hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
VR協働可視化環境の構築とその高効率化に関する研究

更に、スーパーコンピューティングに関する国際会議であるSC18や所属機関の一般公開等、国内外で開催されたイベント等において、CLCLを用いてHMDで動作するようにしたCAVE型VR装置用可視化ソフトウェアVFIVEを用いた技術デモを多数実施し、好評を得た。本年度開発したHMD型VR装置用VFIVEについては、ソースコードを整理し、CAVE型VR装置用VFIVE同様インターネットを通じて公開を行う予定である。これと並行して、HMD型VR装置用およびCAVE型VR装置用共にVFIVEへの可視化環境共有機能の実装に着手する。遠隔地間で可視化環境を共有するためのデータとしては、等値面生成の閾値や、流線追跡の開始点を示す三次元座標などの可視化パラメータが挙げられるが、これらの共有はサーバを介して行う。また、協働環境下での可視化作業を高効率化するための方法の検討およびその実装に着手する。VFIVEへの遠隔協働可視化環境実現のための機能追加については、次年度初頭にVFIVEへの実装を開始し、遠隔地間および異なる種類のVR装置間での協働可視化実験を実施する。VFIVEおよびCAVELib互換ライブラリについてはソースコードの整理を引き続き進め、インターネット等での公開を目指す。以上、全体の研究結果を統括し、本研究の有効性と課題について結論を得る。当初計画では平成28年度設備備品として、グラフィックスワークステーションおよびHMD型VR装置を神戸大学に設置予定であったが、基盤技術の開発に注力かつ遠隔地間を結ぶ協働可視化実験の実施に至らなかったため導入しなかった。研究代表者の購入したグラフィックスワークステーションについても、デモ等における可搬性を考慮したノート型PCを導入することとしたため、当初計画よりも低い支出となった。本年度購入した遠隔地との通信実験に用いるグラフィックスワークステーションについて、平成28年度に購入したものと同様に可搬性を考慮したノート型PCを導入することとしたため、当初計画よりも少ない支出となった。また、同グラフィックスワークステーション用HMD型VR装置についても、価格改定により当初計画よりも少ない支出となり、未使用額が生じた。平成30年度において、HMD型VR装置を含むハードウェアの更新の他、論文投稿費用に使用する。平成29年度設備備品として、当初計画していたグラフィックスワークステーションおよびHMD型VR装置(Oculus Rift)の神戸大学への設置を進める予定である。神戸大学には、本年度購入したHTCViveについてもOculus Riftと併せて設置し、同機種間および異機種間での通信実験を実施予定である。[技術指導]神戸大学(2017年4月28日)および中央大学(2017年6月23日)の研究室向けセミナーにおける講演[その他]
歯槽骨増生を目的とした破骨細胞と骨芽細胞の骨代謝共役機構の解明

OPG-/-マウスの歯槽骨吸収について解析した結果、OPG遺伝子の欠損によって著しい歯槽骨吸収が惹起されることを見出した。しかし、OPG-/-マウスと同様に骨粗鬆症を呈するRANKLの強発現マウスにおいては、歯槽骨吸収は認められなかった。また、正常マウスの皮質骨や歯槽骨においては、骨細胞にOPGの発現が認められるが、海綿骨においてはOPG発現が認められない。以上の実験結果から、バイオミネラル(石灰化組織)の脱結晶化(骨吸収)に関与するRANKLのデコイ受容体であるOPGは、骨細胞が産生することによって石灰化組織の結晶化状態を保つ働きを担っている可能性が考えられた。【目的】歯周病において、歯槽骨の吸収は歯の喪失を引き起こす。しかし,歯周病に骨吸収関連遺伝子がどの程度関与しているかは明確でない。そこで、我々は骨吸収関連遺伝子としてosteoprotegerin(OPG)の歯周病への関与を明らかにするため、OPG遺伝子欠損マウスとRANKL遺伝子強発現マウスの歯槽骨を観察した。【方法と結果】(1)野生型(WT、C57BL/6)、OPG欠損マウス、RANKLTgマウスの下顎第一臼歯の根分岐部における歯槽骨をマイクロCTで撮影して、骨量を測定した。12週齢のWTの骨量は約60%であったが、OPG欠損マウスの骨量は約25%に減少していた。(2)ヒトと同様の基準で歯槽骨吸収を評価するため、マウスの上顎臼歯のセメントエナメル境から歯槽骨頂までの距離(CEJ:ABC)を測定した。12週齢のOPG欠損マウスにおいて、歯槽骨の著しい吸収が観察された。一方、RANK LTgマウスにおいては、顕著な歯槽骨吸収は認められなかった。次に、この骨吸収をビスボスホネートまたは抗RANKL抗体で抑制できるかを検討した。(3)8週齢のOPG欠損マウスにrisedronateを4週間投与、抗RANKL抗体を1回投与し、歯槽骨吸収を評価した。その結果、これらの骨吸収抑制剤投与により、OPG欠損マウスの歯槽骨吸収の亢進は著明に抑制され、骨量は増大した。【まとめ】OPG欠損マウスのみ皮質骨や歯槽骨が多孔質化し、骨の内部と表面で破骨細胞が顕著に増加した。一方、RANKL Tgマウスの皮質骨や歯槽骨は多孔質化せず、OPG陽性の骨細胞が認められた。また、海綿骨におけるOPG陽性骨細胞は僅かであった。以上の結果より、骨細胞が産生するOPGが皮質骨や歯槽骨の維持に重要な役割を果たしていることが示された。また、OPGの発現低下は歯周病の進行に重要であることが示唆される。歯周病において、歯槽骨の吸収は歯の喪失を引き起こす。現在までに、歯周病に骨吸収関連遺伝子が関与している可能性を示す患者由来の歯肉溝滲出液を用いた報告がなされてきた。そこで、我々は骨吸収関連遺伝子としてOPGの歯周病への関与を明らかにするため、OPG-/-マウスとRANKL遺伝子強発現マウス(RANKL Tg)の歯槽骨を解析した。各種マウス血清中の骨代謝マーカーを測定した。OPG-/-マウスはOPGが発現していないのでRANKL/OPG比は無限大に大きくなるが、RANKL TgマウスのRANKL/OPG比も正常マウスと比較して40倍近くに増大する。野生型マウス、OPG-/-マウス、RANKL TgマウスのRANKL/OPG比は、骨吸収マーカーである血清TRAP5b活性と相関した。次にそれぞれのマウスの歯槽骨における破骨細胞の出現とOPGタンパク質の発現について検討した。その結果、OPG-/-マウスのみ歯槽骨が多孔質化し、骨の内部と表面で破骨細胞が顕著に増加した。一方、野生型マウスやRANKL Tgマウスの歯槽骨は多孔質化せず、OPG陽性の骨細胞が明瞭に認められた。これらのマウスにおける大腿骨皮質骨の多孔質化とOPGの発現様式も歯槽骨と同様であった。しかしながら、大腿骨海綿骨におけるOPG陽性骨細胞はほとんど認められなかった。また、OPGの発現低下は歯周病の進行にも関与する可能性が示唆される。以上の結果をまとめると、OPG-/-マウスの歯槽骨吸収について解析した結果、OPG遺伝子の欠損によって著しい歯槽骨吸収が惹起されることを見出した。

