hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
アシルジカチオンの創出と置換基一般的な芳香族求電子置換反応の実現

芳香族化合物は、創薬化学・機能性分子合成において最も重要な構造単位の一つである。有用な新規化合物を合成するためには、多様な置換基を持つ芳香族化合物の合成法開発が要となっている。現在の技術で合成可能な多置換芳香環は未だに限られている。そこで、求電子性の向上の観点からこれまでにない新規求電子種を開発することで、古典的な芳香族求電子置換反応の更なる発展を目指した。不活性化された芳香環を修飾することのできる強力な求電子種を探索したところ、N-プロトン化あるいはN-アルキル化をうけたイソシアネート官能基の炭素原子部位が非常に強力な求電子性を有することを見出した。本求電子種は、カルバメート化合物を超強酸性溶媒であるトリフルオロメタンスルホン酸に溶解することで容易に発生させることができた。発生条件は脱離基の構造に大きく影響をうけ、メタノール脱離基においては加熱が必要とされ収率の低下などが起きたが、カルバメートの脱離基をサリチル酸メチルにしたところ、室温でも速やかに求電子種が発生することが見出された。超強酸反応場において新規求電子種を利用することで、従来法では合成が困難であった化合物群を網羅的に合成することが可能になった。分子内反応においては芳香環にアミド基が導入されたベンゾラクタム類が得られる。6員環形成反応では、従来芳香族求電子置換反応が利用困難であった、ニトロ基やトリフルオロメチル基などの不活性化基を有する芳香環の反応が可能であった。また、更に形成困難な5員環や7員環が形成できるのみならず、8員環や9員環のような中員環の合成へも適用が可能であった。本研究は、これまでに生物活性が報告されていながらも簡便な合成法が存在しなかった中員環ベンゾラクタムの合成に応用できるため、医薬品候補化合物の簡便な合成への応用が期待される。26年度が最終年度であるため、記入しない。創薬化学に代表される機能性分子合成において、芳香族化合物は最も重要な構造単位の一つである。しかし、置換基に依存して芳香環の反応性が大きく変化するため、多様な置換基を複数有する芳香族化合物を自在に合成することは現代においても未解決な課題である。本年度は、強力な求電子種であるアシリウムイオンの等電子求電子種であるN-プロトン化(またはアルキル化)イソシアネートの生成を可能にする超効率的な脱離基の探索を行った。カルバメートにおけるC-O結合の選択的な解裂の効率化を実現するために強ブレンステッド酸によって速やかに活性化され脱離する新規脱離基を検討した。その結果、安価な抗炎症剤であるサリチル酸メチルを脱離基とすることで、強酸中でサリチル酸メチル部位をプロトン化し、分子内カチオン性水素結合を通じて効率的にカルバメートを活性化する手法を見出した。この改善によって、以前は70°C以上での加熱が必要であったカルバメートの活性化が、室温以下でも容易に進行するようになった。また、プロトン化イソシアネートの有機合成への応用を目指し、芳香族化合物の修飾反応を行った。この結果、電子供与性のアルコキシ基から電子求引性のニトロ基まで幅広い電子状態を持つ置換基を有する置換ベンゼンを求電子活性の向上した反応活性分子種によってさらに置換修飾することができることが明らかになった。また、応用性の拡大を目指し、反応活性分子種および置換ベンゼンに光学活性中心をもつ場合にも光学活性を失わず反応が適用可能であることを検証したところ、光学活性が失われやすいことがしばしば問題を引き起こすアミノ酸誘導体において、光学活性を完全に保持したまま反応が進行することが明らかになった。本研究結果は簡便にジヒドロイソキノロン誘導体を合成できる新規手法の提示であり、新規医薬品シード化合物の合成への応用が期待される。

6員環形成反応では、従来芳香族求電子置換反応が利用困難であった、ニトロ基やトリフルオロメチル基などの不活性化基を有する芳香環の反応が可能であった。また、更に形成困難な5員環や7員環が形成できるのみならず、8員環や9員環のような中員環の合成へも適用が可能であった。本研究は、これまでに生物活性が報告されていながらも簡便な合成法が存在しなかった中員環ベンゾラクタムの合成に応用できるため、医薬品候補化合物の簡便な合成への応用が期待される。26年度が最終年度であるため、記入しない。当初の予定である置換基一般的な求電子置換反応を実現することのできる求電子種を検討した。この結果、イソシアネートカチオンを利用することでアルコキシ基からニトロ基に至るまで幅広い置換基に対応した求電子置換反応が実現できたため、おおむね順調である。本研究課題で新たに浮上した課題として、イソシアネートカチオンが有用な求電子種であり、その適用限界が明白でないことが挙げられる。そのため、分子間反応、分子内中員環構築反応など、通常は困難とされている芳香族求電子置換反応についても検討を行ってゆくこととする。また、当初の予定である活性化アシリウムイオンの反応も併せて検討する。
進行性乳癌の癌性皮膚潰瘍に対する皮膚貼付型ハイドロゲルの開発

