において解糖系やTCA回路の酵素が発現レベルで増減していることが確認された。また、タンパク質のリン酸化においても、がんの種類特異的にリン酸化が亢進しているタンパク質上の部位が観測された。次年度においては、データの蓄積を進めて、詳細な解析を行う予定である。実施計画の内、試料調整法の最適化と、がん及び正常組織のリン酸化プロテオーム解析については当初の計画通りに進行しており、一定の成果が得られた。一方、データの可視化ツールについては本年度中に着手できなかったが、研究全体としては順調に進展している。

本年度中に行う予定であったデータの可視化ツール開発に着手する。本年度に実施した研究や共同研究により、代謝酵素などの発現量や、代謝物質量の変動(メタボローム解析)データも得ており、これらのデータについても統合可能なマルチオミクスデータの可視化法として開発する。がん細胞と正常細胞のリン酸化プロテオミクスについては、引き続きデータの取得を行い、開発した可視化ツールにより情報の整理と抽出を行う。また、蓄積されたデータをもとに、主成分解析やクラスター解析などの多変量解析を行い、がん細胞に特徴的なリン酸化修飾を決定し、がん特異的シグナル伝達経路を推定する。
第一原理に基づくポテンシャル曲面生成とダイナミックス

多原子分子に対する動力学の理論的取り扱いには,ポテンシャルエネルギー曲面(PES)の精度が大きな影響を与える.近年のab initio電子状態理論の発展によりPESを高精度に決定することが可能になったことを受け,本研究では,高精度ab initio PESに基づくダイナミックス計算を行った.1.多原子分子の振動エネルギー準位の高精度予測振動状態計算では,平衡点における4次テイラー展開(QFF)が精度の良いポテンシャル関数として広く用いられているが,QFFの作成は原子数の増加とともに莫大な計算負荷を要する.本研究では,QFFをモード間カップリングの次数で表現し,2体までのカップリングを考慮したQFFを用いることで,多原子分子の非調和振動数を現実的な計算負荷で精度良く決定することが可能になった.2.マロンアルデヒドに対する多次元トンネル動力学マロンアルデヒドは分子内水素移動反応のトンネル効果により振動エネルギー準位が分裂するが,その見積もりには多次元効果の考慮が必要不可欠である.最近,Mil'nikovと中村は,インスタントン理論に基づき多次元トンネル効果を精確に扱う方法を提案した.本研究では,この方法と高精度ポテンシャル曲面を組み合わせることで,マロンアルデヒドの振動基底状態のエネルギー分裂を計算した.3.スピン軌道相互作用によるCH_3+O(^3P)→CH_3Oにおける非断熱遷移の効果近年,H_2+Cl→H+HCl反応において,スピン軌道相互作用を通した非断熱遷移の効果が大きいと報告され,実験・理論の両面からこの効果が見直されている.CH_3+O(^3P)は9個の電子状態が縮退しており,そのうち2個しかCH_3Oへ相関しないが,非断熱遷移により反応が促進される可能性がある.本研究では,ab initio計算によりポテンシャル曲面を決定し,それを用いた量子散乱計算によりこの効果を詳細に検討した.多原子分子の振動エネルギー準位の理論予測には,ポテンシャルエネルギー曲面(PES)の精度が大きな影響を与える.PESを表すポテンシャル関数(PEF)として,これまで平衡点における4次テイラー展開(QFF)が用いられてきたが,その関数形の精度はあまり吟味されていない.我々が最近提案した,direct VSCF/VCI法では,得られた結果との比較を通してPEFの精度を議論できる.本研究では4次テイラー展開に基づく修正Shepard内挿(MSI)法を新しいab initio PEFとして提案し,H_2O, H_2COへの適用を通してその有効性を示した.MSI-PEFは各参照点における局所PEFの内挿として定義される.振動用のPES構築にMSI法を応用するにあたり,本研究では局所PEFに4次テイラー展開を用いる.展開係数は電子状態計算から得られるエネルギー微分値により決めた.H_2O(H_2CO)はOH(CH)の対称伸縮と逆対称伸縮が強く結合する.そこで平衡点および対称伸縮と逆対称伸縮の結合する領域に2点を参照点として選び,MSI-PEFを作成した.QFFでは非調和性の記述が不十分であるが,MSI-PEFは参照点を配置することで正確に再現される.作成されたMSI-PEFを用いてVCI計算によりH_2O, H_2COの基音,倍音,結合音を求めた.