hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
自律進化する食物網モデルによる生態系の進化動態解析

昨年度までの研究により,本研究の食物網モデルにみられる進化動態の巨視的な制約と,種レベルの動態の数学的性質について解明を進めた.本年度は,モデルの相互作用部分についての数学的導出や,食物網の進化的成長や崩壊に関する数学的な解析を行った.(1)資源利用パターンを,各々の資源に対するエネルギー投資密度の分布関数として定義し,これに基づき資源との遭遇確率,処理時間などを導出した.次に,資源と消費者の遭遇を粒子衝突として近似することにより,消費者1個体あたりの資源獲得量(捕食量)を導いた.この資源獲得量の式は,空間の異質性が大きく,消費者が最適採餌政略を実現している場合には,本研究のモデルにおける資源獲得量の式と一致する.この新しい式を本研究のモデルに組み込むにより,空間の不均一性の程度や消費者の採餌戦略を考慮した動態を記述することが可能になった.(2)一方,食物網モデルの進化的動態において,理想自由分布を維持しながらの変化が,進化的な中立な変化(中立展開経路)に対応することを一般的な形で数学的に導いた.中立展開経路における平衡状態の個体数分布は簡単に求めることができるので,これから僅かにずれた状態における進化動態を数学的に解析した.その結果,進化的分岐が連続して起こる条件が導かれた.この条件は,資源と利用者の資源パターンと資源利用パターンの幅の差,および方向進化の速度の差の関係によって与えられる.このことにより,1種から始まった進化動態が複雑な食物網を形成する条件を導くことができる.昨年度までの研究により,食物網の進化動態を記述する,2次元の形質空間における反応拡散モデルを構築した.本年度はこのモデルの一般化および進化動態の解析を行った.(1)2次元の食物網モデルでは,各表現型の資源パターン及び資源利用パターンはδ関数によって表現されていたが,これらを資源空間上での任意の関数として与え,さらに資源空間,形質空間も任意の次元を持つものとし場合の,より一般化された食物網進化モデルを多次元の反応拡散方程式として構築した.(2)一方,食物網モデルにおいて生じる進化動態の現実性を吟味するために,有性生殖・量的遺伝子の個体ベースモデルによる実装を行い数値計算し,少なくとも最初の肉食者が出現するまでは同様の進化動態が生じることを確認した.(3)さらに,食物網モデルを適応動態理論に基づき縮約し,各種の進化動態や種分化の解析的な条件や方向を調べた.その結果,各種の重心の進化動態は,資源空間上の総資源分布および総資源利用分布を,それぞれ自身の資源利用パターン,資源パターンを空間微分したものによる重み付け平均の符号によって決定され,その値が0の場合には,資源利用パターン,資源パターンを空間2階微分したものの重み付け平均の符号により,種分化するか否かが決定されることが明らかになった.以上の結果は,資源空間において,資源利用分布は資源分布に対して理想自由分布に近づくほうへ変化し,逆に資源分布は理想自由分布から離れるように変化するという解釈ももたらす.(4)また,食物網が個体数動態において安定であるための条件を解析した結果,食物網の安定状態を全く変化させないようなノードの追加,削除,融合,分割が存在し,食物網モデルにおいて見られる進化動態はこれらの中立な操作の繰り返しとして解釈され得ることを発見した.昨年度までの研究により,本研究の食物網モデルにみられる進化動態の巨視的な制約と,種レベルの動態の性質について解明を進めた.本年度は,食物網モデルの本質的な部分を一般化するとともに,種分化現象の解析的な条件を得た.(1)本研究の食物網モデルは全ての生物で栄養効率や,捕食回避能力,発生学的制約を同一なものと仮定していたが,これらは実際には生物の種類によって大きく異なり,これが進化動態に与える影響は無視できない.そこで,これらの差異の記述も含めた形で任意の形質次元での,食物網モデルの表式を構築した.(2)また,本モデルでは多次元の形質空間において種分化が起こるが,従来の種分化理論は1次元の形質空間しか扱わないので,多次元の形質空間における種分化条件を解析的に導いた.この条件は適応度地形の1次と2次の局所地形のみに依存するので,捕食・被食相互作用だけでなく,資源競争や共生など,原理的にはあらゆる生態的相互作用に適用することができる.さらに,多次元の形質空間では,形質間の進化速度の違いが再帰的な適応放散と絶滅を促すことが示された.(3)(2)で得た解析的条件により,1つの種が種分化を繰り返し複雑な食物網を生成するまでの一連の過程を,ほぼ全て数学的に説明することに成功した.(4)(3)では資源利用パターンの幅を固定したが,資源利用パターンの位置と幅を両方とも進化可能であると想定した場合についても解析を行った.その結果,種分化の条件は,資源分布と資源利用パターンの相対関係である"利用可能な資源分布"の分散,歪度,尖度,すなわち2次,3次,4次のモーメントによって決定されることが示された.この結果は特定の資源分布や資源利用パターン及び機能の反応に依存しない一般的な性質である.以上の成果は,食物網の進化動態を巨視的・微視的の両面で統一的に説明するための足掛かりを与える.昨年度までの研究により,本研究の食物網モデルにみられる進化動態の巨視的な制約と,種レベルの動態の数学的性質について解明を進めた.本年度は,モデルの相互作用部分についての数学的導出や,食物網の進化的成長や崩壊に関する数学的な解析を行った.

(1)資源利用パターンを,各々の資源に対するエネルギー投資密度の分布関数として定義し,これに基づき資源との遭遇確率,処理時間などを導出した.次に,資源と消費者の遭遇を粒子衝突として近似することにより,消費者1個体あたりの資源獲得量(捕食量)を導いた.この資源獲得量の式は,空間の異質性が大きく,消費者が最適採餌政略を実現している場合には,本研究のモデルにおける資源獲得量の式と一致する.この新しい式を本研究のモデルに組み込むにより,空間の不均一性の程度や消費者の採餌戦略を考慮した動態を記述することが可能になった.(2)一方,食物網モデルの進化的動態において,理想自由分布を維持しながらの変化が,進化的な中立な変化(中立展開経路)に対応することを一般的な形で数学的に導いた.中立展開経路における平衡状態の個体数分布は簡単に求めることができるので,これから僅かにずれた状態における進化動態を数学的に解析した.その結果,進化的分岐が連続して起こる条件が導かれた.この条件は,資源と利用者の資源パターンと資源利用パターンの幅の差,および方向進化の速度の差の関係によって与えられる.このことにより,1種から始まった進化動態が複雑な食物網を形成する条件を導くことができる.
肝硬変切除後の肝再生を目的としたOncostatin Mを用いた分子生物学的研究

