hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
難聴原因遺伝子変異が前庭機能に及ぼす影響に関する研究

現在、難聴の遺伝子変異を解析の進歩により3035%の先天性難聴患者が遺伝性難聴と診断することが可能となり、難聴の遺伝子診断は日常診療においても臨床検査として確立されつつある。多くの難聴の原因遺伝子は蝸牛で強く発現しているのと同時に前庭末梢器官でも発現している。しかし、臨床的に前庭機能について詳細に検討し、評価している研究がほとんどないのが現状である。そのため、遺伝性難聴で頻度が多いとされるGJB2、SLC26A4、CDH23遺伝子変異症例の前庭機能を検討した結果、GJB2では球形嚢機能障害、SLC26A4では半規管機能が障害されやすい可能性が示唆された。平成25年度は遺伝性難聴患者の半規管機能、球形嚢機能検査といった平衡機能検査を実施することで各遺伝子変異による平衡機能障害のメカニズムを検討した。今回は特に先天性難聴の原因遺伝子として最も多いGJB2の平衡機能検査(カロリックテストおよびVEMP)について検討、解析を行った。GJB2遺伝子変異による難聴症例、24例について前庭機能検査について検討した結果、温度眼振検査では2/23例(8.7%)で反応の低下を認め、cVEMPでは正常コントロール70例と比較し有意差をもって振幅値の低下を認め、約80%の症例がcVEMPの振幅の低下を認めた。したがってGJB2遺伝子変異症例では球形嚢機能障害を起こしやすく、半規管機能は正常である傾向を示すことが示唆された。球形脳障害があるのも関わらず、24例の検討ではめまいの自覚がある症例は認めなかった。この要因としては、1先天的に前庭機能が障害されているため、中枢代償が働いた可能性、2球形嚢のみの障害ではめまい症状を自覚しない可能性などが考えられた。また、GJB2遺伝子変異においては難聴の遺伝子型によって難聴の程度(表現型)に傾向性がある(Tsukada et al. 2010)ため、聴力の程度と前庭機能(温度眼振検査およびcVEMP)の相関について検討を行ったが、温度眼振検査の緩徐相速度およびcVEMPの振幅値と聴力の程度に明らかな相関は認めなかった。これは、今回の検討では日本人に多い235delC (高度難聴を示す変異)を持つ遺伝子型が多く、変異の種類に偏りがあったたことが一因と考えられるため、今後V37Iなど軽度難聴となる症例に関して詳細に検討を行う予定である。平成24年度は(1)遺伝性難聴患者の前庭症状(めまい、ふらつき)に対する前庭症状の頻度の検討、(2)遺伝性難聴患者の半規管機能、球形嚢機能検査といった平衡機能検査を実施することで各遺伝子変異による平衡機能障害のメカニズムを検討した。今回我々は、遺伝性難聴患者のめまいの随伴症状の有無についてデータベースを構築し、代表的な難聴の原因遺伝子(GJB2、SLC26A4、CHD23、mitA1555G)のめまいの自覚症状の有無について検討を行った結果、GJB2変異症例では4%にめまいの随伴症状を認め、SLC26A4変異症例では62%、CDH23変異による非症候群性難聴症例では0%、mitA1555Gでは30%の頻度でなんらかのめまいの自覚症状を認めた。特に前庭水管の拡大を伴うSLC26A4遺伝子変異症例にめまいの自覚症状を認める傾向にあり、GJB2変異症例やCDH23変異による非症候群性難聴症例ではめまいの頻度は少なかった。また、代表的な先天性難聴の原因遺伝子であるGJB2、SLC26A4、CDH23(非症候群性)の各遺伝性難聴患者の平衡機能検査(カロリックテストおよびVEMP)を実施した。GJB2 24例、SLC26A4 8例、CDH23 7例について検討を行った結果、GJB2症例およびCDH23症例では、カロリックテスト上では正常を示す傾向を示したが、SLC26A4症例は反応低下する症例や正常反応を示す症例ななどさまざまであった。VEMPでは、GJB2症例を障害する症例を多数認めた。最終年度は、特に遺伝性難聴患者の半規管機能、球形嚢機能検査といった平衡機能検査について症例数を重ね実施することで、各遺伝子変異による平衡機能障害のメカニズについて検討を行った。先天性難聴の代表的な原因遺伝子であるGJB2、SLC26A4、CDH23(非症候群性)の各遺伝性難聴患者の平衡機能検査(温度眼振検査およびVEMP)を実施した。

GJB2変異症例23例、SLC26A4変異症例10例、CDH23変異症例9例について検討を行った結果、GJB2変異症例の91%およびCDH23変異症例の89%では、カロリックテスト上では正常を示したが、SLC26A4変異症例の60%程度は反応低下を認めた。VEMPでは、GJB2変異症例を障害する症例(80%)を多数認め、GJB2遺伝子変異症例では球形嚢障害を来しやすい可能性が示唆された。また、GJB2遺伝子変異症例において難聴の程度と前庭機能障害の程度についての相関の有無について検討を行ったが、聴力と温度眼振における最大緩徐相速度およびVEMPにおける補正振幅値に明らかな相関は認めなかった。以上の結果より、遺伝子変異の種類によって、難聴の表現型の特徴と同様に前庭機能についても特徴があることが示唆され、遺伝性難聴の病態の解明と患者に対するより詳細なカウンセリングに有用な情報が得られたと考えられる。今後さらにそのほかの種類の遺伝性難聴患者の前庭機能検査を実施し、それぞれの原因遺伝子の前庭機能について評価を行う予定である。耳鼻咽喉科学当初計画の通り、遺伝子解析を行い変異の明らかとなった症例を対象に前庭機能の測定を行うことができた。特にカロリックテストおよびVEMPの両検査を施行することで、めまい発症のメカニズムに関して詳細に検討を行うことができている。遺伝性難聴患者の前庭機能評価(カロリックテスト、VEMP)について当初の計画より多くの症例の集積が得られており、遺伝子変異の種類毎に前庭機能が徐々に明らかになりつつある。原因遺伝子の中ではまだ症例が少ないものもあり、遺伝子間での比較検討をするうえではさらなる症例数の積み重ねが必要である。各遺伝性難聴症例の前庭機能検査を行い、遺伝性難聴患者の前庭機能に対するデータベースの蓄積を行い、遺伝子間の相違について検討を行い、各遺伝性難聴の前庭の特徴およびめまいのメカニズムについて検証を行う。また現在、半規管機能についてはカロリックテスト、球形嚢についてはcVEMPで機能評価を行っているが、さらに卵形嚢機能を反映すると考えられるoVEMPを導入し、遺伝性難聴患者の各前庭器の機能を明らかにしたいと考える前年度までに、遺伝子変異ごとに前庭機能検査を行い遺伝子変異の種類と前庭機能の相関解析を行ったが、遺伝子変異の種類のよっては症例数が乏しくデータが不十分であるため、遺伝子解析および前庭機能検査を継続して行い遺伝性難聴患者の前庭機能に対するデータベースの蓄積を行い、遺伝子間の相違について検討を行い、各遺伝性難聴の前庭の特徴およびめまいのメカニズムについて検証を行う。難聴患者の原因遺伝子変異を同定するために必要な遺伝子解析試薬およびプラスチック消耗品等を購入する。
消波ブロックによる海岸構造物の最適補修モデルの構築

