hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
生物学・医学系における、遠隔教育を見据えた数学・統計学教育のあり方の追究

1.和歌山県立医科、北里の2大学に出向き数学・統計学教育の内容・方法・制度について面談調査を行い、山梨・島根の2大学にはメール・ネットによる調査を行った。分析結果は前年度調査分とあわせて23年度の福井大学医学部研究雑誌に報告するが、要約すると専任教員数が単数か複数により数学分野のウェイトが変わらざるを得ないこと、線形代数分野の選択科目化など内容の選別と必修枠の削減がすすんでいること、統計教育では概論的基礎的なものと、より実践を重視するものの両方向があって、その教育方法・環境は多様であることなどがあげられる。これらの調査を通して共通教育方式をとらない医系学部での数学教育担当者間相互の情報交換が行われたことの意義は大きかった。2.生物学・医系学部での自然科学の言語・方法論としての数学・統計学教育は、数物系での定義定理・証明・例という枠組による構築ではなくて、教材の可視化・シミュレーションを用いた説明・分野に適した例題の3つを基にすることが重要である。前2者についてMathematica他を用いて、21年度に作成したプログラムの改良に加え、フーリエ変換とスペクトル解析・CTへの応用やアフィン変換とフラクタル図形、正規確率紙の作り方等を解説する画像化あるいはアニメーションのプログラムを作成し、さらに確率分布や統計的推測の理論的基礎を説明する、モンテカルロ法に基づくシミュレーションプログラム(確率変数の独立性の検証,正規分布の再生性、適合度検定におけるカイ2乗近似など無作為抽出標本の分布と理論分布の適合性の検証他)を作成した。後者については医学関連の文献や記事、Rにおけるパッケージ等から、統計学教育で使用する素材データを収集し、また数理生物学他の分野からその本質を損なわずにかつ単純化できるような数理モデルの例を追求して、医系学部での教育に適したコンテンツの充実を図った。1.北里、富山、浜松医科の三大学に出向き、数学・統計学教育の内容・方法・制度について面談調査を、また島根他の3大学に関しメールやネットによる調査を行った。その結果を要約すると、各大学の歴史やマンパワーの相違から数学・統計学教育は多様に展開されているが、一方で線形代数分野の選択科目化など内容の選別と必修枠縮減の進行、単位制度の実質化(1単位科目の増加)、板書スタイル授業の重視などの共通の傾向が見られた。収集したシラバス・テキストや教材・統計学習のためのデータ等は今後調査予定の大学の分と併せて、更に分析を継続する。共通教育方式をとらない医系学部での数学教育担当者間で相互に交流・情報交換が行われることが、これまでなかったこともあって、その重要さを各担当者が共に認識できたことは大変に意義のあることであった。2.数学・統計学教材の可視化・シミュレーションの活用に関して、数式処理ソフトウェアを用いて微分積分学分野ではサイクロイド振子の等時性やバネの減衰振動他を、線形代数分野では線形写像や固有ベクトル等を、初等整数論分野ではビリヤードを模すことにより算術の基本定理をそれぞれ解説するアニメーションを作成した。またCTの原理をパソコン上でシミュレートするプログラムを作成し、板書スタイルと手書き入力を含むパソコンによるプレゼンテーションの融合を考えた教材配列を試作している。これらに加え文献整備を進めて、数理生物学や疫学等の分野からその本質を損ねることなくかつ単純化して提示できる数理モデルを追求するなど、医系学部での教育に適したコンテンツの充実を図っている。
バーチャルクラス実現のための知的通信の研究

お互いに離れた場所にいる先生や学生が通信回線を利用して行う遠隔教育システムの実現に関する研究を行った。具体的にはVR(バーチャルリアリテイ)技術を利用し、通信回線で接続された仮想空間に仮想教室(バーチャルクラスという)を構築して、この中に先生や学生がアバターという形態で参集して、3Dコンテンツを利用した授業を行ったり、3Dコンテンツの操作などによる共同実験を行うことが出来るシステムを実現した。得られた知見は以下の通りである。1.インターネットで接続して3Dコンテンツなどの導入や操作を自由自在に行うことができる仮想教室システムを構築した。2.インターネットという細い回線でも3Dコンテンツの操作を通信回線で接続された地点から自由に行うことが出来る知的符号化技術を開発した。3.3Dオブジェクトを容易に入力できる3Dオブジェクト入力技術を開発した。オブジェクトを正面や側面など種々の角度から2D画像を撮影しておき、観察者の視点に応じた画像を表示することで3D画像を種々の視点から見ているのと同じ感覚を与えることができる技術を開発した。4.アバターの顔に実在の人間の顔を貼り付け、臨場感のある会議環境を構築した。5.先生や学生の動きをアバターの動きに反映するためのモーションキャップチャーやアバターの動きに反映する技術を開発した。お互い遠隔地に居る教師に学生が、通信回線を経由して、仮想空間に参集して、講義を行ったり、共同実験を行う事を可能とするバーチャルクラス(仮想教室)を実現する為の基礎技術の研究を行った。1.仮想空間と共働環境の構築技術コンピュータによりスクリーンの前方に仮想空間を構築し、その空間に仮想物体を配置し、マウスで操作する。任意の視点から物体を見ることが出来る。2体のアバタ-を仮想空間に配置し、外部のデータで姿勢を制御することが出来るプラットホームを構築した。この仮想空間に任意の地点から通信回線によりアクセスして、中に入ったり、仮想物体やアバタ-の制御を行うことが出来る。2.物体の認識技術やモデル化技術を、教師や学生の顔画像を対象に、顔の方向計測、顔のテクスチャマッピングの研究を行った。顔の方向計測については、顔のテンプレートを16個用意して、入力された顔画像との照合を行う、テンプレートとの距離を計測して、補間照合により顔方向を推定する方法を考案し、シュミレーション実験によりその妥当性を検証した。計測された方向に3次元顔モデルを回転させ、入力された顔のテスクチャをはり付け出力する。このシュミレーション実験によりその妥当性を検証した。3.高速処理技術HyperClassにおける3次元画像処理および画像認識によるアバタ-動作制御の高速化を目的に、Cube-Connected Cycle構造の高並列プロセッサをモデルとして、並列計算処理性能の向上が可能な冗長構成法を提案した。4.共動作業が可能なCSCW技術ネットワークで接続された複数の人間が、対象物に同時にアクセスして共動作業を行うモデルを提案した。具体例として、四角の板の上に1個の球を乗せて操作する「玉ころがし」を取り上げ、その実現法を検証した。四角い板の4点をそれぞれ独立に操作する条件でサーバークライアントモデルを提案した。早稲田大学が開発した仮想教室システムに以下の改良を行った。人間がデータグローブや磁気センサを装着し、アバターの手を制御する機能を組込んだ.これによりこれまでマウスやキーボードでしか仮想物体の操作ができなかったのに,手振りで操作することを可能とした.さらに東京芸大が所蔵する芸術品・工芸品等を3Dスキャナで計測してこれを1)伸フレームモデルとして,システムに取込んだ.これをシステムに表示することで芸術作品の鑑賞ができるようになった.技術的には自律分散システムとしてモデル化し,手振りや仮想物体の動き,視線の動きを環境としてとらえ,これに自律的に反応するシステムを構築した.このような外部刺激に対しては,即応ルールを定義し,推論なしに即時に反応するメカニズムを考案した.システム性能の検討を行い,知的符号化を行うことでリアルタイムに操作する系を構築した.具体的なセッション確立後インターネットを流れるパケットは1秒間に13パケットでパケット長は100200バイトにおさまることを確認し,知的符号化の有効性を確認した.お互いに離れた場所にいる先生や学生が通信回線を利用して行う遠隔教育システムの実現に関する研究を行った。

