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深層海水の環境復元に関する新規プロキシとしての宝石サンゴ骨格中微量元素の研究

生育時、宝石サンゴの骨軸はポリプなどを含む生体組織に覆われており、生体組織には数百マイクロメートル程度の骨片と呼ばれる炭酸カルシウムが含まれる。当初予期していなかった結果だが、一部の宝石サンゴでは骨軸の先端に骨片が沈着すると示唆され、宝石サンゴの化学分析の結果は古環境復元に利用できるとともに、宝石サンゴの骨格形成メカニズムに関する研究にも応用できる可能性が見出された。また、2年目は微量元素濃度の分析に加えて、宝石サンゴ骨軸の炭素・酸素安定同位体比の測定も試験的に行い、古環境復元に利用できるか検討した。一方、宝石サンゴ骨格の化学分析と並行して炭酸カルシウムの無機合成実験を試験的に行った。高純度の炭酸カルシウムが懸濁した水溶液中二酸化炭素ガスを加えてpHを下げて炭酸カルシウムを溶解したのち、二酸化炭素ガスを脱ガスさせてpHを上げ炭酸カルシウムを再沈殿させる方法を習得できた。本年度は水深200 mと600 mから採取した宝石サンゴの微量元素を測定した.骨軸の微量元素含量が海水環境(水温,pHや栄養塩)を反映するかを検証するため,これまでに測定した宝石サンゴ(水深400 m)のデータと比較した.水深200 mから採取された試料のBa含量は400-600 mから採取された宝石サンゴのよりも低い値を示した.海洋中の溶存Ba濃度は水深とともに高くなる栄養塩型のプロファイルを持つ.宝石サンゴ骨格のBa含量が海水中の溶存バリウム濃度によって規定されるとすると,宝石サンゴ骨軸のBa含量は栄養塩濃度を反映する可能性が示唆された.その他の元素(ホウ素,ナトリウム,ストロンチウム,ウランなど)についても水深が異なるサンプルで比較し,海洋環境との関連性を検証した.本年度は宝石サンゴ骨格の炭素・酸素同位体比を測定した.海洋生物が形成する炭酸カルシウム骨格の酸素同位体比は水温と塩分の指標となりうる.水深400 mから採取した個体の炭素・酸素同位体比は2‰程度のばらつきを示した.年間を通じて水温・塩分がほぼ一定の環境で生育した個体で炭素・酸素同位体比のばらつきが認められたことから,宝石サンゴの炭素・酸素同位体比は水温・塩分以外の影響(例えば成長速度など)の影響を受ける可能性が示唆される.NanoSIMSを使った宝石サンゴ骨格の化学分析で利用する標準物質として,炭酸カルシウムの結晶を無機的に合成した.ケイ酸塩ゲル内で合成を進行させることで,結晶の成長速度を小さくした.合成したCaCO3結晶に微量元素が均質に分布しているかNanoSIMSを使って検証した.本年度予定していたNanoSIMSを使った宝石サンゴの微量元素分析はマシンタイムの調整のため2015年5月に延期した.一方,EPMAとLA-ICP-MSを活用し,数十数百μmの解像度で宝石サンゴの微量元素分布を明らかにした.これまで造礁サンゴの微量元素(Li, B, Mg, Sr, Ba, Uなど)を使った研究例は比較的盛んに測定され,古環境復元への応用が検討されてきた.一方,宝石サンゴ骨格の微量元素を高解像度で分析した研究例はほとんどない.そのため,今年度得られた研究結果は先進的であり,宝石サンゴ骨格が海洋深層の環境を記録しているか評価する上で非常に重要なデータといえる.また,宝石サンゴが骨格を形成するメカニズム(バイオミネラリゼーション)を解明する上でも今回測定した骨格中の微量元素組成は重要な手がかりとなりうる.また,NanoSIMSを使った炭酸塩試料中のハロゲン定量分析に向けて,標準試料の作成に成功した.
多能性幹細胞が分泌するエクソソーム機能性RNAの細胞外機能に関する基礎的研究

細胞から遊離して循環するエクソソーム機能性RNAは、多様な疾患の非侵襲的な診断バイオマーカーとして注目され、liquid biopsyへの臨床応用が期待される。多能性幹細胞から分泌された機能性RNAが、どのように細胞間コミュニケーションを図っているかを分子レベルで明らかにしたい。研究代表者は、歯髄幹細胞(DPSC)の多能性に関する研究を継続的に行ってきた。また、ES細胞から分泌する機能性RNAについて次世代シークエンス解析を行っている。本研究は、それらの研究をさらに発展させ、ヒト口腔組織由来多能性幹細胞が分泌するエクソソーム機能性RNAを網羅的に解析し、分泌型microRNA(miRNA)の細胞外機能に関する基礎的研究を行う。現在、翻訳後修飾であるポリADP-リボシル化反応を担うPARPファミリー1(PARP1)に注目し、PARP1の細胞間情報伝達における機能的意義・役割について調べている。これまでにParp1欠損マウスES細胞株を用いて研究を行い、Parp1が細胞外に遊離されるエクソソーム中のmiRNAを介して細胞外情報伝達にも関与する可能性を報告している。一方、間葉系幹細胞(MSC)由来のエクソソームが、活性酸素による組織傷害からの回復を促進するなど、その有用性が注目されている。DPSCは、MSCと類似した特性を持つが、PARP1が、DPSCの細胞間コミュニケーションにどのように関与するか解明されていない。本研究では、ヒト口腔組織由来多能性幹細胞として、ヒト初代培養DPSCを用い、DPSCが分泌するエクソソーム中の機能性RNAを、次世代シークエンス解析を用いて網羅的に調べ、PARP1のヒト口腔組織由来多能性幹細胞における細胞間コミュニケーションへの関与を明らかにする。本年度は、ヒトDPSCにおいてCRISPR-Cas9システムを用いたゲノム編集を試みた。ヒト口腔組織由来多能性幹細胞として、ヒトDPSC(Lonza)を用いた。DPSCの特性を明らかにするため、in vitroにおける細胞増殖、細胞表面マーカーの発現および分化能の解析を行った。DPSCは初代培養細胞であり、当初良好な細胞増殖を示したが、およそ20継代を超えたところで細胞老化を示した。細胞表面マーカーの発現をフローサイトメトリーによって解析した。DPSCにおいて、MSCマーカーは発現していたが、血球・造血幹細胞マーカーの発現は認められなかった。ヒト骨髄、骨由来のMSCではCD271、SSEA-4共陽性細胞の存在が報告されているが、DPSCにおいて、CD271またはSSEA-4のいずれかが陽性の細胞はわずかに存在したが、CD271、SSEA-4共陽性細胞は認められなかった。DPSCの分化能については、間葉系細胞系譜と同様の分化能を示すことが確認された。DPSCにおけるPARP1の発現を調べるため、抗PARP1抗体を用いた免疫蛍光染色を行った。PARP1のDPSCにおける発現は、他の細胞と同様に核内に局在していることが確認された。次に、DPSCにおけるPARP1の発現をノックアウトするため、CRISPR-Cas9システムを用いたゲノム編集を試みた。PARP1のエクソン部分にcrRNAをデザインし、tracrRNAとハイブリダイゼーションさせたのち、エレクトロポレーション法を用いて、Cas9タンパク質とともにDPSCへ導入した。導入した細胞を限界希釈法によってシングルセル化し、3つのクローンを得た。ゲノム編集を行い、次世代シークエンス解析のための準備段階にあり、当初予定していた計画と照らして、概ね順調に進展している。ヒト口腔組織由来多能性幹細胞として、ヒトDPSC(Lonza)を用いて解析を進める。ゲノム編集によりPARP1をノックアウトしたDPSCのクローンにおいて、PARP1の発現が欠損していることを免疫蛍光染色により確認する。PARP1の発現が欠損していることが確認されたクローン株の培養上清より、exoRNeasy Serum/Plasma Midi KitとQIAseq miRNA Library Kitを用いて、エクソソーム由来の低分子RNAを抽出する。イルミナ社次世代シークエンシングプラットフォーム(NextSeq)を用いて、次世代シークエンス解析を行う。PARP1欠損により変動した機能性RNAを網羅的に調べ、PARP1遺伝子型により有意な差異のあったmiRNAを抽出する。得られたリード配列情報を基に、バイオインフォマティクス解析へ進める予定である。

