hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
仮想計算機を前提としたオペレーティングシステムの設計

仮想計算機における「アウトソーシング」と「ゲスト・ソーシング」という独自技術を元にして、オペレーティングシステムの新たな設計原理を提案した。それに基づき、Linuxにおけるメモリ管理のアウトソーシング、および、LinuxとSolarisの間のファイルシステムのゲスト・ソーシングを実現した。本研究の目的は、仮想計算機を新たに支援すべき応用プログラム、および、新たに利用すべきハードウェアとしてとらえ、それに適したOSを設計することである。そのために、仮想計算機におけるアウトソーシングとゲスト・ソーシングという独自技術を用いる。そして、従来のマイクロカーネル方式に比類するようなオペレーティング・システムの新たな設計原理を明らかにする。研究期間内に、オープンソースのOSとして広く使われているLinux等を対象としてOSカーネルを再設計する。平成24年度には、前年度に実現したGuest RPCを用いて、ホストでは利用できないファイル・システムを、ゲストOSの機能を利用して利用可能にした。具体的には、LinuxホストOSにおいて利用できないZFSを、SolarisゲストOSを使って利用可能にした。ZFSでは、カーネル内のVFS層の機能他に、カーネル外で様々なコマンドが必要になる。本研究では、カーネル外のコマンドについても、Solarisのものを利用できるようにした。ホストOSでZFS関連のコマンドを実行すると、その引数をRPCの要求としてゲストOSへ送り、そこで実行する。そしてそのコマンドの実行結果を、ホストOSへRPCの結果として返す。研究期間全体を通じて、アウトソーシング、および、ゲストソーシングという仮想計算機間の相互作用により、あるOSのカーネル、および、カーネル外のコマンドを他のOSから利用できることがわかった。また、メモリ管理についても、仮想計算機の境界を超えて1つホストOSで統一的な管理を行なうことが可能であることがわかった。これらのことから、今後のOS設計の仕組みとして、仮想計算機を用いて様々なOSをつなぎ合わせることが有効であることがわかった。平成23年度には、ホストOS・ゲストOS共にLinuxを対象として、メモリ管理のアウトソーシングを実現した。アウトソーシングは、もともとは入出力を高速化するための手法として考案された。本研究ではアウトソーシングの技法をメモリ管理のモジュールという、非入出力のOS根幹部分に適用した。具体的には、ZONE_HOSTと呼ばれるメモリ管理領域をもうけ、ゲスト・ユーザ・プロセスのメモリ割当てやmmap()によるホストOSファイルのマッピングを実現した。平成23年度には、また、ホストOS・ゲストOS共にLinuxを対象として、ゲスト・ソーシングのために必要なホスト・ゲスト間通信、すなわち、Guest RPCを実現した。Guest RPCでは、サーバは、ゲストOSのモジュール、クライアントはホストOSのモジュールとなる。Guest RPCは、ソケット・アウトソーシングの技術をUnix Domain Socketに対して適応することで実現した。これにより、ゲストOSのプロセスとホストOSのプロセスは、任意のデータをホストOSのUnix Domain Socketを使って交換できるようになった。この仕組みを使って、RPCを実現することで、Guest RPCを実現した。研究計画にあるように、メモリ管理のアウトソーシングを実現できたこと、および、Guest RPCを実現できた。Guest RPCとしては、当初は、ゲスト・ホスト間の非同期的な通信を行う計画であった。その実装が複雑であり、そのまま進めることが難しかったので、Unix Domain Socketを用いる方法に変更した。前年度までに実現したGuest RPCを用いて、ファイル・システム、および、ソケットのゲストソーシングを実現する。ゲストOSとしては、Solarisのオープンソース版であるOpenIndianaを用いて、ファイル・システムのゲスト・ソーシングを実現する。これにより、ホストOSであるLinuxではアクセスできないファイル・システムであるZFSをアクセスすることが可能になる。さらに、ソケットについても、ゲストOSとしては、OpenIndianaを用いてゲスト・ソーシングを実現したいと考えている。本年度に引き続き次年度についても、研究費をPC部品、ソフトウェア、および、研究資料の購入と研究補助者(Resarch Assistant)への謝金の支払いに利用する。購入を予定していたPC部品の一部に、4月以降により高性能の新製品が発売されることがわかった。従って、本年度の研究費の一部を次年度に使用するために残した。
潜在精巣罹患動物における黄体形成ホルモン受容体の遺伝子変異の解明と診断法の開発

本研究では、イヌ精巣由来の黄体形成ホルモン(LH)受容体cDNAの塩基配列を決定するとともに、潜在精巣に罹患したイヌおよびウシにおけるLH受容体遺伝子の塩基配列を解析し、正常動物との比較を行った。正常犬の精巣由来RNAから、LH受容体cDNAの5'側の一部を除く2123bpをクローニングした。その過程で、正常犬および潜在精巣罹患犬において、細胞外領域のアミノ酸25個の欠失したスプライスバリアントを見い出した。イヌの同受容体cDNAの終止コドンまでの塩基配列は、ブタ、ウシおよびヒトとの間にそれぞれ91.9%、91.7%および90.3%の相同性がみられた。正常犬(n=46)、潜在精巣罹患犬(n=45)、正常牛(n=3)および潜在精巣罹患牛(n=9)の精巣組織あるいは血液からRNAもしくはゲノムDNAを抽出した。RT-PCR法あるいはPCR法により、LH受容体遺伝子の一部を増幅し、塩基配列を比較した。イヌのLH受容体遺伝子の1137番目の塩基については、C、T、C/Tの3種の多型がみられ、1194番目の塩基についてはA、G、A/Gの3種の多型がみられたが、正常例と潜在精巣例の間には各多型の割合の顕著な差はみられなかった。しかし、1194番目の腹腔内停留例のAの割合は、正常例および鼠径部停留例に比べて有意に低い値を示した。同受容体遺伝子1137番目および1194番目の塩基の組み合わせ(ハプロタイプ)はT-G、C-A、C-G、T/C-A/G、T/C-GおよびC-A/Gの6種がみられたが、腹腔内停留例のC・Aの割合は、正常例および鼠径部停留例に比べて有意に低い値を示した。ウシのLH受容体遺伝子の703番目の塩基については、A (Lys)、C (Gln)、A/C (Lys/Gln)の3種の多型がみられたが、正常例と潜在精巣例の間に各多型の割合の顕著な差はみられなかった。本研究により、正常犬の精巣由来RNAから、5'側の一部を除くLH受容体cDNA (2123bp)をクローニングできた。クローニング完了部位において、他の動物種では報告されていない新しい種類のスプライスバリアントの存在が明らかとなった。潜在精巣犬の腹腔内停留例におけるLH受容体遺伝子膜貫通領域2ヵ所の一塩基多型の比率は正常例および鼠径部停留例とは異なる可能性が示唆された。本年度はまずイヌの黄体形成ホルモン(LH)の受容体をコードする完全長cDNAのクローニングに取り組んだ。正常犬2頭(ポメラニアン1頭およびグレートデン1頭)の精巣から総RNAを抽出した。LH受容体cDNAのクローニングは全長を5つの断片に分けて実施した。