【背景・目的】進行性乳癌の癌性皮膚潰瘍の寛解を目的とし、ヒドロキシプロピルメチルセルロース(HPMC)水溶液に電子線を照射したハイドロゲルを調製した。【結果・考察】ゲル分率はPAAcの添加量に応じて高くなった。塩基性条件では、HPMC/PAAcゲルはHPMC単体よりも膨潤度が高くなった。これは、PAAcのカルボキシル基が解離したことによる静電反発による可能性が考えられた。強度はPAAcを添加することで変化が生じた。ゲルからの薬物放出率に差は認められず、いずれも非Fick型の挙動を示した。これらの結果より、新規高分子の添加によりHPMCゲルの吸水能の向上が認められた。1.ハイドロゲルの調製:共同研究者である原子力機構ではPVAやPVPに電子線を照射することによりハイドロゲルを調製できることを見出している。本研究においてはHPMC、HPC、MCなどの高分子に電子線を照射することによりハイドロゲル形成の有無を検討したところ、ハイドロゲル形成が認められ、高分子の濃度、照射量により種々の物性を有するゲルを調製することができた。2.ゲルを構成する高分子水溶液の物性評価:医薬品を含有するハイドロゲルの調製を考慮した時、ハイドロゲルを構成する高分子水溶液を成分とする分散媒中の分散質の沈降、凝集が医薬品のハイドロゲル中の均一性に影響すると考え、溶液安定性評価装置(タービスキャン)により分散室の沈降性を評価し、水溶性高分子濃度決定の根拠とすることができた。3.ハイドロゲルの物性評価:電子線照射により得られたハイドロゲルの強度、付着性をレオメータにより観察し、実際に患部へ適応する際、患部の状態に応じた性状を有するハイドロゲルの調製条件(濃度、照射量)を見出すことができた。4.ハイドロゲルに含有させる医薬品の検討:ハイドロゲル中に含有させる医薬品としてがん性悪臭除去を目的としたメトロニダゾール、疼痛除去を目的としたインドメタシンなどを想定している。両者の融点は160-170°Cと互いに近く、両者を種々の混合比率で加熱溶融したところ、モル比1:1の混合物は共融混合物を形成することが明らかになった。1.薬物含有ハイドロゲルの調製:共同研究者である原子力機構にて水溶性高分子(ヒプロメロース:HPMC)に電子線を照射し、ハイドロゲルを調製した。今年度はハイドロゲル中に数種の薬物を実際に導入し、ハイドロゲルからの薬物放出挙動について検討した。まず、各種癌種および術後鎮痛剤として使用されているトラマドール塩酸塩をモデル薬物として含有させた際の放出挙動について検討したところ、照射線量の違いにより異なる放出挙動を示した。また、吸収促進剤としてプロピレングリコールを添加したin vitro放出試験の結果から、経皮吸収促進剤を添加することにより薬物の皮膚透過量が増加することが明らかとなった。2.トラマドールによる鎮痛効果の検討:ヘアレスマウスを用いた酢酸writhing法によりトラマドール塩酸塩含有ハイドロゲルの鎮痛効果を評価したところ、鎮痛効果はハイドロゲルに含浸させる薬物濃度に依存する傾向を示した。3.pH応答性ハイドロゲルの調製:HPMCに加え、生体適合性およびpH応答性を有するポリアクリル酸(PAAc)を混合した水溶液に電子線を照射して調製したハイドロゲルの物性を評価したところ、PAAc濃度の増加に伴い、高いゲル分率を呈した。また、pH2.1および6.8における膨潤度を比較したところ、pH6.8の溶液において高い膨潤度を示し、pH応答性が認められた。さらに、モデル薬物としてメトロニダゾールを含浸させたハイドロゲルを調製し、薬物放出挙動を検討したところ、初期の速い放出に続き、ゆっくりとした放出が認められた。本年度の課題はハイドロゲルの薬物担体としての応用の可能性を検証することであった。がん性疼痛緩和に用いられるトラマドールは通常、注射もしくは経口投与されるが、本研究ではハイドロゲルより放出され、皮膚を介して吸収され、鎮痛効果を発揮することがフランツセルを用いたin vitro実験およびヌードマウスを用いたin vivo実験を通して明らかにすることができた。さらに、生体適合性およびpH応答性を有するPAAcとHPMCを混合した水溶液に電子線を照射して調製したハイドロゲルの物性を評価したところ、周囲の液性(pH)に応じた性状変化を示した。本ハイドロゲルにがん性悪臭の除去に用いられるメトロニダゾールを含浸させ、その放出挙動を検討したところ、初期の速い放出に続き、ゆっくりとした放出が認められた。本実験系の放出挙動についてはさらに検討が必要であるが、ハイドロゲル適用部位の体液の性状に応じて物性を変化させることができるハイドロゲル調製が可能であることを見出したことは、次年度の実験の重要な基礎とすることができると考える。【背景】進行性乳がんのがん性皮膚潰瘍は浸出液の漏出や悪臭を生じる。臨床において、浸出液の漏出には吸水性を持つハイドロコロイド剤が用いられているが水分保持が不可能であること、また、悪臭にはメトロニダゾール軟膏を塗布するが、清拭時に出血や痛みを生じるという問題があり、効果的な製剤は開発されていない。本研究室ではヒドロキシプロピルメチルセルロース(HPMC)溶液に電子線を照射して作製したゲルには吸水性や保水性、薬物放出能があることを報告している。

HPMCゲルの吸水性を利用することで浸出液の漏出に対処し、臭気を軽減する薬物をハイドロゲルから放出することでがん性悪臭が軽減できると考えられ、HPMCゲルはがん性皮膚潰瘍に対する有用な製剤になると期待できる。しかし、HPMCゲルはハイドロコロイド剤よりも吸水力が低く、臨床への応用が難しい。そこで本研究では、HPMCゲルの吸水力の向上を目的として新たに機能性高分子(ポリアクリル酸、PAAc: Mv:1,250,000)を添加しゲル分率、膨潤度、強度、薬物放出率への影響について検討した。【結果・考察】1)ゲル分率の測定:ゲル分率は高分子であるPAAcを添加することで高くなることが分かった。2)ゲル膨潤度の検討:精製水条件下ではPAAc1%のゲルの膨潤度はPAAcを添加していないゲルよりも膨潤度は有意に向上した。一方、PAAc5%ゲルは添加していないゲルよりも膨潤度が有意に低下した。3)ゲル強度測定:精製水条件下では、PAAc5%のみ有意に向上した。pH7.4条件下では有意な差はみられなかった一方で、pH7.7条件下では全てのゲルに有意な差がみられた。これらの結果より、HPMCおよびPAAcを構成成分とするハイドロゲルは、pH応答性を有し、種々の性状を呈する患部に適用可能であると考えられた。【背景・目的】進行性乳癌の癌性皮膚潰瘍の寛解を目的とし、ヒドロキシプロピルメチルセルロース(HPMC)水溶液に電子線を照射したハイドロゲルを調製した。【結果・考察】ゲル分率はPAAcの添加量に応じて高くなった。塩基性条件では、HPMC/PAAcゲルはHPMC単体よりも膨潤度が高くなった。これは、PAAcのカルボキシル基が解離したことによる静電反発による可能性が考えられた。強度はPAAcを添加することで変化が生じた。ゲルからの薬物放出率に差は認められず、いずれも非Fick型の挙動を示した。これらの結果より、新規高分子の添加によりHPMCゲルの吸水能の向上が認められた。本研究の課題では2種以上の水溶性高分子混合溶液に電子線を照射して温度変化または周囲のpH変化により性状を変化させることができるハイドロゲルの調製を目的としているが、第一段階の実験として行った水溶性高分子1成分からなるハイドロゲルの調製については、高分子の濃度、照射量をコントロールすることにより、種々の物性を有するハイドロゲルを調製可能であることが明らかにすることができた。また、本製剤はがん性皮膚潰瘍治癒を目的としていることから、潰瘍部位の温度、pHに応じて性状を変化させ、浸出液の吸収および薬物放出する製剤設計を目的としている。これまでにハイドロゲル中に含有させる医薬品として悪臭除去を目的としたメトロニダゾール、疼痛除去を目的としたインドメタシンを候補物質としたが、これらの混合物に関し、物性評価したところ、122°C付近に共融点を有する共融混合物形成が認められた。今後、共融混合物からの各薬物の溶出挙動などの物性を詳細に検討することにより、ハイドロゲル中に実際に含有させた際のハイドロゲルからの薬物放出挙動などを明らかにすることができると考える。これまでの研究より、メトロニダゾールとインドメタシンの共融混合物、メトロニダゾール、トラマドールなどの薬物をハイドロゲル中に含浸可能であることが明らかになった。
表面反応メカニズム解明による不均一系人工光合成触媒の合理的設計

