hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
膜交通、活性酸素・カルシウムシグナル制御による植物免疫亢進と新奇植物防除剤の創出

活性酸素種の生成を指標とした、簡便な植物免疫活性化剤の選抜方法を考案し、約11,000化合物からなるケミカルライブラリーを対象としたケミカルスクリーニングを行った。その結果、58種の化合物を植物免疫活性化剤の候補化合物として選抜した。選抜した化合物の作用機構を調べるために、病害応答の主要経路であるサリチル酸(SA)経路及びジャスモン酸(JA)経路に対する影響を、各マーカー遺伝子の発現を指標として調べた。その結果、SA経路、JA経路や、両方の経路を活性化する化合物を発見した。植物の感染防御応答におけるオートファジー動態に関しては未解明な部分が多い。私たちは、タバコ培養細胞BY-2株の培地中に卵菌由来のエリシターcryptogeinを添加する感染防御応答・過敏感細胞死モデル実験系を用いて、植物免疫のシグナル伝達系や細胞内動態の解析を進めて来た。オートファジーのマーカーとGFPとの融合タンパク質を発現させた細胞を作出し、植物細胞における新規オートファジー可視化定量解析実験系を構築した。cryptogein処理後数分以内に、オートファゴソームの急速に減少することを発見し、cryptogeinの認識によりオートファゴソーム形成が抑制されることが示唆された。この過程には、cryptogeinシグナルの継続的な認識が必要であった。植物の感染防御応答の最初期に細胞質カルシウムイオン濃度変化が誘導され、下流の防御応答の誘導に重要な役割を果たすと考えられている。イネの電位依存性チャネル候補OsTPC1に対する特異抗体を調製し、細胞分画法により局在部位を詳細に解析したところ、OsTPC1は主として細胞膜に局在することが明らかとなった。異種発現系を用いた電気生理学的な解析により、OsTPC1がカルシウムイオン透過性チャネル活性を持つことが示唆された。野生型株とOstpc1機能欠損変異株培養細胞にaequorinを発現させてカルシウムイオン濃度変化測定系を構築し、TvX等種々のエリシターにより誘導されるカルシウムイオン濃度変化に対するOsTPC1の寄与を解析した。また、TvXにより誘導されるモミラクトン類等のジテルペン型ファイトアレキシン生合成に対するOsTPC1機能破壊の影響を解析した。植物培養細胞におけるエリシター誘導性ROS生成を指標に、感染防御応答を活性化する薬剤の効率的なスクリーニング系の構築を進めた。植物が病原体の感染を認識し、防御応答を誘導する初期過程では、一連のイオンチャネルカスケード、すなわち膜電位の脱分極、pH変化、Ca2+濃度変化と並んでCl-等の陰イオンの細胞外へのeffluxが誘導される。薬理学的解析から、陰イオンチャネルが情報伝達系において重要な役割を果たすと考えられるが、その分子的実体は未解明だった。S型陰イオンチャネルをコードするSLAC1をタバコ培養細胞BY-2に過剰発現させ、卵菌由来のタンパク質cryptogeinにより誘導される感染防御応答に対する影響を解析した。cryptogeinにより誘導される細胞外へのCl- efflux、活性酸素種生成、防御関連遺伝子の発現、過敏感細胞死等の一連の感染防御応答は、SLAC1過剰発現株で顕著に亢進され、その効果は陰イオンチャネル阻害剤により抑制された。植物免疫の活性化にSLAC/SLAHファミリーの陰イオンチャネルが関与することが初めて示唆された。植物免疫活性化剤は、サリチル酸(SA)経路に作用する数種しか報告されていない。我々は、培養細胞のROS生成パターンを指標とした簡便な植物免疫活性化剤の選抜方法を考案し、約11,000化合物からなるケミカルライブラリーを対象としたケミカルスクリーニングを行った。植物体における応答性遺伝子の発現解析から、選抜化合物には、既知の植物免疫活性化剤と同様にSA経路を活性化する化合物だけでなく、ジャスモン酸(JA)経路や、両方の経路を活性化する化合物が含まれている可能性が示唆された。SAやJAの生合成やシグナル伝達経路の欠損変異体に対する候補化合物の効果を調べることにより、作用機構の解析を進めている。病原菌感染時に植物の免疫応答を亢進することで耐病性を付与する植物免疫活性化剤は、耐性菌の出現回避や圃場の微生物相の保全等のために有効と考えられる。しかし、このような化合物は、サリチル酸(SA)経路に作用する数種しか報告されておらず、適用範囲も限定的なのが現状である。タバコBY-2細胞に卵菌由来のタンパク質性エリシターcryptogeinを処理するモデル実験系を用いて、植物免疫情報伝達系や過敏感細胞死(PCD)誘導機構の研究を進めて来た。その結果、NADPHオキシダーゼを介したROSの積極的生成のパターンと、遺伝子発現やPCDとの間に相関関係を見出し、それを指標とした簡便な植物免疫活性化剤の選抜系を開発した(PCT出願済)。本手法を用いて、約11,000化合物のケミカルスクリーニングを行い、58種の化合物を植物免疫活性化剤候補として選抜した。

これらの作用機構を調べるため、化合物で前処理したシロイヌナズナをflg22で処理し、SA経路及びジャスモン酸(JA)経路のマーカー遺伝子の発現量の変化を調べた。その結果、選抜した化合物には、既知の植物免疫活性化剤と同様のSA経路の活性化剤だけでなく、これまでに報告のないJA経路や、両方の経路の活性化剤が含まれていた。これらは、新規の機構により植物免疫を活性化する可能性が想定され、その作用機構の解析を進めている。カルシウムシグナルの形成に関与する新規因子を発見し、その機能解析を進めた点は、当初の計画以上に進展した。オートファジー動態の解析については、定量的実験系を確立でき、順調に進展している。25年度が最終年度であるため、記入しない。本研究の過程で着想し、開発したハイスループットのケミカルスクリーニング系を用いて、大規模な選抜を実施することができ、有望な化合物を多数単離することができた。その結果、これまで全く未知の経路を活性化する化合物の発見に結びつくことが期待される結果を得た。植物免疫活性化剤のスクリーニング系を概ね構築できたので、新奇防除剤の創出を目指したスクリーニングに焦点を絞り、注力する計画である。平成24年度に単離した候補化合物の詳細な解析を進める。これまでに報告のないジャスモン酸経路の活性化剤が得られた可能性を検証すると共に、作用機構の解明を進める。
高分子固体電解質膜における多重パーコレーション構造の構築とその固定化に関する研究