一方、間葉系幹細胞(MSC)由来のエクソソームが、活性酸素による組織傷害からの回復を促進するなど、その有用性が注目されている。DPSCは、MSCと類似した特性を持つが、PARP1が、DPSCの細胞間コミュニケーションにどのように関与するか解明されていない。本研究では、ヒト口腔組織由来多能性幹細胞として、ヒト初代培養DPSCを用い、DPSCが分泌するエクソソーム中の機能性RNAを、次世代シークエンス解析を用いて網羅的に調べ、PARP1のヒト口腔組織由来多能性幹細胞における細胞間コミュニケーションへの関与を明らかにする。本年度は、ヒトDPSCにおいてCRISPR-Cas9システムを用いたゲノム編集を試みた。ヒト口腔組織由来多能性幹細胞として、ヒトDPSC(Lonza)を用いた。DPSCの特性を明らかにするため、in vitroにおける細胞増殖、細胞表面マーカーの発現および分化能の解析を行った。DPSCは初代培養細胞であり、当初良好な細胞増殖を示したが、およそ20継代を超えたところで細胞老化を示した。細胞表面マーカーの発現をフローサイトメトリーによって解析した。DPSCにおいて、MSCマーカーは発現していたが、血球・造血幹細胞マーカーの発現は認められなかった。ヒト骨髄、骨由来のMSCではCD271、SSEA-4共陽性細胞の存在が報告されているが、DPSCにおいて、CD271またはSSEA-4のいずれかが陽性の細胞はわずかに存在したが、CD271、SSEA-4共陽性細胞は認められなかった。DPSCの分化能については、間葉系細胞系譜と同様の分化能を示すことが確認された。DPSCにおけるPARP1の発現を調べるため、抗PARP1抗体を用いた免疫蛍光染色を行った。PARP1のDPSCにおける発現は、他の細胞と同様に核内に局在していることが確認された。次に、DPSCにおけるPARP1の発現をノックアウトするため、CRISPR-Cas9システムを用いたゲノム編集を試みた。PARP1のエクソン部分にcrRNAをデザインし、tracrRNAとハイブリダイゼーションさせたのち、エレクトロポレーション法を用いて、Cas9タンパク質とともにDPSCへ導入した。導入した細胞を限界希釈法によってシングルセル化し、3つのクローンを得た。ゲノム編集を行い、次世代シークエンス解析のための準備段階にあり、当初予定していた計画と照らして、概ね順調に進展している。ヒト口腔組織由来多能性幹細胞として、ヒトDPSC(Lonza)を用いて解析を進める。ゲノム編集によりPARP1をノックアウトしたDPSCのクローンにおいて、PARP1の発現が欠損していることを免疫蛍光染色により確認する。
低忠実性ポリメラーゼ導入ウイルスによるインフルエンザ未来流行株予測システムの開発