実験値からの平均絶対誤差はそれぞれ16.4,9.8cm^<-1>と得られ,特に基音の平均絶対誤差はそれぞれ9.0,3.7cm^<-1>と良い一致が得られた.以前のQFFを用いたH_2COの振動エネルギー準位の理論計算ではQ_1,Q_5の結合音が実験値から大きくはずれたが,今回MSI-PEFでは実験値を再現し,QFFという関数形にエラーがあったことが明らかとなった.多原子分子に対する動力学の理論的取り扱いには,ポテンシャルエネルギー曲面(PES)の精度が大きな影響を与える.近年のab initio電子状態理論の発展によりPESを高精度に決定することが可能になったことを受け,本研究では,高精度ab initio PESに基づくダイナミックス計算を行った.1.多原子分子の振動エネルギー準位の高精度予測振動状態計算では,平衡点における4次テイラー展開(QFF)が精度の良いポテンシャル関数として広く用いられているが,QFFの作成は原子数の増加とともに莫大な計算負荷を要する.本研究では,QFFをモード間カップリングの次数で表現し,2体までのカップリングを考慮したQFFを用いることで,多原子分子の非調和振動数を現実的な計算負荷で精度良く決定することが可能になった.2.マロンアルデヒドに対する多次元トンネル動力学マロンアルデヒドは分子内水素移動反応のトンネル効果により振動エネルギー準位が分裂するが,その見積もりには多次元効果の考慮が必要不可欠である.最近,Mil'nikovと中村は,インスタントン理論に基づき多次元トンネル効果を精確に扱う方法を提案した.本研究では,この方法と高精度ポテンシャル曲面を組み合わせることで,マロンアルデヒドの振動基底状態のエネルギー分裂を計算した.3.スピン軌道相互作用によるCH_3+O(^3P)→CH_3Oにおける非断熱遷移の効果近年,H_2+Cl→H+HCl反応において,スピン軌道相互作用を通した非断熱遷移の効果が大きいと報告され,実験・理論の両面からこの効果が見直されている.CH_3+O(^3P)は9個の電子状態が縮退しており,そのうち2個しかCH_3Oへ相関しないが,非断熱遷移により反応が促進される可能性がある.本研究では,ab initio計算によりポテンシャル曲面を決定し,それを用いた量子散乱計算によりこの効果を詳細に検討した.
温和な条件下での炭酸ガスおよび窒素固定への新展開

本研究の課題は化学者の夢と言われる程の大きな課題で、その学問的および実際的な意義は改めて述べるまでもないが、それを実現するためには各分野の研究者の協力と、応分の研究費の援助が必要であろう。従って、本研究では研究分担者の相互理解と、この研究課題の現状の把握と将来の方向を探り、重点領域研究への展開を準備するため、研究打合せ会および調査研究報告会(公開シンポジウム)を開催した。(1)第1回研究打合せ会(出席者7名)は平成元年7月20日に東京大学工学部で開催し、主として本研究の今後の進め方について討議し、調査研究報告会を12月4、5日に名古屋工業大学で「公開シンポジウム」として開催することを決定した。また、重点領域研究への申請方法についても検討することとした。(2)「公開シンポジウム」には研究分担者全員と一般参加者を合せて約100名の参加者となり、各研究分担者はそれぞれの分担課題について研究調査の現況を報告し、それに対して熱心な討論が展開された。その結果、炭酸ガスの電気化学還元に対して、より選択性に優れ、過電圧の小さい電極触媒の設計をする必要があり、そのためには反応機構の解明が必要であるが、炭酸ガス固定の可能性が十分にあることが示された。また、金属錯体などを触媒とする方法についても報告された。窒素については金属錯体を用いた方法による活性化が報告された。(3)第2回研究打合せ会が研究分担者全員参加のもとで当日の昼食時に開催され、本研究の重点領域研究への申請について討議した結果、「小分子の活性化」(代表者、干鯛教授)の1つの班として申請することに決定した。従って、平成3年度発足の重点領域研究には本研究単独では申請しないことになった。しかし、本研究に対する社会的要請は高く、また、一般研究者の関心も高いので、一般の方々も参加できる研究会等の形で本研究分野の発展を計るように努力する。
絶縁体上の超平担表面誘起強磁性層の創成とそのスピン依存伝導特性に関する研究