光触媒を用いた水による二酸化炭素の還元においては、選択的に二酸化炭素を還元するための表面反応の制御をすることが重要である。本研究では光触媒の表面反応を理解することで、光触媒の合理的な設計指針を得ることを目指した。具体的には、銀助触媒を担持した酸化ガリウム光触媒を対象に、触媒表面および触媒表面上に吸着した二酸化炭素分子の化学状態・構造を観察した。反応前の銀高担持触媒中の銀粒子は部分的に酸化された状態にあり、酸化ガリウムとの界面では複合酸化物構造を形成していることが分かった。反応後の触媒では銀は金属的な状態となり、触媒活性は反応時間とともに増加していったことから、反応初期の複合酸化物の分解に励起電子・正孔が消費され助触媒作用を示す銀金属に変化したものと考えられる。一方で銀低担持触媒中には小さな銀金属クラスターが存在しており反応初期に高活性であるが、反応後には凝集して活性が低下することが明らかになった。さらに、二酸化炭素分子は金属状態の銀粒子には吸着しない一方で、複合酸化物を形成した銀粒子に強く吸着することが明らかになり、触媒反応への関与が示唆された。また、銀金属助触媒上で進行する二酸化炭素還元反応を明らかにするため、光照射しながらFT-IRスペクトルの経時変化を測定した。光照射時間に伴って炭酸塩に帰属される吸収が増大し、この吸収は銀を担持していない酸化ガリウム光触媒では観測されず,銀の担持量が多い光触媒の方が大きな増大を示した。さらに、この吸収増大は系内に二酸化炭素が存在しない場合には生じず、二酸化炭素の分圧に依存した。以上より、光照射によって銀金属助触媒上に吸着した二酸化炭素種をin-situ FT-IR測定によって捉えることに成功した。29年度が最終年度であるため、記入しない。人工光合成の一つである水を用いた二酸化炭素の還元においては、選択的に二酸化炭素を還元するための表面反応の制御が重要である。本研究では水を用いた二酸化炭素の還元を可能とする光触媒の合理的設計を目指しており、特に光触媒の表面反応を理解し制御することによりこれを達成する。具体的には銀助触媒を担持した酸化ガリウム光触媒を対象に、触媒表面及び触媒表面に吸着した反応分子双方の触媒反応中における化学状態・構造変化を観察することに主眼を置いている。本年度は酸化ガリウム光触媒上の銀助触媒及び二酸化炭素分子が、触媒反応中にどのように変化するかを明らかにした。反応後の触媒では銀は金属的な状態となり、触媒活性は反応時間とともに増加していったことから、銀粒銀低担持触媒中には小さな銀金属クラスターが存在しており反応初期に高活性であるが、反応後には凝集して活性が低下することが明らかになった。さらに二酸化炭素分子の吸着は金属状態の銀粒子には吸着しない一方で、複合酸化物構造を形成した銀粒子に強く吸着することが明らかになり、触媒反応への関与が示唆された。また、光照射によって生成する反応中間体に関する情報も得られている。本年度はこれらの成果を学会や論文誌等で発表することで成果報告した。本年度の研究計画は反応前後の触媒表面及び反応分子の化学状態・構造変化を観察することであるが、酸化ガリウム光触媒表面上の銀助触媒の反応前後の変化についてはTEM、XANES、EXAFSの複合解析より詳細に明らかにすることができた。反応分子である二酸化炭素分子の吸着状態は、FT-IR測定により明らかにすることを試みており、銀助触媒が二酸化炭素分子の吸着状態へ与える影響に関する重要な知見は得られた。しかしながら、二酸化炭素分子が光照射によってどのように還元生成物へと変化するかについての理解はあまり進まなかった。特に、実際の光触媒反応において大きく関わる水分子の作用や、銀助触媒の状態変化との関連について今後明らかにする必要がある。

さらに、この吸収増大は系内に二酸化炭素が存在しない場合には生じず、二酸化炭素の分圧に依存した。以上より、光照射によって銀金属助触媒上に吸着した二酸化炭素種をin-situ FT-IR測定によって捉えることに成功した。今後は光触媒反応中における経時変化及び時間分解観察によって、二酸化炭素分子の還元過程の詳細を明らかにしていく。水分子の作用や銀助触媒の役割についても明らかにするためには、測定環境の緻密な制御・検討の必要があると考えている。実際の光触媒反応環境に近い、溶液中でのFT-IR測定も試みる予定である。29年度が最終年度であるため、記入しない。
インフルエンザウイルスゲノムのパッケージング機構の解析とウイルスべクターへの応用

これまでは、インフルエンザウイルス・ゲノムのインコーポレーション・シグナルは、蛋白質非翻訳領域にあると考えられていた。そこには全ての分節に共通な配列が存在しているため、その共通配列がシグナルとして働くという前提でランダム・インコーポレーション説が唱えられてきた。それに対し、各分節に固有のシグナルがあるとするセレクティブ・インコーポレーション説があったが、これも蛋白質非翻訳領域にシグナルがあるという考えが前提だったため、どちらの説も万人を納得させられるものではなかった。本研究では、1999年に開発されたプラスミドからのインフルエンザウイルス・リバースジェネティクス系を駆使し、レポーター蛋白質GFPを発現するNA分節の変異ウイルス(NA-GFP)を作製し、NA分節のインコーポレーション・シグナルは蛋白質翻訳領域のRNA配列にあることを明らかにした。蛋白質翻訳領域のRNA配列には、全ての分節に共通している配列は無いこと、ウイルス遺伝子が細胞内に8種類、7種類、6種類存在する時では粒子形成効率が異なり、8種類ある時が最も効率が良いこと、HA分節のインコーポレーション・シグナルも蛋白質翻訳領域にあり、NA分節の配列とは共通していないこと、等から、インフルエンザウイルスの各ゲノムは固有のシグナルによりセレクティブ・インコーポレーションをしていることを示した。作製したNA-GFPウイルスは外来遺伝子にNA分節のインコーポレーション・シグナルを付加したもので、この方法により外来遺伝子が効率よくウイルス粒子に取り込まれることを示した。NA-GFPウイルスはin vivoでも外来遺伝子を保持、発現し、蛋白質発現ベクターとしての条件を満たすものと考えている。A型インフルエンザウイルスのゲノムは8種類のマイナス鎖RNAから構成されている。これらのウイルスゲノムRNA(vRNA)のウイルス粒子へのインコーポレーションメカニズムの詳細は、未知のままである。本研究では、インフルエンザウイルスの人工合成系を用いて、NA vRNAに様々な変異を導入したNA-GFPウイルスを作製し、その性質を調べることによりNA vRNAのインコーポレーション・シグナルを同定した。また、そのシグナルを外来遺伝子に付加することで、外来遺伝子を効率良く粒子に取り込み発現するインフルエンザウイルスベクターを作製した。1)NA vRNAのインコーポレーション・シグナルは、蛋白質翻訳領域にある変異NA-GFPウイルス粒子に含まれるNAセグメントのインコーポレーション率を求めた。その結果、NA vRNAがウイルス粒子に取り込まれるためには、蛋白質翻訳領域内の配列も重要であることが明らかになった。2)vRNAが互いのインコーポレーション・シグナルを認識する(ベースペアリングモデル)NA vRNAのインコーポレーション・シグナル近傍の二次構造予測をすると、シグナル部分は分子内でベースペアを作っていないと考えられた。すなわち、他のセグメントのシグナルとベースペアを作り得るため、vRNAがインコーポレーション・シグナルにより互いを認識し一塊りとなり粒子に取り込まれるモデル、ベースペアリングモデルを提唱した。3)インコーポレーション・シグナルを利用してのウイルスベクター作製NA-GFPウイルスの開始コドンを改変し、NAではなくGFPの開始コドンから翻訳が始まるウイルスを作製した。また、同様にHAの代わりにVSVのG蛋白質を発現するvRNAと組み合わせることで、NA蛋白質を欠いたままでもレセプターへの結合と細胞からのリリースが可能で、外来遺伝子を発現するウイルスの作製に成功した。それに対し、各分節に固有のシグナルがあるとするセレクティブ・インコーポレーション説があったが、これも蛋白質非翻訳領域にシグナルがあるのが前提だったため、どちらの説も万人を納得させられるものではなかった。