インフルエンザウイルスのゲノムは8本に分節化された1本鎖RNAであり、ウイルス由来ポリメラーゼであるPB1蛋白質(Polymerase Basic Protein 1)によって複製されるが、新規合成されたRNAゲノム内には1万塩基あたり約1個の頻度で変異が生じる。この高い変異導入効率により、季節性インフルエンザウイルスでは頻繁に抗原変異が起こり、流行予測から選定されたワクチン株と実際の市中流行株との間で抗原性が一致せず、ワクチンによる重症化阻止効果が著しく低下する事態が生じる。本研究では、国内外において申請者が初めて単離した「インフルエンザウイルス野生株よりさらに変異が入りやすい低忠実性ポリメラーゼ導入ウイルス(PB1-Y82C株:PB1の82番目のTyr残基をCys残基に置換した変異株)」を用いて、次シーズン以降の流行株に起きる抗原変異部位を予め推測できる「インフルエンザウイルス未来流行株予測システム」を開発する。そして、新規抗原変異株(抗原ドリフト型変異株)の性状解析を行うことで、流行株と抗原性が一致するワクチン株を選定できる基盤情報を蓄積する。(1)インフルエンザウイルス実験室株A/Puerto Rico/8/1934株(PR8株)のPB1を低忠実化に改変し、変異ウイルスライブラリー作出用の母体ウイルスを構築した(PR8-PB1-Y82C)。(2)近年にヒトから分離されたA(H1N1)pdm09株の主要抗原であるウイルス遺伝子(ヘマグルチニン抗原およびノイラミニダーゼ抗原)をPR8-PB1-Y82Cに組込み、培養細胞を用いて組換えウイルスを増殖させることで変異ウイルスライブラリーを作出した。(3)モルモットにA(H1N1)pdm09野生株を免疫して作製した抗ウイルス抗体を変異ウイルスライブラリーと反応させることで、中和反応から逃避した抗原変異候補株を複数単離した。インフルエンザウイルスゲノム複製過程において、PB1ポリメラーゼ蛋白質のTyr82残基が変異導入効率を制御する機能部位であることを明らかにした(論文投稿中)。近年の市中流行株であるA(H1N1)pdm09ウイルスを元株として、ヘマグルチニンとノイラミニダーゼの抗原変異を誘導する免疫逃避候補ウイルスの単離に成功し、抗原変異候補株のゲノムシーケンス解析の結果、A(H1N1)pdm09株のヘマグルチニンおよびノイラミニダーゼのゲノムにこれまで報告例がない塩基変異を見出した。さらに、免疫選択圧をかけない条件下の変異ウイルスライブラリーから複数個のウイルスを単離しゲノムシーケンス解析を行った結果、同一粒子内の2種類のゲノムに、これまで報告例のない機能未同定のアミノ酸変異が“同時"に導入されていた。この結果は、インフルエンザウイルスポリメラーゼを人為的に低忠実化に誘導することで、培養細胞を用いたウイルス継代によって、高頻度で遺伝子変異が生じていることを示している。このように本システムは、従来の変異株スクリーニング系では単離が不可能であった“多分節ゲノム間の多塩基変異(エピスタシス効果)"に由来する新型インフルエンザウイルスの出現を予測できる可能性があり、将来に流行する新型ウイルスを効率的にスクリーニング可能な実験系であることが示唆された。引き続き研究を遂行することにより、当初の目的を達成できると考えている。免疫逃避ウイルスのゲノムシーケンス解析による新型インフルエンザウイルス株の単離:すべての免疫逃避ウイルスについて、次世代シーケンサーを用いて全ウイルス遺伝子の配列解析を行い、抗原変異に関与したウイルス蛋白質とアミノ酸部位を同定する。そして、過去に流行した全世界の臨床分離株と相同性比較解析を行い、未来に流行する可能性がある新型変異株を見出す。未来流行株に対するワクチン種株の作製と評価:新規抗原変異株に対応するワクチン種株を作製し、感染防御効果を検討すると同時に未来流行株ワクチンとして応用可能かどうかを検討する。現行の不活化インフルエンザワクチン製造株の選定条件として、1ウイルス増幅時において抗原部位にアミノ酸変異が導入されず、2ウイルスが高増殖性であり、さらに3主要ウイルス抗原蛋白質(ヘマグルチニンとノイラミニダーゼ)が高収率で精製できる必要がある。未来流行株に対するワクチン候補株について、以上の選定条件を満たすかどうかを調べる。新型インフルエンザウイルスを高感度で検出できる新規診断キットの開発:現行のインフルエンザ診断キットでは検出されない変異を獲得した「診断キット擬陰性株」を単離し、変異株を高感度に認識する自家製モノクロナール抗体を作製して抗原解析を行う。さらに、作製した抗体を用いて未来流行株を感度よく診断可能なキットを事前に準備することで、速やかな診断と早期治療の効果により新型ウイルスの流行規模自体を縮小させることが可能となると考えられる。季節性A型インフルエンザウイルスは頻繁に抗原変異が起こるため、流行状況予測から選定されたワクチン株と実際の最新流行株との間で抗原性が一致せず、ワクチンによる重症化阻止効果が著しく低下する場合がある。この問題を解決するため、次シーズン以降の流行株に起きる抗原変異部位をあらかじめ推測できる「インフルエンザウイルス未来流行株予測システム」の開発を試みる。そして、新規抗原変異株のウイルス性状を解析することで、毎年の流行株と抗原性が一致したワクチン株選定を可能にするための基盤情報を蓄積する。インフルエンザウイルス実験室株であるA/Puerto Rico/8/1934株(PR8株)を用いて、逆遺伝学的手法によりウイルスRNAポリメラーゼのPB1サブユニットを改変し、ゲノム複製過程において変異導入効率を制御するアミノ酸部位(PB1-Tyr82残基)を同定した。

PR8株のPB1-Tyr82残基を他のアミノ酸に置換した組換えウイルスを作製し、次世代シーケンサーを用いて変異導入効率を計算した結果、Tyr82残基をAsn、Ile、Val、またはGlyに置換した組換えウイルスは、野生型PR8株より2倍以上変異が入りやすい事を明らかにした。プラークアッセイを用いて各PB1-Tyr82変異株の増殖性を検討した結果、プラークサイズが不均一となり、増殖活性が多様なウイルス集団を形成している可能性が示唆された。PB1-Tyr82変異株は、ウイルスゲノムに高頻度にランダム変異が挿入された「変異ウイルスライブラリー」を形成している事が考えられ、今後はウイルスライブラリー内に抗原変異を伴う未来流行株が含まれているかどうかの検討を行う。本年度の研究成果より、インフルエンザウイルスのRNAポリメラーゼであるPB1タンパク質のTyr82残基が、ゲノム複製過程において変異導入効率を制御する機能部位であることを明らかにした(論文投稿準備中)。さらに、近年にヒトから単離されたインフルエンザウイルスA(H1N1)pdm09臨床分離株から、主要抗原となるヘマグルチニンとノイラミニダーゼの全長ウイルス遺伝子をクローニングし、加えてPB1遺伝子のTyr82残基を改変することにより、「流行株に由来する変異ウイルスライブラリー」を作出した。今後は、ウイルスライブラリーと患者血清を用いて、抗原変異を伴う未来流行株のスクリーニング解析を実施する予定であり、本研究課題は順調に進展している。インフルエンザウイルスのゲノムは8本に分節化された1本鎖RNAであり、ウイルス由来ポリメラーゼであるPB1蛋白質(Polymerase Basic Protein 1)によって複製されるが、新規合成されたRNAゲノム内には1万塩基あたり約1個の頻度で変異が生じる。この高い変異導入効率により、季節性インフルエンザウイルスでは頻繁に抗原変異が起こり、流行予測から選定されたワクチン株と実際の市中流行株との間で抗原性が一致せず、ワクチンによる重症化阻止効果が著しく低下する事態が生じる。本研究では、国内外において申請者が初めて単離した「インフルエンザウイルス野生株よりさらに変異が入りやすい低忠実性ポリメラーゼ導入ウイルス(PB1-Y82C株:PB1の82番目のTyr残基をCys残基に置換した変異株)」を用いて、次シーズン以降の流行株に起きる抗原変異部位を予め推測できる「インフルエンザウイルス未来流行株予測システム」を開発する。そして、新規抗原変異株(抗原ドリフト型変異株)の性状解析を行うことで、流行株と抗原性が一致するワクチン株を選定できる基盤情報を蓄積する。(1)インフルエンザウイルス実験室株A/Puerto Rico/8/1934株(PR8株)のPB1を低忠実化に改変し、変異ウイルスライブラリー作出用の母体ウイルスを構築した(PR8-PB1-Y82C)。(2)近年にヒトから分離されたA(H1N1)pdm09株の主要抗原であるウイルス遺伝子(ヘマグルチニン抗原およびノイラミニダーゼ抗原)をPR8-PB1-Y82Cに組込み、培養細胞を用いて組換えウイルスを増殖させることで変異ウイルスライブラリーを作出した。
水循環に対する人間活動のインパクトのモデル化とその流域循環モデルへの導入