具体的にはVR(バーチャルリアリティ)技術を利用し、通信回線で接続された仮想空間に仮想教室(バーチャルクラスという)を構築して、この中に先生や学生がアバターという形態で参集して、3Dコンテンツを利用した授業を行ったり、3Dコンテンツの操作などによる共同実験を行うことが出来るシステムを実現した。得られた知見は以下の通りである。1.3Dコンテンツなどの画像情報を効率的に通信することが出来る知的符号化の技術の実現。これを実現するため仮想教室や教材などの3Dコンテンツをあらかじめ対地に送信しておき、授業中には3Dコンテンツの操作などの制御情報のみを通信することで、インターネット上で実時間で授業や共同実験などを行うことを実現した。3Dコンテンツの量は約5Mバイトに対して、制御情報を約400バイトに符号化することで実時間処理を実現。2.先生や学生の動きをアバターの動きに反映するためのモーションキャップチヤーとアバターの動きに反映する技術。3.3Dコンテンツを効率的に取得できる画像入力と再構成技術。小型のオブジェクトについては、サイバーウエアで入力し、大型のオブジェクトはオブジェクトを正面や側面など種々の角度から2D画像を撮影しておき、観察者の視点に応じた画像を表示することで3D画像を種々の視点から見ているのと同じ感覚を与えることができる技術。4.これらの要素技術を統合してバーチャルクラスに実現する技術などを実現した。
糖尿病性足病変予防のためのバブ足浴の有用性に関するランダム比較対照試験

糖尿病性足病変を予防するケアを開発するため、糖尿病患者30名や糖尿病性腎症患者10名を対象に、ランダムに2群(バブ足浴3ヶ月実施の介入群と、湯のみの足浴実施のコントロール群)に分け実施した。2次元レーザー血流計等を用いて評価した結果、足部の皮膚血流量増加はバブ足浴群の方が有意差を示した。足の冷感の軽減、皮膚症状の軽減、継続意志など主観的効果は、両群ともに有意な差はみられなかった。目的:本年度は、ランダム比較対照試験に向けての準備として、1.2次元レーザー血流計による足部全体の皮膚微小循環改善効果を検証するために、全対象者にバブ足浴、人工炭酸泉装置足浴、湯足浴の3種類実施し、足部全体の皮膚血流量を測定し比較すること、2.全対象者に家でバブ足浴をセルフケアで3ヶ月間継続実施し、その効果を2次元レーザー血流計によって評価する、3.ランダム対照試験の遂行マニュアルを検討作成することであった。研究方法1:1)対象者:糖尿病性腎症や閉塞性動脈硬化症を有する透析患者10名に研究目的、方法および実験途中で研究辞退することも可能であることを書面で説明し、同意書を得られたもの。2)バブ足浴:花王株式会社の協力で、無色、無香料の人工炭酸泉浴剤を製造してもらい、使用。38°Cの6リットル湯とこの炭酸泉浴剤45g投入し、足浴する。3)実施方法:バブ足浴、人工炭酸泉装置足浴、湯足浴の3種類足浴実施し、足浴前後の足部皮膚血流量変化を2次元レーザー血流計で測定比較する。4)分析方法:3種類の足浴方法の違いを明らかにするために各対象者の皮膚血流量変化率をFriedman検定と多重比較を行う。5)結果:Friedman検定の結果、両足部の皮膚血流変化率増加することに有意差が見られた(p<0.001)。そして、多重比較の結果、バブ足浴は人工炭酸泉装置足浴と比べて有意差なかったことから、バブ足浴は人工炭酸泉装置足浴と同等な血流促進効果があると考えた。研究方法2:方法1の対象者にバブ足浴を家で、3ヶ月間、セルフケアで実施してもらい、2次元レーザー血流計で測定した。その結果、バブ足浴継続前と3ヶ月継続後の比較した結果、足部全体の血流量に有意差はなかった。しかし、足部の保温感継続や足底部の皮膚角質化の軽減、ヒビワレやカサツキの消失などの効果は高かった。I目的:糖尿病患者を対象にランダム比較対照試験により2群(バブ足浴群、湯足浴群)に分け3ヶ月間継続実施し、開始前と3ヶ月後の皮膚血流量を促進する効果をレーザー血流計など用いて測定、比較することで検証することである。II研究方法:1.対象者:糖尿病外来に通院する糖尿病患者50名に研究目的、方法および途中で研究辞退することも可能であることを書面で説明し、同意書を得られたもの。2.方法それらの対象者をランダムに3群(バブ足浴群と、湯足浴群)に分け、割り当てられた足浴を3ヶ月間毎日家で継続するよう依頼。3.足浴方法:(1)対象者にバケツ1包、炭酸入浴剤を3ヶ月分、水温計1本、タオル、等を提供する。(2)花王株式会社に依頼し製造された無色、無香料の炭酸入浴剤を使用する。(1)バブ足浴:38°Cお湯6リットルに提供した炭酸入浴剤1包投入、完全に溶解し、15分間足浴実施。(2)湯足浴:38°Cお湯6リットルに15分間足浴実施。4.評価方法:1)足浴開始前、1、2、3ヶ月の外来受診時に(1)2次元レーザー血流計等で足部全体の皮膚血流量、(2)水分計による足背部の水分量、(3)両踵部の皮膚状態をレプリカで測定し、比較。2)継続による足浴による皮膚症状の有無、足浴実施状況、足浴後の主観的効果などを比較調査している。III.現在までの研究結果(進行中):糖尿病患者13名(うち3名途中辞退)。バブ足浴群7名、湯足浴群3名。3ヵ月間実施終了は2名。主観的効果では、全対象者はバブ足浴も湯足浴も、「足がきれいになる」、「足を毎日観察する習慣がついた」「よく眠れる」「便秘が消失する」「水虫の薬を塗布する習慣がついた」など各自が足浴の効果を感じ、継続実施できている。足部全体の皮膚血流量や足背部の水分量、踵部の統計的、経時的な2群間比較は現在、連携研究者とともに分析中である。I目的:糖尿病患者を対象にランダムに2群(パブ足浴群、湯足浴群)に分け3ヶ月間継続実施し、開始前と3ヶ月後の皮膚血流量を促進する効果をレーザー血流計など用いて測定、比較することで検証する。

