hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
高温用放射温度計の製作と熱放射実験の教材化

大学の教養課程での物理教育の中で熱放射現象に関して様々な法則が取り上げられている。たとえば、基礎物理学の教科書においては、黒体放射の原理が扱われ、かなり詳しく解説されている。しかし、熱放射を実験的に理解させている例はほとんどない。つまり、シュテファン・ボルツマンの法則における熱放射の全エネルギーは絶対温度の4乗に比例する。あるいは黒体から放射されるエネルギーの強度が最大となる波長は、絶対温度に反比例するといった内容は、実験的に理解されることが極めて重要である。なぜなら、これらの熱放射の法則の土台をなしているのは「黒体」という概念であり、熱放射実験においては、この黒体条件を実現することが肝要であるからである。熱放射する物体を非接触で温度測定する機器を放射温度計という。従来の光高温計では、熱放射率の関係で輝度温度を赤色フィルタ(650nm)を用い、狭い波長領域を測定するため、2500K程度が限界となっている。そこで、熱放射体の放出する電磁波の波長を測定し輝度温度を求める方法により、近赤外から可視光領域(1000K15000K)の温度を測定できる高温用放射温度計を製作した。この温度計を用いた熱放射実験において黒体放射の原理に基づく下記の諸法則が確かめられた。(1)分光放射輝度L_λと絶対温度の4乗T^4が比例の関係になっている。このことから、ステファン・ボルツマンの法則が確かめられた。(2)分光放射輝度L_λが最大値をとる波長λ_<max>において、黒体放射のプランクの公式の理論曲線と実測値を比較した。実測値が理論曲線によく近似している。このことから、黒体条件をかなりの程度満たした黒体放射実験が実現できた。
エイコサペンタエン酸による心血管保護効果の分子機序の解明

【研究の目的】過去の大規模臨床試験(GISSI-Prevenzione Trial)において、n-3多価不飽和脂肪酸の積極的な投与が心筋梗塞患者の突然死、特に発症早期のイベントを予防することが報告されている。虚血に伴う不整脈に対する抑制作用が示唆されているが詳細な機序の解明は十分行われていない。【方法】ブタ(雄、生後35ヶ月、体重2530kg)を高純度EPA(エイコサペンタエン酸)投与群と対照群の2群に分けた(各群n=8)。対照群はregular dietのみで飼育するのに対し、EPA群ではregular dietに加えEPA 600mg/kg/日を21日投与した。22日目バレーンカテーテルを用いて左回旋枝を90分間閉塞し急性虚血モデルを作成した。【結果:本年度の研究実績】EPA21日間投与後の赤血球膜および心筋EPA/アラキドン酸濃度比は各々2.32±1.78、2.25±0.44[mean±SD]であった。これらはEPA慢性投与後の臨床データと同等であった。虚血中の心室細動誘発率、電気的除細動施行率はEPA群で対照群に比し有意に低値であった。死亡率もEPA群では0%、対照群では50%であった。次に虚血領域での単相性活動電位(monophasic action potential:MAP)を測定し電気生理学的検討を行った。対照群では虚血に伴いMAPが27.6±8.1%短縮したのに対して、EPA群では19.5±3.0%短縮にとどまりその程度は有意に(p<0.05)に抑制された。非虚血部ではMAPの変化は認められなかった。またミトコンドリアKATPチャンネル開口薬であるDiazoxide(4mg/kg)事前冠動脈内投与により、虚血中のEPAによるMAP短縮抑制効果は消失した。【総括】EPAは1)虚血性心室細動を抑制することで冠動脈イベント発生時の突然死を予防すること、2)虚血領域のMAP短縮を抑制し、非虚血部とのheterogeneityを転減することが明らかになった。このEPAの電気生理学的作用はミトコンドリアKATPチャンネルを介したものである可能性が示唆された。【方法】:ブタ心筋梗塞モデル:ブタ(雄、生後35ヶ月,体重2530kg)をEPA投与群と対照群の2群に分ける。対照群はregular dietのみで飼育するのに対し、EPA群ではregular dietに加えEPA 600mg/kg/日を21日投与する。22日目バルーンカテーテルを用いて左回旋枝を90分間閉塞し心筋梗塞モデルを作成する。【結果:本年度の研究実績】EPA21日間投与後の赤血球膜濃度は5.85±0.61[mean±SD]mol/%(対照群0.70±0.12mol/%)であり、JELISで報告されたEPA慢性投与後血漿濃度と同等のレベルまで上昇が認められた。セロトニン冠動脈内投与により血管反応性を評価したところ、血管径2.7mm(平均)の中血管(EPA群:-1.5±1.6vs対照群:-9.1±5.2%control)、血管径0.6mm平均)の小血管(EPA群:-8.0±4.5vs対照群:-35.4±10.9%control)ともに、EPA群で血管収縮が抑制されていた。虚血・再灌流より対照群(n=8)では全例が電気的除細動抵抗性の心室性不整脈のために死亡したのに対し、EPA投与群(n=7)では死亡は2例のみであった。急性生存率に明らかな差異が認められた(EPA群=71%vs対照群:0%,P<0.01)。以上より、EPAは1)冠動脈の過収縮を抑制する2)虚血・再潅流性不整脈を抑制することで、冠動脈イベント発生時の急性期生存を向上させ得ることが示唆された。

対照群では虚血に伴いMAPが27.6±8.1%短縮したのに対して、EPA群では19.5±3.0%短縮にとどまりその程度は有意に(p<0.05)に抑制された。非虚血部ではMAPの変化は認められなかった。またミトコンドリアKATPチャンネル開口薬であるDiazoxide(4mg/kg)事前冠動脈内投与により、虚血中のEPAによるMAP短縮抑制効果は消失した。【総括】EPAは1)虚血性心室細動を抑制することで冠動脈イベント発生時の突然死を予防すること、2)虚血領域のMAP短縮を抑制し、非虚血部とのheterogeneityを転減することが明らかになった。このEPAの電気生理学的作用はミトコンドリアKATPチャンネルを介したものである可能性が示唆された。
時間領域におけるマルチスケール電磁界解析のためのＣＩＰ－ＢＳ法の開発