資源としての水の大きな特徴は他の資源と違ってそれが循環することにある。将来にわたる水資源計画や流域計画を考えていくためには、その基礎として流域の水の循環を数理モデルとして表現しなければならない。流域全体での水循環を考えると、人間活動の影響を無視することはできない。自然流域の水文現象しか扱うことのできないモデルだけでは目的を達することは不可能であり、人間が自然の水循環に及ぼす作用も含めて、流域全体の水循環を数理モデルとして構成する必要がある。流域水循環に人間が及ぼす作用は、森林伐採や都市化など人間による流域環境の改変による流況への作用と・水工施設による流水の制御・工業用水・生活用水など都市用水の河川からの取水、および農業用水の河川からの取水とその河川への還元といった時々刻々の流況への作用がある。これらが水循環に大きな影響を与えていることは当然であるが、流域水循環全体のモデル化の中で、特に後者の作用が水循環を構成する一要素であるという位置付けは必ずしもされてこなかった。この水循環に対する人的作用を、水循環系の一部として積極的にモデル化し、全体の水循環モデルの中に取り込む必要がある。以上のことを念頭に置き、降水・蒸発散・浸透・流出といった水文過程の各要素と同様に、人間活動による水循環への作用も水文過程の一要素ととらえ、特に水田における取水、河川への還元水のモデル化を実現した。また、この水田モデルを当該研究者らが従来より開発してきた構造的流出モデリングシステムの中の一要素として位置付け、流域全体の水循環モデルを構成した。将来にわたる水資源計画や流域計画を考えていくためには、その基礎として流域の水の循環を数理モデルとして表現しなければらない。すなわち、降水・蒸発散・浸透・流出といった水文過程の各要素と同様に、人間活動による水循環への作用も水文過程の一要素ととらえ、水循環モデルの中の構成要素の1つとして位置付ける必要がある。以上の背景をもとに、特に時々刻々の流況への人的作用を水循環系の一要素としてモデル化することを目的とし、本モデルを、当該研究者らが従来より開発してきた構造的流出モデリングシステムの中の一要素として位置付け、流域全体の水循環モデルを構成した。

流域水循環に人間が及ぼす作用は、森林伐採や都市化など人間による流域環境の改変による流況への作用と・水工施設による流水の制御・工業用水・生活用水など都市用水の河川からの取水、および農業用水の河川からの取水とその河川への還元といった時々刻々の流況への作用がある。これらが水循環に大きな影響を与えていることは当然であるが、流域水循環全体のモデル化の中で、特に後者の作用が水循環を構成する一要素であるという位置付けは必ずしもされてこなかった。この水循環に対する人的作用を、水循環系の一部として積極的にモデル化し、全体の水循環モデルの中に取り込む必要がある。以上のことを念頭に置き、降水・蒸発散・浸透・流出といった水文過程の各要素と同様に、人間活動による水循環への作用も水文過程の一要素ととらえ、特に水田における取水、河川への還元水のモデル化を実現した。また、この水田モデルを当該研究者らが従来より開発してきた構造的流出モデリングシステムの中の一要素として位置付け、流域全体の水循環モデルを構成した。
マルコフ過程の漸近挙動の解析

正則ディリクレ形式から生成される飛躍拡散型の対称マルコフ過程に対して,状態空間内にいつまでも留まる(保存的である)ための十分条件を与え,粒子が無限遠方に逃げる程度を示す指標(脱出レートの上限)を調べた。さらに,以上の結果が精密であることを,具体例を通じて確かめた。また,正則ディリクレ形式のSilverstein拡大が一意的になるための十分条件を,対応する内在的距離の位相的性質で与えた。1.昨年度の研究成果の応用として,ある飛躍型マルコフ過程について,対応するディリクレ形式から自然に定まる「係数」が状態空間の境界である程度退化すれば,保存的になることを示した。係数が退化しない場合は爆発することが知られているので,飛躍型マルコフ過程の道の性質も「係数」から影響を受けることを具体的に確かめたことになる。なお,昨年度の成果と本成果をまとめた論文は,雑誌に掲載されることが決まった。2.桑江一洋氏(熊本大学)と共同で,正則ディリクレ形式から生成される対称マルコフ過程のSilverstein拡張の一意性を,Frank-Lenz-Wingertが導入した内在的距離を用いて特徴づけた。その応用として,重み付きグラフ上のマルコフ連鎖について,保存的ではないがSilverstein拡張が一意的に定まるものを見つけることができた。3.Xueping Huang氏(FSJ Jena)と共同で,重み付きグラフ上のマルコフ連鎖のescape rateを調べた。これは,粒子の移動範囲(長時間経った後)を測る量であり,保存性の定量化版ともいえる概念である。本研究では,多様体上のブラウン運動の場合と同様に,マルコフ連鎖に「適合した」距離に関する球の体積増大度を用いてescape rateを具体的に与えた。特に,今回の結果は精緻であることも分かる。4.日本とドイツの研究交流を図るための国際研究集会「Stochastic Analysis and Applications」,マルコフ過程をテーマとした研究集会「マルコフ過程と確率解析」,岡山周辺の研究者を対象とした「岡山解析・確率論セミナー」などの世話人の一人を勤め,研究交流や情報交換を行った。なお,本研究費の一部を講演者の旅費にあてた。5.確率論に関する国内外の研究集会に参加し,研究発表および情報収集を行った。本研究課題では,正則ディリクレ形式から生成される対称マルコフ過程の経路解析を行い,次の成果を得た。1.(一部は上村稔大氏(関西大学)との共同研究)経路が不連続な対称マルコフ過程に対して,保存性(粒子が状態空間内に留まる性質)の十分条件を与え,この条件は必要条件になり得ることも示した。以上の研究成果をまとめた論文は専門誌に掲載受理された。3.(桑江一洋氏(熊本大学)との共同研究)対称ディリクレ形式のSilverstein拡大(定義域の適当な拡大)の一意性を内在的距離によって特徴づけた。拡大の一意性は無限遠点の小ささを表し,対応するマルコフ過程が保存的ならば拡大は一意である。本研究では,対応するマルコフ過程は非保存的だが拡大は一意となる非局所型ディリクレ形式の例を与えた。4.本年度はこれまでの研究を推し進め,対称マルコフ過程のupperescape rateを,マルコフ過程に「適合した長さ」を用いて評価した。さらに,この評価を利用して,生成作用素の係数の増大度がupper escape rateに与える影響を調べた。結果として,係数が退化する場合は,粒子が無限遠方に逃げる程度は小さくなることが明らかになった。5.今年度はマルコフ過程をテーマとした研究集会「マルコフ過程とその周辺」,岡山周辺の研究者を対象とした「岡山解析・確率論セミナー」を共同で開催し,研究交流や情報交換を行った。本研究費の一部を講演者の旅費にあてた。本年度の主な成果は以下の2つである。1.対称な飛躍拡散型マルコフ過程の保存性正則ディリクレ形式から生成される対称な飛躍拡散型マルコフ過程が保存的であるための十分条件を与えた。保存性とは「ランダムに運動する粒子が状態空間に留まる」性質のことであり,確率過程の基本的性質の一つである。拡散過程については,体積増大度と係数の大きさで保存性を特徴づける結果が数多く知られている。一方で,飛躍型マルコフ過程については,体積増大度に関する特徴づけが近年Grigor'yan et. al.によってなされた。また,係数の大きさによる特徴づけについては,以前に報告者が上村稔大氏(関西大学)と共同で調べた。本研究成果は以上で述べた先行結果の拡張・一般化となっており,例えば係数が非有界性であることを許すとともに,その連続性は不要である。例えばこのことより,係数が不連続なために,確率微分方程式を用いて構成することが難しい飛躍型マルコフ過程についても,保存性を判定することが可能となった。2.対称ディリクレ形式のSilverstein拡張の一意性桑江一洋氏(熊本大学)との共同研究で,対称ディリクレ形式のSilverstein拡張が一意的であるための十分条件を内在的距離によって与えた。

