hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
鼻粘膜肥満細胞発育因子に関する研究

SCF以外の他のサイトカインにもMC-Tの増殖と分化に重要であること。血清成分がなんらかの役割があることなどが示唆された。ヒトの肥満細胞は中性蛋白分解酵素としてトリプテ-スのみを持つもの(MC-T)と,トリプテ-スとカイメ-スを持つ(MC-TC)2つの亜型に分類されている。今日まで、鼻粘膜上皮内に増多するMC-Tが鼻アレルギー発症機序の上で重要であることを我々のグループは唱えてきた。この肥満細胞の増多にとって鼻粘膜の上皮層という局所で増殖因子が産生されているか否かを検討する必要性が生じる。平成6年度においてこの増殖因子が鼻粘膜上皮層に存在するか否かを検討した。この結果、ヒト肥満細胞増殖因子であるstem cell factor(SCF)は免疫組織化学的にも、また上皮層培養液中のSCFの測定からも鼻粘膜の上皮層で産生されることが明らかになった。平成7年度においてこのSCFは上皮細胞由来であるか否か,そしてSCFは鼻アレルギーにおいて産生が亢進するか否かを検討した。すなわち鼻アレルギー患者またはアレルギーを持たない肥厚性鼻炎患者の下鼻甲介粘膜からプロテアーゼ処理により上皮層を分離し、これを培養することにより分離培養上皮細胞を得た。この分離上皮細胞から全RNAを分離し、逆転写酵素によるPCR法によってcDNAを得た。そしてSCF cDNAに対応するプライマーを用いて、PCR法によって増幅した。この結果上皮細胞からはSCFcDNAが大量に産生され、SCFmRNAの発現が証明された。また分離培養上皮細胞からSCFの産生をみるため、培養上清液中のSCF量をELISA法により測定した。この結果分離上皮細胞からは培養7日まで産生の増加が見られた。またこのSCF産生が非アレルギーより鼻アレルギーに増加する傾向がみられた。
視覚障害を及ぼす眼科疾患の危険因子および予防因子の解明：久山町研究

15年間におよぶ九州大学久山町研究での眼科健診データを内科健診データおよび食事や運動習慣などの生活習慣データと合わせてデータベース化して解析可能な状態とし、眼科の失明につながる重要ないくつかの疾患について、危険因子、防御因子の解析をおこなった。具体的には加齢黄斑変性を病型別に解析し、滲出型の加齢黄斑変性、ポリープ状脈絡膜血管症ともに喫煙、加齢が危険因子であり、近視性黄斑変性についても頻度と危険因子を解析し、眼軸長、屈折値が近視性黄斑変性発症の重要な危険因子であることを解明した。また糖尿病網膜症は体内の抗酸化物質であるビリルビンにより血糖値とは独立して発症が予防されることがわかった。平成2324年度の計画では、15年間におよぶ九州大学久山町研究での眼科健診データを個々の内科健診データおよび食事や運動習慣などの生活習慣データ、遺伝子解析から得られた遺伝子データ、剖検から得られた剖検データと合わせてデータベース化し解析できるようにするのが目標であったが、当初の予定どおり、得られたデータはすべて安全に保存され解析できるための専用コンピュータをおき、得られた情報はデータベース化してコンピュータに保存し高度なセキュリティー管理下におき、解析可能な状態とした。さらに眼科の失明につながる重要ないくつかの疾患について、危険因子、防御因子の解析をおこなった。具体的には加齢黄斑変性を病型別に危険因子を解析し、滲出型の加齢黄斑変性、ポリープ状脈絡膜血管症はともに喫煙、加齢が危険因子であることがわかった。また、近視性黄斑変性についても病型別の頻度と危険因子を解析し、眼軸長、屈折値が近視性黄斑変性発症の重要な危険因子であることを解明した。また糖尿病網膜症は体内の抗酸化物質であるビリルビンにより血糖値とは独立して発症が予防され、運動習慣も糖尿病網膜症の発症予防に効果的であることがわかった。さらに、血圧値の上昇、血糖値の上昇、喫煙習慣はそれぞれ網膜厚の菲薄化に関連しており、眼底疾患発症に影響与えることも解明した。一般住民健診に基づく前向きコホート研究を行うことによって、わが国の視覚障害および失明の主原因となっている糖尿病網膜症、加齢黄斑変性、緑内障、高度近視、網膜静脈閉塞症などの眼科疾患の発症に関わる危険因子、防御因子を包括的な健診成績の中より明らかにするとともに、疾患と環境要因、遺伝子要因との関係を系統的に解析し、より効果的・定量的な予防法を構築し、久山町住民のみならず、国民全体の視力低下・失明の予防に有用なエビデンスを提供することを目的として研究を開始した。約15年間にわたり3,000人以上におよぶ久山町住民を追跡し収集した眼科の臨床データを個々の内科健診データおよび食事や運動習慣などの生活習慣データ、遺伝子解析から得られた遺伝子データ、剖検から得られた剖検データと合わせてデータベース化し、眼科疾患の危険因子・防御因子の解析をおこなった。大型計算機システムによる大規模多変量統計解析を行うことで、眼疾患と全身疾よび環境要因との関係を多次元的に解析し、リスクレベルに応じて疾患を予防するための因子を明らかにするとともに、疾患と生活習慣および環境要因だけでなく遺伝的因子との関係も多次元的に解析し、とりわけリスクレベルの高い危険因子を選択することで予防効果が着実な予防策を立案した。1998年より約12年間にわたり3,000人以上におよぶ久山町住民を追跡し収集した眼科の臨床データを個々の内科健診データおよび食事や運動習慣などの生活習慣データ、遺伝子解析から得られた遺伝子データ、剖検から得られた剖検データと合わせてデータベース化し、眼科疾患の危険因子・防御因子の解析をおこなった。