燃料電池へ適応可能な固体電解質膜の例として、"フッ素樹脂系電解質膜"、"スルホン化コポリマー膜"、"伝導体をドープしたハイブリッド膜"などが挙げられる。高性能電解質膜を得るために、膜中に少しでも多くのイオンを導入する事が望まれるが、化学構造の修正による性能向上はすでに限界と言われており、根本的にメカニズムの異なる電解質膜の構築が望まれている。また、膜の繰り返し使用に対する劣化や、膜が膨潤する事に伴う燃料の漏れなどが問題となっており、このような要求から架橋の導入は必要不可欠と言われている。そこで本研究では、ナノ領域のイオンチャンネル構造に加えて、ミクロン領域に及ぶ相分離や架橋構造を二重に制御し、新しいプロトン伝導材料の開発とその精密解析を行う事を本研究の目的とする。テトラエトキシシラン(TEOS)を代表とするアルコキシシランモノマーおよびその誘導体は、適当な触媒および溶媒存在下でゲルを生成する。ここでヘテロポリ酸の一種であるリンタングステン酸(PWA)を触媒として用いると、PWAが高いプロトン伝導性を有するため、得られる膜はPWAを担持した高プロトン伝導膜となる。PWAそのものが高い伝導性を有し、ナノオーダーで配位したイオンチャンネルを形成するが、それに加えて本研究ではサブミクロンオーダーのイオン伝導構造の構築を目標として研究を行ってきた。複雑系材料のミクロ構造はその名の通り、非常に解析が困難である。そこで本研究では特に、材料の形成過程における構造体の逐次特性化をめざした。本系は、架橋を伴う反応誘起相分離系であり、反応段階における微妙な濃度、温度、イオン伝導体導入量、溶媒の種類等が最終物性を大きく左右する。ナノ域、サブミクロン域の構造を原子間力顕微鏡(AFM)や小角X線散乱を用いて調べ、これらの構造形成の由来を、動的光散乱やAFMを応用した独自の反応場解析により調べた。その結果、イオン伝導体をより多く粒子内に含む構造体の成長プロセスを定量化でき、逆に機能性分子が漏れ出される反応プロセスを区別することができた。この課題により、ナノ域のチャンネル構造はもちろん、他の階層領域の構造形成に関する知見が得られたので、今後この手法を用いて様々な材料開発が産官学で行えるようになると期待できる。本研究では特に材料のミクロ階層構造に着目した研究を行った。すなわち、すでに確立したナノ構造解析に加えて、ミクロン領域における相分離構造を有効に活用する事で、材料選択によるプロトン伝導性能の向上限界を打破する技術の確立をめざした。TEOS/PWA系の多彩なミクロ構造はゾル-ゲル反応によって誘起されるため、その際に用いる重合溶媒の極性は、触媒の効力や置換基の反応性に強く依存する。このような反応誘起プロセスに依存して、様々な架橋構造や相分離構造が得られるため、本年度は非重合性の充填剤として様々なアルコールを用いて、そのイオン伝導特性や構造評価を行った。小角X線散乱法や原子間力顕微鏡画像の画像解析からミクロ構造における特性長を算出し、イオン伝導度との相関関係について検討した。また得られた材料の耐熱性と構造学的要因について検討し、前述の散乱解析との相関関係についても検討した。

PWAそのものが高い伝導性を有し、ナノオーダーで配位したイオンチャンネルを形成するが、それに加えて本研究ではサブミクロンオーダーのイオン伝導構造の構築を目標として研究を行ってきた。複雑系材料のミクロ構造はその名の通り、非常に解析が困難である。そこで本研究では特に、材料の形成過程における構造体の逐次特性化をめざした。本系は、架橋を伴う反応誘起相分離系であり、反応段階における微妙な濃度、温度、イオン伝導体導入量、溶媒の種類等が最終物性を大きく左右する。ナノ域、サブミクロン域の構造を原子間力顕微鏡(AFM)や小角X線散乱を用いて調べ、これらの構造形成の由来を、動的光散乱やAFMを応用した独自の反応場解析により調べた。その結果、イオン伝導体をより多く粒子内に含む構造体の成長プロセスを定量化でき、逆に機能性分子が漏れ出される反応プロセスを区別することができた。この課題により、ナノ域のチャンネル構造はもちろん、他の階層領域の構造形成に関する知見が得られたので、今後この手法を用いて様々な材料開発が産官学で行えるようになると期待できる。
自己脂肪由来間葉系幹細胞を用いた包括的慢性腎不全治療法の開発

保存気腎不全に対する間葉系幹細胞の治療効果を検討するため、慢性腎不全モデルにおける血管石灰化に対する脂肪由来間葉系幹細胞移植(ADMSC)の影響についての検討を行った。8週の雄性SDラットの大腿部脂肪を摘出し、ADMSCを樹立し、10週齢より0.75%アデニン含有食を4週間投与し、腎不全石灰化モデルラットを作成。治療群にはアデニン食開始時より1週間おきに計5回5.0×10<SUP>5</SUP>個のADMSCを静脈注射し、アデニン食投与4週間後にと殺し、腎組織及び血管石灰化について検討した。結果、治療群では、有意に腎臓の線維化が抑制され(P<0.05)、尿中クレアチニン排泄量及び24時間クレアチニンクリアランスは有意に増加しており(P<0.05)、アデニン腎不全石灰化モデルラットにおいて、ADMSCは腎機能の増悪及び血管石灰化進行を抑制することが示唆された。次に、脂肪由来間葉系幹細胞が同種後腎移植に与える影響に対する検討した。妊娠15日の同種妊娠ラットより胎仔を摘出し、顕微鏡的に腎原器(後腎)を胎仔より摘出し、その後腎を同種雄性ラットの傍大動脈領域に移植。ラットは2群(ADMSCs群、コントロール群)に分け、ADMSCs群は後腎移植時及び1週間後に計2回ADMSCs1×106個/PBS 1mLをラットの尾静脈より投与し、コントロール群は同様に1週間おきに計2回PBS1mLをそれぞれ尾静脈より静脈投与を施行。その後、レシピエントラット内で発育した後腎の発育具合を評価。後腎の発育は、発育重量(g)、組織(HE、Masson、TUNEL、CD68、collagenI等)、real-time PCRで評価する。ADMSCsがアデニン腎不全ラットの腎障害に与える影響に関する検討では、組織学的にASCsの腎障害進行抑制効果が認められ、研究結果を英文雑誌に投稿した(Sci Rep. 2017Oct 25;7(1):14036.)。現在、ADMScが移植後腎に与える影響について検討している段階である。学会発表にはまだ結果が不十分であり、幹細胞の投与方法を変更するなどの検討を行っている。間葉系幹細胞移植が移植後腎に与える影響についての検討を継続する。移植後腎の発育に何らかの影響がある場合は、それが間葉系幹細胞そのものによるものか、間葉系幹細胞が出すサイトカインによるものかも同時に検討する。LEWISラットのソケイ部より皮下脂肪を摘出し、その皮下脂肪より脂肪由来間葉系幹細胞(adipose derived mesenchymal stem cells:以下ASCs)を抽出する。抽出したASCsは表面マーカー発現パターン(CD90陽性、CD29陽性、CD34陰性、CD45陰性)を確認し、脂肪細胞、骨芽細胞、軟骨細胞への分化誘導が可能であることを確認する。アデニン腎不全モデルラットを作成し、ASCsによる治療効果を検討する。ラットを2群(治療群、コントロール群)に分け、それぞれ、0.75%アデニン含有食を4週間摂取し、腎不全石灰化モデルラットを作成する。アデニン含有食摂取中は、1週間おきに計5回、治療群にはASCsを投与する。ASCs移植により、治療群ではアデニンによる腎機能障害の改善が組織学的(繊維化の低下、尿細管拡張の抑制)に確認され、24時間CCrの改善、血清リン値の低下を認めた。また、血管内のカルシウム・リン含有量は治療群で有意に低下しており、Kossa染色及びqPCRにて石灰化マーカーの改善を確認でき、血管石灰化が抑制されていつことが確認できた。【目的】急性腎不全モデル及び腎移植における間葉系幹細胞移植の有効性の報告が散見されているが、慢性腎不全モデルや血管石灰化に対する脂肪由来間葉系幹細胞移植(ADMSC)の影響についての報告は少ない。【方法】8週の雄性SDラットの大腿部脂肪を摘出し、ADMSCを樹立し、10週齢より0.75%アデニン含有食を4週間投与し、腎不全石灰化モデルラットを作成した。治療(T)群(n=7)にはアデニン食開始時より1週間おきに計5回5.0×10<SUP>5</SUP>個のADMSCを静脈注射し、コントロール(C)群(n=9)には1週間おきにPBSを静脈注射した。アデニン食投与4週間後にと殺し、腎組織及び血管石灰化について検討した。【結果】T群では、C群に比べ、有意に腎臓の線維化が抑制され(P<0.05)、尿中クレアチニン排泄量及び24時間クレアチニンクリアランスは有意に増加していた(P<0.05)。また、血清リン及びi-PTHは治療群で有意に低下していた。血管内のカルシウム及びリン含有量は、T群で有意に減少しており(P<0.05)、血管内のオステオポンチン及びオステオカルチン発現は、T群で有意に低下していた。【結論】アデニン腎不全石灰化モデルラットにおいて、ADMSCは腎機能の増悪及び血管石灰化進行を抑制することが示唆された。ASCsがアデニン腎不全ラットの腎障害に与える影響に関する検討では、組織学的にASCsの腎障害進行抑制効果が認められ、英語論文投稿を行った(Sci Rep. 2017Oct 25;7(1):14036.)。