蛋白質翻訳領域のRNA配列には、全ての分節に共通している配列は無いこと、ウイルス遺伝子が細胞内に8種類、7種類、6種類存在する時では粒子形成効率が異なり、8種類ある時が最も効率が良いこと、HA分節のインコーポレーション・シグナルも蛋白質翻訳領域にあり、NA分節の配列とは共通していないこと、等から、インフルエンザウイルスの各ゲノムは固有のシグナルによりセレクティブ・インコーポレーションをしていることを示した。作製したNA-GFPウイルスは外来遺伝子にNA分節のインコーポレーション・シグナルを付加したもので、この方法により外来遺伝子が効率よくウイルス粒子に取り込まれることを示した。NA-GFPウイルスはin vivoでも外来遺伝子を保持、発現し、蛋白質発現ベクターとしての条件を満たすものと考えている。
視覚野における微小神経回路網の機能的役割の解明

脳は神経細胞がシナプス結合した神経回路網により情報を処理する。大脳皮質一次視覚野2/3層には、相互に密に結合したクラスター性の高い神経回路網が埋め込まれていることが知られている。本研究では、この微小神経回路網が視覚情報処理において担う機能的役割について検討し、視覚特徴選択的な同期発火の基盤となることを明らかにした。平成27年度は、生後発達期に全視覚入力や形態視入力を遮断することにより微小神経回路網を欠損したラット群を用いた。麻酔ラットV1より多チャンネル電極により複数細胞から神経活動を同時に記録した。記録した視覚野細胞の視覚反応性と活動同期性を解析し、正常に飼育したコントロール群と比較した。V1神経細胞は、コントロール群と比較して視覚反応選択性が低かった。また、同時に記録した複数の神経細胞活動に相互相関法を適用し、活動の同期性を定量的に解析したところ、視覚入力を遮断したラット群において、神経細胞の同期発火性が低かった。さらに、活動同期性と個々の神経細胞の視覚反応性を対応づけて解析した。コントロール群では、類似した視覚反応性をもつ神経細胞ペアの神経活動が同期したが、視覚入力遮断群では、このような傾向は観察されなかった。これらの結果より、V1神経細胞群における視覚刺激に選択的な同期発火は、生後の多様な視覚経験に依存して生じることが明らかになった。この成果は論文として準備中である。生後視覚入力を遮断することで微小神経回路網の欠損させたラットV1では、神経細胞の視覚反応選択的な同期発火が低下することを示せた。今後より直接的に微小神経回路網と同期発火の対応を解明することを目的とする。大脳皮質一次視覚野の神経細胞は、ランダムに結合するのではなく、特定のルールに従って結合する微小神経回路網を形成している。この微小神経回路網内では、シナプス結合のある2/3層錐体細胞ペアは、その周辺の興奮性細胞からの入力を高い頻度で共有する。私は、この微小神経回路網が、生後の多様な視覚環境からの入力に依存して形成されることを見出しており、視覚情報処理において何らかの役割を果たすと考えている。本研究は、この微小神経回路網の機能的役割の解明を目的とする。まず、生後の視覚環境を操作することにより、微小神経回路網が形成及び欠損しているラットを用い、複数の神経細胞の活動同期性を調べた。麻酔したラット一次視覚野の複数の神経細胞活動を多チャネル電極によりに計測したところ、以下の結果が得られた。1)微小神経回路網を含む一次視覚野では、類似した視覚反応性をもつ細胞間で同期発火が生じた。2)開眼直後のラットにおいては、視覚刺激による同期発火そのものが観察されなかった。3)生後の視覚経験を操作することにより微小神経回路網が欠損した一次視覚野では、類似した視覚反応性をもつ細胞間での同期発火が観察されなかった。さらに、微小神経回路網の欠損し、一次視覚野において同期発火が生じないラットの視覚機能を水迷路を用いた行動実験により検証したところ、著しい視力低下が観察された。これらの結果は、微小神経回路網が類似した視覚反応をもつ細胞間の同期発火の神経回路基盤であること、さらに、視覚情報処理において重要な役割を果たす事を示唆する。微小神経回路網が、類似した視覚反応性をもつ神経細胞間の同期発火の神経基盤となることを明らかにした。現在は、微小神経回路網が同期発火の基盤であるかを直接的に検討するために、個々の神経細胞間のシナプス結合の有無と、視覚反応性の類似度、視覚刺激に対する活動同期性の関係を同一細胞間で行うことを計画している。大脳皮質一次視覚野において、シナプス結合のある2/3層錐体細胞ペアは、その周辺の興奮性細胞からの入力を高い頻度で共有する。私は、この微小神経回路網が生後の多様な視覚環境からの入力に依存して形成されることを見出している。本研究は、この微小神経回路網の視覚応報処理における機能的役割の解明を目的とした。まず微小神経回路網の有無が神経活動パタンに及ぼす影響を明らかにするために、生後の視覚環境を操作し微小神経回路網が存在するラット及び欠損しているラット一次視覚野神経細胞の神経活動パタンの特性を比較した。複数の神経細胞の活動を多チャンネル電極により計測し、神経活動同期性を定量的に解析し以下の結果を得た。1)微小神経回路網が存在する一次視覚野では、類似した視覚反応性をもつ細胞間で同期発火が生じた。2)微小神経回路網が存在しない開眼直後のラットでは、視覚刺激による同期発火が観察されなかった。3)生後の視覚環境操作により微小神経回路網が存在しない一次視覚野では、類似した視覚反応性をもつ神経細胞間において同期発火が観察されなかった。また、一次視覚野で同期発火が生じないラット二次視覚野では視覚反応性そのものが著しく低下した。さらに、これらの微小神経回路網の欠損したラットの視覚機能を水迷路による行動実験により解析したところ、視覚行動の獲得が困難であることが示された。これらの結果は、微小神経回路網が類似した視覚反応をもつ細胞間の同期発火の神経回路基盤であること、さらに、同期発火の低下がより視知覚行動レベルにおいても重要な役割を果たす事を示唆する。