当初の計画では、平成24年度までにデータベースを構築し失明につながるいくつかの眼底疾患について危険因子、防御因子の解析を行う予定であり、当初の予定どおり、加齢黄斑変性、近視性黄斑変性、糖尿病網膜症などの眼底疾患について危険因子、防御因子を明らかにすることができが。平成23年度の計画では、1998年より九州大学眼科学教室では久山町健診に参加し、その後約12年間にわたり3,000人以上におよぶ住民を追跡しデータを集めたため、その結果得られた長期にわたる眼科の臨床データを個々の内科健診データおよび食事や運動習慣などの生活習慣データ、遺伝子解析から得られた遺伝子データ、剖検から得られた剖検データと合わせてデータベース化し解析できるようにするのが目標であったが、当初の予定どおり、得られたデータはすべて安全に保存され解析できるための専用コンピュータをおき、得られた情報はデータベース化してコンピュータに保存し高度なセキュリティー管理下におき、解析可能な状態とした。さらに眼科のいくつかの疾患については、具体的に危険因子、防御因子の解析をおこなった。今後もさらに多くの眼疾患と全身疾患および環境要因との関係を多次元的に解析し、リスクレベルに応じて疾患を予防するための基本原理を見いだす予定である。くわえて疾患と生活習慣および環境要因だけでなく遺伝的因子との関係も多次元的に解析し、とりわけリスクレベルの高い危険因子を選択することで予防効果が着実な予防対策を立案する。また、設定したコホート集団に対する追跡調査を引き続き行う。データの精度を上げるため、高い追跡率を目指して質の高い臨床データを蓄積し、さらなるデータベースを構築する。平成23年度に作成したデータベースをもとにデータの構造解析を行い、活用可能なデータと意義づけ可能なデータを抽出する作業を行う。そして、眼疾患の時代的変化に対応した解析が行えるように、データベースのプラットフォーム化を行う。眼科疾患の危険因子・悪化因子・防御因子を明らかにするために大型計算機システムを用いて統計解析を行う。大型計算機システムは九州大学情報基盤センターの既設のシステムを借用する。大型計算機システムによる大規模多変量統計解析を行うことで、眼疾患と全身疾患および環境要因との関係を多次元的に解析し、リスクレベルに応じて疾患を予防するための基本原理を見いだす。さらに疾患と生活習慣および環境要因だけでなく遺伝的因子との関係も多次元的に解析し、とりわけリスクレベルの高い危険因子を選択することで予防効果が着実な予防対策を立案する。本研究では、主に下記のような研究費が必要と予測される。1.眼科健診を実施するための費用およびそれに伴う眼科検査機器のレンタル使用料2.検査を行うための人件費、データベース作成のためのデータ整理に伴う人件費3.解析を行うための、コンピュータおよびそれに関連した消耗品の費用4.結果を公表するための学会参加費用、英文雑誌への投稿費用本研究では、主に下記のような研究費が必要と予測される。1.眼科健診を実施するための費用およびそれに伴う眼科検査機器のレンタル使用料2.検査を行うための人件費、データベース作成のためのデータ整理に伴う人件費3.解析を行うための、コンピュータおよびそれに関連した消耗品の費用4.結果を公表するための学会参加費用、英文雑誌への投稿費用
学習者と教師の双方の立場から探る英語文法指導

本研究の目的は、日本における文法学習及び指導のための基礎的な資料となる分析結果を提供することである。この目的を遂行するために、広範囲にわたるさまざまな文法事項を扱い、また学習者及び教師、さらに高校、大学という異なる学習レベルの学習者を対象に調査分析を行った。2018年度は、2015年度、2016年度、2017年度のそれぞれの年度で実施した研究成果、及びその成果を学会発表した内容を吟味し、著書としてまとめ公表するための作業を行った。2015年度には『中学校学習指導要領解説・外国語編』(2008)と『高等学校学習指導要領解説・外国語編・英語編』(2010)に記載されている全110に及ぶ文法項目に関する文法テストを作成し、大学入学直後の大学1年生を対象にテストを実施し、同時に学生が感じる各文法項目に関する難易度を測定した。その上で、各文法項目に関する正答率と難易度の関係を調査した。2016年度には、日本人英語教師を研究の参加者として加え、110の文法項目のそれぞれについて日本人大学1年生と英語教師に難易度判定を行ってもらった。その上で、正答率も絡めて両者の難易度判定に見られる類似点と相違点を探った。2017年度には、中学校で学ぶ76の文法項目に焦点を当て、高校1年生と大学1年生に文法テストを行い、それぞれの項目の正答率を算出した。70%の正答率を習得の閾値として、76の文法項目を初期、中期、後期習得項目という3種類に区分し、分析を行った。2018年度は、上記3つの研究をまとめ、教育的示唆を見出し、今後の日本の英語の授業における文法指導に役立つ教育的示唆を加えた著書の原稿を完成した。2019年度中に専修大学出版会からEFL Grammar for Japanese Students and Teachersというタイトルの著書を出版することが決まり現在印刷中である。本研究は高校生・大学生が不得手とする文法項目を明らかにし、文法指導において焦点を当てるべき文法項目とその項目に対する効果的な指導方法を考案することである。本年度は、パイロット調査として、高等学校の英語科テキストに掲載されているモデル文の中で中学校での既習文法項目を扱っているものに限定した文法テストを作成し、大学1年生と高等学校1年生にこのテストを実施した。その結果、高校生・大学生ともに習得できている項目、大学生は習得できているが高校生は習得できていない項目、高校生・大学生ともに習得できていない項目が明らかになり、文法能力の習得過程の一部が明らかになった。この結果をもとに、本研究として、まず『中学校学習指導要領解説・外国語編』(2008)と『高等学校学習指導要領解説・外国語編・英語編』(2010)に記載されている全文法項目に関する文法テストを作成し、大学入学直後の大学1年生を対象にテストを実施した。さらに、『中学校学習指導要領解説・外国語編』に記載されている文法項目に限定したテストを高等学校入学直後の高校1年生を対象に行った。大学生のデータに関しては、各文法項目に対する正答率を求め、習得が容易である項目と困難である項目を明らかにした。習得が困難である項目については誤答分析を行い、エラーの原因を考察した。さらに、テストを受験した大学生に対し、それぞれの項目の難易度を判定する調査を行った。難易度と正答率との関係を調査した結果、大学生にとって特に難しく感じられ、また正答率も低かった項目は高等学校で学ぶ文法項目であり、その中でも関係詞の非制限的用法が困難項目であることが判明した。一方、中学校で学ぶ過去進行形や過去形の受け身など基本的と思われる項目については学生は易しいと判断しているものの正答率は低く、指導上注意すべき項目であることが分かった。さまざまな文法項目を対象とした日本人大学生と高校生の文法能力を測定するにあたり、パイロット調査を用いておおよその傾向を見出すことができた。また、さらに扱う文法項目の種類を網羅的にするため、本研究では『中学校学習指導要領解説・外国語編』(2008)と『高等学校学習指導要領解説・外国語編・英語編』(2010)を参考に文法テストを作成し、高校生と大学生に文法テストを実施した。大学生については正答率と誤答、および難易度判定の分析も行うことができた。ここまでの段階で、受験者の中でも英語力が不十分である大学生に対する文法指導においては、どの文法項目に焦点を当てればよいのか、また学生がおかしやすい間違いに対処するためにはどのような指導を行えばよいのかについての指針を示すことができるようになった。平成28年度は、平成27年度に開発した文法テストを用いて、日本人英語学習者と日本人英語教師に対しさまざまな文法項目に関する難易度判定調査を行い、両者の間に見られる類似点と相違点を探った。文法テストは『中学校学習指導要領解説・外国語編』(2008)と『高等学校学習指導要領解説・外国語編・英語編』(2010)に網羅されている項目を対象とした110問から成り、大学生からは各問題に対する正答率と難易度判定に関するデータを、教師からはそれぞれの教師が教えている学習者が感じるであろう難易度を想定し判定したデータを収集した。分析の結果、類似点としては、1)学習者も教師も高校で学ぶ発展的とされる文法項目を難しいと判断し、2)中学校で学ぶ基礎的とされる項目を易しいと判断していた。また、両者とも3)正答率が低い項目を難しいと判断し、4)正答率の高い項目を易しいと判断していた。