本研究では,adenovirus vectorを用いて,Oncostatin M(OSM)を発現する遺伝子を肝硬変ラットモデルを導入することにより,肝再生を促進するとともに,肝機能を改善るることを確認し,肝切除術の適応拡大に寄与することを目的とした.dimethylnitrosamine(DMN)を用いたラットによる肝硬変モデルを作成し,AdOSMウイルス液0.5m1,PBS液0.5mLを門脈本幹に注入し,70%肝切除を施行した.その結果,LOSM導入により,現在までの報告のある急性肝障害に対する効果のみならず,肝硬変モデルにおいても肝機能や背景肝の線維化の改善が認められることを明らかにした.2.肝硬変モデルに対する70%肝切除においても,OSM導入により肝機能,および背景肝の線維化の改善を初めて明らかにした.3.OSMはHGFとのような発癌のリスクが史的されておらず,肝硬変合併症例に対する肝切除後の肝不全を抑制する可能性も示唆され,今後,硬変肝の肝切除への臨床症例への適応が着たいされた.本研究では,adenovirus vectorを用いて,Oncostatin M(OSM)を発現する遺伝子を肝硬変ラットモデルを導入することにより,肝再生を促進するとともに,肝機能を改善るることを確認し,肝切除術の適応拡大に寄与することを目的とした.dimethylnitrosamine(DMN)を用いたラットによる肝硬変モデルを作成し,AdOSMウイルス液0.5m1,PBS液0.5mLを門脈本幹に注入し,70%肝切除を施行した.その結果,LOSM導入により,現在までの報告のある急性肝障害に対する効果のみならず,肝硬変モデルにおいても肝機能や背景肝の線維化の改善が認められることを明らかにした.2.肝硬変モデルに対する70%肝切除においても,OSM導入により肝機能,および背景肝の線維化の改善を初めて明らかにした.3.OSMはHGFとのような発癌のリスクが史的されておらず,肝硬変合併症例に対する肝切除後の肝不全を抑制する可能性も示唆され,今後,硬変肝の肝切除への臨床症例への適応が着たいされた.まずは、ヒトOncostatin M発現adenovirus vector(AxC AhOM)の調整を行った。具体的には、まず治療実験にて使用するAxC AhOMは理化学研究所バイオリソースセンターより購入したが、動物個体にAdenovirus vectorを直接門脈内投与するため力価の高いウイルス液が必要であり、また培地や血清、すでに発現された目的蛋白質などの混入のない純化されたものを用いる必要があったため、入手したウイルス液そのままではなく、充分な力価(1.0×109pfu/ml以上、少なくとも1.0×108pfu/ml以上)で充分なウイルス液を確保するための増殖、精製、濃縮を行った。つまり、入手したウイルス液(AxC AhOM)を293細胞に感染・増殖させ、一部ストックしておき、次いでコラーゲンコートフラスコに293細胞を大量培養し、コンフルエントとなったものを6つ用意し、培養液を取り除いてストックしておいたウイルス液+5%FCS-DMEM5mlを各フラスコに加えた。1時間インキュベーションした後、5%FCS-DMEM15ml加えて、CO2インキュベーター内で培養した。34日後、変性浮遊した細胞ごと培養液を回収し、無菌的に密閉型ソニケーター200W最高出力2分30秒で細胞を破砕し、ウイルスを遊離させることに成功した。得たウイルス液は、3krpm、4°Cで20分遠心し、残渣を取り除き上清(ウイルス液)を50mlチューブに回収し、純粋なウイルス液として今後用いることとした。実験動物は体重300-350gのSprague-Dawley系雄性ラットを使用することとした。1週間飼育した後、dimethylnitrosamine(DMN)(10μg/g体重)を週3日間連日腹腔内投与、4日間休薬し、これを3週間繰り返して、肝硬変を作成しOSM使用の準備を行った。本年度はここまでとした。肝硬変ラットに対し,DMN最終投与後4日目に開腹して,肝硬変を肉眼的に評価後,切除予定肝葉を支配する門脈枝を遮断し,AdOSM,AdLacZ,及びPBSを門脈本幹に注入.5分間血流遮断を継続した後に開放して閉腹.門脈投与後4日目に70%肝切除を施行,術後4日目に屠殺し,各群における手術後の肝機能改善効果並びに肝再生効果を検討した.(結果)1.70%肝切除後の生存成績では術後4日目に屠殺するまでに生存したAdOSM群7例,PBS群6例,AdLacZ群5例を検討対象症例とした.肉眼的所見では,OSM投与群では他群と比較して肝表面は比較的平滑で肝の萎縮も軽度であった.体重はAdLacZ群が230±6g,PBS群が282±32gに対し,AdOSM群は301±41gで(p=0.004vs AdLacZ)残肝重量はAdLacZ群が2.5±0.6g,PBS群が4.6±1.5gに対しAdOSM群は6.9±2.0gで,(p=0.041vs PBS,p<0.001vs AdLacZ)ともにAdOSM群で増加傾向が見られた.

2.線維化に関しては,Image analysisによる線維化定量(%)では,AdOSM群で21.3±4.6,AdLacZ群で35.2±4.5,PBS群で31.5±5.2とOSM群で線維化の改善が認められた(p=0.020vs AdLacZ).(結論)1.OSM導入により,現在まで報告のある急性肝障害に対する効果のみならず,肝硬変モデルにおいても肝機能や背景肝の線維化の改善が認められることを明らかにした.2.肝硬変モデルに対する70%肝切除においても,OSM導入により肝機能,および背景肝の線維化の改善を初めて明らかにした.
線形論理の意味論的手法による並行計算概念および実行可能計算量概念の論理的分析