本研究では、この微小神経回路網が視覚情報処理において担う機能的役割について検討し、視覚特徴選択的な同期発火の基盤となることを明らかにした。本年度は、より直接的に微小神経回路網と同期発火性を対応づけるため、正常な視覚体験を経た3週齢ラットを対象に、改変型狂犬病ウィルスを用い、1つのV1神経細胞にシナプス入力するシナプス前細胞群を蛍光ラベルする。二光子励起顕微鏡観察下でこれらの細胞から同時に傍細胞記録記録を行ない、視覚刺激に対する活動同期性を解析し、蛍光ラベルされた細胞とそうでない細胞からも同時記録を行い比較することで、同じ微小神経回路網に属する細胞は同期発火を引き起こしているかを直接的に検討する。一次視覚野における同期発火が、情報伝達において果たす役割を明らかにすることを目指す。すでに、一次視覚野内で同期発火が減弱したラット2次視覚野において、視覚反応性そのものが減弱することを見出している。この結果は、領野間の情報伝達において、同期発火が重要な役割を果たすことを示唆する。この点を明らかにするために、同一領野に投射する神経細胞が微小神経回路網を形成していること、それらが同期発火していることを直接的に検証していく。神経科学改変型狂犬病ウィルスを用い、単シナプス性神経回路を可視化する予定だったが、電気生理学的実験と解析に時間がかかり、取り掛かれなかったために、次年度使用額が生じた。28年度後半に動物実験室において、感染事故が生じ、実験の遂行が困難となったために、次年度使用額が生じた。平成27年度に行う予定だった改変型狂犬病ウィルスを用いた単シナプス性神経回路の可視化と視覚反応性の解析を本年度行う予定である。当初に予定していた実験計画を遂行する。
ホール伝導度ゼロ状態を用いた電流-スピン流変換機能

本研究ではホール係数が近似的にゼロとみなせる両極性伝導体に外部磁場を印加することによって「電流-スピン流変換機能」が付与できるしくみを理論的に考察すると共に,スピン流発生の実証実験を磁気電気輸送測定にもとづいて実施した.研究は,(I)両極性伝導体を用いたスピン流発生機構とそれを利用した論理演算ゲートに関する理論的研究,(II)擬ゼロホール係数材料YH_2の高品質化研究,という準備段階を経て、(III)YH_2への磁性元素Gd導入によるスピン偏極キャリヤ生成,(IV)強磁性電極から微小YH_2チャネルへのスピン偏極電流注入,というスピン流生成実験へと展開させた.その結果,微小ホール素子のチャネル材料にYH_2或いはGd_xY_<1-x>H_2を使うことによって,外部磁場によって,純スピン流が生成可能であることが分かった.YH_2の場合には,ただし,電極としてCoを用いる必要がある.本研究ではホール係数が近似的にゼロとみなせる両極性伝導体に外部磁場を印加することによって「電流-スピン流変換機能」が付与できるしくみを理論的に考察すると共に,スピン流発生の実証実験を磁気電気輸送測定にもとづいて実施した.研究は,(I)両極性伝導体を用いたスピン流発生機構とそれを利用した論理演算ゲートに関する理論的研究,(II)擬ゼロホール係数材料YH_2の高品質化研究,という準備段階を経て、(III)YH_2への磁性元素Gd導入によるスピン偏極キャリヤ生成,(IV)強磁性電極から微小YH_2チャネルへのスピン偏極電流注入,というスピン流生成実験へと展開させた.その結果,微小ホール素子のチャネル材料にYH_2或いはGd_xY_<1-x>H_2を使うことによって,外部磁場によって,純スピン流が生成可能であることが分かった.YH_2の場合には,ただし,電極としてCoを用いる必要がある.殆どゼロと見なせる極度に小さなホール係数をもつ両極性伝導体が「電流-スピン流変換素子」として機能することを実証することが研究目的のひとつである.本年度は,実証実験の準備と並行して,正常ホール効果の他に,スピン-軌道相互作用による異常ホール効果を考慮して,スピン流発生機構を支配する電子と正孔のキャリヤ走行のキネマティクスを理論解析した結果,(i)負に帯電した不純物原子によるスキュー散乱は,外部磁場によるローレンツ力と共に,スピン流の生成を促進すること,一方,(ii)正に帯電した不純物原子によるスキュー散乱は,スピン流の生成を抑制すること,(iii)スキュー散乱以外のスピン-軌道相互作用(例えばサイドジャンプ型)は,ローレンツ力がもたらすスピン流生成に影響を与えないことを確認した.YH_2におけるホール係数ゼロ状態の起源を調べるために,ホール抵抗,横磁気抵抗,および磁化曲線の温度依存性を調べた結果,10K以下の温度領域で,負の横磁気抵抗および磁化曲線にヒステリシス現象を伴う強磁性成分が見出された.このとき,磁場1Tにおける1原子あたりの室温磁気モーメントは約0.034μ_Bであった.これは強磁性体相Gdの磁気モーメント値(7μ_B)の約0.5%である.YH_2で観測される負の磁気抵抗現象は,強磁性信号をもたらしたスピン偏極状態と関与している可能性が考えられる.YH_2に類似した電子構造をもつ水素吸蔵体としてGdH_2,YbH_2,ScH_2,LuH_2が理論的に指摘されている.本年度は,新たにGdの水素吸蔵体を作成した.電子ビーム法で蒸着したGd膜を様々な温度で水素雰囲気処理し,そのホール効果測定を行った結果,水素処理温度の増加と共にGdの水素化反応が進行すると,正常ホール係数が減少し,例えば370°Cの処理温度によって得られた水素化物では,室温正常ホール係数が約-3.56×10^<-11>m^3/Cになった.この値は,典型的な補償金属であるMoの値と同程度である.したがって,GdH_2もYH_2同様両極性伝導体であると云える.また,GdH_2のホール効果にはスキュー散乱によると思われる異常ホール抵抗成分も観測されており,キャリヤがスピン偏極していることが分かる.このことはスピン流生成にとって大変都合のよいことである.或る程度のスピン偏極度を保ちながら,ホール係数の小さなバイポーラ伝導特性を維持できる材料の候補として,非磁性の水素吸蔵体YH_2とGdH_2との合金Gd_xY_<1-x>H_2に注目した.作製した合金Gd_xY_<1-x>H_2(x=0.180.79)における格子定数のGd濃度依存性は,ベガード則を示すことから,固溶体合金が得られていることが分かった.これらの磁化およびホール抵抗の磁場依存性測定によって,x=0.49では.異常ホール効果が77Kにおいて明確に観測され,キャリヤが外部磁場中でスピン偏極することが分かった.なぜならば,異常ホール効果の出現は,スピンアップキャリヤとスピンダウンキャリヤの濃度バランスが崩れていることを意味するからである.観測された磁化値とホール抵抗値を用いて,正常ホール係数R_Hと異常ホール係数R_sを最小二乗法で回帰分析した.