相違点としては、5)学習者は自らの文法力を過大評価している傾向にあり、6)その傾向はいくつかの発展的項目にも基礎的項目にも見られた。一方、7)教師の方が学習者より難易度を高めに判定している項目も見受けられた。これらの結果から得られた教育的示唆としては、学習者は自らの文法力を見つめ直し現在の文法力を正確に把握し自覚することが必要であることが挙げられる。他方、教師には、文法指導において時間をかけ焦点を当てて指導すべき項目とそうでない項目を峻別することが求められる。焦点を当てるべき項目は、学習者が難しいと判断し、正答率も低い項目であり、かつ学習者と教師の難易度判定に大きな相違が認められたものである。具体的には仮定法過去、仮定法過去完了、助動詞と完了形の組み合わせなど、複雑な英語の文法操作が要求される項目が含まれる。この結果は、今後の英語のレメディアル教育を行う上で有効な基礎的データとして活用することができると思われる。さまざまな文法項目に対する難易度判定に関し、日本人英語学習者と日本人語教師との間に見られる類似点と相違点を明らかにすることができた。分析の結果から、教師にとって、今後の英語文法指導、特にレメディアル英語教育において、どの文法項目に焦点を当て、時間をかけて指導すべきかを明らかにすることができたのは有益な成果であると思われる。また、学習者は自らの文法力を過大評価する傾向にあることも明らかになり、学習者は自分の現在の文法力を自覚しさらに向上させる必要があり、教師はそうした向上を促す必要があることも判明した。平成29年度は、平成27年度に行ったパイロット調査を基に修正を加え、日本人高校生と大学生を対象として文法の習得過程を探る研究を行った。平成27年度の調査では、高校の英語ライティングの教科書に掲載されているモデル文のうち中学校での既習文法項目を扱っている40文選び文法テストを作成した。しかし、これらのモデル文で扱われている文法項目は限定されたものであり、中学校で学ぶすべての項目を網羅したものではなかった。そのため、平成29年度では、『中学校学習指導要領解説・外国語編』(2008)に掲載されている76すべての文法項目を扱った文法テストを作成した。高校1年生と大学1年生を参加者として、この文法テストを実施し、各項目に関する正答率を求め、正答率70%を習得の可否を定める閾値とした。分析の結果、中学校で学ぶ文法項目関する正答率は、大学生では70%の正答率に達しこれらの文法項目を習得していた一方、日本人高校生は一部の文法項目に関して70%の正答率に達していなかったことが判明した。高校生、大学生が共に正答率70%に達していた項目を「初期習得項目」、大学生は70%に達していたが高校生は達していなかった項目を「中期習得項目」、さらに高校生、大学生がともに70%に達していなかった項目を「後期習得項目」として再分類した。その結果、「初期習得項目」は32項目で主に文の種類に関するものであった。「中期習得項目」にはSVOO構文、過去分詞、及び受け身など28項目が含まれ、「後期習得項目」にはSVOC構文、最上級、不定詞の形容詞的用法など16項目が含まれていた。「中期習得項目」と「後期習得項目」について誤答分析を行った結果、SVOC構文など目標文法項目に対する指導上でのインプットの不足と、不定詞の形容詞的用法に見られる後置修飾など日本語と英語の違いが誤りにつながっている可能性が明らかになった。
高等哺乳類外性器形成過程の解析

高等哺乳類外性器の形成過程はこれまで発生工学的に殆ど解明されておらず、そもそも如何なるメカニズムで胎生期に外性器原器ができるのか、さらに如何にそれが分化し外性器を形作っていくのかほとんど理解されていなかった。また人類遺伝学的にも尿道下裂など非常に高頻度な奇形が外性器で存在しながら、外性器形成に形態制御遺伝子群がどのように関与しているかこれまで全くの未知領域であった。私は外性器原器の形成が、その形態的な特徴から肢芽(体幹部より伸長するプロセス)や腸管(内胚葉上皮を中心とした分化過程)と類似した形態形成機構を有していることに着目し、特に生殖結節の伸長する過程においてはFgf (fibroblast growth factor)シグナリング、内胚葉上皮である尿道を中心とした形成過程ではShh (sonic hedgehog)シグナリングにそれぞれ注目し、これらの分子群について機能解析を行った。その結果、尿道上皮先端においてFgf8遺伝子が肢芽形成で報告されているような伸長誘導活性を生殖結節の伸長過程においても有しており、排泄腔膜/尿道の形成においてはShhシグナリングによる細胞死及び細胞増殖の制御が重要であることが明かとなった。これらの結果より外性器原基の伸長過程において、Fgf8遺伝子を発現する尿道上皮先端が肢芽形成のAERのような種のシグナリングセンターとして機能している可能性が推察された。またShh遺伝子変異マウスが示す生殖結節形成不全は細胞死の亢進及び細胞増殖の減少による排泄腔膜の形成異常に起因するものであり、このことは外性器原基の伸長過程と排泄腔膜/尿道の分化過程は協調して行われる可能性を示唆している。これらの内胚葉性因子(Fgf8及びShh)の外性器形成過程における重要性を明らかにした私の一連の研究(Haraguchi et al. 2000, 2001 Development)は、外性器原基形成の内胚葉由来の組織(排泄腔膜及び尿道)への強い依存性/関連性を示唆するという点で、外性器形態形成の本質を理解するための手がかりを与える知見であると考えている。
ポロソームに焦点をあてた分泌機構抑制による機能性下垂体腺腫の新しい治療法の確立