J-Y.Girardによって1987年に導入された線形論理は計算資源の消費概念、計算状態の変移概念、並行計算概念などを直接論理的に表現し得るまったく新しい論理体系として注目されている。本研究では、実現可能計算量概念を内に含む論理体系としてGirardによって1996年に導入されたLight Linear Logicと呼ばれる線形論理の部分体系に対する意味論的分析の新しい方法論を確立した。これによって、これまで統語論的立場からのみ分析が可能であったLight Linear Logicの実現可能計算量(多項式時間計算量)概念に対して、純粋に意味論的立場からの分析が可能になった。特に、高階相意味論によるLight Linear Logicの完全性定理及び意味論的カット消去定理証明を与えることに成功した。又、これまで研究されてきた線形論理による並行計算プログラミングの枠組に、実時間概念を導入することにより、実時間システムに対する仕様・検証理論を与え、この枠組に対する意味論を確立し、完全性定理を証明すると同時に、実時間システムの安全性等の検証問題がPSPACE決定可能なことを示した。これまで並行プロセス計算の理論で研究されてきたペトリ・ネットやデータフロー・ネットなどに代表されるような抽象的ネットワークモデルや枠組や、R.Milnerのπ-計算に代表されるような代数的手法の枠組が線形理論の構文論(シンタクス)を用いて論理的な枠組で再構成されることがこれまでに知られてきた。線形論理の構文論の枠組において再構成されたこれらの並行計算モデルに対して、申請者が導入した線形論理のためのダイナミックな意味論を適用することにより、これまでの並行計算理論において得られなかった論理的観点からの並行計算の意味論が与えられた。例えば、π-計算や種々の並行プロセス計算理論で代数的手法により研究されてきた種々のobservable equivalence概念に対して論理的観点からの分析が与えられた。ここで確立した方法論を用いて種々のweak bisimulation equivalence概念に対するphase semanticsによる特徴付けを与えた。又、データフロー・ネットの種々のoptimization problemsへのphase-semanticsの応用を与えた。例えば、bounded buffer-sizaを持つkahnのregular deta flow netに対してdeadlock無しのcommunicationに必要な最小のbuffer-sizeを決定する問題や最大の並行処理を行い最短時間で同等のtaskを行うためのnetworkの仕様を決定する問題などは、論理的枠組を用いずに伝統的な並行アルゴリズムの分析手法だけを用いては体系的な解決が困難な問題であった。一方、これらの問題は、並行プロセスと線形論理の証明との同一視を通せば、証明の正規化概念を用いて線形論理上で正確に問題を定式化できる。申請者が導入したダイナミックなphase semanticsをこの論理的定式化された問題に適応することにより、これらの並行計算ネットワークに関するoptimization(最適化)問題研究への方法論が示された。
生体骨組織を誘起する生体融和チタン合金の創成と生体適合性

本研究では,骨を実際に構成している生体活性なアパタイトを生体内での荷重負荷(リモデリング効果)を利用した応力誘起により生体骨組織をチタン合金表面に創成する生体融和チタン合金を提案すべく本研究を遂行した.すなわち,アルカリ溶液で化学処理を施したチタン合金を体内に埋めると体液と反応し,その表面に骨の無機質に類似したアパタイト層を形成し,骨から生体融和チタン合金へ傾斜構造で変化させ骨結合を強化する手法を提案するものである.本年度においては,(1)昨年度実施したin vitro骨類似析出環境に繰返し荷重を加えた骨の応力誘起効果を応力振幅をパラメータとし,組織構造変化,耐食性,寿命特性のについて継続検討した.(2)血清や骨形成に必要な細胞等の蛋白質を添加した生理環境中にける骨類似アパタイト層の析出能と力学特性の関係について検討した.これら環境で生成した骨類似アパタイト層とチタン合金基盤の接着性および実際に同材料をウサギ大腿骨にインプラントし,生体骨との結合力について評価した.その結果,1)応力振幅を変化させた条件下においても,アパタイトの析出効果は認められるが,流れの作用がある環境では,荷重の有無に関わらずアパタイトの溶解が生じる.2)血清や骨形成に必要な細胞等の蛋白質を添加した生理環境中においても骨類似アパタイトの析出能は発揮された.3)同材料をウサギ大腿骨にインプラントし,昨年提案した界面(接着)強度評価方法を用い,密着状態を詳細に評価・解析した結果,インプラント期間の増加に伴うアパタイトの析出が,密着強度の向上に寄与することが明らかとなった.これらの結果より,in vitroで蛋白質および骨形成細胞との生理的な関連から同材のインプラントを実施し,骨との直接結合への可能性とそのメカニズムの解明を明確にした.本研究では,骨を実際に構成している生体活性なアパタイトを生体内での荷重負荷(リモデリング効果)を利用した応力誘起により生体骨組織をチタン合金表面に創成する生体融和チタン合金を提案すべく本研究を遂行した.すなわち,アルカリ溶液で化学処理を施したチタン合金を体内に埋めると体液と反応し,その表面に骨の無機質に類似したアパタイト層を形成し,骨から生体融和チタン合金へ傾斜構造で変化させ骨結合を強化する手法を提案するものである.本年度においては,チタン合金表面をアルカリ溶液で表面改質を施し,バイオミメティク法による体内に埋め込むと自分の仲間だと勘違いし拒絶反応が生じない生体骨組織を生体の荷重負荷を利用した傾斜構造で骨析出させる生体融和機能性素材について,以下の点を目的として研究を実施した.すなわち,体内で人工材料が骨と直接接合するための条件は,その表面に骨類似アパタイト層を形成することにあり,その生成・形成メカニズムをリモデリングによる応力誘起のin vitro環境(実験設備)で明らかにする.結果として,生体の硬組織(骨や歯)を構成する主成分アパタイトの優れた生体組織適合性,骨や歯と直接結合する機能を結合能力に乏しいチタン合金表面にこれらアパタイトを骨へ連続的に変化する傾斜構造で形成させる化学的な表面処理の創成を可能とした.さらに,骨形成の代謝機能に不可欠な荷重負荷(リモデリング効果)による骨の応力誘起機能を複合させたハイブリッドなin vitro環境で明確にした.改質表面で形成されるアパタイトの形成機構とその機能の方向性について,我々の生体骨が有する骨代謝機能を荷重負荷から,骨生成および骨結合を議論する点に意義があると判断できる.生体骨生成・成長の議論に応力を加えた本研究は,人工骨材料の学際領域の研究に対してブレークスルーが期待でき,大いに意義を有すると考えられる.本研究では,骨を実際に構成している生体活性なアパタイトを生体内での荷重負荷(リモデリング効果)を利用した応力誘起により生体骨組織をチタン合金表面に創成する生体融和チタン合金を提案すべく本研究を遂行した.すなわち,アルカリ溶液で化学処理を施したチタン合金を体内に埋めると体液と反応し,その表面に骨の無機質に類似したアパタイト層を形成し,骨から生体融和チタン合金へ傾斜構造で変化させ骨結合を強化する手法を提案するものである.本年度においては,1)in vivo骨類似析出環境において,繰返し荷重負荷および4連式方持ち梁試験機を用い,負荷を加える応力誘起効果を利用したアパタイトの析出効果を検討した.2)アパタイトの析出効果を応力振幅(Hz)および繰返し荷重をパラメータとして検討した.3)傾斜構造で骨類似組織を有する界面(接着)強度について,その評価法の提案および評価をin vivo/in vitroにて実施した.結果として,1)回転(流れ)作用のある環境では,荷重の有無に関わらず回転速度の上昇と共に析出アパタイトの溶解が促進される.2)荷重を加えることで生じるひずみの影響により,アパタイトのはく離が生じるが,残存するアパタイトは成長する.3)界面(接着)強度評価方法として,荷重-変位曲線を分離することで骨との密着状態を詳細に解析できることが示された.4)in vivoにおける密着強度および密着エネルギーは,インプラント期間の増加に伴い向上を示した.これら検討から,骨結合機能を生体液との化学反応および力学を加えたハイブリッド効果でその表面に骨類似アパタイトを析出させ,その析出挙動をin vivo/in vitroで総合的に評価する.

