hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
狭帯域パルスレーザーによる極微量核種高分解能共鳴イオン化分光・分析法の開発

放射性核種の高分解能レーザー共鳴イオン化分光・分析のために、グレーティング型Ti:Saレーザーを構築し、それを用いたイオン化スキームの探査手法を開発した。また、狭帯域・高繰り返し率注入同期Ti:Saパルスレーザーを用いて、安定核種(Nb、Ti、Zrなど)の高分解能共鳴イオン化分光を行い、基本特性を明らかにした。さらに、理化学研究所PALISやユバスキュラ大学などの加速器実験施設における放射性核種の共鳴イオン化分光への適用性を検討した。極微量核種の分光・分析に向けて、狭帯域・高繰り返し率注入同期チタンサファイアパルスレーザーを用いた高分解能共鳴イオン化分光法(Resonance Ionization Spectroscopy: RIS)の開発を進めている。3ヵ年計画の3年目である本年度の研究実績は以下のとおりである。(1)高分解能RIS開発のためのレーザー光源の整備として、注入同期チタンサファイアレーザーの特性について詳細な評価を行った。また、高分解能共鳴イオン化分光を実現するために最適なイオン化スキームの探査が不可欠である。そこで、波長可変性能が高く、高繰り返し率で動作するグレーティング型チタンサファイアレーザーの光学系を設計し、その製作にとりかかった。(2)注入同期型チタンサファイアレーザーと既存の広帯域パルスレーザーのパルス時間制御系を整備し、基礎実験装置を構築した。これを用いて、NbおよびTi安定同位体を対象とした高分解能RIS用イオン化スキームの探査を行った。NbおよびTiの高分解能共鳴イオン化スペクトルにおいて、それぞれ超微細分裂、同位体シフトを分解可能であることが示された。3ヵ年計画の2年目である本年度の研究実績は以下のとおりである。(1)高分解能RIS開発のためのレーザー光源の整備として、グレーティング型チタンサファイアレーザーを構築し、発振波長・時間・出力の基礎特性を評価した。発振時間は発振波長領域で最大50 ns、出力変化により最大600 ns変化するが、共振器内のポッケルセルにより最大2000 nsの発振時間の遅延が可能であることを示した。これにより、遅延時間と発振波長域・出力の関係を明らかにした。また、安定性を向上させた注入同期型チタンサファイアレーザーの構築を行った。(2)グレーティング型チタンサファイアレーザーの基本波の広域にわたる波長可変性能と、共振器内での第二高調波発生による出力光の波長領域をもとに、Nbなどの高分解能RISに向けたイオン化スキームの候補を選定した。(3)本研究にて構築した改良型の注入同期型チタンサファイアレーザーとグレーティング型チタンサファイアレーザーにより、Zrの高分解能共鳴イオン化を行い、超微細分裂、同位体シフトを分解可能であることを示した。また、アクチノイド核種およびプルトニウムなどの高分解能RISに向け、フィンランド・ユバスキュラ大学にてガスセル中プルトニウム同位体のレーザー共鳴イオン化に関する基礎実験を行った。若干の遅れている部分と前倒しで実施している部分があり、概ね順調であると判断した。(1)高分解能RISのために、注入同期型チタンサファイアレーザーの周波数校正手法を開発した。ここでは、温度安定化したファビリペロー干渉計の使用とともに、光周波数コムの利用が有用である見込みを得た。なお、光周波数コムを用いた実験は、名古屋大学西澤典彦教授の協力のもとに行われた。(2)グレーティング型チタンサファイアレーザーを用い、ThやZrの2色共鳴イオン化スキームを開発し、その効率評価を行った。(3)アクチノイド核種およびプルトニウムなどの高分解能RISに向け、フィンランド・ユバスキュラ大学にて、ガスセル中プルトニウム同位体のレーザー共鳴イオン化スキームの開発を平成27年度に引き続きフィンランド・ユバスキュラ大学にて実施した。グレーティング型チタンサファイアレーザーによる広域波長スキャンの結果、ガスセル内でレーザーにより共鳴励起された原子は、バッファガスとの衝突により脱励起するため、真空中で最適とされている共鳴イオン化スキームは有効でないことが明らかとなった。また、ガスセル内でのPuの高効率なイオン化スキームを見出した。これらの実験は、研究協力者のドイツ・マインツ大学Klaus Wendt教授とフィンランド・ユバスキュラ大学Iain Moore教授の協力のもとに行われた。これらを通じて、高効率なイオン化スキームを開発するためのレーザー光源の整備と効率の評価法、また、高分解能RISのための注入同期型チタンサファイアレーザーの周波数校正手法を開発し、光周波数コムの利用が有用である見込みを得た。さらに、放射性核種であるPuの共鳴イオン化実験を行い、ガスセル内共鳴イオン化の特性を明らかにした。平成26年度に計画していた項目を実施されており、順調に進展していると判断した。国内にてプルトニウムなどの放射性核種の共鳴イオン化を行うための許可を得ることは、法令上、容易ではない。

このため、引き続き研究協力者のドイツ・マインツ大学Klaus Wendt教授やフィンランド・ユバスキュラ大学Iain Moore教授の協力を仰ぎつつ、放射性核種分析を実施する計画である。このような基礎実験により、高分解能RISの基本性能を明らかにする予定である。量子ビーム計測工学高分解能RIS開発に向けて、グレーティング型チタンサファイアレーザーを構築し、基本特性を明らかにする。また、その広域にわたる波長可変性能を生かし、高分解能RISに向けたイオン化スキームの候補を選定する。また、注入同期型チタンサファイアレーザーを用いて、2光子吸収やガスジェット中での高分解能RISの基礎実験を実施する。一部の光学系について、納入に時間がかかることが判明したため、繰越した。平成26年度に設計したグレーティング型チタンサファイアレーザーの光学系の一部を購入予定であったが、製作に時間がかかることが判明したため、繰越した。平成27年度に購入予定であった光学部品を購入し、その他は当初計画通りに執行する予定である。平成26年度に購入予定であった光学部品を購入し、その他は当初計画通りに執行する予定である。
ミクロの原子/分子スイッチとマクロの電気伝導を繋ぐ原子スケールエレクトロニクス