Silverstein拡張は境界分類を目的に導入された,ディリクレ形式の拡張に関する概念である。対称ディリクレ形式が保存的ならばSilverstein拡張は一意に定まり,さらに強局所型ディリクレ形式については,保存的ではなくても一意性が成立し得ることが知られていた。本研究では非局所型ディリクレ形式について同様の例を構成することができた。特にこの例では無限遠点が``流出境界"になることが分かり,飛躍型マルコフ過程の境界分類の足掛かりになる可能性がある。重み付きグラフ上のマルコフ連鎖について,Silverstein拡大の一意性およびescape rateを通じて,大域的性質を詳しく調べることができた。このことは,申請時当初の計画以上の進展である。その一方で,ランダム環境中の分枝ブラウン運動の研究については進展が見られなかった。以上より,自己点検評価は2である。対称マルコフ過程の保存性やSilverstein拡張の一意性について予想以上の結果を得ることができたため。しかし,ランダム環境中の分枝ブラウン運動の解析については進展がなかったことは今後の課題である。当該年度の研究を通じて,一般の対称マルコフ過程について,「大きな飛躍が保存性およびescape rateにどのような影響を与えるか」という問題に興味を持った。今後は,それらの意義を考えながら整理して,研究に着手する。さらに,当該年度に得た結果を国内外の研究集会で発表するとともに,研究者と議論を重ねる。当該年度の研究を通じて,下記の新たな問題に遭遇した。・飛躍型マルコフ過程について,大きな飛躍が保存性に与える影響をとらえること。・対称ディリクレ形式のSilverstein拡張が一意的に定まるための(十分)必要条件を調べること。さらに,一意的ではない場合,拡張を決定すること。以上の問題について,それらの意義を考えながら整理して,研究に着手する。・研究会参加および研究打ち合わせに係る旅費・セミナーおよび研究集会での講演者招聘に係る旅費・関連書籍の購入費・研究集会への参加及び研究発表のための旅費。・「岡山解析・確率論セミナー」の講演者の旅費。・研究打ち合わせのための旅費。・研究関係書籍の購入費。
歯質石灰化促進材を応用した象牙質再生誘導覆髄法の検討

歯質再石灰化促進材として、GC社試作のRE-06とサンメディカル社試作のEVA+C(エチレンビニルアルコール共重合体+コラーゲン)添加型スーパーボンドを用いた。MDPC-23を用いての細胞毒性実験の結果、RE-06は多少の細胞為害性が見られるケースが認められるが、おおむね良好な結果であった。EVA+C添加型スーパーボンドでは、従来の材料とほぼ同等にほとんど細胞為害性が認められなかった。また、細胞分化に関して、両材料ともに一定の分化傾向があることが確認できた。また、覆髄の際に患部を口腔内環境と隔離するための充填材料について、性質を検討する必要が生じたため、各材料の物性を検討し、覆髄に適した材料を見いだした。マウス、ラットの組織幹細胞の樹立、培養に関しては、本年度の当講座の機器では十分な信頼性が得られず、断念した。代替案として、ミシガン大学で樹立されたマウス歯乳頭由来幹細胞であるMDPC-23細胞を用いて実験を継続した。歯質再石灰化促進材として本年度は2種類の材料について検討した。一方はGC社試作の2液を混合することでリン酸カルシウム結晶を生成し、石灰化を促進するRE-06を用いた。他方はサンメディカル社試作のコラーゲンを配合し、生体親和性を高めたエチレンビニルアルコールを従来製品であるスーパーボンドに添加した、EVA+C添加型スーパーボンドを用いた。MDPC-23(マウス歯乳頭由来幹細胞)を用いてのin vitroでの細胞毒性実験の結果、RE-06は細胞増殖能、アポトーシス細胞数において、多少の細胞為害性が見られるケースもあるものの、pH等の条件の調整により細胞への影響はほとんど認められなかった。また、細胞分化に関して、BMP-2、BMP-4、RUNX2、DSPP等の石灰化誘導細胞への分化を示す遺伝子発現について観察し、両材料ともに一定の分化傾向があることが確認できた。しかし、in vitroでの石灰化は観察されなかった。本年度の研究成果は次年度学会発表において行い、その後論文にて発表する予定である。さらに、併行してin vivoでの検討を行う予定である。前年度の歯質石灰化促進材RE-06に加え、サンメディカル社試作のコラーゲンを配合し、生体親和性を高めたエチレンビニルアルコールを従来製品であるスーパーボンドに添加した、EVA+C添加型スーパーボンドにおいてin vitroでの細胞毒性実験を行った。MDPC-23(マウス歯乳頭由来幹細胞)を用いてのin vitroでの細胞毒性実験の結果、EVA+C添加型スーパーボンドでは、ほとんど細胞為害性が認められなかった。また、細胞分化に関して、BMP-2、BMP-4、RUNX 2、DSPP等の石灰化誘導細胞への分化を示す遺伝子発現について観察し、一定の分化傾向があることが確認できた。また、動物実験を行う際に、露髄部の封鎖性をになうコンポジットレジンに関して、その物性を検討する必要が生じたため、追加研究を行った。9種のコンポジットレジン(フロアブルレジンとしてUniFil LoFloPlus(GC社: LP)、Estelite FlowQuick(トクヤマデンタル社: FQ)およびクリアフィルマジェスティLV(クラレメディカル社: ML)を、ペースト状コンポジットレジンとしてGradia Direct (GC社: GD)、Solare P(GC社: SP)、エステライトPクイック(トクヤマデンタル社: PQ)、ビューティフィルII(松風社: BF)、クリアフィルAP-X(クラレメディカル社: AP)およびMAJESTY POSTERIOR(クラレメディカル社: MP))に関して、圧縮強さ、曲げ強さ、磨耗量の試験を行い、封鎖に適したコンポジットレジンを選択した。圧縮強さの試験の結果、ペースト状のAP、MP、BF、PQ、フロアブルのML、FQが良好な成績であった。曲げ強さの試験の結果、ペースト状のMP、PQ、フロアブルのML、FQが良好な成績であった。磨耗量試験の結果、SP、LPは他のものに比べ、磨耗量が有意に大きかった。これらの成果について、一部は雑誌論文、学会で発表済みであり、未発表データに関しては、論文発表準備中である。
恒久住宅供給・再建計画への活用を目的とした住宅形態・居住地選択に関する研究