II方法:1.対象者:糖尿病外来に通院する糖尿病患者に研究目的、方法および途中で研究辞退することも可能であることを書面で説明し、同意書を得られたもの。2.対象者をランダムに2群(パブ足浴群と、湯足浴群)に分け、割り当てられた足浴を3ヶ月間毎日家で継続するよう依頼。3.足浴:(1)対象者にバケツ1包、各足浴剤を3ヶ月分、水温計1本等を提供する。(2)パブ足浴:38°Cお湯6リットルに提供した花王株式会社に依頼し製造された炭酸入浴剤1包投入、完全に溶解し、15分間足浴実施。湯足浴:38°Cお湯6リットルに15分間足浴実施。4.評価:1)足浴開始前、1、2、3ヶ月の外来受診時に(1)2次元レーザー血流計等で足部全体の皮膚血流量、(2)水分計による足背部の水分量、(3)両踵部の皮膚状態をレプリカで測定、比較。2)継続による足浴による皮膚症状の有無、実施状況、主観的効果などを比較調査。III結果・考察:対象者は、糖尿病患者のうちパブ足浴群15名、湯足浴群15名、計30名。1.2次元レーザー血流計による平均皮膚血流量:湯足浴群に比べて、パブ足浴群は、開始前と、1,2,3ヶ月後を比べて対応あるt検定の結果有意に血流量の増加が示された。このことは、炭酸による皮膚微小循環改善効果が見られたと推測された。2.各足浴群の水分量:2種足浴群に関して有意差が示されなかったのは、各足浴直後の測定ではなかったことや靴下などを身に着けることでその水分がふき取られる状況にあるためと考える。3.主観的効果:足の冷感、かさつき、ひび割れ、潤い感の軽減関しては、3ヶ月間通して、パブ足浴群の方が湯足浴群より有効であったのは、炭酸による微小循環改善効果が影響しているように考える。
モンテカルロシミュレーションの効率化に関する研究

モンテカルロシミュレーションは,複雑なシステムの分析手段としてよく使われている.その長所は,解の精度が問題の次元数に依存しないこと,また短所は,精度の良い解を得ようとすると膨大な計算時間を必要とすることである.この短所を少しでも改善するために,分散減少法と総称される種々の手法が従来から提案されているが,それらは変数に対する線形変換を基礎にしている.一方,数値解析の分野では,わが国の専門家によってIMT型,二重指数型などの非線形変換が考案され,数値積分にきわめて有効であることが実証されている.本研究の目的は,これらの非線形変換を応用することによってモンテカルロ法の効率を高める方法を提案し,その効率を種々の実験によって評価することであった.得られた結果の概要はつぎのとおりである.1.非線形変換を用いたモンテカルロ法の分散の漸近的な評価式を導き,どのような場合に非線形変換を用いるのが有利か判定できるようにした.2.いくつかの数値実験により,非線形変換が分散を減少させるのにきわめて有効であることを確認した。特に,問題が特異性を持つ関数の多重積分の形に表現される場合には効果が著しい.3.しかし,被積分関数の変動が激しい場合には,ある程度の効果はあるものの,精度のよい解を得るためにはやはりきわめて多数回の反復計算が必要となる.このような場合には,他のサンプリング技法と組み合わせるなどして,より効率的な方法を開発することが望ましく,それが今後の研究課題である.モンテカルロシミュレーションは,複雑なシステムの分析手段としてよく使われている.その長所は,解の精度が問題の次元数に依存しないこと,また短所は,精度の良い解を得ようとすると膨大な計算時間を必要とすることである.この短所を少しでも改善するために,分散減少法と総称される種々の手法が従来から提案されているが,それらは変数に対する線形変換を基礎にしている.一方,数値解析の分野では,わが国の専門家によってIMT型,二重指数型などの非線形変換が考案され,数値積分にきわめて有効であることが実証されている.本研究の目的は,これらの非線形変換を応用することによってモンテカルロ法の効率を高める方法を提案し,その効率を種々の実験によって評価することであった.得られた結果の概要はつぎのとおりである.1.非線形変換を用いたモンテカルロ法の分散の漸近的な評価式を導き,どのような場合に非線形変換を用いるのが有利か判定できるようにした.2.いくつかの数値実験により,非線形変換が分散を減少させるのにきわめて有効であることを確認した。特に,問題が特異性を持つ関数の多重積分の形に表現される場合には効果が著しい.3.しかし,被積分関数の変動が激しい場合には,ある程度の効果はあるものの,精度のよい解を得るためにはやはりきわめて多数回の反復計算が必要となる.このような場合には,他のサンプリング技法と組み合わせるなどして,より効率的な方法を開発することが望ましく,それが今後の研究課題である.
トランスジェニックマウス前立腺癌モデルにおけるDNAマイクロアレイ解析

1.マウスにおけるβ-microseminoprotein/94-amino acid prostate secretory protein(6-MSP/PSP94)蛋白発現の臓器特異性を検討するために、6-MSP/PSP94に対する2つのポリクローナル抗体を作製した。その結果、マウス実験モデルにおいて、β-MSP/PSP94は前立腺に特異的なターゲッティング物質として利用できることが示唆された。2.トランスジェニックマウス前立腺癌モデルにおける腫瘍組織のフローサイトメトリーおよびマイクロアレイ解析を行った。(1)フローサイトメトリーでは、ほとんどの腫瘍がaneuploidを示し、%S期+%G2M期が23%であり、高い増殖能が示唆された。(2)cDNAマイクロアレイ解析を行った結果、特定の神経内分泌関連遺伝子の発現上昇がみられ、1)神経内分泌関連遺伝子、2)Ca^<2+>代謝、Na、Kチャンネル関連遺伝子および3)細胞増殖・形態形成関連遺伝子の3群に分類された。また、腫瘍の増殖・成長、細胞膜マトリクス・接着分子あるいは腫瘍関連増殖因子のシグナル伝達を制御する遺伝子の発現上昇がみられた。3.β-MSP/PSP94遺伝子を利用した前立腺癌発症トランスジェニックマウスを用いて3次元超音波画像の有用性を検討した。マウスにおける前立腺腫瘍の3次元超音波画像は空間的解像度に優れ、短時間で合併症なく施行でき、マウスを用いた前臨床試験における新しい画像解析法となり得ると思われた。我々はカナダ・ウェスタン・オンタリオ大学Xuan博士との共同研究で、マウスβ-microsemino-protein/prostate secretory protein of 94 amino acids(β-MSP/PSP94)遺伝子のプロモーター/エンハンサー領域とSV-40初期遺伝子(SV-40Tag)を用いて、前立腺癌を発症するトランスジェニックマウスを作製し、さらにSV-40Tagをβ-MSP/PSP94遺伝子のプロモーター/エンハンサー領域のすぐ下流に挿入したノックインマウスを作製した。ノックインマウスモデルではトランスジェニックマウスに較べ、前立腺癌の発生頻度が高く、マウスの週齢が高くなるにつれて、前立腺癌発生率も上昇した。組織学的には、ノックインマウス前立腺癌では高分化から中分化型の腺癌が多くみられ、フローサイトメトリーでdiploid腫瘍が多いのに対して、トランスジェニックマウスでは腺管構造の乏しい低分化腺癌の頻度が高く、そのほとんどはaneuploid腫瘍であった。このように両者の前立腺癌には表現型の差違がみられた。つぎに、ノックインおよびトランスジェニックマウスモデルの前立腺癌組織における遺伝子発現の違いを明らかにするために、cDNAマイクロアレイ解析を行った。両者の前立腺癌には遺伝子発現でも数多くの差違がみられ、トランスジェニックマウス前立腺癌では神経内分泌関連遺伝子の発現が上昇していた。その他の詳細については現在解析中である。トランスジェニックマウス前立腺癌モデルにおける腫瘍組織の遺伝子発現プロファイルを明らかにするために、マイクロアレイ解析を中心とした検討を行い、現在までに以下の結果を得た。(1)組織型の検討では、腺管構造の乏しい低分化腺癌の頻度が高かった。(2)フローサイトメトリーでは、ほとんどの腫瘍がaneuploidを示し、%S期+%G2M期が23%であり、高い増殖能が示唆された。今後、再燃に関わる遺伝子発現の変化を明らかにする予定である。
高度集積化多機能バイオケミカルイメージングチップの創製と組織機能解析への応用