数値電磁界解析のチャレンジングな問題として、微細構造を持ちながら大規模構造となるマルチスケール問題がある。この問題に取り組むために、波長に対してセルを大きくしても低数値分散である手法が望まれている。そこで本研究では低数値分散であることが知られているCIPーBS法に着目し、電磁界問題に取り組むための各種個別技術の開発を行った。その結果、吸収境界条件としてPML、連続的に変化する誘電率に対する解析、TF/SF境界条件などの個別手法を開発できた。時間領域におけるマルチスケール電磁界解析のためのCIPーBS法を確立するため、平成24年度は(1)安定条件の導出、(2)連続的不均質媒質中の伝搬解析、(3)任意入射波をモデル化する全電磁界/散乱界境界の定式化と実装、(4)定式化した全電磁界/散乱界境界を用いて、平面波入射による散乱問題の解法に取り組んだ。(1)については、1次元CIPーBS法の安定条件の導出に成功し、数値計算によって安定性を確認した。(2)については、解析領域全体で連続的に不均質な媒質中での線波源が作る電磁界の解析を行い、提案手法は従来法に比べて波長短縮が大きな領域で高精度での解析が行えることを確認した。特に位相特性は大きく優れており、従来手法では位相が反転するほど誤差が生じる場所でも、ほぼ正確に計算できていることを確認した。(3)については定式化および実装を終え、実際に平面波を伝搬させることで問題なく動作することを確認した。また、数値グリッド内を伝搬することで数値分散して全電磁界/散乱界境界で打ち消すことができずに、散乱界領域に漏れ場が生じるが、その漏れ場を観測し、従来手法より優れていることを確認した。(4)については、完全導体四角柱について解析を行い、その近傍界を見ることで本手法の妥当性を確認した。特に、同じセルサイズでの本提案手法の数値精度は従来法より優れており、本手法の有効性が確認されたい。実際の数値計算モデルにおいて、本手法がその有効性を十分に発揮することが示せたと言える。本研究の目的は、グリッド間を任意多項式で近似するConstrained-Interpolation-Profile(CIP)法を、基底関数の形に書き直したCIP Basis-Set(CIP-BS)法を電磁界解析に応用し、各種個別技術を開発することで、ユニバーサルな電磁界解析手法として確立することにある。本研究期間を通じ、CIP-BS法の基礎的な解析原理から、線波源の実装、吸収境界条件の確立、連続的に変化する媒質が存在するときの計算法の確立、Total-Field/Scattered-Field境界の実装を踏まえ、散乱問題への適用を可能とした。また、計算を高速化させるためのアルゴリズムを検討し、パフォーマンスを改善させることで、初期のアルゴリズムに比べて数分の一の計算時間を達成した。また最終年度は、汎用計算GPUを用いて、計算領域の拡大を図り、多様な散乱問題への適用を可能とした。今後は、さらなる計算時間の低減が課題として挙げられる。時間領域におけるマルチスケール電磁界解析のためのCIPーBS法確立のため、今年度はCIPーBS法の基本的スキームを確認し、また吸収境界条件として完全整合層(PML)を開発した。さらに、不均質媒質中の伝搬を実装した。これまで、基本原理が開発されたCIPーBS法であるが、本年度は空洞共振器内でのTE202モード励振を行い、その精度について従来手法であるFDTD法との比較検討を行った。CIPーBS法は精度が時間ステップに依存することが分かり、小さな時間ステップでは精度においてFDTD法を上回ることが分かった。また、位相誤差については、粗いグリッドでも十分早く収束し、少ない計算量で高精度な解析が可能であることが分かった。完全整合層(PML)については、複素座標変換を用いたPMLを実装し、反射性能の入射角依存性について調査した。まず、PMLは正常に動作しており、旧来の一方向伝搬型の吸収境界条件に比べて、20dB以上の性能向上が得られた。また、入射角依存性では、いずれの角度でも良い九州特性を有していることが分かった。不均質媒質中の伝搬として、半空間を誘電体が占めている空間の計算を行った。誘電率を上げてゆくと波長短縮によって精度が悪化することが予想されるが、旧来のFDTD法に比べてその劣化は極めて少なく、高精度な解析がなされていることが分かった。また、グリッドの粗さだけの問題でなく、反射波が観測される真空中においてもCIPーBS法の方が高精度であり、今後の電磁界解析において極めて有効な解析手法となることが示せた。最終的なマルチスケール問題への適用が残っている。マルチスケール問題は、大規模問題を汎用計算用GPUを購入して実装する予定であったが、汎用計算用GPUが11月に製品が発表になったため、こちらを用いる方が研究成果が大きくなると考え、その適用可能性と性能評価を行ったためである。不均一誘電体の考慮は終えている。

サブグリッド法・サブセル法については、基本的スキームが出来上がっており、あとはコード化を残すのみである。これらによって、通常の電磁界解析で必要とされるツールはほぼ出来上がっており、おおむね順調に進展していると言える。汎用計算用GPUを購入して、マルチスケール問題に取り組む。本手法が効果を発揮するマルチスケール問題を検討して実装を行う。基本的なスキームが出来上がっているサブセル法をまず取り組む。また、誤差や適用限界を理論的に評価するための安定性解析と分散解析も行い、従来手法と比較検討する。次に、これらを用いて完全導体からなる散乱体からの散乱などの大規模問題に取り組む。大規模問題が解けた場合には、さらに汎用性を上げるため、特異な媒質(分散性や非線形など)の解析に取り組んでゆく予定である。汎用計算用GPU、データ保存用のNASを購入予定である。また、成果発表のための旅費を使用する予定である。使用予定であったGPUを用いた計算機であるが、組み立てた際の機能検証をしていたため、平成23年度には開発しなかった。平成24年度にこれを開発する。これによって、平成24年度の研究内容である大規模問題を解くことを予定している。
難分解性物質の人体内挙動と作用機構

