hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
ビタミンB12酵素、メチルマロニル-CoAムターゼの活性発現調節と新規機能の解明

ビタミンB12酵素であるメチルマロニル-CoAムターゼの活性、発現レベルについて、B12欠乏の影響について欠乏ラットを作製し検討した。その結果、肝臓におけるポロ酵素活性は、正常なラットにおいてもトータル活性(ホロ+アポ酵素活性)の5%以下であった。一方、B12欠乏ラットではホロ活性はほぼ消失したが、トータル活性の異常な上昇が観察された。ウエスタンブロッティングを行ったところ、このトータル活性の異常な上昇は、本酵素タンパク質の異常な増加によることが確認された。一方、real-time PCR法でmRNAレベルを調べたところ、欠乏ラットでは正常ラットに比べむしろ低下していた。したがって、B12欠乏によるメチルマロニル-CoAムターゼタンパク質の異常な増加は、転写レベルによるものではなく、おそらく翻訳レベルもしくはタンパク質の安定性などの変化に起因するものと考えられる。COS-7細胞を用いて培養細胞系でも検討したが、どうようにB12欠乏によるメチルマロニル-CoAムターゼタンパク質の異常な増加が観察された。B12欠乏ラットにおける肝臓機能について検討した。その結果、血漿アラニンアミノトランスフェラーゼが異常に上昇しており、肝障害の発症が示された。また、細胞増殖の指標であるproliferatingcell nuclear antigen(PCNA)の発現レベルを調べたところ,欠乏ラットでは肝臓の細胞増殖が異常に活性化していることが示唆された。これらの原因についてしらべたところ、肝障害はメチルマロニル-CoAムターゼホロ活性の低下に起因すること、一方細胞増殖の異常な活性化はもう1つのB12酵素であるメチオニン合成酵素が関係していることを見いだした。正常ラットとビタミンB12欠乏ラットの肝臓におけるメチルマロニル-CoAムターゼ(MCM)について,ホロ酵素活性とトータル活性(ホロ+アポ酵素活性)を測定した.その結果,正常ラットでもホロ活性はトータル活性の5%以下であり,欠乏ラットではホロ活性はほとんど検出されなかった.一方,トータル活性は欠乏ラットで正常ラットの約5倍にまで上昇していた.このトータル活性の上昇がMCMタンパク質の増加によることはウエスタンブロッティングにより確認した.ところが,real time PCR法を行いmRNA発現レベルを調べたところ,mRNAレベルはB12欠乏によってむしろ低下傾向が見られた.このことから,B12欠乏によるMCMタンパク質の増加は,転写の活性化ではなく,翻訳レベルもしくはタンパク質の安定化に起因したものであることが示唆された.次に,正常および欠乏ラットの肝臓から初代培養肝細胞を調製し,MCM活性に関する検討を行った.正常ラット由来の肝細胞を生理濃度の1000倍以上のB12存在下で培養しても,ホロ活性はほとんど増加しなかった.このことは,MCMのホロ酵素活性が細胞内B12レベル以外のファクターによって厳格に調節されていることを示唆するものである.一方,欠乏ラット由来の細胞ではB12の添加によってホロ活性の上昇が見られる(2日間の培養では正常ラット由来の細胞のレベルにまでは達しなかったが)とともに,トータル活性の有意な低下が観察された.したがって,細胞内B12レベルによってMCMタンパク質発現量が制御されていることが確認された.さらに細胞レベルでのMCM活性発現調節に関する検討を行うことを目的に,ヒト肝ガン培養細胞HepG2を培地中のB12濃度を変化させて培養しMCM活性を測定した.その結果,低濃度B12条件下(血清由来のB12のみ存在:B12濃度は生理濃度の1/10程度)ではホロ活性はほとんど検出されず,細胞はB12欠乏状態になっていることが示された.培地中にB12を添加すると濃度に応じてホロ活性は上昇したが,生理濃度の約1000倍にまで増加させてもトータル活性の5%程度にまでしか増加しなかった.一方,トータル活性はB12欠乏で若干増加する傾向が見られたが,動物で見られるほど顕著ではなかった。

MCMの新規機能の解明を目的に,MCMタンパク質と相互作用を示すタンパク質を酵母two-hybrid systemを用いて検索を進めているが,現状では目的にかなう遺伝子が得られていない.Cos-7細胞をB12無添加培地で培養すると、昨年度のHepG2細胞での結果と同様に、メチルマロニル-CoAムターゼのホロ活性はほとんど検出されなかった(したがって、細胞はB12欠乏状態にあると推定される)。培地中にB12を添加するとホロ活性は上昇したが、大過剰量(10μM)添加してもホロ活性はトータル活性の40%以下であり、多くの酵素はアポ型のままであった。一方トータル活性はB12供給細胞に比べ欠乏細胞では約2倍に上昇しており、培養細胞においてもラット肝臓と同様にメチルマロニル-CoAムターゼの発現量はB12欠乏で増加することが示された。ラット肝臓ではB12が欠乏するとミトコンドリアが肥大化しマトリックス酵素(グルタミン酸デヒドロゲナーゼやクエン酸合成酵素)活性の増加が観察される。同様の現象がB12を欠乏したCos-7細胞で起こっているかどうかを調べるために、上記マトリックス酵素の活性を測定したが、これら酵素の活性上昇は見られず、B12欠乏によるミトコンドリアの肥大化は肝臓に特有の現象であると考えられる。メチルマロニル-CoAムターゼの補酵素であるアデノシルコバラミンの合成に関与するとされているが機能不明のタンパク質であるMMAAについて、抗体を作製し、ウエスタンブロット法で各組織での発現レベルをラットで調べた。その結果、脳で高い発現が見られたほか肝臓など様々な臓器での発現が確認された。また、B12欠乏ラットでは正常ラットに比べ肝臓におけるMMAA発現レベルの上昇が観察された。次に細胞内局在性を調べたところ、予想通りミトコンドリアに局在していた。さらにミトコンドリア内では外膜に局在することが示され、このことから、本タンパク質はB12のミトコンドリアへの輸送に関わっている可能性が示された。なお、メチルマロニル-CoAムターゼはマトリックスに局在しており、MMAAと直接相互作用していないことが明らかになった。メチルマロニル-CoAムターゼは、補酵素であるアデノシルコバラミンが結合したホロ型は活性を有するが、結合していないアポ型は活性を持たない。このように補酵素を結合し活性型となるタイプの酵素は、多くの場合は生体内で大半がホロ型として存在している。ところが、メチルマロニル-CoAムターゼの場合は、正常なラットの肝臓ではホロ型の比率が5%程度であり、B_<12>を大過剰添加して生育させた培養細胞でもホロ型の割合は30%程度であった。したがって、メチルマロニル-CoAムターゼの揚合は、何らかの理由でホロ酵素の割合を低く抑えているものと考えられる。そこで、この理由を明らかにすることを目的として、まず細胞にメチルマロニル-CoAムターゼ遺伝子を導入し、本酵素の発現レベルを上昇させ、その影響について検討した。
方形波交流理論と配電システムへの応用