現在、脂肪由来間葉系幹細胞が同種後腎移植に与える影響に対する検討を行なっているが、過去の間葉系幹細胞による免疫制御効果の報告も含め、ASCsが移植後腎の発育にとってpositiveな影響を与えることが予想される。保存気腎不全に対する間葉系幹細胞の治療効果を検討するため、慢性腎不全モデルにおける血管石灰化に対する脂肪由来間葉系幹細胞移植(ADMSC)の影響についての検討を行った。8週の雄性SDラットの大腿部脂肪を摘出し、ADMSCを樹立し、10週齢より0.75%アデニン含有食を4週間投与し、腎不全石灰化モデルラットを作成。治療群にはアデニン食開始時より1週間おきに計5回5.0×10<SUP>5</SUP>個のADMSCを静脈注射し、アデニン食投与4週間後にと殺し、腎組織及び血管石灰化について検討した。結果、治療群では、有意に腎臓の線維化が抑制され(P<0.05)、尿中クレアチニン排泄量及び24時間クレアチニンクリアランスは有意に増加しており(P<0.05)、アデニン腎不全石灰化モデルラットにおいて、ADMSCは腎機能の増悪及び血管石灰化進行を抑制することが示唆された。次に、脂肪由来間葉系幹細胞が同種後腎移植に与える影響に対する検討した。妊娠15日の同種妊娠ラットより胎仔を摘出し、顕微鏡的に腎原器(後腎)を胎仔より摘出し、その後腎を同種雄性ラットの傍大動脈領域に移植。ラットは2群(ADMSCs群、コントロール群)に分け、ADMSCs群は後腎移植時及び1週間後に計2回ADMSCs1×106個/PBS 1mLをラットの尾静脈より投与し、コントロール群は同様に1週間おきに計2回PBS1mLをそれぞれ尾静脈より静脈投与を施行。その後、レシピエントラット内で発育した後腎の発育具合を評価。後腎の発育は、発育重量(g)、組織(HE、Masson、TUNEL、CD68、collagenI等)、real-time PCRで評価する。ADMSCsがアデニン腎不全ラットの腎障害に与える影響に関する検討では、組織学的にASCsの腎障害進行抑制効果が認められ、研究結果を英文雑誌に投稿した(Sci Rep. 2017Oct 25;7(1):14036.)。現在、ADMScが移植後腎に与える影響について検討している段階である。学会発表にはまだ結果が不十分であり、幹細胞の投与方法を変更するなどの検討を行っている。上記実験同様に、LEWISラットのソケイ部より皮下脂肪を摘出し、その皮下脂肪より脂肪由来間葉系幹細胞(adipose derived mesenchymal stem cells:以下ASCs)を抽出する。抽出したASCsは表面マーカー発現パターン(CD90陽性、CD29陽性、CD34陰性、CD45陰性)を確認し、脂肪細胞、骨芽細胞、軟骨細胞への分化誘導が可能であることを確認する。後腎移植モデルを用いて実験を行う。妊娠15日の同種妊娠ラットより胎仔を摘出し、顕微鏡的に腎原器(後腎)を胎仔より摘出し、その後腎をASCsを立ち上げている雄性ラットの傍大動脈領域に移植する。ラットは2群(ASCs群、コントロール群)に分け、ASCs群は後腎移植時及び1週間後に計2回ADMSCs1×106個/PBS 1mLをラットの尾静脈より投与し、コントロール群は同様に1週間おきに計2回PBS1mLをそれぞれ尾静脈より静脈投与を施行する。後腎移殖後2週間でと殺し、レシピエントラット内で発育した後腎の発育具合を評価する。後腎の発育は、発育重量(g)、組織(HE、Masson等)で評価する。
ガスの反応性と拡散性の制脚による半導体ガスセンサのインテリジェント化

1.ガス検出特性に及ぼす被検ガスの反応と拡散性の影響無担持または貴金属を担持したSnO_2を用いて,厚さ250300mumの厚膜型センサ素子を作製し,それらの素子の表面と内部の水素ガス感度を測定した。無担持SnO_2素子は表面より内部が著しく高いガス感度を示したが,PtやPdを担持した素子は内部よりも表面の方が高いガス感度を示した。これらの結果から,センサ材料の水素酸化活性が低い場合には,水素が酸素に比べて素子内部へ拡散しやすいために内部のガス感度は表面よりも高くなるが,センサ材料の酸化活性が高すぎると,水素が表面から内部へと拡散する過程で燃焼消費されるために内部のガス感度が低くなることがわかった。すなわち,ガスの反応性と拡散性がガス検出特性を支配する重要な因子であることを明らかにした。2.多層積層型センサの設計ゾル-ゲルスピンコーティング法で,厚さ0.4mumの内部電極型SnO_2薄膜センサ素子と,その上部に厚さ0.4mumのSiO_2薄膜を積層化したセンサ素子を作製し,各種被検ガスに対するガス検出特性を比較検討した。積層化により水素ガス感度は著しく増加したが,メタンガス感度はやや増加した程度であり,エタノールガス感度は大きく低下することがわかった。これは,被検ガスの種類によって,酸素ガスとの間に生じる拡散性の差が異なるためと考えられる。したがって,SiO_2薄膜の積層化によるガスの拡散性の制御により,水素ガス感度の大幅な向上と選択性の賦与を実現できた。今後,このSiO_2薄膜層上部に酸化活性の異なるSnO_2薄膜を積層化し,ガスの反応性と拡散性を同時にかつ厳密に制御することにより,半導体ガスセンサのインテリジェント化が図れると期待される。
アレフ数2以上の無限基数上の組合せ論と巨大基数公理