本研究の目的は,ダイオキシン類やアスベストのような,人体に対して有害な物質で,環境中への放出が規制されたり,生産が停止されても分解されずに環境中に長期に残留する物質の人体への影響を明らかにすることにある.以下に各分担研究者の研究実績の一部を紹介する.2,3,7,8四塩化ジベンゾパラジオキシン(以下TCDD)はマウスで口蓋裂を誘発するが,胚子に外脳を誘発しておくと,TCDD,レチノイン酸,塩化メチル水銀等による口蓋裂の誘発が阻止された(安田).八塩化ジベンゾパラジオキシン(OCDD)と同ジベンゾフラン(OCDF)の人体組織残留量は,OCDD/OCDF比が260と大きく,食品中の比の20倍も高い,2系統のマウスでOCDDとOCDFの生体内挙動を検討したが,人体における高比率を説明できる結果は得られなかった(宮田).TCDDの免疫毒性機構をマウス由来の培養細胞株で検討したところ,TCDDは上皮細胞に対し直接障害作用を有し,胸腺リンパ球に対する障害作用は直接的効果のみならず,上皮細胞を介する間接的効果にもよることが示唆された(北条).アフリカツメガエル胚を受精後0日から5日間TCDDに曝露し,受精後12日に肝臓を調べたところ,浮腫の強いものほど肝臓の変化が顕著であった(谷村).難分解性芳香族炭化水素のモデル化合物として2-アシルアミノフルオレンを用い,ラットでの代謝を精査し,その排泄過程を明らかにした(辰巳).ヒト白血病細胞株にアスベストの一種であるクロシドライトを作用させると,マクロファージあるいは好中球に分化した細胞では,DNA損傷をおこすことが示された(森本).アスベスト曝露者の胸膜肥厚部から高濃度のクリソタイルとアンソフィライトが検出されこれらの体内移動性が高いことが分かった(神山).アスベスト及びシリカ曝露者で肺癌リスクを喫煙経験別に調べたところ,喫煙経験者は非喫煙者に比べて者では6.6倍,後者では2.8倍死亡率が高かった(森永).本研究の目的は,ダイオキシン類やアスベストのような,人体に対して有害な物質で,環境中への放出が規制されたり,生産が停止されても分解されずに環境中に長期に残留する物質の人体への影響を明らかにすることにある.以下に各分担研究者の研究実績の一部を紹介する.2,3,7,8四塩化ジベンゾパラジオキシン(以下TCDD)はマウスで口蓋裂を誘発するが,胚子に外脳を誘発しておくと,TCDD,レチノイン酸,塩化メチル水銀等による口蓋裂の誘発が阻止された(安田).八塩化ジベンゾパラジオキシン(OCDD)と同ジベンゾフラン(OCDF)の人体組織残留量は,OCDD/OCDF比が260と大きく,食品中の比の20倍も高い,2系統のマウスでOCDDとOCDFの生体内挙動を検討したが,人体における高比率を説明できる結果は得られなかった(宮田).TCDDの免疫毒性機構をマウス由来の培養細胞株で検討したところ,TCDDは上皮細胞に対し直接障害作用を有し,胸腺リンパ球に対する障害作用は直接的効果のみならず,上皮細胞を介する間接的効果にもよることが示唆された(北条).アフリカツメガエル胚を受精後0日から5日間TCDDに曝露し,受精後12日に肝臓を調べたところ,浮腫の強いものほど肝臓の変化が顕著であった(谷村).難分解性芳香族炭化水素のモデル化合物として2-アシルアミノフルオレンを用い,ラットでの代謝を精査し,その排泄過程を明らかにした(辰巳).ヒト白血病細胞株にアスベストの一種であるクロシドライトを作用させると,マクロファージあるいは好中球に分化した細胞では,DNA損傷をおこすことが示された(森本).アスベスト曝露者の胸膜肥厚部から高濃度のクリソタイルとアンソフィライトが検出されこれらの体内移動性が高いことが分かった(神山).アスベスト及びシリカ曝露者で肺癌リスクを喫煙経験別に調べたところ,喫煙経験者は非喫煙者に比べて者では6.6倍,後者では2.8倍死亡率が高かった(森永).
骨折治癒モニタリングの開発と実用化による科学的リハビリテーションの確立

ラット大腿骨に作成した横骨折を仮骨モデルとしてその骨癒合経過を3点曲げ力学試験により追跡した.仮骨の力学的特性を非侵襲的方法にモニタリングする検査法としての可能性を1)局所的骨密度測定,2)超音波検査,3)AE検査の3つについて検討した.pQCT法で測定した仮骨領域の骨密度パラメータのうち,total BMC・totalBMD・coricalBMC・cortical BMD・polar SSIは仮骨の曲げ強度と有意な正の相関を示した.超音波検査法では骨折断端部が測定領域と近接するため仮骨のみの定量的評価自体が困難であった.AE検査法では,力学試験中にAE信号が測定されはじめる荷重量(降伏強度)が仮骨の曲げ強度と極めて高い正の一次相関を示した.目的変量である仮骨強度を非侵襲検査法の各種パラメータを説明変量として定義する場合,降伏強度と仮骨強度の相関が他のパラメータに比べて極めて強いため実用的にはAE検査法のみで十分という結果を得た.この結果を踏まえて,創外固定法による仮骨延長症例に対して創外固定器の抜釘時期(延長仮骨の骨化完成時期)を評価した.仮骨の降伏強度は原疾患の種類に関わらず術後の経過日数とともに有意に増加した.重回帰分析の結果,仮骨延長距離と患者の年齢に延長仮骨の成熟期間が有意な相関を示すことが明らかとなった.これは,必要とする延長量と患者の年齢(ともに既知)から総治療期間を推定できることを意味する.また,創外固定法により治療した骨折症例においてもAE法により測定した仮骨の降伏強度は治療の時間的経過にともなって増加した.基礎実験から得られた回帰式に降伏強度を代入することで仮骨強度を推定することが可能であり,これまで主観的にしか評価できなかった骨癒合モニタリングを科学的に行えることが明らかになった.ラット大腿骨に作成した横骨折を仮骨モデルとしてその骨癒合経過を3点曲げ力学試験により追跡した.仮骨の力学的特性を非侵襲的方法にモニタリングする検査法としての可能性を1)局所的骨密度測定,2)超音波検査,3)AE検査の3つについて検討した.pQCT法で測定した仮骨領域の骨密度パラメータのうち,total BMC・totalBMD・coricalBMC・cortical BMD・polar SSIは仮骨の曲げ強度と有意な正の相関を示した.超音波検査法では骨折断端部が測定領域と近接するため仮骨のみの定量的評価自体が困難であった.AE検査法では,力学試験中にAE信号が測定されはじめる荷重量(降伏強度)が仮骨の曲げ強度と極めて高い正の一次相関を示した.目的変量である仮骨強度を非侵襲検査法の各種パラメータを説明変量として定義する場合,降伏強度と仮骨強度の相関が他のパラメータに比べて極めて強いため実用的にはAE検査法のみで十分という結果を得た.この結果を踏まえて,創外固定法による仮骨延長症例に対して創外固定器の抜釘時期(延長仮骨の骨化完成時期)を評価した.仮骨の降伏強度は原疾患の種類に関わらず術後の経過日数とともに有意に増加した.重回帰分析の結果,仮骨延長距離と患者の年齢に延長仮骨の成熟期間が有意な相関を示すことが明らかとなった.これは,必要とする延長量と患者の年齢(ともに既知)から総治療期間を推定できることを意味する.また,創外固定法により治療した骨折症例においてもAE法により測定した仮骨の降伏強度は治療の時間的経過にともなって増加した.基礎実験から得られた回帰式に降伏強度を代入することで仮骨強度を推定することが可能であり,これまで主観的にしか評価できなかった骨癒合モニタリングを科学的に行えることが明らかになった.ラット大腿骨に作成した横骨折を仮骨モデルとしてその骨癒合経過を3点曲げ力学試験により追跡した.仮骨の力学的特性を非侵襲的方法にモニタリングする検査法としての可能性を1)局所的骨密度測定,2)超音波検査,3)Acoustic emission(AE)検査の3つについて検討した.peripheral quantitative computed tomography(pQCT)法で測定した仮骨領域の骨密度パラメータのうち,total BMC・totalBMD・coricalBMC・cortical BMD・polar SSIは仮骨の曲げ強度と有意な正の相関を示した.変数選択重回帰分析の結果ではpolar SSIとcortical BMDの2つのパラメータが仮骨の曲げ強度推定に有用であり,重相関係数は0.68であった.超音波検査法では骨折断端部が測定領域と近接するため仮骨のみの定量的評価自体が困難であったが,仮骨による架橋形成は定性的には評価可能であった.AE検査法では,力学試験中にAE信号が測定されはじめる荷重量(降伏強度)が仮骨の曲げ強度と極めて高い正の一次相関を示した(相関係数0.96).目的変量である仮骨強度を非侵襲検査法の各種パラメータを説明変量として定義する場合,降伏強度と仮骨強度の相関が他のパラメータに比べて極めて強いため実用的にはAE検査法のみで十分という結果を得た.骨密度測定・超音波検査法は補助診断法として,特にAE検査を開始する時期の決定に有用であると考える.これらの結果を踏まえて,創外固定法による仮骨延長症例に対して創外固定器の抜釘時期(延長仮骨の骨化完成時期)を評価した.AE法により測定した降伏強度は原疾患の種類に関わらず術後の経過日数とともに有意に増加し骨癒合モニタリング法としての実用性が確認できた.ラット大腿骨に作成した横骨折を仮骨モデルとしてその骨癒合経過を3点曲げ力学試験により追跡した.仮骨の力学的特性を非侵襲的方法にモニタリングする検査法としての可能性を1)