走査トンネル顕微鏡は、原子分解能像を得るのみならず、原子を一つ一つ動かす原子操作や原子スイッチが可能である。一方で、原子間力顕微鏡(AFM)により、単一分子の分子骨格が画像化されるなど進展が著しい。研究代表者は、4つのSi原子が傾いて結合したSi4原子スイッチを作製し、世界で初めてSTMのトンネル電流とAFMの化学結合力の両方で同時に原子スイッチさせることに成功した[論文Nano Letters]。他方で、走査トンネルポテンシオメトリー(STP)は試料にマクロな電流を流しながらナノスケールで電気伝導をマッピングできる手法である。本研究計画ではその方向性を組みなおし、Si4原子スイッチ同士や分子と連動させて、それらの電子状態をSTMで結合状態をAFMで、さらに電気伝導状態をSTPで可視化することを目指した。装置の立ち上げに関して、共同研究によりOmicron社製低温4探針STMの再立ち上げに必要な数千点の物品と数百本の配線の確認を数か月かけて完了した。装置を清浄な状態にし、搬出に必要な分解と組み立てを行った。実験室の整備を入念に行い、搬入を済ませた。研究内容に関して、研究の基盤となるSi4単体のAFMによる原子スイッチの研究、および双子Si4-Si4原子スイッチの研究を国際招待講演(上海)、国際学会(ヘルシンキ)、国内招待講演2回(日本表面真空学会、OIST)で発表した。また、本研究計画の準備にもつながる、STPの試験で用いるAg(111)超薄膜上に関する研究が広がった。Ag(111)超薄膜上での量子井戸状態と鏡像準位状態との相互作用を観測した[発表物理学会、表面真空学会]。また、r3-B/Si(111)表面超構造とAg(111)超薄膜の界面構造の解明[論文JJAP、解説表面と真空、発表物理学会]、試料の候補であるBi超薄膜においても複数の学会発表があった。【装置改造3:4探針STMの立ち上げと4探針STP化】奈良先端大との共同研究により、Omicron社製低温4探針STMの立ち上げを進めている。現地調査により、大気中でのプローバーとしての動作、超高真空中でのSTMとしての動作、超高真空中での高分解走査型電子顕微鏡の動作の3段階で再起動を進める計画を立て、問題なく立ち上げられるめどが立ったことを業者と確認した。数か月間のかけて装置の約1000点の物品と数百のケーブルの確認と洗浄を行った。必要に応じて装置の一部を分解し、搬出が可能な状態にした。受け入れ実験室の整備を徹底的に行い、装置の搬入を済ませた。この装置は本研究計画の主要な装置の一つであり、その前準備が整ったことから大きな進展があったと判断した。また、東大との共同研究により、昨年5月に現所属に搬入したUNISOKU社製低温4端子に関して、主要な物品の整理を行い、不足している真空備品の選定を進めている。【計画1-1:連動する双子Si4-Si4原子スイッチをAFMの力で原子スイッチする】研究の基盤となるSi4単体のAFMによる原子スイッチの研究、および双子Si4-Si4原子スイッチの研究を国際招待講演(上海)、国際学会(ヘルシンキ)、国内招待講演2回(日本表面真空学会、OIST)で発表した。【装置改造2:電気伝導測定のためのSTP多探針化の試験で用いるAg(111)超薄膜の研究】また、本研究計画の準備にもつながる、STPの試験で用いるAg(111)超薄膜上に関する研究が広がった。【装置改造1:力と分子骨格計測のためのAFM化】若手研究(A)によりUNISOKU社製低温STMの導入を進めた。本研究課題の力スイッチと分子骨格計測を行うためにはAFMセンサーの加振とその検出のために2つの電極を追加し、探針と試料を上下逆にするのがポイントである。この改造を行ったユニソク社製改造AFMユニットを導入する。【装置改造2:電気伝導測定のためのSTP多探針化】本研究課題の電気伝導測定をSTPで行うためには、電流導入のための電極2つとそれを表面一原子層に届けるためのプローブが必要である。その改造を行ったユニソク社製改造AFM/STPユニットを導入する。【装置改造3:4探針STMの立ち上げと4探針STP化】基盤研究(B)の補助、および奈良先端大との共同研究により、Omicron社製低温4探針STMの搬入準備を進めている。4探針STMヘッドやSEMのメンテナンスや交換を行い、まずは4探針STMとして再稼働させる。続いて、4探針AFMおよび4探針STPへ改造し、原子構造と電気伝導の原子スケール可視化が可能となる。【計画1-1:連動する双子Si4-Si4原子スイッチをAFMの力で原子スイッチする】Si(111)-7x7表面に0.2ML程度のSi原子を室温で蒸着して、相互作用するSi4原子スイッチを作成する。Si4原子スイッチの4つの原子のうち、OnまたはOff状態にあるSi原子上に探針を移動し、力の距離依存性(フォースカーブ)を測定する。