絶縁体である酸化マグネシウム基板上に強磁性鉄薄膜および酸化マグネシウム超薄膜を積層成長し、その構造と輸送特性の相関を調べた。薄膜の成長は分子線エピタキシ法を用いて行った。酸化マグネシウム基板上に酸化マグネシウム緩衝層を成長した後、強磁性鉄薄膜(膜厚50ナノメートル)を成長し、続いて酸化マグネシウム超薄膜を成長した。強磁性鉄薄膜および酸化マグネシウム超薄膜のエピタキシャル成長を反射高速電子回折により確認した。製膜後の試料を超高真空のまま走査型トンネル顕微鏡を備えたチャンバに搬送し、その表面構造を観察した。顕微鏡観察はタングステン探針を用い、室温、一定電流モードで行った。走査型トンネル顕微鏡による観察の結果、酸化マグネシウム絶縁膜の膜厚が3原子層から5原子層まで増加するに従い、表面の平坦性が増すことが確認された。また、製膜後の熱処理により、表面平坦性が向上することも確認された。これは、強磁性鉄薄膜/酸化マグネシウム超薄膜/強磁性鉄薄膜の強磁性トンネル接合において、熱処理によりトンネル磁気抵抗比が大きく上昇するという実験事実と一致し、この上昇が熱処理による界面構造の平坦化によるものであることを示唆している。さらに、酸化マグネシウム超薄膜の伝導特性を走査型トンネル分光により調べた結果、膜厚3原子層と5原子層の間に一様バリアが形成される臨海膜厚が存在することが分かった。これらの結果により、超平坦な表面有機強磁性層の創成へのてがかりを得ることができた。表面誘起強磁性層の発現を目指し、金属超薄膜を絶縁体上にエピタキシャル成長させるための実験に着手した。成長後の表面構造を直接調べるために、超高真空を破ることなく蒸着チャンバから走査型トンネル顕微鏡チャンバへ試料を移動できるシステムを整え、その場観察を可能にした。最初に、酸化マグネシウム基板上に下地となる鉄をエピタキシャル成長した。走査型トンネル顕微鏡による観察の結果、鉄のステップ構造が確認され、平坦に成長していることが分かった。次にこの鉄薄膜上にアルミナの絶縁膜を成長させるため、アルミニウムの成長を行った。アルミニウム薄膜を3原子層成長し、走査型トンネル顕微鏡により表面構造の観察を行ったところ、アルミニウムもステップ構造を有する平坦膜となっていることがわかった。さらに、このアルミニウム薄膜を酸素雰囲気中で自然酸化し、表面構造を観察した。高さ方向の断面図から、このステップはアルミナの一原子層の高さに対応しており、非常に緩やかな酸化を行った結果、非晶質であるにもかかわらず極めて平坦な絶縁膜が作製できたことがわかった。続いて、この絶縁膜上に更に上部鉄電極薄膜の単結晶成長を試みた。三原子層の鉄薄膜を成長して構造を確認したところ、島状の構造が確認された。これは、期待していた平坦成長とは異なり、鉄が三次元的に成長してしまったことを意味する。原因としては、アルミナと鉄の表面エネルギー差が大きいため、鉄の濡れ性が悪く、膜厚の薄い領域では島状成長が優先的になると考えられる。今後は、最適な成長の組み合わせを探る研究に特化していく。
ドイツ航空機産業の世界的転回―世界の勃興期航空機産業との関連の解明―

ヴェルサイユ体制で厳しい禁止・制限下に置かれたドイツ航空機産業がどのようにして生存し、発展したかをフーゴー・ユンカースと彼の会社の航空機開発・航空業への参入・航空路開拓さらに、中国、日本、アメリカ市場開拓に関して実証的に解明できた。もちろんその世界的市場開拓は、全金属製航空機の開発で最先端を行ったユンカース社の総力を挙げた営業努力によって進められたものであった。しかも、中国、日本、アメリカにしても、いまだ民間航空機の受け入れ態勢が全く未成熟ないし欠如しており、航空業の黎明期における諸制約・諸障害に直面して、それとの格闘の中で実現していったものであった。しかし、フーゴー・ユンカースは戦前の最初の特許において、はやくも輸送手段としての飛行機を構想し、戦時中もその航空機による交通革命の展望をもっていた。終戦と同時に旅客・貨物輸送機の開発にまい進した。11月革命・休戦による軍需の突然の必然的途絶によって、戦時中に拡大した生産設備・人員の処理に苦闘しながらも、平和の内外条件のポジティヴな事情を活用すべく、全金属製旅客機F!3を開発したのであった。そしてそれは世界から注目され、世界各国からデッサウ本社工場に視察がつぎつぎとやってきた。この航空機需要の世界的動向を体感しつつ、安全・高速・長距離・低廉などの諸要件を満たす航空機開発にまい進したのであった。23年から24年までは、なお、フランスを中心とする協商国の対独不振は強かったが、ようやく25年から26年にかけ、国際的緊張緩和の条件が成熟し、民需用の大型航空機開発も可能になった。そうした大型化のワイマール期・ヴェルサイユ体制下における最終段階G38であった。