局所的骨密度測定,2)超音波検査,3)AE検査の3つについて検討した.pQCT法で測定した仮骨領域の骨密度パラメータのうち,total BMC・totalBMD・coricalBMC・cortical BMD・polar SSIは仮骨の曲げ強度と有意な正の相関を示した.超音波検査法では骨折断端部が測定領域と近接するため仮骨のみの定量的評価自体が困難であった.AE検査法では,力学試験中にAE信号が測定されはじめる荷重量(降伏強度)が仮骨の曲げ強度と極めて高い正の一次相関を示した.目的変量である仮骨強度を非侵襲検査法の各種パラメータを説明変量として定義する場合,降伏強度と仮骨強度の相関が他のパラメータに比べて極めて強いため実用的にはAE検査法のみで十分という結果を得た.この結果を踏まえて,創外固定法による仮骨延長症例に対して創外固定器の抜釘時期(延長仮骨の骨化完成時期)を評価した.仮骨の降伏強度は原疾患の種類に関わらず術後の経過日数とともに有意に増加した.重回帰分析の結果,仮骨延長距離と患者の年齢に延長仮骨の成熟期間が有意な相関を示すことが明らかとなった.これは,必要とする延長量と患者の年齢(ともに既知)から総治療期間を推定できることを意味する.また,創外固定法により治療した骨折症例においてもAE法により測定した仮骨の降伏強度は治療の時間的経過にともなって増加した.基礎実験から得られた回帰式に降伏強度を代入することで仮骨強度を推定することが可能であり,これまで主観的にしか評価できなかった骨癒合モニタリングを科学的に行えることが明らかになった.
初期視覚モデルの応用による時間ディジタル変換回路の研究

初期視覚モデルによる雑音除去、エッジ検出、動き検出等の働きを、時間ディジタル変換回路(TDC)の変換精度向上に利用するため、ミツバチ等に見られる視覚野間の配列を模擬することで、発振波形の空間的移動に従って、ある接点で観測される波形が近づこうとしているかあるいは遠ざかろうとしているかを検出する電子回路を提案した。また、初期視覚モデルにおける視覚野間の配列の仕方と、TDCを構成する多相発振回路の発振モードとの対応を取るため、1研究対象としている多相リング結合型発振回路の結合行列の固有値の配置の複素平面上での配置より、回路は複数の安定状態を持つことが説明されるため、あらかじめ決められた発振モードで発振する回路を提案した。2多相リング結合型発振回路に差動インバータを導入することで、様々な実用的応用を考慮した一定のモードで発振する多相発振回路を工夫することができた。これらの成果は国際会議で報告済み、あるいは採録が決定した。多相発振回路の応用例の一つとして近距離無線通信に用いるキャリア除去フィルタとミキサーを融合したスイッチトキャパシタ回路を検討した。使用する周波数帯は13.56MHz(NFC用)である。従来のスイッチトキャパシタ回路を用いた復調回路では大きなキャリア信号を十分に取り除くために高次数のフィルタが必要である。本研究ではN-path回路を応用した復調回路提案した。シミュレーションによる検証ではキャリア成分を十分に除去することで信号の復調精度を改善することができた。この研究成果は国際会議にて報告した。TDCを駆動するための多相クロック生成回路として、シフトレジスタ型4相クロック回路を設計・試作した。試作した結果では最大動作速度である70MHzの発振周波数において発振周波数の標準偏差が72.4kHz(約0.103%)となった。これは約14.7psのジッターに相当する。この研究に関しては論文投稿のために評価を継続している。従来提案しているORIGAMI発振回路について、時間ディジタル変換回路へ応用するための改良について考察した。改良は発振周波数を高める工夫による分解能の向上と、環状発振回路内の信号伝搬の伝搬方向の変更である。発振周波数を高めるためには、回路内素子のファンイン・ファンアウトに着目した改良を実施し良好な結果を得た。信号伝搬の伝搬方向の変更に関しては、各段間に一方向伝搬素子を用いた。従来のORIGAMI発振回路および改良型ORIGAMI発振回路について、それぞれ電源電圧、素子モデルパラメータの変動を考慮した実験により、環状多相発振回路の振動の伝搬方向が一方向であるか、双方向であるかに関わらず、複数の振動モードが存在してしまうことが示された。1、2に関する考察およびシミュレーションの結果については、電気学会電子回路研究会にて報告した。ORIGAMI発振回路の応用として,時間ディジタル変換回路を含めた容量式センサ用アナログフロントエンドを検討している.容量式センサでは容量の変化を時間に変換し,時間ディジタル変換回路を用いてディジタル出力信号を得る.ORIGAMI発振回路を用いた時間ディジタル変換回路の性能を精度良く評価するために,センサ信号取り込み時に混入する雑音を除去する必要がある.特に大きな問題と予想される商用電源の雑音を除去するためにN-pathフィルタを用いた雑音除去フィルタを提案した.提案したフィルタのシミュレーションによる検証結果を国際学会および電子回路研究会にて報告した。初期視覚モデルを応用した素子偏差、雑音等の影響を緩和する側方結合の方法の検討に先立ち、回路の非線形性変動や電源変動に起因する複数の発振モードの出現を回避する工夫するについて新たな考察が必要となっている。初期視覚モデルによる雑音除去、エッジ検出、動き検出等の働きを、時間ディジタル変換回路(TDC)の変換精度向上に利用するには、初期視覚モデルにおける視覚野間の配列の仕方と、TDCを構成する多相発振回路の発振モードとの対応を取らなければならない。このため、多相発振回路の発振モードに関する研究を継続して実施した。前年度の研究により、従来の多相発振回路であるORIGAMI発振回路および改良型ORIGAMI発振回路について、電源電圧の変動や、実デバイスに近い素子モデルパラメータを考慮した実験を行った結果、発振回路の発振波形より、発振モードを導く方法を考案した。この方法は、単位円上を移動する点列として発振出力を表現し、点列の重心の位置並びに重心の回転方向を観測することで、発振モードを推定するものである。この研究成果は、国際会議にて報告した。商用電源によるハム雑音の影響を低減するためのN-pathノッチフィルタの試作および測定による性能評価を行った。40dB以上の雑音抑圧を目標としている。まずは10パスのノッチフィルタを用いた雑音抑圧回路を設計し、シミュレーションでは70dB以上の雑音抑圧が確認できた。回路を試作し、測定したところ25dBの雑音抑圧した得られず、目標値には達していなかった。スイッチを介した電荷漏れが原因であろことを突き止め、新たに3パスのノッチフィルタで設計し直し、試作回路を評価したところ50dB以上の雑音抑圧が得られた。これは目標値である40dBよりも1/3倍ほど雑音を小さく抑えられる結果となった。研究成果は国内の研究会および学会にて発表した。現在、スタートアップ回路の導入により多相発振回路の発振モードを予測することが可能か否かの検討を行っている。特に多相発振回路の段数と発振モードの関係の定式化を試みているが、スタートアップ回路はそれ自身が、素子偏差や温度変動の影響を受けことが分かり、研究は遅れ気味である。