ウシ、ブタ、ヒトのLH受容体のcDNA塩基配列から設計したプライマーを用いてRT-PCRを行った。5'側および3'側末端部分はそれぞれのクローニング用キットを用いて行い、中間部分は設計した上流および下流プライマーを用いて通常のRT-PCR法を行った。得られたcDNA断片は塩基配列決定用ベクターに組み込んで、大腸菌にトランスフォーメーションした。各々のcDNA断片1つにつき3個以上の大腸菌コロニー由来の塩基配列を解析した。その結果、全長2.1kbのうち、5'側および3'側末端を除く中間部分の約1.8kbのcDNAのクローニングに成功した。その塩基と推定アミノ酸の配列はポメラニアンとグレートデンの品種間でそれぞれ、99.9%および100%の相同性を示した。また、イヌ(グレートデン)とブタ、ウシおよびヒトのLH受容体cDNAを比較したところ、塩基はそれぞれ、93.2%、92.4%および90.4%を示し、アミノ酸はそれぞれ、94.4%、93.5%および89.5%を示した。現在、残りの5'側および3'側末端部分のクローニングを急いでいる。潜在精巣罹患動物については、イヌ3頭とウシ1頭について同受容体cDNAの一部分について、塩基配列の解析に着手しており、現在までにイヌ1頭およびウシ1頭において数箇所の塩基が正常動物と比較して異なっており、現在それらの確認を急いでいる。平成17度の研究によって、正常犬の精巣由来RNAから、LH受容体cDNAの5'側の一部を除く2123bpのクローニングに成功した。その過程で、正常犬および潜在精巣罹患犬の両方において、細胞外領域のアミノ酸25個の欠失したスプライスバリアントを見い出した。正常犬1頭(グレートデン)において、同受容体cDNAの927番目の塩基はCとTの混合型を、984番目の塩基はAとGの混合型を、1946番目の塩基はAを示した。もう1頭の正常犬(ポメラニアン)において、927番目の塩基はCを、984番目の塩基がAとGの混合型を、1946番目の塩基はGを示した。潜在精巣罹患犬6頭(コーギー、ミニチュアダックスフンド、チワワ、ペキニーズ、グレイハウンド、バーニーズ)について調べたところ、927番目の塩基はC(2頭)、T(3頭)、または両者の混合型(1頭)を、984番目の塩基はA(1頭)、G(4頭)または両者の混合型(1頭)を示した。雄性仮性半陰陽罹患犬1頭(ワイマラナー)において、927番目の塩基はCとTの混合型を、984番目の塩基はGを示した。潜在精巣罹患牛1頭(ホルスタイン)において、LH受容体cDNAの703番目の塩基がCとAの混合型を、アミノ酸はグルタミンとリジンの混合型を示し、正常牛のものと異なっていた。また、潜在精巣罹患牛のLH受容体cDNAの1836番目の塩基がTからCに変化していた。結論として、正常犬の精巣由来RNAから、5'側の一部を除くLH受容体cDNA(2123bp)をクローニングできた。クローニング完了部位において、他の動物種では報告されていない新しい種類のスプライスバリアントの存在が明らかとなった。潜在精巣罹患犬の半数以上において、膜貫通領域に含まれる2つの塩基が正常犬のものと異なっていた。潜在精巣罹患牛において、LH受容体の細胞外領域のアミノ酸が混合型であり、正常牛のものと異なっていた。平成18年度の研究では、潜在精巣に罹患したイヌおよびウシにおけるLH受容体遺伝子の塩基配列を解析し、正常動物との比較を行った。正常犬(n=46)、潜在精巣罹患犬(n=45)、正常牛(n=3)および潜在精巣罹患牛(n=10)の精巣組織からRNAおよびゲノムDNAを、あるいは、血液からゲノムDNAを抽出した。RT-PCR法もしくはPCR法によりLH受容体(翻訳領域の一部)のcDNAもしくはゲノムDNAを増幅し、塩基配列を解析した。
計算科学シミュレーションを活用した化学機械研磨用スラリーの理論的設計

ガラスの化学機械研磨に用いられる酸化セリウムの使用量低減に貢献するため、酸化セリウム砥粒に対する新規代替砥粒及び代替砥粒を水に溶かしたスラリーの研磨性能を向上させる分散剤の計算科学シミュレーションを活用した設計手法の確立を目標とした。TiO2(110)上におけるCeO2クラスターの電子状態を第一原理計算で計算した結果、バルク状態のCeO2と比較して低価数となることが明らかにされた。これはガラスに対してより高い化学反応活性を有することを示す。また、ポリアクリル酸といった分散剤及びLa固溶CeO2やSrFeO3砥粒が溶解したスラリー中における分散状態の分子動力学シミュレーションに成功した。電子機器用におけるガラス材料の化学機械研磨による平坦化には、酸化セリウム砥粒を水に溶かしたスラリーが用いられている。セリウムは海外でもごく一部の地域に偏在しているため安定供給が難しく、酸化セリウム砥粒の使用量低減が強く求められている。そこで、計算科学シミュレーションによるセリウムを使用しない新規代替砥粒及び、その研磨性能を向上させるための分散剤の理論的設計が求められている。本年度は、まず代替砥粒のガラスに対する研磨プロセスを検討するために必要な、量子分子動力学法に基づく大規模計算が可能な研磨シミュレーションコードの開発を行った。具体的には、東北大学久保研究室で開発済みのTight-Binding法に基づく量子分子動力学法プログラムにMPIによる並列化処理を施し、計算時間の短縮化を図った。そして、計算負荷がかかるハミルトニアン行列の対角化を中心として並列化することに成功した。今後は、並列化効率を向上させるため、アルゴリズムの改善を行う。また、高い研磨性能を示すスラリーを明らかにするための粗視化分子動力学法シミュレーションで用いるポテンシャルパラメータを決定するため、分散剤であるポリアクリル酸分子の酸化セリウム砥粒上における吸着状態を第一原理計算を用いて解析した。その結果、ポリアクリル酸を酸化セリウム砥粒表面上に露出したセリウム原子上に配置した場合に、13.30 kcal/molと最も大きな吸着エネルギーを示すことを明らかにした。また、表面に露出したセリウム原子とポリアクリル酸間のポテンシャルエネルギー曲線を計算し、Morseポテンシャルにフィッティングすることで、粗視化された分散剤と砥粒間のポテンシャルパラメータを決定することに成功した。今後は、他の砥粒モデルにおいてもポテンシャルパラメータを決定し、粗視化シミュレーションを行うことでスラリー中の分散状態を評価する。電子機器用に用いられるガラス材料には原子レベルの精密な平坦性が求められており、酸化セリウム(CeO2)砥粒を水に溶かしたスラリーによる化学機械研磨(CMP)が行われている。しかし、セリウム(Ce)は海外でもごく一部の地域に偏在しているため安定供給が難しく、Ceの使用量低減が強く求められている。そこで、セリウムの使用量を低減可能な新規代替砥粒及び、その研磨性能を向上させるための手法の計算科学シミュレーションによる理論的設計が求められている。また近年、CeO2クラスターをTiO2上に担持したナノ粒子が開発されており、ガラスに対して高い研磨能力を示すことが実験的に明らかにされている。そこで、代替砥粒の構造に関する知見を得るため、アナターゼ型のTiO2(001)上に担持したCeO2ナノクラスターの電子状態を第一原理計算によって計算し、ガラス表面に対する活性について検討した。最初に、TiO2(001)上に、39原子相当のCeO2クラスターを配置し、構造最適化を行った。その結果、CeO2クラスターのCe原子は1.46 eの値をとった。これは、CeO2バルク中の4価のCe原子は1.71 eの電荷をとっており、TiO2表面上のCeO2クラスター中では、さらに低い価数をとることを示す。これまでの研究から、ガラスCMPを効率よく進めるためには、CeO2砥粒からの電子供与によってガラスの結合を弱めることが重要であり、また砥粒表面上のCe原子が低価数状態であることが必要であることを提案している。つまり、TiO2(001)上に担持したCeO2ナノクラスターは、ガラスに対して純粋なCeO2よりも高い電子供与が可能であることを示唆した。また、CeO2クラスター及びTiO2表面上に酸素欠陥を作成した場合、酸素欠陥が無い場合よりもわずかにCe原子の電荷が減少し、Ce原子がより低価数になることを明らかにした。本研究課題では、ガラスの化学機械研磨に用いられる酸化セリウム(CeO2)の使用量低減に貢献するため、酸化セリウム砥粒に対する新規代替砥粒及び、新規代替砥粒を水に溶かしたスラリーの研磨性能を向上させる分散剤について、計算科学シミュレーションを活用して理論的に設計することを目標としている。これまでの研究において、砥粒による化学反応によってガラスの結合を弱めるためには、砥粒表面に金属原子を露出させ、また露出した金属原子は低価数状態であることが必要であるという代替砥粒の設計指針を提案している。ここでガラスの化学機械研磨プロセスにおける代替砥粒の化学反応活性を検討するためには、第一原理計算が有効である。そこで、Ce使用量低減に貢献することのできる代替砥粒の構造に関する知見を得るため、高い研磨性能を有することが実験的に示されている、CeO2クラスターをTiO2上に担持したナノ粒子に着目し、第一原理計算によって、ガラスに対する化学反応活性を検討した。電子状態を調べた結果、TiO2表面上のCeO2クラスターは、純粋なCeO2表面よりも低価数状態であり、ガラス表面へ電子供与しやすいことを明らかにした。