その急峻な変化点から力スイッチに必要な力がそれぞれ何nNの引力なのかを求める。それを単体のSi4原子スイッチの場合の約1.5nNと比較し、相互作用が力スイッチに与えた影響を知る。次年度からは、PTCDA分子を蒸着し、Si4原子スイッチとの連動や、分子単独でのスイッチを狙う。走査トンネル顕微鏡は、原子分解能像を得るのみならず、原子を一つ一つ動かす原子操作や原子スイッチが可能である。一方で、原子間力顕微鏡(AFM)により、単一分子の分子骨格が画像化されるなど進展が著しい。研究代表者は、4つのSi原子が傾いて結合したSi4原子スイッチを作製し、世界で初めてSTMのトンネル電流とAFMの化学結合力の両方で同時に原子スイッチさせることに成功した[論文Nano Letters]。他方で、走査トンネルポテンシオメトリー(STP)は試料にマクロな電流を流しながらナノスケールで電気伝導をマッピングできる手法である。本研究計画ではその方向性を組みなおし、Si4原子スイッチ同士や分子と連動させて、それらの電子状態をSTMで結合状態をAFMで、さらに電気伝導状態をSTPで可視化することを目指した。装置の立ち上げに関して、共同研究によりOmicron社製低温4探針STMの再立ち上げの準備を行った。また、STPに関連して、東大との共同研究により、電気伝導を測定するUNISOKU社製低温4端子を獲得し、2017年5月に現所属へ搬入した。研究内容に関して、研究の基盤となるSi4単体のAFMによる原子スイッチの研究、および双子Si4-Si4原子スイッチの研究を国際学会含む8回の学会発表(ACSIN2016, ICSPM, NC-AFM2017, ISSS8、他)や招待講演(横浜国立大学、上海交通大学)で発表した。また、本研究計画の準備にもつながる、STPの試験で用いるAg(111)超薄膜上に関する研究が広がった。Ag(111)超薄膜上での量子井戸状態と鏡像準位状態との相互作用を観測した[論文PRB]。また、r3-B/Si(111)表面超構造とAg(111)超薄膜との界面に3x3超周期が存在することをSPring-8のX線構造回折により確かめた[論文JJAP]。【装置改造3:4探針STMの立ち上げと4探針STP化】奈良先端大との共同研究により、Omicron社製低温4探針STMを獲得した。現地調査により、大気中でのプローバーとしての動作、超高真空中でのSTMとしての動作、超高真空中での高分解走査型電子顕微鏡の動作の3段階で再起動を進める計画を立て、問題なく立ち上げられるめどが立ったことを業者と確認した。一方で、30W以上の電源、冷却水循環装置、圧縮空気等のインフラ不足していることを業者と確認した。装置は現地での立ち上げと調節後にH31年度4月を目標に現所属への搬入手続きを進めている。また、東大との共同研究により、UNISOKU社製低温4端子を獲得し、5月に現所属へ搬入した。主要な装置は揃っているが、準備室が不足している状態である。【計画1-1:連動する双子Si4-Si4原子スイッチをAFMの力で原子スイッチする】
フラクタルの内的構造を巡る数学の諸分野の相互作用

本研究においては、フラクタル集合を、その構造に注目し、解析学・幾何学・代数学にわたる広い視点から考察した。特に、フラクタル的な構造をもつ物体の上の波や熱伝導などの物理現象の数学的モデルとして、フラクタル上の確率過程論・ポテンシャル論について、例えば熱の時間的広がりと空間的広がりが分かるための一般的な条件を明らかにした。さらに、空間に無限個の穴がある場合の、平衡状態での熱の分布に関して、その解析学的な性質を考察し、熱分布が滑らかであるための条件を得た。研究代表者木上は、p-adic numbersを一般化したnoncom pact Cantor set上へのjump processの構成法を与え、構成されたprocessがconservativeになるための必要十分条件や、processの熱核の漸近挙動を明らかにした。さらに、noncompact Cantorsetに付随する無限tree上のrandom walkから誘導されるnoncompact Cantor set上のjump processの特徴付けを行った。また、研究代表者木上は、一般の距離空間に対する無限treeによるparametrizationの元で、その上の測度がvolume doublingに成るための必要十分条件、2つの距離が互いにquasisymmetricに成るための必要十分条件を明らかにした。研究分担者熊谷は、Z.Chen氏、P.Kim氏らと共同で距離空間上のjump processの熱核とjume kernelの漸近挙動の関係を明らかにした。研究分担者伊藤は、P.Armoux氏らと共同で平面上のsubstitutionを自由群のautomorphismと関係付けその代数的な性質を研究した。研究代表者木上は次のような2つのテーマに渡って研究を行った。1.ユークリッド空間を含むSierpinski carpet上のBrownian motionのTime changeに関して、speed測度の半径rの球の測度のrに関する減衰がある種の正則生を持つときに、スケールによらないPoincare不等式を証明し、それを用いて連続な熱核の存在を示した。さらに、speed測度がvolume doublingであるときには、ユークリッドの距離とquasisymmetricな距離が存在しその距離の基で熱核のsub-Gaussian評価が成立することを示した。研究代表者による成果を中心に主な実績のみを記す。・研究代表者木上は、Cheegerによるmeasurable differentiable structureから構成されるDirichlet formと、Fractal上に構成されたDirichlet formの関連について研究を行った。Grigor'yan-Lau-HuおよびKumagai-Sturmの結果を改良することにより、heat kernelがsub-Gaussian estimateを満たす場合のenergy measureの漸近的な表現を得た。その表現を用いて、heat kernelがGaussian estimateを満たす時、stongly localなDirichlet formは、適当な距離に対してCheegerの構成から得られるものと同値になることを明らかにした。・研究分担者相川は、無限個の穴の空いた領域上でのharmonic functionについてharnack inequalityが成立するための条件について研究した。そしてextended harnack inequalityが成立するための十分条件として、領域のWhitney decompositionと穴との交わりのCapacityの比に関する条件を得た。・研究分担者熊谷は離散グラフの列の上にGaussian freefieldを考え、その最大値の列の性質を研究した。ポテンシャル論を用いた有効抵抗の評価により、最大値の列がtightにならない十分条件を与え、様々な再帰的フラクタル図形についてこの十分条件を検証した。本年度が研究の初年度でもあり、目に見える成果としてはこれまでの研究成果から直接に得られる結果が主となった。しかしながら、今後の計画の推進に向けて新しい方向での研究も進展しておりその証拠として、今後の研究の基礎となる成果について研究代表者だけで国際研究集会における招待講演4件を行っている。25年度が最終年度であるため、記入しない。上記の研究実績、国際会議での招待講演の状況、論文の発表状況などから研究は当初の計画通り順調に進展していると言える。現在のところ当初の計画どおり順調に成果を挙げつつあるので、海外での最新の研究動向の把握に努めながら、研究の進捗を当初計画通り計る。研究は順調に進展しているので、当初の研究計画に則して粛々と研究を続ける。
胎盤形成において絨毛細胞の機能分化を制御する遺伝子群の同定