蛍光タンパクと成長ホルモンとの融合蛋白の遺伝子を発現する、ラット下垂体培養細胞において、ポロソームの存在を確認した。ついで、ポロソームの分泌顆粒側の構成因子であるVAMPと介在分子であるfodrinについて、これらが成長ホルモンの分泌において必須であることを明らかにした。これらの分子の抑制が、成長ホルモンの分泌抑制をおこすこと、ひいては成長ホルモン産生下垂体腺腫の新たな治療方法となりうると考えられた。我々がさきに確立したEYFPとGHとの融合蛋白(EYFP-GH)の遺伝子を発現する、ラット由来の下垂体培養細胞のstable cell line (GH3 cellとAtT-20cell)において、porosomeの存在を原子間力顕微鏡(走査型プローブ顕微鏡)を用いて確認した。ついで、porosomeの分泌顆粒側の構成因子であるVAMPと介在分子であるfodrinに焦点をあて、VAMPとECFPの融合蛋白、およびfodrinとEGFPの融合蛋白を強制発現させ、共焦顕微鏡下に観察し、これらの分子がporosomeの形成機構とGHの分泌に必須であることを確認した。ラットVAMPのcDNAについてはラット下垂体組織よりmRNAを抽出し、RT-PCRにより作製した。VAMPのcDNAに対して制限酵素サイトをPCRに付加し組換えを行い、ECFPと融合させた。このVAMPとECFPの融合蛋白の組換え遺伝子を、EYFP-GHの遺伝子を発現する、ラット由来の下垂体培養細胞のstable cell line(GH3 cellとAtT-20cell)に導入した。トランスフェクションは、Trans ITTMなどを用いて行った。EYFP-GHとECFP-VAMPについて生物学的免疫学的特性に変化がないことをWestern blottingや細胞培養を用いて確認した。fodrinについても同様にEGFPとの融合蛋白の組換え遺伝子を作製し、EYFP-GHの遺伝子を発現する、ラット由来の下垂体培養細胞のstable cell line(GH3 cellとAtT-20cell)に導入した。我々がさきに確立したEYFPとGHとの融合蛋白(EYFP-GH)の遺伝子を発現する、ラット由来の下垂体培養細胞のstable cell line(GH3 cellとAtT-20cell)を本年度も実験に使用した。porosomeの分泌顆粒側の構成因子であるVAMPと介在分子であるfodrinに焦点をあて、VAMPとECFPの融合蛋白、およびfodrinとEGFPの融合蛋白を強制発現させた。ECFP-VAMP、EGFP-fodrin、およびこれら2者を同時にトランスフェクションしたのちに、分泌刺激(GH3にはTRH, high K, AtT-20にはhigh K, CRH)を加え、GHの分泌過程、分泌顆粒が発芽し分泌をおこす際に、ECFP-VAMP、EGFP-fodrinが作用している像を、real-timeに観察した。観察は、共焦点レーザー顕微鏡のほかに、二光子顕微鏡を用いて、細胞膜直下の分泌を観察した。その結果、これらの分子がporosomeの形成機構とGHの分泌に必須であることを確認した。ECFP-VAMP、EGFP-fodrin、またこれら2者を同時にトランスフェクションしたのちに、分泌刺激(GH3にはTRH, high K, AtT-20にはhigh K, CRH)を加え、GHの分泌過程、分泌顆粒が発芽し分泌をおこす際に、ECFP-VAMP、EGFP-fodrinがどの過程まで作用しているか、real-timeに観察した。共焦点レーザー顕微鏡のほかに、二光子顕微鏡を用いて細胞膜直下についても観察した。ついで、siRNAを用いてVAMP. fodrinの作用を阻害し、porosomeの形成とGHの分泌が抑制されることを観察した。VAMP.fodrinについていくつかの塩基配列をターゲットとしてsiRNAを作成し、ベクターに組み込んで、EYFP-GHを発現するGH3 cellとAtT-20 cellにtransfectionした。そして、VAMP.fodrinの発現が抑制されていることを、タンパクレベルとmRNAレベルで確認した。これまでに行ってきた分泌刺激(GH3にはTRH, high K, AtT-20にはhigh K, CRH)に対して、EYFP-GHの分泌が抑制されることを共焦点レーザー顕微鏡で観察した。このことにより、GHの分泌におけるVAMP, fodrinの役割をよりいっそう明確になった。これら、VAMP. fodrinの抑制が、GHの分泌抑制をおこすこと、ひいてはGH産生下垂体腺腫の新たな治療方法となりうると考えられた。
レーザーフラッシュラマン分光法の開発と新規低次元ナノ材料の伝熱特性

昨年度までにカーボンナノチューブやグラフェンを対象として、それらナノ材料の熱伝導率を計測する際に障害となる接触熱抵抗やレーザー吸収率の問題を回避可能な「レーザーフラッシュラマン分光法」の開発を行って良好な結果を得た。今年度はそれをさらに発展させて、異なる2次元材料を積層させた状態での熱輸送特性を調べることができるように、レーザーを2個に増やした同手法の開発に着手した。新規低次元ナノ材料の研究に関しては、親水化したカーボンナノチューブの内部にある水が真空にさらされても一部は蒸発せず、さらに数ナノメートルという厚さの膜でも破断せずに安定に存在することを見出したことに続いて、今年度は、撥水のままのカーボンナノチューブの内部に水を充填させる手法を開発するとともにその内部の水の形状を透過電子顕微鏡で詳しく観察した。内部が撥水であっても、内壁の凹凸によって水のメニスカスは親水化された場合と同じような形状を取ることなどの新しい知見が得られた。また、イオン液体のナノチューブ内部への充填現象についても環境制御型走査電子顕微鏡等を用いた実験を行って物理機構を考察することができた。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。ナノ材料の熱物性を計測する際に問題となっている、接触型計測におけるセンサーと試料の間の接触熱抵抗および非接触型計測におけるレーザー吸収率が不明である問題を解決するために、非接触型計測の一つであるラマン分光法を応用してレーザー吸収率が不明なままでも正確なデータが得られる「レーザーフラッシュラマン分光法」の開発を目指した。今年度は、年度早々に熊本地震の影響でFIB-SEMが故障した。この装置はナノ材料の準備と観察に不可欠なもので、顕微ラマン分光装置の改造計画にまで影響が出たが、予算を一部繰り越すことで、最終的には連続発振ポンプ光をEO(電気光学素子)モジュレーターによる繰り返しパルス光へ変更することと、ナノ材料との位置合わせおよび温度制御のための試料ステージを導入してグラフェンの熱伝導率および基板との間の界面熱抵抗を計測するシステムの構築までは行うことができた。ラマン分光法の開発が中止している間は既存のT字型熱センサを用いて懸架状のグラフェンの熱伝導率計測を進め、レーザーフラッシュラマン分光法で得られる結果と比較しうるデータを収集した。もう一つの目的であるナノ空間に束縛された液体に関する実験も、上記FIB-SEMの故障のため、カーボンナノチューブについては水の凝縮の観察などの予備的実験にとどめ、代わりに共用の透過電子顕微鏡を用いてナノ液体セル内の厚さ600nmの空間内の水における気泡の発生について調べ、全てのナノオーダーの気泡の生成は固体面上すなわち非均質核生成であることを明らかにした。熊本地震の影響で試料の顕微観察に不可欠なFIB-SEM装置が故障したため、それとあわせて使用する顕微ラマン分光装置の改造が遅れたため。今年度は、現有の顕微ラマン分光装置のレーザーおよび試料部の改造を完了し、実際にグラフェンやカーボンファイバーなどの計測を実施した。グラフェンに関しては、トレンチ溝を設けた基板にグラフェンを転写することで、溝の上で懸架状態になったグラフェンへ繰り返しレーザーパルス加熱を行って、そこから得られるラマンピークのシフトから温度を推定する。パルスを変化させることで懸架したCVDグラフェンおよび機械的に剥離したグラフェンの熱伝導率を計測することに成功した。得られたデータは既報のものとよく一致しており手法の妥当性を確認できた。本手法では、懸架状態の2次元試料の周期加熱による熱伝導を解析的に計算して、ラマン信号から推定できる中心部の温度上昇と比較することで、熱伝導率以外にも試料の比熱を得ることができる。上記実験のデータを解析することで、グラフェンの比熱を世界で初めて得ることができたと言える。また、交差する2本のカーボンファイバーについてもラマン分光計測を行って、その熱伝導率および交差部の接触熱抵抗の同定にも成功した。ナノ空間の気液界面についても透過電子顕微鏡と原子間力顕微鏡を用いて観測しその物理機構を考察した。現在までに、カーボンファイバー、多層カーボンナノチューブ、単層・数層グラフェンのレーザーフラッシュラマン分光法による熱物性計測に成功した。ナノ空間での気液界面観察でも多くの成果が得られている。これらは計画以上の進展度であり、研究目的の主たる部分がすでに達成されたと言える。