破骨細胞分化因子であるRANKLが1998年に発見されてから15年、破骨細胞の分化誘導に関わる信号伝達が明らかとされてきた。その過程で、RANKL信号伝達が破骨細胞のみならず、骨芽細胞の分化を制御している可能性を示す実験結果が得られてきた。W9 (WP9QY)はRANKやTNFレセプターと相同性を有する9個のアミノ酸から構成される環状ペプチドであり、W9ペプチドは、TNFの作用を阻害する他、RANKLと結合することにより、破骨細胞の分化を阻害し、卵巣摘出モデルにおける骨量減少を防止する。正常マウス骨髄細胞におけるRANKL誘導性の破骨細胞形成に対してW9はTRAP陽性多核破骨細胞形成を濃度依存的に抑制した。W9 (100μM)添加群において、TRAP陽性多核細胞形成が完全に阻害されたが、ALP陽性の骨芽細胞は多数出現した。W9 (200μM)添加群においては、ALP陽性骨芽細胞からなるNodule形成が著明に認められた。正常マウス由来の骨芽細胞上では、ビタミンDやPTHの存在下で破骨細胞が形成され、W9ペプチドは破骨細胞分化を阻害すると共にALP陽性の骨芽細胞の分化を促進した。BMP-2やPTHによるALP陽性の骨芽細胞誘導に対してもW9ペプチドは促進作用を示した。一方、RANKL欠損マウス由来の骨芽細胞上の共存培養系においては、ビタミンDやPTHなどの存在下でも破骨細胞の誘導は認められなかった。また、RANKL欠損マウスの骨芽細胞は正常マウス骨芽細胞と比較してALP活性が弱く、W9、BMP-2、PTHによるALP陽性の骨芽細胞誘導活性も弱かった。RANKLに結合するW9ペプチドは、RANKシグナルを阻害することにより破骨細胞分化を抑制する。さらに、W9ペプチドは骨芽細胞表面のRANKLに結合し骨芽細胞分化を誘導するものと考えられる。RANKL-RANKシグナルは、骨吸収のみならず、骨芽細胞による骨形成にも重要な役割を有する可能性がある。26年度が最終年度であるため、記入しない。口腔生化学26年度が最終年度であるため、記入しない。骨細胞が産生するOPGが皮質骨や歯槽骨の維持に重要な役割を果たしていることが示された。また、OPGの発現低は歯周病の進行に重要であることが示唆された。遺伝子欠損マウスを用いた実験結果から、骨細胞が産生するOPGが皮質骨や歯槽骨の維持に重要な役割を果たしていることが示された。また、OPGの発現低下は歯周病の進行に重要であることが示唆され、RANKL中和抗体の歯槽骨吸収に対する抑制効果を明らかにすることができた。今回計画した研究においては、破骨細胞から骨芽細胞へのRANKLのリバースシグナルを解明することである。そして、これらの基礎的研究成果を基にして、歯槽骨吸収の予防及び残存する歯槽骨を保存する薬剤の開発を目指す。今回計画した研究においては、破骨細胞から骨芽細胞へのRANKLのリバースシグナルを解明し、新しい骨形成促進シグナルを明らかにすることである。平成24年度の研究遂行において、少額の直接経費次年度使用額(8,919円)が生じたが、平成25年度の研究費と合わせて、破骨細胞から骨芽細胞へのRANKLのリバースシグナルの解明のための分子生物学的研究に使用する予定である。平成25年度の研究遂行において、直接研究費次年度使用額(186,696円)が生じたが、試薬類の大量購入により定価より安い金額で購入できたためである。
多元環の導来圏の同値性と多元環のリンゲル・ホール代数で実現されるリー代数

可換環kと小圏Iを固定し,小k圏全体の2圏をk-Catで,2圏BからCへのコラックス関手とラックス変換全体の2圏をColax(B,C)で表す。任意の2圏Bと2圏の擬関手C→Dが,擬関手Colax(B,C)→Colax(B,D)を導くことを証明し,コラックス関手I→k-Catの"加群圏","導来圏",導来同値性を定義した。2つのコラックス関手が導来同値ならば,それらのグロタンディーク構成もそうなることを証明し,導来同値の貼り合わせ法を与えた。まず、群Gからの作用を持つ小圏(G圏と略称)の間にうまく1-射を定義し、その1-射の間にうまく2-射を定義して2-圏G-Catを定義した。次に、G次数付き小圏の間にうまく1-射を定義し、その1-射の間にうまく2-射を定義して2-圏G-GrCatを定義した。これらの定義のもとでさらに、軌道圏を取る操作(CからC/G)をうまく2-関手G-Cat→G-GrCatに拡張し、スマッシュ積を取る操作(BからB#G)をうまく2-関手G-GrCat→G-Catに拡張することによって、これらが互いに弱擬逆であるようにすることができた。強い意味では、軌道圏を取る操作は、スマッシュ積をとる操作の2-左随伴になっているだけであることに注意する。これにより、昨年度の結果(単なる圏としての擬逆)を完全に拡張することができた。その際のキーポイントは、2-圏G-GrCatの1-射の定義の条件を昨年度のものよりも緩めたことにある。この結果は、Cohen-Montgomery双対性の2-圏論的拡張となっている。群Gを一般の小圏Iに取り替え、G作用の代わりに関手X:I→k-Catを考える(kは可換環でk-Catはk線型圏のたす2-圏)と、軌道圏を取る操作はグロタンディーク構成Gr(X)をとる操作に一般化される。この設定のもとで、Xともうひとつの関手X';I→k-Catとの間の導来同値性を定義し、XとX'の間の導来同値がGr(X)とGr(X')の間の導来同値を導くことを証明した。応用としてこのことから直ちに、k多元環AとBが導来同値であるれば、任意の半順序集合Sと群Gに対して、incidence多元環ASとBSが導来同値になり、群多元環AGとBGが導来同値になることが導かれる。可換環kと小圏Iを固定しk圏全体のなす2圏をk-Catで表す。またk三角圏全体のなす2圏をk-Triで表す。Iからk-Catへの反転ラックス関手全体とその間の左変換全体および左変換の間の射全体からなる2圏をOplax(I,k-Cat)で表す。各反転ラックス関手X:I→k-Catに対して、その"加群圏"Mod Xを反転ラックス関手I→k-Catとして、また、"導来圏"D(Mod X)を反転ラックス関手I→k-Triとして、自然に定義することができることを示した。Oplax(I,k-Cat)およびOplax(I,k-Tri)の2圏構造を用いて、それぞれの対象間の同値が定義される。Oplax(I,k-Cat)内の2つの反転ラックス関手X,X'は、D(Mod X)とD(Mod X')がOplax(I,k-Tri)のなかで同値であるとき、導来同値であると定義する。また、Iのすべての対象iと、X(i)のすべての対象x,yに対してX(i)(x,y)が平坦なk加群であるときXをk平坦とよぶ。次の2つの定理が得られた。定理1:「X,X'を上の通りとし、次の2つの条件を考える。(1)XとX'は導来同値;(2)Xに対する傾斜反転ラックス関手Tで、TとX'がOplax(I,k-Cat)のなかで同値となるものが存在する。このとき(1)ならば(2)が成り立つ。また、X'がk平坦であれば、逆も成り立つ。」定理2:「上において(2)ならば、Xのグロタンディーク構成Gr(X)とX'のそれGr(X')は導来同値である。」定理1は、環の導来同値に関するリカードの定理を反転ラックス関手へ一般化するものであり、定理2は、昨年度得られた定理の反転ラックス関手への一般化となっている。