本研究は,消波ブロック被覆堤の消波工を対象として,水理模型実験で得られた断面変形データを用いて,消波工の変形(被災)と性能変化の関係の把握,被災の進行過程のモデル化を行い,さらに補修過程を考慮した被災進行予測と総費用の算定方法について検討したものである.モデル断面を用いた数値実験より,断面変形にともなって越波流量が1.5倍程度まで増加することが示された.また,被災進行過程に対してマルコフ連鎖モデルを適用し,補修過程を考慮して補修費用と損害額を合わせた総費用を求める方法を示した.この方法により,総費用を最小化する補修方針を決定することが可能となり,いくつかの計算結果を示した.本年度においては,消波ブロック被覆堤(消波堤)を対象として,不規則波の作用による消波工の変形形状のモデル化を行うことを目的に水理模型実験を実施した.実験では,多方向不規則波造波水槽内において,2枚の造波板をベニヤ板で仕切り,長さ約8.5mの二次元不規則波造波水路を2本作成した.本研究では,消波工の初期断面において法面勾配1:1.3,天端高10,15cm,天端幅7.5cmの模型を水路に設置し,実験を行った.20分間の波を8回繰り返し作用させて断面変形のデータを取得することを1回の実験とし,これを4回行った.作用させた不規則波は,期待スペクトルをJONSWAPスペクトル,有義波周期を1.2sとし,有義波高10.5cmで造波した.断面の測定には,レーザー変位センサを用い,1水路あたり3測線で断面形状を測定し,それらの平均をとって断面形とした.実験で得られた断面変形データから,侵食部分と堆積部分の境界となる点(中心)は,変形の大小にかかわらず,ほぼ一定の位置となったため,この点を基準に侵食部分と堆積部分を分けてモデル化した.つぎに,変形量を表すパラメータSを求めるとともに,天端の法肩と陸側(止水板側)の2点での沈下量,静水面での被覆層厚の水平減少量,および被覆層法先の移動量を求め,各変形量とSとの関係を調べた.その結果,両者の関係を表す近似式が得られ,これによりSに対応する変形量を与えることができた.以上のように得られた変形量をもとに,Sの各値に対するモデル断面を作成した.断面の作成にあたって,侵食部では,天端の2点および静水面と断面との交点,中心をそれぞれ直線で結び,モデル断面とした.また,堆積部においては,断面形状をsin曲線で近似する方法を用いた.法先と中心の距離を半波長とするsin曲線で断面形状を与え,侵食面積と堆積面積が等しくなるように振幅を求めた.本年度においては,まず,昨年度の水理模型実験を補うことを目的に,より質量の小さい消波ブロック模型(平均質量37.6g,代表粒径2.56cm)を約3000個作成し,消波工の断面変形を計測する実験を行った.実験では,昨年と同様に,多方向不規則波造波水槽内に設置した長さ約8.5mの二次元不規則波造波水路(2本)を使用し,消波工の初期断面において法面勾配1:1.3,天端高10cm,天端幅6.0cmの模型を水路に設置した.当初の実験においては水平床上(水深35cm)に消波工模型を設置していたが,断面変形量が小さかったため,作用波力を増大させる目的で高さ13cmの台形状のマウンド上に消波工を置くこととした.20分間の不規則波を10回繰り返し作用させて断面変形のデータを取得することを1回の実験とし,これを10回行った.得られた断面形状のデータ数は600である.実験で得られた断面変形データから,変形量を表すパラメータSを求めるとともに,変形が大きい実験結果から侵食部分と堆積部分の境界となる点(中心),天端の法肩と陸側(止水板側)の2点での沈下量および被覆層法先の移動量を求め,天端沈下量および法先移動量とSとの関係を表す近似式を得た.この関係式によりSに対応する変形量を与え,Sの各値に対するモデル断面を作成した.また,パラメータSの平均値および標準偏差と累積作用波数との関係などの統計的特性も得られた.モデル断面を用いて断面変形と性能変化との関係を調べるために,数値波動水路(CADMASーSURF)による計算を行うが,消波工などの透過性構造物を対象とする場合に,透水層の抵抗力算定法の選択と係数値の設定を行う必要がある.当初の研究計画では予定していなかったが,抵抗力算定法と係数設定に関する検討も上記の研究と並行して実施した.反射率と越波量を評価基準とし,実験値と計算値を比較することにより計算精度を検証した.本研究においては以下の検討を行った.1水理模型実験により消波工の断面変形を計測し,そのデータにもとづいて変形量に対応したモデル断面を決め,数値実験により消波工の被災と性能変化の評価を行う.2断面変形データから得られた,変形量を表すパラメータSの値により被災度のランク分けを行い,その変化(推移)過程に対してマルコフ連鎖モデルを適用する.3マルコフ連鎖モデルによる被災の進行過程と補修過程を考慮し,総費用を試算する.昨年度までに実施した1の水理模型実験では,造波水路内に消波ブロックによる消波工の模型を設置し,不規則波を一定時間作用させるごとに断面形状を計測した.