新規低次元ナノ材料の研究に関しては、親水化したカーボンナノチューブの内部にある水が真空にさらされても一部は蒸発せず、さらに数ナノメートルという厚さの膜でも破断せずに安定に存在することを見出したことに続いて、今年度は、撥水のままのカーボンナノチューブの内部に水を充填させる手法を開発するとともにその内部の水の形状を透過電子顕微鏡で詳しく観察した。内部が撥水であっても、内壁の凹凸によって水のメニスカスは親水化された場合と同じような形状を取ることなどの新しい知見が得られた。また、イオン液体のナノチューブ内部への充填現象についても環境制御型走査電子顕微鏡等を用いた実験を行って物理機構を考察することができた。今回構築したシステムを用いて、グラフェンおよびカーボンファイバーの熱伝導率および界面熱抵抗や接触熱抵抗を計測していく。今後は、ナノ空間に束縛された液体に関してその熱流体的性質を調べることに注力していくが、当初計画以外の新規ナノ材料の熱物性計測についても検討する。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。
酸化LDLの生体内での生成・代謝過程の解明：安定同位体標識リピドミクスの応用

重水素標識リン脂質を用いて、生体内oxLDLの脂質がどのような代謝を受けるか調べた。標識した酸化PC(d13-PGPC)はLDL中で速やかに酵素的に加水分解された。標識リゾPCを含むヒトLDLをHDLと37°Cで混合すると、経時的に標識リゾPCが減少し、4時間で50%以下になった。同時に標識リゾPCに由来する様々なジアシル型PC分子種が生成し、経時的に増加した。標識リゾPCはリポタンパク質間を移動し、生成したジアシル型PCもLDL、HDLの双方に分布した。再アシル化はHDL依存的で、LCAT阻害剤で抑制された。LDL中のoxPCはHDLの存在で種々酵素の代謝を受けることが示された。酸化低比重リポタンパク質(oxLDL)が動脈硬化症の発症要因であること、そこに含まれている酸化ホスファチジルコリン(oxPC )が、様々な細胞を刺激する炎症惹起性分子であり、多くの疾患に関わる可能性が知られてきた。生体内でのoxPC、そしてoxLDLの挙動を明らかにするため、安定同位体標識リピドミクスの応用を計画した。Avanti社から市販されている、重水素化ジパルミトイルPC(d13-DPPC)の合成品を入手し、ハチ毒ホスホリパーゼA2処理により、重水素化リゾPC(d13-lysoPC)を調製し、HPLCで精製した。健常ヒトLDLにd13-lysoPCを添加し、標識LDLとした。この標識LDLをヒトHDLと37°Cでインキュベートした後、超遠心でLDLとHDLを分離し、各脂質成分をLC-MS/MSで分子種分析した。HDL存在下では、標識LDL中のd13-lysoPCに由来する様々な分子種のジアシル型PCが生成した。ジアシル型PCの生成は反応時間依存的に増加した。また、その一部はHDL画分に回収された。この反応がHDL上のLCATの酵素による可能性を検証するため、その阻害剤であるDTNBを加えて反応させたところ、ジアシル型d13-PCの生成が抑制された。LDLの酸化変性により生じたlysoPCは、ヒト血中ではHDLのLCATにより再アシル化され未酸化型PCに変換するとともに、一部は元のLDL粒子から別の粒子に移動することが示された。リポタンパク質におけるリン脂質のリモデリング解析に、安定同位体標識脂質を用いた手法が有効であることが示され、次年度以降、より詳細に反応条件や反応産物の解析をすすめる。安定同位体標識の作成に成功し、今後の反応の解析に必要量を準備することができた。予備的な実験結果を得て、LDL中のlysoPC分子に由来するジアシル型PCの分子種をとらえることができた。しかもこの反応がLCAT依存的であることを示唆する結果が得られた。現時点では、小数回の実験にとどまっており、また産生されたジアシル型PC分子種の解析が不十分であるので、次年度以降の課題である。また、作成したd13-lysoPCの一部は、標識酸化リン脂質プローブの調製に用いることとして、現在作成作業中である。短鎖型のPCであるd13-PGPCを用いた代謝実験も今後行いたい。酸化的変性を受けた低比重リポタンパク質(oxLDL)が動脈硬化症の発症要因であること、またそこに含まれている酸化ホスファチジルコリン(oxPC)が、様々な細胞を刺激する炎症惹起性分子であり、多くの疾患に関わる可能性が知られてきた。当研究室で行っているヒト血漿中から分離したoxLDLの脂質組成解析の予備的な結果から、血漿oxLDL中には必ずしもoxPCやlysoPCの蓄積が見られない可能性が示されている。生体内でのoxLDLの代謝動態を明らかにするため、安定同位体標識プローブを用いたリピドミクスの応用を計画した。市販の重水素化ジパルミトイルPC(d13-DPPC)からハチ毒ホスホリパーゼA2処理により、重水素化lysoPC(d13-lysoPC)を調製した。標識LDLをHDLと37°Cでインキュベートした後、LDLとHDLそれぞれの脂質成分をLC-MS/MSで分子種分析した。HDL存在下では経時的にd13-lysoPCが減少し、4時間後には50%以下になった。同時にd13-lysoPCに由来する様々な分子種のジアシル型PCが生成し、反応時間依存的に増加した。最も高いピークが得られた分子種はC34:2-PCであり、リノール酸がアシル化されたことが示唆された。生成したジアシル型PCはLDL、HDLの双方に分布した。この反応系にLCATの阻害剤であるDTNBを加えると、ジアシル型d13-PCの生成が抑制された。一方、Lp-PLA2阻害剤のpefablocではほとんど影響を受けなかった。LDLの酸化変性により生じたlysoPCは、ヒト血中ではHDLのLCATにより再アシル化されジアシル型PCに変換し、一部はHDL粒子に移動することが示された。次年度以降、oxPCのモデルとして重水素化glutaroyl-PC(d13-PGPC)を用いて、酸化物についての代謝様式の解析をすすめる。