定理1と2より「XとX'が導来同値ならば、Gr(X)とGr(X')も導来同値となる。」kを可換環,Gを群,Iを圏とする。また,k-Catでk小圏全体の2圏とする。(1)G作用をもつk小圏全体のある2圏G-Catと,G次数付きk小圏全体のある2圏G-GrCatが2同値であることを以前に示したが,G-GrCatでの同値性は見慣れないものであったので,これをよく知られた性質との類似で特徴付けた。(2)反転ラックス関手X:I→k-Catの加群圏およびその導来圏の定義は,これまで別々に与えてきたがこれらを統一的に取り扱う簡単な方法を見つけた。すなわち,まず一般に擬関手との合成が,反転ラックス関手の全体の2圏から反転ラックス関手全体の2圏への擬関手になるという定理を証明した。これを応用すると,k-Catからkアーベル小圏全体の2圏k-Abへの擬関手Modと,加群圏の形のk-小圏全体のなす2圏k-ModCatからk-三角小圏全体のなす2圏k-Triへの擬関手Dをうまく定義すると反転ラックス関手Xとの合成Mod・X:I→k-Abおよび,D・Mod・X:I→k-Triがまた反転ラックス関手となることが分かる。これらがちょうどXの加群圏および導来圏となる。この定理は,導来同値のための被覆理論の圏作用への一般化の主定理(反転ラックス関手XとX'が導来同値ならばそれらのグロタンディーク構成Gr(X)とGr(X')も導来同値になるという定理)の証明にも使うことができた。この主定理を応用して,互いに導来同値なk多元環の対の族を貼り合わせて,導来同値な大きなk多元環の対を構成することができた。kを代数的閉体とし,考える多元環はすべてk上の,単位元をもつ結合多元環とする。また,考える圏はすべてk圏とする。研究目的の(4)「振動数が整数であるような多重拡大多元環のクラスについて、導来同値分類と導来同値のもとでの完全不変量を求める。」を以下のように進展させることができた。まず,遺伝多元環Hに導来同値な多元環Aを区分的遺伝多元環とよぶ。HのクイバーQが有向樹木であるときAは樹木型であるという。また,多元環Aと自然数nに対して,Aの反復圏A'の自己同型φは,A'の0次部分をn次部分に移すとき飛びがnであるという。多元環は,飛びがnであるような自己同型φで生成される巡回群による軌道圏A'/<φ>の形に書けるとき,Aの一般n重拡大であるという。nを明示しないときは単に一般多重拡大とよぶ。また,Aの自己同型ψから自然に導かれるA'の自己同型ψ'とA'の中山自己同型νのn乗ν'によって軌道圏A'/<ν'ψ'>の形に書ける多元環をAの歪n重拡大という。nを明示しないときは歪多重拡大という。ν'ψ'は飛びがnであるので,歪n重拡大は一般n重拡大になっている。主結果として,樹木型の区分的遺伝多元環の一般多重拡大のクラスに対して,導来同値のもとでの完全不変量を求め,導来同値分類を与えた。これを行うため,一般多重拡大から標準的な方法で歪多重拡大を構成し,そのどちらもが共通の遺伝多元環の一般多重拡大に導来同値であることを証明した。これを用いて,一般多重拡大の導来同値分類を,歪多重拡大の導来同値分類に帰着させて問題を解いた。道具となる一般論は順調に進んでいるが,B/<ν^ng>(ただし,Bは樹木型の箙多元環に導来同値な多元環Aの反復圏で,nは自然数,νはBの中山自己同型,gはすべての整数iに対してg(A^<[i]>)=A^<[i]>をみたすBの自己同型)という形の多元環のクラスを導来同値分類する研究はなかなか進んでいない。24年度が最終年度であるため、記入しない。(1)圏IをA_n(2≦n≦∞)型の箙で定義される自由圏とする場合に,導来同値のための被覆理論の圏作用への一般化の主定理を応用して,ある多元環のクラスを導来同値分類する。(2)上記のB/<ν^ng>という形の多元環のクラスの導来同値のもとでの不変量を求める。
特異構造が支配する非線形現象の高度形態変動解析