50Hzまたは60Hzの正弦波交流電圧を供給する現状の配電システムに対して,太陽光・風力発電などの分散電源システムやコンピュータ,インバータ照明器具など,機器内部に整流回路を持つパワーエレクトロニクス機器が普及する中で,直流配電システムが提案されている。本研究では,直流配電システムの絶縁および事故時の電流遮断が難しいこと,人体への安全性を解消し,負荷装置に安価なダイオード整流回路を用いることができ,正弦波配電に対しても,電流波高値および電流実効値を共に0.87倍にできる配電システムとして方形波配電システムを提案する。本研究では,三相方形波システムについて,方形波交流理論の展開および配電システムの実用化を検討するために,具体的に3項目について研究を進め、以下の研究成果がそれぞれ得られた。1.方形波波形の交流回路理論展開による新たな学術分野の創出方形波交流理論の一般化正弦波交流理論における周波数解析に相当した方形波交流理論における周波数解析理論を導出した。2.方形波配電システムおよび負荷ダイオード整流回路のシステムパラメータ設計負荷ダイオード整流回路の入力総合力率と出力電圧リプルの仕様に対する入力リアクトルおよび出力コンデンサ容量の設計法を導出し,実験でその有効性を確認した。3.方形波配電用ダイオード整流回路の力率・効率改善方式の開発ダイオードに並列小容量キャパシタを接続して,入力総合力率と出力電圧リプルを改善する回路を提案し,そのキャパシタ容量設計と特性改善効果を理論と実験で明確にした。現状の配電システムは,50Hzまたは60Hzの正弦波交流電圧を供給しており,これは,100年以上の歴史を持ち,送電システムとして確立した技術になっている。しかしながら,太陽光・風力発電などの分散電源システムやコンピュータ,インバータ照明器具など,日常使われているほとんどの機器が,機器内部に整流回路を持つパワーエレクトロニクス機器となっている。国内および海外においてパワーエレクトロニクス機器に適した配電として直流配電が提案され,実証試験が行われている。しかしながら,直流は絶縁および事故時の電流遮断が難しいこと,人体への安全性の面からも,限られた特殊な用途では使用されているが,配電システムとして実用にまで至っていない。本研究では,ビルや工場内などの限定された場所の屋内配電や航空機や船舶などの商用電源から独立した電源システムに方形波配電を適用することを前提に,三相方形波配電システムを提案している。本提案方式の方形波波形は,負荷に安価なダイオード整流回路を利用でき,負荷力率をほぼ1にできること,同一電力の下で,方形波配電は正弦波配電に対し,電流波高値および電流実効値を共に0.87倍にでき,スイッチング素子の最大電流定格,線路損失および電流容量を低くできることなどの特徴を明らかにしている。さらに,提案する三相方形波交流回路の解析において,三相正弦波交流回路理論に双対な関係として,三相方形波交流回路理論を導出している。具体的成果としては,方形波波形の波形評価法として正弦波理論のフーリエ級数展開に相当した方形波理論を導出した。方形波配電システムおよび負荷ダイオード整流回路のシステムパラメータ設計法を明らかにした。また,方形波配電用ダイオード整流回路の力率・効率改善方式として,ダイオードに並列に小容量コンデンサを接続したときの回路解析,小容量コンデンサの設計法,入力力率・効率の改善効果を明確にした。
長期にわたり訓練した将棋思考過程のfMRIによる研究

将棋のプロ棋士は、長い訓練と対戦経験から得た情報を基に、瞬時に状況を判断し、最適な次の一手を直観的に導き出すことができる。このような直観的な次の一手の導出に関わる脳の神経回路の情報処理機構を解明するために、プロ棋士とアマチュア棋士で比較した。プロ棋士の脳で特異的に活動する2個所の領域、1つは将棋盤面を見て瞬時に駒組を認識するときに活動する大脳皮質頭頂葉の楔前部、もう1つは最適な次の一手を直観的に導き出すときに活動する大脳基底核の尾状核、を同定した。棋士の直観的な導出能力が、楔前部と尾状核を結ぶ神経回路に埋め込まれている可能性を示唆した。ヒトの脳の潜在的な可能性は無限であるが、未だ完全に開発されていない。脳の能力は長期学習によって大きく発展した。一連のチェス名人の行動・心理研究は、"chunking"記録理論に基づいて統合された情報機構-チェス名人は、情報の階層を長期記憶から瞬時に想起できるchunksに組織化する-を示した。しかし、彼ら熟練者における"chunking"記憶の神経生物学的機構と処理方法は明らかではない。日本の将棋は、取った駒を再利用できるため、チェスよりも複雑であり、熟練した棋士はチェス名人同様典型的な将棋の局面に関する並外れた記憶を持ち、苦もなく瞬時に最良の一手を見出すことができる。従来の学説は、学習は特定の神経回路の効果的な使用を通して起こるとする説と、複数の神経回路を通して行われるとする説のどちらかに重点をおいているが、我々は、熟練者の基本的な長期学習機構は、後者の説に従っていると仮定する。熟練した棋士の能力の本質的特徴は、二つの機構間の動的相互作用の中に存在するはずである。この研究は、従来のチェス名人の行動・心理研究では用いられたことのない機能的磁気共鳴画像システム(fMRI)を用いて、将棋の対局における名人の脳の機能を研究する初の試みとなる。将棋局面の認知、記憶、思考の脳メカニズムが、習熟度の違いによりどのように異なるかを調べていくために、本研究では将棋盤面知覚処理過程を主にfMR Iを用いて調べる。本年度は、fMR I実験の準備として、将棋盤面知覚処理と記憶に関わる心理物理実験を行った。将棋盤面知覚処理に関わる心理物理実験では、将棋の序盤、終盤、でたらめ配置の3種類の局面を提示し、実戦でありうる駒配置/でたらめの判断を求めた。提示時間を1000ミリ秒、500ミリ秒、200ミリ秒、100ミリ秒、30ミリ秒と短くしたところ、アマ上級者(4段、10人)は500ミリ秒までは安定に高い正答率で正答したが、アマ中級者(初段、6人)では500ミリ秒から正答率が低下した。この結果は、棋力が向上するにつれて将棋盤面知覚処理が早くなることを示す。将棋盤面記憶に関わる心理物理実験では、まず、プロの実戦譜から切り取った将棋盤上の一部分の駒配置、又はでたらめ配置を1秒間提示した。その2秒後に、駒が1つだけ配置された将棋盤を提示し(500ミリ秒間)、駒の種類と位置が最初に提示された駒配置に含まれていたかどうかの判断を求めた。ひとつの駒配置に対し、10個の異なる問いを繰り返した。将棋の序盤から取った駒配置の場合は、アマ上級者、中級者はともに89割正答した。また、ランダム盤面での正答率は、アマ上級者、中級者ともに同じくらい低かった。終盤の駒配置では、アマ上級者の正答率はランダム盤面での正答率よりも有意に高かったが、アマ中級者ではランダム盤面と同じくらい悪かった。このように、アマ上級者はアマ中級者に比べ、終盤盤面の記憶において優れていた。今年度の心理実験から、アマ棋士の棋力によって、将棋盤面の知覚処理と記憶の能力に違いがあることを確認した。現在、fMR Iを用いて、アマ上級者と中級者で、将棋盤面の知覚処理の際の脳活動にどのような違いがあるかを調べている。本研究ではアマ棋士を対象にして、将棋局面の認知、記憶、思考の脳メカニズムが、習熟度の違いによりどのよう、に異なるかを主にfMRIを用いて調べる。本年度は、fMRIを用いて、アマ上級者と中級者で、将棋盤面の知覚処理の際の脳活動にどのような違いがあるかを調べた。昨年度の将棋盤面知覚処理に関わる心理物理実験によって、棋力が向上するにつれて将棋盤面知覚処理が早くなることを示した。