この実験を多数回繰り返し,その結果より消波工の変形量とSとの関係式が得られた.最終年度においては,まず上記の関係式によりモデル断面を決定し,数値波動水路CADMAS-SURF/2Dを用いて,1の実験と同様の条件で消波工の被災に伴う越波量の変化を検討し,Sと越波量の増加の関係が得られた.2については,実験で得られたSの値により,ランクa(S=03),b(S =47),c(S =811),d(S ≧12)として被災度のランク分けを行った.各ランクの割合(被災度割合)の推移に対して,マルコフ連鎖モデルを用いて,実験で得られた被災度割合との誤差が最小となる推移確率を求めた.3では,2のマルコフ連鎖モデルによる被災度の進行過程に補修過程を組み合わせて,模擬的に総費用を求めた.補修の実施方針としては,被災を生じるような高波の作用ごとに毎回,1回おき,2回おき,...が考えられ,毎回補修以外では補修を行わないことによる損害を含めて総費用を算定した.この結果により,ある期間の総費用を最小とする補修方針を定めることができ,例としてランクb,c,dをすべて補修するケースでは,高波作用の2回おきに補修する場合が総費用最小となる結果が得られた.本研究は,消波ブロック被覆堤の消波工を対象として,水理模型実験で得られた断面変形データを用いて,消波工の変形(被災)と性能変化の関係の把握,被災の進行過程のモデル化を行い,さらに補修過程を考慮した被災進行予測と総費用の算定方法について検討したものである.モデル断面を用いた数値実験より,断面変形にともなって越波流量が1.5倍程度まで増加することが示された.また,被災進行過程に対してマルコフ連鎖モデルを適用し,補修過程を考慮して補修費用と損害額を合わせた総費用を求める方法を示した.この方法により,総費用を最小化する補修方針を決定することが可能となり,いくつかの計算結果を示した.消波ブロック模型を新たに3000個作成したこと,このブロックを用いて昨年度と同じ条件で実験を3回行ったが変形量がかなり小さかったこと,変形量を大きくすることを目的として,作用波力の増大を図るために実験装置を改良(マウンド部を設置)したことなどにより,年度当初の予定よりも遅れが生じた.また,実験結果より変形量を表すパラメータSに対応するモデル断面を作成したが,結果として堆積部の形状にいくつかの問題が残り,平成27年度において引き続き検討する必要がある.海岸工学平成27年度においては,まず昨年度までの断面変形実験のデータにもとづいて,モデル断面を決定し,これを用いた水理模型実験と数値計算により,消波工の断面変形と性能劣化との関係を定量化する.消波工の性能を表す指標として反射率と越波流量を用いる.実験および数値計算の結果より,消波工の断面変形による性能劣化を定量化し,構造物の設計上の許容値との関係から,構造物の変形に対する要補修レベルを決定する.つぎに,断面変形実験の結果にもとづいて,性能劣化モデルとして用いるマルコフ連鎖モデルの状態推移確率の算定を行う.つぎに,性能の要補修レベルを用いていくつかの補修戦略を設定し,マルコフ連鎖モデルを組み合わせて,構造物の供用期間を対象とした性能劣化過程のシミュレーションを行う.各補修戦略に対するライフサイクルコストを算定し,それが最小となる最適補修戦略を見出す.研究調書作成時には,実験で使用する消波ブロック模型をブロックメーカーから購入する予定であったが,予算及びメーカー側の都合により,型枠を借用して約1100個を自作することになり,ブロック模型作製に多くの時間を要した.また当初の予定にはなかった造波装置の改修が行われ,約1ヶ月半にわたって実験を実施することができなかった.
グローバル・エンジニア教育プログラムの構築－日米大学間連携教育課程の開発と実践－

本研究では、グローバルな社会で活躍できるエンジニア(以下GE)育成のためにどのような教育が必要かを検討するために、GEに必要な基本的能力の同定のために文献調査や聞き取り調査を行う一方で、米国協力協定校と合同でのGE教育プログラム原案を作成し、パイロットプログラムの試行を行った。その結果、自分の考えを伝え、相手を理解するための外国語(主に英語)での情報伝達能力、異文化理解能力、各国の地理、歴史、文化などの一般教養知識、グローバルな価値判断力の育成など幅広い内容での指導が必須であることが再認識された。現役グローバルエンジニアへのインタビューについては、昨年の2名に加えて、新たに日米両方で3名のインタビューを終えた。これらを文字書き起こしサービスを利用してデータ化し、米国の研究協力者スコット・クラーク氏に来日していただき共同で分析を行った。ここで得られた知見をもとに、最終年度に論文にまとめて発表する予定である。9月には、連携協力者の札野順が、現在のオナーズプログラムに参加している学生4名の米国研修に同行した。その際、初めて米国を訪問した現役学生たちが、研修活動を進める上で、どのようなことはうまく対応できたか、またうまく対応できなかったか、どのようなトレーニングを受けていればよかったと感じたかなど、学生の視点からグローバルエンジニア教育に必要なことがらを考えてもらった。その結果を、ビデオ日誌、レポート、グループインタビューでデータ化した。これらからの知見を、最終年度に口頭発表する準備を進めている。また、連携研究者松石正克が、本学と米国協定校ローズハルマン工科大学との共同プログラム開発の経緯をKITProgress誌に論文投稿した。そのほかに、松石正克や、今年度新たに加わった連携研究者池淵哲朗の協力を得て、日本工学教育協会年次大会や東北大学大学国際化セミナーなどに参加したり、国内で行われている工科系でのグローバル人材育成教育活動の様子について情報収集を行ったりした。また、九州工業大学の菊地晋一教授らとも双方の大学でのグローバル工学教育についての実施の様子について情報交換し、課題などについて議論を行ったりした。また、現在までの本学と米国協定校ローズハルマン工科大学との共同プログラムの活動中間報告を、上述のクラーク氏および同じく研究協力者のリチャード・スタンパー氏とともに、松石正克が最終年度にASEEにて口頭発表する準備を整えた。本年度札野寛子は、本学で実施している米国ローズ・ハルマン工科大学(RHIT)とのグローバル・エンジニア(GE)育成のための共同パイロットプログラムに参加した本学学生4名が、2012年9月にRHITを訪問した際の研修旅行での参加報告書やインタビューでのデータをもとに、学生の視点から見たGE育成でどのようなカリキュラム内容が適切かを検討し、その成果を日本工学教育協会大会で発表した。また、研究協力者であるRHITのスコット・クラークの協力を得て、日米の国際的に活躍するエンジニア6名にインタビューをして、先輩GEの視点からGE教育の内容についての提言を得る研究をまとめ、KIT Progressに論文として発表した。これらの研究から、英語能力の指導に加えて、日本を含む諸国の文化や社会システム・歴史など一般教養的な幅広い知識の学習、そして対人コミュニケーション技能や異文化理解能力についての体験学習が重要であることが見えてきた。さらに、研究協力者の松石正克は、American Society for Engineering Education大会で上述のRHITとの共同パイロットプログラムの活動についての中間報告となる発表を行った。また東北大学での国際工学教育セミナーでも本学での活動を紹介した。これらの活動と並行して、筆者らは分担して、東北大学・九州工業大学・芝浦工業大学などを訪問し、GE教育に関する情報収集や研究者交流も継続して実施した。また、松石は米国で開催されたCIEE(Council on International Educational Exchange)国際会議と、京都産業大学・新潟大学・成城大学・福岡工業大学共同主催の「産学協働人材育成フォーラム」に参加し、米国およびASEAN諸国でのグローバルな産学協働教育に関する情報収集を行った。本研究では、1)グローバルな社会で活躍できる技術者に必要な基本的能力を同定し、2)それらを備えた技術者を育成するために、日米の大学が密接な協力関係の下で長期的・継続的な視点から実践する教育システムのツールを開発し、3)これらを統合したパイロット・プログラムを実践する。また、4)このようなプログラムの有効性を多面的に測定・評価する手法を開発する。平成23年度は以下のとおり実施した。(1)日、米及び英国の文献を調査し、グローバルな社会で活躍できる技術者に必要なグローバル・コンピテンシーを構成する要素能力の文献調査を実施し、その結果を取りまとめた。(2)海外共同研究者と協力して、グローバル・コンピテンシーを備えたエンジニアを育成するために必要な教育目的の明確化と教育手法の開発を実施した。(3)パイロット的な教育プログラムとして金沢工業大学で「グローバル・エンジニアリング入門」を、また共同研究者が勤務する米国ローズハルマン工科大学で「Global Engineering」を開講し、グローバル社会で活躍できる技術者に必要なグローバル・コンピテンシーの育成を両校で試行した。受講生が授業の有効性を評価を行った。