本研究では,骨を実際に構成している生体活性なアパタイトを生体内での荷重負荷(リモデリング効果)を利用した応力誘起により生体骨組織をチタン合金表面に創成する生体融和チタン合金を提案すべく本研究を遂行した.すなわち,アルカリ溶液で化学処理を施したチタン合金を体内に埋めると体液と反応し,その表面に骨の無機質に類似したアパタイト層を形成し,骨から生体融和チタン合金へ傾斜構造で変化させ骨結合を強化する手法を提案するものである.本年度においては,(1)昨年度実施したin vitro骨類似析出環境に繰返し荷重を加えた骨の応力誘起効果を応力振幅をパラメータとし,組織構造変化,耐食性,寿命特性のについて継続検討した.(2)血清や骨形成に必要な細胞等の蛋白質を添加した生理環境中にける骨類似アパタイト層の析出能と力学特性の関係について検討した.これら環境で生成した骨類似アパタイト層とチタン合金基盤の接着性および実際に同材料をウサギ大腿骨にインプラントし,生体骨との結合力について評価した.その結果,1)応力振幅を変化させた条件下においても,アパタイトの析出効果は認められるが,流れの作用がある環境では,荷重の有無に関わらずアパタイトの溶解が生じる.2)血清や骨形成に必要な細胞等の蛋白質を添加した生理環境中においても骨類似アパタイトの析出能は発揮された.3)同材料をウサギ大腿骨にインプラントし,昨年提案した界面(接着)強度評価方法を用い,密着状態を詳細に評価・解析した結果,インプラント期間の増加に伴うアパタイトの析出が,密着強度の向上に寄与することが明らかとなった.これらの結果より,in vitroで蛋白質および骨形成細胞との生理的な関連から同材のインプラントを実施し,骨との直接結合への可能性とそのメカニズムの解明を明確にした.
知的コミュニケ-ションのための高次推論と認知プロセスの研究

我々は、昨年度までにユ-ザに入力した計算機に関する質問に対してユ-ザにわかりやすい説明文を生成する「知的ヘルプシステムASSIST」の開発を進めてきた。今年度は、ASSIST開発から得られた知見に基づき、ASSISTの改良版Neo-ASSISTの開発を行った。Neo-ASSISTでは、ユ-ザがコマンドの利用法やある目的を達成するための手順を要求する「How型」の質問に対処するために、以下のような新しい機構を導入した。1.計算機の内部状態をモデル化した計算機環境モデルある時点での計算機の状態やコマンドが計算機に与える影響などをコンセプチャルグラフの形で記述し、説明内容の決定に利用する。2.TMSに基づく動的なユ-ザモデル構築機構仮説的なユ-ザモデル推論ル-ルの利用に伴い、TMSに基づく矛盾解消機構を導入した。読み手のモデルを考慮して語順の変化などの表現を用いた文章を生成するための枠組として日本語TAGを提案した。4.ユ-ザモデル上のシミュレ-ションによる質問意図推定メカニズムユ-ザの発話とプランの木および質問行動のモデルなどを用いてユ-ザの思考過程のシミュレ-ションを行ない、ユ-ザのゴ-ルとその障害を推定する。
高温強動性セラミックナノ複合材料の開発研究

Si3N_4、SiC、Al_2O_3、MgO、サイアロン等のセラミックスの結晶粒内や粒界に、ナノメータ(ナノ)寸法のSiC等を分散したナノ複合材料を焼結法で作製するプロセスを開発し、それらのナノ構造を電顕で原始レベルまで観察すると共に、各種機械的特性を評価することにより、以下のことを明らかにした。(1)強度等を含む各種の機械的特性がナノ複合化により2-5倍も改善可能である。(2)高温における機械的特性、熱衝撃特性もナノ複合化により飛躍的に改善可能であり特にセラミックスの実用化に際し最も重要なクリープ抵抗はナノ複合化により1千1万倍も改善可能である。(3)以上の各種の異常ともいえる各種機械的特性の改善は粒内分散ナノ粒子による結晶粒自身の強化と粒界分数ナノ粒子による粒界の原子レベルの構造制御に起因している。(4)これらのナノ複合材料から出来た各種機械部品は実用化に不可欠の安価な常圧焼結法で作製できる。しかしながら、ナノ複合化のみではセラミックスの最大の欠点である破壊靱性を飛躍的に改善することは困難であることが判明したのでこの点を改善するためにサイアロン/SiCナフ複合体を例にし、それを更に長繊維で強化する技術の開発を試みた。その結果、(4)1500°Cの高温まで1000MPの以上の高強度を保持しながら、金属材料に匹敵する靱性2025MPのm^<1/2>を示す材料の開発に成功した。また、(6)Si3N_4/SiC及びAl_2O_3更に、(5)この材料でガスタービンのシュラウド等の部品の試作に成功した。/SiCナノ複合材料の切削性能を測定した結果、単相材料と比較し2桁も性能が優れており、実用化が充分に可能であることが明らかになった。最終的に(7)ナノ複合化により強度や高温特性が飛躍的に改善される機構を、10種類以上のナノ複合材料に関して調べ、その機構を明らかにした。各種の方法でセラミック系ナノ複合体を作製し、ナノ構造と各種機械的特性との相関、ナノ分散した粒子の役割りを明確にし、高温強靭性ナノ複合セラミックスの開発に成功した。主な成果は以下の通りである。2)以上のナノ複合材料のミクロ・ナノ構造の電子顕微鏡観察の結果、マトリックスの結晶粒内に取り込まれるナノ粒子のサイズは約50100nmであることが判明した。また、ナノ粒子とマトリックスとの界面には、焼結助剤を使用した場合でも不純物は存在せず、両相は原子レベルで直接結合していることが明らかになった。更に、焼結プロセスを電子顕微鏡を駆使して調べ、ナノ複合化の機構を明らかにした。4)何れのナノ複合系でも、当初の予想どうり、510Vol%のナノ粒子の分散で、強度が2.5倍5倍も向上することが明らかになった。5)ナノ複合化で、強度等のバラツキが異常に少なくなり、強度向上のみでなく、信頼性が2倍以上も改善可能であることが分かった。これはマトリックスの粒内に転位の集積した亜粒界が生成する為であることが判明した。なお、強度の向上もこの亜粒界の生成と関係している。