なお、多相発振回路の位相雑音低減への応用が可能なハム雑音の低減に関して研究は予定通り進捗している。初期視覚モデルによる雑音除去、エッジ検出、動き検出等の働きを、時間ディジタル変換回路(TDC)の変換精度向上に利用するため、ミツバチ等に見られる視覚野間の配列を模擬することで、発振波形の空間的移動に従って、ある接点で観測される波形が近づこうとしているかあるいは遠ざかろうとしているかを検出する電子回路を提案した。また、初期視覚モデルにおける視覚野間の配列の仕方と、TDCを構成する多相発振回路の発振モードとの対応を取るため、1研究対象としている多相リング結合型発振回路の結合行列の固有値の配置の複素平面上での配置より、回路は複数の安定状態を持つことが説明されるため、あらかじめ決められた発振モードで発振する回路を提案した。2多相リング結合型発振回路に差動インバータを導入することで、様々な実用的応用を考慮した一定のモードで発振する多相発振回路を工夫することができた。これらの成果は国際会議で報告済み、あるいは採録が決定した。多相発振回路の応用例の一つとして近距離無線通信に用いるキャリア除去フィルタとミキサーを融合したスイッチトキャパシタ回路を検討した。使用する周波数帯は13.56MHz(NFC用)である。従来のスイッチトキャパシタ回路を用いた復調回路では大きなキャリア信号を十分に取り除くために高次数のフィルタが必要である。本研究ではN-path回路を応用した復調回路提案した。シミュレーションによる検証ではキャリア成分を十分に除去することで信号の復調精度を改善することができた。この研究成果は国際会議にて報告した。TDCを駆動するための多相クロック生成回路として、シフトレジスタ型4相クロック回路を設計・試作した。試作した結果では最大動作速度である70MHzの発振周波数において発振周波数の標準偏差が72.4kHz(約0.103%)となった。これは約14.7psのジッターに相当する。この研究に関しては論文投稿のために評価を継続している。1回路に非線形性があると振動モードの一意性が崩れるため対策が必要となっているので、[1]等の成果を参考に考察する。2初期視覚モデルによる空間信号処理方式の研究に関しては、なるべく多くの観測点での値から真値を予測する初期視覚モデルの応用による具体的な空間信号処理方式について1と並行して考察を開始する。回路の低雑音化を考慮した個々の回路ブロックの集積回路の設計・試作を実施する。[1]茂呂誠一郎、若手研究(B)、課題番号19760249、研究期間2007ー2008.1スタートアップ回路はそれ自身が、素子偏差や温度変動の影響を受ける恐れがあるため、研究の重要な目標である回路の非線形性変動や電源変動なども含めた要因に起因する複数の発振モードの出現を回避する回路工夫についての研究に着手する。
人口減少社会におけるベーシック・インカムに関する理論的・実証的研究

昨年度のとりまとめと並行しつつ、以下の3点の課題について重点的に研究を行った。1.社会保障制度の変更がベーシック・インカムに与える影響の理論的・実証的分析。公的年金制度の変更や公的年金から私的年金への移行が家計の資産形成に与える影響の評価、高齢者医療と高齢者介護の連携に伴う給付と負担額の評価等である。2.人口減少が社会保障制度の負担と給付に与える影響のモデルシミュレーション分析。現行の社会保障制度が、将来の人口動態(人口減少と少子・高齢化)に耐え得るかどうか持続可能性をシミュレートする。3.現行の社会保障制度に組み込まれている若年者層から高齢者層への所得再分配効果の分析。世代間の資産分配と経済全体の資産形成との相互関係を定量的に評価していく。これらの実証分析に基づいて,家計の資産形成や労働供給を阻害しないような社会保障制度のあり方を検討する。なお、本年度は、在外研究の機会に恵まれ、不平等問題や所得格差・資産格差問題の中で議論されているベーシック・インカムの議論についてサーベイを行い、論点整理の研究を行った。具体的な成果としては、サーベイ論文として、「ベーシック・インカム構想の現状と課題」(仮、mimeo)、「世代会計研究の現状と課題」(仮、mimeo)を取りまとめている途中である。本研究の目的は、人口減少下の経済において、セーフティ・ネットとして生涯生活権を保障するベーシック・インカムがどの程度必要なのかを明らかにすることである。先行研究等の文献解題、綿密なデータ収集、構造方程式の推定を中心とする実証分析、そしてそれを踏まえた比較制度分析により、具体的な政策効果の検証と政策提言にいたる統一した研究を行っており、本年度は、以下の3つを課題として研究を行った。第1に、既存研究のサーベイである。日本大学人口研究所モデル等の計量モデル分析、社会保障・人口問題研究所、総務省の人口予測(推計)モデル、人口減少が経済・社会に及ぼす影響、ベーシック・インカムの経済学的分析・研究について、従来の研究動向及びその成果を把握した。第2に、人口予測(推計)モデルの開発・精緻化である。前年度まで、推計を行うためのデータセットの整備に重点を置いて研究を行ってきた。本年度は、そのデータセットをもとにして、計量経済学的手法を用いて、市町村別に推計する手法を開発していくとともに、さらに推計の信頼性の向上・精緻化を行った。第3に、生涯にわたるベーシック・インカムの理論的・実証的研究である。本年度は、国内外の既存研究のサーベイに重点を置いた。昨年度のとりまとめと並行しつつ、以下の3点について重点的に研究を行った。1.社会保障制度の変更がベーシック・インカ厶に与える影響の理論的・実証的分析。具体的な成果としては、サーベイ論文として「人口減少研究の現状と課題」(地域経済と人口統計研究会(編)『地域経済と人口統計に関する研究-人口減少は経済にどのような影響を及ぼすか-』(Sinfonica((財)統計情報研究開発センター)研究叢書)第1章、p.3p.19、2005年3月)を著した。
新規2型糖尿病骨代謝モデルによる糖尿病骨代謝機構解析と運動による改善法の提案