また、CeO2及びTiO2表面に酸素空孔を生成することでさらに低価数状態になり、ガラス表面への電子供与がより起こりやすくなることで、化学反応活性が向上する可能性があることを示唆した。以上の結果は、ガラスの化学機械研磨に最適な研磨砥粒のナノ粒子構造の提案といった、希少金属であるCeの使用量を低減可能な新規代替砥粒の理論的設計に貢献するものであり、以上より本研究における進捗状況はおおむね順調に進展している。電子機器用におけるガラス材料の化学機械研磨による平坦化には、酸化セリウム砥粒を水に溶かしたスラリーが用いられている。セリウムは海外でもごく一部の地域に偏在しているため安定供給が難しく、酸化セリウム砥粒の使用量低減が強く求められている。そこで、計算科学シミュレーションによるセリウムの使用量を減らした新規代替砥粒、またその研磨性能を向上させるための分散剤の理論的設計が求められている。本年度は、TiO2表面上に担持したCeO2ナノクラスターに着目し、TiO2担体へのNやFといった異元素の添加が、CeO2ナノクラスターのガラスに対する化学反応活性に与える影響を検討した。その結果、F添加することでCeO2クラスターにおけるCe原子の電荷が減少することが確認された。これまで得られた知見から、この電荷の減少はガラス基板のSi-O結合を弱めるのに有効と考えられる。また、高いガラス研磨性能を示す分散剤を明らかにするスラリー中における砥粒の分散シミュレーションを行うため、高いガラス研磨性能を示すCaZrO3砥粒と分散剤であるポリアクリル酸間の反応プロセスを第一原理計算によって検討した。ポリアクリル酸のCaZrO3表面上における吸着状態を第一原理計算によって計算することで、ポリアクリル酸とCaZrO3間のポテンシャルエネルギー曲線を得た。得られたポテンシャルエネルギー曲線をMorseポテンシャルでフィッティングすることで、粗視化された砥粒と分子間の適切なポテンシャルパラメータを決定した。そのパラメータによってスラリー中におけるCaZrO3砥粒の分散シミュレーションに成功した。ガラスの化学機械研磨に用いられる酸化セリウムの使用量低減に貢献するため、酸化セリウム砥粒に対する新規代替砥粒及び代替砥粒を水に溶かしたスラリーの研磨性能を向上させる分散剤の計算科学シミュレーションを活用した設計手法の確立を目標とした。TiO2(110)上におけるCeO2クラスターの電子状態を第一原理計算で計算した結果、バルク状態のCeO2と比較して低価数となることが明らかにされた。これはガラスに対してより高い化学反応活性を有することを示す。また、ポリアクリル酸といった分散剤及びLa固溶CeO2やSrFeO3砥粒が溶解したスラリー中における分散状態の分子動力学シミュレーションに成功した。本研究課題では、ガラスの化学機械研磨に用いられる酸化セリウムの使用量低減に貢献するため、酸化セリウム砥粒に対する新規代替砥粒及び、新規代替砥粒を水に溶かしたスラリーの研磨性能を向上させる分散剤について、計算科学シミュレーションを活用して理論的に設計することを目標としている。
パルス半導体レーザーを用いたSPM計測用ポータブルライダーの開発的研究