6)ナノ複合化で、高温高負荷下での最高使用温度を、Al_2O_3系では約400°C、ムライト系では約200°C、MgO系では約700800°C、Si_3N_4系では約300°Cも改善可能であることが判明した。7)酸化物系ナノ複合系の場合は、ナノ複合化により水中に急冷した時の熱衝撃破壊抵抗が200400°Cも向上することが判明した。8)Si_3N_4にSiCを30%以上ナノ複合化させると、Si_3N_4に金属のような超塑性変形能を付与することが、また、粒界ナノ複合化技術により金属のような快削性の付与が可能であることが判明した。Al_2O_3,MgOやSi_3N_4マトリックスにSiCなどを分散したセラミックス系ナノ複合材料の高温下での機械的特性変化を調べ、以下の点が明かとなった。(1)1500°Cまでの高温下において、これらの材料の破壊強度は低下することなく維持された。特にMgO/SiCナノ複合材料に関しては、1200°Cにおいて室温強度よりも向上した。(2)本ナノ複合材料では耐クリープ性も単相材料に比べ一桁向上した。(3)これらの機械的特性の向上は、マトリックス粒内に分散したSiCナノ粒子による転位の移動のピニングによるもの及び粒界に分散したSiCによるすべりの抑制によるものであることが明かとなった。更に、これらのセラミックス系ナノ複合材料をマトリックスに用いた、炭素繊維強化サイアロン/SiCナノ複合材料(ミクロ複合材料とナノ複合材料のハイブリッド複合材料)の作製に成功し、以下の知見を得た。(4)マトリックスは微細なSiC粒子が分散したサイアロン/SiCナノ複合体であることが確認された。(5)複合体の破壊強度及び靭性値は、室温から1500°Cまでそれぞれ700MPa、20MPam^<1/2>以上を示し、これは従来の炭素繊維強化サイアロンの2倍以上であり、材料の破壊開始応力レベルが向上された。破壊モードは、破壊強度付近まで直線的な弾性変形が維持され、その後は繊維強化複合体に特有の安定破壊を示した。(6)マトリックスのナノ複合化により高温まで高強度が維持されたのは、高温下においても高応力状態での繊維強化材特有の非線形破壊が進行するため、繊維の引き抜きあるいは架橋により、大きな破壊エネルギー吸収を示したためと考えられる。Al_2O_3、MgO、Si_3N_4、サイアロンをマトリックスとするセラミックスの結晶粒内や粒界にナノ寸法のSiC等を分散したナノ複合材料を焼結法で作製し、高温下での各種機械的特性を調べた結果、以下の点が明らかになった。(1)Al_2O_3/SiCナノ複合材料の12001400°Cにおける高温曲げ及び引張りクリープは、SiCを5vol%分散するだけで単相のAl_2O_3に比較し、34桁も改善されることが明らかになった。この驚異的なクリープ抵抗の改善は、主として粒界に存在するSiCナノ粒子により粒界のすべりが抑制される為であることが判明した。(2)ナノ寸法のSiCを30vol%分散させたSi_3N_4/SiCナノ複合体の高温強度は1400°Cの高温まで劣化せず、また1400°C、200MPaでの引張りクリープは単相のSi_3N_4に比較し2桁以上も改善されることが明らかになり、その改善の機構を明らかにした。この事実は、本ナノ複合材料が高効率ガスタービンの材料として充分に実用化が可能であることを示している。(3)サイアロン/SiCナノ複合材料を更に長繊維で強化することにより、1500°Cの高温まで1000MPa以上の高強度を保持しながら、金属材料に匹敵する靭性2025MPam^<1/2>を示す材料の開発に成功した。更に、この材料でガスタービンのシュラウド等の部品の試作に成功した。(4)Al_2O_3/SiC
海氷内部における炭酸カルシウム結晶の生成メカニズムの解明

海氷内に存在するイカイトの析出メカニズムを明らかにすることを目的として、室内海氷生成実験と野外観測を実施した。イカイト結晶の析出の有無は、海水の物理・化学特性の条件に依存した。また、イカイトが析出する条件下においてイカイトの析出量は、結氷環境下での保持時間に依存した。本研究で実施した室内海氷生成実験や野外観測で得たデータに基づき、海氷内イカイトの析出メカニズムを把握することが可能となった。本研究では、海氷内に存在するイカイトの析出メカニズムを明らかにすることを目的とする。室内海氷生成実験や野外観測で得たデータに基づき、海氷内イカイトの生成条件と現存量を把握する。そして、イカイトが溶解した際、海洋における物質輸送過程に及ぼす影響を評価する。これにより、全球の炭素循環における海氷の重要性を評価することが可能となり、結果として、極域の物質循環の将来予測研究の端緒となる。本年度(平成27年度)は、研究対象であるイカイトのサンプルの採取に集中した。1,低温実験施設での海氷生成実験:北海道大学低温科学研究所および北海道大学大学院環境科学院の低温実験施設を利用し、海氷生成容器で海氷を人工的に生成させた。実験の為の海水は、平成24年度の日本南極地域観測隊員によって南極海で採取されたものを使用した。生成した海氷を、融解用バックに入れ、+4度で融解した。融解後、バック底部に集積したイカイトのサンプルを採取し、アルコールを入れた容器で-25度で保存した。現在、本サンプルの分析に向けて分析機器の調整を実施している。2,氷上現場観測:海上保安庁が所有する砕氷巡視船『そうや』を用い、平成28年2月にオホーツク海南部での海氷観測航海に参加し、氷上現場観測を実施した。海氷サンプルを採取するために、アイスコアラーを用いて、鉛直的に海氷のコアサンプルを採取した。採取したコアサンプルは、温度測定後に、氷鋸を用いて、10cmに細分した。ポリエチレン製の袋に入れ、船内に持ち帰った。上記1の低温室実験と同様な方法で海氷サンプルを融解し、イカイトサンプル・融解水を保存した。また、平成28年3月にオホーツク海沿岸サロマ湖において海氷サンプルを採取した。同様の処理を実施し、現在、本サンプルの分析に向けて分析機器の調整を実施している。1,低温実験室での海氷生成実験、2,オホーツク海およびサロマ湖において海氷・海洋観測を実施し、研究対象であるイカイトのサンプルの採取を実施することができたため。また、現在、本サンプルの分析に向けて分析機器の調整を実施しているが順調に進行しているため。イカイトは、炭酸カルシウムの6水和塩の結晶であり、近年、遂に南極海の海氷内から発見された。しかし、海氷内でイカイトがどのような条件で、どれだけ生成するか等のメカニズムについては全く分かっていない。本研究では、海氷内に存在するイカイトの析出メカニズムを明らかにすることを目的とし、室内海氷生成実験および野外海氷現場観測を実施した。1.室内海氷生成実験:北海道大学低温実験施設を利用し、海氷生成タンクで人工海氷を作成した。結氷温度および時間、海水の化学成分(pH)を調整し、様々な条件で実験を実施した。結氷温度が低いほど、海氷内部の温度が低下し、海氷内ブラインにおける化学成分が濃縮することによって、イカイト結晶の数は多くなった。また、結氷時間が長いほど、イカイト結晶が成長するためサイズは大きくなった。そして、海水のpHを高くした際、通常の海水に対してイカイト結晶の数は多くなった。以上の結果より、条件(結氷温度、時間、海水の化学成分)によって、イカイトの析出条件を詳細に記述することが出来た。2.野外海氷現場観測:ノルウェー極地研究所が所有する砕氷船『Lance』を用いた北極海での長期海氷観測航海(平成27年1-6月)および海上保安庁が所有する砕氷巡視船『そうや』を用いたオホーツク海での海氷観測航海においてイカイトサンプル採取を試みた。航海中、海氷を約100サンプル採取し、イカイト結晶の有無を確認した。しかし、すべてのサンプルにおいてイカイト結晶は発見されなかった。近年極域では、海氷上の積雪が顕著であり、雪の断熱効果によって、海氷温度が-6度以上と高いために、イカイト析出に至らなかったと考えた。また、近年の海洋酸性化によるpHの低下などもイカイト結晶の析出を抑制したために、イカイト析出に至らなかったと考えた。今後は、サンプル分析およびデータ解析、成果発表に集中する。3,申請者が過去の南極観測で採取したイカイトサンプルの分析・データ解析を実施する。4,前年度の室内実験および野外観測で得たイカイトサンプルの分析・データ解析を実施する。得た成果は国内外での学会及び国際誌に投稿する。