その過程で大西洋横断飛行にもチャレンジし、世界初の東から西への横断に成功した。そうした成功の蓄積が、厳しい世界市場の開拓において重要な宣伝の武器となった。第一に、ナチス秘密再軍備(1933-35)期の急激な航空機生産(爆撃機・戦闘機。偵察機)を可能にした生産的基盤は何かを解明した。それを「ドイツ航空機産業とナチス秘密再軍備」横井勝彦編『航空機産業と航空戦力の世界的転回』(日本経済評論社、2016年12月刊)第3章として発表した。連合国による厳しい監視と軍用機禁止の下で、ドイツ航空機産業の主要企業(ユンカース、ドルニエ、ハインケル)は、国内・国外の民間機需要にこたえて市場を開拓し、機種を開発していった。しかし、ドイツ航空機産業の当時の世界的水準は諸外国の需要、中でも世界各国の軍用機需要によって影響を受け、それは国外で製造ないし組み立てを行うほかなかった。開発の基本的部分は国内で行っても、実際の製造は国外において行った。その過程で、諸外国の軍需の高い要望に応じる必要もあって、技術開発を進めて行った。そうしたドイツ航空機産業のヴェルサイユ体制下の開発努力をナチス政権は丸ごと手にした。そして、秘密再軍備期には、航空省による民間機生産を前面に押し出していった。内実は、民間機製造であっても補助爆撃機として再軍備政策に位置付け、転用可能生を追及した。第二に、そうした技術開発・市場開拓の点で、ソ連と日本の位置が大きかったが、その日本について、主としてユンカース文書(ドイツ博物館所蔵)を調べ、「ユンカースの世界戦略と日本」(『横浜市立大学論叢』第68巻社会科学系列第2号、2017年2月刊)にまとめた。そこでは、厳しい制約下にあるユンカースと航空機後進国としての日本の軍用機需要とがどのように結びついていたかを明らかにした。日本側の実に多様な経路でのユンカースへの接近とこれに対するユンカース社の対応などは、我が国は勿論世界的にも、未開拓の問題領域であり、ドイツ博物館での調査、そのための科研費活用が大きな意味を持ったと考えている。「ドイツ航空機産業の世界的転回ー世界の勃興期航空機産業との関連の解明ー」の課題につき、航空機産業先進国ドイツから、後進諸国への移転の筋道が、第一に曲線的にであったこと、すなわち、民需開拓を進めるが買い手の要求により軍用機転用を可能にするやり方をとったこと、第二にジグザグに危機を打開していったこと、すなわち、秘密裏にソ連に工場進出したがジュラルミンをはじめとする原料等の調達困難やソ連側の厳しいい契約条項とその履行困難などにより、挫折し、軍用機生産のために工場進出先を変えること(ユンカースの場合スウェーデン)といった多様な「転回」プロセスを、「ドイツ航空機工業とナチス秘密再軍備」、および「ユンカースの世界戦略と日本」で明らかにすることができた。そうした解明を踏まえるとき、次の課題が浮かび上がった。すなわち、それでは、航空機産業の後進国・特に中国では事態はどうであったのか。また、逆に、アメリカとの関係ではどうだったのか。ドイツ航空機産業はこれら諸国に対しどういう戦略を練り、行動したのか、その政策理念はどうだったのか、相手諸国の状況との関係はどうだったのか、などを解明していく必要性が明確になった。その意味で、初年度の研究の一段階前進を確認できた。2017(平成29)年度においては、ドイツ航空機産業の世界的転回の問題群のうち、「ユンカースの世界戦略と日本1919ー1933」を踏まえて、「ユンカースの世界戦略と中国1919ー1925」および「ユンカースの世界戦略と中国1926ー1933」のテーマで論文を書き上げることができた。

ユンカース社は、ヴェルサイユ体制の制約を逆に民間機開拓に集中する契機として、フーゴー・ユンカースの指導の下、民間機開発、旅客機開発に重点を置いた。最初のヒット製品・全金属製航空機F13に続いて、次々と改良を加え、大型機を開発していった。そして、それを中国市場にも売り込むために、努力した。なぜなら、中国市場は、その鉄道の未発達、道路網の未発達などのため、そして、広大な領土のため、最新の交通手段である航空機の潜在的必要性は高いと見たからであった。また、中国市場を開拓するためには、単に飛行機だけではなく、ユンカース社の「ガス湯沸かし器」の販売にも力を入れ、進出の武器とする必要があった。さらに、航空機の売り込みのためには、中国におけるセンセーショナルな企画、ヘディンの駐麻アジア探検への支援、デモンストレーション飛行、ユーラシア大陸を横断する冒険的探検的航路開拓にも取り組んだ。