タンパク質主体の魚類がでんぷん給餌で高血糖が続く特徴を利用し、高でんぷん食で長時間高血糖が続く新規2型糖尿病キンギョモデルを作製した。本モデルでは、ウロコI型コラーゲン線維糖化に伴う線維間架橋割合が増加していた。また、力学的3点曲げ試験解析から糖化に伴いコラーゲン線維の弾性低下と曲げ強度の有意な低下を示した。以上より、高血糖由来の骨の主構造タンパクの糖化で骨の易骨折性が起きる可能性が示唆された。本年度は、以下の1キンギョのエキソーム解析と2高でんぷん飼料の作製と給餌条件の検討開発を行った。1キンギョのエキソーム解析(担当:北村、鈴木、池亀、本多)タカラバイオの受託サービスを利用し、キンギョのDNAライブラリーを作成した(シークエンス数157,527,867)。キンギョの塩基配列と非常に相同性の高いゼブラダニオの最新のエクソン部分配列をEnsemblのゲノムデータベースからダウンロードし(Ensembl Zebrafish GTFファイルから作成したエキソーム数:53,697)、そのCSVファイルを作成した。マッピングツールbowtie2を利用し、分担してゼブラのエクソン配列とキンギョのDNAライブラリーの相同性からキンギョのエクソン配列を同定した。タカラバイオのシークエンス解析が完全ではなかったので、マッピングは完璧ではなかったが、部分的に扱えるエキソームも含めるとほぼ全て(53,697)のエキソームがキンギョでも扱えるようになった。2高でんぷん飼料の作製と給餌条件の検討開発(担当:北村)市販の米粉(水分約14.5%、デンプン約70%)を4倍の水道水と共に炊飯器で粥状にし、市販のキンギョ用飼料(テトラフィン、テトラジャヤパン)を、米粉粥20mlにつき1.0gの割合ですり潰して加え、飼料とした(水分約83%、デンプン約14%)。作製した飼料は凍結保存し、給餌前に解凍・加温して50mlシリンジに入れ1回に50μl/g-体重を給餌することにした。この給餌量で経口投与の血糖値を市販のグルコース測定キット(グルコースCII-テストワコー)を用いてムロターゼ・GOD法で血糖値を測定したところ、給餌後68時間まで血糖値が空腹時の5倍(197.4±49.5(mg/dl))まで上昇することを確認した。キンギョのエキソーム解析が終了したので、まだシークエンス確認しながらではあるが、現在キンギョでも注目する遺伝子全ての遺伝子発現解析ができるようになった。高でんぷん飼料の作製と給餌条件が決まったので、1対照群(でんぷんを含まない市販飼料で運動無制限)、2高でんぷん含有飼料で運動無制限群、3高でんぷん含有飼料で運動制限群の3条件での数か月に及ぶ長期飼育を開始した。長期飼育開始直前に各群のキンギョから必要枚数ウロコを抜去して飼育しているので、抜去されたウロコはそれぞれの条件(高血糖や運動制限)下で再生している。1ケ月ごとに再生ウロコを採取・冷凍保存(-80°C)し、8ケ月間の長期飼育を実施中である。長期飼育終了後に採取した再生ウロコを利用してマーカー遺伝子発現、マーカー酵素活性、および基質コラーゲンタンパクの性状を調べる準備中である。基質コラーゲンタンパクの性状の1つである機械的特性に関して現在ウロコからコラーゲン繊維を抽出し、それを型に流し込んで凍結乾燥したコラーゲン棒を使った圧力強度試験を検討している。以上より当初の予定通り研究は進んでいる。本年度は、以下の13項目の検討を行った。1再生ウロコの遺伝子発現・タンパク・形態学的解析(in vivo)(北村,鈴木,池亀,本多)8ヶ月間継続して高デンプン含有飼料を経口投与されたキンギョ群と対照群の再生ウロコの骨代謝マーカー遺伝子のmRNA発現とマーカー酵素活性に有意差は見られなかった。また、酒石酸耐性酸性フォスファターゼ(TRAP)染色した再生ウロコのTRAP陽性部分の面積比(TRAP陽性面積/再生ウロコ面積)も両群で有意差はなかった。2再生ウロコ線維層コラーゲンの繊維間架橋量の解析(in vivo)(北村・池亀)継続して高デンプン含有飼料を経口投与されたキンギョ群と対照群の、2ヶ月後、4ヶ月後、6ヶ月後、8ヶ月後の再生ウロコからI型コラーゲンを抽出した。抽出したI型コラーゲンをSDS-PAGE泳動してα鎖に対するβ鎖およびγ鎖の存在比を定量した結果、4ヶ月後以降でβ/αおよびγ/αの割合が高デンプン含有飼料群で有意に増加した。したがって、高デンプン含有飼料群の再生ウロコのI型コラーゲンでは、繊維間架橋量が有意に増加していることが示唆された。3糖化コラーゲン線維間架橋量と機械的強度との関係(in vitro)(北村)再生ウロコ由来のI型コラーゲンに0.1Mグリセルアルデヒドを10%混和してから5、12、24、48時間後の各コラーゲン溶液のSDS-PAGE泳動を行った。その結果、12時間以降では特にγ鎖分画やそれ以降の高分子量分画が増加していた。また、この条件で、12時間以降のグリセルアルデヒド添加サンプルのコラーゲン線維圧縮強度試験を実施した結果、降伏応力において、対照と比較し48時間後サンプルで有意に低下していた。