(4)海外共同研究者と協力して、グローバルな社会で活躍した経験のある日本人および米国人による教育プログラムを企画した。今年度は日本および米国から各1名の講演者を選定し、ウエブ会議システムによる遠隔授業を行った。(5)グローバルな社会で活躍した経験が豊富な技術者・経営者(日本人3名、米国人1名)に、グローバル社会で仕事をするために必要な資質、能力及びそれらをどのようにして育成したかについてインタビューした。現役グローバルエンジニアへのインタビューにもとづく研究は、該当するエンジニアを探し出し、インタビューを実施するまでに時間がかかり、分析を行うのにはさらなる時間を要したが、最終年度には論文としてまとめられる見通しが立った。グローバル・コンピテンシー育成のためのパイロット的な授業は予定通り実施できた。しかし、グローバルに活躍したエンジニアへのインタビュー調査は、国内外で合計6名程度実施する計画であったが、対象とするインタビューイーとの予定が合わず、現状では4名へのインタビューしかできていない。また他業務に時間を取られて、分析はまだ完了していない。最終年度は、これまでに得られた知見を、6月のASEE(米国アトランタ市)、8月のJSEE(新潟市)で口頭発表を行い、さらにいくつかの研究誌に論文として投稿する予定である。参考となる情報収集活動は、インターネット調査や関連学会への参加などを通じて、継続して行う。また、パイロット授業も昨年同様に実施予定である。インタビューについても、若干名のインタビューを追加して行う傍ら、既に入手したインタビュー情報の分析を進める。上述のような学会発表などの旅費、あるいはまだ一部分析が進んでいない録音データの文字書き起こしサービス費用などに充てる予定である。また、学会発表などに用いるコンピュータも一台購入する予定である。平成23年度は、学内の別の業務のため、予定していた海外の学会などへの参加が実現できなかった。そのため、経費が予定より多く繰り越しとなった。平成24年度は、連携協力者らと協力しながら、情報収集に必要な物品の購入および関連学会への参加、海外研究協力者との交流などを進める予定である。また、現在行っているインタビュー調査でも、12名の協力者に対して追加のインタビューを実施する。そのための録音文字書き起こしが必要である。
海峡力学過程の統合と解剖

対馬海峡のフェリーADCPデータの処理過程を見直し、より正確な通過流量を算出した結果、日本海の流入量と流出量がほぼバランスした。対馬海峡HFレーダーの流速データから、表層流の経年変動を明らかにした。多数の船舶ADCPデータを近似カルマンフィルターによって1.5kmメッシュ対馬海峡モデルに同化し、リアルタイム運用を開始した。この際、システム行列を季節変化させることによって成層変化を適切に反映した同化方法を提案した。数値的に状態遷移行列を作成する際に正負の両方向に摂動を与えることで、最大固有値が1未満の安定した遷移行列を得ることができた。一方、300mメッシュまでダウンスケールした玄界灘モデルでは、流速変動が過大となる傾向があり、渦粘性のパラメタリゼーションが不適切である可能性が残る。日本周辺2kmモデルの海峡周りの地形をチューニングした後、データ同化による10年程度の再解析実験を実施した。再解析結果の検証から、海峡地形のチューニングにより海峡通過流量とともに、日本海・東シナ海・太平洋の海盆間の水位差等、広範囲の水位分布も改善することが確認された。津軽海峡の重要性に鑑みてHFレーダーデータの解析をすすめ、海流変動の統計的な性質を明らかにするとともに、ナウキャストシステムの構築に着手した。昨年度に引き続き、ラージエディシミュレーションの結果に基づいて乱流運動エネルギーの収支解析を行い、混合層スキームの精度評価を行った。その結果、既存の混合層スキームでは圧力相関項の再現性に大きな問題があることがわかった。また、海峡部を含む沿岸域・縁辺海域での鉛直混合過程に関するレビューを通じて、現状の問題を整理した。また、非線形共鳴による内部潮汐のエネルギー減衰に関する論文を出版したほか、波動エネルギーの伝達経路を特定する新しい計算手法について研究集会で報告・論文投稿をした。特段の問題は発生していない。対馬海峡と津軽海峡の横断フェリーのADCPデータをそれぞれ再処理し、データセットとして公開する。対馬海峡のADCPデータとHFレーダーデータの同化計算を見直し、水産CTDデータを入力するなど、対馬・津軽・宗谷の3海峡における再解析データセットの整備を進め、海況変動過程を精査する。前年同様にEOF展開、ウェーブレット解析、コヒーレンス分析等の統計的解析を行い、従来の海峡変動理論の説明度(と非説明成分)を定量化する。これまでの研究成果を国内外の学会で発表し、学術誌に投稿する。6月北海道大学低温科学研究所共同利用研究集会(札幌)、7月東京大学大気海洋研究所共同利用研究集会(大槌)、8月データ同化夏の学校(むつ)、9月秋季海洋学会(富山)、12月九州大学応用力学研究所共同利用研究集会(春日)などでミーティングし、情報・意見の交換や論文作成の共同作業などを行う。過去の潮位観測データ、海洋レーダ観測データ、ADCPデータ等を収集・整理した。3海峡のHFレーダーデータを組み合わせて、対馬・津軽・宗谷海峡の通過流量の季節・経年変動を再現し、そのメカニズムについて議論した。新たに津軽海峡のフェリーADCPデータを入手したが、データ形式が分散しており、フォーマットの統一作業に時間を要している。対馬海峡および津軽海峡の高解像モデルを作成、数値実験した。HFレーダーやフェリーADCPデータなどとの比較を通じて、良好なモデル結果を確認した。さらに、日本海貯熱量に見られる上昇トレンドと十年規模変動の要因について、海洋長期再解析データセット(FORA-WNP30)を用いて解析した。熱収支解析から、対馬海峡からの熱輸送が貯熱量の長期変動の主要因であり、海面熱フラックスは貯熱量変動に受動的に応答していることが分かった。経年変動を中心に宗谷・対馬・津軽海峡がそれぞれ、西太平洋上のどの海域で強制された波に感度が高くなるのか、検証を開始した。3海峡を同時に高分解能シミュレーションする非構造格子FVCOMモデルも作成した。MPI並列化によって、海峡部で最小1km東太平洋で最大200kmメッシュの大規模計算を実現した。感度実験の結果、津軽海峡と宗谷海峡の流量比は、津軽海峡の海底地形の再現性に強く依存することを見出した。形状抵抗の効果が強いとみられる。海峡モデルの適切なパラメタリゼーションを目指して、熱フラックスの日周変動が引き起こす乱流混合について、LESを用いて数値実験を行った。日周変動がある場合には、無い場合に比べて混合層が低緯度では深化、高緯度では浅化することなど、日周変動の影響は緯度に応じて異なること、その緯度依存性は日周期で生じる対流混合と慣性周期で定まるシアー乱流により決まること、などを明らかにした。対馬・津軽・宗谷海峡で海洋レーダー観測を継続し、度重なるトラブルに適宜対応した。対馬海峡の視線方向データと1.5kmメッシュ数値モデルを比較し、観測データ誤差の方向依存性を検出した。さらに、対馬海峡で表層流に影響を与える、短波放射の日周変動が海洋表層の鉛直混合に与える影響に着目し、その効果を表現するパラメタリゼーションスキーム(混合層スキーム)を検討した。その結果、最新の混合層スキームでも表層流に及ぼす影響を適切に表現できていないことが判明した。LESの結果に基づいて混合層スキームを改良した。海洋内部波の力学に関する理論研究として、波動間共鳴の強度推定や波動伝播の解析に有用な計算ツールの開発を行った。モデルグリーン関数で海峡モデルの海面と側面の境界条件を最適化した。パラメーター数に比例して計算量が増大する欠点を克服するため、感度実験の結果を再利用するグリーン関数の近似方法を考案した。実際に1.5km