本年度のfMRI実験では、9カテゴリーの視覚刺激(ヒトの顔、景色、一般的物体、チェスのパターン、中国将棋のパターン、将棋序盤、将棋終盤、ランダムな将棋パターン、スクランブルパターン)を用いた。12秒のブロックごとに異なるカテゴリーの刺激を提示し、ひとつのブロックにはひとつのカテゴリーの刺激24個を次々と提示した。4個のスキャンを行い、その合計として、それぞれのカテゴリーの刺激は10ブロックで提示した。被験者の刺激への注意を維持するため、被験者には同じ刺激が連続して繰り返し提示されたときにボタンを押して報告するように指示した。高位のアマチュア棋士では、後頭葉と頭頂葉を分ける後頭-頭頂溝の頭頂側の壁の内側部(楔前部と呼ばれる部分)が将棋序盤パターンだけで活動した。低位のアマチュア棋士では、この部位は全てのゲーム関連パターン(将棋序撃、将棋終盤、将棋ランダム、チェス、中国将棋)で活動した。今年度のfMRI実験から、将棋パターンを見たときのアマ棋士の頭頂葉後内側部の楔前部の神経活動に、棋力による違いのあることを見いだした。本研究ではアマ棋士を対象にして、将棋局面の認知、記憶、思考の脳メカニズムが、習熟度の違いによりどのように異なるかを主にfMRIを用いて調べる。本年度は、fMRIを用いて、アマ上級者で、直観で次の一手を決めている間、fMRIで脳の活動を調べた。将棋問題(詰将棋か必至問題)を短時間で提示した。被験者にはこの短い時間に最も有利な初手を見つけるように指示した。その後、複数選択肢を示した。被験者は直感的な答えに合っていたオプションを選択することによって、思いついた初手を報告した。対照条件としては、相手の駒しか存在しない序盤の将棋パターン(次の一手があり得ない)を提示し、被験者は王の位置を答えた。アマ上級者17人(アマ2-4段)がこの実験を参加した。180問将棋問題の中に38.4%の答えが正しかった。プロ棋士よりはるかに低かった。直観で初手を見つけたときと対照条件(序盤将棋パターンの知覚)でのfMRI信号を比較したところ、有意な活動はどこにも見られなかった。しかしながら、プロ棋士で有意な活動を見つかった大脳基底核の部分に分析すると、アマチュアは自信が有った(または反応早かった)トライアルの活動のみが有意だった。今年度のアマ上級者のfMRI直観実験から、プロ棋士に比較して、アマチュアの直観があまり出来ないで、直観は訓練が必要ことを確認した。本研究では将棋プロ棋士とアマチュアを対象にして、将棋局面の認知、記憶、思考の脳メカニズムが習熟度の違いによりどのように異なるかを主にfMRIを用いて調べる。本年度は短時間最善手決定における尾状核頭部と大脳皮質連合野領域との機能的結合の解析を行った。将棋局面の知覚実験においてプロ棋士の頭頂葉内側部の楔前部が活動するとの結果を得て、平成21年度の報告書において報告した。楔前部はチェスや中国将棋などのゲーム一般である程度活動するが、プロ棋士では実戦にありうる将棋局面で特に強く活動した。これらの大脳部位と大脳基底核の尾状核頭部の機能的連関を調べるために、短時間最善手決定実験における試行ごとの活動のばらつきの部位間相関を調べた。尾状核頭部の関心領域(Region of Interest : ROI)は構造画像の上で決定し、大脳皮質のROIはそれぞれのグループの機能画像上で決定した。各試行における信号の大きさから試行間の平均値を差し引いて得た試行ごとの信号のばらつきを脳部位間で比較して相関係数を計算した。プロ棋士においては、尾状核頭部(Caudate)の信号と前頭連合野外背側部(DLPFC)の信号の間、および尾状核頭部と楔前部(Precuneus)の間で、短時間最善手決定課題においてコントロール課題および読み課題におけるより有意に大きい正の相関があった。
幼児期の「プログラミング的思考」を育成する「表現遊び」題材の開発と実践

本研究は,幼児期において将来のプログラミング教育の基礎となる「プログラミング的思考」を育成するために「プログラミング体験(ヴィジュアル系・フィジカル系・アンプラグド系)」と「表現活動(造形・音楽・身体・言葉等)」とを主体的・対話的で深い学びを創出する「遊びのプロセス(遊びの創出・遊びの没頭・遊びの振り返り)」の中に効果的に組み込んだ「表現遊び」題材を開発するものである。また保育者を軸とした異校種の教員・学生が共同研究することで,プログラミング的思考を育成する異校種連携カリキュラム・教材開発や,プログラミング教育に関わる教職機能強化を図る研修プログラムや講座シラバス開発もそのねらいとしている。
津軽海峡一帯における局地的強風の発生機構と気団変質過程の解明

