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酸化マンガン上での水1分子分解反応に向けたクラスター複合化

初年度である2017年度は、まず最初の研究対象となる酸化マンガンクラスターの生成を行うことから開始し、水分子活性化を起こすと考えられるマンガン4原子からなるクラスターの生成に成功した。さらに本研究において水分子分解反応を起こす有力な候補として期待する酸化マンガン-酸化セリウムを複合化したクラスターの生成にも着手している。酸化マンガンクラスターに対するX線吸収分光測定の準備も行い、2017年11月および2018年2月の2回にわたって測定を実施した。測定は高エネルギー加速器研究機構の軟X線実験ステーションBL-2Bを共同利用実験として利用し、クラスター装置を持ち込んで行った。その結果、マンガン2ー4原子を含む酸化マンガンクラスターに対して、マンガンL吸収端および酸素K吸収端領域におけるX線吸収スペクトルが得られた。マンガン吸収端でのスペクトルからは、クラスター中の酸素原子数によるマンガン価数の変化が観測された。酸素吸収端のスペクトルには、酸素原子の結合状態を反映していると考えられる複雑な構造が見られた。これらのデータについては現在考察中である。酸化マンガン-酸化セリウム混合クラスターに対する測定も現在準備を進めている。クラスターと水分子との反応測定に関しては、装置の改造に必要な部品の設計・製作などは済んでおり、既存の装置に組み付ける準備はできている。本研究では水分子の分解反応を目指して酸化マンガンクラスターを酸化セリウムと複合化し、その電子状態や水分子との反応性を調べることで、水分解触媒の設計指針を得ることを目的としている。そのために酸化マンガン-酸化セリウム複合クラスターの生成、クラスターと水分子の反応測定、X線吸収分光によるクラスターの電子状態測定を行い、水分子分解反応に対する酸化セリウム複合化について理解、検討を進めていく。クラスターの生成はマグネトロンスパッタ法により行う。初年度にマンガン4原子を含む酸化マンガンクラスターの生成および測定を行ったのち、酸化マンガン-酸化セリウム複合クラスターの生成および測定を進めつつ、並行して装置の改良も行っている。X線吸収分光はクラスター中に含まれる元素それぞれの電子状態を独立に調べることができる方法であり、本研究のように水分子の分解によって金属原子の価数変化や酸素原子の結合状態変化が期待される系に対して非常に有効であると期待される。測定は高エネルギー加速器研究機構の放射光施設Photon Factoryを利用し、我々のクラスター装置を持ち込んで実施する。本研究では主に、クラスターが含む酸素数に応じたマンガン価数、セリウム価数の変化を調べることで、余剰酸素の付加する元素についての知見を得る。2017年度は酸化マンガンクラスターについての測定を行い、酸素数に対するマンガン価数の変化を確認した。2018年度は本研究の主目的である酸化マンガン-酸化セリウム複合クラスターに対する測定を実施して、酸素付加におけるマンガン、セリウムの選択性について調べた。クラスターと水分子の反応測定は、クラスター装置のイオントラップを改造することにより行う。
素粒子標準理論の検証に関する日欧国際共同研究

日欧国際共同で推進しているOPERA計画は、ニュートリノ振動の存在をappearanceの方法で検証する長基線νμ→ντニュートリノ振動実験をその中核とし、2006年の6月のニュートリノ照射の本審開始を目指して建設を推進している。CERN研究所で作るミューニュートリノをイタリアのGransasso研究所に向けて撃ち込み、ミューニュートリノから転化したタウニュートリノを捉える。OPERA検出器は心臓部に原子核乾板「OPERA-film」と鉛板を積層するECCブリック1700トン、ニュートリノ反応の起きたECCブリックを識別する「識別カウンター」からなる。日本側(実質名古屋大学)は名古屋大学が富士写真フィルム社と共同開発した原子核乾板「リフレッシュ可能OPERA-film」の全量を分担している。このOPERA-filmは製造工程で蓄積する宇宙線飛跡を温度30°C、湿度95%に3日間さらすことで消去できる性能をもつ。リフレッシュ設備を岐阜県瑞浪市の地下90mに完成させた。2005年3月時点で「OPERA-film」の製造は970万枚(全使用量の50%)まで進み、そのうちの300万枚のリフレッシュを完了してイタリアのGransasso実験場に送り、リフレッシュ装置の処理能力は十分である。しかし「OPERA film」の残量50%の生産はお金の見通しがなく2006年6月までに完了できない。ヨーロッパ側が分担しているGransassoのOPERA検出器の土木工事、μ粒子用マグネット、ECCブリック1700トンを支える橋脚は完了し、SFTで読み出す「識別カウンター」の搬入も始まり、現像設備の建設も順調である。CERN研究所のニュートリノビームラインの構築は既にほぼ完了した。2006年6月からは毎日50-60事象のニュートリノ反応がECCの中で起きるであろう。ニュートリノ反応の解析を行うS-UTS(自動飛跡読み取り装置:UTSの飛跡読み取り速度の50倍)の開発が完了して、2005年1月29日に第1号機の完成が中日新聞、毎日新聞で報道された。2005年度1年間、CERNの加速器は運転が中断されるために、各種のテスト実験が不可能であり、2005年9-10月に米国FNALのニュートリノビームを使ってOPERAの解析のリハーサルを予定している。*お金不足は中間評価で指摘されていた。国際的な問題とならないうちの解決を目指し努力中である。*CERNの加速器SPSを使った長基線ニュートリノ振動実験OPERA計画はイタリア、フランス、ドイツ、スイス等との国際共同の組織で、2005年5月の実験開始に向けて準備が進んでいる。CERNから730km離れたイタリアのGransasso地下研究所に設置するニュートリノ検出装置の主要部の原子核乾板で作るECCの改良を進めた。原子核乾板の大量塗布;OPERAは大量の原子核乾板を必要とし、富士写真フイルム社と当研究室との共同研究で工場の塗布器を使った機械塗布の開発を進めて、ECCとして使用可能な性能の乾板が世界で初めて大量生産された。原子核乾板の改良;一度記録された飛跡を強制的に消去する手法「refresh」の技術開発を完成させた。温度と湿度によって未現像の乾板に記録された潜像の消去を行い、全く飛跡の記録されていない状態の乾板をECCで使用できるようにした。飛跡読み取り装置の改良;毎秒3000画面のCCDカメラの開発を終わり、対物レンズの2次元の駆動(最高速度100Hz)のメカニズムを板バネとピエゾ素子を使って完成させた。ECCの新しい解析手法「NET-SCAN法」の開発を完成させ、タウニュートリノの直接検出、チャーム粒子の検出等の成果を上げた。ニュートリノの質量問題は、素粒子標準理論の変更をせまる可能性をもち、今日の素粒子研究の最重要研究課題の1つである。OPERA計画はヨーロッパ共同体が運営するCERN研究所の加速器(SPS)でつくるミューニュートリノを使って、ミューニュートリノが振動して出現するタウニュートリノを原子核乾板を中心にして作られた検出器(ECC)で直接検出して、ニュートリノの質量の存在を確認する実験であり、10カ国29研究機関の参加が決まった。本年度に検出器の設計がまとまり、スーパーカミオカンデが示唆したニュートリノ質量を明快に結論するに十分な1800トンの有効質量を確保することが決まった。日本(名古屋大学)は、検出器全体(60億円)の約40%を占める原子核乾板全てを分担することが要請されている。フランスはニュートリノ反応点を捉えるカウンター、ドイツはマグネットと組み合わせるカウンター、イタリアは原子核乾板とサンドイッチして使うターゲットの鉛板(厚さ1mmで12cm*10cm、約1kgを1800万枚)とマグネットを分担する。実験で使うフィルム状の原子核乾板(200ミクロンのシートの両面に50ミクロンの厚さで乳剤を塗布)は富士写真フィルム社と名古屋大学で共同開発して、試作と性能テストを行った。ほぼ満足できる性能が得られており、大量生産の目処はたった。また現在、当研究室が進めてきているニュートリノ実験(CHORUSとDONUT)はOPERA実験の実質的な予備実験であり、OPERA実験で予想される様々な技術的問題の洗い出しとその解決が進んだ。DONUT実験は、OPERAで使う原子核乾板検出器の構造と全く同じ構造の検出器を使って、タウニュートリノを5例検出することに成功した。昨年(2000年)の8月のことであった。タウニュートリノの存在を直接的に確認した世界ではじめての成果である。