対馬海峡モデルにこの近似法を適用したところ、冬季のモデル結果は大きく改善したが、夏季の改善率は小さかった。冬季には境界条件と水温・塩分分布がかなり線形的な関係にあるが、夏季は乱流変動が活発で非線形性も強いと考察される。日本沿岸水位に見られる十年規模変動に対応して対馬海峡における流量が変動し、その結果、長期の熱輸送量変動が生じていることも分かった。中緯度偏西風の傾圧応答として生じる黒潮続流の長周期変動が日本沿岸水位を介して日本海貯熱量の長期変動を引き起こしている事が示唆された。2km解像度で東北・北海道南部の沿岸域をカバーし、北西太平洋長期再解析データセットFORA-WNP30を境界条件として与えたダウンスケーリングモデルを構築し、津軽海峡周辺の過去の海洋循環場の再現を行った。3海峡いずれにおいても、観測データと数値モデルを組み合わせ、多数の講演と論文を発表した。特段の問題は発生していない。対馬海峡のフェリーADCPデータの処理過程を見直し、より正確な通過流量を算出した結果、日本海の流入量と流出量がほぼバランスした。対馬海峡HFレーダーの流速データから、表層流の経年変動を明らかにした。多数の船舶ADCPデータを近似カルマンフィルターによって1.5kmメッシュ対馬海峡モデルに同化し、リアルタイム運用を開始した。この際、システム行列を季節変化させることによって成層変化を適切に反映した同化方法を提案した。数値的に状態遷移行列を作成する際に正負の両方向に摂動を与えることで、最大固有値が1未満の安定した遷移行列を得ることができた。一方、300mメッシュまでダウンスケールした玄界灘モデルでは、流速変動が過大となる傾向があり、渦粘性のパラメタリゼーションが不適切である可能性が残る。日本周辺2kmモデルの海峡周りの地形をチューニングした後、データ同化による10年程度の再解析実験を実施した。再解析結果の検証から、海峡地形のチューニングにより海峡通過流量とともに、日本海・東シナ海・太平洋の海盆間の水位差等、広範囲の水位分布も改善することが確認された。津軽海峡の重要性に鑑みてHFレーダーデータの解析をすすめ、海流変動の統計的な性質を明らかにするとともに、ナウキャストシステムの構築に着手した。昨年度に引き続き、ラージエディシミュレーションの結果に基づいて乱流運動エネルギーの収支解析を行い、混合層スキームの精度評価を行った。その結果、既存の混合層スキームでは圧力相関項の再現性に大きな問題があることがわかった。また、海峡部を含む沿岸域・縁辺海域での鉛直混合過程に関するレビューを通じて、現状の問題を整理した。また、非線形共鳴による内部潮汐のエネルギー減衰に関する論文を出版したほか、波動エネルギーの伝達経路を特定する新しい計算手法について研究集会で報告・論文投稿をした。(1)観測データ宗谷海峡と対馬海峡のHFレーダー修復を完了し、H2829のHFレーダーおよびADCP観測データを収集する。
ラット胸腺腫発生遺伝子Tsrー1の作用機序に関する研究

1.X亜分画に対するモノクロナル抗体の作製:胸腺腫由来上皮性細胞株(TAD3)培養上清から10kDのポリペプチド(X亜分画)を分離した。この分画はrat thymocyteの増殖誘導活性を持ち、その標的細胞は最も未熟なCD4^ー8^ーthymocyteであることが判明した。このペプタイドを精製し(木下)、抗体作製を試みている(松浦)。2.Tsrー1発現の場の検索:胎齢15日のBUF/Mna、ACI/NMs及びF344系ラットから胸腺を採取し、その一対を4週齢のBUF/Mnaーrnu/rnuあるいはACIーrnu/rnu系ラットの腎被膜下に移植し、18カ月齢で屠殺したところBUF/Mnaの移植胸腺は宿主の系統を問わず全例胸腺腫となったが、ACI/NMsあるいはF344系の胸腺をBUF/Mnaーrnu/rnuに移植しても腫瘍にはならなかった(田口)。3.分子生物学的検索:(1)BUF/MnaおよびACI/NMs系ラットより樹立した良性胸腺腫細胞株3例、悪性胸腺腫細胞株2例、正常胸腺細胞株2例について、EGFR、cーerbBー2、ret、kitの発現をノ-ザンブロット法にて検索した。これらの細胞よりpoly(A)^+RNAを精製し、それぞれの遺伝子cDNAとハイブリダイズした結果、全ての細胞株でEGFRのみの発現を検出した。mRNAのサイズは約10kbと5.8kbで、正常肝のRNAで検出されるEGFR mRNAのサイズと一致していた。発現レベルは良性胸腺腫および正常胸腺由来の細胞株ではほぼ同じレベルであったが、悪性胸腺腫細胞株では数分の1に低下していた(松山、増田)。(2)BUF/Mna系ラット胸腺腫から、サテライトI DNAの92/93bpのモノマ-と185bpのダイマ-をpUC19プラスミドに挿入してクロ-ニングを行った。サテライトI DNAのモノマ-17クロ-ン、ダイマ-8クロ-ンの塩基配列を決定した結果、モノマ-はA、B、C、Dの四つのsubfamilyに分類され、ダイマ-はAB、BC、CDのいずれかの組合せであった。モノマ-の一つのクロ-ンのみは、いずれのsubfamilyにも分類されないため塩基配列を詳しく検討した。その結果、このクロ-ンは姉妹染色分体の不等交差に伴うDNAの欠失とsubfamily間のgene conversionによって生じたと考えられた(松山、守内、有森との共同研究)。4.5.略。4.5.略。
大規模複雑生産スケジュール問題に対する遺伝アルゴリズムの構成法