本研究課題では、津軽海峡と陸奥湾および周辺地形を一つの系と捉え、津軽海峡の西部と東部で、それぞれ夏季のヤマセと冬季の季節風の卓越時に頻繁に発生する局地的強風の発生機構と気団変質過程について事例解析と統計解析を行った。局地的強風の分布と構造、発生時の大気場、強風発生の経年変動等の観点から、津軽海峡一帯における表層風の特徴を、ヤマセと冬季季節風卓越時について初めて明らかにした。本研究課題では、ヤマセ時の東風と冬季の西風を対象として、津軽海峡と陸奥湾およびその周辺域における局地的強風の発生機構と気団変質過程を解明することを目的とする。本年度は、衛星観測と現場観測データを用いて、ヤマセ時に津軽海峡の西口で発生する強風について、2003年6月のケーススタディと9年分(2000-2008)のデータで統計解析を行った。太平洋側のヤマセの冷気と日本海の暖気によって、津軽海峡一帯に顕著な下層の東西気温差、そして東西気圧差を生み出すことがわかり、この気圧差が海峡西口の強風に寄与することがわかった。合成開口レーダから導出した高解像度の海上風場より、東西気圧推定に適した気象官署の組み合わせを検証したところ、函館と深浦の気圧差が津軽海峡の東西気圧差の変動を最も良く代表することがわかった。津軽海峡一体の東西気圧差は、オホーツク海高気圧の発達を前提として、日本の南岸を通過する低気圧、あるいは日本海を北東進する低気によって強調される。一方で、津軽海峡から吹き出す強風は、日中は東北東の風で、夜間にやや風速が増加し東風になる、という日変化することがわかった。風速の増加は、ヤマセの冷気が夜間に津軽海峡西口まで進入し、日本海の暖気と温度差が夜間に大きくなるからである。一方、陸上では、日中に風速が増加し、夜間は風速が小さくなるという日変化を示す。これは、ヤマセの下層雲に覆われた太平洋側で日中の気温上昇が抑えられることで東西気温差を強調すること、海峡内の冷気と陸上気温との東西気温差が大きくなることの2つの要因による。最後に、函館と深浦の気圧差の経年変動を、慣例的に用いられているヤマセの指標の変動と比較したところ、これらは互いに良く一致した。本研究では、ヤマセに起因して発生する津軽海峡西口の強風の形成要因を初めて明らかにし、また函館と深浦の気圧差という新しいヤマセの指標を提案した。本研究課題では、ヤマセ時の東風と冬季の西風を対象として、津軽海峡一帯(津軽海峡と陸奥湾およびその周辺域)における局地的強風の発生機構と気団変質過程を解明することを目的とする。平成22年度の観測データの解析結果をもとに、平成23年度は、数値シミュレーションデータを用いて、ヤマセが津軽海峡一帯を吹き抜ける過程を解析した。2003年6月上旬の継続的な東風事例について、領域気象数値モデルMM5を導入し、水平解像度1kmで大気場をシミュレーションし、1時間毎の出力を解析した。継続的な東風に伴って、オホーツク海高気圧起源の冷気が、津軽海峡一帯の下層約500mに夜間に進入してくる。また、日中は冷気進入が東に後退する。この冷気の進入と後退が、津軽海峡の東側の入り口、陸奥湾中央部、津軽海峡の西部の3カ所で発生する局地的強風の日変化を引き起こすことがわかった。津軽海峡の東側の入り口では、海峡内部の日中の昇温した暖気と、東から流入する冷気が大きな気圧傾度力を生み出し、強風を形成する。陸奥湾では、日中に流入する冷気が下北半島を横切るときに加熱されて厚い混合層を形成する。この層が陸奥湾中央部で薄くなることにより風が加速される。津軽海峡西部では、日本海の暖気と海峡に流入した冷気による大きな気圧傾度力と、下層の冷気層が海峡西部で広がる効果で加速される。海峡を吹き出た風は、日中は、気圧傾度力とコリオリ力が主にバランスするが、夜間は、加速した風によるコリオリ力の増大と冷気流出に伴う気圧傾度力の減少により、地峡風は高気圧性の曲率を持つ。本研究により、津軽海峡一帯におけるヤマセ時の局地的強風と下層の冷気進入過程の全体像がわかった。また、地峡風の規則的な日変化を初めて解析した事例となった。平成24年度は、冬季季節風(西風)の卓越時に津軽海峡の東口で発生する局地的強風について、高解像度の衛星観測データと数値気象モデルを用いて解析を行った。まず、ヤマセ卓越時と同じく、長期間の現場観測データを利用して、津軽海峡の東西気圧差の統計解析を行った。冬季季節風時にも津軽海峡の東西気圧差と海峡の東口の風速は、高相関関係にあることがわかった。海峡の東口の風速に、津軽海峡の東西気圧差が寄与していることは確認できたが、ヤマセ時の方がより明瞭な相関関係が見られた。

つぎに、数値気象モデルWRFを用いた1km解像度のシミュレーションによって、津軽海峡の東口に局地的強風が発生した2000年12月3-4日の事例解析を行った。下層において、津軽海峡一体を通過する冬季季節風は、地峡部あるいは海峡部から、南東方向に伸びる3つの強風域を形成することがわかった。その地峡部と海峡部は、北から、噴火湾、津軽海峡の東口、陸奥湾とその南東部の平野である。そして、亀田半島と下北半島の山地の下流に形成される弱風域が、この3つの強風帯を明瞭に分離している。シミュレーションの表層風の分布と、合成開口レーダから導出した高解像度海上風場を比較したところ、3つの強風域の構造はよく一致した。しかし、シミュレーションの方が、弱風域が狭く、弱風域での風速が大きく、強風域と弱風域のコントラストが小さいことがわかった。この差異に対しては、WRFの境界層スキームの違いによる寄与は小さいことがわかった。まとめると、本研究課題では、津軽海峡と陸奥湾および周辺地形を一つの系と捉え、津軽海峡の西部と東部で、それぞれ夏季と冬季に頻繁に発生する局地的強風の事例解析と統計解析により、津軽海峡一帯における表層風の特徴を初めて明らかにした。本研究の目的は、高解像度の衛星観測データと領域数値気象モデルを用いて、夏季のヤマセ(東風)と冬季の季節風(西風)に特に着目し、津軽海峡一帯における局地的強風の発生機構と気団変質過程を解明することである。平成22、23年度には、観測データと領域数値モデルを用いて、夏季のヤマセ時ついての研究を行い、その結果を2つの論文にまとめ、アメリカ気象学会の学術誌に掲載されるに至った。よって、研究計画通りに進んでいる状況にある。平成24年度は、これまでの準備や成果に基づき、冬季季節風時の解析を行う。24年度が最終年度であるため、記入しない。平成24年度の目的は、冬季季節風(西風)の卓越時について、高解像度の衛星観測データと領域数値気象モデルを用いて、津軽海峡一帯で発生する局地的強風と気団変質過程を解明することである。平成22、23年度に行った夏季のヤマセ(東風)時の研究にならって、長期間の観測データを利用した統計解析と観測とモデルによる事例研究を行う。平成22、23年度に準備した観測データと領域数値気象モデルを利用することができる。そして、ヤマセ(東風)と冬季季節風(西風)の卓越時の強風事例を比較し、局地的強風の発生に対する、津軽海峡一帯の地形や海洋の影響を総合的に考察する。また、夏季と冬季の局地的強風が地域気候に与える影響を明らかにする。これにより、夏季と冬季の局地的強風と気団変質過程について、津軽海峡一帯における全体像を初めて完成させる。
がん患者におけるオキシコドン製剤間の換算比の検証と換算比に影響を及ぼす因子の解析