その結果,正常ホール係数としてR_H(77K)=1.5×10^<-11>m^3/C,R_H(300K)=7.9×10^<-12>m^3/C,異常ホール係数としてRs(77K)=1.2×10^<-8>m^3/C,Rs(300K)=5×10^<-9>m^3/Cが得られ,Gd_xY_<1-x>H_2(x=0.49)の正常ホール係数は,擬ゼロホール係数材料YH_2と同程度であることが見出された.したがって,Gd_xY_<1-x>H_2(x=0.49)は,擬ゼロホール係数特性をもつバイポーラ伝導性を有していると云え,この合金は,我々が提案しているバイポーラ伝導性に基づく純スピン流のチャネル材料に適していると結論される.本課題の最終目標は,擬ゼロホール係数特性をもつバイポーラ伝導性磁性体をチャネル材料として,電流-純スピン流変換素子を製作することであるが,通常のスピントロニクス材料プロセスと異なる点は,水素雰囲気処理が必要になる点である.すなわち.チャネル領域を作製するには,例えば,Gd_xY_<1-x>を成膜後,97%Ar-3%H_2の混合ガス中で加熱処理(約325°C)する必要がある.その水素雰囲気処理をどの段階でどのような条件で実施するのがよいかのかを,フォトリソグラフィーを用いた,数μm程度のチャネル長を有する微小ホール素子作製を通じて検討した.その結果,水素化処理は,チャネル層(例えばY)蒸着後,レジスト膜剥離前に行うのが良いことが分かった.この水素雰囲気処理時の温度は,Yの場合には220°C以下が良いことが分かった.また,SiO2スパッタ膜を絶縁層として,その上にチャネル層を蒸着形成するが,その下地としては、Tiが、また,その保護膜としてはPdが利用できることが分かった.擬ゼロホール係数特性を有するYH2では、ホール効果における横電流に正味の電荷輸送が発生しない。この性質を純スピン流生成に応用するのが狙いであるが、そのためには、ホール素子を流れるバイアス電流がスピン偏極している必要があり、効果的なスピン注入が必要である。本年度では、(A)YH2におけるYの1部を磁性元素Gdに置換したGdxY1-xH2(x=0.4)をホール素子の電流チャネル領域に使用する計画と、(B)チャネル領域は非磁性体であるYH2にしたまま、チャネル長を約10μmと短くした上で、ソース電極として強磁性体を用いるという2種類の計画の下、チャネル流域へのスピン注入が可能かどうかをホール及び横磁気抵抗測定によって調査した。測定には、最大5 Tまでの磁場を膜面に対して垂直に印加し、0.11 mA, 10 Hzの交流電流を試料に供給し、電流経路と交差する電極間の電位差を計測する事で行った。ホール素子Aの測定は4400 Kの温度範囲にて行い、ホール素子Bは室温で行った。ホール素子AとBに共通して観測された事は、ローレンツ力だけでは説明が困難な大きなホール抵抗及び正の横磁気抵抗が観測される点である。この点を理解する為に、ローレンツ力及びスピンー軌道相互作用を同時に考慮した上で、アップおよびダウンスピンのキャリヤが独立に電気伝導に寄与するという二流体モデルを用い、そのキャリヤとして、電子と正孔の両方を考慮することによって、ホール抵抗と横磁気抵抗を磁場の関数として計算した。計算と実験との比較から、ホール素子AとB共にキャリヤスピン偏極率が約80%のときに測定結果を説明できることが分かった。このように、計画Aと計画Bで観測された磁気伝導特性は、電子と正孔が共に高スピン偏極した両極性伝導モデルで説明可能であり、このことはホール効果によって、純スピン流が十分生成可能であることを意味する。電流-スピン流変換
確率添字の列の本質部分上の一様漸近独立性と確率添字を伴った極限定理の十分条件

今回の研究では、多次元の添字をもち、距離空間上に値をとる確率要素の束{X_n}に関する極限定理に、多次元の添字をもち、正数のベクトル値をとる確率添字の束{τ_n}を導入する問題の十分条件の拡張についての研究を行った。今回の研究において新たに定義した{τ_n}の{X_n}に関する一様な漸近的独立性の概念であるEssentialε-独立性とこの条件に基づく極限定理は、それまで最も広い漸近的独立性の概念とされていたUniformε-独立性による結果を更に拡張したものであり、これらの結果が、従来の結果の有意な拡張であることを示す例がえられた。また、Uniformε-独立性の仮定の下で得られていた極限定理に導入できる確率添字の列の族による極限定理の特徴づけについては、確率要素の束{X_n}が値をとる距離空間の可分性の条件を付け加えることで示せることがえられた。また、それだけでなく、このEssential part上で定義された一様な漸近的独立性の条件は、これまで極限定理に確率添字の列を導入する為の全く異なるタイプの十分条件とされ、応用的に価値の高い確率論的一様独立性の(Anscombe)条件をも含むことが示せた。更に、極限定理に導入できる確率添字の束{τ_n}の範囲を拡張する為に、各々のEssential ε-独立性をもつ確率添字の束の近傍にあるこれを近似する一群の確率添字の束に確率添字の近似理論を適用することにより、極限定理に導入できる確率添字の束{τ_n}の範囲を拡大することができることが示せた。今後、この範囲の確率添字の束の中から、実用的な停止規則の構成方法を構築することが残る課題といえる。多次元の添字をもち、距離空間上に値をとる確率要素の束{X_n}に関する極限定理に、多次元の添字をもち、正数のベクトル値をとる確率添字の束{γ_n}を導入できる為の十分条件をえる為に、確率添字の束{γ_n}のEssential part{D_n}を導入した。また、このEssential partを用いて、これまでの{γ_n}の{X_n}に関する一様な漸近的独立性の概念を次のように拡張した。任意の正数をεとし、多次元の添字をもつ{D_n}上に値をとる任意の関数の束{m_n}と{γ_n}について可測な任意の確率空間の分割の束{A_<n,κ>}に対して、本年度の主たる結果は,このEssential part上で定義された一様な漸近的独立性を用いた各種の確率化された極限定理を示したこととこの漸近的独立性が、これまで最も広い漸近的独立性の概念とされていたUniform ε-独立性を更に拡張したものであることを示したことである。また、これらの結果が、従来の結果の有意な拡張であることを示す例が求められた。一方、Uniform ε-独立性の仮定の下で得られていた極限定理に導入できる確率添字の列の族による極限定理の特徴づけについては、確率要素の束{X_n}が値をとる距離空間の可分性の条件を付け加えることで示せることがえられた。