1.多様性を保持する選択則の提案遺伝アルゴリズムにおいて解集合の多様性と解の最適性にはトレードオフの関係があるが,最適性を損わない範囲で多様性を保持する部分列挙選択則を提案した。また,この選択則を用いたアルゴリズムの生産スケジュールパラメータの変動に対するロバスト性を検証した。2.問題の大規模性に対処する分解法および空間縮小法の提案問題の大規模性に対応するためには,従来のユークリッド空間を探索空間とする数理計画問題や最適制御問題で用いられていた分解法や空間縮小法の考え方を,離散空間を探索空間としてGAで最適化を行う解法に適用できるような具体的構成法を提案した。3.制約条件を柔軟に扱うための遺伝アルゴリズムの構成法制約条件が新たに付加される毎に,それに対応する染色体を個体表現に付加することにより,柔軟に制約条件を扱うことができる構成法を提案し,ジョブショップ工程に並列機械選択問題あるいは作業者配置問題が加わったスケジュール問題に適用した。また,新しいデコーディング法を提案して,機械間にジョブバッファが無い工程の最適スケジュール問題に適用した。4.多目的最適化問題への適用1で提案した部分列挙選択則を,多様性という性質を活かして多目的フローショップ問題へ適用した。(1)分割法による大規模スケジューリング問題の解法遺伝アルゴリズムを用いて実用規模の問題を解くには,大規模な変数や制約を取扱わなければならないが,本来このアルゴリズムは解集合を扱うので大規模性に弱い特徴がある。そこで問題データの特徴をとらえて問題を分割し,最初は小規模な問題を解き,その解計算が収束する前に段階的に問題規模を増加させる方法を提案した。(2)制約条件を柔軟に扱うための遺伝アルゴリズムの構成法遺伝アルゴリズムを用いて最適化問題を解くときのもう一つの難点は制約条件の扱いにある。そこで,制約条件が新たに付加される毎に,それに対応する染色体を個体表現に付加することを提案した。このことにより,遺伝アルゴリズムの構成が条件の変化に対して適応的に行なえるので,柔軟に制約条件を扱うことができた。(3)多様性を維持する遺伝アルゴリズムの構成法ジョブショップスケジューリング問題に遺伝アルゴリズムを適用する場合に,多様性を維持する選択則を提案した。(4)金型加工組立工程および電線加工工程への適用現実の生産工程では,単なるジョブショップの問題はまれで,多くの場合複雑な制約がさらに付加されている。このような実際問題の例として金型加工組立工程があり,これに本解法を適用して,有効性を確認した。また,並列機械システムが複数個直列に結合したフローショップの問題の例として電線加工工程があり,これに本解法を適用して有効性を検討した。(1)多様性を保持する選択則の提案遺伝アルゴリズムにおいて解集合の多様性と解の最適性にはトレードオフの関係があるが,最適性を損なわない範囲で多様性を保持する選択則を提案した。(2)大規模スケジューリング問題の近似解法の提案前年度にジョブショップ大規模スケジューリング問題を分割法で解く方法を提案したが,本年度にはフローショップ問題に対する分割法を提案した。また,分割法とは別にヒューリスティックスを利用して探索空間を減少する方法をフローショップ問題に対して提案した。(3)制約条件を柔軟に扱うための遺伝アルゴリズムの構成法制約条件が新たに付加される毎に,それに対応する染色体を個体表現に付加することにより,柔軟に制約条件を扱うことができる構成法を提案し,現実のジョブショップ工程のスケジュール問題に適用した。(4)種々の制約が付加したジョブショップ問題への適用現実の生産工程では,単なるジョブショップの問題はまれで,多くの場合製品投入に関する先行制約,各工程が異なる性能を有する並列機械で構成されているなどの複雑な制約が付加されている。そこで(1),(2)および(3)で述べた方法を用いて遺伝アルゴリズムを構成して,実際の金型加工組立工程の事例に適用して,有効性を確認した。1.多様性を保持する部分列挙選択則の性能解析多様性を保持する部分列挙選択則が問題に含まれる各種パラメータの変化に対していかにロバストであるかを解析し,ジョブショップ問題に適用して評価した。2.大規模問題における探索空間縮小法の提案最適解の探索方向を広大な空間の有効な領域に強制するように,ヒューリスティック則より生成された先行順序制約を利用して探索空間を縮小する方法を提案し,大規模フローショップ問題に適用した。

3.複雑な制約条件を扱うモジュール型遺伝アルゴリズムの構成法複雑な制約条件に対処するために,追加する制約条件を表す個体表現をモジュール化して遺伝アルゴリズムを構成する方法を提案し,作業者配置問題に適用して,その有効性を確認した。4.種々の制約が付加したジョブショップ問題への適用生産工程の中には,機械間に製品バッファが無かったり,待時間無しという厳しい制約条件が存在するので,通常のジョブショップエ程にこのような制約が加わった問題に遺伝アルゴリズムを適用して,その有効性を確認した。5.多目的フローショップ問題への適用1で提案した方法を,多様性という性質を生かして多目的フローショップ問題へ適用し,有効性を確認した。
看護における患者情報共有のあり方:情報プライバシーの観点から