研究目的:がん患者の速やかな疼痛緩和は必須かつ急務である。近年では、がん性疼痛緩和に対してのオピオイド製剤の選択幅が拡大し、患者の状態に即した使い分けができる環境が整いつつある。特にオキシコドンについては、本年より単剤の注射薬が初めて市販され、内服薬から注射薬へのローテーションが可能になった。添付文書では、内服薬から注射薬への換算比が1:0.75と記載されているが、現在のところ、オキシコドンにおいて、オピオイド受容体や病態などの個人差がどの程度換算比に影響を及ぼしているのかについては調べられていない。そこで、オキシコドン製剤間における換算比の検証と換算比に影響を与える可能性のある因子について調査を行うことにした。研究方法:方法として、オキシコドン製剤を使用しているがん患者において、オピオイドローテーションを行った患者を抽出し、がん性疼痛コントロールが良好となった状態におけるオキシコドン製剤量、レスキュードーズの使用回数、患者背景(性別、年齢、がん腫、併用薬など)およびローテーションを行った理由を調査した。オキシコドン内服薬と注射薬量から換算比を求め、既存の換算比との比較を行う。疼痛の度合いの評価は、疼痛スケール評価表(Numerical Rating Scale : NRS)を用いた。意識が鮮明でないなど、自己評価できない場合には、看護師などの第三者による評価を用いた。研究成果:未だオキシコドン製剤間(内服薬と注射薬)でのローテーション症例が不十分であるため、症例を収集しながら診療情報等の抽出を進めている。担当した症例で「仙骨骨肉腫による体性痛および神経障害性疼痛にオキシコドンが有効であった1例」をH26年4月19日の群馬緩和医療研究会において報告した。この症例においては内服薬から注射薬への換算比が1:0.75であり、添付文書通りであった。
in vivoイメージングによる虚血腎障害後の腎臓・肺内NETs動態の解明

好中球細胞外トラップ(Neutrophil Extracellular Traps ; NETs)を簡便に同定するために、最新の遺伝子編集技術;CRISPR/Cas9を用いて、遺伝子編集マウスを作製する。このマウスを用いて腎臓虚血再灌流障害を誘発し、特殊顕微鏡である多光子生体顕微鏡を用いて腎内・肺内のNETsを動態を明らかにする。
光合成の酸化的環境への適応機構

光合成は嫌気的な環境で生まれ,その後酸化的な環境に適応する必要が生じた.本研究は,絶対嫌気性細菌のクロロビウムおよび通性嫌気性細菌のクロロフレクサスと紅色細菌を用いて,酸素分子による光合成色素間のエネルギー移動と電子伝達の調節機構を明らかにすることを目的とした.2年間にわたる日本,デンマーク,フランス,イタリアの研究者による国際共同研究により,以下の成果を得た.(1)緑色イオウ光合成細菌の光捕集器官であるクロロソームでは,環境中の酸素の有無により蛍光強度が10倍以上変化する現象が知られていた.この蛍光変化が電子移動反応の調節を通して酸素のある環境への適応機構となっていることを確かめるため,酸化還元条件を変化させたときの電子伝達反応を起こすための光強度を測定した.その結果,確かに適応機構であることが明らかとなった.(2)緑色糸状細菌では,酸素の有無により蛍光強度は基本的に変化しない.我々は,緑色イオウ細菌の蛍光強度変化の原因物質はある種のキノンであるという説を持ち,人工的なキノンと緑色糸状細菌を使ってそのことを確かめた.(3)蛍光強度変化の原因物質であると考えられるクロロビウムキノンとバクテリオクロロフィルcが直接相互作用することを強く示唆する実験結果を得た.(4)紅色光合成細菌の酸化還元環境への適応と光合成反応中心結合型チトクロムとの関係を明らかにするために,そのチトクロムの多様性を検索し,これまで知られていた4つのヘムではなく,3つのヘムを持つ種を発見した.この種は,酸素のある環境にも適応した種であり,それほど還元的でない環境が,チトクロムの変異をもたらした可能性が考えられた.光合成は嫌気的な環境で生まれ,その後酸化的な環境に適応する必要が生じた.本研究は,絶対嫌気性細菌のクロロビウムおよび通性嫌気性細菌のクロロフレクサスと紅色細菌を用いて,酸素分子による光合成色素間のエネルギー移動と電子伝達の調節機構を明らかにすることを目的とした.2年間にわたる日本,デンマーク,フランス,イタリアの研究者による国際共同研究により,以下の成果を得た.(1)緑色イオウ光合成細菌の光捕集器官であるクロロソームでは,環境中の酸素の有無により蛍光強度が10倍以上変化する現象が知られていた.この蛍光変化が電子移動反応の調節を通して酸素のある環境への適応機構となっていることを確かめるため,酸化還元条件を変化させたときの電子伝達反応を起こすための光強度を測定した.その結果,確かに適応機構であることが明らかとなった.(2)緑色糸状細菌では,酸素の有無により蛍光強度は基本的に変化しない.我々は,緑色イオウ細菌の蛍光強度変化の原因物質はある種のキノンであるという説を持ち,人工的なキノンと緑色糸状細菌を使ってそのことを確かめた.(3)蛍光強度変化の原因物質であると考えられるクロロビウムキノンとバクテリオクロロフィルcが直接相互作用することを強く示唆する実験結果を得た.(4)紅色光合成細菌の酸化還元環境への適応と光合成反応中心結合型チトクロムとの関係を明らかにするために,そのチトクロムの多様性を検索し,これまで知られていた4つのヘムではなく,3つのヘムを持つ種を発見した.この種は,酸素のある環境にも適応した種であり,それほど還元的でない環境が,チトクロムの変異をもたらした可能性が考えられた.本研究は,絶対嫌気性細菌のクロロビウムおよび通性嫌気性細菌のクロロフレクサスとルブリビバクスを用いて,酸素分子による光合成色素間のエネルギー移動と電子伝達の調節機構を明らかにすることを目的とした.あわせて,光合成の酸素のある環境への適応と進化の関係を考察した.1.クロロビウムの光捕集色素構造であるクロロソームに複数種類のキノンが存在することを,前年までの日本-デンマーク両研究室の共同研究で明らかにしたことを受けて,その分布と機能を調べた.その結果,キノン分子は,クロロソームの内部深くに存在すると考えられた.キノンの役割は,酸化的環境でエネルギー移動を阻害することにより,光酸素障害を防止するものであることが,はっきりした.また,キノンの関与しない類似のエネルギー移動の阻害もあることがわかった.阻害率は,キノンのある場合で97%に達するのに対し,キノンのない場合は70%程度であった.2.光合成電子伝達反応に対する酸化的環境の意味について,反応中心結合型チトクロムに注目して,日本,イタリア,フランスの分担者を中心に予備的実験を行った.チトクロムの酸化還元電位を改変して実験を行うために必要な遺伝子操作の系を確立し,表面電荷の異なるチトクロムを作成した.3.絶対嫌気性の光合成細菌でも,酸素の環境に適応する機構を備えていることが明らかになった.光合成細菌の進化を考えると,通性嫌気性細菌が最初に出現し,絶対嫌気性および絶対好気性の光合成細菌がその後生じたとする説が妥当である.エネルギー移動の調節および電子伝達の調節の両面で,環境の酸化還元状態への適応が重要である.光合成は嫌気的な環境で生まれ,その後酸化的な環境に適応する必要が生じた.本研究は,絶対嫌気性細菌のクロロビウムおよび通性嫌気性細菌のクロロフレクサスと紅色細菌を用いて,酸素分子による光合成色素間のエネルギー移動と電子伝達の調節機構を明らかにすることを目的とした.デンマーク側分担者および研究協力者の来日および,日本側研究者の訪仏による共同研究を実施し,以下の成果を得た.(1)緑色イオウ光合成細菌の光