確率過程の漸近的性質を用いて表現される現象は、状態の推移や平衡状態を扱う科学分野において、重要かつ中心的な研究対象となっている。しかし、この種の現象の観測は漸近状態を観測する為に、観測の停止規則を組み込み、その停止状態を観測することで漸近状態の観測を代用するしか方法がない。今回の研究は、漸近状態の観測を適切に代用できる停止規則の基礎理論の構築を目的としたものである。前年度の成果をもとに、多次元の添字をもち、距離空間上に値をとる確率要素の束{X_n}に関する極限定理に、多次元の添字をもち、正数のベクトル値をとる確率添字の束{T_n}を導入できる為の十分条件の拡張についての研究を行った。前年度の研究において新たに定義した{T_n}の{X_n}に関する一様な漸近的独立性の概念であるEssentialε-独立性は、それまで最も広い漸近的独立性の概念とされていたUniformε-独立性を更に拡張したものである。今年度は、更に、極限定理に導入できる確率添字の束{T_n}の範囲を拡張する為に、各々のEssentialε-を独立性をもつ確率添字の束の近傍にあるこれを近似する一群の確率添字の束に着目した。これらに、確率添字の近似理論を適用することにより、極限定理に導入できる確率添字の{T_n}の範囲を飛躍的に拡大することができる可能性が高いと考えたからである。この研究の結果、確率添字の近似理論そのものを、本研究の理論の一部として含むことは難しいが、本理論の一様な漸近的独立性と確率添字の近似理論を継続的に組み合わせることで、極限定理に導入できる確率添字の束{T_n}の範囲を拡大することができることが示せた。今後、この範囲の確率添字の束の中から、実用的な停止規則の構成方法を構築することが残る課題といえる。
妨害による知的活動支援技術の確立とその日常的学び活動への応用

工学研究は,人々の生活を便利にする技術の実現を目的として推進されてきた.しかしながら,過剰で近視眼的な便利さの追求の結果,副作用として各種の問題が生じてきている.この1つの解決策として,筆者らは,妨害的要素をあえて導入することによって,人による人間的な営みに対して,異なる視点,あるいは高次の視点から見た場合にプラスの影響をもたらそうというメディア・デザインの考え方を提唱している.本研究成果報告書では,我々自身の研究事例に基づき構築した,妨害による支援システムのデザイン方法論について述べる.併せて,この考え方に基づき新たに開発した2つの語学学習支援システムの概略を示す.1.研究項目A「妨害による人間の知的活動支援のための体系的デザイン方法論の確立」に関し,研究代表者の研究室で実施してきた研究を分析し,デザイン方法論の体系化を開始した.各事例において,利用者(受益者:支援される者・被妨害者:妨害される者),対象行為(妨害対象:妨害される行為,支援対象:支援される行為),主観的印象(利用初期の主観的印象・時間経過後の主観的印象)の3カテゴリー・6つの視点から検討した.結果,以下が明らかになった:(1)被妨害者は受益者と一致させることが望ましい.一致させられない場合は,全体にとっての利益を用意し,それが全員に見えるようにするべきである.(2)妨害対象行為と支援対象行為は,一致させた方が不便さなどのネガティブな印象を持たれにくくすることができる.一致させられない場合は,支援対象行為を主たる作業とするように設定するとともに,両者の関連性を認識しやすくする必要がある.さらに,各事例において妨害要素が持つ機能について検討した.結果,(1)スモールステップ法の一種として機能している事例,(2)不適切な状況を解消するある種の「毒」として機能している事例,および,(3)妨害的機能がタスクの性質を根本的に変化させている事例,の3種があることが明らかになった.本件に関し,国内学会での発表を行った.2.継続研究1「漢字の形状記憶損失を防ぐ漢字入力システムの研究開発」に関し,実用的システムの構築を開始した.平成26年度内には,誤字フォントへの差し替え機能を持った基礎的なかな漢字変換システムの実装を完了した.また,国際会議発表を行った.3.継続研究2「微少遅延フィードバックを用いた知的活動支援技術の研究開発」に関し,これを継続研究1に適用する手段の検討を開始した.また,国際会議発表を行った.4.その他,妨害機能を組み込んだ新たな支援技術に関する研究を2件実施した.平成27年度は,継続研究1で実施している「漢字の形状記憶損失を防ぐ漢字入力システム」の実用的システム構築に関する基本的部分の開発を完了し,あわせて通常のフォントファイルに含まれる全フォント(極端に単純な一部の漢字を除く)に関する誤形状文字フォントの開発を完了した.開発したシステムについては,近日中の公開を計画している.また,本継続研究1の成果をまとめた論文を執筆し,情報処理学会論文誌に投稿し,採録が確定した(2016年4月出版).継続研究2の「微少遅延フィードバックを用いた知的活動支援技術」については,聴覚を対象とした研究成果を論文として発表した.しかしながら,この成果に基づく視覚的微少遅延フィードバックを利用した正形状漢字の印象づけに関しては,検討を進めているものの,現在までに芳しい成果は得られていない.研究項目Bの「妨害感の緩和・隠蔽手段」に関しては,予定通りゲーミフィケーションの考え方を導入し,本漢字入力システムの利用者間で誤形状漢字の修正率を競い合うシステムを構築する.現在,そのために,27年度に開発完了した実用的漢字入力システムの機能拡張を進めている.研究項目Cの「妨害による知的活動支援機能のさらなる多様な対象への展開」については,ブレインストーミングを改良した新たな発散的思考法の研究,複数の言語を同時に学習するためのビデオチャットシステム,一般的ではない特殊な観光対象を発見・推薦可能とする新規な観光支援システムの,3つの新規な対象に研究を展開し,いずれについても基礎的な成果を得た.研究項目Aの「妨害による人間の知的活動支援のための体系的デザイン方法論の確立」については,前年度に引き続き体系化を進めているが,特に研究項目Cにおける新たな展開研究などから得られた新知見に基づくデザイン方法論の拡張を行っている.・継続研究1に関する漢字入力システム開発と,研究項目Bの「妨害感の緩和・隠蔽手段」に関しては,予定通り進行している.・継続研究2に関し,聴覚に関しては順調に進展したが,視覚に関しては計画通りに進展していない.これに関しては,計画の見直しが必要であると考えている.・研究項目Cの「妨害による知的活動支援機能のさらなる多様な対象への展開」については,当初予想よりも大きく広がりつつある.本項目に関しては,当初計画では平成28年度に開始予定であったため,この点では,当初計画以上に進んでいる.・研究項目Aの体系化に関しては,研究開始時に想定していたレベルでの「妨害の特徴とユーザ経験の対応関係の調査と分析」はすでに完了している.ただし,特に研究項目Cの成果に基づくさらなる拡張が必要なことが明らかになってきている.以上,継続研究2の一部に当初計画を達成できていない部分があるが,それ以外の部分は計画通り,あるいは計画以上に進展しているため,全体としてはおおむね順調に進展していると判断する.本年度(平成28年度)の研究計画は,1妨害の手段とその組み込み手段(妨害感の緩和・隠ぺい手段)の研究開発,2「妨害による支援」のデザイン指針をまとめて一般に公開,3得られたたデザイン指針に基づき,さらなる応用対象に「妨害による支援」を展開,の3項目であった.