結晶表面の形状変化をはじめとする形態変動の解析は、科学・技術全般における複雑な現象の解明に向けての鍵であるばかりではなく、数学解析としても重要な研究課題である。本研究計画では次の5項目に重点を置いて研究を進めている。各項目についての本年度の成果を述べる。(1)非線形非局所的拡散に特徴的な構造の解明:ファセットを伴うような拡散が非常に強い方程式については、空間次元が1次元であり、かつ2階の拡散の場合は従来よりよく解析されている。本年度は、高次元の場合にこの問題に取り組み、従来3次元空間内の曲面についてのみ示されていたクリスタライン平均曲率流方程式について、その解の一意存在についての統一的な理論を確立した。また、ナヴィエ・ストークス方程式の線形化作用素であるストークス作用素も、その平滑化効果は非局所的である。この作用素が有界平均振動関数の空間でも解析半群を生成することを、例えば有界領域や外部領域の場合に示すことに成功した。(2)特異構造を許す解概念の定式化:クリスタライン平均曲率流に対して、等高面法を確立した。特に、ユークリッド空間内の任意の有界開集合を、異方的な意味で滑らかな集合で近似することに成功した。(3)形態の安定性と漸近解析:結晶成長の渦巻成長や2次元核生成による成長について、記述するモデルの解の時間無限大の速度を数値的および数学的に解析した。(4)モデル相互の関係の解析:平均曲率流方程式の拡散界面モデルであるアレン・カーン方程式の解が動的境界条件のもとで近づく鋭敏界面方程式を導出した。(5)科学技術諸分野への応用と新たな問題探索:地下水汚染を記述する分数階時間微分を持つ方程式について、その粘性解を用いた基礎理論を構築した。また、結晶表面の現象については、代表者らが開発した変形等高面法により、複数の渦巻がぶつかる場合の成長速度の計算を行った。各項目について、必ずしも予想される方向に研究が展開されているわけではないが、確実に成果を上げている。国際研究集会やワークショップをいくつか開催して、情報収集、成果発表にも力を入れる。特に本研究計画を通して多くの若手研究者の育成にも努めたい。また海外の研究会に積極的に参加して、世界に向けて情報発信をしていきたい。結晶表面の形状変化をはじめとする形態変動の解析は、科学・技術全般における複雑な現象の解明の鍵であるばかりでなく、数学解析の重要課題である。本研究計画では次の5項目に重点を置き研究を進めている。(1)非線形非局所的拡散に特徴的な構造の解析:ファセットを伴うような拡散が非常に強い方程式については、駆動力が一様で、空間次元が1次元の場合に比較的扱いやすい。これに対して、駆動力が非一様であったり高次元である場合は、解の概念の定義が難しい。またナヴィエ・ストークス方程式の線形化方程式であるストークス方程式でのように圧力場を通した非局所的な粘性効果についても、例えば最大値原理が成立しないなど、通常の熱伝導方程式とは異なる。本年度はストークス方程式について、熱方程式と同じような有界関数の関数空間でのその半群の解析性を外部領域で示すなど大きく進展した。またナヴィエ・ストークス方程式について渦度場を生成する境界の効果についても考察した。(2)特異構造を許す解概念の定式化:ファセットを許す解概念を、高次元の非発散型全変動流方程式について初めて拡張することに成功し、その初期値問題の一意可解性を示した。また、駆動力が非一様な場合、関数のグラフの場合に一意可解性が従う解概念の導入に成功した。(3)形態の安定性と漸近解析:2階等高面型方程式に外力が課されている2次元核生成をモデル化した方程式について、その時間大域的挙動がかなり複雑になることを発見した。(4)モデル相互の関係の解析と近似法の確立:クリスタライン方程式の離散微分ゲームによる近似が可能かどうかを考察した。(5)科学技術諸分野への応用と新たな問題探索:結晶表面の渦巻成長を渦の衝突も含めて追跡できるモデルを提唱し、その数値計算を行った。(1)非線形非局所的拡散に特徴的な構造の解析:ファセットを伴うような拡散が非常に強い方程式については、駆動力が一様で空間次元が1次元の場合は比較的易しい。本年度は、発展型ではあるが4階の問題に挑戦した。またナヴィエ・ストークス方程式の線形化方程式であるストークス方程式のように圧力場を通した非局所的な粘性効果は、熱方程式のような最大値原理が成立しないことより、その解析が困難である。本年度は外部領域の場合、ストークス作用素が有界関数の空間でも角域作用素であることを、レゾルベントを直接評価することにより証明することに成功した。(2)特異構造を許す解概念の定式化:表面エネルギーが区分的な1次関数であるクリスタライン曲率流に対して、その等高面法を空間3次元の場合に拡張する道を拓いた。ファセット上でスピードが必ずしも一定でないことによる困難を克服することに成功した。

(3)形態の安定性と漸近解析:ハミルトン・ヤコビ方程式のセル問題の解のエルゴード問題による近似が、部分列によらない収束であることをノイマン問題の場合に示した。(4)モデル相互の関係の解析:平均曲率流方程式の拡散界面モデルであるアレン・カーン方程式の解は、バリフォールドといったかなり弱い解のレベルでも近似になっていることを、流れ場のある場合に示した。(5)科学技術諸分野への応用と新たな問題探索:結晶表面の渦の成長速度、特に衝突のある場合について、代表者らが開発した変形等高面法により計算することに成功した。各項目について、必ずしも予想される方向に研究が展開されているわけではないが、確実に成果を上げている。特異構造を許す解概念の定式化:異方性の強い特異2階曲率流方程式や平均曲率流方程式などについて、新しい解の概念を導入し、解析を行った。(i)クリスタライン平均曲率流方程式に対する等高面法:特異2階曲率流方程式の典型例として、その平衡型のウルフ図形が多面体であるものを、クリスタライン平均曲率流方程式という。この問題について、カドやファセットのある結晶がぶつかりあったり、ちぎれたりするような特異構造を許す解概念として等高面法による弱解(広義解)が有力と考えられる。弱解の一意存在問題は、平面内の曲線の場合の研究代表者らの結果(2001)以来、曲面の運動については15年近く未解決の難題であった。研究代表者らはこの難問を、粘性解の概念を適切に拡張することにより広いクラスの方程式に対して解決した。極大単調作用素論を中心とした関数解析と粘性解析との美しい調和による成果であった。他研究者の関心も高く、同時期にフランスの研究者が全く別の方法で解決したが、対象とする方程式の範囲は狭かった。(ii)平均曲率流方程式のバリフォールド解:平均曲率流方程式の弱解については、等高面法による弱解がよく知られていて、流れ場等の中でも扱える。しかし、変分学的に定義された弱解(バリフォールド解)の存在は不明であった。研究分担者の利根川は漸近解析と変分解析をうまく調和させることにより解決した。さらに、2相を分離する界面方程式ばかりでなく、多相を分離する場合の弱解の構成についても成功している。これらの結果がさまざまな分野で関心を集めている。今後の研究の基盤となる成果である。本研究課題の主な具体的目標は、結晶成長現象のような非平衡現象を記述するさまざまな非線形非局所拡散型偏微分方程式について、特異点等を許す解概念を確立し、解の存在、一意性および解の挙動を解析することであった。クリスタライン平均曲率流方程式については、15年間未解決であった難問を関数解析的手法を粘性解析に取り入れることで解決するなど、当初の目標は十分達成している。一方、流体力学の方程式を渦解析の過程で、ストークス半群に対して従来の定説を覆す結果を導くなど、当初の研究計画では考えていなかった成果があがるなど、線形理論への貢献もできた。全体として当初の予想以上の成果が見込まれている。結晶表面の形状変化をはじめとする形態変動の解析は、科学・技術全般における複雑な現象の解明に向けての鍵であるばかりではなく、数学解析としても重要な研究課題である。本研究計画では次の5項目に重点を置いて研究を進めている。各項目についての本年度の成果を述べる。
脳機能解析に最適なマルチタスク遺伝子制御法の開発