3,過去に南極海で採取したイカイトサンプルの分析・データ解析申請者は、平成25年6-8月にドイツ・アルフレッドウェゲナー極地海洋研究所の砕氷船『Polarstern』による厳冬期南極ウェッデル海での航海に参加し、イカイトのサンプルを採取した。現在、ドイツ・アルフレッドウェゲナー極地海洋研究所の冷凍庫にアーカイブされている。本研究所には、イカイトの分子構造の解析用にセットアップされたラマン散乱顕微鏡(WITec alpha 300 R, WITec GmbH, Germany)がある。また、イカイトの解析に必要な実験器具(例:高性能倒立顕微鏡)や写真撮影画像のためのソフトウェアがそろっている。申請者が本研究所に出向き、海氷中イカイト研究の第一人者であるG. S. Dieckmann博士との共同で、上記の実験器具、ソフトウェアを駆使し、実験・解析を進める。4,前年度の野外観測と室内実験で得たイカイトサンプルの分析・データ解析冷凍庫で保存したイカイトサンプルを取り出し、上記3と同様の手法で分析・データ解析を進める。自然界と低温実験で採取されたイカイトと比較し、基礎実験結果の自然界への適応に向けての評価を行う。雪氷化学
教科別の指導を通した知的障害児の問題解決能力の形成に向けた学習支援システムの構築

本研究は、これまで知的障害教育でほとんど取り組まれていない社会科、理科といった教科別の指導を基に、問題解決能力の形成に向けた学習プログラムの作成および有効性の検証を行い、特別支援学校における知的障害児に対する問題解決能力の形成に向けた学習支援システムの構築を行うことを目的とした研究である。研究1:知的障害特別支援学校における教科別の指導等の実態に関わる調査研究、研究2:知的障害児の問題解決能力の形成に向けた学習プログラムの作成、研究3:知的障害児の問題解決能力の形成に向けた学習プログラムの有効性の検証および学習支援システムの構築の3つよりなる。平成30年度は研究2:知的障害児の問題解決能力の形成に向けた学習プログラムの作成に取組んだ。成人期知的障害者の生涯学習支援として、東京学芸大学で1995年より取組まれいてるオープンカレッジ東京において、問題解決能力の形成に向けた学習プログラムとして社会科および理科プログラムの作成を行った。社会科プログラムは地理的な内容が主で、知的障害者の興味・関心に合わせ、さまざまな食材を比較するという内容となっている。理科プログラムは小学校、中学校の理科学習指導要領を参考に、「水溶液の性質」「素材(プラスチック)の性質」に関わる内容となっている。それぞれ、マトリックス表という支援ツールを用いて、2つ以上の対象物を比較・特定する活動を設定した。社会科、理科の内容を成人期知的障害者30名程度に試行的に適用したところ、知的発達段階で前操作期(2歳6,7歳)にあたる知的障害者も、マトリックス表を活用することで、「社会科」では食材を、「理科」ではプラスチックの種類を特定することが可能であった。よって、知的障害者の問題解決能力の形成に関わり、対象物の特徴を視覚化するマトリックス表は有効であることが示唆された。問題解決能力の形成に向けた学習プログラム(社会科・理科)を作成し、成人期知的障害者30名程度に試行的に適用し、支援方法を提案することにつながった。令和元年度は、知的障害特別支援学校に在籍する知的障害児に適用していく予定である。一方で研究1で取組む予定だった知的障害特別支援学校への教育課程に関する調査研究は、全国の知的障害特別支援学校の学校リストを作成し、特別支援学校教員3名とともに教科・領域、各教科等を合わせた指導に関する調査項目を作成したものの、カリキュラムマネジメント等の調査項目がまだ未完成であり、平成30年度の送付・回収には至らなかった。まず、全国の知的障害部門を有する特別支援学校743校(うち小学部570校、中学部563校、高等部668校)に対して、知的障害特別支援学校における教育課程調査を送付し、教育課程の実態を明らかにしていく。平成30年度は特別支援学校教員3名に対して予備調査をしたところ、社会科、理科、家庭科について、特別支援学校で取組まれていない様子が明らかになったため、教科別の指導の中でも社会科、理科、家庭科について、詳細に調査を行う。また、調査結果と、平成30年度に成人期知的障害者に対して試行的に実施した、社会科、理科からなる問題解決プログラムを、知的障害特別支援学校中学部・高等部に在籍する知的障害児に対しても実施していき、知的障害児に対する問題解決能力の形成に向けた学習支援システムの構築を行っていく。

よって、知的障害者の問題解決能力の形成に関わり、対象物の特徴を視覚化するマトリックス表は有効であることが示唆された。問題解決能力の形成に向けた学習プログラム(社会科・理科)を作成し、成人期知的障害者30名程度に試行的に適用し、支援方法を提案することにつながった。令和元年度は、知的障害特別支援学校に在籍する知的障害児に適用していく予定である。一方で研究1で取組む予定だった知的障害特別支援学校への教育課程に関する調査研究は、全国の知的障害特別支援学校の学校リストを作成し、特別支援学校教員3名とともに教科・領域、各教科等を合わせた指導に関する調査項目を作成したものの、カリキュラムマネジメント等の調査項目がまだ未完成であり、平成30年度の送付・回収には至らなかった。まず、全国の知的障害部門を有する特別支援学校743校(うち小学部570校、中学部563校、高等部668校)に対して、知的障害特別支援学校における教育課程調査を送付し、教育課程の実態を明らかにしていく。平成30年度は特別支援学校教員3名に対して予備調査をしたところ、社会科、理科、家庭科について、特別支援学校で取組まれていない様子が明らかになったため、教科別の指導の中でも社会科、理科、家庭科について、詳細に調査を行う。また、調査結果と、平成30年度に成人期知的障害者に対して試行的に実施した、社会科、理科からなる問題解決プログラムを、知的障害特別支援学校中学部・高等部に在籍する知的障害児に対しても実施していき、知的障害児に対する問題解決能力の形成に向けた学習支援システムの構築を行っていく。
光刺激により動く高分子ー光屈性材料