しかし、他方では、1919年から33年にかけては、中華民国の分裂状態のなかで、各地を軍閥が支配する状況の中で、買い手としての安定的な主体ー国家・軍ーが形成されず、市場開拓努力には常に不確定・不安定な要素が濃厚であった。それでも、北伐による統一過程のなかで、航空機の購入の条件は次第に整ってきて、販売に前進が見られた。しかし、今度は、満州事変による混乱が起き、財政的苦境の中で高価なドイツ製航空機ーユンカース機ーを買う条件は厳しくなってしまった。そこに、アメリカの競争が加わってくる。2016年度は、「ナチス秘密再軍備とドイツ航空機産業」、「ユンカースの世界戦略と日本」の二つの論文で、ドイツの航空機産業の世界的転回のプッシュ要因を摘出し、民間機開発中心の開発努力と具体的な市場開拓努力を日本についてフォローした。これを踏まえ、2017年度は、ユンカースの世界戦略と市場開拓を中国について追跡した。中国はユンカース社の見るところ潜在的市場としては巨大であった。そして、政治的分裂の混乱状況にもかかわらず、果敢に各軍閥などに売り込みを図った。これらの点について、ユンカース社企業文書を開拓することで論文化できた。そして、第一次大戦中と戦争直後の数年間は、ヨーロッパよりもはるかに遅れていたアメリカ航空機産業に関して追跡し、「ユンカースの世界戦略とアメリカ1919ー1924」を書き上げた。この論文は再校終了段階であり、印刷刊行の待機段階にある。さらに、「ユンカースの世界航空構想とアメリカ1924」の論文も、投稿中である。また、こうした航空機開発・航空機市場開拓と並んで、それをけん引し、あるいはそれによって引き起こされる「航空熱」の解明にも着手し、史料収集を行った。この関連では、「ユンカースの大西洋横断プロジェクト」に関する論文のための史料を集めることができた。ヴェルサイユ体制で厳しい禁止・制限下に置かれたドイツ航空機産業がどのようにして生存し、発展したかをフーゴー・ユンカースと彼の会社の航空機開発・航空業への参入・航空路開拓さらに、中国、日本、アメリカ市場開拓に関して実証的に解明できた。もちろんその世界的市場開拓は、全金属製航空機の開発で最先端を行ったユンカース社の総力を挙げた営業努力によって進められたものであった。しかも、中国、日本、アメリカにしても、いまだ民間航空機の受け入れ態勢が全く未成熟ないし欠如しており、航空業の黎明期における諸制約・諸障害に直面して、それとの格闘の中で実現していったものであった。
過酷環境下における大強度パルスミューオンビーム診断手法の確立

J-PARCで実施する計画のミューオン電子転換過程探索実験(COMET)は10^-16以下の分岐比感度を目指しており、この達成には世界最大級大強度パルスミューオンビームの実現および最適化が必須である。最適化には専用のビーム診断が不可欠であり、現在そのための高分解能検出器開発を進めている。しかし、これまでにない大強度ビームであるが故、(1)取得ビームレート最適化のためのジオメトリ構築、(2)検出器の放射線耐性の確保、(3)粒子識別手法の確立が課題となってくる。本研究では、これらの課題の解決を進めている。(1)については、検出器におけるヒットレートを2桁以上下げることを目標に進めている。シミュレーションスタディを進め、特にビームブロッカーの形状についてのデザインを進めた。現時点で約1桁の低減に成功しており、さらに1桁低減させるための研究を継続中である。(2)については、安全率込で実験期間中において10^12n/cm^2の中性子量、1kGyのガンマ線吸収線量が見積もられており、それらに耐えられる信号処理システムの構築を目標とした研究を進めている。ソフトエラー対策を施したFPGAファームウェアの構築を進め、実際に照射試験を行い、実機でも有用であることを確かめた。更なる改良も見込んでいるが、現時点で最低ラインはクリアしていると考えている。ハードエラーに耐えうるパーツ選定も必須であるが、様々な民生パーツに対した照射試験を複数回行い、概ね実機に使用可能である候補を見つけることができた。(3)については、検出器信号波形情報およびエネルギー、運動量を用いた手法に加え、飛行時間法を用いることで識別効率が向上することがわかっており、シミュレーション、プロトタイプ機を用いた試験を並行して進めている。さらに時間分解能の向上が有効であることが判明したため、それを踏まえた研究もはじめたところである。昨年度は加速器施設トラブルによる研究の遅れが生じていたため、その分遅れることが予想されたが、本年度の照射試験は順調に進み、放射線耐性パーツの選定、ソフトエラー対策はほぼ終了したため、十分巻き返すことができたと考えられる。