蛍光センサ色素や生体由来の分子識別素子を複数回重ねてマイクロコンタクトプリンティングすることで、一つのチップ上に複数種の極微小オプティカルバイオケミカルセンサを構築すると共に、作製したオプティカルバイオケミカルセンサを用いて化学物質の2次元的な分布の経時変化を画像化することに成功した。まず研究代表者が開発に成功している同一種センサ型のマイクロスケール化学センサアレイを用いてケミカルイメージングの基礎検討を行った。pHセンサアレイはDLC(ダイアモンド様カーボン)で被覆されたガラス上にアミノ基を導入した基板にpH応答性蛍光色素であるFITCをスポット径10μmでマイクロコンタクトプリンティングして作製した。酸素センサアレイは、上述の基板でアミノ基の代わりにSO3基を導入した基板にナフィオンに溶解させたルテニウム錯体を同様にマイクロコンタクトプリンティングして作製した。また多様な倍率での蛍光イメージングを可能にするために、ユニバーサルズーム顕微鏡(5X400X)[本年度設置]に高速共焦点スキャナユニットを装着した測定システムを新たに構築した。次にマイクロコンタクトプリンティングを複数回繰り返すことで一つのチップ上に複数種のバイオケミカルセンサを形成した。本年度はpHセンサと酸素センサ、グルコースセンサと乳酸センサの集積化をそれぞれ行った。前者は40μmピッチで10μm径の酸素センサアレイをマイクロコンタクトプリンティングしたのち、20μmずらしてpHセンサアレイをスタンプして作製した。後者はユーロピウムテトラサイクリンを用いた10μm径の過酸化水素センサアレイをマイクロコンタクトプリンティングにより20μmピッチで作製した後、その上に、グルコースオキシダーゼと乳酸オキシダーゼを交互にスタンプして、架橋剤のグルタルアルデヒド雰囲気下で架橋することで、グルコースセンサと乳酸センサを集積した。各センサの応答の独立性を評価したところ、pHセンサと酸素センサ、グルコースセンサと乳酸センサ、のいずれにおいても極めて近接しているにもかかわらず応答の独立性が確認できた。まずケミカルイメージングの基礎的検討として、本年度は特にイメージングに重点を置いて検討した。イメージングの観点からセンサ応答の迅速性は重要である。そこでまずFITCを用いたpHセンサ、ルテニウム錯体を用いた酸素センサの応答速度を評価した。その結果、pHセンサでは蛍光増加時が4.0秒、同減少時が2.0秒、酸素センサでは蛍光増加時が3.5秒、同減少時が3.0秒と、一般的な動的現象のイメージングには充分適用できることがわかった。次に実際にケミカルイメージングを行った。Y字流路を用いて、pH4.5とpH9.3の緩衝液、酸素を通気した蒸留水と5%亜硫酸ナトリウム水溶液のそれぞれの混合時のpHや酸素濃度の分布状態のダイナミックなイメージングを行った。その結果、蛍光強度変化を指標に、混合状態のケミカルイメージングに成功した。次にpHセンサと酸素センサを交互に配した集積化センサアレイを用いて同様にpHと酸素の同時イメージングを試みたところ、両センサの応答の独立性を確認できた。次に組織切片への応用に向けた基礎実験としてアセチルコリンセンサアレイを作製した。アセチルコリンセンサは当初予定していたpHセンサへの酵素アセチルコリンエステラーゼの積層では迅速な応答が得られなかった。そこで応答の迅速化を目指して酵素を直接FITCで修飾したものをスタンプした。しかしこうして作製したセンサアレイでは酵素の失活により応答はほとんど得られなかった。そごでFITC修飾したアルブミンと酵素を混合したものをスタンプして架橋することにした。その結果、0.002mMのアセチルコリンが検出可能となった。昨年度成果の得られたpHセンサ膜、酸素センサ膜を用いた微小流路におけるケミカルイメージングについて引き続き実験を継続すると共に、酵素センサ膜を用いたバイオケミカルイメージングへの展開を図った。酵素センサとしては組織中の腫瘍細胞検出のためのグルコースセンサ膜及び神経細胞の機能解析に必要なアセチルコリンセンサ膜について作製・評価を行った。グルコースセンサ膜はルテニウム錯体を含むナフィオンをマイクロコンタクトプリントして形成した酸素センサ膜上にグルコース酸化酵素とアルブミンの混合溶液を重ねてスタンプし、グルタルアルデヒド雰囲気下で架橋して形成した。しかしグルコース濃度の相違を蛍光強度の差異として明確にバイオケミカルイメージングすることは出来なかった。直接酵素液を塗布したところ、蛍光変化を見ることが出来たので、酵素の固定化量が充分でないことが原因と考えられた。そこでスタンプの作製方法を検討し、インク保持能の向上を図ることで、グルコースセンサによるグルコース分布のイメージングを行うことに成功した。アセチルコリンセンサ膜はpH応答性蛍光色素のFITCを結合させたアルブミンを酵素アセチルコリンエステラーゼと混合してスタンプしたのち架橋して形成した。しかし架橋後洗浄すると多くが脱離した。FITCがアルブミン表面のアミノ基に結合し、架橋に必要なアミノ基が不足していることが原因と考えられた。そこでFITC標識していないアルブミンをさらに添加して膜を形成したところ洗浄に伴う蛍光強度の低下は見られなくなった。アルブミンの代替としてアミノ基をより高密度で持つポリ-L-リジンでも行ったがほぼ同等の結果であった。これによりアセチルコリンのイメージングが可能となった。今後、開発したバイオケミカルイメージング技術の組織切片への応用を遂行していく。
「修復的正義」の教育的意義と道徳教育への導入可能性に関する研究