本研究で実施したこと,得られた成果を以下に示す。1.全国の看護学生を対象とする臨地実習中の患者情報のメモの実態に関する調査(H15年度):全国180の看護系大学,看護専門学校の学生を対象とする質問紙調査。回答数:1,192人(回収率56%)。学生のメモには,患者に関する多くの個人情報が含まれること,患者のフルネームをメモしたことがある学生が約6割いることなどが明らかになった。2.患者情報の共有の実態についての調査:看護師100名を対象とする質問紙調査。看護師は既往歴,家族構成などを患者としてのプライバシー性が高い情報だと認識していることなどが明らかになった。3.看護師のプライバシーの認識,他職種との情報共有の実態調査:2県3施設の看護師合計710名を対象とする質問紙調査。もっともプライバシーの程度が高いと認識された項目は,経済的能力に関するものであること,共有範囲の実際は,診断名は76%,感染症の有無は90%が病棟全体で,家族構成,排泄習慣やバイタルについては,病棟全体とチーム内がほぼ半々であるなど,項目によって共有範囲に差があることなどが明らかになった。4.患者情報のプライバシーおよび情報共有の在り方についての半構成面接調査:2県2施設の看護師13名,入院患者17名(内科、外科)を対象。患者は個人情報を余りプライバシーに関することだと認識していないこと,共有に関しては,誰が共有するかによって異なるが,病棟内の医師および看護師なら、自分のすべての情報を共有しても良いと思っていることなどが明らかになった。以上の調査などを系統的に行い,患者情報のプライバシーを考える上で,項目ごとに,誰と共有するかを具体的に検討することの必要性,具体的な問題点等を明らかにした。平成15年度は,入院時に収集される個人情報に対するプライバシー上の問題を患者がどうとらえているかの予備調査に基づく2つの調査を行った。1つ目は,情報共有および医療者としての守秘義務や患者のプライバシー保護に関する今後の情報倫理教育のあり方検討に資する基礎情報を得ることを目的とした全国の看護学生を対象とした臨地実習中の患者情報のメモの実態に関する調査であり,2つ目は,パイロットスタディとして,当初予定していた患者を対象とする半構成的面接調査の予定を変更して行った看護師100名を対象とする患者情報の共有実態についての調査である。前者の調査は,看護系大学79校,看護専門学校101校のそれぞれ4年生,3年生を対象とする質問紙調査として行い,1192人(回収率56%)から回答を得た。その結果,学生のメモには患者のフルネームが含まれる場合があること(62%),診断名や処置・治療内容等の医療情報はほぼ全員(99%)がメモしていること,それらメモ(メモ帳)は86%の学生が実習終了後も自分で保管していることなどが明らかになった。後者の調査では,1)患者自身は入院時の個人情報の収集に余り抵抗感を感じていないと言う予備調査の結果とは異なり,看護師の方は既往歴,家族構成などが患者のプライバシーに係わることであることを強く認識していること,2)チームナーシングによる看護体制にも係わらず,診断名,ウイルス性肝炎等の感染の有無については約8割以上が病棟の看護師全体と情報共有していること,3)個別ケアに係わるバイタルサインズ,排泄習慣などの情報は約6割がチーム内での共有に留めている様子,4)体温表(温度板)は他職種も日常的に見ているにもかかわらず,それを情報共有とは認識していない様子などが明らかになった。平成16年度は国際学会等での成果発表,対象を拡大した情報共有の実態についての調査を進める計画である。

平成16年度は,実習中に学生がどのように患者情報を取り扱っているかについてのパイロット調査(H15年実施)の結果をMEDINFO2004(サンフランシスコ)で発表するとともに、新たに看護職を対象とする患者情報のプライバシーの認識と共有の実態についての調査を実施した。さらに,「情報プライバシー検討会」を立ち上げ,イギリスの倫理学者を招いた勉強会を含め3回の会議を開催した。本年度実施した調査結果の概要を示す。対象は2県3施設(病床数300730で,3年前の類似調査の対象病院を含む)の看護師合計710名とし,倫理的配慮のもとで平成16年12月に実施した。全体で485件,68%の有効回答を得た。職位はスタッフが96%,管理職が4%であった。提示した15ないし16項目の個人情報の中で,患者にとってもっともプライバシーの程度が高いと認識された項目は,医療費支払い能力であり,また看護師自身にとっては世帯の総収入であり,どちらも経済的能力に関するものであった。逆にもっとも低かったのは,どちらもアレルギーの有無についての情報であった。患者にとってのプライバシーと看護師自身にとってのプライバシーを両者に共通する12の項目について比較した結果,診断名,既往歴,感染症の有無などを含むすべての項目で患者にとってのプライバシーがより高いと回答されていた。3年前に実施した同様の調査結果では,診断名など医療・看護に直接関係する情報は患者にとってのプライバシーの程度が低いと認識されていた。今回の調査結果は,個人情報保護法の施行に向けてさまざまな取り組み,研修などが実施されている対象病院において,医療・看護上の必要性があれば多少のプライバシーの問題は許されると考えがちであった看護師の患者情報のプライバシーに対する認識が厳しい方向に変化しており,情報共有についてより慎重な対応が求められる可能性が示唆された。平成17年度は,昨年度末に行った看護職を対象とする患者情報のプライバシーの認識と共有の実態についての報告(ICN看護国際学会,日本看護研究学会,日本看護科学学会),「情報プライバシー検討会」の継続開催による研究課題の検討と成果の普及,交流,および,患者と看護師を対象とする半構成的面接法によって,患者情報のプライバシーと情報共有の在り方についての捉え方の調査を行った。面接調査は、2県2施設の看護師13名(内科、外科、精神科など),入院患者17名(内科、外科)を対象とし半構成面接法によるインタビューとして行った。その主な結果を4点示す。1.患者が,一般的なプライバシーとして感じていたのは「4人部屋での生活パターンの違い」「入院生活における日常生活制限」などであった。2.プライバシーに関わる情報としては、「名前」「住所」など入院していることが特定される情報、「感染症」、ボディーイメージに関わる「身体的な問題」、「社会にでたときに利害に関わる情報すべて」などが示された。3.看護師が、患者のプライバシーに関わると感じていた項目の数は多かったが,内容的には患者からの意見と大きな違いはなかった。4.情報共有の在り方については,患者・看護師ともに「病棟内の医師および看護師」は、患者のすべての情報を共有しても良いと認識していた。特に患者は「病棟内で情報を十分共有してくれていること」に安心を感じていた。
水酸化物ナノシートを用いたエネルギー変換のためのイオン伝導膜及び電極触媒の開発