当初の目的ではチップ型の半導体レーザー(LD,波長:870nm)を用いたポータブルライダーを計画したが、LDからレーザービームの補償光学系だけでも口径10cm以上必要になることがわかりポータブルなシステムの製作がポータブルなシステムとすることが難しいことがわかった。従って、方針を変更し、LD励起型のAOM Q-switch型の比較的小型のレーザー(波長:532nm、繰り返し周波数:0.5-10kHz、パルスエネルギー:20mJ)を用いて大気環境中のエアロゾル計測用のライダーを開発することとした。波長に関しては、大気分子による散乱で校正が可能である、大きな検出口径と単一光子計測の可能な光電子増倍管が使える、豊富な経験があることなどから可視の532nmを用いることとした。空間走査可能なポータブルミー散乱ライダーを開発した。経緯台モードで駆動可能な望遠鏡の上にレーザーヘッドを固定し、ビームエクスパンダーで20倍にビーム径を拡大した後、副鏡の背面に取り付けたミラーなどにより望遠鏡の中央よりレーザービームを送光できるようにした。受信系には狭帯域干渉フィルター(中心波長:532.05nm、線幅:0.36nm)を用い、小型光電子増倍管で単一光子計測モードで光検出を行い、マルチチャンネルスケーラー(MCS)にてデータ記録を行なった。データ収集はMCSをGPIBボードを介しPCにて制御するプログラムをVisual Basicを用いて開発し行なった。さらにGate & Delay Generatorによりレーザーを外部トリガーで駆動し、プレトリガー機能を持たせて計測を行なった。試験的に仰角45度、繰り返し周波数lkHz、パルスパワー20mJ、視野角1mradで夜間に計測を行なった。その結果、1時間の積算において40km以上からの大気分子による後方散乱が観測できており、ラジオゾンデによる大気分子密度を基にしたプロファイルとも良く一致し、成層圏まで十分な観測ができることがわかった。近距離においても、下層の大気境界層を含む対流圏全体のエアロゾル分布を安定して得ることができた。H18年度にはジンバル型ミラーを用いた自動レーザービーム調整機構を付与し、視野角0.2mradでも距離約1kmからミー散乱ライダー観測が可能なことを確認した。望遠鏡のRS-232C経由でのPCによる制御を含めた統合的なデータ収集システムを開発中であり、自動連続運転を可能にし、大気中浮遊粒子状物質(SPM)の空間分布計測を行なえるシステムとしたい。当初、チップ型の半導体レーザー(LD,波長:870nm)を用いて研究目的のポータブルライダーを製作する予定であったが、光学系の検討を進めるうちに、LDからの非対称な光ビームを補償しさらにビーム拡がり角を1mrad以下にするためには約10cm程度の口径の送信光学系を別途製作する必要があり、ポータブルなシステムとすることが難しいことがわかった。従って、方針を変更し、LD励起型のAOM Q-switch型の比較的小型のレーザー(波長:532nm、繰り返し周波数:0.5-10kHz、パルスエネルギー:20μJ)を用いて大気環境中のエアロゾル計測用のライダーを開発することとした。

波長に関しては、大気分子による散乱で校正が可能である、大きな検出口径と単一光子計測の可能な光電子増倍管が使える、豊富な経験があることなどから可視の532nmを用いることとした。検出器及び計測装置は既存のものが利用であきる。現在、レーザー及び送信光学系(ビームエクスパンダー及び反射ミラー)の受信望遠鏡へのマウント方法の設計、受信光学系の設計を行なっている。望遠鏡のスキャンニング機能についてはLabVIEWによるプログラムで確認を行なった。望遠鏡視野角とレーザービーム拡がり角に基づく幾何学的効率因子(重なり関数)のシミュレーションを行なった。波長、905及び870nmのレーザ「光を用いた場合の水蒸気吸収効果をシミュレーションにより見積もった。次年度以降、システムを統合し実際に観測を行い最適化していきたい。半導体レーザー励起固体レーザー(DPSS ; AOM Q-switch Nd : YAGレーザー,発振波長532nm)を用いた空間走査可能なポータブルミー散乱ライダーを開発した。経緯台モードで駆動可能な望遠鏡の上にレーザーヘッドを固定し、ビームエクスパンダーで20倍にビーム径を拡大した後、副鏡の背面に取り付けたミラーなどにより望遠鏡の中央よりレーザービームを送光できるようにした。受信系には狭帯域干渉フィルター(中心波長:532.05nm、線幅:0.36nm)を用い、小型光電子増倍管で単一光子計測モードで光検出を行い、マルチチャンネルスケーラー(MCS)にてデータ記録を行なった。データ収集はMCSをGPIBボードを介しPCにて制御するプログラムをVisual Basicを用いて開発し行なった。さらにGate & Delay Generatorによりレーザーを外部トリガーで駆動し、プレトリガー機能を持たせて計測を行なった。試験的に仰角45度、繰り返し周波数1kHz、パルスパワー20μJ、視野角1mradで夜間に計測を行なった。その結果、1時間の積算において40km以上からの大気分子による後方散乱が観測できており、ラジオゾンデによる大気分子密度を基にしたプロファイルとも良く一致し、成層圏まで十分な観測ができることがわかった。近距離においてもnon-linearityの補正が無くても500m以下からのプロファイルが得られており、下層の大気境界層を含む対流圏全体のエアロゾル分布を安定して得ることができた。今後は、視野角を0.2mrad程度まで絞り日中の観測を試みる。光軸の自動調整機能について設計・開発を行なう。望遠鏡のRS-232C経由でのPCによる制御を含めた統合的なデータ収集システムを開発し、自動連続運転を可能にし、大気中浮遊粒子状物質(SPM)の空間分布計測を行なえるシステムとする。昨年度開発した半導体レーザー励起固体レーザー(DPSS; AOM Q-switch Nd:YAGレーザー,発振波長532nm)を用いた空間走査可能なポータブルミー散乱ライダーに、ジンバル型ミラーを用いた自動レーザービーム調整機構を付与し、視野角0.2mradでも距離約1kmからミー散乱ライダー観測が可能なことを確認した。
高性能スポーツ・マウスガードへのガラス繊維強化熱可塑性材料の臨床応用