【上半期】本年度はまず、昨年度の研究成果を少しずつ発表することから始まった。まず5月に、オランダの教師教育において重視される「リフレクション(省察)」の教育的意義についてまとめた論文が武蔵大学総合研究所紀要に掲載された。また、6月には、昨年に続き参加した修復的正義・実践に関する国際会議(14th World Conference of the International Institute for Restorative Practices)において、研究発表を行った(発表題目は"Learning Community Approach in Japanese Schools"で、東北公益文科大学の竹原幸太講師との共同発表)。また、8月には、リフレクション(省察)についての理解を深めるため、オランダのユトレヒトで開催されたFred Korthagen元ユトレヒト大学教授のワークショップに参加した。こうしたオランダ教師教育から得た知見に関しては、9月に教師教育学会で発表したほか、今後武蔵大学の武田信子教授らとともに本の形にまとめていく予定である。【下半期】まず、昨年度から査読を受けていた論文が『こども環境学研究』に掲載された(「子どもに「声を与える」こども環境としてのコミュニティの役割:イギリス・ハル市における修復的実践を題材に」)。その後、博士論文の骨格として、もうひとつ論文を執筆し、東京大学大学院教育学研究科紀要に投稿し掲載された(「修復理論における「正義」概念:関係性の構築と修復に主眼を置いた教育実践をめぐる議論を手掛かりに」)。最後に、12月には、フルブライト奨学金の博士論文研究プログラムの内定を得た。よって、2012年8月より約1年の間、スタンフォード大学のEamonn Callan教授(教育哲学)のもとで指導を受けながら同研究課題に関する博士論文を完成させ、2013年度内に東京大学大学院教育学研究科より博士号を取得することを目指す。【準備段階】修復的正義の教育的意義を考察するに当たり、この点に関する国際的な議論および修復的正義の思想に基づき開発された修復的実践という教育実践の国際的な動向を整理した。その成果は、研究動向「修復的正義から「修復的実践」へ:「修復的」であることの教育的意義の探求」(研究室紀要36、73-78、2010-05)にまとめた。【主要研究】観察結果は、RJ研究会で発表したうえで、論文「小学校の取り組みから地域コミュニティ再生の運動へ」にまとめ、こども環境学会の学会誌に投稿した(現在再査読中)。さらに、日本で活動する関連分野の実践家と研究者との連携を強めるため、若手研究者を集めて「共生と修復研究会」を立ち上げ、3月に雑誌「共生と修復」を発刊した。その中に、イギリスで観察した学校の様子をまとめた論考、「「修復的であること」という目標が学校にもたらし得るもの」を掲載した。【次年度の研究へ】10月に参加した会議で、欧米および東南アジアの数多くの研究者・実践家とのネットワークを築くことができた。これは、英語で活発に展開されている国際的な議論に参加する機会を得たことを意味する。結果、2011年6月にカナダで開催される第14回国際会議での発表が、書類審査を通過して許可された。
痛みの慢性化における脊髄内アストロサイトの役割に関する研究

ATPを脊髄くも膜下腔内に投与すると、持続時間の短い機械的痛覚過敏が惹起され(20分)、引き続き、投与1530分後にアロディニアが誘導され、その後34週間持続する長期持続性アロディニアが惹起された。本モデルでの脊髄内グリア細胞の活性化の経時変化を検討したところ、ミクログリアは比較的早い時期(誘導移行期)、少し遅れてアストロサイトが活性化された(移行維持期)が、その後、アロディニアは持続しているにも拘わらず、どちらも定常状態に戻りつつあった。さらにミクログリアおよびアストロサイトの活性化阻害薬、および数種のMAPK阻害薬を用いた検討などから、それぞれの活性化状態を示す時期と対応してアロディニアの惹起に関与することを示した。これらは、脊髄内のミクログリアは主に慢性疼痛の誘導に、アストロサイトは慢性疼痛への移行に関与することを示している。また、主にアストロサイトに発現するグリア型グルタミン酸トランスポーターGLT-1は、炎症性疼痛モデルおよび神経因性疼モデルにおいて、その発現量あるいは細胞膜における局在量が減少していた。組込えアデノウイルスを用いて脊髄内にGLT-1遺伝子を導入すると、急性痛に対しては影響を与えないものの、炎症性疼痛や神経因性疼痛の発症をほぼ抑制した。これらの結果は、アストロサイトによるGLT-1を介したグルタミン酸取り込み機構の破綻が、慢性疼痛発症に重要な役割を果たしていることを示す。さらに、このGLT-1局在変化の分子機構を明らかにするため、GLT-1-EGFP融合タンパク質を導入できる組換えアデノウイルスを作成し、培養神経-グリア共培養系を用いてタイムラプス顕微鏡下でアストロサイトでのGLT-1の局在変化を解析した。その結果、グルタミン酸の処置によりGLT-1は1時間以内に細胞内に移行しクラスター状に集積すること、また、GLT-1を介したNa^+流入が必須であることを明らかにした。脊髄内ATP誘発長期持続性アロディニアを慢性疼痛モデルとして、脊髄内ミクログリアおよびアストロサイトの活性化状態の経時変化を検討したところ、ミクログリアは比較的早い時期(ATP投与1日後)に、引き続いてアストロサイト(同13日後)が活性化されることを明らかとした。また、ミクログリア選択的活性化阻害薬ミノサイクリンは、長期持続性アロディニアの誘導(ATPと同時投与)を抑制したが、移行期(1日後)あるいは維持期(7日後)に対しては、何ら効果を示さなかった。一方、アストロサイト選択的阻害薬fluorocitrateは、誘導期だけでなく移行期においても有意な抑制作用を示した。また脊髄内でのERKおよびp38活性化の経時変化を検討したところ、ERKは誘導期移行期をピークとして顕著に、また維持期においても活性化されていたのに対し、p38は顕著なリン酸化は認められなかった。MEK阻害薬U0126は、長期持続性アロディニアの誘導期移行期において抗アロディニア作用を示したが、維持期では何ら影響を及ぼさなかった。これに対し、p38阻害薬SB203580は誘導期においてのみ部分的な抑制作用を示した。また、主にアストロサイトに発現するグリア型グルタミン酸トランスポーターGLT-1の局在変化を解析するために、GLT-1-EGFPフュージョンタンパク質をアストロサイト選択的に遺伝子導入することができる組換えアデノウイルスベクターを作製した。