安定同位体標識lysoPCを用いて、LDL中のlysoPC分子に由来するジアシル型PCの分子種をとらえることができた。用量依存性、経時的な変化を確認した。産物のLDL、HDL間の分布についても明らかにでき、これらの分子の粒子間移行が起こっていることが明らかにできた。この反応がLCAT依存的であることを確かめた。昨年度予備的な検討にとどまっていたものが、実験回数を重ねて、しっかりとした結果にまとまりつつある。また、プローブとして用いるd13-lysoPCの調整も再度行い、作成条件の改善により終了を高めることが出来た。標識酸化リン脂質プローブの合成を行い、d13-lysoPCにC5のジカルボン酸をアシル化したd13-PGPCを作成した。今後の短鎖型のoxPCを用いた代謝実験に供する。当研究室ではヒト血漿中からoxLDLを分離し脂質組成解析を行ってきた。その結果から、生体内oxLDL中は必ずしもoxPCやlysoPCを蓄積していない可能性が示され、試験管内で調整したoxLDLの脂質組成と著しい違いがあることが分かった。生体内でのoxLDLの代謝動態を明らかにするため、重水素標識プローブを用いたリピドミクスで、oxLDL中に生じた脂質のリポタンパク質上での代謝を検討した。健常ヒトLDLにd13-lysoPCを添加した標識LDLをHDLと37°Cでインキュベートすると、HDL存在下では経時的にd13-lysoPCが減少し、4時間後には50%以下になった。同時にd13-lysoPCに由来する様々な分子種のジアシル型PCが生成し、反応時間依存的に増加した。主要分子種はリノール酸が付加されたと考えられるC34:2-PCであった。d13-lysoPCがLDL、HDLの双方に分布したのみならず、生成したジアシル型PCもLDL、HDLの双方に分布し、リポタンパク質間の輸送も速やかに起こることが分かった。ジアシル型d13-PCの生成はLCAT阻害剤のDTNBで抑制されたが、Lp-PLA2阻害剤のpefablocではほとんど影響がなかった。oxPCのモデルとして重水素化glutaroyl-PC(d13-PGPC)をLDLに添加すると、速やかにd13-lysoPCに転換した。Pefabloc存在下では、d13-PGPCは安定化したが、LDLからHDLへの移行は速やかに起こり、両粒子間に分布した。LDLの酸化変性により生じたoxPCは、Lp-PLA2により速やかに加水分解され、生じたlysoPCはヒト血中ではHDLのLCATにより再アシル化されジアシル型PCに変換し、一部はHDL粒子に移動することが示された。重水素標識リン脂質を用いて、生体内oxLDLの脂質がどのような代謝を受けるか調べた。標識した酸化PC(d13-PGPC)はLDL中で速やかに酵素的に加水分解された。標識リゾPCを含むヒトLDLをHDLと37°Cで混合すると、経時的に標識リゾPCが減少し、4時間で50%以下になった。同時に標識リゾPCに由来する様々なジアシル型PC分子種が生成し、経時的に増加した。標識リゾPCはリポタンパク質間を移動し、生成したジアシル型PCもLDL、HDLの双方に分布した。再アシル化はHDL依存的で、LCAT阻害剤で抑制された。LDL中のoxPCはHDLの存在で種々酵素の代謝を受けることが示された。平成28年度の第一の目標は、LDL上のd13-lysoPCから血漿中のリポタンパク質間で起こる代謝的変換とリポタンパク質粒子間移行について焦点を絞り、その具体的な反応様式、反応産物、を明らかにすることである。
疲弊型CAR-T細胞の創出と解析：疲弊回避型CAR-T細胞の創出を目指して

本研究計画の目的の一つは、抗原刺激により疲弊型CAR-T細胞を創出する実験系を構築し、疲弊型CAR-T細胞の性状と機能の関係性を明らかにすることである。平成30年度は、抗原刺激によりCAR-T細胞に疲弊を誘導する実験系の構築を試み、以下の結果を得た。(1)マイトマイシンC処理で増殖を停止させたHIV Env発現CHO細胞(抗原発現細胞)とHIV特異的CAR-T細胞を共培養することにより、抗原特異的にCAR-T細胞を増殖させることができた。また、最適な抗原刺激に必要な共培養の回数や期間などの基礎的な情報を得ることができた。(2)ヒトPD-L1およびPD-L2のcDNAクローンをGenscript社より購入し、HIV Env発現CHO細胞に遺伝子導入を行った。フローサイトメトリーによりヒトPD-L1およびPD-L2の発現を確認できたので、PD-L1あるいはPD-L2を発現した細胞をセルソーティングにより分取した。分取した細胞においても、ウェスタンブロッティングおよびフローサイトメトリーでPD-L1あるいはPD-L2の発現を確認することができた。従って、ヒトPD-1あるいはPD-L2を発現させた抗原発現細胞を樹立できたことが分かった。従って、平成30年度は、共培養実験を行うための実験条件の設定や抗原刺激により疲弊型CAR-T細胞を創出するための実験材料の作製を行い、抗原刺激によりCAR-T細胞に疲弊を誘導する実験系を構築する基盤を確立することができた。抗原発現細胞とCAR-T細胞の共培養系を構築するとともに、疲弊誘導に必要なヒトPD-L1あるいはPD-L2を発現させた抗原発現細胞を樹立し、抗原刺激によりCAR-T細胞に疲弊を誘導する実験系を構築するための基盤を整えることができたため。平成30年度で作製した細胞株や予備実験の結果を踏まえて、ヒトPD-L1あるいはPD-L2を遺伝子導入したHIV Env発現CHO細胞との共培養によりCAR-T細胞に疲弊を誘導する実験を行う。また、そのCAR-T細胞の性状および機能を解析する予定である。(理由)疲弊誘導の実験で得られるCAR-T細胞の性状および機能解析を次年度に行うことにしたため(使用計画)CAR-T細胞の創出、性状および機能解析のために必要な試薬類を購入する。また、研究成果を発表するため、学会への参加費用や論文の投稿および出版費用に使用する予定である。
超微細多相組織を有する超塑性材料の組織安定性に関する研究