ω_2以上の無限基数上の組合せ論やその強制公理との関連について研究し、次の成果を得た。P_κλ上の閉非有界推測列の存在と反映原理の関連などについて昨年度ケーニヒ(トロント大)、ラーソン(マイアミ大)ともに執筆した論文について、レフェリーとのやりとりを通して、特にκがω_2以上の場合のP_κλ上の閉非有界推測列については、我々が用いたウッディン型の閉非有界性の定義のかわりに、イエック型の閉非有界性の定義を用いると、その基数不変量を用いた特徴付けなど我々が論文で示した命題が概ねすべて成立するほか、κ鎖条件をみたす半順序集合による強制法に対する保存性などいくつかの点でよりすぐれているとの結論に達した。(2)強制公理と反映原理2008年1月にドイツの0berwolfachで開かれた公理的集合論の研究集会において、アスペロ(バルセロナ大)、クルーガ(カリフォルニア大バークレー校)らとともに、強制公理の一種である固有強制法公理と、反映原理の非常に強い否定が両立することを示した。ω_2に対する反映原理の単純な否定と固有強制法公理との両立はブドワンらによって以前から示されていたが、上記の結果はこれを大幅に改良するものである。(3)位相空間のコンパクト化に関わる基数不変量一昨年度、昨年度に引き続き、可分な距離化可能空間Xのストーンチェックコンパクト化を生成するのに必要なスミルノフコンパクト化の最小濃度sa(X)を基数不変量の観点から調べる研究を嘉田(大阪府立大学)、友安(都城高専)らと行った。その結果、κがアレフω以下の無限基数でdとcの間にあるときは、つねにsa(X)=κとなる可分距離化可能空間Xが存在することがわかった。(1)ω_2閉および類似の性質をもつ半順序集合による強制法の効果このテーマについては従前よりケーニヒ(パリ第7大学)と共同で研究しており、補助の開始とほぼ前後して、ω_2閉な半順序集合による強制法で、強制公理の一種であるマーティンの極大公理を壊すことができることを明らかにした。ω_2閉より強いω_2有向的閉な半順序集合による強制法では同公理を保存すること、またω_2閉な半順序集合による強制法は上記極大公理より弱いω被覆的定常性保存半順序集合に対するマーティンの公理を保存することがすでに知られており、上の結果はこれらと好対照をなす。またこの結果で本質的な役割を果たす難波強制法の変種としてω被覆的でないが共終数の不可算性を保存する強制法の存在が示せることをラーソン(マイアミ大)との研究交流を通して明らかにした。これにより上の二つの強制公理の間の公理についてさらに詳しく調べられること期待できる。上述のケーニヒはPω_1ω_2上の閉非有界推測列の存在を仮定すると、Pω_1ω_2における反映原理が強い形の反映原理を導くという結果を得ていた。これはフォアマンらの提起した問題に部分的に肯定的な解答を与えている。8月にケーニヒを日本に招いて共同研究を行い、より弱い閉非有界末尾推測列の存在からも同様の帰結が従うこと、またこの末尾推測列の存在は、ωからそれ自身への写像のクラスの支配族の最小濃度がω_2であることに同値であることを明らかにした。(3)位相空間のコンパクト化に関わる基数不変量アレフ数2以上の組合せ論を連続濃度との関連から考察する目的で、このテーマについても従前より嘉田(大阪府立大学)、友安(都城高専)と共同で研究しており、ストーンチェックコンパクト化のスミルノフコンパクト化による近似理論には、コンパクト集合族の共終型が本質的な役割を果たすことなど彼らとの交流を通して理解した。(1)Pκλ構造上の閉非有界推測列昨年度に引き続き、ケーニヒ(トロント大)、ラーソン(マイアミ大)らとこのテーマについて研究を行い、Pω_1ω_2上の閉非有界推測列の存在が、ある写像族の支配族の概念を用いて特徴付けられる、という昨年度の成果を拡張して、一般の非可算正則基数κについてのPκ^+上の閉非有界推測列の存在について同様の特徴付けを与えた。また、Pω_1ω_2上の閉非有界推測列の存在のもとでは、Pω_1ω_2上の弱い反映原理と強い反映原理の同値となるという昨年度の成果を拡張して、3以上の任意の自然数nについても、Pω_1ω_2上の閉非有界推測列の存在と連続体仮説のもとで、Pω_1ω_2上の弱い反映原理と強い反映原理が同値となることを示した。これらの成果については、京都大学数理解析研究所研究集会「実数の集合論と反復強制法の相互関係」(平成18年10月)とその報告集において速報的に紹介したほか、上述の2名と共同で論文「Guessing clubs in the generalized club filter」を(昨年度にケーニヒと共同執筆した「Guessing clubs of countable sets」の改訂版として執筆し、現在論文誌に投稿中である。(2)位相空間のコンパクト化に関わる基数不変量昨年度に引き続き、特に可分な距離化可視空間Xのストーンチェックコンパクト化を生成するのに必要なスミルノフコンパクト化の最小濃度sa(X)を基数不変量の観点から調べる研究を嘉田(大阪府立大学)、友安(都城高専)と共同で行った。従前の研究で、sa(X)は1でなければ支配数d以上連続濃度