コンディショナルノックアウトマウスを用いた脳機能解析においては、使用するCre等のドライバーマウスの発現時期や細胞種選択性が研究の質を決める要素となる。本研究の目的は、新規マルチタスクカセットを開発し、内在性遺伝子発現に影響を及ぼすことなく特定の細胞特異的にドライバー遺伝子を発現できるマウスを作製することである。このカセットは様々な機能を持ち、一度作出すると多目的に利用することが可能である。このことは、マウス作製にかかる労力、経費に対する効果が飛躍的に向上し、研究の効率化に寄与することができる。コンディショナルノックアウト(KO)マウスを用いた脳機能解析においては、使用するCreやtTA等を発現するマウス(ドライバーマウス)の発現特異性が研究の質を決める最も重要な要素となる。本研究の目的は、新規マルチタスクカセットを開発し、内在性遺伝子発現に影響を及ぼすことなく特定の細胞選択的にドライバー遺伝子を発現できるマウスを作製することである。作製したマルチタスクカセットは培養細胞での発現系で予想通り機能することが確認できたので、実際にそのカセットを組み込んだノックイン(KI)マウスを作製した。標的の駆動プロモーター遺伝子として、抑制性神経細胞に強く発現するが脳神経系における機能的重要性が明らかとなっていないAbat遺伝子を選択した。カセットの特異性から、最初このKIマウスはAbatヘテロKOマウスとなる。そこで、このマウスについて幾つかの予備的な行動解析を行ったところ、自閉的傾向を示す解析結果が得られたので、現在さらに詳細な解析を行っている。また、現時点でヘテロKOマウス同士の交配よりホモのKOマウスが得られていないことから、Abat KOマウスは致死である可能性が高く、この点についても引き続き解析を行っている。さらに、マウス生体内でマルチタスクカセットが予想通り機能し、駆動プロモーターから期待される細胞種選択的iCre発現マウスとなっていることと、Abat遺伝子過剰発現マウス、Abat遺伝子発現抑制マウスとなることを確認するため、レポーターマウスや細胞種選択的tTA発現マウス等との交配を進めている。本研究で開発されたシステムを用いることで、一系統のマウスを多数の目的に利用できることから、マウス作製にかかる労力、経費に対する効果が飛躍的に向上することが期待され、これまで一長一短のあった従来法を選択せずドライバーマウスを作製できる意義は研究者にとって極めて大きい。コンディショナルノックアウトマウスを用いた脳機能解析においては、使用するCreやtTA等の発現マウス(ドライバーマウス)の発現時期や細胞種の特異性が、研究の質を決める最も重要な要素となる。作製したマルチタスクカセットは少なくとも培養細胞での発現系では予想通り機能することが確認できた。そこで、実際にノックインマウスを作製するためターゲティングベクターを構築した。標的となる駆動プロモーター遺伝子としては、抑制性神経細胞に強く発現するが脳神経系における機能的重要性が明らかとなっていないAbat遺伝子を選択した。ターゲティングベクターをES細胞へ導入し、得られた相同組換え体からAbat-iCreノックインマウスを樹立することができた。現在は、マウス生体内でマルチタスクカセットが予想通り機能することを確認するために、rtTA発現マウス、FLP発現マウスとの交配を始めところである。また、ホモマウスはAbatノックアウトマウスとなることが期待されるので、ノックアウトマウス作出のための交配も始めている。さらに他の駆動プロモーター遺伝子としてRgs14遺伝子、S100b遺伝子を選択し、tTAノックインマウスの作製に着手している。本研究で開発されるシステムを用いることで、一系統のマウスを多数の目的に利用できることから、マウス作製にかかる労力、経費に対する効果が飛躍的に向上することが期待され、これまで一長一短のあった従来法を選択せず、欠点の存在しないシステムによりドライバーマウスを作製できる意義は研究者にとって極めて大きい。汎用型iCreノックインカセットの構築、そのカセットを用いたターゲティングベクターの構築、ノックインマウスの作出を平成24年度の研究実施計画としていた。汎用型カセットについてはiCreカセットに加え、次年度の計画中にあったrtTA、tTAカセットについても作製した。さらにこのカセットの設計上、ネオマイシン耐性遺伝子の除去ができないという欠点についても、近年報告のあったDre-rox組換え系を適用して除去が可能となるように改良した。また、iCreカセットを用いてAbat遺伝子を標的とした1系統のノックインマウスを樹立し、さらに2系統のtTAマウス作製にも着手している。以上のことから、平成24年度中の計画以上に研究は進展していると評価できる。Abat-iCreノックインマウスについては、Cre活性をCre抗体とレポーターマウスにより検証し、駆動プロモーター遺伝子の発現量を免疫組織化学及びイムノブロットにより定量的に検証する。また、tTA等の発現マウスを作製または入手し交配することでドライバー遺伝子の発現制御が可能か検証する。

Abat遺伝子は抑制性神経伝達物質であるGABAの分解に関与し、自閉症に関連する遺伝子であることが報告されているが、生体内における機能的重要性は余り検証されておらず、現在までにノックアウトマウス作製の報告も無い。この汎用型カセットのもう一つの特性である、駆動プロモーター遺伝子自体を解析対象とするために、Abat遺伝子のノックアウト、過剰発現、コンディショナルな発現抑制を行うことで、生理機能解析を行う。さらに、ある種のグリア細胞や神経核に選択的に発現する遺伝子を選択し、Abatと同様にiCreノックインマウスを作製して検証する。また、構築した汎用型ノックインカセットを用いてtTA, rtTAについても、重要性の高いものからノックインマウスを作製し、新ノックイン法の評価を行う。本研究を遂行するにあたり、次のような研究費の使用を計画した。新規遺伝子改変マウス作製のためのベクター構築に必要な分子生物学の試薬類、ES細胞培養、遺伝子改変したES細胞のスクリーニング、キメラマウス作製にかかる培地及び試薬を物品費に計上した。また、すでに樹立したマウスの飼育にかかる飼料費や床敷きなどの消耗品類を物品費として計上した。さらに、マウスの微生物検査を外部委託しておこなうのでその経費をその他に計上した。旅費は、成果発表のために学会出席を計画しておりその経費である。
ウサギ心臓におけるエンドセリン受容体の特異性の解析