流産や妊娠中毒症など妊娠維持機構が破綻した疾患では、EVTの細胞死や機能異常が病態形成に関わっていると考えられている。その制御機構は不明であったが、我々の研究によって絨毛細胞の細胞死や機能が、液性因子と細胞外マトリクス(ECM)により調節されることが明らかとなった。これまで我々がえた、(1)TNFαがEVTにアポトーシスを誘導すること(2)このアポトーシスはコラーゲンやラミニンなどECMへのインテグリンを介したシグナルにより抑制されること、(3)TNFαは浸潤・生存にかかわるインテグリン発現を調節すること、(4)マトリゲル上ではEVTが血管内皮に分化し、その制御にもTNFα、血管成長因子(VEGF)が関与すること、の4点の知見からECMと液性因子がEVTの分化制御を行う一方で、ECMやサイトカインの組み合わせによって、分化が異なった方向に調節されることを示唆する。本年度はEVTの分化調節機構を明らかにすることを目的とし、前年度おこなったDNAマイクロアレイにより明らかとなった、ヒト絨毛細胞株TCL1細胞に血管内皮様分化の過程で増幅されるSIAH1遺伝子に注目し遺伝子導入による過剰発現ならびにRNAiによる抑制実験をおこなった。その結果、SIAH1遺伝子を強発現したTCL1細胞では、その下流にあるとされるHIF遺伝子産物、HSP90遺伝子産物の発現が上昇していた。SIAH1遺伝子遺伝子に対するSiRNAを導入しても、マトリゲル上でのTCL1細胞の血管内皮様分化は抑制されないことが明らかとなった。これらの結果は、SIAH1は直接ではなく、その下流にある遺伝子群を介して血管内皮様分化に関与している可能性を示すものと考えられた。絨毛外トロフォブラスト(EVT)の機能異常が流産や妊娠中毒症など妊娠維持機構の破綻と考えられる疾患の病態形成に関わっていることから、EVT機能分化は生理的妊娠の成立と維持に深く関与していると考えられている。EVT分化の制御機構はいままで不明であったが、我々はこれまで脱落膜や子宮内膜に存在する液性因子が細胞外マトリックスとの相互作用のもとでEVT分化を制御している可能性を明らかにしてきた。そこで、本研究ではEVTの細胞分化にかかわる因子を決定するとともにこれがEVTにもたらす遺伝子変化を明らかにすること、さらにその生物学的意義をin vivoで検証すること、を目的とした。今年度は、1)液性因子による血管内皮特異的integrin分子発現の変化とその生物学的意義をリアルタイムPCR、RTPCR、免疫ブロットならびに免疫染色を用いて、ヒトEVT不死化細胞株TCL1において、それぞれ検討した結果1)TNFα、VEGFは血管内皮特異的なintegrin αVβ3サブユニットの発現を誘導するとともに、これらのサブユニットからのシグナルは血管内皮分化および細胞死の制御に関わること、2)TCL1細胞が血管内皮様の形態変化にともなってHIFの上流に存在し低酸素状態で誘導されるユビキチン関連タンパクSIAH1発現が誘導されることが、明らかとなった。以上よりTNFα,VEGFとintegrinによるシグナルが胎盤形成におけるEVTの浸潤のみならず血管内皮への分化制御にも関わると考えられ、また酸素濃度等による調節機構が存在することが示唆された。
モデル動物を用いた白内障発症機構の分子生物学的研究