またCHORUS実験も、OPERAと良く似た原子核乾板で作られた検出器を使って、700例を越すチャーム粒子の崩壊の検出に成功した。このチャーム粒子はタウ粒子と寿命が近く、タウ粒子の崩壊の検出技術を改良する上で極めて重要な準備となっている。OPERAで使う検出器の単位は、ほぼレンガ(10cm*12cm*7cm)と同じ大きさである。写真フイルムを光と湿度からの遮蔽は、名古屋グループが開発した、特殊な紙を使って真空シールするオリガミパックの採用が決まった。現有の「高速飛跡読み取り装置:UTS」の飛跡読み取り速度を大幅に高速化するための「超高速飛跡読み取り装置:S-UTS」のメカニズム(焦点面を高速に上下する機構)の開発が出進んだ。日欧の国際共同で進める本研究(OPERA計画)はCERN研究所の加速器でミューニュートリノを射出し、730km離れたイタリアのGransassoでニュートリノ振動して出現するタウニュートリノを捕らえてニュートリノの質量問題に決着をつけることが目的である。検出器は原子核乾板と鉛板をサンドイッチしたECC検出器とニュートリノ反応の大体の位置を捉えるカウンターからなる。2006年5月から5年間の観測を行う。当初計画は2005年5月の開始を予定したがCERNの予算不足で1年遅れの進行である。CERN研究所ではニュートリノビーム(CNGS)の地下トンネル工事をほぼ完了した。2005年の5月には電磁石類の設置も完了する。次に、Gransassoに設置する検出器の進捗状況についてである。地下研究所に3棟ある実験ホール(直径約20m、長さ約100m)のホールCを使うことが決まり、土台工事が始まっている。カウンターはイタリア、フランス、ベルギー、ドイツ、スイスのグループが担当して建設が進んでいる。検出器の心臓部のECCは、ドイツが担当する鉛板(1700トン)の仕様が決まり、名古屋大学が担当する原子核乾板はサンプル出荷が始まった。原子核乾板のリフレッシュ設備の建設が東濃鉱山の地下で進んでおり、量産は2003年の4月からである。OPERA計画最大のハードルの原子核乾板の解析に使う高速飛跡読取装置(通称S-UTS:高速CCD,対物レンズ振動系,精密ステージ、画像認識用並列プロセッサーからなる)の建設は、2003年3月までに全てのパーツの開発と入手を完了しており4月から組み立てと調整に入る。1-2ヶ月で完了する。本研究の中心をなすニュートリノ振動実験OPERA計画は、日欧10カ国、29研究グループが参加する国際共同研究であり、2006年の春の実験開始に向けて実験装置の建設を進めている。実験で使うミューニュートリノは、ジュネーブのCERN研究所のSPS加速器を使って生成するが、そのためのニュートリノビームラインの建設は極めて順調で、地下トンネルの掘削とコンクリート打ちを完了した。ミューニュートリノからニュートリノ振動して出現するタウニュートリノを捉える検出器はイタリアのGransasso地下研究所に設置するOPERA検出器である。この建設も順調に進んでおり1700トンの重量のエマルションターゲットを支える柱となる電磁石ヨークの据付が完了した。
第一世代の星の極超新星爆発は宇宙初期の天体の特異な化学組成の源か?

本研究は、宇宙における第一世代の星、すなわち、重元素を含まない(種族IIIともよばれる)星の正体を、銀河のハロー星や銀河団ガスなどの宇宙の進化の初期に形成された天体の化学組成を説明する試みによって、理論的に解明することを目的とする。特に着目したのは、SUBARU望遠鏡によって2004年に発見された、金属量が太陽の20万分の1以下という極端に少ない星の化学組成のパターンである。この金属量は新記録である。この星はFeに対してCとNが太陽組成比より極端に大きい点は、もう一つの例の星と同じだが、Na-Mg-AlとFeの比が、太陽組成比より10倍以上大きいことが大きく異なる。このような特異なパターンには、種族IIIの星の元合成が大きく反映されていると思われる。種族IIIの星の爆発を、球対称の超新星爆発の場合だけでなく、Bipolar的かつ相対論的爆発の場合に拡張して計算し、その元素合成の特徴と上記のような観測の説明に適用して、次のような結果を得た。1)Feに対してC-N及びNa-Mg-Alが太陽組成比より極端に大きいという特徴は、大質量星の超新星爆発の際に、大規模なfallbackが起って、鉄属元素の大部分がブラックホールに落ち込み、fallback前に起ったと想定されるmixingによって、鉄がわずかに放出されたというモデルでよく説明できる。2)Na-Mg-AlとFeの組成比に大きいもの、小さいものが存在するのは、爆発エネルギーの違いによってfallbackする質量に差があることで統一的に説明できた。3)このような特徴は、球対称モデルでは、比較的低いエネルギーの爆発により実現されるので、極超新星によるものではないように見える。4)しかし、Bipolar的な爆発が起きた場合は、相対論的な速度の爆発によって、極端な組成が実現されるので、極超新星によるものと言える。今年度は、種族IIIの星の爆発を、球対称の超新星爆発の場合だけでなく、Bipolar的かつ相対論的爆発の場合に拡張して計算し、その元素合成の特徴と上記のような観測の説明に適用した。