ガラス繊維による材質強化によるマウスガード(MG)の高機能化に関して、対衝撃面を補強し緩衝空間を設けることの有用性とその臨床応用を検討している。昨年度はMGへのガラス繊維強化材料応用における加衝物と緩衝空間の広さの関係について実験的検討を行った。MGの高機能化において、ガラス繊維強化型MG材料の使用と緩衝空間の設定により、衝撃条件に関わらず、衝撃伝播が効果的に緩やかなものとなることが示唆された。また、衝撃強さによりその効果特性が異なる結果が示されたことから、臨床応用にあたっては想定される衝撃に応じた緩衝空間の広さ設定を検討することが必要と考えられた。そこで今年度は、4種試作MGの衝撃応答様相を高速度カメラで撮影し,加衝物の違いによる変化特性を分析評価した.ガラス繊維強化型シート(GF)は市販MG材(Er)を母材とし、4種ラミネートタイプMGを作製した;1) 2mm厚Er+3mm厚Er,2) 2mm厚Er+緩衝空間付与(両側中切歯唇面削合)+3mm厚Er,3) 2mm厚Er+前歯部Gf熱圧着+3mm厚Er, 4 ) 2mm厚Er+緩衝空間付与(両側中切歯唇面削合)+前歯部Gf熱圧着+3mm厚Er.いすれも可及的に同じ厚さ・形態となるよう調整した.衝撃試験は鉄球(32.6 gf)あるいは硬式野球ボール(NPB公式球:146 gf)を両側中切歯正中部に自由落下させた.その様子を2台の高速度カメラで撮影し,デジタル3Dシステムソフトウェア(VIC-3D,レーザー計測)で解析した.実際のMG形態での試験結果からも、ガラス繊維と緩衝空間の組合せによってMGの衝撃応答様相が変化し,加衝物が変わるとその効果特性も変化することが明らかとなり、想定される衝撃に見合った設計デザインを付与することが重要と考えられた.昨年までに、実験的条件でガラス繊維強化型材料の下面に衝撃を伝搬しないようにするためのスペースを開けることが効果的であることが示唆されていた。そこで、競技特性・スポーツ用具に応じたスペースの開け方が不明なため、段階的なスペースを開けた試料片を作製し、研究は進めることができていた。一方、高速度カメラシステムシステムを用いて加撃後の加衝物反発高さから,材料の反発様相や変形様相あるいは衝撃伝搬様相の検証を行う予定であった。しかし、必要なカメラのスペックを検討したところ、性能と予算の関係上、解析を依頼する方向がより高精度な分析が可能となることが確認できた。そこで、今年度は一部計画を変更し、実際のマウスガードの形態を模した複数の条件の試作MGを予定通り高速度カメラ分析のための撮影が行えた。以上を勘案し、全体としては「おおむね順調」と考える.当初予定から、様々なスポーツ用具などに対する衝撃吸収分散応答の違いを検討するために、スポーツ用具ごとにi:ガラス繊維強化材料の厚さ,ii:被覆面積,iii:緩衝空間量を変化させて、検討を継続することの重要性が実際のMGの形態を模した試作MGの今年度の結果から改めて確認された。今後も、試験片を用いた基礎衝撃試験を継続していく必要があると考える。加撃物の形態や硬さなどによって差異があることが知られている。複数の加撃物にて比較することで、それを使用するスポーツ各々における至適の高機能化の方向性を示せ、さらに比較検証もすることで,応用範囲も広げることを推進する。今年度はMGへのガラス繊維強化材料応用における加衝物と緩衝空間の広さの関係について実験的検討を行った。母材の市販EVA系MGシート材料に、補強材としてガラスクロスを含浸加工し,ガラス繊維強化型シートを作製した(GF)。試験片は次の4種で,いずれも3mm厚,直径50mmの円盤状シートに調製した;1) 2mm厚母材MG材にGfを積層したもの、2-3) 2mm厚母材MG材に中央部に緩衝空間(直径20mmおよび30mm)を設定しGfを積層したもの,4)3mm厚母材MG材(Er3)。衝撃試験は鉄球2種(条件A:直径20 mm,32.6 gf、条件B:直径30 mm,110.1 gf)を同高度から自由落下させて行った(n=各6)。試験片なしをコントロールとし、最大荷重およびP1到達時間を比較検討した。設定した緩衝空間は正中から、Sp20は両中切歯を超え、Sp30は両側切歯の遠心程度で、衝撃条件は条件Bが条件Aに対して同速度で3.5倍近くの高エネルギーの衝撃であった。本研究結果より,MGの高機能化において、ガラス繊維強化型MG材料の使用と緩衝空間の設定により、衝撃条件に関わらず、衝撃伝播が効果的に緩やかなものとなることが示唆された。ガラス繊維強化型材料の下面に衝撃を伝搬しないようにするためのスペースを開けることが効果的であることが示唆されていた。そこで、競技特性・スポーツ用具に応じたスペースの開け方が不明なため、段階的なスペースを開けた試料片を作製し、研究は進めることができている。

一方、高速度カメラシステムシステムを用いて加撃後の加衝物反発高さから,材料の反発様相や変形様相あるいは衝撃伝搬様相の検証を行う予定であった。必要なカメラのスペックを検討するために複数回・複数業者によるデモを行ったが、解析ソフトとの同期性は構築できたが、必要なカメラシステムの購入には至っていない。当初予定よりも高解像度・高速度でないと、十分な検証を行えないことが明らかになりつつある。本来、年度内にカメラシステムを購入・構築予定であったが、購入には至っていない点において、「やや遅れている」と言えるが、全体としては進んでいるので、「遅れている」とは言えないと判断している。特に、実際のマウスガードの形態を模したマウスガードの試作は今年度中に行い、いくつかの知見を得られるところに進む段階へと進捗している。ガラス繊維による材質強化によるマウスガード(MG)の高機能化に関して、対衝撃面を補強し緩衝空間を設けることの有用性とその臨床応用を検討している。昨年度はMGへのガラス繊維強化材料応用における加衝物と緩衝空間の広さの関係について実験的検討を行った。MGの高機能化において、ガラス繊維強化型MG材料の使用と緩衝空間の設定により、衝撃条件に関わらず、衝撃伝播が効果的に緩やかなものとなることが示唆された。また、衝撃強さによりその効果特性が異なる結果が示されたことから、臨床応用にあたっては想定される衝撃に応じた緩衝空間の広さ設定を検討することが必要と考えられた。そこで今年度は、4種試作MGの衝撃応答様相を高速度カメラで撮影し,加衝物の違いによる変化特性を分析評価した.ガラス繊維強化型シート(GF)は市販MG材(Er)を母材とし、4種ラミネートタイプMGを作製した;1) 2mm厚Er+3mm厚Er,2) 2mm厚Er+緩衝空間付与(両側中切歯唇面削合)+3mm厚Er,3) 2mm厚Er+前歯部Gf熱圧着+3mm厚Er, 4 ) 2mm厚Er+緩衝空間付与(両側中切歯唇面削合)+前歯部Gf熱圧着+3mm厚Er.いすれも可及的に同じ厚さ・形態となるよう調整した.衝撃試験は鉄球(32.6 gf)あるいは硬式野球ボール(NPB公式球:146 gf)を両側中切歯正中部に自由落下させた.その様子を2台の高速度カメラで撮影し,デジタル3Dシステムソフトウェア(VIC-3D,レーザー計測)で解析した.実際のMG形態での試験結果からも、ガラス繊維と緩衝空間の組合せによってMGの衝撃応答様相が変化し,加衝物が変わるとその効果特性も変化することが明らかとなり、想定される衝撃に見合った設計デザインを付与することが重要と考えられた.昨年までに、実験的条件でガラス繊維強化型材料の下面に衝撃を伝搬しないようにするためのスペースを開けることが効果的であることが示唆されていた。そこで、競技特性・スポーツ用具に応じたスペースの開け方が不明なため、段階的なスペースを開けた試料片を作製し、研究は進めることができていた。しかし、必要なカメラのスペックを検討したところ、性能と予算の関係上、解析を依頼する方向がより高精度な分析が可能となることが確認できた。そこで、今年度は一部計画を変更し、実際のマウスガードの形態を模した複数の条件の試作MGを予定通り高速度カメラ分析のための撮影が行えた。
悪性眼球突出症の病因におけるApoptosisの役割