第1の項目に関し,28年度初旬に開発を完了した「漢字の形状記憶損失を防ぐ漢字入力システム」を対象として,その使用に伴う「字形の確認と修正のめんどうさ」に起因する忌避感を緩和し,積極的な字形確認を促すための手法として,ゲーミフィケーションの考え方に基づく仕掛けを導入した.すなわち,「誰が今,誤った字形の文字を気づかずにそのまま確定したか」という情報をリアルタイムに可視化し,同じオフィスに所属する同僚同士で共有する仕掛けを構築した.これにより,自分の失敗を他人に知られることを避けたいという心理的圧力が高まり,システムが出力する文字の字形確認をより厳密に行うようになると共に,めんどうさに起因する忌避感を軽減できることが明らかになった.第2の項目に関し,京都大学の川上浩司教授を中心とする「不便益」の研究に関する複数著者による共著書籍の執筆を進めている.この中で私は「妨害による支援」についての章の執筆を担当しており,妨害による支援を実現するためのデザイン指針をまとめた.平成28年度末までに初稿が完成し,現在分担執筆分すべての集約・編集作業を進めている.第3の項目に関しては,前年度から実施している第2外国語学習を対象として,遅延聴覚フィードバックを用いた支援技術に関する新たな研究を展開した.さらに,ブレインストーミングに代表される発散的なアイデア生成活動を対象とした,妨害的要素を採り入れた新たな議論支援システムや,気弱な人々の社交活動を支援するシステムを考案・実装し,その基礎的有用性を検証した.28年度に予定していた研究計画は,ほぼすべて達成した.唯一,第2の項目である「「妨害による支援」のデザイン指針をまとめて一般に公開」に関し,現在編集作業中の書籍の出版時期が29年度にずれこんでいるが,すでに原稿の執筆は完了しているので,大きな遅延は無いと考える.
機能性ナノ粒子トレーサーによる地下き裂3次元ネットワークの流体流動推定法の提案

機能性ナノ粒子を用いたナノトレーサーは,き裂岩体内の流体流動を既存技術よりも高精度で推定する可能性があるが,その現象が従来の物質移動モデル(Fick則に従った支配方程式)では記述できない。本研究は,ナノトレーサーを用いた新しいき裂間流体流動推定法を提案する。[1]「マイクロモデルを用いたき裂媒体におけるナノトレーサー移動現象の解明」これまでに計測したナノ粒子の粒径にばらつきがあったため、本年度は粒子表面の表面電荷を測り、粒径計測に及ぼす影響を調べ、pHとの関係を調べた。マイクロモデルを作成し、水とCO2を流す流動実験を行った。マイクロ流路内での流動現象を顕微鏡観察することができた。ただし、当該年度では粒子を注入する流動実験には至らなかった。[2]「複雑数理モデルのナノトレーサー移動現象への適用」複雑な構造を定量的に評価できるパーシステントホモロジーを用いて、岩石の形状評価に取り組んだ。シンプルな形状を評価することによって、パーシステントホモロジーのパラメータとき裂の構造(幅、間隔、密度)との関係を見出した。これにより、不均質媒体の形状と複雑な流動現象との相関関係が得られる可能性を示した。[3]「3Dプリントき裂ネットワークにおけるマクロスケールの異常拡散の解明」3Dプリンタによって、構造を制御した複数のサンプルを作成することができた。また、それらのサンプルは、CTスキャンによって内部構造を評価した。2次元のネットワークモデルも作成し、流動の見える化を行なった。[4]異常拡散数理モデルを組み込んだネットワークモデルの開発[3]の実験結果と、[2]で検討している形状の定量評価と合わせて、複雑な構造と流れとの関係を定量化し、ネットワークモデルの完成を目指すが、[2]と[3]とをつなぎ合わせるに至らなかった。マイクロ流路の作成、粒子の粒径計測はできたものの、マイクロ流路内の流動実験、粒子トレーサーの計測が非常に繊細なため、エラーが多く、粒子を用いた流動実験ならびに粒子の濃度計測がうまくできていない。また、構造の定量化に用いようと思ったパーシステントホモロジーの物理的な意味を見出そうとしたため、予定よりもパーシステントホモロジーによる定量評価に時間がかかっている。3Dプリンタで作成したサンプルの流動実験ならびに構造解析はそれぞれできたが、流動パラメータと構造パラメータとの関係を見出すに至っていない。マイクロ流路内の流動実験については、流路の深さをより深くし、水が流れやすい状況で実施するようにする。また、粒子の粒径計測は、業者の人に精度の良い測定方法を見出してもらったので、計測の仕方を変えて計測に取り組む。3Dプリンタで作成したサンプルの流動実験ならびに構造解析については、データ取得数を増やす必要があるため、複数サンプルで実施する。3Dプリンタで作成したサンプルでもトレーサー粒子を用いた流動実験を行い、マイクロ流路の実験がうまくいかなかった時の打開策として、また、スケールの異なるものでの検証として利用する。

また、粒子の粒径計測は、業者の人に精度の良い測定方法を見出してもらったので、計測の仕方を変えて計測に取り組む。3Dプリンタで作成したサンプルの流動実験ならびに構造解析については、データ取得数を増やす必要があるため、複数サンプルで実施する。3Dプリンタで作成したサンプルでもトレーサー粒子を用いた流動実験を行い、マイクロ流路の実験がうまくいかなかった時の打開策として、また、スケールの異なるものでの検証として利用する。