わずかの光量により大きく変形する感度のよい高分子ゲルを作成するには、相転移変形現象を利用するのが有効である。相転移温度付近においては系は不安定な状態にあり、わずかの摂動により、より安定な状態へ移行する。この摂動として光異性化反応を利用すれば、感度のよい高分子ゲルの構築が期待される。この基礎として、溶液系の相転移現象の1つである相分離を光照射により誘起することを試みた。アゾベンゼン基を2.7mol%含むポリ(Nーイソプロピルアクリルアミド)水溶液は、アゾベンゼン基がトランスの場合19.4°Cにおいて相分離が認められたが、紫外光照射によりシス体へ異性化させると、相分離温度は26.0°Cにまで上昇した。この系では19.4°C<t<26.0°Cの温度範囲において、光誘起相分離が起こることになる。アゾベンゼン基の含量を変えて相分離温度の光変化量をプロットすると、相分離温度の光変化は非常に狭いアゾベンゼン基含量(2.03.1mol%)においてのみ観測されることが明らかとなった。相分離という相転移現象が、疎水性と水素結合との微妙なバランスに支配されているためと考えられる。高分子ゲル系へ応用するには、アゾベンゼン含量の最適化が重要であることが明らかとなった。トリフェニルメタンロイコシアンドを含むアクリルアミドゲルが光照射下、電場を印加することにより振動する機構の解明をめざし、添加塩効果を検討した。振動の応答速度は添加するカチオンのサイズに依存し、MgCl_2添加系において最も速い応答挙動が観測された。アニオンのサイズを変化させることも試みたが、アニオンのサイズ効果は認められなかった。この結果は、電場下での変形がゲルのごく表面が関与している現象であることを示唆している。
エンドトキシン病態の分子論的解析

IL-18は生理活性の無い前駆体としてマクロファージ系をはじめ多様な細胞に恒常的に産生・貯蔵され、適正な刺激下に特定の細胞内酵素により切断されたのち、活性型IL-18として分泌される。本研究においてはLPS肝障害モデルを用いて、IL-18の示す病理学的作用を検討した。Propionibacterium acnes(P. acnes)の加熱死菌を前投与したマウスに微量のLPSを投与すると、肝臓に劇症肝炎様の病変が誘導される。しかし、抗IL-18抗体をLPS投与と同時に投与すると病変は著明に抑制される。また、このようなP. acnesとLPS投与で誘導される肝障害は、IL-18を産生することができないマウスであるcaspase-1欠損マウスやIL-18欠損マウスを用いた場合はおこらない。このような事実から、IL-18が肝細胞傷害の誘導に関与することは確実である。実際、P. acnes処理したマウスにLPSの代わりにIL-18を投与すると、肝細胞傷害が誘導される。IL-18はIFNγ、TNF、FasLなどの産生を直接的あるいは間接的に誘発する。従って、IL-18はこれらの細胞障害因子の産生を誘導することで、肝細胞障害を誘導するものと考えられる。事実FasLを強く発現したNK細胞株をP. acnesで前処理したマウスに投与すると、肝臓に劇症肝炎様の病変が誘導された。更にP. acnes処理したマウスに可溶性のFasLを投与すると劇症肝炎様の病変が誘導された。ここで重要なことはP. acnes前処置さえしておけば、caspase-1欠損マウスに可溶性のFasLを投与しても劇症肝炎様の病変が誘導されたことである。しかし、P.acenes前処置したIL-18欠損マウスに可溶性FasLを投与しても劇症肝炎様の病変は誘導されなかった。可溶性のFasLをP. acnes処理したcaspase-1欠損マウスに投与すると、血中のIL-18値は著明に上昇した。一方、当然ではあるがIL-18欠損マウスでは血中でIL-18は検出されなかった。以上の結果から、我々はFasLは直接的に肝細胞障害を誘導するばかりでなく、Fasを発現しているKupffer細胞に作用してIL-18の産生を誘導することで、NK細胞やTh1細胞上のFasLの発現をさらに増強させ、その結果、一層肝細胞傷害が増強されるのではないかと結論するに至った。今回の研究から、FasLとIL-18の間にポジテイブフィードバックループが存在することが明らかとなった。

Propionibacterium acnes(P.acnes)を投与されたBALB/cあるいはC57BL/6マウスにごく少量のLPSを投与すると、大半のマウスはエンドトキシンショックで死亡する。またたとえ生き延びた場合も、マウスはやがて劇症肝炎を発症して死亡する。ところが、機能的なFas分子を発現できないlprマウスは、同様の処置を受けても劇症肝炎を発症しない。我々は、このようなエンドトキシン肝障害の発症メカニズムを研究してきた。そして肝障害を発症するマウスでは、活性化されたKupffer細胞から大量のIL-12とIL-18が産生されていることを明らかにした。また、このIL-12とIL-18の作用でThl細胞やNK細胞が過度に活性化されること、更にその結果、TNFαの産生とFasリガンドの発現増強がおこり、これらの傷害性分子の作用でマウスが肝障害に陥ることも明らかにした。既にIL-18の産生と分泌のメカニズム、IL-18Rを介したシグナル伝達、引き続きおこるThl細胞やNK細胞の活性化機構をin vitroの実験系でそのメカニズムを明らかにしてきたが、今回の研究でICE欠損マウス、IL-18欠損マウス、MyD88欠損マウスを用いたin vivoの実験系で、これらの分子(ICE、IL-18、MyD88)が肝障害の誘導に関与することが明らかになった。更にこの様な肝障害の誘導だけでなく、LPSの作用で誘導されたIL-12とIL-18が腸粘膜のびらん、肝臓の脂肪変性をも誘導することが明らかになった。現在この様な臓器変化が誘導されるメカニズムを検討中である。Propionibacterium acnes(P.acnes)の加熱死菌を前投与したマウスに微量のLSPを投与すると、血中のIL-18値の著明な上昇がおこり、さらに肝臓では劇症肝炎様の病変が誘導される。しかし、抗IL-18抗体をLPS投与と同時に投与するとこの肝臓の病変はほぼ完全に抑制される。IL-18は生理活性の無い前駆体としてマクロファージ系をはじめ多様な細胞に恒常的に産生・貯蔵され、LPSの刺激下に活性化されたCaspase-1の作用で切断されたのち、活性型IL-18として分泌される。最近、好中球をFasLで刺激するとIL-1βが産生されることが明らかとなった。面白いことにCaspase-1の遺伝子欠損マウスの好中球をFasLで刺激しても同じ結果となった。筆者等はこの結果に注目して、IL-18の分泌もCaspase-1非依存性におこるのではないかと考えた。得られた結果は予想通りで、P.acnesの加熱死菌を前投与したマウスの肝臓のKupffef細胞はFas抗原を発現し、この細胞をFasLで刺激すると成熟型のIL-18の分泌が認めちれた。P.acnesとLPS投与で誘導される肝障害は、caspase-1欠損マウスやIL-18欠損マウスを用いた場合はおこらない。ところが、P.acnes前処置したcaspase-1欠損マウスに可溶性のFasLを投与したところ、血中のIL-18値の著明な上昇がおこり、さらに肝臓では劇症肝炎様の病変が誘導された。しかし、P.acnes前処置したIL-18欠損マウスに可溶性のFasLを投与しても劇症肝炎様の病変は誘導されなかった。以上の結果から、我々はFasLは直接的に肝細胞傷害を誘導するばかりでなく、Fasを発現しているKupffer細胞に作用してIL-18の産生を誘導することで、NK細胞やTh1細胞上のFasLの発現をさらに増強させ、その結果、さらに肝細胞傷害が増強されるのではないかと結論するに至った。
散逸粒子動力学シュミュレーションによるJanusナノ粒子の自己集合形態の予測