他のレート対策、粒子識別手法の確立のための研究については現時点においてはおおむね進捗のある状況であると考えられる。今年度の進捗状況を基に、引き続き研究を進める予定である。特に耐放射線信号処理システムについては完成の状態まで進める予定である。一方、レート対策、粒子識別法の確立については、シミュレーションスタディ自体はおおむね進められる予定であるが、実機に関しては予算の都合から完遂までは厳しいと考えられる。そのため、一部だけでも開発を進め、それを用いた試験を行うことで十分な結果が得られることを示すことができれば良いと考えている。それぞれ、結果はまとめ、発表等も行う。しかし、これまでにない大強度ビームであるが故、(1)取得ビームレート最適化のためのジオメトリ構築、(2)検出器の放射線耐性の確保、

(3)粒子識別手法の確立が課題となってくる。本研究では、これらの課題の解決を進めている。(1)については、検出器におけるヒットレートを2桁以上下げることを目標に進めている。シミュレーションスタディを進め、ジオメトリ等シミュレーション条件の設定を進めた。これを基にビームブロッカーの形状等の最適化を進める。(2)については、安全率込で実験期間中において10^12n/cm^2の中性子量、1kGyのガンマ線吸収線量が見積もられており、それらに耐えられる信号処理システムの構築を目標とした研究を進めている。ソフトエラー対策を施したFPGAファームウェアの構築を進め、実際に照射試験を行い可能性を確かめた。ハードエラーに耐えうるパーツ選定も必須であるが、様々な民生パーツに対した照射試験を複数回行ったが、途中加速器施設のトラブルにより途中までしか進められなかった。(3)については、検出器信号波形情報およびエネルギー、運動量を用いた手法に加え、飛行時間法を用いることで識別効率が向上することがわかっており、シミュレーションスタディを進めている。(1)同様条件設定はおおむね進められることができた。放射線耐性パーツの選定において重要である照射試験が加速器施設のトラブルにより中止となってしまったため当初の予定通り進めることができなかったためその分遅れが生じたと判断した。ソフトエラー対策のファームウェア構築については試験を進めることができ、おおむね順調に進んだと考えている。レート対策、粒子識別法の確立のための研究についてはおおむね順調に進んでいると考えている。今年度の進捗状況を基に、引き続き研究を進める予定である。特に耐放射線信号処理システムについては完成の状態まで進める予定である。一方、レート対策、粒子識別法の確立については、シミュレーションスタディ自体はおおむね進められる予定であるが、実機に関しては予算の都合から完遂までは厳しいと考えられる。そのため、一部だけでも開発を進め、それを用いた試験を行うことで十分な結果が得られることを示すことができれば良いと考えている。それぞれ、結果はまとめ、発表等も行う。基本的には今年度から引き続き研究を進める予定である。放射線耐性パーツ選定については遅れが生じているため、加速器施設に振り替え試験を設定してもらい、巻き返しをはかる。一方、レート対策、粒子識別法の確立のための研究についてはシミュレーションスタディを継続して進め、さらに可能な限りプロトタイプ機の製作および試験も進めていきたいと考えている。
主鎖のらせん構造をゲストの結合サイトとする高分子イオノホアの合成とその機能

標記の研究課題を(1)モノマーである1.2:5.6-ジアンヒドロ-3,4-ジ-O-アルキル-D-マンニトールの合成(2)このモノマーの配位アニオン重合(3)モデル化合物の合成および精製したポリマーの構造決定(4)高分子イオノホアとしての機能評価と応用の四段階に研究を分けて検討した.上記のモノマーは既に合成法が確率しており、その方法に従って大量合成を行った。配位アニオン重合はエポキシドに対して重合能が高いとされているVandenberg触媒を用いて行った。しかし、生成物は重合物ではなくビシツロ環を有する低分子化合物であった。次いで、KOHを用いたアニオン重合を試みたところDMSO中で室温24時間の重合条件で可溶性のポリマーが生成した。このポリマーのNMRスペクトルは同モノマーのカチオン重合からの生成物であるポリ(2.5-アンヒドロ-3.4-ジ-O-アルキル-D-グルシトール)とは異なり、エポキシ基がβ-,β-開裂環化して6員環のピラノース環構造(1.5-アンヒドロ-D-マンニトール構造)を有するものと推定している。