捕集器官であるクロロソームでは,環境中の酸素の有無により蛍光強度が10倍以上変化する現象が知られていた.この蛍光変化が電子移動反応の調節を通して酸素のある環境への適応機構となっていることを確かめるため,酸化還元条件を変化させたときの電子伝達反応を起こすための光強度を測定した.その結果,確かに適応機構であることが明らかとなった.(2)緑色糸状細菌では,酸素の有無により蛍光強度は基本的に変化しない.我々は,緑色イオウ細菌の蛍光強度変化の原因物質はある種のキノンであるという説を持ち,人工的なキノンと緑色糸状細菌を使ってそのことを確かめた.(3)蛍光強度変化の原因物質であると考えられるクロロビウムキノンとバクテリオクロロフィルcが直接相互作用することを強く示唆する実験結果を得た.(4)紅色光合成細菌の酸化還元環境への適応と光合成反応中心結合型チトクロムとの関係を明らかにするために,そのチトクロムの多様性を検索し,これまで知られていた4つのヘムではなく,3つのヘムを持つ種を発見した.この種は,酸素のある環境にも適応した種であり,それほど還元的でない環境が,チトクロムの変異をもたらした可能性が考えられた.
昭和14-16年厚生省下での全日本スキー連盟による国民体力養成の実態解明

2年目は,昭和15年に日本スキー連盟が全国的に実施した全国スキー講習会について,以下の目的と方法に従い解明した.(全国スキー講習会の目的;全国スキー講習会の実態(前年同様)と意味を解明する.全国スキー講習会の方法;「実施要項」や各スキー連盟が所有する当該関連資料や新聞掲載記事を分析する.)昭和13年7月オリンピック開催返上,国は銃後の守りとして国民「体力向上」と「精神作興」を目標とした.日本体育協会は,国民体育を完成させる方向で準備を進め,各団体に目的設定を呼び掛け,スキー連盟は講習会の開催を実施した.全国スキー講習会の目的は,全国でスキー講習を簡単に開催できるようにして,体力の向上に役立たせることであった.従来は,長野県の野沢温泉スキー場や文部省の体育研究所に前項から指導者を集めて講習会を開催し,また地元に戻って指導させていた.だが,今後スキー講習会を全国で開催して指導員を任命し,指導員が居る地域では毎年スキー講習会を随時開催できるようにしたのである.全国40か所のスキー場で開始して,3,657名に及ぶ大勢が参加した.講習後にバッチテストが実施され,1級147名,2級505名の合格者を出している.尚1級合格者は,12月開催の指導者講習会に参加する資格を有した.しかし,反省点として以下のことが挙げられた.(1)本講習会の主旨が徹底せず,バッチテストのためと思われていた.(2)「一般スキー要項」に反する技術を講習した講師がいたこと.(3)級別テストの採点方法に各講師間に相違のあったこと.(4)今回は初めてで開催費用を本部で賄ったが,次から全国指導者講習会のみとし,地方の講習会は地方連盟が主催する.2年目までは研究が計画に従い順調に進んでいる.昭和16年の講習会については研究目的を解明する研究資料が少なく,資料収集の内容を変更していく可能性が生じている。関係したスキーによる体力養成の方法となるための項目に対象を変更することが考えられる.当初の計画であれば、全日本スキー連盟の国民体力養成について、昭和14年にスキー連盟が厚生省の下で実施した全国スキー講習会、国民皆スキー行進、第1回スキー指導者検定講習会、『一般スキー術要項』発刊について解明する予定であった。しかし、実際に当該年度に実施した研究は、国民皆スキー行進と『一般スキー術要項』発刊についての解明だけしかできなかった。昭和14年の国民皆スキー行進については、昭和14年2月に全国的に実施した経緯について、また全国的な実施の様子を長野県霧ケ峰中央会場と全国の地方会場に分けて具体的な実地状況の解明をおこなった。そこから解明されたことは、当該のスキー行進は全国的な展開であった事実を解明できた。また、連盟の全国的な体制の強さを解明できた。さらに、『一般スキー術要項』発刊についての解明については、スキー連盟が昭和14年・昭和15年に要項を作成した経緯と実際の要綱の内容的な特徴を解明した。経緯は連盟が競技力の向上から、国民体力養成に方向を転換した際、テキストがどのように変化したのか解明したものである。中身がスキー競技的な内容が減り、医療的な内容が増加していた事実が明らかとなった。そこから解明されたことは、連盟が従来の競技力の向上から、国民体力養成に方向を転換した具体的な方向が確認されたといえる。当初の予定では、昭和14年度の1全国スキー講習会,3第1回スキー指導者検定講習会についても、あわせて解明しなければならなかったが、解明されていない。今後、早急に昨年度の課題である1全国スキー講習会、3第1回スキー指導者検定講習会についても、解明していく計画である。2年目は,昭和15年に日本スキー連盟が全国的に実施した全国スキー講習会について,以下の目的と方法に従い解明した.(全国スキー講習会の目的;全国スキー講習会の実態(前年同様)と意味を解明する.全国スキー講習会の方法;「実施要項」や各スキー連盟が所有する当該関連資料や新聞掲載記事を分析する.)昭和13年7月オリンピック開催返上,国は銃後の守りとして国民「体力向上」と「精神作興」を目標とした.日本体育協会は,国民体育を完成させる方向で準備を進め,各団体に目的設定を呼び掛け,スキー連盟は講習会の開催を実施した.全国スキー講習会の目的は,全国でスキー講習を簡単に開催できるようにして,体力の向上に役立たせることであった.従来は,長野県の野沢温泉スキー場や文部省の体育研究所に前項から指導者を集めて講習会を開催し,また地元に戻って指導させていた.だが,今後スキー講習会を全国で開催して指導員を任命し,指導員が居る地域では毎年スキー講習会を随時開催できるようにしたのである.全国40か所のスキー場で開始して,3,657名に及ぶ大勢が参加した.講習後にバッチテストが実施され,1級147名,2級505名の合格者を出している.尚1級合格者は,12月開催の指導者講習会に参加する資格を有した.しかし,反省点として以下のことが挙げられた.(1)本講習会の主旨が徹底せず,バッチテストのためと思われていた.(2)「一般スキー要項」に反する技術を講習した講師がいたこと.(3)級別テストの採点方法に各講師間に相違のあったこと.