絶縁基板に吸着した層状複水酸化物(LDH)ナノシートの上に微小電極を形成し、シート面内方向のイオン伝導の測定を行った。2種類金属組成(Mg2+-Al3+、Co2+-Al3+)のLDHナノシートにおいて、室温付近で10-1S/cmの高い伝導率が得られることを確認した。この高いイオン伝導度はナノシート表面の高秩序に密集しているヒドロキシルネットワークという構造的特徴に直接相関している証拠をつかめた。3種類の二価金属塩(Co2+, Ni2+, Fe2+)とアントラキノン-2-スルホン酸ナトリウムの希薄水溶液を窒素ガス保護下でヘキサメチレンテトラミンと還流させることによって、三元系(Co2+-Ni2+-Fe3+)LDHを調製した。得たCo-Ni-Fe LDHを適宜にイオン交換した後、単層剥離させ、電気伝導性を有する酸化ルテニウム(RuO2.1)ナノシートとの複合化を行った。静電引力によって、LDHとRuO2.1ナノシートが交互に積み重ねた超格子構造を形成し、OER触媒として0.3V以下の過電圧を示すことが分かった。2次元物質同士のヘテロ複合効果により電極反応を大幅に高効率化できることが実証された。エタノールと水の混合溶媒の中で硝酸イオンを含有するCo-Al LDHにAg(CN)2イオンと反応させ、層間にAg(CN)2を挿入させることに成功した。簡単なレドックスプロセスによりその場で銀イオンを還元し、Agナノ粒子をインターカレートしたCo-Al LDHが得られた。ORR触媒特性を調べたところ、優れた触媒活性と良好な安定性を示し、ほぼ理想的な4電子移動過程を経てORR反応が進行していることが明らかになった。LDHに挿入されたAgナノ粒子の閉じ込め効果および層間スペースの拡張に起因し、反応中間体・イオンおよび電子の移動が効果的に促進され、電極触媒活性の増強につながったと考えられる。ナノシートが示す高いイオン伝導度について、微細加工技術によりナノシート1枚における究極的なイオン伝導挙動を評価できたとともに、理論計算と連携しながら、そのメカニズムを根底から追及できるようになりつつある。ナノシートの金属組成や表面のヒドロキシルネットワークなどの構造特徴が水酸化物イオンの伝導挙動に重要な影響を及ぼすことが分かった。特に、ヒドロキシルネットワークが水酸化物イオンの伝導に果たす役割の解明を進めることによって、2次元伝導機構の確立に繋げると考える。遷移金属組成をチューニングまたはドーピングするアプローチは電極触媒の性能向上に対してきわめて有効であることが分かった。二つ以上の3d遷移金属元素のレッドクス特性を活用し、イオン・電子移動反応を高度に制御することで、貴金属フリー高性能ナノ触媒の開発につながる設計概念、方法論を確立しつつある。また、LDHの層間スペースと反応性を利用し、高い触媒活性を有する金属ナノ粒子と複合できるボトムアップ合成法を提案した。LDH層間スペースの拡張及び挿入されたナノ粒子の閉じ込め効果に起因した電極触媒活性の増強が明らかになった。引き続き、金属イオンの電子の数や配位環境、酸化状態及び表面酸素との結合などの制御を重点的に行えば、ヘテロ金属イオンの間の電荷移動を誘導し、触媒性能のさらなる向上が期待される。上述のように、ナノシートにおける2次元伝導機構の確立及び多元系遷移金属水酸化物をベースとしたナノ触媒の創製に向けて順調に進展していると言える。今後、LDHナノシート1枚におけるイオン伝導挙動を重点的に考察し、2次元的な伝導機構を明らかにする。微細加工技術によりナノシートの上に微小電極を形成したデバイスを用い、温・湿度の制御に伴うイオン伝導度、活性化エネルギー及び水素結合環境などの変化を系統的解析する。理論計算と密に連携しながら、ナノシートの金属組成や水酸基・ヒドロキシルネットワーク、吸着水やカウンターイオンなどが水酸化物イオンの伝導挙動に及ぼす影響を詳しく考察する。ナノシート表面におけるイオンの高速伝導経路を解明し、室温付近で10-1S/cmの伝導率が得られるナノシートの組成やイオン種及び温・湿度条件を確立する。さらに、水酸化物ナノシートと四級化ポリビニルアルコールなど有機樹脂との複合ゾルを調製し、真空濾過プロセスにより無機・有機複合膜の作製を行う。複合膜内の有機成分の含有量調整およびナノシート間の相互作用の制御により、高いイオン伝導度を維持しながら、優れた機械的性能を有する実用的なアニオン伝導膜の創製を推進する。引き続き、遷移金属水酸化物ナノシートをベースとし、ORR及びOERに高い活性及び安定性を示す複合ナノ触媒の開発を進める。これまで研究されてきた典型的な単層ナノシートと異なる金属組成や電荷密度を持つ新型層状水酸化物やLDHのナノシート合成に挑戦する。ナノシートあるいはその高次複合構造体における電子・イオン伝導チャンネルを最適化することにより電極触媒性能の向上を図る。2次元ナノシート同士のヘテロ集積化プロセスにおいては、還元型酸化グラフェンだけでなく、酸化ルテニウムなどの非炭素系電導性ナノシートとのハイブリッド化を行う。そのヘテロ界面・相乗効果によりイオン・電子移動反応を能動的制御することによって、電極反応の大幅な高効率化を目指す。

この高いイオン伝導度はナノシート表面の高秩序に密集しているヒドロキシルネットワークという構造的特徴に直接相関している証拠をつかめた。3種類の二価金属塩(Co2+, Ni2+, Fe2+)とアントラキノン-2-スルホン酸ナトリウムの希薄水溶液を窒素ガス保護下でヘキサメチレンテトラミンと還流させることによって、三元系(Co2+-Ni2+-Fe3+)LDHを調製した。得たCo-Ni-Fe LDHを適宜にイオン交換した後、単層剥離させ、電気伝導性を有する酸化ルテニウム(RuO2.1)ナノシートとの複合化を行った。静電引力によって、LDHとRuO2.1ナノシートが交互に積み重ねた超格子構造を形成し、OER触媒として0.3V以下の過電圧を示すことが分かった。2次元物質同士のヘテロ複合効果により電極反応を大幅に高効率化できることが実証された。エタノールと水の混合溶媒の中で硝酸イオンを含有するCo-Al LDHにAg(CN)2イオンと反応させ、層間にAg(CN)2を挿入させることに成功した。簡単なレドックスプロセスによりその場で銀イオンを還元し、Agナノ粒子をインターカレートしたCo-Al LDHが得られた。ORR触媒特性を調べたところ、優れた触媒活性と良好な安定性を示し、ほぼ理想的な4電子移動過程を経てORR反応が進行していることが明らかになった。LDHに挿入されたAgナノ粒子の閉じ込め効果および層間スペースの拡張に起因し、反応中間体・イオンおよび電子の移動が効果的に促進され、電極触媒活性の増強につながったと考えられる。ナノシートが示す高いイオン伝導度について、微細加工技術によりナノシート1枚における究極的なイオン伝導挙動を評価できたとともに、理論計算と連携しながら、そのメカニズムを根底から追及できるようになりつつある。ナノシートの金属組成や表面のヒドロキシルネットワークなどの構造特徴が水酸化物イオンの伝導挙動に重要な影響を及ぼすことが分かった。特に、ヒドロキシルネットワークが水酸化物イオンの伝導に果たす役割の解明を進めることによって、2次元伝導機構の確立に繋げると考える。遷移金属組成をチューニングまたはドーピングするアプローチは電極触媒の性能向上に対してきわめて有効であることが分かった。二つ以上の3d遷移金属元素のレッドクス特性を活用し、イオン・電子移動反応を高度に制御することで、貴金属フリー高性能ナノ触媒の開発につながる設計概念、方法論を確立しつつある。また、LDHの層間スペースと反応性を利用し、高い触媒活性を有する金属ナノ粒子と複合できるボトムアップ合成法を提案した。LDH層間スペースの拡張及び挿入されたナノ粒子の閉じ込め効果に起因した電極触媒活性の増強が明らかになった。引き続き、金属イオンの電子の数や配位環境、酸化状態及び表面酸素との結合などの制御を重点的に行えば、ヘテロ金属イオンの間の電荷移動を誘導し、触媒性能のさらなる向上が期待される。上述のように、ナノシートにおける2次元伝導機構の確立及び多元系遷移金属水酸化物をベースとしたナノ触媒の創製に向けて順調に進展していると言える。今後、LDHナノシート1枚におけるイオン伝導挙動を重点的に考察し、2次元的な伝導機構を明らかにする。