みなし仮設住宅居住者を対象に、被災者の観点から住宅再建に関わる要因について分析した。分析結果より、生活利便性が高く安全なまちを実現し、早期に住宅再建することが重視されていることがわかった。他方、コミュニティの維持に対する重要度は低かった。これらから、個人移転を促進する施策を充実させることが一つの解決策となりうる。また、みなし仮設住宅を借上げ公営住宅として被災者が住み続けられるような仕組みも必要である。現在の住宅再建プロセスは、復興を長期化させコストがかかり被災者への負担も大きくなることから、プロセスを柔軟化し、被災者一人一人の事情に応じた住宅再建を可能とするような制度と施策の検討が必要である。住宅再建プロセスにおいて、仮設住宅は恒久住宅へと移行する上で決断を迫られる大事なステップである。プレハブ型の仮設住宅と異なり、民間賃貸住宅を借り上げて仮設住宅とみなす「みなし仮設住宅」は、一時的な住宅を供給する上で大きな役割を果たしている。今後の大規模災害における住宅再建施策を検討する上でみなし住宅の活用は重要であり、大量のプレハブ仮設住宅の建設に頼らず、既存の民間ストックの活用という点でも、住宅再建過程の見直しを含めた議論が求められている。みなし仮設住宅は集合型ではなく、空いている民間賃貸住宅に入居するため、被災者がばらばらに居住するため、住宅を再建していく上で集合型の仮設住宅とは異なる問題が出てくる事が懸念される。そこで、まずはみなし仮設住宅の居住者の実態を把握するとともに、住宅再建における意向と判断に影響を与える要因を明らかにしておく必要がある。被災者の住宅再建の意向調査は自治体を中心に行われているが、それだけでは不十分である。被災者の視点に立って住宅再建を見直す事が重要であり、そのためには被災者が住宅再建において何を重視しているかをまず知る事が必要である。本研究では、みなし仮設住宅居住者の住宅再建における意向と要因分析を行うこととした。分析を行うため、アンケート調査を実施し情報を収集した。その際、福祉サービスの提供を行うNPOの協力を得ながら被災者への負担を配慮して調査を行った。本研究が取り上げる東日本大震災における住宅再建に関わる住民以意向調査は主に自治体で行われている事から、調査研究としては少ない。また、みなし仮設住宅居住者に焦点をあてて住宅再建意向を調査した研究はない。本研究では、自治体が行う意向調査のように単にどの選択肢を選ぶかではなく、その選択に関わる要因に着目して調査分析を行った。昨年度実施したアンケート調査により収集したデータを用いて、住宅形態や居住地を選択するという住宅再建における意思決定要因の分析を行った。要因分析において、被災者固有の要因、被災者をとりまく居住環境要因と被災者の住宅再建において供与される選択肢に関わる要因が、住宅形態と居住地の選択に及ぼす影響について明らかにした。そこで、安全性や利便性に関わる要因が意思決定に少なからぬ影響を及ぼすことがわかった。他方、コミュニティに関わる要因は被災者にとって優先順位が低い傾向が見られた。これらの傾向は、性別や年齢による相違は比較的少なく、被災者全般に見られる傾向である事がわかった。年齢にって比較的異なる傾向が見られたのは、住宅再建に関わる手続きで、高齢者にとって手続きを進める支援が必要である状況もあることがうかがえた。さらに、被災地における住宅再建の状況を地理的な観点から分析を行った。地理空間情報システムを用いて、住宅の空間データから被災前と被災後の住宅の変化の差分量を求めた。ここで得られるデータは、地点ごとの住宅の変化量を表すものであり、地区ごとの住宅再建状況を把握する事が可能となった。被災エリア内において、復興計画における土地利用方針により、住宅再建の状況が異なる傾向が把握できた。アンケート調査・分析及び空間分析を予定通り行うことが出来たことから、おおむね順調に進呈していると考える。仮定した被災者の住宅形態・居住地選択行動モデルに基づいて、恒久住宅選択における意思決定の構造を明らかにすることを目的として質問紙・ヒアリング・文献調査により収集したデータ分析を行った。始めに、住宅再建に関わる要因の中で特に住宅形態と居住地の選択に影響を及ぼす要因を分析した。具体には、個々の被災者固有の要因と被災者をとりまく居住環境要因、及び供与される選択肢が、住宅形態と居住地の選択に及ぼす影響について明らかにした。その中で、被災者個人がコントロール出来ない外的な要因が、被災者の選択肢を限定したり、影響を及ぼしたりする事が明らかとなった。また、被災者の心理的な要因(恐怖や不安)が居住地・居住形態の選択に少なからず影響を及ぼしている事も明らかとなった。次に、住宅再建プロセスを空間的に検証するために、被災場所や居住地の変遷を住宅形態とともに、地理情報システムを用いて地理的な観点から分析した。個々の被災地が有する空間的な制限が住宅再建における選択肢に制限を加え、被災者の意思決定に影響を及ぼしている事が明らかとなった。これらの分析結果に基づいて、住宅再建の過程で明らかとなった問題と、それらを解決するために取り組むべき課題を検討した。また、復興計画における住宅再建施策(住宅形態、居住地、事業規模等)への分析結果の活用方法について検討した。さらに、事前復興において、災害後の住宅再建を先取りして行う減災対策(復興住宅や防災集合移転促進事業等の土地の確保等)への分析結果の活用方法についても検討を行った。さらに、分析結果を地理的に把握し、災害リスクも考慮しながら、住宅供給・再建を空間計画化するための方法を検討した。分析結果や検討の結果を結論として取り纏める作業が遅れている。