(4)今回は初めてで開催費用を本部で賄ったが,次から全国指導者講習会のみとし,地方の講習会は地方連盟が主催する.2年目までは研究が計画に従い順調に進んでいる.当初の予定であれば、今年度は昭和15年にスキー連盟が実施した5国民皆スキー行進、6全国スキー講習会、7指導員検定講習会について解明する.しかし昨年度の計画が充分解明できていないので、昨年度やり残した1全国スキー講習会、3第1回スキー指導者検定講習会についても、併せて解明していく計画である。昭和16年の講習会については研究目的を解明する研究資料が少なく,資料収集の内容を変更していく可能性が生じている。関係したスキーによる体力養成の方法となるための項目に対象を変更することが考えられる.計画していた研究が充分進展せず、旅費を使うことができなかった。平成30年度は、充分な研究を実施するために、未使用額と合わせて調査旅費として使用する予定である。2018年度、資料収集において計画していた分だけ行けなかったことから、未使用額が発生してしまいました。未使用額については、2019年度において国際学会に参加をすることで使用したいと考えている。
飲酒が所得・学力形成に与える因果的効果の推定

本研究は飲酒が労働生産性に与える影響を推定することを目的とした研究計画である。飲酒を決定する操作変数として本研究計画ではアセトアルデヒド分解酵素を持つかどうかを示す2値変数を用いた。データはアルコールパッチテストの実施を含み回答者の教育水準・所得・労働時間などを聞いたサーベイ調査の結果から作成した。日韓両国のデータ分析の結果、アセトアルデヒド分解酵素を持つと思われる回答者は、そうでない回答者に比べて、飲酒の回数・量ともに統計的に有意に増加しているとともに時間当たり賃金も統計的に有意に増加していることが明らかになった。本研究は飲酒が所得や学力形成に与える因果的影響を推定する。既存研究は適度な飲酒が健康状態や所得に好影響を与えることを明らかにしてきたが、体質による飲酒効果の異質性に十分に注意を払ってきたとは言い難い。本研究は酒を飲める体質と酒を飲めない体質のものがいる東アジア人の特性に着目し、酒を飲める体質か否かをアルコールパッチテストで識別し、飲酒が結果変数に与える影響を推定する。飲酒によってアルコールが体内に取り込まれると、それは肝臓でアルコール脱水素酵素によってアセトアルデヒドに分解される。アセトアルデヒドはさらにアセトアルデヒド脱水素酵素により酢酸に分解され、それが水、二酸化炭素に分解されることで体外に排出されるが、東アジア人にはアセトアルデヒド脱水素酵素の働きが弱い体質のものがおり、毒性のあるアセトアルデヒドが体内に残留することによって顔が赤くなるなどの反応が起こる。これまでにアセトアルデヒド脱水素酵素の働きが弱い体質のものがアルコール摂取をすることは健康に悪影響を与える可能性を指摘する医学研究は存在するが、所得などに与える影響は知られていない。そこで本研究ではアルコール摂取が所得などに与える影響を体質ごとに明らかにすることを目的としている。平成28年度には韓国におけるデータ収集を行った。韓国調査会社に依頼し、アルコールパッチを配布し、飲酒に関する体質に関する情報とともに就業並びに賃金に関する情報を収集した。今後このデータの分析を進め、研究分担者が取得した日本のデータとの比較も通じて研究目的を達成する。平成28年度には韓国においてアルコールパッチを配布しサーベイを実施した。アルコールパッチを製造しているメーカーの協力、韓国のサーベイ会社の効率的な調査実施などの要因によって効率的に研究が進んだ。飲酒するかどうかは観察不能な労働生産性決定要因と相関することが予想されるため、飲酒行動には影響を与えるものの、観察不能な労働生産性決定要因とは相関しない操作変数を発見することが不可欠になる。そのような操作変数として本研究計画ではアセトアルデヒド分解酵素を持つかどうかを示す2値変数を用いた。データは韓国におけるアルコールパッチテストの実施を含み回答者の教育水準・所得・労働時間などを聞いたサーベイ調査の結果から作成した。このデータをすでに他の研究計画において作成した日本のデータと合わせて分析を行った。もっともこの結果を飲酒が時間当たり賃金に与える因果関係であると結論するためには、操作変数推定法を行う際に重要な仮定の一つである除外制約が満たされる必要がある。その点に関しては疑問を投げかける結果が得られた。上記の結果を論文にまとめたものをすでに研究協力者が京都大学、東京大学で発表した。それらのセミナーにおけるコメントを反映し論文を改訂し、国際学会での発表を行い、国際査読誌への投稿を行う予定である。平成29年度には作成したデータの分析を進める。分担研究者がすでに作成した日本のデータと合わせて分析し、論文を執筆する。日本経済学会など国内外の学会において論文発表を行い、フィードバックを得たうえで論文を改訂し、国際査読誌に投稿をする。医療経済学平成28年度に、飲酒が健康状態・就業状態・賃金・学力形成に与える因果的影響を推定するため韓国においてアルコールパッチを配布しサーベイを実施した。アルコールパッチを製造しているメーカーの協力もあり、サーベイの費用が当初の見込みより安価に実施できたため、次年度使用額が生じた。平成29年度は、平成28年度に実施した韓国での調査の分析をより詳細に検討する。関連分野の既存の研究を整理し、本研究で得られてた結果と比較分析し論文を完成させる。平成29年度の研究費は論文を完成させるにあたり必要な英文校閲費や国内学会発表旅費などに使用する。
オープンセル型ナノポーラスシリコンの開発と長寿命大容量リチウムイオン電池への応用