本研究は、宇宙における第一世代の星、すなわち、重元素を含まない(種族IIIともよばれる)星の正体を、銀河のハロー星や銀河団ガスなどの宇宙の進化の初期に形成された天体の化学組成を説明する試みによって、理論的に解明することを目的とする。特に着目したのは、SUBARU望遠鏡によって2004年に発見された、金属量が太陽の20万分の1以下という極端に少ない星の化学組成のパターンである。この金属量は新記録である。この星はFeに対してCとNが太陽組成比より極端に大きい点は、もう一つの例の星と同じだが、Na-Mg-AlとFeの比が、太陽組成比より10倍以上大きいことが大きく異なる。このような特異なパターンには、種族IIIの星の元合成が大きく反映されていると思われる。今年度は、第一世代星の候補の一つとして、太陽質量の500-1000倍の巨大質量星が進化、重力崩壊して中質量ブラックホールを形成する過程で、どのような元素を放出するかを、2次元ジェット状爆発モデルに基づいて明らかにした。そして、その元素合成の特徴と上記のような観測の説明に適用した。1.酸素の相対比([O/Fe],[O/Si])が極端な金属欠乏星の化学組成より小さいので、そのままでは、金属量が極端に少ない星の化学組成は、説明ができない。しかし、ブラックホールの質量次第では、鉄の生成量は減り得る。2.完全に飛び散る電子対生成型超新星に比べると、重元素の生成量は少なく、様々な観測事実をよりよく説明することができる。3.中質量ブラックホールが観測されたM82の高温ガスや、銀河団ガス、銀河間ガスの化学組成など、通常の星だけでは説明できない組成を説明することができる。4.この質量範囲の星は、これまで宇宙の化学進化の研究ではほとんど考慮されてこなかったが、第一世代星と巨大・中質量ブラックホールの形成との関連を考える上で、考慮にいれるべきである。
幾何図形の列挙に関する研究

BDD (二分決定グラフ), ZDD (零抑制型BDD)や逆探索といった列挙の要素技術を統合し、幾何図形の列挙のためのアルゴルズム設計論について研究を行った。多面体の展開図については、フロンティア法に基づくZDD構築手法と同型な展開図の除去手法の組合せにより、高速な列挙ができることを示した。また、この展開図の列挙手法について、一般展開(辺のみでなく面を切り開くことも許した展開図)への拡張について考察した。さらに、任意の多面体に対し、個々の展開図を列挙することなく、本質的に異なる展開図の個数を求める手法を開発した。列挙アルゴリズムは、与えられた制約条件を満たす解を一つだけではなく、すべて求めるための技術である。本研究では、逆探索やBDD (二分決定グラフ), ZDD (零抑制二分決定グラフ)といった列挙の要素技術を統合し、幾何図形の列挙アルゴリズムを設計する。本年度は、中心的な研究テーマとして、(1)多面体の展開図の数え上げ、(2)幾何図形の列挙アルゴリズムの他分野への応用に取り組んだ。多面体の展開図の列挙において、これまで、(1)辺にラベルが付いているとしてその切り開き方を示した辺ラベル付き展開図を求める、(2)同型な展開図を排除して本質的に異なる展開図のみを求める、の2ステップの手順をとってきた。具体的には、正多面体の展開図の列挙において、(1)展開図になるための制約条件(開切辺は頂点数-1本、また開切辺がサイクルを持たない)をBDD/ZDDで表す、(2)同型性の制約条件(同型な置換による辺ラベルの入れ換え)をBDD/ZDDで表して(1)のBDD/ZDDと結合、との手法を用いてきた。しかし、多面体によっては、途中段階でノード爆発を起こしてメモリが足らなくなる事がある。これに対処するため、個々の展開図を列挙することなく、同型なものを除去した展開図の個数を求めるアルゴリズムを開発した。この手法では、まず多面体の持つ対称性をすべて列挙し、それぞれの対称性ごとに頂点の軌道が描くquotient graphを解析する。軌道の位数と、quotient graphのラベル付き全域木の個数をもとに、その対称性のもとで相異なる展開図の個数を求め、その総計から同型な展開図を除去した展開図の個数を得る。幾何図形の列挙アルゴリズムの設計で得られた知見を、他分野の問題解決に活かす分野横断的な取り組みとして、たとえば、避難計画のための領域分割の列挙を行った。本年度は、中心的な研究テーマとして、(1)多面体の展開図の列挙、(2)タイリングの列挙に取り組んだ。これらは、計算幾何の基礎研究としての側面だけでなく、たとえば、展開図は機械部品の板金設計に、タイリングは絵画のみでなく壁紙やカーテン等の工業デザインに、分野横断的に利用される。多面体の展開図の列挙については、(1)辺にラベルが付いているとしてその切り開き方を示した辺ラベル付き展開図を求める、(2)同型な展開図を排除して本質的に異なる展開図のみを求める、の2ステップの手順をとる。正多面体の展開図の列挙において、(1)展開図になるための制約条件(開切辺は頂点数-1本、また開切辺がサイクルを持たない)をBDDで表す、(2)同型性の制約条件(同型な置換による辺ラベルの入れ換え)をBDDで表して(1)のBDDと結合、との手法を用いたが、これが一般の多面体に対しても適用可能であることを確認した。また、フロンティア法を適用すれば(1)を高速に実行できることを示した。タイリングの列挙については、p4タイリング(90度回転によるタイリング)を取り上げ、逆探索によりp4タイリング可能なポリオミノ(複数の単位正方形を辺々接着した平面図形)を列挙するアルゴリズムの設計と実装を行った。(1)家系木の根の図形の設計、(2)子→親のルールの設計、(3)親→子のルールの設計と、逆探索に基づく3ステップの設計を行った。また、アルゴリズムの健全性と完全性の証明を行うことで、理論的な性能保証を与えた。本年度は、中心的な研究テーマとして、多面体の展開図の列挙アルゴリズムに対し、より一般的な展開手法への拡充に取り組んだ。