エンドセリン(ET)は強力な血管収縮物質であり、心臓に対しては著明な陽性変力作用を示す。ヒトやラットなどの哺乳動物の心筋では、ET-1による陽性変力作用は選択的ET_A受容体遮断薬により効果的に抑制されるが、ウサギ心筋におけるET-1の陽性変力作用は、選択的ET_A受容体遮断薬および選択的ET_B受容体遮断薬遮断薬のいずれを用いても抑制されない。従って、ウサギ心筋細胞に存在するET受容体は、他の哺乳動物種で報告されているものと性質が異なることが推定される。ウサギ心室筋よりET受容体の遺伝子をクローニングしたところ、ET_A、ET_Bいずれの受容体遺伝子も、アミノ酸レベルではヒトET受容体とそれぞれ90%以上の相同性を示したことから、ウサギ心筋におけるET受容体遮断薬の非感受性はウサギET受容体の分子レベルでの違いよりも、むしろ細胞内情報伝達系の違いである可能性が高いと考えられた。一方、ウサギ心室乳頭筋標本において、ET-1、ET-3はいずれも同じ程度に陽性変力作用を誘発するが、この陽性変力作用を抑制する受容体遮断薬を探索したところ、非選択的ET受容体遮断薬TAK-044によりいずれのETイソペプチドによる陽性変力作用も抑制された。この薬理学的解析の結果と、受容体のアミノ酸レベルでの相同性とを考慮すると、ウサギ心筋におけるET受容体遮断薬の非感受性は細胞内情報伝達系の違いの他に、ウサギET受容体は他の哺乳動物のET受容体とは、遮断薬あるいはリガンドの結合部位が異なる可能性も考えられ、これらは今後ラジオリガンドアッセイなどにより解析する必要がある。ウサギ心筋細胞の、エンドセリンやその受容体拮抗薬に対する反応は、従来他の哺乳類で報告されている反応性とは異なった性格を持つことが明らかになっている。本研究では、この反応性の違いがウサギエンドセリン受容体の構造的な違いによるものなのか、あるいは受容体以降の情報伝達系が異なるためなのかを明らかにすることを目的として検討を行っている。本年度は、ウサギエンドセリン受容体遺伝子のクローニングと、各組織におけるmRNAの発現についての検討を行った。PCR法によりクローニングしたウサギエンドセリン受容体遺伝子は、他の哺乳類でこれまでの報告にあるとおり2種類(ET_AおよびET_B受容体)存在し、G蛋白質共役7回膜貫通型の受容体を形成しているものと考えられた。ET_AおよびET_B受容体の、ヒトエンドセリン受容体とのアミノ酸レベルでの相同性は、それぞれ96%、90%であり、主としてN末端の細胞外領域が異なるのみであった。このことより、ウサギ心筋細胞のエンドセリンに対する反応性の違いは、その受容体の構造的な違いではなく、ウサギ心筋細胞の細胞内情報伝達系が他の哺乳類のそれとは異なっている可能性を示唆する。RNase protection assay法により、各組織におけるウサギエンドセリン受容体mRNAの発現を確認したところ、主として心臓、肺、中脳において強いmRNAの発現を認めた。特に肺、中脳においては、ET_A受容体mRNAよりもET_B受容体mRNAの発現が強く認められた。
中世北東日本海域における港湾都市遺跡の研究-青森県十三湊遺跡を中心として-

従来国立歴史民俗博物館によって,多くの成果が挙げられた青森県北津軽郡市浦村十三湊遺跡で発掘調査を実施した。そして,他の発掘調査された港湾都市遺跡での資料も検討しながら,12世紀から15世紀における,北東日本海域の港湾都市遺跡検出の遺構の時期的変化とその歴史的背景を遺物論,特に土器様式論と関連させて考察し社会史的研究にまで高め,中世港湾都市成立及び展開の歴史的契機を探ろうと試みた。(1)平成8年6月1日から同年7月22日には、十三湊遺跡での発掘調査のための準備を行った。現地で地権者との折衝、地元教育委員会への発掘届の提出、調査に必要な消耗品の購入。(2)平成8年7月23日から同年8月7日には、十三湊遺跡の発掘調査を実施し、調査成果検討会を現地で実施し、検討成果に基づいて地籍図との照合、検出遺跡のデータ処理を実施した。(調査補助員12人使用)。(3)平成8年9月1日から同年9月30日には、富山大学人文学部考古学研究室にて、大学備品のパーソナル・コンピューターとコンピューター・ソフトを使用して、遺構データ処理を実施した。(4)平成8年10月1日から同年10月20日には、報告書作成のための準備と原稿の作成。
ビニルモノマーから縮合系高分子の革新的合成プロセスの確立

本研究では、メタアクリル酸エステル類などのビニルモノマー類を原料とし、それらの二量化反応と引き続く重合反応により、縮合系高分子を合成するプロセスを開発した。具体的には、1N-ヘテロ環状カルベン触媒による二量化反応における触媒回転数を147回と向上させ高活性化を実現し、2二量化反応の基質適用範囲を25種類と大幅に拡張した。さらに、3メタクリル酸2-ヒドロキシエチルの自己縮合重合や、メタクリル酸ブチルとジオールとの重縮合反応により、不飽和ポリエステルの合成に成功した。重合性モノマーの合成研究は、高分子化学・材料分野における、最も基本的で重要な課題である。しかし、ビニルモノマーとは対照的に、縮合系高分子の原料である二官能性モノマーの種類は非常に限定的である。このことは、ポリエステルやポリアミドに関する研究が活発でないことの主な要因のひとつである。そこで本研究では、各種ビニルモノマー類の二量化反応により非常に多種類の新規二官能性モノマー群を合成する全く新しい方法論を提案する。基本的な化学構造であるがこれまでにない様々なナイロンや脂肪族系ポリエステルの合成経路を確立することで、高性能高分子材料の創製につなげることが期待できる。すなわち、安価なビニルモノマーを原料とし、より高付加価値の縮合系高分子を合成する革新的合成経路を確立し、その有用性を提唱する。初年度において、N-ヘテロ環状カルベンを有機分子触媒として用いることで、様々なマイケル受容体のtail-to-tail二量化反応を達成した。アクリロニトリルやアクリル酸エステル類などの高反応性基質から、ビニルピリジンやイタコン酸ジエステル、メタクリルアミド誘導体、チューリパリン誘導体などα位に様々な置換基のある低反応性基質まで適用可能であった。これらは、金属触媒では二量化反応させることのできない基質であり、有機触媒の官能基耐性の高さを反映した結果となった。いずれの基質においても100-150°Cの比較的高温条件が必要であった。いくつかの基質については、アルコールの添加により分子間プロトン移動を加速させ、触媒回転数を増加させることに成功した。また、β位にメチル基が置換したクロトン酸メチルやクロトンニトリルは同条件下においてhead-to-tail二量体を与えることが分かった。中間体を単離することなどで、これらの反応性の違いを反応機構の観点から明らかにした。ビニルモノマーから縮合系高分子を合成するためには、それらの二量化反応を進行させることが鍵となる。今回、非常に広範な基質の二量化反応を進行させることに成功したことは、本研究の目的である多様な構造の縮合系高分子を合成することの基盤となる重要な点であるため、上記の進歩状況とした。本研究では、(メタ)アクリル酸エステルや(メタ)アクリロニトリルなどの極性ビニルモノマー類を原料として、ポリエステルやポリアミドを合成する新たな高分子材料合成プロセスの開発を行っている。脂肪族系ポリエステルやポリアミドの原料となるモノマーの種類は実は限定的である。例えば様々な置換基を有するアジピン酸誘導体などもほとんど合成されていないのが現状である。そのような多種多様な二官能性モノマーを安価な原料から効率よく合成することができれば、その意義は大きい。我々はこれまでN-ヘテロ環状カルベン(NHC)触媒により極性ビニルモノマーのtail-to-tail二量化反応が進行することを見出している。これは、一官能エステルであるアクリル酸誘導体を二官能物質へと変換できる有効な手法である。この反応を利用することで、ビニルモノマーから縮合系高分子の合成が可能となる。昨年度まで、金属触媒に比べ基質適用範囲が広いことを明らかにしてきた。今年度は、触媒活性の向上と交差二量化反応に成功した。具体的には、様々な反応条件を検討したところ、マイクロウエーブ反応装置を用い200°C程度の高温条件において反応を行うことで、触媒が0.2mol%においてもメタクリル酸n-ブチルの二量化反応が効率よく進行した。触媒回転数146回を達成することができ、実用化に近づけることができた。また、メタクリル酸エステルとアクリル酸エステルとの交差二量化反応においては、高反応性のアクリル酸エステルを系中に滴下することで、メタクリル酸エステルから生成した中間体と選択的な反応が実現し、各種の新規交差二量体の合成に成功した。今年度、二量化反応の触媒回転数の大幅な向上に成功した。触媒であるNHCは数ステップの合成を経る必要があるが、この条件により、極少量の触媒から二量体を効率よく合成できることを示すことができ、実用化に近づけることができた。この成果については3月の日本化学会で発表している。また、交差二量化反応においては、これまでに本研究室で明らかにしてきた反応機構に基づき、滴下条件を適切に設定することで、これを達成している。これにより、単独二量化反応よりも、圧倒的に多数の二量体を合成することができるようになった。メタクリル酸エステルとアクリル酸エステルとの交差二量体は、金属触媒からでも合成することができないため、その意義は大きい。本成果は、最近、学術論文Chem. Lett.への掲載が採択された。これまで我々はN-ヘテロ環状カルベン(NHC)を触媒として用いることで、(メタ)アクリル酸エステルや(メタ)アクリロニトリルなどのtail-to-tail二量化反応が起こることを見出している。