本ウイルスベクターを培養神経-グリア共培養系に感染させ、タイムラプス蛍光顕微鏡下でその局在変化を観察したところ、グルタミン酸の処置によりGLT-1は1時間以内に細胞内へと移行し、クラスター状に集積することを見出した。また、このGLT-1クラスターは、初期あるいはリサイクリングエンドソームおよびリソソーム中に含まれることを明らかにした。炎症性疼痛モデルおよび神経障害性疼痛モデルラットの脊髄において、グリア型グルタミン酸トランスポーターGLT-1の総発現量および細胞膜画分における発現量の変化をwestcrn blot法により検討した。その結果、炎症性疼痛モデルラットの脊髄内においては、カラゲニン/カオリンの足底皮下注射、3時間後をピークとする一過性のGLT-1総発現量の減少が認められた。また、坐骨神経部分結紮により脊髄内GLT-1の総発現量に変化は認められなかったものの、細胞膜に局在するGLT-1量の二相性の減少が認められた。そこで、組換えアデノウイルスを用いてGLT-1を脊髄実質内に遺伝子導入し、炎症性痛覚過敏および神経障害性疼痛に対する影響を検討した。脊髄実質内にGLT-1遺伝子を導入したところ、急性の圧および熱侵害刺激に対する侵害受容閾値に変化は認められなかった。一方、カラゲニン/カオリン誘発炎症性痛覚過敏は、脊髄内GLT-1遺伝子導入により有意に抑制された。同様に、脊髄内GLT-1遺伝子導入7日後に坐骨神経部分結紮を施したところ、GLT-1遺伝子導入群では、神経障害性疼痛の誘導は認められなかった。しかしながら、坐骨神経部分結紮7日後あるいは14日後に、脊髄内にGLT-1遺伝子を導入し、既に惹起されたアロディニアに対する効果を検討したが、有意な変化は見られず、神経障害性疼痛の維持に対するGLT-1の寄与は小さいと考えられた。また、GLT-1-EGFP融合タンパク質を用いて、GLT-1の細胞内局在変化のメカニズムを検討した。アストロサイトのGLT-1は高濃度のグルタミン酸処置によって細胞内へと移行し、クラスター化することを昨年度までに明らかにしていたが、このメカニズムにはGLT-1を介して基質が取り込まれる際に共輸送されるNa^+イオンの細胞内への蓄積がトリガーとなっていることを明らかとした。
感化教育における障害児問題の展開に関する研究

感化教育における障害児問題の展開の一斑を明らかにするために、以下の3つの研究に取り組んだ。第1に感化院長会議録や建議などを元にした、感化教育における障害児(「低能児」「低格児」)問題の展開に関する通史的把握、第2に感化教育会や感化教育改正期成同盟などの活動の中心を担い、精神科医でもあった土山学園長池田千年の論文目録作成と分析、第3に、兵庫県立明石学園(土山学園の後継)所蔵資料・史料の整理・分類および資料目録・解題作成を行った。具体的には以下のようである。1)感化院長会議録などから看取される感化教育における「低能児」「低格児」問題の展開この問題は、(1)不就学や中途退学者の多い不良少年の教育問題に内在する問題であり、(2)感化教育の義務教育化(文部省移管、義務教育修了認定問題)の要求が高揚する1920年代後半より、感化教育会において、感化教育とは別の事業(児童鑑別による感化教育からの分離要求)の振興を求める立場と入所児童の実態を鑑み感化教育において「低能児」「低格児」への適切な対処を講じるべきであるという立場とに大別されたこと、(3)少年教護法制定以降は、少年教護協会においては児童鑑別の徹底(少年教護院とは別の組織・場所として児童鑑別所を設置、鑑別後の適切な処遇先の確保)が要求されたこと、などを明らかにした。この成果は、感化教育史研究会にて報告した(2006年8月31日)。2)池田千年の論文について「低能児」「低格児」問題に着目して分析した結果、(1)精神医学的な立場からの特殊児童問題に関するもの(主として、熊谷保護学校から土山学園園医時代にかけて)、(2)感化教育の対象児を「護教児」、感化教育を「保護教育」としてとらえ、呉秀三(精神医学者)や早崎春香(初代土山学園長)らから薫陶を受けつっ独自の見解を有していたことを明らかにした。3)兵庫県立明石学園資料調査二井仁美氏(大阪教育大学)、石原剛志(長野大学)、松浦崇氏(名古屋大学大学院研究生)との共同作業により、兵庫県立明石学園所蔵の諸資料・史料調査を実施した。所蔵物は、大正期から最近の、ものまで概ね良好な状態で保管されており、それらを(1)写真類(2)著書(3)学園刊行物(3)アルバム類(4)他施設や行政機関の刊行物(5)児童記録(6)教務日誌(7)経理帳簿(8)各寮日誌などに大別された。これら資料整理の成果について、(1)仮目録(2)史料解題を作成し、学園に納めた。これら資料整理の成果について、(1)仮目録

(2)史料解題を作成し、学園に納めた。○研究のフレームワークの検討・感化教育は、戦前における児童保護事業としてもっとも早く法制化された事業であった。そして、社会全体が少年非行や犯罪を未然に防ぐ環境整備をすすめることも焦眉の課題であった。また、実践的には教育により不良少年の可塑性を開花させる方法をとったため、社会政策の一環でありながらその日常的ないとなみに着目するならば、公教育を補完する役割を果たした。例えばこの事業の先駆者である留岡幸助が報徳会を組織し、地方改良運動に力を注いだのも、地域住民の福祉力・教育力を高めることの必要性を実感していたためであろう。このような視点から、感化教育における教育問題および障害児問題の展開を分析する枠組みのひとつとして、現代的な問題の所在-地域福祉と障害者問題との関連-を明らかにする研究を行った。(「地域福祉の視点からとらえた障害者社会教育」『社会教育研究年報』2005年3月末発刊)○資料収集などの研究の基礎作業実施・留岡と同様に感化教育会のオピニオンリーダーであった池田千年に関する文献・資料の収集およびリスト作成などの基礎作業を行った。池田は、精神科医であり且つ兵庫県立土山学園の第二代園長として感化教育実践に携わり、感化法改正運動など制度改革にも積極的に関与した人物である。また、土山学園内に「低能児」「低格児」のための特別学級を開設し、入所児童の特性や理解力に応じた教育実践を担った。それゆえ、池田を戦前期の感化教育における障害児問題の展開に関する研究のキーマンとして位置づけ、彼の保護児童(感化院入所児童)教育論文責のための基礎作業をすすめた。これらの成果は、2005年5月開催の日本社会事業史学会にて口頭発表の予定である。○2005年度社会事業史学会自由研究発表「池田千年の保護児童教育論に関する研究(その1)」感化教育の先覚者である早崎春香および東大医科大学精神科主任教授呉秀三の薫陶を受け、精神科医として兵庫県立土山学園第2代園長として活躍した、池田千年の保護児童教育論の検討を行った。池田は、感化教育会の主要メンバーのひとりであり、感化法改正期成同盟の中心人物でもあった。彼の保護児童教育論には、(1)児童鑑別の必要性や障害児学校および児童精神病院設立を要求するなど、精神科医としての科学的な児童実態把握や適切処遇要求の視点、(2)保護教育(感化教育)を学校教育と対等な義務教育とすべきという立場での、保護児童の義務教育保障の視点、が内包されている。彼の保護児童教育論の検討を通して、感化教育における障害児問題の展開の一斑を明らかにした。○資料収集などの研究の基礎作業実施・留岡と同様に感化教育会のオピニオンリーダーであった池田千年に関する文献・資料の収集およびリスト作成などの基礎作業、および彼が園長をつとめた兵庫県立土山学園(現在の明石学園)所蔵史資料の整理・保存作業を実施した。また、池田と親交のあった武田慎次郎設立の武田塾所蔵資料調査、大阪府立修徳学院所蔵資料調査を実施した。感化教育における障害児問題の展開の一斑を明らかにするために、以下の3つの研究に取り組んだ。第1に感化院長会議録や建議などを元にした、感化教育における障害児(「低能児」「低格児」)問題の展開に関する通史的把握、第2に感化教育会や感化教育改正期成同盟などの活動の中心を担い、精神科医でもあった土山学園長池田千年の論文目録作成と分析、第3に、兵庫県立明石学園(土山学園の後継)所蔵資料・史料の整理・分類および資料目録・解題作成を行った。具体的には以下のようである。1)感化院長会議録などから看取される感化教育における「低能児」「低格児」問題の展開
T^*構造高温超伝導体におけるストライプ秩序とジョセフソンプラズマの検証と制御