したがって、糖化I型コラーゲンでは、その硬度や変形率(柔軟性)が低下することが示唆された。H28年度の計画通り現在までに、1再生ウロコの遺伝子発現・タンパク・形態学的解析と2再生ウロコ線維層コラーゲンの繊維間架橋量の解析と3糖化コラーゲン線維間架橋量と機械的強度との関係評価の検討を行った。その結果、骨代謝自体には有意な変化はなかったものの、高デンプン食(高血糖)群では、対照群に比較し、骨基質のI型コラーゲンタンパクへの糖化およびその結果としてコラーゲン線維間架橋が増加していることとコラーゲン繊維の機械的強度の低下を示した。最終年度:運動による骨代謝改善およびI型コラーゲンへの糖化防止の評価(北村、池亀、鈴木、本多担当)高デンプン餌で飼育したキンギョを、給餌後キンギョ用遊泳負荷システムを使って1時間遊泳負荷を2週間した運動群と静止安静群に分け両群の間で再生ウロコの遺伝子発現およびコラーゲン線維間架橋割合を調べた。運動群ではいずれの骨形成マーカー遺伝子発現量も増加傾向を示し、統計学的に有意な増加はI型コラーゲンで見られた。また、再生ウロコから抽出したコラーゲン線維の泳動像では、安静群でコラーゲンモノマー線維の分子量の増加とα鎖(モノマー)に対するβ鎖(ダイマー)およびγ鎖(トリマー)の存在比が増加傾向を示した。しかし、運動群では有意な増加は見られなかった。この結果から、食後の血糖増加時間帯に軽度負荷でも実施することにより骨形成が増加する可能性とタンパクの糖化を防ぐ可能性が示唆された。研究期間全体:魚類の特徴を利用し、高でんぷん含有餌で食後高血糖状態キンギョモデルを作製した。高でんぷん含有餌による高血糖キンギョモデルの再生ウロコを使い、通常餌群との比較から高血糖が及ぼす骨代謝への影響を解析した。その結果、骨代謝マーカー遺伝子発現に統計学的に有意な変化はなかったが、高血糖モデルの再生ウロコでは、糖化によりI型コラーゲン線維の分子量増加と線維間架橋割合の増加傾向が示された。また、糖化コラーゲン線維の3点曲げ試験解析から糖化コラーゲン線維間架橋割合の増加と共に弾性率低下と曲げ強度(降伏応力)の有意な低下を記録した。以上より、高血糖により骨の主構造タンパクI型コラーゲン線維にも非酵素的糖化が起り、柔軟性の低下による力学的強度が低下している可能性が示唆された。また、高デンプン餌で飼育したキンギョを、給餌後1時間遊泳負荷をした結果、骨形成マーカー遺伝子発現量の増加とコラーゲン線維の糖化抑制が見られた。タンパク質主体の魚類がでんぷん給餌で高血糖が続く特徴を利用し、高でんぷん食で長時間高血糖が続く新規2型糖尿病キンギョモデルを作製した。本モデルでは、ウロコI型コラーゲン線維糖化に伴う線維間架橋割合が増加していた。また、力学的3点曲げ試験解析から糖化に伴いコラーゲン線維の弾性低下と曲げ強度の有意な低下を示した。以上より、高血糖由来の骨の主構造タンパクの糖化で骨の易骨折性が起きる可能性が示唆された。以下の4点の課題について順次推進する。1高でんぷん含有飼料と運動制限下での8ケ月間の長期飼育と1ケ月ごとの再生ウロコサンプルの採取・冷凍保存(-80°C)の継続実施28ケ月間の長期飼育後、保存再生ウロコサンプルの骨代謝状態をマーカー遺伝子発現とマーカー酵素活性の測定3基質コラーゲンタンパクの機械的強度と弾性率の具体的計測手法の確立
統合失調症における新規バイオマーカー研究

1)MACSテクノロジー(磁気ビーズによる末梢血からのリンパ球分離法)を利用してヒトリンパ球検体を用いたCRMP測定方法を確立する。リン酸化CRMPについても同様に測定方法を確立する。2)統合失調症患者群と健常者群の血液検体について、上記測定系を用いてCRMP発現量を測定し両群の統計学的な相違を明らかにする。また患者群の臨床背景の違いにおける相違も検討する。
海岸波浪の波群とソリトン構造の形成に関する研究

本研究においては、海岸波浪の波群とソリトン構造の形式について研究したが、得られた主要な研究成果は次のように要約される。1)波群構造とその変形に関しては、風波の減衰期においてはスペクトル尖鋭化により波群性が顕著となり、最盛期では砕波により波群性が弱まることが明らかにされ、波群の伝播変形に対しては非線形Schrodinger方程式による計算結果と比較的よく一致するが、浅海域を伝播するに従って波群の扁平化が起こることを見出した。波群特性の空間分布に関しては、波群の平均°は深海から浅海に向かって増大し、Groupinessfactorは減少して扁平化が起こり、水深沖波浪高比が1.3付近で極小となることが見出された。2)深海から極浅海に伝播する不規則波の波動方程式を提案し、現地観測結果と比較してその適用性を示し、波群の形成がFourier modeの変調不安定であること、およびその伝播過程において波群が変動することが明らかになった。さらに、極浅海においては、この波動方程式はKdV方程式となり、ソリトン解が存在し、これに基づいた不規則ソリトン列を基調とする海岸波浪の統計理論を展開することができた。この統計理論によって、浅海における不規則波浪をソリトン列によって表示できることが示され、ソリトン構造の形成を示唆することができた。3)波群構造の方向スペクトルへの影響を究明するために、まず標準化された方向スペクトルの指定法を確立し、ついで波群構造による搬送波の伝播速度、群速度の拘束性により、波群の形成により方向スペクトルが変形する実態を示すことができた。以上、波群構造とソリトン構造との関係、および波群からソリトン構造の形成について、その実態を明らかにし、さらにそれらを表すモデル方程式、ソリトンモ-ドによる波浪の統計理論により、波浪像を示した。防災研究所大潟波浪観測所において,水深30mの深海部にウェーブライダー波高計,浅海部ではT型波浪漂砂観測棧橋に超音波式波高計7台,容量式波高計15台および超音波流速計4台を取付けて,海岸波浪の変形に関する観測を実施した.本観測結果に従来のものを加えて,海岸波浪における波群とソリトン構造の形成について研究してきたが,現在までに得られた成果は次のように要約される.1)波群構造とその変形に関する研究波浪の発達から減衰期にわたる記録を,相対水深,スペクトル先鋭度パラメータ,非線形パラメータ,Groupiness factor,波高の連などを用いて,主として浅海部のデータについて波群の形成とその伝播を調べ数値計算の結果と比較して,次のことがわかった.波群の伝播速度は,波群を構成する搬送波の周期の平均値による群速度にほぼ等しい.また,観測および計算結果の包絡波形は,両者がよく一致する場合もあれば,伝播に伴ってかなり減衰する場合もあることがわかった.2)波群の崩壊とソリトン構造の形成に関する研究波浪データを用いて,波群からソリトン構造への形成過程を調べる一方,そのモデリングについて理論を展開したが,得られた成果は次のようである.波群とソリトン構造の関連については,波群性が不規則なソリトン列の振幅の時系列特性で表されるとし,波群の崩壊はソリトンの相対的伝播速度とソリトン間隔の結合分布として評価でき,ソリトンの振幅の分散が小さい場合には,波群はきわめて安定であるが,これが大きくなると崩壊してソリトン構造をとる.