最近、Apoptosisと免疫とのかかわりが注目され、活性化したリンパ球の消去だけでなく,細胞障害性T細胞が標的細胞に発現したFasを認識し、標的細胞にFas-mediated apoptosisを誘導することが明かになった。悪性眼球突出症では腫大した外眼筋にリンパ球浸潤がみられることから、病因に自己免疫機序の関与が考えられているが、詳細は不明である。そこで今回私どもは悪性眼球突出症の後眼窩の病態におけるapoptosisの役割を明かにする目的で、Apop Tag^<TM>を用いたIn situ endolabeling of fragmentated DNA法にて本症患者の後眼窩組織におけるapoptosisの有無を検討し、さらにapoptosisと関連の深いFas、Fasリガンド、bcl-2の発現について検討した。(結果)1) Apop Tag^<TM>陽性細胞は眼症患者11例中8例に外眼筋細胞および間質の細胞に認められた。正常外眼筋にも一部陽性細胞が認められた。2) Fasの発現は眼症患者12例中7例に認められた。正常外眼筋(4例)には認められなかった。間質にも発現は認められなかった。3) Fas ligandはリンパ球浸潤を認めた検体(5例中1例)でのみ浸潤リンパ球に発現がみられた。4)外眼筋組織にはbcl-2の発現は認められなかった。5) Apop Tag^<TM>陽性細胞の存在や外眼筋におけるFas発現と、甲状腺自己抗体価や眼症の重症(外眼筋腫大度、後眼窩容積)などとの間には有意な相関は認められなかった。(考察)悪性眼球突出症の外眼筋組織にはFasの発現が多く、Fasを介するapoptosisによる外眼筋障害機序の存在が示唆された。
重水トレーサーによる樹木通水ネットワークの非破壊解析

樹木の水利用様式を規定する木部通水経路の解析は世界中で長年にわたり行われてきた.しかし,従来のほとんど全ての実験系では樹木の幹を切断した後,染料を含む様々なトレーサーを2年輪目以降の木部を含む樹幹切断面全体から取り込ませ,トレーサーの木部内分布解析から複数年輪にわたる通水経路を特定している.しかし,樹木全体の実際の通水ネットワークを俯瞰すると,樹幹の2年輪目以降の木部が直接外部の水と接続することはないため,当年に形成された根から取り込まれた水は最外年輪の木部を経由してより内部の木部に移動することになる.そのため,既往の研究手法で推定されている樹幹の通水経路は,樹木個体内での実際の通水経路と異なる可能性がある.そこで本研究では水と同じ挙動を示す重水をトレーサーとして破壊処理を行わず当年根から取り込ませ,樹木の根から葉に至る通水ネットワークの全体像を世界で初めて非破壊的に明らかにすることを目的とし,通水機能評価実験系に適する樹木の網羅的探索と実験条件の検討を行った.既往の報告で挿し木の発根性が良好とされているヤナギ属を含むいくつかの樹種の試料を採取し,発根処理を行った後にポットに植栽し,生育条件を検討した.その結果,ヤナギ属の種において根の発達が顕著に認められた.次にヤナギ属の種を用いて実験系を確立することとし,水の移動部位を組織レベルで明らかにするために,先行研究で使用例がある酸性フクシンをトレーサーとして吸引させたところ,当年根から酸性フクシンを取り込ませた場合と木部横断面から酸性フクシンを取り込ませた試料では染料の上昇経路が大きく異なることが明らかになった.本研究では当年根に限定した吸水を実施するための実験系が必要であり,それを確立するための樹種選択が重要となる.2018年度にはいくつかの樹種を検討した中で,ヤナギ属の種において根の発達が顕著に認められた.そこでヤナギ属の種を用いて当年根のからの水移動経路を明らかにするため,解析が重水と比較して容易で,既往の論文でも多くの利用実績がある酸性フクシン水溶液を吸引させる実験を行ったところ,当年根から酸性フクシンを取り込ませた場合と木部横断面から酸性フクシンを取り込ませた試料では染料の上昇経路が大きく異なることが示され,従来の染色液を用いた手法による通水経路の評価は,個体の実際の通水経路から異なる可能性が明らかになった.以上の結果は第69回日本木材学会大会で発表した.2019年度は2018年度に確立した当年根を識別可能にする供試木の生育法によりヤナギ属の種を育成し,成長期間中に当年根から重水を取り込ませる試験を実施する.重水が取り込まれたと想定される個体の樹幹と根を用いて重水が検出可能なサンプルサイズや実験条件の検討を行った後,重水の樹体内分布の解析を行う.樹木の水利用様式を規定する木部通水経路の解析は世界中で長年にわたり行われてきた.しかし,従来のほとんど全ての実験系では樹木の幹を切断した後,染料を含む様々なトレーサーを2年輪目以降の木部を含む樹幹切断面全体から取り込ませ,トレーサーの木部内分布解析から複数年輪にわたる通水経路を特定している.しかし,樹木全体の実際の通水ネットワークを俯瞰すると,樹幹の2年輪目以降の木部が直接外部の水と接続することはないため,当年に形成された根から取り込まれた水は最外年輪の木部を経由してより内部の木部に移動することになる.そのため,既往の研究手法で推定されている樹幹の通水経路は,樹木個体内での実際の通水経路と異なる可能性がある.そこで本研究では水と同じ挙動を示す重水をトレーサーとして破壊処理を行わず当年根から取り込ませ,樹木の根から葉に至る通水ネットワークの全体像を世界で初めて非破壊的に明らかにすることを目的とし,通水機能評価実験系に適する樹木の網羅的探索と実験条件の検討を行った.既往の報告で挿し木の発根性が良好とされているヤナギ属を含むいくつかの樹種の試料を採取し,発根処理を行った後にポットに植栽し,生育条件を検討した.その結果,ヤナギ属の種において根の発達が顕著に認められた.次にヤナギ属の種を用いて実験系を確立することとし,水の移動部位を組織レベルで明らかにするために,先行研究で使用例がある酸性フクシンをトレーサーとして吸引させたところ,当年根から酸性フクシンを取り込ませた場合と木部横断面から酸性フクシンを取り込ませた試料では染料の上昇経路が大きく異なることが明らかになった.本研究では当年根に限定した吸水を実施するための実験系が必要であり,それを確立するための樹種選択が重要となる.2018年度にはいくつかの樹種を検討した中で,ヤナギ属の種において根の発達が顕著に認められた.

そこでヤナギ属の種を用いて当年根のからの水移動経路を明らかにするため,解析が重水と比較して容易で,既往の論文でも多くの利用実績がある酸性フクシン水溶液を吸引させる実験を行ったところ,当年根から酸性フクシンを取り込ませた場合と木部横断面から酸性フクシンを取り込ませた試料では染料の上昇経路が大きく異なることが示され,従来の染色液を用いた手法による通水経路の評価は,個体の実際の通水経路から異なる可能性が明らかになった.以上の結果は第69回日本木材学会大会で発表した.2019年度は2018年度に確立した当年根を識別可能にする供試木の生育法によりヤナギ属の種を育成し,成長期間中に当年根から重水を取り込ませる試験を実施する.重水が取り込まれたと想定される個体の樹幹と根を用いて重水が検出可能なサンプルサイズや実験条件の検討を行った後,重水の樹体内分布の解析を行う.予備試験に用いた重水を購入する際に残額が生じた.この残額は次年度に試験で用いる重水の購入のために使用する予定である.
綾状構造の研究一琉球列島四万十帯の重複変形