高温超伝導体は、超伝導CuO_2面がc軸方向に積層したジョセフソン接合超格子となっている。それを特徴づけるのはジョセフソン・プラズマと呼ばれる、テラヘルツ領域に固有振動数をもつ集団励起モードである。この集団励起は光とは直接結合しない縦励起モードである。光と結合する光学型(横励起)プラズマモードを作るには、CuO_2面間のジョセフソン結合強度をc軸方向に空間的に変調する必要がある。昨年度は、La計高温超伝導体をベースに、希土類Laを他の希土類元素に置換することにより、頂点酸素をCuO_2面の片側にしかもたないT^*型高温超伝導体単結晶を合成し、ジョセフソン結合強度を構造的に変調し、光学型ジョセフソン・プラズマの観測に成功した。本年度は、外場によるジョセフソン結合強度の変調を試み、Y型高温超伝導体を対象とし、磁場を超伝導面に平行にかけ、面間に侵入するジョセフソン磁束がジョセフソン結合強度をどのように変調するかを調べた。その結果、T_c=60Kのアンダードープ結晶においては、1テスラ程度の磁場でジョセフソン磁束が2層間毎に交互に侵入することがわかり、c軸偏光光学スペクトルのテラヘルツ域に光学型ジョセフソン・プラズマモードが発生する事を検証した。ジョセフソン磁束が侵入している接合としていない接合との間で結合強度の差が生じたので、磁場によりT^*型構造に類似の状況を作り出すことに成功したものである。この結果は、1テスラ程度の磁場でテラヘルツ域の光学末区トルを操作できることを示したもので、テラヘルツ光源あるいはテラヘルツ検知器としての応用に道を拓くものである。T^*型Cu酸化物高温超伝導体は、T型のLa_<2-x>Sr_xCuO_4、T型とNd_<2-x>Ce_xCuO_4と並んで、最も単純な結晶構造を有している。しかし、その物性研究は、1989年の発見以来、殆ど進展していない。その理由は、単結晶試料作製とドーピング制御が極めて困難であったからである。T^*型の特徴は、頂点酸素を片側だけにもつCuO_5ピラミッドの2次元ネットワークで構成されていることである。この頂点酸素が抜け易い事が、これまで結晶成長を困難にしていたが、逆に、この上下非対称な構造が他に無いユニークな物性を発現するものと期待される。また、これまでの研究では、T_cが30Kと低く、その原因が結晶作成/ドーピング制御上の問題なのか、T型の場合のようにストライプ秩序のゆらぎによる本格的な要因があるのかは解明するに値する問題である。今年度の研究は、T^*型Cu酸化物の単結晶成長とドーピング制御を第1目標とした。T^*型の2種類の化合物、SmLa_<1-x>Sr_<x->CuO_4及び(Nd, Ce, Sr)_2CuO_4について溶媒移動浮遊帯域溶触(TSFZ)を用いた単結晶成長法を確立させるとともに、高圧酸素アニールによるドーピング制御により、優れた超伝導特性を示す単結晶試料を作成することに成功した。これらの試料を用いて、サブミリ波、遠赤外波長領域のいわゆるテラヘルツ帯での超伝導光学応答を測定し、光学型のジョセフソン・プラズマモードの存在を検証した。T^*型物質はCuO_2面の積層方向(c軸方向)からみると2種類の異なったジョセフソン結合が交互に連なったジョセフソン超格子となっている。その結果、光学型のジョセフソン・プラズマモードがテラヘルツ域に現れたと解釈できる。このモードは、テラヘルツ帯の光と直接結合する励起で、テラヘルツ波検出器あるいは発光素子としての応用面での可能性が期待される。

高温超伝導体は、超伝導CuO_2面がc軸方向に積層したジョセフソン接合超格子となっている。それを特徴づけるのはジョセフソン・プラズマと呼ばれる、テラヘルツ領域に固有振動数をもつ集団励起モードである。この集団励起は光とは直接結合しない縦励起モードである。光と結合する光学型(横励起)プラズマモードを作るには、CuO_2面間のジョセフソン結合強度をc軸方向に空間的に変調する必要がある。昨年度は、La系高温超伝導体をベースに、Laを他の希土類元素に置換することにより、頂点酸素をCuO_2面の片側にしかもたないT^*型高温超伝導体単結晶を合成し、ジョセフソン結合強度を構造的に変調することにより、光学型ジョセフソン・プラズマ発生の観測に成功した。本年度は、外場によるジョセフソン結合強度の変調を試み、Y系高温超伝導体を対象とし、磁場を超伝導面に平行にかけ、面間に侵入するジョセフソン磁束がジョセフソン結合強度をどのように変調するかを調べた。その結果、T_c=60Kのアンダードープ結晶においては、1テスラ程度の磁場でジョセフソン磁束が2層間毎に交互に侵入することがわかり、c軸偏光光学スペクトルのテラヘルツ域に光学型ジョセフソン・プラズマモードが発生する事を検証した。ジョセフソン磁束が侵入している接合としていない接合との間で結合強度の差が生じたもので、磁場によりT^*型構造に類似の状況を作り出すことに成功したものである。この結果は、1テスラ程度の磁場でテラヘルツ域の光学スペクトルを操作できることを示しており、テラヘルツ光源あるいはテラヘルツ検知器としての応用に道を拓くものである。
C/Cコンポジットの溶融塩電解表面改質による超軽量超耐熱材料の創成