超塑性特性の発現手法の一つとして結晶粒の微細化が挙げられるが,高温下で微細な組織を維持するためには,分散粒子や第2相を利用して結晶粒成長を抑制する必要がある.これまで,粒子分散組織における結晶粒成長の遅滞は,Zenerの式により検討されてきたが,組織形態が大きく異なる2相混合組織や,さらに多相化した3相組織における結晶粒径を予測するには,より詳細な解析を必要とする.本研究では,それぞれの組織の特徴を考慮した結晶粒径の相関式を導出することを目的にして,2相混合組織は,α+γ2相鋼,α+γ2相ステンレス鋼,α+γCu-Zn系2相合金およびα+βCu-Al系2相合金を,また,3相組織はα+β+VCu-Al-V系3相合金に関する実験を行い,また,それぞれの組織について計算機シミュレーションを行い相関式の妥当性を検証した.(1)2相混合組織分散組織における結晶粒成長の抑制効果については,Zenerによりピン止め力が評価されて以来,多くの研究が行われているが,本研究グループも分散粒子のピン止めによる粒界のたわみを見積もり,相関式R=4r/3f^<2/3>を導出した.一方,2相混合組織は,分散組織とは全く異なる組織形態を有するため,Zener流の解析の適用には限界がある.α+β2相混合組織における粒界の面積S=3(f_α/R_α+f_β/R_β)/2が,結晶粒のサイズを表すパラメータR=R_α+R_βが一定の条件で,最小になるような粒径の関係をラグランジェの未定係数法により求め,相関式R_α・f_α^<-1/2>=R_β・f_β^<-1/2>を導いた。この式は,2相混合組識における主相と副相の粒径相関式を示すが,実験およびシミュレーションの結果をよく再現している.(2)3相組織2相混合組織における粒径の相関式は,副相の分率に関わらず成立するが,第3相としてV粒子が分散している場合には,主相の粒径は上式により表される副相による拘束とともに,分散粒子によるピン止めの影響を受けるため,両方の効果を考慮する必要がある.副相の分率が十分大きい場合には,主相の粒径は2相混合組織の相関式で表されるが,副相の分率が小さく,さらに,分散粒子によるピン止めが大きい場合には分散組織の相関式によって母相の粒径が定まることが実験により明らかになった.超塑性特性の発現手法の一つとして結晶粒の微細化が挙げられるが,高温下で微細な組織を維持するためには,分散粒子や第2相を利用して結晶粒成長を抑制する必要がある.これまで,粒子分散組織における結晶粒成長の遅滞は,Zenerの式により検討されてきたが,組織形態が大きく異なる2相混合組織や,さらに多相化した3相組織における結晶粒径を予測するには,より詳細な解析を必要とする.本研究では,それぞれの組織の特徴を考慮した結晶粒径の相関式を導出することを目的にして,2相混合組織は,α+γ2相鋼,α+γ2相ステンレス鋼,α+γCu-Zn系2相合金およびα+βCu-Al系2相合金を,また,3相組織はα+β+VCu-Al-V系3相合金に関する実験を行い,また,それぞれの組織について計算機シミュレーションを行い相関式の妥当性を検証した.(1)2相混合組織分散組織における結晶粒成長の抑制効果については,Zenerによりピン止め力が評価されて以来,多くの研究が行われているが,本研究グループも分散粒子のピン止めによる粒界のたわみを見積もり,相関式R=4r/3f^<2/3>を導出した.一方,2相混合組織は,分散組織とは全く異なる組織形態を有するため,Zener流の解析の適用には限界がある.α+β2相混合組織における粒界の面積S=3(f_α/R_α+f_β/R_β)/2が,結晶粒のサイズを表すパラメータR=R_α+R_βが一定の条件で,最小になるような粒径の関係をラグランジェの未定係数法により求め,相関式R_α・f_α^<-1/2>=R_β・f_β^<-1/2>を導いた。この式は,2相混合組識における主相と副相の粒径相関式を示すが,実験およびシミュレーションの結果をよく再現している.(2)3相組織2相混合組織における粒径の相関式は,副相の分率に関わらず成立するが,第3相としてV粒子が分散している場合には,主相の粒径は上式により表される副相による拘束とともに,分散粒子によるピン止めの影響を受けるため,両方の効果を考慮する必要がある.副相の分率が十分大きい場合には,主相の粒径は2相混合組織の相関式で表されるが,副相の分率が小さく,さらに,分散粒子によるピン止めが大きい場合には分散組織の相関式によって母相の粒径が定まることが実験により明らかになった.
インデューサ付遠心ポンプにおけるインデューサ内部のキャビテーション流動状態の解明

遠心ポンプに取り付けられたインデューサ内部のキャビテーションの解明とキャビテーションによるエロ-ジョンの予測システムの確立を目的として、本年度は以下の実験を行った。インデューサ内部のキャビテーション流れの可視化インデューサ壁面の非定常圧力の測定インデューサ前後の流速変動の測定その結果、以下のことを明らかにした。1.インデューサの入口角の増大、流量・吸込圧の低下とともに、インデューサ内部にはくりが進行し、壁面圧力波形の歪や乱れが大きくなる。2.キャビテーションはインデューサ入口側から出口側へ領域、規模ともに発達し、不安定な状態になっていく。3.インデューサの使用による吸込性能の改善は、最高効率流量付近で著しく、インデューサ入口側逆流流量で急激に小さくなり、それ以下の流量ではあまり見られない。4.NPSHを下げた時のキャビテーション流れは比較的安定であるが、流量、入口角の変更によるはくりなどが原因で生じたキャビテーションは不安定である。今後、上記実験を継続して行うとともに、衝撃圧センサを製作してキャビテーションエロ-ジョンとの相関を研究してゆく予定である。
ボンドエンジニアリングによる量子ドット形成機構解明