多面体の展開図の列挙において、(1) 1-スケルトン(多面体の辺と頂点からなるグラフ)において、辺にラベルが付いているとしてその切り開き方を示した辺ラベル付き全域木を作る、(2)各頂点での辺の位置関係を考慮しつつ、同型な全域木を排除して本質的に異なる全域木のみを求める、(3)全域木から対応する展開図へと変換する、という手順を用いている。ここで、扱う展開図を、辺展開(辺を切り開くことで得られる展開図、これまで扱ってきた展開図)から一般展開(辺のみでなく面を切り開くことも許した展開図)へと広げるために、以下の2つの手法を開発した。まず、正四面体の一般展開について、展開図がp2タイリング(180度回転による平面敷き詰め)可能であることが必要十分条件であることを利用した。すなわち、与えられた多角形がp2タイリング可能であるかを判定することで、正四面体の一般展開であるかの判定を行った。これにより、整面凸多面体の辺展開と正四面体の一般展開の関係を調べ、ただ2種類のジョンソン立体のみが正四面体と共通の展開図を持つことを示した。また、直方体の面を単位正方形の集合として扱い、単位正方形の辺ならば(もとの多面体の面上でも)切り開くことを許した展開を定義し、その定義の元で展開図の列挙手法を開発した。計算幾何学多面体の展開図の列挙において、同型なものを排除して本質的に異なる展開図を求める途中で、BDD/ZDDのノード爆発が起こり得る。これに対処するため、個々の展開図を列挙することなく、同型性を排除した展開図の個数を求めるアルゴリズムを開発した。また、本手法は一般の多面体に対して適用可能であることを証明した。本手法を実際に整面凸多面体(各面が正多角形からなる凸多面体で、正多面体、半正多面体、ジョンソン・ザルガラー立体、正n角柱、正n反角柱からなる)に対して適用した。たとえば、角切り二十面体の辺ラベル付き展開図は375,291,866,372,898,816,000個であり、これらを1つ1つ列挙して同型性をチェックすることは、計算時間の面からも、計算に使用するメモリの面からも困難である。これに対し、本手法を適用することで、個々の展開図を列挙することなく、同型性を除去した本質的に異なる展開図が3,127,432,220,939,473,920個であることが分かった。ねじれ十二面体や角切り十二・二十面体の辺ラベル付き展開図は、それぞれ438,201,295,386,966,498,858,139,607,040,000,000個と21,789,262,703,685,125,511,464,767,107,171,876,864,000個であり、さらに困難性が増すが、本手法により同型性を排除した展開図の個数はそれぞれ7,303,354,923,116,108,380,042,995,304,896,000個と181,577,189,197,376,045,928,994,520,239,942,164,480個であることが分かった。他分野でも同型性の排除が困難になる問題が多々あり、本手法は分野横断的な応用が期待できる。以上のように、研究計画に沿って、順調に進展している。多面体の展開図の列挙について、提案アルゴリズムが一般の多面体に適用可能であることを確認するとともに、その高速化についても確認した。
タイガは誰のものなのか:森林伐採従事者から見た中口木材貿易の現状

研究目的:2007年のロシア政府によるロシア木材輸出税引上げ問題によって生じた中ロ木材貿易の先行き不透明感から、黒龍江省国有林への計画伐採枠内における木材生産への需要が高まる中、現場の伐採地及び労働者はどのような影響を受けているか調査を行った。研究方法:中国黒龍江省のスイリン県の林場(四海店林場、建興林場、三吉台林場、長山郷)にて伐採現場の視察と聞き取り調査を行った。研究成果:1998年の中国政府の天然林保護プログラムによる森林伐採制限により、黒龍江省の多くの森林伐採従事者が一時金をもらって職を失った。現在残った者は春季秋季は林業局の森林防火の仕事につき、冬季は一部の者のみ計画伐採に従事し、他の者は中ロ木材貿易や木材加工業で職のある中ロ国境地域(綏芬河や満洲里等)やロシアに出稼ぎに行かざるを得ない状況であった。またスイリン市には比較的規模の大きなフリーボート工場がいくつかあるが、黒竜江省内の木材伐採量が制限されているため、伐採した木の根も全て回収しフリーボートの原料とする状態であり、木材需要が高まる中、天然林保護プログラムに見られる国の環境政策と経済的に厳しい地方政府のせめぎ合いの中で、計画伐採の上限量ぎりぎりまで伐採せざるを得ない林業地域の窮状を視察することができた。また伐採設備更新等も遅れており、スイリン県では戦前日本がこの地域に敷設した森林鉄道をそのまま使用しているが、線路の痛みが激しいため積雪でレールを滑らせることのできる冬季のみしか貨車を走らせることができない状態であった。このように伐採関係設備全般に老朽化が目立ち、森林伐採従事者の安全が確保されているとは言いがたい状況であった。
セラミックスにおける相変態と相界面の電子顕微鏡内その場観察

酸化物セラミックスにおける相変態を微視的レベルで動的に観察し、とくに酸素の相変態における役割を調べる。酸素の構造空孔を介しての拡散現象が相変態に及ぼす影響を調べるために、微視的レベルでの酸素の分析が必要になる。また、アモルファス半導体の結晶化においては、水素などのガス成分が関与している場合がある。これらの相変態においては電顕像による微細構造の変化の観察とともに、電子エネルギー損失スペクトル(EELS)による結合状態の変化を観測することが必要である。ガス成分が相変態に関与している場合として、薄膜トランジスタ(TFT)中のシリコンナイトライド(SiNx)に接するアモルファスシリコン(a-Si)の界面近傍での照射損傷について調べた。それは電顕観察中に発生し、高分解能電顕観察から結晶化が生じた領域であることが分かった。損傷部分のEELSスペクトルには窒素のKエッジが観察された。電顕観察中に、下地であるシリコンナイトライドから窒素が拡散しすることが影響していると考えられる。酸化物セラミックスの相変態については、プラズマ溶射によって作成されたムライト皮膜(3Al_2O_3・2SiO_2)の電顕内その場加熱実験を行った。急冷によってアモルファスである部分の結晶化について観察を行い、加熱せずに電子線照射によって結晶化が生じることが観察された。これにはビームヒ-ティングが影響していると考えられる。一方、強い電子線照射下での加熱実験では、結晶化温度以上でもアモルファスのまま存在し、さらに高温しても結晶化せずに溶融することが観察された。このような相変態挙動を加熱した高温試料のEELSで調べることを行いつつある。
細菌の生産するオカダ酸関連化合物に関する研究

下痢性貝毒(DSP)の本体はオカダ酸(OA)とその誘導体である。貝の毒化時に発生するDinophysis層化鞭毛藻が同じ毒を持つことから同藻がDSPの原因生物であるとされている。DSPの生合成機構は現在のところ不明であり、Dinophysis自身がDSPを生産しているか否かは明らかではない。筆者はD.fortiiおよびDSPを持つ底生性過鞭毛藻Prorocentrum limaを希ホルマリン海水で洗浄した後、細胞から細菌の分離を試みたところ、それぞれ1種ずつのグラム陽性菌1種を得た。これらの細菌の抽出物中にはOAおよびその既知の誘導体は全く検出出来なかったが、坑OAモノクローナル抗体に反応する成分すなわち未知のOA関連物質が含まれていることを見出した。対照として用いた大腸菌、Vivrio alginolyticusならびに麻酔性貝毒原因藻であるAlexandrium tamarense等から分離した細菌の抽出中にはこのような成分は認められなかった。そこでDSP原因藻から分離されたこれらの細菌の生産するOA関連化合物イオン交換クロマトグラフィー上の挙動から目的成分はOA関連化合物がタンパクあるいはポリペプチドに結合し、分子量3,000以上の形を取っているものと推定された。P.limaから分離した細菌を超音波で破砕後プロテアーゼで分解したところ、二相分配で水から酢酸エチル相に抽出される画分中に坑OA抗体に反応する成分が認められた。そこで本菌をZobel2216培養中で30°C4日間振とう大量培養し35Lの培養液から得た菌体の酵素分解物を溶媒分画およびHPLCで精製し、坑OA抗体に反応する成分7mgを得た。本成分の構造および性状は現在検討中である。下痢性貝毒(DSP)は三陸沿岸で見いだされた貝毒の一種である。毒の本体はオカダ酸とその誘導体であることが明らかにされ、Dinophysis属渦鞭毛藻が原因生物であるとされている。本属は現在のところ培養が困難で成功例を見ない。筆者らはDinophysis fortiiの天然細胞を洗浄し細菌の分離を試みたところグラム陽性菌1種(Df菌)を得た。本菌の培養菌体にはDSPの既知成分であるオカダ酸(OA)ならびにその誘導体は検出できなかったが、菌体の抽出物をOAに対するモノクロナール抗体と反応させたところ反応が認められた。DSPは培養可能な底生性渦鞭毛藻Prorocentrum limaにも認められているが、本藻の培養細胞からもOAに対するモノクロナール抗体と反応する成分を生産する細菌(PL2菌)が分離された。本年度筆者はこれらの細菌の生産するOA関連化合物の同定を試みたところ、目的成分は水溶性でこの点で既知のOA関連成分であるDinophysistoxin-4(DTX4)に類似する。しかし菌の抽出液をP.limaから調製した粗酵素とともにインキュベーションしても新たにOAもしくはDTX1等の生成が認められないこと、陰イオン交換樹脂に吸着すること等から目的成分はDTX4そのものではないことが明らかとなった。目的成分をBio-Gel P-2のゲル濾過で精製を試みたところ、OA抗体と反応する成分の一部は低分子画分にも認められるが大部分が排斥限界付近に溶出した。DEAE-Toyopearlカラムクロマトグラフィー上の目的成分の溶出パターンは280nmの吸収と一致した。以上の結果から、目的成分はOA関連化合物がタンパクあるいはポリペブチドに結合し、分子量3,000以上の形を取っているものと推定された。現在本成分の単離を試みているところである。貝の毒化時に発生するDinophysis属渦鞭毛藻が同じ毒を持つことから同藻がDSPの原因生物であるとされている。