マグネシウムーシリコン合金をビスマス金属溶湯中に浸漬することで、マグネシウムがビスマス浴に優先的に溶出し、残されたシリコン原子がナノポーラス構造を自己組織化する金属溶湯中脱成分現象を発見した。この現象を利用してオープンセル型ナノポーラスシリコンの粉末をトップダウン的に作製することに成功した。これを活物質に用いたリチウム二次電池負極が、現行の炭素系負極の約3倍の重量容量を有し、かつ、1500回以上の優れたサイクル寿命を有することを明らかにした。脱成分反応系の確定:混合熱に関する成分則に基づいて、金属溶湯脱成分現象により、ナノポーラスSiを形成し得る組み合わせを考察し、その可否を実験的に確認した。その結果、Mg2Si前駆体をBi、PbおよびSn溶湯に浸漬することによって、脱成分反応を促すことに成功した。形成ポーラス構造制御因子とその影響の調査:Bi浴を用いた脱成分反応について、Bi温度および浸漬時間がポーラスSiの形態に及ぼす影響を調査した。温度は550850°C、浸漬時間は最長1時間とした。リガメントサイズの最少および最大値はそれぞれ50 nmおよび300 nmであることがわかった。リガメントは表面拡散により粗大化し、活性化エネルギーが245 kJ/molであることがわかった。Liイオン電池の作製とその評価:銅製集電体箔に、カーボンブラック、ポーラスSi負極活物質、および、バインダーの混合体を塗布してこれを正極とし、Li箔を負極、セパレータ、SUS製スペーサ等を用い、LiPF6wを電解液として2032型コイン状ハーフセルを作製した。定電流充放電試験では、充電速度0.5C下で従来の炭素系活物質よりも約10倍大きい3600 mAh/gまで充放電が可能であり、150回サイクル後も2000 mAh/g超を維持していた。充電容量を1000 mAh/gを上限とした定容量充放電試験では、最大1500回のサイクルまでこの容量を維持することを確認した。Li挿入・脱離に伴うSi構造やポーラス形状変化と電極反応に及ぼす影響の調査:充放電試験を終えて、容量減少が進行したコイン型ハーフセルを開封し、ポーラスSi粉末の形状変化をSEM観察した。この結果、充放電試験開始前には、粉末形状を維持して集電体上に分散していたSiは、充放電の結果、平坦で均質な層状に変化していた。論文作成・投稿:本研究成果に関わる最初の論文を作成して投稿した。省エネルギー促進の目的から、ハイブリッド自動車や電気自動車が実用化され、これらの駆動用電源として大容量・高サイクル寿命のリチウムイオン蓄電池(LIB)が必要になっている。シリコンは単位重量当たりのリチウム吸蔵量が最も大きい元素であり、これを用いることでLIBの大容量化が可能となる。しかし、シリコンにリチウムを吸蔵させると体積が最大で約4倍に膨れ上がり、電極が破壊されてしまうため、サイクル寿命が短い。本研究では金属溶湯中で起こる脱成分反応(合金から特定の元素が選択的に取り除かれ、残された元素がポーラス構造を自己組織化する現象)を利用してナノポーラスシリコンを作製しLIB電池電極の大容量化を達成するとともに、ナノポアによる体積膨張緩和効果による高サイクル寿命化を目的としている。これまでの研究成果により、ナノポーラスシリコンの作製条件と生成するポーラス構造(ポアサイズ、リガメントサイズ等)を明らかにすることができた。開発したポーラスシリコン粉末を活物質に用いてLIB電極を作製し、ハーフセルの電池評価を行ったところ、現行の黒鉛電極の約6倍の容量である2000mAh/gでの充電放電繰り返し試験ではその容量を220回維持した。一方で、黒鉛電極の約3倍の容量である1000mAh/gでの充電放電繰り返し試験では、1500サイクル超まで性能を維持することがわかった。今回開発したナノポーラスシリコンを負極活物質に用いることにより、LIBの負極容量を飛躍的に拡大できるとともに高サイクル寿命を達成できることが示された。ナノポーラスSiを用いた負極の合材層のリチウム吸蔵放出過程における巨視的厚さ変化を、接触変位計と自作の電気化学セルを用いてその場測定することに成功した。ナノポーラスシリコンを用いた電極は合材層に含まれるポロシティがナノ粒子シリコンを用いた電極に比べて大きく、リチウムの吸蔵に伴う体積変化をあるレベルまで電極内部に収容していることを実験的に確認した。このひずみ緩和効果によってナノポーラスSi電極ではクラックの導入が抑制されサイクル特性を向上させているものと考えられる。本研究で作製されたナノポーラスSiは粉体抵抗率が、ほぼ同等の比表面積を有する市販のSiナノ粒子に比べて34桁小さいことが分かった。これはMg-Si合金をBiの金属浴に浸漬してSiを製造する過程において、微量のMgやBiがSi中に不純物として不可避的に混入し、これらの不純物がキャリアとなってナノポーラスSi活物質の電気抵抗を低下させ、電極のオーム損を低減させることで容量やレート特性を向上させていることを明らかにした。また、MgおよびBiの不可避的不純物以外にもAl、B、PなどをドーピングしたナノポーラスSiを作製する脱成分反応設計を確立することができた。国際共同研究においては、透過電子顕微鏡トモグラフィによってナノポーラスSiの3次元形態の定量化やSiリガメントの結晶方位を特定することができた。また、高輝度X線トモグラフィでは、充放電を繰り返した電極の内部構造を三次元的に観察することに成功した。

現在、それらの結果をもとに、ナノポーラスSi電極の充放電に伴う性能劣化のメカニズムを考察している。次年度もこの研究を継続し、ポーラスSiのポーラス構造やコンポジット電極の構造設計に役立て、大容量・長寿命リチウムイオン電池の創出を目指す。計画通りに研究を進めることができている。前年度までに金属溶湯脱成分法で作製されるナノポーラスSiには前駆合金由来のMgと金属浴成分由来のBiがn型ドーパントとして存在しており(「不可避ドーパントと呼ぶ)、それらがSiの電気伝導性を向上させていることが明らかになった。この結果を基にして本年度ではナノポーラスSi中のドーパントを制御する手法を検討した。前駆合金Mg-(Si,D)(D:ドーパント)をBi金属浴に浸漬して脱成分する際にBi浴中に溶出しないDを平衡状態図や混合熱を参考に検討し、DとしてP(n型)、Al(p型)を注入することにした。これらのDを注入したMg-(Si,D)前駆合金をBi金属浴中で脱成分処理したところDが注入されたナノポーラスSiが得られた。Siのポアサイズやリガメントサイズにドーパントはほどんど影響しなかった。ドーパントが注入されたナノポーラスSiをLIB負極に用いたところ、サイクル特性や容量の明確な改善は見られなかった。この理由は意図的にドープされたDが不可避ドーパントとキャリア補償を生じ、結果としてドーパント濃度が低下したためと考察する。従って、本プロセスを用いてSiにドーパントを注入する際には不可避ドーパントと伝導型が同じn型のドーパントを注入する必要があることが明らかになった。国際共同研究においては、米国ブルックヘブン国立研究所シンクロトロンX線を用いて充放電を繰り返したナノポーラスSiハーフセルの内部観察を行い、充放電に伴いSi活物質が微粉化していく様子や過剰なSEIの成長によるポアの消失が観察され、活物質の劣化の過程を明らかにすることができた。また、本研究で開発されたナノポーラスSiを負極活物質として、リチウムイオン伝導固体であるLiBH4を電解質に用いることで、1000 mAh/g以上の容量を有する全固体電池負極の開発にも成功している。マグネシウムーシリコン合金をビスマス金属溶湯中に浸漬することで、マグネシウムがビスマス浴に優先的に溶出し、残されたシリコン原子がナノポーラス構造を自己組織化する金属溶湯中脱成分現象を発見した。この現象を利用してオープンセル型ナノポーラスシリコンの粉末をトップダウン的に作製することに成功した。これを活物質に用いたリチウム二次電池負極が、現行の炭素系負極の約3倍の重量容量を有し、かつ、1500回以上の優れたサイクル寿命を有することを明らかにした。ポーラスシリコンの構造制御マップの構築、ハーフセルでのリチウムイオン二次電池特性評価とその最適化、走査電子顕微鏡(SEM)・集束イオンビーム(FIB)加工を用いた電極構造の観察と破壊メカニズムの考察等、平成26年度までに計画されていた研究計画はほぼ達成できており、おおむね順調に進展している。これまでに得られた知見に加え、今後は下記の3点について研究を行い、最も優れた容量・サイクル寿命を有するリチウムイオン電池を開発する。1ドーピングSiのLIB特性解明:昨年度に作製に成功したAl、B、Pドープ型ナノポーラスSiのLIB負極特性を明らかにする。