綾状構造とは二方向の断層によって囲まれた地層ブロックが、その単位ごとに走行が直交あるいは斜交し、全体として綾織りに似た構造をしめすものである。この構造は四方十帯南部にあたる沖縄島や慶良間諸島に認められ、その精査を実施した。慶良間諸島内の渡嘉敷島調査の結果、漸新世後期に形成された北東-南西系の褶曲と断層を含む構造が、更新世はじめの北西-南東系の断層運動によってブロックとなり、アトランダムなトレンドをもつこのブロック構造が完成されたことが判明した。これは明らかに、構造運動の重複を意味する。また、各ブロック内にはドーム、ベースン構造が存在することがはっきりしたが、これも重複変形の証拠をしめすものである。沖縄島では、慶良間層のB部層に対比される嘉陽層砂岩の、セキエイ粒子を歪みマーカーとして3次元歪み解析を実施した。その結果、この層の褶曲構造は未固結時の形成によるものであった。したがって、期待された歪み場の解析によって、渡嘉敷島で明らかになった重複変形を、ミクロの場で明らかにする試みは、今後の問題に残された。しかしながら、この構造の研究は構造地質学に新しい視野を加えることは間違いない。綾状構造とは二方向の断層で囲まれた地層ブロックが,それぞれのブロックごとに走向が直交し,全体として綾織に似た構造をしめすものである.今年度は,琉球列島中部の慶良問諸島のなかで,渡嘉敷島の地質調査を実施した.渡嘉死島の地質は主として,四万十層群の古第三から白亜系に相当するとされている慶良間層で占められている.千枚岩・粘板岩・砂岩および緑色岩からなる.この島はNWーSEとNNEーSSWの二方向の断層系によって7個のブロックに区分され,それぞれのブロックでの〓曲軸はNSとEWの二方向の軸が隣り合わせのブロックごとに交互に出現して,典型的な綾状構造を示していることが明確になった.それぞれのブロック内部では強弱はあるがドーム・ベーズン構造の存在が認められる.この構造の存在はあきらかに変形の重複があった証拠である.その原因は東西方向の圧縮応力による変形のあと,新期の南北方向の圧縮応力が重複してできた構造であると考えられる.その詳しい解析は昭和63年度の課題として残されている.綾状構造とは二方向の断層によって囲まれた地層ブロックが、その単位ごとに走行が直交あるいは斜交し、全体として綾織りに似た構造をしめすものである。この構造は四万十帯南部にあたる沖縄島や慶良間諸島に認められ、その精査を実施した。したがって、期待された歪み場の解析によって、渡嘉敷島で明らかになった重複変形を、ミクロの場で明らかにする試みは今後の問題に残された。
骨系統疾患治療薬の開発に向けたsFRP1およびb-cateninの機能解析

骨系統疾患治療薬の開発に向けsFRP1およびb-cateninの機能解析をマウスを用いて行った。その結果、sFRP1およびb-cateninが脳室下帯(VZ)に特に発現しており、sFRP1がb-cateninと神経幹細胞を制御していることが示唆された。さらに、in vivoにおける1機能獲得、2機能喪失における検討においてsFRP1は神経細胞の遊走能に関与することが示唆された。[目的]中枢神経系が骨形成、骨代謝、および骨量を制御していることに着目し、中枢神経系の胚発生の段階で重要な役割を果たすWnt/b-cateninシグナル伝達経路とその拮抗タンパク質であるsFRP1との関連を明らかにするとともに、骨におけるWnt/b-cateninとsFRP1の作用機序の解明を目的とした。[結果]1.マウス大脳皮質の発生段階におけるsFRP1およびWnt/b-cateninの発現パターンの解析sFRP1およびb-cateninが大脳皮質のどの部分に発現が強く、その発現パターンをステージが進むにつれてどう変化してくのかを観察し、正常の発生過程におけるそれぞれの発現パターンを確認した。解析方法には、胎生期11.5日(E11.5)、E14.5、出生後1日(P1)、P5のマウス大脳皮質の組織切片を作製し、sFRP1およびb-cateninのPNAプローブを作製し、in situハイブリダイゼーション法にて行った。その結果、sFRP1はE11.5P1の脳室下帯(VZ)に発現し、特にP1の側脳室下帯(SVZ)に発現していることが確認できた。また、b-cateninも同様にE11.5P1のVZに発現し、その発現パターンは発生過程で減少していた。これらの結果より、sFRP1がb-cateninを制御していることが示唆された。2.in vitroにおける神経幹細胞の増殖・分化に対するsFRP1およびWnt/b-cateninの制御機構の解析E12.5大脳皮質より細胞を採取し、幹細胞培養(ニューロスフェア法)および分化誘導培養を行い、sFRP1陽性細胞が神経幹細胞マーカーであるPax6、nestinを発現し、さらに分化誘導後に神経系分化マーカーであるTuj1,GFAPを発現することが確認できた。これらの結果より、sFRP1が神経細胞を制御しているこが示唆された。《目的》中枢神経系が骨形成、骨代謝、および骨量を制御していることに着目し、中枢神経系の胚発生の段階で重要な役割を果たすWnt/b-cateninシグナル伝達経路とその拮抗タンパク質であるsFRP1との関連を明らかにするとともに、骨におけるWnt/b-cateninとsFRP1の作用機序の解明を目的とした。《結果》前年度のin vitroの結果を踏まえ、最終年度は、大脳質および骨におけるsFRP1およびbーcateninのin vivoでの機能解析を行うことを目的とし、下記のように行った。1.sFRP1およびbーcateninのgain of function(機能獲得)の検討:1大脳皮質への遺伝子導入(エレクトロポレーション);CMV-actinプロモーターにsFRP1-GFPのプラスミドを作製し、マウスE12.5日の大脳皮質へ遺伝子導入を行い、E15.5日目およびE17.5日目に解析を行った。その結果、GFP陽性細胞がコントロール群と比較してVZからpialに向かいよりmigrationしていることが確認できた。2骨組織への解析は行えなった。2.sFRP1およびbーcateninのloss of function(機能喪失)の検討:1大脳皮質への遺伝子導入(エレクトロポレーション);U6プロモーターにsFRP1-RNAi-GFPのプラスミドを作製し、マウスE12.5日の大脳皮質へ遺伝子導入を行い、E15.5日目およびE17.5日目に解析を行った。その結果、コントロール群と比較してVZからpialの方向に反するかのように極性を欠いたGFP陽性細胞が確認できた。2骨組織への十分な解析は行えなった。以上の結果より、sFRP1は神経細胞の遊走に作用することが示唆された。口腔外科研究計画書の年次計画に基づき研究を遂行し、予定であった神経幹細胞に対するb-cateninの発現をウェスタンブロッティング法で確認することは完遂できていないが、その他は予定通り研究が進んでいると考えられるため。今後は、大脳皮質および骨におけるsFRP1およびb-cateninのin vivoでの機能解析を下記の通り行う。1大脳皮質への遺伝子導入(エレクトロポレーション法)2骨組織の解析1遺伝子導入(RNAi)2大脳皮質の解析
日本・中国・韓国・タイ・マレ-シアの青少年の価値意識の比較研究ー労働観を中心にー