1.フィレンシンのレンズ線維細胞特異発現の機構とトランスクリプトームの解析。マウスより単離したフィレンシン遺伝子プロモータ配列のうちで、-56/+93について10bpづつ欠失した配列をもつレポータプラスミドのセットを作製したところ、4つの欠失クローンでプロモータ活性のほぼ完全な消失がみられ、転写因子がこれらの領域に作用していることが示された。そこで欠失配列を持った二本鎖プローブを合成しEMSA法とオリゴマーを結合したカラムクロマトグラフィを用いて、フィレンシンの水晶体特異発現を司る転写因子の同定を行った。Sp1を始め幾つかの転写因子が関わっている可能性が示されたところである。2.遺伝的フィレンシン欠損ノックアウトマウス作成によるフィレンシンの機能解析。フィレンシン遺伝子の水晶体での機能を探るため、ノックアウトマウスを作製した。得られたマウスの眼組織に外的な異常は見られなかったので、現在その水晶体の微細な形態的異常にって検索中である。3.変異γクリスタリンによってもたらされる遺伝性白内障。現在まで3種類のγクリスタリン変異によるマウス遺伝性白内障が知られているが、これまで変異クリスタリンと白内障発症との関連は明らかでなかった。3種類の変異マウスのそれぞれのレンズの細胞核を観察したところアミロイド様封入体が見られた。また遺伝子組み換えによって合成した変異γクリスタリンは水溶液中でアミロイド様の構造を取っていたので、封入体は変異γクリスタリンであることが示された。これらの結果から、γクリスタリンは変異によってアミロイド様封入体を細胞核内に形成し、核の機能を低下させ遺伝性白内障を引き起こすことが示された(1)フィレンシンのレンズ線維細胞特異発現の機構とトランスクリプトームの解析。(i)フィレンシン遺伝子の組織特異的発現に関与する領域のうち、FGF2やcAMPの添加でフィレンシン合成が増強される領域として(-2144/-224)と(-223/+3)を同定した。(ii)より詳細な解析のために、機能領域としてS12領域の3'側断片(S12-3')と、プロモータ領域の(-1284/665)(-664/-224)(-223/+3)を各々複数個タンデムに連結したOne-hybrid systemのためのbaitレポータプラスミドを構築した(担当:正木茂夫)。(2)フィレンシンの生理的プロテオリシス機構とモデル動物における白内障発症との関連。マウスフィレンシンを強制発現する細胞株を作成した。またフィレンシン断片の検出のための抗体を作成した。(担当:正木茂夫、伊藤吉將)。(3)遺伝的フィレンシン欠損ノックアウトマウス作成によるフィレンシンの機能解析。フィレンシン遺伝子ノツクアウトプラスミドを構築し、引き続いて遺伝子組み換えES細胞を樹立した。(担当:正木茂夫、Roy A.Quinlan)。これらの結果から、γクリスタリンは変異によってアミロイド様封入体を細胞核内に形成し、核の機能を低下させ遺伝性白内障を引き起こすことが示された1.フィレンシンのレンズ線維細胞特異発現の機構とトランスクリプトームの解析。(i)細胞の増殖プロセスにはSrcファミリーキナーゼが関与していることが知られているが、最近その特異的な阻害剤であるPP1によって、レンズ上皮細胞は増殖を止め一斉に線維細胞へと分化することが示された。この際にフィレンシン合成の著しい亢進が見られるので、レンズ細胞の分化に関わる転写因子のうちでフィレンシン遺伝子プロモータに作用しその発現を制御しているものがあることが予想される。

また遺伝子プロモータ配列のうち-56/+93について10bpづつ欠失した配列をもつレポータプラスミドのセットを作製したところ、4つの欠失クローンでプロモータ活性のほぼ完全な消失がみられ、転写因子がこれらの領域に作用することが示された。欠失配列を持ったプローブを合成しEMSA法を用いて転写因子の同定を行っている(担当:正木茂夫、伊藤吉將)。2.遺伝的フィレンシン欠損ノックアウトマウス作成によるフィレンシンの機能解析。フィレンシン遺伝子ノックアウトマウスを作成する目的で、遺伝子組み換えES細胞を得て、キメラマウスを作製した。現在は、遺伝子組み換えマウスの交配を行なっている(担当:正木茂夫、Roy A. Quinlan)。3.変異γクリスタリンによってもたらされる遺伝性白内障。現在まで3種類のγクリスタリン変異によるマウス遺伝性白内障が知られているが、これまで変異クリスタリンと白内障発症との関連は明らかでなかった。3種類の変異マウスのそれぞれのレンズの細胞核を観察したところアミロイド様封入体が見られた。また遺伝子組み換えによって合成した変異γクリスタリンも水溶液中でアミロイド様の構造を取っていたので、封入体は変異γクリスタリンであることが示され、γクリスタリンは変異によってアミロイド様封入体を細胞核内に形成し、核の機能を低下させ白内障の原因となることが示された(担当: Roy A. Quinlan、正木茂夫)。1.フィレンシンのレンズ線維細胞特異発現の機構とトランスクリプトームの解析。マウスより単離したフィレンシン遺伝子プロモータ配列のうちで、-56/+93について10bpづつ欠失した配列をもつレポータプラスミドのセットを作製したところ、4つの欠失クローンでプロモータ活性のほぼ完全な消失かみられ、転写因子がこれらの領域に作用していることが示された。そこで欠失配列を持った二本鎖プローブを合成しEMSA法とオリゴマーを結合したカラムクロマトグラフィを用いて、フィレンシンの水晶体特異発現を司る転写因子の同定を行った。Sp1を始め幾つかの転写因子が関わっている可能性が示されたところである。フィレンシン遺伝子の水晶体での機能を探るため、ノックアウトマウスを作製した。得られたマウスの眼組織に外観的な異常は見られなかったので、現在その水晶体の微細な形態的異常につて検索中である。また遺伝子組み換えによって合成した変異γクリスタリンは水溶液中でアミロイド様の構造を取っていたので、封入体は変異γクリスタリンであることが示された。これらの結果から、γクリスタリンは変異によってアミロイド様封入体を細胞核内に形成し、核の機能を低下させ遺伝性白内障を引き起こすことが示された
膜蛋白質複合体コネクソンの結晶構造解析によるギャップ結合の動作機構の解明