ナノ粒子の自己集合は,我々の身の回りの様々な機能性材料の中で用いられている.つまり,自己集合と機能には強い関わりがあると言える.Janus粒子は,粒子表面に2つ以上の異なる性質を持つ(例えば疎水性と親水性を併せ持つ)特殊な粒子で,近年の合成技術の発達によって作成可能となった.本研究ではJanusナノ粒子の自己集合構造や自己集合過程を分子シミュレーションによって調べた.その結果,これまで観察されなかった新しい集合構造や相を発見し,また規則的な相が現れるいくつかの条件を特定することができた.ナノ粒子の自己集合は,我々の身の回りの様々な機能性材料の中で用いられている.つまり,自己集合と機能には強い関わりがあると言える.Janus粒子は,粒子表面に2つ以上の異なる性質を持つ(例えば疎水性と親水性を併せ持つ)特殊な粒子で,近年の合成技術の発達によって作成可能となった.本研究ではJanusナノ粒子の自己集合構造や自己集合過程を分子シミュレーションによって調べた.その結果,これまで観察されなかった新しい集合構造や相を発見し,また規則的な相が現れるいくつかの条件を特定することができた.本研究成果の目的は,複雑な形状や化学相互作用を有した異方性ナノ粒子(Janusナノ粒子)について分子シミュレーションを行い,自己集合過程や自己集合構造を系統的に分類することである.この研究によって,実際の実験の前に発現する機能の予測を立てることが可能となり,新規ナノデバイス設計の際に試行実験回数や費用を大幅に削減することが可能となる.その目的に対し,初年度は主にプログラム開発を行った.具体的には粒子数,圧力,温度一定のアンサンブルのプログラムの開発と剛体粒子を取り扱うことのできるプログラムの開発を行い,プログラムコードの妥当性を確認した.このプログラムを用いたナノチューブ内のトリブロックJanus粒子の自己集合形態についての研究を行い,J. Chem. Theory Comput.に発表した.(N. Arai et al., Self-Assembly of Triblock Janus Nanoparticle in Nanotube, 9, 179 (2013).)また,Janusナノ粒子とベシクルとの衝突および衝突後の安定構造に関する研究についても実施し,Nanoscaleに発表した.(N. Arai et al., A Vesicle Cell under Collision witha Janus or Homogeneous Nanoparticle: Translocation Dynamicsand Late-Stage Morphology, 5, 9089 (2013).)本研究の目的は,複雑な表面形状や科学相互作用を有した異方性ナノ粒子,特にJanusナノ粒子について分子シミュレーションを行い,自己集合過程や自己集合構造を系統的に分類することである.自己集合構造と物性には強い相関があることがわかっているため,この研究によって,実際に実験する前に発現する機能の一部を予測することが可能となり,新規ナノデバイスの設計の際に実験の試行回数や費用を削減することに繋がる.本研究では,Janus粒子表面の疎水性パターンに注目し,親水性/疎水性の2つの表面を持つ粒子(diblock Janusナノ粒子)と疎水性/親水性/疎水性の3つの表面を持つ粒子(triblock Janusナノ粒子)について分子シミュレーションを行った.まず,Janusナノ粒子をナノチューブに閉じ込めた時の自己集合構造について調査した.その結果,ナノチューブの半径と軸方向の圧力によって様々な自己集合構造ができることを明らかにし,それらについての相図を示した.また,ナノ粒子同士の配位数が2の倍数の時に規則的な構造ができることを発見した.さらに,ナノチューブの化学的な性質によって,自己集合構造がある程度予測できることを示した.次に,Janusナノ粒子と細胞膜モデルの1つであるベシクルの衝突後の安定構造についての分子シミュレーションを行った.ナノ粒子の表面の化学的な性質や衝突の速度によって,いくつかの安定構造が現れることを示した.また,衝突後,ベシクルの内包物の変化についても調べ,ナノ粒子の向きによって安定構造に達するまでの過程が異なり,衝突速度が比較的遅い場合でも,内包物の変化量が大きい場合があることを明らかにした.マイクロ・ナノ工学初年度で予定していたシミュレーションプログラムの開発および計算系の構築については,滞り無く完了した.そして既に実験で得られている自己集合構造の再現についても,一部の特徴的な平衡図を得ることができた.その一方で,計算コードの並列化による演算の高速化については,比較的簡単な手法(openMP)のみに留まっており,GPU等の順汎用計算機用のコード開発には至っていない.今後は並列化にも時間を割いて,研究を進める予定である.本研究課題はおおむね順調に進展しているため,これまでと大きくは変わらず研究を推進していく予定である.具体的には,科研費補助金で購入した計算機を用い,ナノ粒子の形状に関する様々なパラメータのシミュレーションを行う.シミュレーション結果を解析し,ナノ粒子の自己集合形態の予測を行う.得られた研究成果は,投稿論文や学会発表によって公表する予定である.まず物品費に関しては,当初計画していたより,計算機を安く購入できたことが挙げられる.また,旅費に関しては,学事日程と合わず予定していた研究討議や出張に行く時間がなかったことから,残額が生じた.本研究課題では,計算機のコア数が多いほど研究の進捗や信頼性が高くなるため,シミュレーション計算機やストレージ用のハードウェアの購入を予定している.また,新たな結果が得られる年度であるため,研究課題に関する議論や情報収集のための学会発表や研究相談に使用を考えている.