平成30年度はInAs/GaAs系における成長様式の面方位依存性を中心に検討を進め,(001)面における3次元島成長(量子ドット形成),(110)面における2次元転位成長(界面転位形成),ひずみ緩和層導入による3次元島成長(量子ドット形成),(111)A面における2次元転位成長(界面転位形成)への系統的な解釈を試みた。具体的には,転位形成エネルギーEd,表面エネルギーγ,成長様式エネルギーを評価,表面再構成の寄与も考慮して議論を行った。その結果,InAs/GaAs系における量子ドット形成においては,(001)に見られる界面転位形成エネルギーEdが大きいこと,(110)に見られる界面で他のひずみ緩和機構の導入によるγの減少が重要であると考えられる。また(111)Aに見られる2次元成長は,小さなEdに起因すると考えれば実験結果と整合する。さらに,これら成長様式を規定するEdとγは,表面再構成構造とも密接に関連していることも明らかにした。(001)においては表面Asダイマーによる表面でのひずみ緩和の困難さが大きなEdをもたらす一方,(111)AにおいてはIn空孔が表面でのひずみ緩和に自由度を与えた結果,小さなEdをもたらしていると考えることができる。理想表面をもつ(110)は(001)と(111)Aの中間的性格をもつことから,中間のEdをもつ。これらに加えて,(001)ぬれ層表面での量子ドット核形成直前の成長過程についても検討を行い,1.13分子層のInAs供給時にc(4x4)表面が(2x4)表面に変化し,その後の1.38分子層における(2x4)表面形成へとつながることを見いだした。これらの新知見を見いだした,ボンドエンジニアリング概念に基づくアプローチは,さまざまな格子不整合系における成長様式を,微視的,巨視的観点から系統的に理解する上で有用であると考えられる。平成28年度は,GaAs基板上に形成されたInAs(001)ぬれ層表面の局所ひずみ緩和に関する検討を行った。具体的には,原子間ポテンシャルを用いた大規模エネルギー計算により,ひずみ緩和機構としてInAs/GaAs界面に各種格子不整合転位芯構造を導入,格子拘束された系とのエネルギーを比較することで,安定転位芯構造の決定を行うとともに,マクロ成長理論を併用して成長様式との関連を議論した。その結果,転位芯構造としては5ー7員環が安定であること,その5ー7員環転位芯を含む系が1.5分子層で安定となることを明らかにした。これはInAs/GaAs(110)系の2.5分子層,InAs/GaAs(111)A系の7.5分子層に比べて,著しく小さな値であり,InAs/GaAs(001)系においては成長初期段階でひずみが緩和されることを示唆する結果である。またマクロ成長理論から,最初の転位形成は0.5分子層と予測され,InAs(001)ぬれ層表面でのIn吸着が停止する0.9分子層以前に,ひずみ緩和が生じIn吸着が継続,成長が進行する可能性を明らかにした。ただ,この0.5分子層という値は,転位芯が完全に形成される以前の膜厚であることから,今回検討した界面よりも,むしろ表面でのひずみ緩和機構の考慮が必要であると考えられる。この観点からInAs/GaAs(111)A系を対象に同様の手法を用いて,表面での積層欠陥四面体形成とひずみ緩和について検討したところ,界面での転位形成前に表面で積層欠陥四面体が形成されること,この積層欠陥四面体が島形成以前に形成されることから,InAs(001表面と異なり,2次元成長が進行することを明らかにした。従来InAs/GaAs(001)成長においては,ひずみ緩和することなしに成長が進行し,量子ドット島が形成されると考えられてきた。これに対し,我々はInAs0.9分子層でIn吸着が停止し,それ以上成長が進行しないという従来の常識と異なる結果を見いだした。本研究では,ひずみ緩和機構として格子不整合転位を取り上げ,InAs/GaAs(001)系におけるひずみ緩和と成長様式との関連を検討したところ,0.5分子層の段階でひずみ緩和が生じる可能性があることを新たに明らかにした。この結果は,0.9分子層での成長停止以前にひずみ緩和されるこでとInAs成長が進行すること,すなわちひずみ緩和を経て量子ドット島が形成されることを示唆している。これは新知見であると同時に,平成29年度に検討予定である表面でのひずみ緩和機構の検討の基盤となるものであり,本研究の順調な進展を示すものである。平成29年度は,GaAs基板上に形成されたInAs薄膜におけるひずみ緩和と量子ドット形成,ぬれ層表面再構成構造の安定性を中心に検討を進めた。具体的には,第一原理計算を用いて転位形成エネルギー,表面エネルギー,マクロ理論を用いて成長様式エネルギーを評価をすることで,(1)ひずみ緩和層導入の有無による(110)薄膜での成長様式の変化,さらに第一原理計算による表面エネルギー評価から(2)格子不整合ひずみによる(001)表面再構成新奇構造の出現可能性について議論を行った。(1)InAs/GaAs(110)系においては,2次元成長が一般的であるが,ひずみ緩和層をInAs/GaAs界面に挿入することで,3次元島成長ひいては量子ドット形成に至ることがわかった。

これは,ひずみ緩和による表面エネルギーの減少に起因しており,実験事実に対して初めて物理的解釈を与えたものである。(2)前年度の検討からInAs/GaAs(001)系においては,(4x3)ぬれ層表面にInAsが0.96分子層成長した段階でIn吸着が停止すること,これは実験事実と矛盾することを明らかにしてきた。この矛盾に対して,表面再構成構造の安定性を詳細に検討した結果,(4x3)から(2x4)に移行する過程で中間状態としてc(4x4が出現することを新たに見いだした。具体的にはInAsの供給に伴い,0.71分子層において安定な1つのIn-Asダイマーと2つのAsダイマーから構成される(4x3)が,0.83分子層において2つのIn-Asダイマーと1つのAsダイマーから構成されるc(4x4)に変化することを明らかにした。この中間状態の出現は格子不整合ひずみに起因している。以上の結果を前年度検討した(111)系の結果と考え合わせると,面方位によるひずみ緩和機構の違いが量子ドット形成の可否と密接に関連していると考えることができる。一般にマクロ成長理論においては,量子ドット(3次元島)形成は,格子不整合ひずみのみに起因すると考えられてきたが,これまでの検討から,原子レベルでのひずみ緩和,ぬれ層表面再構成構造の2つの因子を考える必要があることを明らかにすることができた。すなわち理想表面をもつ(110)においては界面における格子不整合転位形成が,理想表面に近い(111)Aでは表面における積層欠陥四面体形成が,それぞれ2次元成長に重要な役割を果たしている。一方で(001)においては,成長過程で理想表面と大きく異なる多様な再構成構造が出現することが,量子ドット形成と密接に関連する可能性を見いだした。特に1分子層形成以前での成長初期過程での表面構造変化は,0.76分子層において(4x3)と1.33分子層に相当する(2x4)ドメインが共存するという走査型トンネル顕微鏡による観察結果を説明しうる新知見であり,平成30年度検討予定の(001)ぬれ層表面における成長過程ひいては量子ドット形成過程を解明する上でのブレークスルーになる可能性を秘めている。平成30年度はInAs/GaAs系における成長様式の面方位依存性を中心に検討を進め,(001)面における3次元島成長(量子ドット形成),(110)面における2次元転位成長(界面転位形成),ひずみ緩和層導入による3次元島成長(量子ドット形成),(111)A面における2次元転位成長(界面転位形成)への系統的な解釈を試みた。具体的には,転位形成エネルギーEd,表面エネルギーγ,成長様式エネルギーを評価,表面再構成の寄与も考慮して議論を行った。その結果,InAs/GaAs系における量子ドット形成においては,(001)に見られる界面転位形成エネルギーEdが大きいこと,(110)に見られる界面で他のひずみ緩和機構の導入によるγの減少が重要であると考えられる。また(111)Aに見られる2次元成長は,小さなEdに起因すると考えれば実験結果と整合する。さらに,これら成長様式を規定するEdとγは,表面再構成構造とも密接に関連していることも明らかにした。(001)においては表面Asダイマーによる表面でのひずみ緩和の困難さが大きなEdをもたらす一方,(111)AにおいてはIn空孔が表面でのひずみ緩和に自由度を与えた結果,小さなEdをもたらしていると考えることができる。理想表面をもつ(110)は(001)と(111)Aの中間的性格をもつことから,中間のEdをもつ。