DSPの生合成機構は現在のところ不明であり、Dinophysis自身がDSPを生産しているか否かは明らかではない。筆者はD.fortiiおよびDSPを持つ底生性渦鞭毛藻Prorocentrum limaを希ホルマリン海水で洗浄した後、細胞から細菌の分離を試みたところ、それぞれ1種ずつのグラム陽性菌1種を得た。これらの細菌の抽出物中にはOAおよびその既知の誘導体は全く検出出来なかったが、抗OAモノクローナル抗体に反応する成分すなわち未知のOA関連物質が含まれていることを見出した。対照として用いた大腸菌、Vibrio alginolyticusならびに麻痺性貝毒原因藻であるAlexandrium tamarense等から分離した細菌の抽出液中にはこのような成分は認められなかった。そこでDSP原因藻から分離されたこれらの細菌の生産するOA関連化合物の精製を試みたところ、粗抽出物中の目的成分は水溶性であること、ゲル濾過や弱塩基性陰イオン交換クロマトグラフィー上の挙動から目的成分はOA関連化合物がタンパクあるいはポリペプチドに結合し、分子量3,000以上の形を取っているものと推定された。P.limaから分離した細菌を超音波で破砕後プロテアーゼで分解したところ、二相分配で水から酢酸エチル相に抽出される画分中に抗OA抗体に反応する成分が認められた。そこで本菌をZobel2216培地中で30°C4日間振とう大量培養し35Lの培養液から得た菌体の酵素分解物を溶媒分画およびHPLCで精製し、抗OA抗体に反応する成分7mgを得た。本成分の構造および性状は現在検討中である。
エピゲノムのエビデンスに基づいたHDAC阻害剤によるがん治療法の開発

ヒストン脱アセチル化酵素阻害剤(HDACI)の一つであるSAHA(Vorinostat)をヒト急性T細胞性白血病細胞株Jurkatに処理した際のH3アセチル化変化をChIP-seqにより解析し、SAHA処理によりアセチル化が亢進する遺伝子を明らかにした。SAHA処理による遺伝子発現量変化を解析したところ、4,784遺伝子がSAHA処理により発現上昇したが、このうちH3アセチル化も同時に検出されたのは329遺伝子(約7%)であった。HDACIの直接的な標的を探索する場合には発現量変化だけでなくアセチル化状態の変化も考慮する必要があると考えられる。ヒストン脱アセチル化酵素阻害剤(HDACI)はヒストン脱アセチル化酵素をターゲットとした新しいタイプの抗がん剤である。近年他剤との併用投与で奏効する研究結果が多く報告されているが、併用薬剤の決定にHDACI処理によるエピゲノム状態変化が考慮されている例はほとんどない。本研究ではHDACI処理によるエピゲノム状態変化をゲノムワイドに明らかにし、効率的な併用薬剤の選出に活用することを試みる。本年度はHDACIによるヒストンアセチル化変化をゲノムワイドに解析するための細胞株を公共データベースTCGAの情報を利用して探索し、ヒストン脱アセチル化酵素ファミリーの発現量が高いヒト急性T細胞性白血病細胞株Jurkatを選択した。使用するHDACIとしては、日本において皮膚T細胞性リンパ腫の適応で承認されているSAHA(Vorinostat、商品名ゾリンザ)を選択した。Jurkat細胞にSAHAを処理することでヒストンH3アセチル化が大幅に増加することをウェスタンブロットにより確認できたため、SAHA処理、未処理、Whole Cell Extract(コントロール)のChIP-seqを施行した。これによりSAHA処理によるヒストンH3アセチル化修飾変化をゲノムワイドに特定できた。さらに遺伝子の転写開始点周辺のヒストンH3アセチル化変化に着目したところ、ほぼゲノム全領域に渡りSAHA処理によりアセチル化が亢進していることが明らかになった。公共データベースを活用して解析に使用する細胞株を選出し、HDACIの一つであるSAHA処理によるヒストンH3アセチル化状態変化をChIP-seq解析によりゲノムワイドに明らかにすることができた。さらに遺伝子発現制御に重要な転写開始点周辺に絞り込みアセチル化状態変化を解析することで、SAHAが発現に影響を及ぼすと考えられる遺伝子群を網羅的に同定することができた。本年度は日本において皮膚T細胞性リンパ腫の適応で承認されているHDACIであるSAHA(Vorinostat、商品名ゾリンザ)をヒト急性T細胞性白血病細胞株Jurkatに処理した際の遺伝子の発現量変化を網羅的に解析した。その結果SAHA処理により発現が2倍以上増加した4,784遺伝子を特定した。網羅的発現量解析の結果とChIP-seqによるヒストンアセチル化状態の解析結果を統合したところ、SAHA処理による発現上昇がみられた4,784遺伝子のうち、ヒストンアセチル化も同時に観察されたのは329遺伝子(約7%)であり、SAHA処理により発現上昇する遺伝子の大部分はヒストンアセチル化を伴っていないことが明らかになった。これらはSAHAの直接的な作用によるものではなく、間接的な作用により発現上昇したものと考えられる。SAHA処理により発現上昇かつアセチル化が見られた遺伝子のGO解析を行ったところ、cell-matrix adhesionやapoptotic processに関連する遺伝子群が有意に含まれていた。JurkatはSAHA感受性細胞株であることから、SAHAによる抗腫瘍効果にはこれらの遺伝子群の活性化が関与していると考えられる。本研究により、SAHAによるエピゲノム変化が誘導するがん細胞死に関与する遺伝子群を明らかにすることができた。RNA-seq解析によりSAHA処理および未処理における網羅的遺伝子発現解析を行う。この結果とChIP-seq解析結果と統合させることにより、SAHA処理によるアセチル化状態変化と発現量変化が同時に確認されるSAHAの標的遺伝子群を明らかにし、それらの遺伝子群の機能を有効と考えられる併用投与薬剤の選択を検討する。ゲノム科学
細胞接触を介した熱耐性発現機構の研究