また、研究結果を論文として取りまとめ、学会や研究会等で公表する作業が遅れている。研究開始当初予定していなかった校務が多忙となり、これらの作業に遅れが出たため、1年延長してこれらを終了させる予定である。被災者の恒久住宅形態と居住地選択行動に関する分析を踏まえ、恒久住宅供給・再建計画への課題を考察した。大規模災害後の復興過程においては、再建が必要となる住宅数も多いことから自治体や住民への負担が非常に大きい。被災者は復興が長期化する中、地域の人口が減少するなどの地域社会や産業構造の変化に直面することになった。また、仮住まいとして被災前の居住地から外へ移住した場合、仕事や子供の学校の問題などで、元の居住地に戻れない状況を抱える被災者も少なくなかった。さらに、災害危険区域の設定などで元の居住地には住めなくなる被災者も多く、元々のコミュニティの維持が困難となるなど、被災者を取り巻く環境も変化した。このような状況は、住宅再建過程で、被災者がどこに、どのように居住するかを判断することに大きな影響を与えている。すなわち、1長引く復興、2社会環境の変化、3自身や家族のライフステージの変化が、被災者の住宅再建の影響要因となっている。他方、恒久住宅再建施策においては、被災者の住宅再建への要望と提供できる施策のミスマッチや、多くの無駄が発生している。これは、住宅再建後も継続して発生している問題で、公営住宅への入居を希望したが結局入居しなかったり、一旦復興公営住宅に入居した被災者が自宅を再建したりするケースがある。このような問題は公営住宅の空室率が増加することにつながり、無駄な社会インフラを造り出す原因となっている。そこで、ミスマッチや無駄を省き、効率的・効果的な住宅再建の仕組みを構築しなければならない。そのためには、被災者一人一人の状況を踏まえて住宅再建のアドバイスが出来る専門家の存在が重要となるである。また、住宅再建の期間を短縮するような仕組みが必要である。例えば、仮設住宅と恒久住宅の中間的な住宅の提供や、被災者による公営住宅の買取促進などの方策があるが、法律改正も伴うなど課題は多い。みなし仮設住宅居住者を対象に、被災者の観点から住宅再建に関わる要因について分析した。分析結果より、生活利便性が高く安全なまちを実現し、早期に住宅再建することが重視されていることがわかった。他方、コミュニティの維持に対する重要度は低かった。これらから、個人移転を促進する施策を充実させることが一つの解決策となりうる。また、みなし仮設住宅を借上げ公営住宅として被災者が住み続けられるような仕組みも必要である。現在の住宅再建プロセスは、復興を長期化させコストがかかり被災者への負担も大きくなることから、プロセスを柔軟化し、被災者一人一人の事情に応じた住宅再建を可能とするような制度と施策の検討が必要である。仮設住宅居住者を対象に、恒久住宅への移行における意識や意向について調査・分析を行った。
10ナノメートル級半導体量子箱の電子状態の解明とメモリー機能の探索

格子定数の整合しない(例えばGaAs)基板上に異種半導体(例えばInAs)を堆積させると、10nm級の量子箱が自己形成する。この量子箱を電子のトラップとして作用させ、電子の有無を1又は0の情報に対応させるメモリーの可能性の探索と10nm級半導体量子箱の電子状態の解明の研究を行った。量子箱をメモリー素子へ応用するために、GaAs/n-AlGaAsヘテロ接合の界面に伝導チャネルを設けた(逆)HEMT(高電子移動度トランジスタ)構造において、チャネルとゲートの間に自己形成InAs量子箱を導入した素子構造を作製した。この素子でゲート電圧を0.9V以上にすると、チャネルの電子が量子箱に流入して捕縛されるため、トランジスタの閾値電圧がΔVだけ正方向にシフトしてメモリー機能を有することを確認した。この特性の解析から、各量子箱に捕縛される電子は一個であることが分かった。その理由は荷電したInAs量子箱はクーロン電界の作用で、二個目の電子の流入を妨げるとともに、仮に二個目の電子が流入してもそのトンネル放出レートが高いために、元の状態に復帰することによる。さらに、電荷の書き込み(流入)と消去(流出)過程について考察し、障壁構造への依存性や光照射による制御の可能性を示した。また、この種のメモリー素子の動作を、量子ポイントコンタクト構造に適用する試みも行った。その結果、コンダクタンスとゲート電圧特性にヒステリシスの現れることを見出した。10nm級のInAs量子箱をAlGaAs中に埋め込んだ構造で、フォトルミネッセンスおよび容量・電圧分光法によって電子状態の解明を試みた。その結果、電子の量子準位は母体となるAlGaAs中のアルミニウム組成を増すに伴い、約200meVまで上昇する。また、共鳴トンネル電流の磁場依存性から、量子箱中の波動関数についての知見を得た。GaAs/n-A IGaAsヘテロ接合の界面に伝導チャネルを設けた(逆)HEMT(高電子移動度トランジスタ)構造において、チャネルとゲートの間に自己形成InAs量子箱を導入した素子構造を形成した。この素子でゲート電圧を0.9V以上にすると、チャネルの電子が量子箱に流入して捕縛されるため、トランジスタの閾値電圧がΔVだけ正方向にシフトしてメモリー機能が達成された。この特性の解析から、各量子箱に捕縛される電子は一個であることが判明した。その原因は荷電したInAs量子箱はクーロン電界の作用で、二個目の電子の流入を防げるとともに、仮に二個目の電子が流入してもそのトンネル放出レートが高いために、元の状態に復帰することによる。このメモリー素子に光を照射し、量子箱内に電子・正孔対を形成すると、正孔一個を捕縛した状態ができ、トランジスタの閾値が負にシフトするため光検出器となることも見出した。このメモリー素子の電荷保持特性をよりよく制御するために、10nm級のInAs量子箱をAIGaAs中に埋め込んだ構造で、電子や正孔の量子準位をフォトルミネッセンスおよび容量・電圧分光法で調べつつある。その結果、低温で成長したサイズの小さな量子箱では、母体となるAIGaAs中のアルミニウム組成を増すにつれて、電子の量子準位が約200meVまで上昇すること、高温での成長で作られたやや大きめの量子箱では、その効果が小さいことを見出している。今後は、量子箱への流入・流出のダイナミックスを調べるとともに、量子箱の積層化や超薄膜化、高密度化のための諸方策に検討を加えていく。格子定数の整合しない(例えばGaAs)基板上に自己形成する10nm級の(例えばInAs)量子箱を電子のトラップとして作用させ、電子の有無を1又は0の情報に対応させるメモリーの可能性を探るための研究を行っている。

本年は、GaAsのチャネルとゲート金属電極の間をAlGaAs障壁層としたFET構造において、この量子箱をAlGaAs障壁中に埋め込んだ場合の電荷の書き込み(流入)と消去(流出)過程について検討を加えた。まず、書き込み(流入)過程は、チャネル中の電子が、量子箱中の励起準位(又はぬれ層の準位)に共鳴した状態でトンネル流入し、その後基底準位に緩和する形で進行していることが判明した。また、流出(消去)過程は、量子箱の基底準位がチャネルの励起準位が共鳴した状況で生じる可能性の高いことを見出した。また、この種のメモリー素子の動作を、量子ポイントコンタクト構造に適用する試みを行った。特にチャネルを加工し200300nm幅のメサ構造とした場合、電流をゲート電圧Vgの関数として測定すると極低温(0.34.2K)で明瞭なコンダクタンスの量子化構造(G=n×(2e^2/h),n=110)の生じていることを示した。この素子に加えるゲート電圧を一定値(Vg≧lV)以上に高めると、G-Vg特性にヒステレシス特性(〓Vg0.1V)が現れた。なお、このヒステリシス特性は、ゲート電圧を低下させると約1/5の大きさに減少するが、量子化コンダクタンスの階段は明瞭に保持されており、1次元電子伝導の少数量子箱による制御が可能であることを証明することができた。但し、このメモリー動作は、ゲート電界がチャネルと量子箱の双方との2次元的で複雑な相互作用で支配されており、理想的なメモリー機能の実現には、その最適制御が不可欠であることが判明した。
長期増強時のグルタミン酸遊離調節機構の解析