c以下となり、sa(X)=dあるいはsa(X)=cとなるような空間Xの例も得られていたが、本年度の研究によってsa(X)=dあるいはsa(X)=cとなるような空間Xの例も得られていたが、本年度の研究によってsa(X)がdとcの中間の濃度をもつような空間Xの存在も集合論の標準的な公理系ZFCと相対的に矛盾であることがわかった。現在、sa(X)の可能な値について引き続き調べている。ω_2以上の無限基数上の組合せ論やその強制公理との関連について研究し、次の成果を得た。P_κλ上の閉非有界推測列の存在と反映原理の関連などについて昨年度ケーニヒ(トロント大)、ラーソン(マイアミ大)ともに執筆した論文について、レフェリーとのやりとりを通して、特にκがω_2以上の場合のP_κλ上の閉非有界推測列については、我々が用いたウッディン型の閉非有界性の定義のかわりに、イエック型の閉非有界性の定義を用いると、その基数不変量を用いた特徴付けなど我々が論文で示した命題が概ねすべて成立するほか、κ鎖条件をみたす半順序集合による強制法に対する保存性などいくつかの点でよりすぐれているとの結論に達した。(2)強制公理と反映原理2008年1月にドイツの0berwolfachで開かれた公理的集合論の研究集会において、アスペロ(バルセロナ大)、クルーガ(カリフォルニア大バークレー校)らとともに、強制公理の一種である固有強制法公理と、反映原理の非常に強い否定が両立することを示した。ω_2に対する反映原理の単純な否定と固有強制法公理との両立はブドワンらによって以前から示されていたが、上記の結果はこれを大幅に改良するものである。(3)位相空間のコンパクト化に関わる基数不変量一昨年度、昨年度に引き続き、可分な距離化可能空間Xのストーンチェックコンパクト化を生成するのに必要なスミルノフコンパクト化の最小濃度sa(X)を基数不変量の観点から調べる研究を嘉田(大阪府立大学)、友安(都城高専)らと行った。その結果、κがアレフω以下の無限基数でdとcの間にあるときは、つねにsa(X)=κとなる可分距離化可能空間Xが存在することがわかった。
磁気変調型磁気ギアードモータ・ジェネレータの開発

本研究は,磁気変調型磁気ギアとモータ/発電機を融合した,磁気ギアードモータ・ジェネレータの開発を目的として,解析および実験の両面から種々の検討を行った。まず,アキシャルギャップ型とラジアルギャップ型の比較では,磁気ギアードモータの場合には偏平構造であってもラジアルギャップ型の方が性能が良いことが明らかになった。これは本来デットスペースとなるギア内側の空間に,モータを配置することができ,空間利用率が向上したためである。次いで,ラジアルギャップ型磁気ギアードモータの試作試験を行った。その結果,試作した磁気ギアードモータのトルクは要求トルクを上回ることが実証された。H26年度においては,まず始めに磁気ギアードモータに適した構成を明らかにするために,アキシャルギャップ型の永久磁石モータと磁気ギアを組み合わせた構成と,ラジアルギャップ型の永久磁石モータと磁気ギアを組み合わせた構成について,有限要素法による磁場解析を用いて,両モータの特性比較を行った。その結果,ラジアルギャップ型の方がアキシャルギャップ型よりも約30%大きなトルクが得られることが明らかになった。これはアキシャルギャップ型の場合,モータとギアが軸方向に並べて配置する必要があるため,互いの占有スペースを取り合う形になるのに対して,ラジアルギャップ型の場合は,モータ回転子の内側にある未使用スペース(デットスペース)にギアを入れ込むことができ,空間利用率が向上したためである。次いで,ラジアルギャップ型に考察対象を絞り,試作に向けた解析・設計を行った。磁気ギアードモータは,一般的なモータよりも構成要素が多いため,設計パラメータが多い。そこで,有限要素法を用いて,固定子鉄心,磁石ロータ,ポールピースの形状・寸法を種々変化させた時のトルクについて比較検討を行うことで,最適な形状・寸法の探索を行った。その結果,目標トルクを上回り,かつ効率も最大で80%以上が期待できる磁気ギアードモータを設計することができた。設計した磁気ギアードモータは,業者に試作を依頼し,無事に納品されたことから,来年度は実機を用いて実証実験を行う予定である。H27年度においては,まず昨年度試作したラジアルギャップ型の磁気ギアードモータについて,汎用の3相正弦波インバータ回路を用いて駆動したところ,設計通りのギア比で動作することが確認された。一方で,負荷を徐々に増やしていくと磁気ギアードモータが異常停止してしまうことも明らかになった。この原因について種々調べたところ,磁極付近に設置したホールセンサが漏れ磁束の影響を受けて,正常な位置信号を得られなくなっていたことが判明した。そこで,位置センサを磁気式のホールセンサから光学式のセンサに交換したところ,異常停止の問題は解決された。次いで,ラジアルギャップ型磁気ギアードモータの実負荷試験を行った。その結果,目標トルクである5.81N・mを電流密度10A/mm^2以下で達成できることが実証された。この結果は,昨年度,有限要素法(FEM)を用いて設計した結果とも良好に一致し,試作機がほぼ設計通りの性能を発揮できたことが証明された。また,以前に試作したアキシャルギャップ型の磁気ギアードモータの試作機と比較して,約1.6倍のトルク密度を達成することができた。なお,最高効率は70%であった。これはアキシャルギャップ型磁気ギアードモータと比べて約10%高い。ただし,モータとしての効率で見た場合には,未だ改善の余地があると言える。今後の効率改善に向けて損失の分析を行った結果,モータ部とギヤ部では,モータ部の方が効率が悪いことが明らかになると同時に,その原因は銅損に由来することが明らかになった。したがって,今後はモータの銅損を低減する設計が必要不可欠であると言える。当初予定通り,磁気ギアードモータの最適構成に関する基礎検討,並びに磁気ギアードモータの最適設計が終わり,実機の試作も完了したことから,順調に進展していると言える。工学当初予定通り,今後は試作した実機を用いて実証実験を行う予定である。次年度使用額は,今年度の研究を効率的に推進したことに伴い発生した未使用額である。平成27年度請求額と合わせ、平成27年度の研究遂行に使用する予定である。
ケナフ繊維の有効利用を目的とした繊維強化プラスチックの成形とリサイクル方法の提案