細胞が接触していない状態で熱処理されたヒト細胞の熱感受性は、正常細胞とがん細胞で大差はないが、細胞が互いに接触した状態になると、正常細胞のみが著しく熱抵抗性になるとした以前の結果を、複数のヒト胎児由来初代培養細胞および各種ヒトがん細胞について共通に見られることを確認した。こうした熱感受性差は、熱処理によって正常細胞とがん細胞に誘導される熱ショックタンパクの量とは全く関係はないが、誘導されたタンパクの核への移動が、がん細胞では、うまく行かないことと密接な関係があることを明かにした(Carcinogenesis,in press,1994)。さらに、熱処理された細胞の死の動態を熱処理後、経時的に調査したところ、熱処理後2-4時間で顕著な核濃縮が起こり、その時期に合わせて細胞内へのカルシウムの流入が起きることがわかった。引き続き、12時間以内にエンドヌクレアーゼの活性化がピークに達し、ラダー状の電気泳動パターンに特徴づけられるDNA分子の崩壊がみられた。エリスロシン染色性細胞の出現は、かなり遅れ、熱処理後1-2日以上経てから顕著になり、その時期には、タイプIV型コラゲネースの活性がピークになることが明かになった(日本放射線影響学会第36回大会、第52回日本がん学会総会で発表、現在投稿中)。このような細胞死の動態は、一部胸腺等でみられるアポトーシスの過程と類似していると思われるが、細部では異なる点も多い。熱感受性の高い細胞では、これらの過程の進行が急速である。顕著な熱抵抗性を示す接触状態にある正常細胞では、これらの過程のうち細胞内へのカルシウム流入の過程が著しく抑えられており、細胞死に結びつかないことがわかった。今後は、熱による細胞死の各ステップをさらに分子レベルで詳細に検討するとともに、細胞接触した正常細胞で熱処理後、カルシウムの流入が著しく抑えられるメカニズムを明かにする必要があろう。
密度依存型の拡散項をもつ反応拡散方程式の解の分岐構造

競争関係にある2種の個体群密度の動態を記述する密度依存型の拡散項をもつ反応拡散系(2種競争系)を扱い,生物の住処をある球の内部としたときの球対称定常解の解構造を調べた.定数定常解のまわりでの局所的な解構造は,第1種ベッセル関数を用いたある積分値の符号によって決定することができる.本研究では,数学的手法と数値的検証法により,住処の次元が3以下の場合にその符号を調べた.得られた研究成果は,2種競争系だけでなく,一般の反応拡散系における定数定常解のまわりでの局所的な解構造においても有効である.競争関係にある2種の個体群密度の動態を記述する密度依存型の拡散項をもつ反応拡散系(2種競争系)を扱い,生物の住処をある球の内部としたときの球対称定常解の解構造を調べた.定数定常解のまわりでの局所的な解構造は,第1種ベッセル関数を用いたある積分値の符号によって決定することができる.本研究では,数学的手法と数値的検証法により,住処の次元が3以下の場合にその符号を調べた.得られた研究成果は,2種競争系だけでなく,一般の反応拡散系における定数定常解のまわりでの局所的な解構造においても有効である.重定・川崎・寺本(1979)によって提出された競争関係にある2種の個体群密度の動態を記述する反応拡散方程式(2種競争系)を考察し、定常解や周期解などの解の存在・安定性を調べることにより、生物の共存メカニズムを解明しようとしている。本年度は、生物の住処を球の内部とし、求める解を球対称解に制限した最も単純な場合について研究を行った。局所的な分岐構造は定数定常解の周りでの線形化作用素の固有値と対応する固有関数を用いて、固有値および固有関数はベッセル関数を用いて表現することができる。つまり、局所的な構造の研究はベッセル関数の性質を調べることに帰着される。ベッセル関数に関してはこれまでに多くの研究があるが、局所的な構造の決定に必要な結果を見つけ出すことができなかった。そこで、本年度は、数学的な手法と、数式処理や区間演算などの数値的な手法を相互補完的に用いて、局所的な構造の決定に必要なベッセル関数の性質を調べることにした。数学的な手法により数値的な検証を行わなければならないパラメータの範囲を特定し、その範囲内で数値的な検証を行うことにより、定数定常解から分岐する球対称解の局所的な分岐構造を決定することができた。ここで得られた結果は、2種競争系だけでなく、一般の反応拡散方程式へも応用可能である。ベッセル関数の研究に焦点を当てたため、本年度の目標の一つとしていた縮約された方程式の導出には至っていない。そのため、縮約された方程式の導出は来年度以降の課題としたい。重定・川崎・寺本(1979)によって提出された競争関係にある2種の個体群密度の動態を記述する反応拡散方程式(2種競争系)を考察し,定常解や周期解などの解の存在および安定性を調べることにより,生物の共存メカニズムを解明しようとしている.本研究では,生物の住処を球の内部とし,求める解を球対称解に制限した最も単純な場合に対する解構造の研究を行っている.定数定常解のまわりでの局所的な分岐構造はベッセル関数を用いて表現でき,また,これまでにベッセル関数に関する研究は多くある.しかしながら,局所的な分岐構造の決定に必要な評価を見つけ出すことができていない.そのため,本研究では,数学的な手法と,数式処理や区間演算などの数値的な手法を用いて,その評価を得ようとしている.本年度後半,あるパラメータ領域において,証明の一部に不備が見つかった.今現在その修正を試みており,まだ完全に修正できているわけではないが,数学的な手法によりパラメータの範囲を特定し,その範囲内で数値的な検証を行うことにより,住処の次元が3以下の場合に,定数定常解から分岐する球対称解の局所的な分岐構造を検証できている.ここで得られた結果は,2種競争系だけでなく,一般の反応拡散方程式へも応用可能である.来年度への課題として,住処の次元が3より大きい場合に対する局所的な分岐構造の検証が残されている.また,本研究の目標の一つである縮約された方程式の導出には至っていないので,この導出も来年度への課題としたい.本研究の主な目的は,重定・川崎・寺本(1979)によって提出された競争関係にある2種の個体群密度の動態を記述する反応拡散方程式(2種競争系)に対して,定常解や周期解などの解の存在・安定性,及び大域的な解構造を調べることである.昨年度から,生物の住処をある球の内部とし,求める解を球対称解に制限した最も単純な場合について,数学的な手法と,数式処理や区間演算などの数値的な手法を相互補完的に用いて,定数定常解の周りでの局所的な解構造の研究を行っている.本年度は,昨年度後半に見つかった証明の不十分な箇所の修正に多くの時間を費やした.修正ができた部分に関しては,いくつかの研究集会などで研究発表を行うとともに,その研究成果は学術雑誌に掲載される予定である.定数定常解の周りでの局所的な分岐構造は,ベッセル関数を用いた関係式により表現することができる.ベッセル関数に関してはこれまでに多くの研究があるが,局所的な解構造を決定するために必要な情報を見つけ出すことができなかった.そのため,ベッセル関数のある性質を重点的に調べ,あるパラメータ領域において局所的な解構造を決定することができた.