波群の空間変化を波浪データについて調べ,その結果を利用して,非線形性に対しては近似,分散性についてはさらに高次項を導入した波群からソリトン構造への遷移過程を表すモデリングを試みた.1.波の発達、減衰に伴う波群の伝播変形について検討し、1)波の減衰期の後半にスペクトルの尖鋭化により波群性が顕著になり、2)波の最盛期では砕波により波群性が弱まり、3)波群の伝播変形には非線形Schrodingel方程式による計算結果が比較的よく一致するが、4)浅海域を伝播するに伴って波群の扁平化が起こることなどを明らかにした。2.波群特性の空間分布、波浪のの波群性と波高分布および最大波を含む波群の特性を解析して、波高の平均長は深海から浅海に向かって大きくなり、Groupiness Factorは小さくなって波群の扁平化が起こるが、前者は水深沖波波高比が2.0付近で、また後者は1.3付近で極小となることおよびWeibull分布の形状母数はGloupiness Factorの水深変化と逆傾向を示し、最大波の出現率は平均波高を基準とした場合4波の場合であることなどを見出した。3.波高の時系列におけるMorkov性に着目して、不規則ソリトン列の振幅の連なりに対して自己回帰性を適用したモデルを提案し、これが現地波浪の時系列特性に一致することを示し、その適用性を検討した。4.深海から浅海域における観測記録を比較することにより、浅海域の波群に著しい扁平化が見られないが、波群はより発達する場合のあることを見出すとともに、この空間変化を力学的に記述するためのうねりのモデル方程式を提案し、波群の伝播に伴う空間変化の取扱いを可能にすることができた。5.極浅海における波浪の変形、とくに波群、ソリトン構造の形式、崩壊において海浜形状が大きく関係することから、波浪エネルギーの消散の観点からこれらの関係を調べ、波浪エネルギー変化による海浜断面の形成を論じ、その一般的表示を試みた。最終年度として、海岸波浪の波群からソリトン構造への遷移過程を明らかにするよう研究したが、得られた結果は次のようである。1)非線形SchrodingerおよびZakharv方程式に基づき、実測波群を初期値とした時間発展解を求め、これらの方程式の現地波浪への適用を検討するとともに、波群構造の限界の存在を調べた。一般に波群が形成されると、それは比較的安定であるが、形によっては崩壊する場合もあることが示された。また、これらの過程における包絡ソリトンの不安定性に及ぼす海底勾配項の影響も数値的に検討した。2)現地波浪デ-タの解析から、連結スペクトルを持つ不規則波列の波群は包絡ソリトンのような定常性をなく、伝播に伴ってスペクトルのバンド幅だけでなく、分散性、非線形性によっても変動することが分り、これが波群の分裂に関係することが見出された。搬送波のソリトン構造の限界を修正Ursell数の関数として求め、波浪ソリトン群の統計理論を展開させ、統計力学的手法の導入を試み、ソリトン群のエネルギ-配分から、その分布関数を求めた。3)波浪の方向スペクトルに及ぼす波群構造の影響を検討するために、標準化された方向スペクトルの推定法を提案し、現地波浪デ-タによってその適用性を明らかにするとともに、波群構造の空間的遷移特性を研明することに役立てた。4)これらの諸研究を基にして、波群からソリトン構造への遷移、移行のプロセスを総合的に検討したか、そこには波浪の変調現象が存在するので、単一の取扱いでは説明できない部分があること、および極浅海域においてはソリトン構造への移行は明らかな場合が多く、その理論的表示の1つを示すことができたと考えている。
有機酸塩による電位窓異常拡大の機構解明と高電圧水系二次電池への展開

二年目である平成30年度は、放射光X線を用いたX線反射率(XRR)測定と電気化学表面プラズモン共鳴(ESPR)測定を中心に実施し、水溶液電解質に添加した有機スルフォン酸塩の共存効果を明らかにすることを目的とした。金の単結晶電極を作用極として用い、電極表面に形成するイオンの配列が印加電圧に伴って変化することが確認された。現在、物理モデルを構築しながら解析途中であるが、負に帯電する有機スルフォン酸が印加電圧で整列・離散する挙動をとらえられたと考えている。一方、通常の硫酸アニオンを含む水溶液では顕著な変化は認められなかったことから、有機スルフォン酸塩が示す特異な現象であると考えられる。また、実験室においてはEPSR測定を行い、有機スルフォン酸塩を添加した水溶液において、共鳴角が印加電圧で変化することが分かった。これはXRR測定と同様の結果がである。今後さらに実験を精密に行い、解析を進めることで、電極表面での有機スルフォン酸塩の動きを解明する。また、他の高濃度水溶液と併せて、水の電位窓と水濃度(水溶液中での媒質である水のモル濃度)とが相関関係を示すことを実験的に見出した。有機スルフォン酸塩のみによらず、他の電解質塩を用いた水溶液においても同様な傾向が得られたことから、広い電位窓を有する水溶液電解質の設計指針を明らかにすることができたと考えている。また、有機スルフォン酸塩などの広い電位窓を有する水溶液の特徴としてpHが中性付近であることに着目し、電位窓端における水分解で局所pHが変化する効果を明らかにすることができた。放射光施設での実験枠割り当てを有効に利用し、実験を効果的に行っている。また、実験室で可能な電気化学表面プラズモン共鳴(ESPR)測定も行うことで、放射光施設でしか得られない結果と相補的な実験結果も得られており、計画に対して概ね順調に進展している。今後は、放射光施設を使った実験と実験室で可能な実験をより精密に行い、解析を進めることで、有機スルフォン酸塩の添加が水の電位窓拡大に与える効果を明らかにする予定である。また、分子動力学シミュレーションを進めることで、電極表面でのイオンの整列・離散する挙動を明らかにする。平成29年度は有機スルフォン酸塩の添加効果を確認すること、放射光X線を利用したX線表面反射率(XRR)測定のための基礎データの収集、リチウムイオン電池高電位正極として知られているニッケルマンガン酸リチウムLiNi0.5Mn1.5O4(LNMO)への展開、を中心に検討を行った。これまで、有機スルフォン酸塩として1,3-プロパンジスルホン酸二ナトリウム塩(PDSS)の添加による電位窓拡大効果のみを確認していたが、加えて他の有機スルフォン酸塩であるメタンスルホン酸ナトリウム塩(MSS)も水溶液の電位窓を拡大する効果を有することを明らかにし、電位窓拡大の効果がPDSSに特異的な現象ではなく、より普遍的・広範に見いだされる現象であることを確認した。また、XRR測定の実験セットアップとして雲母上に成長させた金の単結晶電極が利用可能であることを確認し、XRR測定を行いながら電極電位を変化させ、「その場」測定を成功させた。しかし、これまでイオン液体などで利用していたXRR測定用電気化学セルでは十分な測定精度が得られないことがわかり、再設計などが必要であることも同時にわかった。LNMOは作動電位が水の電位窓上端を超えて高く、酸素発生反応が競合する電位領域で充放電反応が進行する。

そのため、電極活物質だけでなく、集電体の選択が重要であり、金やチタンなどの酸素発生に不活性な集電体の利用が副反応抑制に有効であることがわかった。放射光X線を利用した反射率測定により電極表面近傍での電解質アニオンの構造化を測定する予定である。測定のセルなどの立ち上げに時間を要しており、当初の計画より少し遅れている。ただ、二年目以降で実験スケジュールを調整し、全体的な進捗に遅れがでないようにできる予定である。今後は、放射光施設を使った実験と実験室で可能な実験をより精密に行い、解析を進めることで、有機スルフォン酸塩の添加が水の電位窓拡大に与える効果を明らかにする予定である。また、分子動力学シミュレーションを進めることで、電極表面でのイオンの整列・離散する挙動を明らかにする。反射率測定の実験がスムーズに進行できるよう二年目では、実験セルの設計見直しと再構築を最優先事項として取り扱う。その後、すみやかに実験結果が得られるように実験計画のスケジュールを調整する。また、電極の作製は問題なく進んでおり、実験室でのデータ収集は二年目においても問題なく進行する予定である。