アオイ科ハイビスカス属の植物であるケナフから繊維を採取し,その繊維を用いて成形した繊維強化プラスチックの力学的特性を評価し、そのリサイクル方法を検討する目的で研究を行った.まず,繊維の採取方法については、ケナフ原木の靭皮を5mm間隔に切断し、これを80°Cの5wt%水酸化ナトリウム水溶液にて処理して繊維を得た。この際溶液量や攪拌条件を最適化することにより、前年度より高い効率で繊維を得ることに成功した。また、アルコール系の添加剤を加えることにより、ケナフ中の樹脂成分の分解が促進される効果を見出した。前述のように効率的に採取した繊維を用いて繊維強化プラスチックを成形し、曲げ弾性率及び曲げ強度を評価した。低充てん域においては弾性率・強度とも低下し、高充てん域においてはそれらが回復する挙動が観察された。繊維と樹脂の接着性を改善するため、水酸化ナトリウムの代わりに水酸化カルシウムを用いて繊維の採取を行い、その力学的特性を評価した。しかし,大きな改善は見られなかった。成形時の粘度が非常に高いためにある程度以上の高充てんは難しいが、高充てん化が重要であることが明らかになった。本研究でマトリックス樹脂に使用したのは、代表的な熱硬化性樹脂のオルソフタル酸系不飽和ポリエステル樹脂である。この樹脂はアルカリに対する耐久性が高くないことが知られており、アルカリによって処理することにより、繊維強化プラスチックを分解処理する方法について検討した。その結果、高温・高濃度のアルカリ水溶液で処理することにより、繊維及び樹脂が完全に分解することが明らかになり、廃棄物処理という観点からは有望であるが、リサイクルという観点で考えると、さらに詳細な検討が必要であることが明らかになった。アオイ科ハイビスカス属の植物であるケナフから繊維を採取し,その繊維を用いて繊維強化プラスチックを成形し,その力学的特性を評価する目的で研究を行った.まず,ケナフ原木を観察したところ,約1mmの厚さの靭皮と1030mmの直径のコアから構成されていた.コアは多孔質で非常に軽い素材であり,これから繊維を取り出すのは困難かつ非効率的と考えられる.そこで,靭皮のみを採取して繊維長が約5mmになるように裁断し,80°Cの5wt%水酸化ナトリウム水溶液に浸せき処理することにより,繊維を取り出すことを試みた.水溶液が十分過剰な条件下では,約1時間の浸せきで樹脂分は溶解し始め,45時間以上浸せきさせると徐々に繊維も分解することが明らかになった.これらの知見等から,60時間浸せき処理して得た繊維を回収し,中和・洗浄した後,乾燥させてケナフ繊維を得た.これをオルソフタル酸系不飽和ポリエステル樹脂と混合してホットプレスにより加熱・硬化させ,ケナフ繊維強化プラスチックを得た.繊維の充てん量を変化させて,ケナフ繊維強化プラスチックの曲げ弾性率と曲げ強度を測定したところ,充てん量の少ない領域では弾性率と強度の両者とも低下したが,充てん量がある程度大きくなると両者とも回復し,樹脂単体よりも高い値を示すことが明らかになった.充てん量が力学的特性に与える影響について,走査型電子顕微鏡観察により,微視的な観点から破壊機構を検討した.その結果,低充てん量の試験片では応力に対し90方向に配向したケナフ繊維をき裂が選択的に通過しているのに対し,高充てん量の試験片ではこのような経路を通ることができず,繊維の引き抜きおよび繊維破断によって破壊が起きていることが明らかになった.アオイ科ハイビスカス属の植物であるケナフから繊維を採取し,その繊維を用いて成形した繊維強化プラスチックの力学的特性を評価し、そのリサイクル方法を検討する目的で研究を行った.まず,繊維の採取方法については、ケナフ原木の靭皮を5mm間隔に切断し、これを80°Cの5wt%水酸化ナトリウム水溶液にて処理して繊維を得た。
Dブレーンによる量子論的幾何学の研究

超弦理論中のDブレーンを統一的に記述するようなM理論中のMブレーンを考察した。特にM2ブレーンからM5ブレーンを構成することで、Mブレーンでは、通常のリー代数の一般化である3代数と呼ばれる代数が重要であることを示した。Dブレーンで現れる非可換幾何はリー代数と関係しているので、この結果は3代数に基づいた一般化された幾何が存在して、M理論で重要になることを示唆している。古典的な重力理論である一般相対性理論では時空そのものが物質によって変化する。そこで、時空を変化させることができる幾何学が必要になり、リーマン幾何が重要な役割を果たす。しかし、ブラックホールや宇宙初期といった極限的な状況では量子論的な効果が重要になり、『古典的』なリーマン幾何を基礎とする一般相対論が破綻すると考えられる。この量子論的な重力理論では、時空の不確定性を取り入れたリーマン幾何に代わる新しい幾何学が存在し、それを基礎として量子重力理論が構築されることが予想できる。そこで、私は次のような問題を解決することを本研究の大きな目標とする:「リーマン幾何に代わる、量子化された重力理論における「幾何」は何か?」。この問題を考えるにあたり、私が着目するのは超弦理論、特に超弦理論に存在するDブレーン呼ばれる超弦理論に存在する空間的に広がった物体である。このDブレーン上の理論は重力を含まないにも関わらず、Dブレーンを調べることで量子化された重力を理解できることが明らかになりつつある。そこで、本研究では、超弦理論中のDブレーンを調べることによって、量子化された重力に本質的な幾何学を構築する事を目的とする。通常の空間で記述されるように見えるDブレーンが、その構成要素である不安定Dブレーン中のタキオンの凝縮により、非可換空間でも記述される。この理論を使って指数定理、インスタントンのADHM構成などの数学的な概念が不安定Dブレーン系の物理で理解できることが示されているが、この不安定系のDブレーンの枠組みで理解されるべき現在までのところ知られていない数学的な概念が存在することは確かであろうと予想している。特に、この理論が時空の非可換化と関係しているだろうことから、数学的にも完成されていない非可換幾何学を物理的、または超弦理論的に理解し発展させるだろうと期待している。しかし、現在までは、このような方法はコンパクトな空間上のDブレーンに対しては適用できなかった。そこで、私は、トーラスの上の不安定Dブレーンを考え、その厳密なタキオン凝縮解を発見した。これを使って、Nahm変換と呼ばれるフーリエ変換の一般化と考えられる変換が、このタキオン凝縮によって理解できることを示した。この結果は、近日中に発表予定である。また、Pisa大の衛藤氏、理研の橋本氏とともに、超対象理論のSeiberg双対を取ることにより、QCD弦が、古典的なVortex弦として理解できることを示した。さらに、理研の橋本氏、Brown大のTan氏とともに、ホログラフィックQCDでのグルーボールの崩壊について調べた。超弦理論の非摂動的な定式化において、11次元時空をもつM理論が重要な役割を果たすと考えられている。最近、このM理論中のM2ブレーンと呼ばれる膜状の物体を記述する有効理論が提案された。このM2ブレーンの理論は、ある極限においてDブレーン理論となるので、後者の非可換性をM理論の立場で拡張したものになっているはずである。実際、このM2ブレーンの理論は、通常のゲージ理論におけるリー代数ではなく、3代数と呼ばれる代数構造が背後にあると信じられている。リー代数は、二つの元の交換子で決まり、一般に可換でないことから非可換性が出現するが、3代数の場合は、三つの元から一つの元への写像で決まるので、非可換時空の何らかの意味の拡張が存在することが予想される。私は、非可換性が明らかになるようなファジー球面が解として現れるようなDブレーンの配位に対応したM2ブレーンの理論の解を構成した。これにより、M理論における非可換幾何学の対応物を理解することが期待される。また、基礎物理学研究所の八木氏とともに、M2ブレーンの理論のorbifoldを考え、moduli空間が正しく再現されることを示した。さらに、基礎物理学研究所の小川氏とともに、泡時空と呼ばれる時空において粗視化を定義することにより、ファズボール予想を確かめること'に成功した。11次元時空をもつM理論はII型超弦理論の強結合極限として実現されると考えられ、その理解が超弦理論の理解においても非常に重要である。M理論、特に、その拡張された幾何学的な性質を調べるに当たって、最近提案されたM理論中のM2ブレーンと呼ばれる膜状の物体を記述する有効理論が重要である。実際、このM2