長期増強時のグルタミン酸遊離の調節機構を解析するために、先ず、海馬切片より遊離された内因性グルタミン酸を高速液体クロマトグラフィー(HPLC)を用いて測定するシステムを確立した。次に、海馬切片を作成し、1型、2A型蛋白質脱リン酸化酵素阻害薬であるカリクリンAを海馬切片に潅流適用することにより、シャファー側枝とCA1野のシナプス伝達に対する影響を電気生理学的に検討した。その結果、カリクリンAは、この部位でのシナプス伝達に長期増強様現象を起こすことが解かった。また、この長期増強様変化の導出に伴い内因性グルタミン酸の遊離が一過性に増加し、前シナプス、後シナプスのカリウムチャンネル、カルシウムチャンネルがこの現象の導出に関与していることが明らかになった。さらに、蛋白質リン酸化酵素阻害剤のスタウロスポリンがこの現象の発現を抑えることより、この現象は、カリクリンAが蛋白質脱リン酸化酵素を阻害することにより、蛋白質リン酸化酵素が相対的に活性化されることがその導出と維持に必要であることが解かった。以上の結果から海馬の可塑性の発現に蛋白質脱リン酸化酵素が関与していることが明らかになった。
無機機能材料表面の残留応力評価法の開発と機能設計

1各種材料の残留応力評価の研究単結晶SiCでは第一圧子2kgの同一負荷荷重において、ガラス(Na-Ca-Si-O系)より残留応力発生距離は狭く(SiCで200μm,ガラスでは300μm)、等価距離における残留応力は単結晶SiCの方が数倍大きいこと(圧縮残留応力として、SiCでは165MPa,板ガラスでは40MPa)等が判った。2熱処理による残留応力変化の研究Si-Al-Li-O系ガラスでは熱処理により残留応力は緩和し、歪点(Ts=530°C)付近の熱処理によって残留応力はゼロになること、結晶化後は緩和は約100°C高温側にシフトすること等が判った。単結晶SiCにおいては800°Cの熱処理において残留応力の緩和が起こり、1400°C、2時間の熱処理により、残留応力はゼロとなった。多結晶SiCでは残留応力の緩和は単結晶より低温側で進行することが判った。3材料解析および理論解析熱処理にともなう残留応力の緩和は、圧痕の三次元形状変化をともない、いずれの試料でも観察することが出来た。分子動力学法によるイオンの拡散速度計算により、Si-Al-Li-O系ガラスでは、結晶核となるTi^<4+>イオン等が間歇的な動きをすること等が明らかになった。結晶化による耐熱性の向上はガラスの粘性低下による残留応力の緩和を結晶相が抑制することに起因すると考えられる。単結晶SiCの透過型電子顕微鏡による観察では、圧子近傍を中心にSiCの底面(0001)滑りに伴う積層欠陥構造が観察され、圧子近傍ほど、熱処理温度が高いほど底面滑りが顕著になることが判った。半導体、光学材料、構造材料等いずれの用途でも重要な機能となる耐熱性は、SiC>結晶化ガラス>ガラスの順である。本研究で開発した残留応力評価法は熱処理による微小応力および歪み変化が検出可能で、耐熱性とそれに伴う機能の設計に寄与し得る方法である。1各種材料の残留応力評価条件の研究単結晶SiC、焼結SiC,単結晶Si、結晶化ガラス等の機能材料を試料として、ヤング率等の基礎性能測定や結晶方位同定を実施後、室温において(1)インデンテーション法により、第一圧子(ピラミッド形状ダイアモンド圧子により応力発生)及び第二圧子(応力検出)加圧条件や残留応力分布距離(500μm)等の条件を把握し、(2)最適条件を用いて引張・圧縮の応力分布データを取得した。第一圧子および第二圧子圧力の最適値は(0001)面単結晶SiCで(2kg、0.3kg)、結晶化ガラスで(5kg、2kg)等、材料により異なること、単結晶Siについてはラテラルクラックの影響で測定が困難であることがわかった。2熱処理による残留応力変化の研究上記単結晶SiC、ガラス等の試料に熱処理を行い、インデンテーション法で発生させた残留応力の熱処理による残留応力変化に関する基礎研究を行った。SiCに関しては非酸化雰囲気、1200°Cまでの基礎条件を、結晶化ガラスに関しては空気中における結晶化条件、および結晶化前および結晶化後の試料の残留応力測定、熱処理基礎条件を把握することが出来た。3材料解析および理論解析研究残留応力を発生させた試料に対し、三次元形状解析や電子顕微鏡による解析の基礎研究を行った。

単結晶SiCに関しては透過型電子顕微鏡により、6H積層構造をとることを確認し、ガラス構造に関しては分子動力学法により、熱処理にともなう構成イオンの拡散を理論解析できること等がわかった。1各種材料の残留応力評価の研究単結晶SiCでは第一圧子2kgの同一負荷荷重において、ガラス(Na-Ca-Si-O系)より残留応力発生距離は狭く(SiCで200μm,ガラスでは300μm)、等価距離における残留応力は単結晶SiCの方が数倍大きいこと(圧縮残留応力として、SiCでは165MPa,板ガラスでは40MPa)等が判った。2熱処理による残留応力変化の研究Si-Al-Li-O系ガラスでは熱処理により残留応力は緩和し、歪点(Ts=530°C)付近の熱処理によって残留応力はゼロになること、結晶化後は緩和は約100°C高温側にシフトすること等が判った。単結晶SiCにおいては800°Cの熱処理において残留応力の緩和が起こり、1400°C、2時間の熱処理により、残留応力はゼロとなった。多結晶SiCでは残留応力の緩和は単結晶より低温側で進行することが判った。3材料解析および理論解析熱処理にともなう残留応力の緩和は、圧痕の三次元形状変化をともない、いずれの試料でも観察することが出来た。分子動力学法によるイオンの拡散速度計算により、Si-Al-Li-O系ガラスでは、結晶核となるTi^<4+>イオン等が間歇的な動きをすること等が明らかになった。結晶化による耐熱性の向上はガラスの粘性低下による残留応力の緩和を結晶相が抑制することに起因すると考えられる。単結晶SiCの透過型電子顕微鏡による観察では、圧子近傍を中心にSiCの底面(0001)滑りに伴う積層欠陥構造が観察され、圧子近傍ほど、熱処理温度が高いほど底面滑りが顕著になることが判った。半導体、光学材料、構造材料等いずれの用途でも重要な機能となる耐熱性は、SiC>結晶化ガラス>ガラスの順である。本研究で開発した残留応力評価法は熱処理による微小応力および歪み変化が検出可能で、耐熱性とそれに伴う機能の設計に寄与し得る方法である。