本研究で得られたベッセル関数に対する性質は,2種競争系だけでなく,一般の反応拡散方程式においても,定数定常解の周りでの局所的な解構造を決定する際に有効である.また,大域的な解構造の決定には至っていないため,これについては今後の課題としたい.
トポロジカルバンドの自発形成と相転移ダイナミクス

[1]トポロジカル絶縁体表面にs波超伝導体を張り付けた系では、超伝導体の端にカイラルマヨラナ束縛状態が出現するが、磁場をかけるとその端状態が超伝導内部に侵入してくることが予言されている。このときの局所状態密度(LDOS)を計算し、マヨラナ束縛状態の場所の変位がSTSなどの実験により検出しうる条件を求めた。またスピン分解したLDOSおよび奇周波ペア振幅についても計算し、マヨラナ束縛状態がスピン偏極を起こしていることを示した。この研究成果はPhysical Review B誌への掲載が決定している。[2]スピン軌道結合したボース・アインシュタイン凝縮体における励起スペクトルをトポロジーにより分類した。ボース粒子系の場合、励起スペクトルを求める固有値方程式は非エルミートとなり、励起スペクトルに複素数が生じうる。本研究では複素固有値が出現する場合においても適用可能なトポロジカル数の定義を与えた。この研究成果は現在、論文投稿準備中である。[3]2成分原子気体ボース・アインシュタイン凝縮体の相分離ダイナミクスを数値的に調べた。2成分の粒子数差が等しいときは、ドメインサイズは時間の2/3乗に比例して増大していくことが知られていたが、粒子数差が大きいときには、ドメイン成長則のべきが1/3に減少することが数値的に得られた。これは、粒子の伝搬が慣性的なものから拡散的なものに変わったことを意味している。この研究成果は、現在、論文投稿準備中である。29年度が最終年度であるため、記入しない。(1)スピン軌道相互作用するボース・アインシュタイン凝縮体(BEC)の基底状態を数値的に求め、スピンの周期構造にあわせて粒子数密度が振動するという先行研究を再現した。この基底状態からの励起スペクトルのバンド構造を求め、低エネルギーバンドではトポロジカル数が非自明な値をとることがわかった。(2)凝縮状態を平均場近似したボゴリュボフハミルトニアンは、超伝導体においてペア振幅を平均場近似したハミルトニアンと同じ形式で書かれる。しかし、ボソンとフェルミオンの統計性の違いから、準粒子状態を求めるボゴリュボフ方程式はフェルミオン(超伝導)ではエルミート固有値方程式、ボソン(BEC)では非エルミート固有値方程式となり、ボソンでは準粒子の励起スペクトルに複素数が出現する。本研究で、キタエフ模型に類似したボース粒子系を考え、励起スペクトルを求めると、バンドが複素固有値を持つような場合でも端状態が存在する様子が得られた。これは、複素固有値を持つようなバンドに対してもトポロジカル数が定義出来ることを示唆している。(3)2成分BECの相分離ダイナミクスにおいて、ドメインサイズが増大する様子を数値的に調べた。先行研究では、2成分の成分比が等しいときにはドメインサイズは時間の2/3乗で成長することがわかっている。成分比をかえると、2成分の粒子数差が大きいときには、成長則のべきが1/3乗に変わることがわかった。これは、粒子の輸送が散逸のない超流動的なものから、拡散的なものに変化したことを示唆している。研究成果として今年度に3編の論文を出版したが、主たる研究目的であるボース粒子系の運動量空間におけるトポロジカル構造の解明については研究が少し滞っている。当初の見通しどおり、トポロジカル数が非自明となるバンドが出現したが、それを検出する物理量が見出せていないこと、およびパラメータ設定を変えるとトポロジカル数の定義を拡張しなくてはならない状況が出現したためである。(1)自発的に並進対称性の破れた系に対して、有限サイズの系で励起スペクトルを計算し、エッジ状態の有無を数値的に確認する。(2)複素固有値が出現するようなバンドに対して、トポロジカル数の定義を拡張する。具体的に様々な系で励起スペクトルを計算し、系の対称性との関係を明らかにする。

(3)ドメイン成長則に関して、ドメインや粒子の運動方程式から成長則を導き、超流動性とのかかわりを明らかにする。29年度が最終年度であるため、記入しない。
光電子アシスト有機薄膜CVD法と超薄膜DLC複合潤滑膜の開発