ブレーンの理論は、通常のゲージ理論におけるリー代数ではなく、3代数と呼ばれる代数構造が背後にあると信じられている。リー代数は、二つの元の交換子で決まり、一般に可換でないことから非可換性が出現するが、3代数の場合は、三つの元から一つの元への写像で決まるので、非可換時空の何らかの意味の拡張が存在することが予想される。私は、基礎物理学研究所の八木氏とともに、M2ブレーンの有効理論から、M5ブレーンを構成した。この時、背後にある3代数が解の存在を示すのに必要であり、また、3代数のとる値が、M5ブレーン上のフラックスと同定できることを示した。これは、3代数がM5ブレーンの理論においても重要な役割を果たすことを示唆し、非常に興味深い結果であると考えている。超弦理論中のDブレーンは、理論の結合定数を大きくする極限で11次元時空を持つM理論中のM2ブレーン、または、M5ブレーンと同一のものになることがある。逆に、有限の大きさの空間の中のM2ブレーンやM5ブレーンは、Dブレーンと同じものになる。しかも、M理論では超弦理論やDブレーンの様々な性質が統一的に記述されることが期待されている。M理論、特に、その拡張された幾何学的な性質を調べるに当たって、最近提案されたM理論中のM2ブレーンと呼ばれる膜状の物体を記述する有効理論が重要である。このM2ブレーンの理論は、ある極限においてDブレーン理論となるので、後者の非可換性をM理論の立場で拡張したものになっているはずである。実際、このM2ブレーンの理論は、通常のゲージ理論におけるリー代数ではなく、三つの元から一つの元への写像で決まる3代数と呼ばれる代数構造が背後にあると信じられている。私は、八木氏とともに、M2ブレーンの有効理論から、M5ブレーン解を構成し、その解のまわりで場を展開することでM5ブレーン上の有効理論を得た。その有効理論は結合定数が空間的に変化するD4ブレーンの形をとる。これはD4ブレーン上の理論を非摂動的に扱えばM5ブレーンを記述できる事を示唆し、非常に興味深い結果であると考えている。また、畔柳氏、小川氏とともに、3次元AdS空間が臨界ブラックホールのゼロエントロピー極限で現れることを示した。これは、臨界ブラックホールにおける重力の量子論を考えるうえで重要である。
ナノ構造制御によるグラフェンの高機能化デザイン

異種原子をドープしたグラフェンへの不純物分子の吸着・反応性について調べ、電子状態の制御や新たな物性発現、またデバイス応用へ提案することを目的として研究を展開した。水素分子などの分子は、窒素ドープグラフェン上で解離吸着することから、ガスセンサーや水素貯蔵といったデバイス材料として有用であること、また、ホウ素ドープグラフェンでは窒素酸化物ガスが吸着することから、環境汚染型ガスセンサーとして有用であることが明らかになった。グラファイト一原子層であるグラフェンは、電気的キャリアの移動度が極めて高いことから、電子デバイスへの応用が期待されている。本研究では、第一原理電子構造計算を用いて、不純物ドープ及び吸着によるグラフェンの電子構造の変化を調べた。まず初めに、グラフェン中の窒素欠陥への水素分子吸着に関して調べた。その結果、窒素置換型欠陥サイトでは、水素分子の解離吸着はエネルギー的に起こりにくいことが分かった。一方、窒素・原子空孔複合欠陥サイト近くで吸着した水素分子は、2つの水素原子に解離し、欠陥中の異なった窒素原子サイトに吸着することが分かった。また、水素吸着前後の電子状態について調べた。その結果、吸着前に存在した窒素・原子空孔複合欠陥由来のアクセプター状態が消失し、フェルミエネルギー近傍にドナー状態が出現することを明らかになった。また、アンモニアと水分子の吸着に関しても同様な計算を行った。その結果、アンモニア分子では、NH2と水素原子に、水分子では、OHと水素原子にそれぞれ解離し、欠陥中の異なった窒素原子サイトにそれぞれ吸着することが分かった。このように、窒素・原子空孔欠陥サイトには、水素分子、アンモニア、及び水分子がエネルギー的に吸着しやすいことが分かった。また、水素分子が吸着することで、グラフェンの電子特性が大きく変化し、ガスセンサーや水素貯蔵などのデバイス材料としての可能性を示唆する結果を得た。さらに、それぞれの吸着分子が、解離吸着することから、グラフェン中の窒素・空孔複合欠陥サイトは、反応活性サイトとして働くことが分かった。炭素の単原子層から構成されるグラフェンは、高いキャリア移動度など様々な特異な電子物性を有することから、次世代の電子デバイス材料候補として注目されている。一方、二層グラフェンにおいては、層間の相互作用により、単層グラフェンとは異なった新たな物性の出現の可能性が期待されている。本年度では、密度汎関数理論に基づいた第一原理電子構造計算手法を用いて、不純物を二層グラフェンへドープした場合でのエネルギー的安定性や電子特性を調べた。ホウ素をドープした場合には、エネルギー的安定性が置換サイトにほとんど依存していないことが分かった。一方、窒素ドープに関しては、安定性が置換サイトに依存する。すなわち、ドープされた窒素原子が、ドープされていないグラフェン層の炭素原子上で置換されるよりも、六員環の中心上で置換される方が、エネルギー的に低いことが分かった。さらに、ホウ素原子・窒素原子ともに、単層グラフェンへドープするよりも、二層グラフェンへドープした方が、エネルギー的利得が大きいことも分かった。電子特性に関しては、ホウ素をドープした場合、p型キャリア(正孔)が誘発され、窒素ドープでは、n型(電子)キャリアが誘発される。これらのキャリアは、ドープされたグラフェン層のみならず、ドープされていない層にも誘発されることが分かった。また、ホウ素がドープされると、ドープされる前と比較して、仕事関数が増加する。一方、窒素がドープされた場合では、仕事関数が減少することが分かった。本年度では、二層系グラフェンへの不純物ドープでの安定性と電子構造を調べた。その結果、ドーピングのサイトの安定性や電気的キャリアは、ドーパントの種類によって異なることを明らかにした。このように、二層系グラフェンにおいても、ドーピングによって機能化されることを明らかにした。そのため、概ね順調に進展しているものと考える。炭素原子から構成される単原子層であるグラフェンは、電荷の移動度が極めて高いことから、次世代の電子デバイスの基盤材料候補として注目されている。前年度においては、二層グラフェンへのドーピングに関する研究を展開した。本年度では、前年度において研究を行ったドープされた二層グラフェンへの二酸化窒素など環境汚染ガス吸着による影響に関する研究を行った。その結果、ホウ素ドープ型二層グラフェンに関して、一酸化炭素や二酸化炭素分子は、比較的弱くではあるが吸着し、吸着後の分子とグラフェン層との距離は長い。一方、一酸化窒素や二酸化窒素分子は比較的強い吸着性を示し、また、吸着分子とグラフェン間の距離が比較的短いことが分かった。そのため、一酸化窒素や二酸化窒素分子が、ホウ素ドープされた二層グラフェンに吸着すると、電荷の移動が起こる。さらに、吸着する分子の種類によって、電荷の移動に違いが見られることも明らかになった。すなわち、一酸化窒素分子の吸着では、一酸化窒素分子からグラフェン層へと電子が移動するが、一方、二酸化窒素分子の吸着では、グラフェン層から二酸化窒素分子へと電子が移動することが分かった。また、電荷の移動する方向に依存して、仕事関数が変化することが明らかになった。すなわち、一酸化窒素分子が吸着した場合では、仕事関数が減少するが、二酸化窒素分子が吸着すると、仕事関数が増加する。このため、ホウ素ドープされた二層グラフェンは、一酸化窒素及び二酸化窒素分子を検知するために有用な材料であることが期待される。