また、3,4-位をO-イソプロピリデンにて保護したモノマーからのポリマーは酢酸水溶液中にて加水分解され、(2→6)結合した1,5-アンヒドロ-D-マンニトール構造となりD-グルコピラノース単位が6個から8個α(1→4)グルコシド結合で環状につながったオリゴ糖であるシクロデキストリン(以下CDと略記する)と類似の構造である.分子認識能については同モノマーのカチオン重合で合成したポリ(2,5-アンヒドロ-3,4-ジ-O-アルキル-D-グルシトール)が金属イオンはもとよりメチレン・ブルーやロ-ダミン6Gなどの色素イオンを捕捉することを既に明らかにしている。このことから本研究で得られたポリ(1,5-アンヒドロ-D-マンニトール)も同様のホスト分子であることが期待される。
臨界点近傍ヘリウムの高圧縮性がもたらす複雑熱流動場のダイナミクスと伝熱制御

熱力学的状態が臨界点近傍にあるヘリウムの主に高圧縮性がもたらす乱流場として,特にピストン効果ならびにプルームが出現もしくは共存する開いた系閉じた系において,1層流ー乱流への遷移、または乱流ー層流への再層流化のメカニズム,2境界層内の流れ場の微細構造,3変動量の統計的な性質について明らかにした.またピストン効果ならびに浮力流が共存する閉じた系における変動量の統計的性質については現在も継続して調査中である.これらの研究成果は加速器等の大型の超伝導磁石の冷却システムを設計する際に必要不可欠となる流体挙動予測や伝熱促進を目指した乱流制御手法の構築などにフィードバックすることを考えている.H24年度は臨界点近傍ヘリウムの開いた系における自然対流中の乱流遷移並びに乱流変動成分の統計量を取得するために空間発展型DNSを主に行った。開放系に着目することで、これまで実験的に明らかにされてきた熱伝達・速度・温度の平均量に関する普遍則とDNS結果を比較し,作成したコードの妥当性を検証した。また変動に関するレイノルズ応力等の相互相関関数は乱流平均場を決定するために必要な統計量である.DNS結果を解析した結果,変動成分のRMS値ならびに2次の相関量のチャネルノーマル方向分布はこれまでの通常の自然対流分布とほぼ同じになることを確認した.また変動速度成分の1次元エネルギースペクトルを計算した結果,境界層温度場対数領域での慣性領域は波数の-5/3乗になりコルモゴロフ則に従っていることを確認した。臨界点近傍ヘリウムのPr=35、Ra=1E111E12程度の乱流場での伝導底層・粘性底層が10umオーダーになる明らかにし、また散逸率からコルモゴロフスケールのノーマル方向分布を求めた.これらの開いた系における確認された知見に関しては論文にまとめる予定である.また閉じた系においてはPiston効果が発熱面から離れたバルク流体へ及ぼす影響を無視することができない.厳密にシミュレーションするためには一般状態方程式と圧縮性流体方程式を直接計算することになるが,計算負荷を考えるとこの直接計算は膨大な時間がかかってしまい,現状の計算環境を考えると不可能である.そのためPiston効果によって生じる場の影響については平均場的なモデルを導入することで,Piston効果と対流の共存場が計算できるコードを自作した.コードは億のオーダーの自由度を高速に計算するため,CUDAアーキティチャーを用いて作成し,H25年度ではPiston効果と対流共存場に関する解析をGPGPU計算機を使用して行う予定である.H25年度はヘリウムの気体液体臨界点近傍における臨界現象に起因した乱流現象の微細構造を調べるためにGPGPUを用いた直接数値計算を行った.計算は鉛直平板上に生じる自然対流に着目し,乱流遷移過程を含めた乱流素過程を調べるために空間発展型の体系を選択している.臨界点近傍において,流体は高圧縮性を示すが,本研究では加熱によって生じる対流がもたらす乱流場に着目するために,流体力学的圧力場はポアソン方程式をGPU計算に適したRed/Black SOR法で解き,閉じた系において生じるPiston効果による熱力学的なバルク圧力のマクロな変化量を補正する方法を採用している.ピストン効果と対流の共存場における乱流遷移過程並びに乱流統計量が対流主体の流れ場と比較してどのように異なるかを明らかにするための解析コードを自作し,また対流主体の乱流場の統計的性質については国内学会で発表した[1].共存場における変動量の統計的性質に関する解析は今後継続して実施する.