本研究では,バイアス電圧を印加したDLC表面から放出される光電子を有機ガス分子が捕獲し,その分子が部分的に分解されDLC表面に化学吸着する現象を利用して,超薄膜の耐摩耗性に優れたDLC複合潤滑膜を形成することを目的とする.具体的にはハードディスク装置の高記録密度化を対象として,(1)大気圧光電子アシストUV照射による複合潤滑膜開発,(2)光電子アシスト有機薄膜CVD法の開発,(3)超薄膜DLC複合潤滑膜の開発,(4)DLC膜と潤滑剤・添加剤のトライボ電子に起因するトライボ化学反応の解明を行った.平成27年度は、(1)光電子アシストを用いた有機ガス分子の部分分解CVD法の開発、(2)光電子アシスト有機薄膜CVD法を用いた超薄膜DLC複合潤滑膜の開発、を主に進めた。1.光電子アシスト有機薄膜CVD装置の開発エキシマランプからの紫外線を照射しながら、バイアス電極とDLC基板間で真空チャンバー内に導入した有機ガスを部分的に分解しつつ成膜するCVD装置を試作した。さらにそのCVD装置を用いて、真空度、バイアス電圧、UV照射強度、ヒータステージ温度などの動作特性を確認し、実際にPFPE低沸点溶媒をチャンバー内に導入してフッ化炭素膜の成膜が出来ることを確認した。また、成膜した膜の構造をTOF-SIMSやラマン散乱スペクトル、XPSを用いて調査した。その結果、成膜されたフッ化炭素膜は、CVD前駆体材料の構造を維持しつつ、表面にほぼ100%の被覆率でかつ化学吸着していることを確認できた。2.大気圧光電子アシストUV装置による複合潤滑膜の開発DLC複合潤滑膜の開発に先立ち、通常のPFPE潤滑膜を塗布した磁気ディスクに上記UV照射を行い、低分子PFPEと高分子PFPE潤滑膜の複合潤滑膜形成を行った。まず、低分子PFPEとして分子量が異なるPFPE溶媒を数種類用いて、分子量と成膜される膜厚の関係を明らかにした。その結果、2Å程度の低分子PFPEを成膜可能であることが判明した。さらに、バイアス電圧を大きくすることで、化学吸着する量が増加することが分かった。そこで、磁気ディスクに通常の膜厚より薄い0.60.8nmのPFPE潤滑膜を塗布し、大気圧光電子アシストUV装置で低分子PFPE潤滑膜を成膜した複合潤滑膜作成した。この複合潤滑膜の被覆性、耐摩耗性、ヘッド浮上クリアランス、耐食性を評価したが、表面エネルギーは低くなり被覆率は向上したが、ヘッド浮上性が悪くなったため、検討を打ち切った。予定通り、光電子アシストCVD装置を試作して、成膜したPFPE膜の評価を行い、その膜が高い被覆率を示しており、表面エネルギーも小さいことを確認できたことから、おおむね順調に進展していると判断した。平成27年度に試作した光電子アシストCVD装置を用いて1.0nm以下の単分子膜厚のパーフルオロポリエーテル(PFPE)潤滑膜の形成に成功した。このPFPE膜はダイヤモンドライクカーボン(DLC)膜と完全に化学結合しており、その被覆率は約0.8nmで100%と推定される。これは従来のディップ法で塗布したPFPE潤滑膜の単分子膜厚の約1/2であり、その被覆性も従来を完全に凌駕している。このようなPFPE潤滑膜とDLC膜が化学結合により一体となった複合DLC潤滑膜は、光電子アシストCVD法において、高周波パルスバイアス電圧をサンプルに印加しつつ紫外線を照射することで初めて可能になった。パルスバイアス電圧によりDLC表面より放出された光電子がDLC表面近傍に留まり、PFPEモノマーガスとの相互作用頻度が増加するためと推定される。上記の複合DLC潤滑膜は、1凝着力が測定されない、2スライダクリアランスが極めて大きい、3スライダ摩耗が小さい、4耐食性に優れている、5コンタミネーションガスの吸着量が著しく小さい、6耐熱性が300度以上と極めて高い、と言った優れた特性を示しており、次世代高記録密度ハードディスクの開発に大きく貢献可能であると考えられる。また、当初計画していた外部電場制御型ピンオンディスク試験機の試作内容をさらに発展させ、ピンオンディスク試験機を組込んだ走査型紫外線光電子顕微鏡を試作した。この装置は紫外線を数ミクロンのスポットで照射しつつ走査することで光電子放出量のマッピングを大気中で行うことが可能な装置であり、摩擦痕のエキソ電子放出量でのマッピングや固液表面の仕事関数が推定可能な装置である。光電子アシストCVD装置を用いて約0.8nmの単分子膜厚のパーフルオロポリエーテル(PFPE)潤滑膜の形成に成功した。また、この複合DLC潤滑膜は、1凝着力が測定されない、2スライダクリアランスが極めて大きい、3スライダ摩耗が小さい、4耐食性に優れている、5コンタミネーションガスの吸着量が著しく小さい、6耐熱性が300度以上と極めて高い、と言った優れた特性を示しており、次世代高記録密度ハードディスクの開発に大きく貢献可能であると考えられる。さらにこの技術を特許出願した。このように当初の計画で予想した以上の成果を得られた。平成27年度に試作した光電子アシストCVD装置の改造を行い,DCバイアス電圧をRFパルスバイアス電圧印加とした.

この改造によって作成したDLC膜上のパーフルオロポリエーテル(PFPE)潤滑膜の単分子膜厚はDCバイアスによって成膜したものより0.1nm薄膜化できた.これによりハードディスク装置の更なる高記録密度化が期待できる.PFPE潤滑膜の薄膜化に伴い耐摩耗性が劣化する可能性があるため,片末端PFPE潤滑剤をDLC膜上にディップ塗布した後,光電子アシストCVD法によって低分子PFPE膜を成膜することで,耐摩耗性向上,低摩擦化および更なる低表面エネルギー化が可能となった.また,イオン結合を有するPFPE潤滑膜とDLC表面から放出される光電子の相互作用によりイオン末端のカチオン側が光電子を捕獲し分解することと同時にアニオン側がDLC表面と化学吸着することを明らかにした.この結果によりイオン結合を有する潤滑油が摩擦面からのトライボ電子によって容易に分解し固体表面に化学吸着することが考えられた.さらに,アルミ箔からの光電子を窒素ガス中で潤滑膜に照射可能な超低エネルギー電子線照射装置を試作して,ステアリン酸膜,PFPE潤滑膜などへの照射実験を行った.その結果,明らかに潤滑膜の化学吸着が電子線によって加速されることが判明した.この結果からも,摩擦界面中で潤滑剤がトライボ電子との相互作用により化学吸着が促進されることが容易に類推された.平成28年度に試作した走査型紫外線光電子顕微鏡を用いてDLC膜の摩擦試験を行い,トライボ電子の発生量の測定を行ったが,試験前後で優位な差が得られなかった.紫外線照射スポットが20μmと小さいためと推定されたため,今後スポット径やバイアス電圧,紫外線光量を最適化する.本研究では,バイアス電圧を印加したDLC表面から放出される光電子を有機ガス分子が捕獲し,その分子が部分的に分解されDLC表面に化学吸着する現象を利用して,超薄膜の耐摩耗性に優れたDLC複合潤滑膜を形成することを目的とする.具体的にはハードディスク装置の高記録密度化を対象として,(1)大気圧光電子アシストUV照射による複合潤滑膜開発,(2)光電子アシスト有機薄膜CVD法の開発,(3)超薄膜DLC複合潤滑膜の開発,(4)DLC膜と潤滑剤・添加剤のトライボ電子に起因するトライボ化学反応の解明を行った.平成28年度は下記の研究を進める。1.超薄膜DLC複合潤滑膜の開発試作した光電子アシスト有機薄膜CVD装置を用いて超薄膜DLC複合潤滑膜を作成し、成膜条件(電圧、温度、ガス流量)や潤滑剤(主鎖構造、末端基構造)を変えて、そのトライボロジー特性を調査する。第1層はバイアス電圧・周波数を高くして光電子プラズマ密度を増加し、低分子PFPEの分解を促進させて、固体状のPFPE膜をDLC表面に強固に形成し、耐食性・低表面エネルギーを実現する。その上に第2層として通常のPFPE潤滑剤の主鎖を分解させずに末端を分解させ第1層の固体状PFPE膜に化学吸着させることで、低摩擦・低摩耗を実現する。作成したDLC複合潤滑膜は、磁気ヘッドを用いた浮上性評価、耐摩耗性評価、摩擦・摩耗の温度依存性評価などを行い、磁気ディスクへの応用可能性を見極める。2. DLC膜と潤滑剤・添加剤のトライボ化学反応の解明DLC膜とのトライボ化学反応の解明のために、以下の3項目について検討を行う。