この反応は、極性ビニルモノマーのベータ炭素間での炭素-炭素結合を可能にするものであり、ビニルモノマーからジエルテルやジアミン誘導体を合成する興味深いプロセスである。この反応を基盤とし、これまでほとんど着目されてこなかった、ビニルモノマーを原料とした縮合系高分子の合成を行った。まず、二量化反応の基質適用範囲の拡張と、条件最適化を図った。NHC触媒は様々な官能基に対して耐性が高く、非常に広範囲の基質に適用させることができた。これまで同様の反応を進行させるルテニウム触媒とは対照的である。特に金属錯体触媒が苦手とする塩基性官能基(ピリジル基やアミノ基)およびかさ高い置換基を有していても二量化反応を進行させることに成功した。次に反応条件の最適化について、メタクリル酸ブチルを基質に用い、マイクロウエーブ照射下200°Cで加熱することで、触媒回転数147回を達成した。これらの知見を活用することで、高分子合成へも展開した。例えば、メタクリル酸2-ヒドロキシエチルにNHC触媒を作用させることにより、二量化反応とエステル交換反応が進行し、不飽和ポリエステルが得られた。さらに、メタクリル酸ブチルとジオールとの組み合わせからも、直接的に不飽和ポリエステルを合成できることが分かり、メタクリル酸エステル類は重縮合用のモノマーとしても利用できることを見出した。本研究では、メタアクリル酸エステル類などのビニルモノマー類を原料とし、それらの二量化反応と引き続く重合反応により、縮合系高分子を合成するプロセスを開発した。具体的には、1N-ヘテロ環状カルベン触媒による二量化反応における触媒回転数を147回と向上させ高活性化を実現し、2二量化反応の基質適用範囲を25種類と大幅に拡張した。さらに、3メタクリル酸2-ヒドロキシエチルの自己縮合重合や、メタクリル酸ブチルとジオールとの重縮合反応により、不飽和ポリエステルの合成に成功した。二量化反応の実用化を視野に入れ、添加剤効果により触媒活性のさらなる向上を検討する。また、初年度の良好な結果を踏まえ、反応性官能基を有する基質の二量化反応を調査し、その反応性官能基を二つ有する二量体の合成を検討する。また、得られた二量体の官能基変換によるポリアミドの合成を、またメタクリル酸エステル系の二量体からポリエステルへの変換反応を検討する。今後はこれまで見出してきた二量化反応を基に、高分子合成への展開を行う。具体的には、メタクリル酸エステルとジオールとの反応をNHC触媒により行うことで、二量化反応とエステル交換反応とのタンデム反応を行う。また、メタクリル酸2-ヒドロキシエチルなどのOH基含有ビニルモノマーのNHC触媒による反応を行う。これらの系から直接的に新規ポリエステルを合成することにより、NHC触媒を適切な条件下でビニルモノマーに作用させることにより、縮合系高分子へと誘導できることを示す。高分子合成合成実験に必要な試薬・溶剤類の消耗品費、測定機器利用料の一部を、学内の競争的資金で賄うことができたため。合成実験に必要な試薬・溶剤などの消耗品、測定機器利用料の一部を、学内の競争的資金で賄うことができたため。次年度以降も合成実験を中心に進めるため、試薬・溶剤類、ガラス器具、合成実験用補助機材類を購入する費用として使用する。
単泡性ソノルミネッセンス気泡の発光相と化学相 : 制御と観察

単泡性ソノルミネセンス(SBSL)とは音響定在波の中で単一あるいは少数の気泡が発光する現象である。空間的および時間的に定常的であるため、10年前に発見されて以来、多く知見が得られている。本研究がめざすところは、「単泡性ソルミネセンスを通じて、キャビテーションにおける発光⇔流体力学⇔化学反応という学際的問題に新たな展開をもたらすこと」である。そして、分野の異なる4人の研究者が参加した。林は種々の方法でSBSLを発生させてノウハウを蓄積しながら、後述のような気泡の特性について計測を行なった。鎌倉は音響特性の基本である音響放射圧について理論的および実験的研究を行なった。宮嵜は水中気泡のダイナミックスに影響を及ぼす渦について理論的研究を行なった。安井は、気泡中に存在する多くのラジカル種と分子種の解離やイオン化素過程を取りこんだモデルを提唱し、それに基づいて数値シミュレーションを精力的に行なった。中でもSBSL気泡のダイナミックスに界面活性剤がどう影響するか、水素気泡からの発光にどういう特徴があるか、単泡性ソノルミネッセンスと多泡性気泡はどう異なるかなどの研究成果が特筆に価する。さて実験については、気泡発生技術および気泡計測技術の確立をめざした。前者については音響共振系の形状と励振方法についてノウハウを蓄積した。後者については、Mie光散乱実験を行ない、S/N比を上げる方法、バッググラウンドを下げる方法について実証的に調べた。そして相補的関係にあるビデオ画像計測とニードル形ハイドロフォンによる音場計測を行った。画像計測がが特に有効であったのが、電気分解による水素および塩素の種(タネ)気泡生成である。この実験では、電気分解によって電極上に気泡を付着させたのち、超音波を発生させるとSBSLが生じる。電極上で気泡が生成する様子、電極から微粒子が遊離する様子、および超音波によって気泡が融合する様子がビデオ撮影できた。残念ながら化学的に興味深い塩素気泡は、空間的にも時間的にも不安定であったため、Mie光散乱計測ができなかった。今後の研究課題である。以上に述べたように、SBSLのスコープを化学など従来取り上げられてこなかった分野に応用していくための道ならしができた。計画調書でも述べた通り、本研究のめざすところは、「キャビテーションにおける発光⇔流体力学⇔化学反応という学際的問題に新たな展開をもたらすこと」である。そして(1)自動化システム、(2)気泡運動の画像撮影、(3)化学反応、を具体的な目標として掲げた。(1)については基礎データとして、発光気泡サイズの光散乱データとハイドロフォンからの信号との相関に特徴のあることを見出した。すなわち、気泡をトラップすると圧壊の衝撃波に由来すると思われるノイズ状信号が観測され、そのパワースペクトルは駆動周波数の717倍に高調波ピークをもっていた。このことは、発光に伴う音響信号をモニターすれば気泡ダイナミックスの自動制御が可能なことを示唆している。(2)については、300倍のビデオカメラによる発光観察および照明観察に成功した。静止して発光する気泡を生成することは条件が整えば可能であるが、一般にはチューニングにずれがあってゆれながら発光する気泡となる。