隣接する細胞を連結して分子を細胞間で通過させる所をギャップ結合チャネルという。ヒトコのギャップ結合チャネルの構造を3.5Å分解能で決定した。得られた構造はこれまで見つかっている21種すべてのギャップ結合チャネルを代表する構造である.電子顕微鏡による体分解能の構造に基づいて提唱されていた4本の膜貫通ヘリックスの配置は誤りであることが明らかになった。アミノ末端ヘリックスがチャネルの中央部に集まってロート状の構造を形成し、この部分がチャネルの開閉の際に弁の役割を果たしていることを明らかにした。生物の構造を上位の階層から辿っていくと、個体、器官、組織、細胞、細胞内小器官、超分子、蛋白質・核酸、小分子の階層構造がある。上位の階層の働きは直ぐ下の階層のものの相互作用によって規定される。細胞が集まって出来ている組織の働きは細胞間の相互作用によって制御される。細胞間相互作用に関わる部分で、比較的小さな分子を細胞間で通過させる所をギャップ結合という。このギャップ結合を形成しているのは、コネキシンと呼ばれる膜蛋白質が6量体を形成しているコネクソンである。コネキシンの1アミノ酸置換遺伝子の中に難聴がある。このことは、このギャップ結合が小分子を通過させる単なるパイプではなく、特異な動作機構によって小分子が通過させていることを強く示唆している。本研究はコネクソンの構造をX線結晶構造解析によって決定して、細胞間の小分子輸送の仕組みを明らかにして、細胞間相互作用の理解を深めることを目的にしている。現在、開口状態のコネクソンの結晶化を進めている。精製標品の評価は動的光散乱と電子顕微鏡観察で行っており、動的光散乱による分散の単一性と電子顕微鏡による粒形の均一性は結晶化用標品としての適正の判断に有効である。これまでに得られている結晶の最高の分解能は4Åである。SPring-8の生体超分子構造解析ビームラインBL44XUで回折強度データを収集した。電子顕微鏡による構造研究によって、膜貫通領域の4本のヘリックス構造が報告されている。この構造に基づいて分子置換法によって初期位相を決定し、非結晶学的対称性を利用した位相決定を行った。SPring-8の生体超分子構造解析ビームラインBL44XUでNative結晶の3.5Å分解能、SeMet置換体結晶の4.5Å分解能Ta6Br14誘導体の7Å分解能の回折強度データを波長0.9ÅのX線で収集した。またNative結晶について波長1.7AのX線を用いて6Å分解能の回折データを収集した。重原子同型置換法で初期位相を決定し、非結晶学的6回軸による平均によって電子密度の精密化をお濃かった。異常散乱効果を利用した差のフーリエ合成によって、電子密度図上のCys残基とMet残基の同定を行ってアミノ酸の同定を行っているところである。細胞が集まって出来ている組織の働きは、それを構成する細胞間の連携によって制御される。細胞間で比較的小さな分子を細胞間で通過させる所をギャップ結合チャネルという。隣り合う細胞膜を貫通するコネクソンがhead-to-headで2量体を形成することによって、ギャップ結合チャネルができる.本研究はギャップ結合チャネルの構造をX線結晶構造解析によって決定して、細胞間の小分子輸送の仕組みを明らかにして、細胞間連携の理解を深めることを目的にしている。ヒトコネキシン-26ギャップ結合チャネルの構造を3.5A分解能で決定した。その結果、細胞内にあるループ領域とカルボキシ末端ループを除いて、各アミノ酸側鎖の配置も含めて決定することができた。

構造決定した領域は21種のヒトコネキシンにおいてアミノ酸残基の保存性の高い部分であり、得られた構造がすべてのギャップ結合チャネルを代表する構造である.従来から提唱されていた4本の膜貫通ヘリックスの配置は誤りであることが明らかになった。難聴の原因になる変異と構造の関係も明らかになった。アミノ末端領域には短いヘリックスが有り、コネクソンでは6個のアミノ末端ヘリックスがチャネルの中央部に集まってロート状の構造を形成し、この部分がチャネルの開閉の際に弁の役割を果たしている。この弁の開閉機構も提案した.細胞外ループ領域がコネクソン間結合に係っていることを明らかにした。ギャップ結合チャネルとして最初の構造決定であり、今後の研究の要石となる構造を得た。
環境水中の微量ホウ素の簡便・高感度計測法の確立と新規蛍光試薬の開発

通常の河川水,水道水中のホウ素濃度は,およそ10ppb(10^<-8>g/g)程度であり,以前開発したクロモトロープ酸を反応試薬とする蛍光検出/フローインジェクション法(FIA)でも定量可能であるが,半導体製造分野では10ppt(10^<-12>g/g)レベルの高感度定量が要求されている。水溶液中ではホウ素は反応性に乏しいため,反応試薬を大過剰に添加する必要がある。クロモトロープ酸は自身も蛍光を発するため,未反応のクロモトロープ酸の蛍光が感度向上を妨害する。そこでホウ素錯体生成後,アルカリを加えてバックグラウンドの蛍光強度を低下させることにし,アルカリとしてアンモニアを用いたところ,非常に安定なベースラインを得ることができた。EDTAを添加して,共存する金属イオンの妨害を除くことができ,前処理なしでホウ素10^<-9>Mの定量が可能となった.検出限界は5x10^<-10>M(5ppt)で,現在簡便で最も高感度な定量法となった。FIAを用いることにより1時間に40試料の分析が可能であった。本法により,イオン交換水,蒸留水中に存在するホウ素は直接定量できた。超純水中に存在する微量のホウ素(10^<-10>Mレベル)は,加熱濃縮操作法を併用することにより,定量可能となった。また,クロモトロープ酸は非常に有用な反応試薬であるが,自然光で分解される。この欠点を克服する新規試薬として,2,7-naphthalenedisulfonic acidの1,8-位にdiamino基,そのトシル誘導体2種hydroxyl基とtrifluorosulfoamino基を導入した水溶性蛍光反応試薬4種の合成を行い,新規試薬の基本定数を決定した。Trifluorosulfoaminoと-OHをもつ試薬はホウ素と反応性を示し,新規蛍光反応試薬を合成することができた。1ホウ素の高感度計測法の開発今年度は,まず極微量ホウ素の高感度定量法開発を目的として,クロモトロープ酸を用いるホウ素の蛍光検出/フローインジェクション法(FIA)について検討を行った。クロモトロープ酸とホウ酸との反応生成物の蛍光を利用するホウ素の定量法では,反応を行わせるため反応試薬であるクロモトロープ酸を大過剰に添加する必要がある。この過剰に残存するクロモトロープ酸の蛍光により感度向上が困難である。そこでバックグラウンド強度を低下させるために,アルカリを加えて分解することにし,アルカリとしてアンモニアを用いたところ,非常に安定なベースラインを得ることができた。さらに緩衝液にEDTAを添加して,金属のマスキングを兼ねたpH調整を行なうことにより,共存する金属イオンの妨害を除くことに成功した。ホウ素錯体の蛍光検出(励起波長λ_<ex>=313nm,蛍光波長λ_<em>=360nm)により,前処理なしでホウ素10^<-9>Mの定量が可能となった.S/N=3での検出限界は5x10^<-10>M(5ppt)で,現在最も高感度な定量法となった。ホウ素6x10^<-9>Mの10回繰り返し実験の相対標準偏差は3.6%(n=10)であり,1時間に40試料の分析が可能であった。この開発したFIAにより,イオン交換水,蒸留水中に存在するホウ素は直接定量できた。