また計算結果の空間解像度の妥当性の検証並びに臨界点近傍におけるプラントル数の影響を調査するためにより大自由度系を解析できる4台のGPGPUを用いた解析コードの作成にとりかかった.GPUの構成はFermi世代のTESLA C2075が4台で,解析コードは現在も構築中で研究期間終了後も継続してコードの完成を目指し取り組んでいく予定であるが,臨界点近傍はプラントル数が非常に大きくなり速度場と温度場の最小スケールは大きく異なるため,温度場をオイラー的に解いている現在の解析コードでは解析不可能であり,この点は今後の研究課題にしたいと考えている.[1]岡村崇弘, “臨界点近傍ヘリウムにおける自然対流中境界層の統計的性質", 2013年度秋季低温工学超電導学会講演概要集, P225熱力学的状態が臨界点近傍にあるヘリウムの主に高圧縮性がもたらす乱流場として,特にピストン効果ならびにプルームが出現もしくは共存する開いた系閉じた系において,1層流ー乱流への遷移、または乱流ー層流への再層流化のメカニズム,2境界層内の流れ場の微細構造,3変動量の統計的な性質について明らかにした.またピストン効果ならびに浮力流が共存する閉じた系における変動量の統計的性質については現在も継続して調査中である.これらの研究成果は加速器等の大型の超伝導磁石の冷却システムを設計する際に必要不可欠となる流体挙動予測や伝熱促進を目指した乱流制御手法の構築などにフィードバックすることを考えている.一般に臨界圧力より高くかつ臨界点近傍における流体は、臨界現象に起因して(1)熱が音波として伝わるピストン効果、(2)プルームと呼ばれる浮力流や気液二相流のように振舞う擬似沸騰現象という特異な熱輸送特性を有する。また臨界点のごく近傍で高圧縮性によりbulk粘性が無視できない有限量となりStokes仮定が破綻することが理論から予測されている。

本研究では、臨界温度を約5.2Kにもつヘリウムの(1)や(2)のような特異性が共存した流れ場に、bulk粘性の効果が加わった場合の熱対流により発生する乱流場の発達の様子・伝熱形態を渦構造に着目することにより明らかにすることを目指す。また工学的応用として、伝熱特性向上を目指した主にpassiveな伝熱制御法を見出すことも目的の1つである。今年度は上記目的を遂行するために不可欠な直接シミュレーションコードの作成を中心に行った。シミュレーションはbulk粘性を含む3次元系圧縮性流体方程式を基礎方程式に用いるが、これを実行するにあたりいくつかの困難がある。その1つに着目系は早い現象と遅い現象の共存系で時間刻みは常に早い現象に支配されてしまう点、また流れ場の微細渦構造までを捉えるためには必要な格子解像度を細かくしなければならない点がある。これは計算負荷の増大をもたらす。また計算を安定に実行させる上で出現しがちな人工的な拡散項により微細構造が鈍化されないスキームを導入する必要がある。本研究は主流方向に対して流れの周期性は仮定しない空間発展型となるため主流方向に対して擬スペクトル法は適用しない。そこで本研究では上述の困難を回避するために、(1)並列化等を用いた高速化、(2)Pade expansionを用いたcompactdifference schemeを用いたプログラムを開発している。H23年度はプログラムの完成には至らず引き続きH24年度も開発を行う。若干遅れ気味である.理由はGPUを用いた並列化コードの作成に時間がかかってしまったためである.またGPU計算を実施できるようになってからも,GPU上のグローバルメモリの制約により大きな自由度におけるDNSができなくなった.そこでH24年度に行った対処法としては,現在の計算機の環境で大自由度計算を行えるように,計算手法をGPGPUのメモリを考慮して低ストレージなコードに変換した.この変換は一種の計算精度の低減をもたらしてしまう.これの問題に関してはH25年度で新たにGPUを計算機に追加することで対処する予定である.プログラム高速化に必要なGPGPUを用いた計算コードの開発が滞っている。GPU計算コードの開発手順としては、単純に従来のCPUで動かすことのできる計算コードの開発をまず行い、この段階でバグだしを行う。次にこの妥当性が確認されたコードを用い、最終目標であるCUDAで計算コードを再構築をするといった手順である。しかしCUDAは従来あるFORTRANのような概念と少し異なっているところがあり、GPGPUを用いた計算コードの構築が少し難航しているのがやや研究が遅れている主な原因である。これを打開するためにH23年度後半からCUDAに関するセミナー等に出席し情報の収集にあたってきた。H24年度も引き続き必要に応じて研究会・ワークショップに参加し必要な情報の収集を行う予定である。