本研究では、これまで実用化されてこなかったC/Cコンポジットに耐酸化性被膜を形成し、革新的に高い耐用温度(約1300°C)を有する、超軽量・超耐熱材料を創成することを目標とした。本研究対象をガスタービン用耐熱材料に応用することで、現行材料のNi基超合金と比べ、火力発電の発電効率の抜本的な改善が期待される。具体的な実施項目としては、溶融塩中でのイオンの輸送速度と電極反応速度、電極内の原子の拡散速度、電解諸条件が被膜の機械的・化学的特性に与える影響を研究し、溶融塩電解表面改質でC/Cコンポジット表面を珪化することでSiC被膜を形成することとした。特に、パルス電解法を用いて、従来法では困難であったマイクロクラック内のSi析出、充填、微細孔封止を行うことを目指した。平成30年度は、電気化学測定法(サイクリックボルタンメトリ法)を用いて、溶融塩中でのSiイオンの輸送速度や電極反応の速度を見積もった。その結果、1 mol% K2SiF6の濃度でも、80 mA&middot;cm-2の還元電流を引き出すことができ、溶融塩中でのSiイオンの輸送速度および電極反応は十分な速さを有することが分かった。また、定電流電解法を用いて、電極中でのSi原子の拡散速度を見積もった。具体的には、1000°Cにおいて5 mA&middot;cm-2の電流密度で100 min、定電流電解を行った(目標約10 micron)。その結果、約2 micronのSiC皮膜が形成された。これは、溶融塩中のSiイオンの輸送速度に比較して、固体中のSiの拡散速度が極度に遅いことを意味し、SiとCを共析する必要があることがわかった。SiC皮膜を電気化学的に形成させるための最も単純な方法は、炭素源を基板(固体)として用意し、その表面でSiイオンを電気化学的に還元し、Si原子を拡散・反応させる方法(電気化学的還元拡散法)である。つまり、SiCの構成成分のうち、片方のSiのみ溶融塩側から供給する方式である。この方法は、Siイオンのみを電気化学的に操作すればよいため、電解の制御幅が広く、制御がし易い。そのため、検討を開始する対象として合理的である。ただし、SiCは高融点(2730°C)であり、ダイヤモンドに類似した結晶構造を有するため、構成元素間の拘束が強く、拡散速度が遅いことが予想された。結果的には、前述の通り、SiC固体皮膜中のSiの拡散速度が極端に遅いことが分かったが、これは想定範囲内の結果である。この結果から、Siイオンのみを供給する方式では厚いSiC皮膜を形成することはできないことが明確になった。よって、第二の検討対象として、SiとCの共析法を検討する。この方法は、SiだけでなくCも溶融塩側から供給する方式である。この方法は、還元電位の異なる二つのイオンを電気化学的に操作しなければならないため、制御が容易でない。そこで、研究分担者(安田)と連携して、理論的検討を援用することで、適切な電解条件を探る。特に、共析の場合、析出物が微粉になり、電極から脱離する恐れがある。析出物が安定して電極に保持される条件を探すことを目指す。前述のとおり、平成30年度は、電気化学測定法(サイクリックボルタンメトリ法)を用いて、溶融塩中でのSiイオンの輸送速度や電極反応の速度を見積もった。その結果、溶融塩中のSiイオンの輸送速度に比較して、固体中のSiの拡散速度が極度に遅く、SiとCを共析する必要があることがわかった。そこで、平成31年度は、SiイオンとCイオン(炭酸イオン)を両方電解浴に溶解させ、共析電解を行うことを検討する。特に、溶融塩中のイオン濃度や温度、電流密度が電析物の形態、組織に与える影響を検討する。また、パルス電解によるマイクロクラック内および電極最外層での電析物の形態および封止性を検討する。膜厚の目標は、タービンブレードの長期利用(約10年間)を想定して算出した100 micronである。本研究は代表者(竹田)、分担者(安田)、研究協力者(大学院生)三名で遂行する。溶融塩電気化学の理論予測を分担者が、金属組織学の理論予測を代表者が、電解実験・耐酸化性試験の実行を代表者と研究協力者が行う。本研究は、溶融弗化物を扱う高温プロセスであり、加熱用の電気炉は既に整備済みである。また、溶融塩を使う研究は反応容器が特殊であるため、専用の反応容器を自作する必要がある。装置の設計は申請者が行い、資材を購入して学内の技術部(製作室)で製作する。研究分担者の安田とは、学会活動を通して常時、連絡を取り合っており、定期的に進捗報告会を行っている。また、研究協力者として申請者の研究室に所属する大学院生(1名)に研究補助をしてもらっている。

具体的な実施項目としては、溶融塩中でのイオンの輸送速度と電極反応速度、電極内の原子の拡散速度、電解諸条件が被膜の機械的・化学的特性に与える影響を研究し、溶融塩電解表面改質でC/Cコンポジット表面を珪化することでSiC被膜を形成することとした。特に、パルス電解法を用いて、従来法では困難であったマイクロクラック内のSi析出、充填、微細孔封止を行うことを目指した。平成30年度は、電気化学測定法(サイクリックボルタンメトリ法)を用いて、溶融塩中でのSiイオンの輸送速度や電極反応の速度を見積もった。その結果、1 mol% K2SiF6の濃度でも、80 mA&middot;cm-2の還元電流を引き出すことができ、溶融塩中でのSiイオンの輸送速度および電極反応は十分な速さを有することが分かった。また、定電流電解法を用いて、電極中でのSi原子の拡散速度を見積もった。具体的には、1000°Cにおいて5 mA&middot;cm-2の電流密度で100 min、定電流電解を行った(目標約10 micron)。その結果、約2 micronのSiC皮膜が形成された。これは、溶融塩中のSiイオンの輸送速度に比較して、固体中のSiの拡散速度が極度に遅いことを意味し、SiとCを共析する必要があることがわかった。SiC皮膜を電気化学的に形成させるための最も単純な方法は、炭素源を基板(固体)として用意し、その表面でSiイオンを電気化学的に還元し、Si原子を拡散・反応させる方法(電気化学的還元拡散法)である。つまり、SiCの構成成分のうち、片方のSiのみ溶融塩側から供給する方式である。この方法は、Siイオンのみを電気化学的に操作すればよいため、電解の制御幅が広く、制御がし易い。そのため、検討を開始する対象として合理的である。ただし、SiCは高融点(2730°C)であり、ダイヤモンドに類似した結晶構造を有するため、構成元素間の拘束が強く、拡散速度が遅いことが予想された。結果的には、前述の通り、SiC固体皮膜中のSiの拡散速度が極端に遅いことが分かったが、これは想定範囲内の結果である。この結果から、Siイオンのみを供給する方式では厚いSiC皮膜を形成することはできないことが明確になった。よって、第二の検討対象として、SiとCの共析法を検討する。この方法は、SiだけでなくCも溶融塩側から供給する方式である。この方法は、還元電位の異なる二つのイオンを電気化学的に操作しなければならないため、制御が容易でない。そこで、研究分担者(安田)と連携して、理論的検討を援用することで、適切な電解条件を探る。特に、共析の場合、析出物が微粉になり、電極から脱離する恐れがある。析出物が安定して電極に保持される条件を探すことを目指す。前述のとおり、平成30年度は、電気化学測定法(サイクリックボルタンメトリ法)を用いて、溶融塩中でのSiイオンの輸送速度や電極反応の速度を見積もった。その結果、溶融塩中のSiイオンの輸送速度に比較して、固体中のSiの拡散速度が極度に遅く、SiとCを共析する必要があることがわかった。そこで、平成31年度は、SiイオンとCイオン(炭酸イオン)を両方電解浴に溶解させ、共析電解を行うことを検討する。特に、溶融塩中のイオン濃度や温度、電流密度が電析物の形態、組織に与える影響を検討する。また、パルス電解によるマイクロクラック内および電極最外層での電析物の形態および封止性を検討する。