2新規蛍光試薬の合成2,7-naphthalenedisulfonic acidを基本骨格として,1,8-位に蛍光性を持つ様々な置換基を導入した水溶性反応試薬の合成を行っている。通常の河川水,水道水中のホウ素濃度は,およそ10ppb(10^<-8>g/g)程度であり,以前開発したクロモトロープ酸を反応試薬とする蛍光検出/フローインジェクション法(FIA)でも定量可能であるが,半導体製造分野では10ppt(10^<-12>g/g)レベルの高感度定量が要求されている。水溶液中ではホウ素は反応性に乏しいため,反応試薬を大過剰に添加する必要がある。クロモトロープ酸は自身も蛍光を発するため,未反応のクロモトロープ酸の蛍光が感度向上を妨害する。そこでホウ素錯体生成後,アルカリを加えてバックグラウンドの蛍光強度を低下させることにし,アルカリとして水酸化ナトリウムに替えてアンモニアを用いたところ,非常に安定なベースラインを得ることができた。さらにEDTAを添加して,共存する金属イオンの妨害を除くことができ,前処理なしでホウ素10^<-9>Mの定量が可能となった.検出限界は5x10^<-10>M(5ppt)で,現在簡便で最も高感度な定量法となった。FIAを用いることにより1時間に40試料の分析が可能であった。本法により,イオン交換水,蒸留水中に存在するホウ素は直接定量できた。超純水中に存在する微量のホウ素(10^<-10>Mレベル)は,加熱濃縮操作法を併用することにより,定量可能となった。また,クロモトロープ酸は非常に有用な反応試薬であるが,自然光で分解される。この欠点を克服する新規試薬として,2,7-naphthalenedisulfonic acidの1,8-位にdiamino基,そのトシル誘導体2種,hydroxyl基とtrifluorosulfoamino基を導入した水溶性蛍光反応試薬4種の合成を行い,新規試薬の基本定数を決定した。Trifluorosulfoaminoと-OHをもつ試薬はホウ素と反応性を示し,新規蛍光反応試薬を合成することができた。今後定量法を確立する。
HPV 持続感染に関与する遺伝的要因の同定

1)本邦における子宮頸癌予防と健診システムを考慮する際にはHPV16型/HPV52型の臨床的意義を解明することが重要であるという結果が得られた。2)ウイルス側要因として、頸管擦過細胞中のHPV16型/HPV52型DNA型判定やウイルス量の判定が子宮頸部細胞診の推移を推定する分子マーカーとして有用である件を示した。3)宿主側要因の新知見として、子宮頸癌とDEFB4コピー数多型との関連を見いだし、いずれも子宮頸癌の発症の診断・予防に有用であると考えられた。本研究は今後、次世代シークエンス法を用いたexsome解析およびメチル化アレイ解析を行い、より詳細な宿主側要因の同定に連なることが期待される。目的:候補遺伝子アプローチとして、ウイルス感染防御の作用を有するdefensin遺伝子コピー数多型と子宮頸癌との関連を明らかにする。方法:候補遺伝子アプローチとして、ウイルス感染防御の作用を有するdefensin遺伝子コピー数多型と子宮頸癌との関連解析:子宮頸癌204例(子宮頸癌群)と健常女性200例(コントロール群)を対象とした。コピー数多型を有するdefensin beta 4遺伝子(DEFB4)を標的遺伝子とし、ヒトゲノム中に必ず2コピー存在するアルブミン遺伝子(ALB)を基準の遺伝子として選択した。ALBおよびDEFB4それぞれのprimerとTaqMan probeを設計した。ALBが2コピーかつDEFB4が3コピーのゲノムDNAをもとに、DEFB4がそれぞれ2、3、4、5、6、7および8コピーのものをそれぞれ同定して検量線を作成した。Comparative cycle threshold(ΔΔCT)法による相対定量を行い、各検体のDEFB4コピー数を測定した。統計学的解析にはt検定を用い、p値が0.05未満の場合に両群間に有意差ありと判定した。成績と考察:DEFB4コピー数多型と子宮頸癌との関連解析:年齢、BMI、分娩歴、喫煙歴および低用量ピル内服歴について、子宮頸癌群とコントロール群とでは有意差は認められなかった。子宮頸癌群におけるDEFB4コピー数の平均値(標準偏差値)は4.25(1.25)コピーであった。一方、コントロール群におけるそれは4.69(1.45)コピーであり、両群間に有意差を認めた(p=2.77e-4, t-test)。DEFB4遺伝子が4コピー以下の集団のオッズ比(95%信頼区間)は2.02(1.36-3.02)であり、5コピー以上の集団のオッズ比である0.49(0.33-0.74)より相対的に高かった。本研究では、新たにDEFB4コピー数の減少と子宮頸癌の発症リスクとの関連を見いだした。すなわち、DEFB4コピー数の減少は、HPV感染に対する防御作用が低下することに起因していると考えられた。子宮頸癌発症の分子メカニズムの解明は、子宮頸癌の予防法、健診システムの確立、さらには新規治療法の開発につながる。その為には、HPV感染の疫学調査に基づくウイルス側要因と宿主側要因の双方からの総合アプローチが必要であると考えられる。本研究では、子宮頸癌発症の分子メカニズムの全容解明を目指して、(1)長崎県におけるHPV感染の疫学調査、(2)ウイルス側要因として発癌性HPVウイルスのDNA型判定や定量化の臨床的意義、(3)子宮頸癌と関連する宿主(ヒト)側要因の同定についてゲノム解析技術を用いてアプローチを行った。(1)本邦における子宮頸癌予防と健診システムを考慮する際にはH1PV16型/HPV52型の臨床的意義を解明することが重要であるという結果が得られた。(2)ウイルス側要因として、頸管擦過細胞中のHPV16型/HPV52型DNA型判定やウイルス量の判定が子宮頸部細胞診の推移を推定する分子マーカーとして有用である件を示した。(3)宿主側要因の新知見として、子宮頸癌とDEFB4コピー数多型との関連を見いだし、いずれも子宮頸癌の発症の診断・予防に有用であると考えられた。本研究は今後、次世代シークエンス法を用いたexsome解析およびメチル化アレイ解析を行うことで、より詳細な子宮頸癌発症に関与する宿主側要因の同定に連なることが期待される。産婦人科学当初の計画どおり、defensin遺伝子多型の定量系を確立し、defensin遺伝子群のコピー数多型と子宮頸癌の関連を見出した。そしてその成果を査読のある英文誌に発表した。また、血漿と頸部組織についても予定通り検体を集積した。以上より、平成25年度の研究計画は全て実行された。1.患者血漿・子宮頸部組織の収集を行う。2. defensin遺伝子コピー数の違いによる血漿・子宮頸部におけるdefensin発現解析を行う。