本研究では、グラフェンに不純物などの欠陥を導入することにより、電子デバイスへと応用できる機能性材料の探索を行っている。本年度では、二層系グラフェンへの環境汚染型ガス吸着に関する吸着エネルギーや電子構造を調べた。その結果、ドープされたグラフェンが機能化され、環境汚染ガスが検知できる可能性があることを見出した。そのため、順調に進展しているものと考えられる。本年度においては、ドープされた単層グラフェンへの大気雰囲気中における窒素酸化物分子などの環境汚染型ガスの吸着に関する研究を展開した。窒素ドープ型グラフェンには、一酸化、二酸化などの炭素酸化物分子や窒素酸化物分子、また、大気中に豊富にある酸素分子や窒素分子は、比較的弱く吸着する。その時の吸着分子とグラフェン間の結合距離は長い。一方、ホウ素ドープされたグラフェンでは、一酸化窒素と二酸化窒素分子のみが比較的強い吸着することが分かった。これらの吸着分子とグラフェン間の距離は、比較的短いことも分かった。さらに、ホウ素ドープグラフェンでは、ホウ素欠陥上で吸着しやすいが、窒素ドープグラフェンでは、窒素欠陥上よりもその周りの炭素と吸着しやすい。次に、ホウ素ドープ型グラフェン上での吸着分子の電子構造を調べるため、走査型トンネル電子顕微鏡(STM)像を求めた。分子が吸着する前では、ホウ素周りで三角形の形をしたSTM像がみられる。一酸化窒素分子が吸着すると、2つのリング状のSTM像が現れる。二酸化窒素分子が吸着した場合では、2つの凸状のSTM像が見られることが分かった。このように、吸着分子の種類によって、STM像の形状に違いが見られることが分かった。また、エネルギーバンド図では、フェルミエネルギー近傍で、吸着分子由来の軌道が見られる。このことから、これらの軌道がSTM像の構成に寄与しているものと考えられる。そのため、STMを用いることで、グラフェン表面に吸着分子の種類のみならず、原子構造や電子状態を詳細に観測できるものと期待される。異種原子をドープしたグラフェンへの不純物分子の吸着・反応性について調べ、電子状態の制御や新たな物性発現、またデバイス応用へ提案することを目的として研究を展開した。水素分子などの分子は、窒素ドープグラフェン上で解離吸着することから、ガスセンサーや水素貯蔵といったデバイス材料として有用であること、また、ホウ素ドープグラフェンでは窒素酸化物ガスが吸着することから、環境汚染型ガスセンサーとして有用であることが明らかになった。本研究の目的は、グラフェンに不純物や空孔などの欠陥を導入することにより、機能性材料としての応用の可能性を探索することにある。本年度では、グラフェン中の様々な種類の窒素欠陥構造と水素分子等の不純物との吸着エネルギーや電子構造を調べ、グラフェンの高機能化への可能性の一例を見出した。そのため、当初の目的通り、順調に進展しているものと考えられる。今後においても、グラフェン内の不純物や欠陥を導入し、それらの安定性や電子特性を調べ、グラフェンの機能性材料としての可能性を探索する。特に、多層系シートの層間の相互作用に着目して研究を推進する。
飼料・バイオマス開発を考慮した中山間地の地域資源管理・土地利用モデルの構築

土地利用型畜産と林野的土地利用の基本仕様を把握する目的で,放牧,自給飼料栽培による畜産経営,平地林の管理実態を調査分析した。土地利用型畜産については,山口型放牧と宮崎県T町の耕畜複合経営の飼料給与・営農実態などを調査し,自給飼料・野草の使用量および農地利用面積を推計した。その結果,0.40.6ha/頭の放牧を導入した畜産経営が可能であること,輸入飼料依存率が50%を超える農家の農地利用面積は0.2ha以下/頭になることなどを明らかにした。林地利用については,過去の利用履歴を調査し,定常伐採による森林バイオマス開発ポテンシャルを推計するとともに,利用履歴を考慮して林地分類を行い,分類別材積調査に基づき地域の現存森林バイオマス量を見積もった。さらに,地域状況(土地・水利条件など)に応じて異なる地域資源(バイオマス,再生可能エネルギー)の供給可能量と需要のバランスを比較することで,地域の資源生産・利用計画を検討することができる資源需給最適化プログラムの基本手順とモデル開発を行なった。プログラムの入力には,GISソフトウェアを使用して微小なポリゴンごとに作成した資源と需要の分布を任意サイズのラスタデータとして出力したデータ(行列メッシュ形式)を用いることとし,プログラムは(1)地域資源分布と需要分布を格子状メッシュ内の分布量として表す、(2)各格子内で資源・需要バランスを最適化するための単位格子位置・大きさを計算・出力できるものとして開発した(検索型最適化プログラム)。今後,本研究で採用した手法・手順を発展的に適用して放牧,林地的利用,再生可能資源生産に関して「制約・条件分布(土地条件など)」,「制約・条件別生産手段(土地利用)」と「手段別単位資源生産量」を確定することができれば,GISと連携した検索型最適プログラムにより,最適土地利用を具体的に検討することが可能といえる。農地の草地利用(飼料生産・放牧)/エネルギー作物栽培/林地的利用のための,基礎的土地利用条件(地形的制約,水文上の制約,生産システム上の制限,投入資源・財の内容と量,労力など)に関する資料を収集し,1次的な整理・整備を行なった。エネルギー収支,枯渇性資源消費,環境負荷排出を指標とする土地利用評価の枠組みおよび分析・評価用GISツールの整備に関する課題については,第一に評価に必要となるエネルギー資源調達に関わる環境影響量関連の基礎情報を収集するとともに,独自に輸入飼料の生産輸送プロセスにおけるライフサイクルエネルギー消費等の試算を行い,主要輸入飼料に関する1次試算結果を予察的なデータ・ベースとして整備した。第二に,対象データを「制約・条件分布」と「制約・条件別生産手段」のラスタデータとし,メッシュサイズを変化させることで土地利用を最適化するGIS連携・検索型最適プログラムの基本フレームを検討した。さらに,耕作放棄と農地の放牧利用が進む山口県の中山間地域を例に,放牧利用が盛んな地域が有する特徴を,耕地面積の推移,土地条件,人口構造,農業構造などとの関連から分析した。その結果,放牧が盛んな地域には山間地域が多く含まれること,農地の放牧利用が耕地の放牧地への転換によるものではない可能性が高いこと,今後農業就業者の減少にともない放牧地を含む耕地の減少が予測されることなどを示し,管理労働力不足を前提にした,中山間地域の新たな地域資源管理の枠組み提示の必要性を明らかにした。