本研究は日本と特に関係の強い韓国、中国、タイ、マレ-シアの4か国及びわが国について、心の生活の根底にある価値意識(主として労働観)を実証的に究明しようとした。本研究の代表者は、昭和42年来、これらの国における学校生徒の価値意識に関する現地調査を実施し、資金の許す限り集計分析を進めてきたが、多くの回答紙が研究費不足のため未処理であった。そこで本研究では、まず(1)各国の未処理のデ-タの整理として、タイ(企業従業員)、マレ-シア(生徒、大学生、親、教師)、中国(漢族・ウイグル族・カザフ族・シボ族の生徒,親,教師)で得られた質問紙の整理分析を行った。その結果、たとえばタイの場合は、日系企業従業員の間では企業における労働のあり方としては日本的経営式になじむ態度を示すが、個人的生活場面ではタイの伝統的価値パタ-ンを示していることが明らかにされた。また中国のケ-スでは、漢族と少数民族の間で対照的な結果が明らかになった。たとえば漢族では比較的個人意識が強く、他方ウイグル族などでは社会意識が強い。ただし漢族、少数民族ともに天安門事件以後、青少年の間では国家社会意識が急速に強化されていることも見い出された。(2)日本の場合については、前述の4か国で実施したものと同じ内容、すなわち、人生観、社会観、国家観、宗教、道徳観、労働観、職業観などの項目からなる質問紙調査を実施した。質問紙調査は福岡市内・近郊の小・中・高・大学で実施し、計1,230の児童・生徒・学生から回答を得た。これらのデ-タは、現在回収・整理中であり、結果がまとまり次第、日本以外の4か国の調査結果と比較検討を行い、関係5か国の価値意識の整理総括を進める予定である。
次世代電子デバイスの理論設計に向けた第一原理電伝導計算手法の開発

LCAO法によるDFT計算では、quick iterative法またはsemi-analytic法を用いて電極の自己エネルギーを計算することが一般的である。しかし、実空間差分法では、ハミルトニアンのサイズはLCAO法のものと比べて圧倒的に大きいため、これらの方法を適用することは困難であった。そこで、本研究では、まず、空間分割法を応用することで、実空間ハミルトニアンを等価な縮約されたハミルトニアンに変換し、縮約ハミルトニアンに対してquick iterative法を大きな変更を伴わずに適用できることを示した。さらに、自由電子の縮約ハミルトニアンのブロック非対角要素が伝導方向に孤立境界を課した場合のHelmholtz方程式の解であることに着目して、特異値分解による低ランク近似を行い、電極の自己エネルギーの計算コストの削減を行った。数値実験として、Auの単原子鎖モデルを用いて、縮約ハミルトニアンのブロック非対角要素の特異値分布、低ランク近似を行った場合の自己エネルギーの精度を検証した。計算結果から、以下の2つの知見が得られた。(1)特異値は極めて早く0に近づくことが確認された。これは、自己エネルギーは少数の一般化ブロッホ関数で張られる部分空間で表現でき、低ランク近似を行うことで大幅な計算コストの削減が可能であることを示唆している。(2)低ランク近似の閾値を十分小さく取った場合、低ランク近似を行わない場合よりも自己エネルギーの精度が良いことが分かった。特異値分解を行うことで、逆行列計算の数値誤差に相当する特異値成分が取り除かれたためだと考えられる。また、低ランク近似の閾値と、低ランク近似を行った際に得られる固有値の最大・最小値が一対一対応していることから、縮約ハミルトニアンのブロック非対角要素の特異値・特異ベクトルと減衰モードの度合いの間に強い相関があることが分かった。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。今年度の前半では、SiO2 /SiC界面の電子輸送特性に関する研究を中心に研究し、その成果を論文として発表した。この研究では、これまで原子レベルで研究されることのなかったSiO2 /SiCのチャネル伝導の劣化機構を調べるために、大規模な第一原理伝導計算を行い、実験で観測されている伝導帯側の顕著な移動度劣化が本計算においても確認できることを示した。さらに計算結果について詳しく検討を行うことで、その原因が松下らによって明らかにされたSiCの特異な電子状態(floating state)に起因することを突きとめた。今年度の後半では、筑波大学の櫻井鉄也教授らのグループと共同で高効率な第一原理伝導計算手法の開発を行い、その成果を論文として纏め投稿した。この研究では、基礎・応用の両面で重要度が高い高精度第一原理伝導シミュレータの実現に向けて課題となっている電極の自己エネルギー項の計算方法に関する新たな手法の提案を行った。提案方法はSakurai-Sugiura法と一般化ブロッホ条件を併用することで、高効率かつ並列の極めて高い数値計算手法である。提案方法の有用性を検証するために、最も良く知られている方法と比較を行い、計算速度・メモリ使用量において100倍以上効率が高いことを確認した。さらに、スーパーコンピュータOakforest-PACS上で2048ノードを使用した場合でも高いスケーラビリティを発揮することを確かめた。本手法は第一原理伝導計算のみならず、複素バンドの計算などにも応用可能であり、広く材料開発のためのシミュレーション技術基盤に資する成果であると考えられる。本研究は、実空間差分法に基づく高精度な第一原理伝導シミュレーション手法の開発とそれを用いた次世代デバイスの理論設計を研究目的としている。これまでに高効率な自己エネルギー計算方法の開発やSiC界面のチャネル移動度劣化機構の解明など着実に研究成果を上げている。今年度の研究計画にあった波動関数法と非平衡グリーン関数法を組み合わせた有限バイアス第一原理シミュレーションについても現在コード開発を行っており、おおむね順調に研究が進展している。今年度は、前年度に開発した周回積分を用いた電極の自己エネルギーの計算方法の更なる高速化を追求し、実空間擬ポテンシャル法コードRSPACEに実装した。電極自己エネルギーの構築に必要な一般化ブロッホ関数は非線形固有値問題を解くことによって得られる。周回積分型の固有値解法では、一般に解くことが困難な非線形問題を疎行列連立方程式に帰着させることで高速に解くことが可能である。前年度は、連立方程式の解法として双共役勾配(BiCG)法を用いていたが、計算時間が入射エネルギー点数に比例するため、大規模な伝導計算を行うことが困難であった。そこで、本研究では、クリロフ部分空間のシフト不変性に着目した高速解法であるshifted BiCG法を用いることで、自己エネルギーを複数エネルギーに対して同時に計算する方法を実装した。Shifted BiCG法では、BiCG法を用いた場合と比較して1020倍程度の高速化を達成することができるが、スカラー・ベクトル積の更新やメモリの使用量が課題となることが分かった。更なる高速化を実現するために、櫻井ー杉浦法のアルゴリズムを改良し、伝導計算に必要な固有ベクトルの一部のみを選択的に計算する方法の開発を行った。さらに、ベンチマークテストとして、分子架橋系(AlーC7ーAl)と原子ワイヤー(AuーCO)の伝導計算を行い提案法の有効性を確かめた。そして、その成果を論文として纏め投稿した。今年度は、前年度に引き続き、第一原理伝導シミュレーションにおいて計算のボトルネックとなっている電極の自己エネルギー計算の高速化に取り組んだ。