気泡からジェットが流出する様子や、気泡に微小粒子が吸着する様子が観測され、発光気泡の多様性が再認識された。音響流をもっと定量的に解析する作業が現在進行中である。(3)については、主に数値シミュレーションによる研究がさらに進展した。特に、界面活性剤の存在によって気泡温度が下がり、化学反応に有利な状況が生まれるとの予測がなされた。これをスペツトル測定などの手段によって実験的に検証する試みが進行中である。平成10年は初年度であったが、それでも以上のように新しい知見がいくつか得られている。本研究のめざすところは、「シングルバブルソノルミネセンス(SBSL)を通じて、キャビテーションにおける発光⇔流体力学⇔化学反応という学際的問題に新たな展開をもたらすこと」である。そして、目標として掲げたのは、(1)SBSL生成と制御の自動化システムを構築すること、(2)気泡運動を画像撮影してダイナミックスを解析すること、(3)化学反応との接点を探ることである。今年度はランジュバン振動子駆動の低Q型矩形セルを用いて実験し、興味深い知見が得られた。併せて昨年度の高Q型矩形セルとの相違も考察した。(1)については、塩化カリウム水溶液の電気分解によって種(タネ)気泡を作り、それを発光させることができた。極性次第で水素気泡と塩素気泡を発光させることができた。後者の発光は本研究で初めてみつかった。この技術は、従来のように外部からの気体導入によらずとも発光気泡を作ることができることを示したものであり、自動化の一つの要素となる。(2)については、(1)の過程をビデオカメラで測定した。低Qのためか、気泡位置がゆらいで顕微鏡観察が困難であった。詳細な解析のためには、焦点深度の深いシステムで移動の様子を記録するか、高速撮影で一周期内のダイナミックスを観測する必要がある。後者については、実験が進行中である。化学反応に関係の深いマルチバブルソノルミネセンス(MBSL)気泡のダイナミックスをSBSL気泡との対比によって調べた。本研究のめざすところは、「単泡性ソノルミネセンス(SBSL)を通じて、キャビテーションにおける発光⇔流体力学⇔化学反応という学際的問題に新たな展開をもたらすこと」である。今年度は懸案となっていたMie散乱による気泡計測法について進展が見られ、ダイナミックスの解析に際して重要なてがかりが得られることとなった。また画像撮影に必要な位置の精密制御についてもめどが立った。まずMie散乱については、硝酸カリウム水溶液の電気分解で作った水素種(タネ)気泡でSBSLを起こさせると、気泡がある場合とない場合とのMie散乱差信号がなぜ異常に大きくなるのかという問題を取り上げた。ビデオ顕微鏡画像を検討したところ電極から電極由来らしき微粒子が生成していたので、気泡と微粒子との二重散乱が原因との仮説を立てた。理論計算を行なったところ、合理性のあるパラメータ値について110%の寄与が得られ、この仮説が棄却できないことがことが分かった。
微視的高速度観測による微小気泡と衝撃波の干渉現象の解明

本研究では衝撃波とマイクロバブルの干渉により効果的に殺菌可能な高圧を発生させるために、微小気泡の圧壊メカニズムの可視化観察および圧力計測を行った。水中放電によって発生する水中衝撃波をミリからマイクロサイズの気泡に干渉させて、その様子を顕微鏡と高速度カメラを組み合わせた拡大撮影装置を用いて観察すると同時に圧力計測を実施した。これらの結果から微小気泡の圧壊による殺菌技術応用について検討を行う。微小気泡は、NaCl結晶より発生し、単一や数個の気泡を水槽内の所定の位置に設置した。気泡サイズは100200μmと50100μmを作成し、単一気泡発生と気泡群を発生して、自由状態と付着状態設定した。導入衝撃波は、パルス高圧電源(HPS18K-A,玉置電子工業)によって水中放電で発生させ、放電位置を気泡位置に対して周囲任意の角度で実施できるように作製した。衝撃波によって、気泡と気泡群の振動、遷移、融合、分裂、ジェット、形状変化について観測した。圧力計測には光学式圧力変換器(FOPH2000 : Fiber Optic Probe Hydrophone、RP acoustics)を用いて高い空間・時間精度で計測を行い、可視化は、光学式顕微鏡(CKX-41,Olympus)にメタルハライドランプ(LS-M350、住田光学ガラス)、高速度カメラ(FASTCAM-SA5,Photron)を組み合わせた実験システムを構築した。実験の結果は、気泡に負圧を与えることで激しい気泡運動が発生し、また、気泡間距離が非常に小さい場合には気泡同士が衝突しあうように運動し、同様に激しい気泡運動が発生すると考えられた。崩壊圧の計測においては、気泡運動の影響によるとみられる圧力値の変動がみられ、気泡運動による高圧の発生が期待された。以上の実験システムは構築して、実験システムの性能を評価した。また気泡運動による高圧の発生が期待された。衝撃波と微小気泡の干渉により効果的に殺菌可能な高圧を発生させるために、微小気泡の圧壊メカニズムの可視化観察および圧力計測を行った。直接観測するため、光学顕微鏡と高速度カメラを組み合わせた微視的高速度可視化システムを構築すると共に、微小気泡発生器、水中パルス放電の電極、圧力変換器プローブを組み込んだ特殊な水槽を製作した。今後、更に精密な可視化実験を実施するため、微小気泡の発生と気泡位置の固定方法と光学系の性能アップに努力する。