3.宿主とウイルスに存在する遺伝子多型と臨床所見との関連を明らかにする。4.defensin遺伝子群を制御するmiRNAを同定する。次世代高速シークエンスを用いてdefensin遺伝子群の発現mRNAの異なる症例を比較し、発現プロファイルの異なる(増加・低下している)miRNAを特定し、defensin遺伝子群の発現を制御するmiRNAとして統計学的解析・考察を行う。実験計画は順調に進み、検体を集積している。一方で、本年度内の試薬類購入は予定よりも少なかったため、次年度使用額が生じた。本年度に集積した検体を次年度に解析するため、次年度の試薬代に使用する計画である。
スマートシティ実現のための多階層型データ解析及び最適化システムの開発と評価

近年、最新技術の組合せや融合によって、安心、安全、便利ないわゆる超スマート社会(Society 5.0など)を実現するための様々な取り組みが世界中で推進されている。近年のICTの向上により、実社会で起きている現象を、計算機上で事前にモデル化し、さらに環境変化に対するシミュレーションや最適化を実施することで、ビジネスモデルとしてのサイバーフィジカルシステム(CPS)を実現することができるようになった。現在、多くの民間企業などと共同で、CPSを対象として大量のセンサーデータ(ヒト・モノの移動等)やオープンデータ(Wi-Fi等の移動履歴)などを用いて、サイバー空間での最適化やシミュレーションを行うCPSモビリティ最適化エンジン(CPS-MOE)の開発を行っており、新しい産業の創出、コストや廃棄物の削減、交通機関の最適制御スケジュールの算出に寄与するサービスの集合体を構築して、利用者が"作業"、"生活"、"娯楽"、"安全"を行うための、最適な時間・空間を提供することを目的としている。さらに、CPS-MOEの実現のために特に以下の3つのモビリティを表現、予測、最適化及び制御するための数理・情報の新技術の提案・開発を推進している。1:情報(ヒトの興味、意思)のモビリティ:Webアクセス移動データ及びユーザの潜在的興味度を用いたユーザクラスタリング2:ヒト・モノのモビリティ:位置情報検出と追跡(深層学習)、混雑検知や流れの最適化及び可視化3:交通(最適自動運転)のモビリティ:地域内自動運転(路車協調)+最適運転(パワーユニット&パワートレインシミュレータによる燃料消費量最小化)本研究課題では配送業や小売系,製造業などを対象として、ヒト・モノの移動に関する最新の数理モデルによる現象の表現・再現・予測を目指して、現在の機械学習などが苦手とする見えないデータ・過去のデータにない現象への対応を目指している。物理的な制約等により、ヒト・モノの移動に関する範囲や限度を数理モデルで表現し、各施設固有の状態を深層学習等のAI平成30年度は以下の民間企業との共同研究などによって以下の成果を達成することが出来た。1:ハイブリッドシステムにおける数理的手法を用いた大域的最適制御(トヨタ自動車との共同研究)& AI(深層学習),最短路問題,数理最適化(混合整数計画問題(MILP),非線形最適化2:サイバーフィジカルシステムにおけるヒト・モノのモビリティの数理モデルと実験的解析(パナソニックとの共同研究)&実工場における人流追跡とフロー最適化、人員のスケジューリング最適化及びレイアウト最適化3:Webアクセスデータを用いた潜在的ユーザクラスタリングによるWebサイトの評価指標の提案(Yahoo! Japanとの共同研究) & AI(深層学習),非負値行列分解(NMF),数理最適化(混合整数計画問題(MILP))4:深層学習及び次元圧縮による良品・不良品分類とCANデータの解析(住友電工との共同研究)& AI(深層学習),次元圧縮(多様体学習),グラフクラスタリング5:主に都市スケールの避難計画問題を,シミュレーションと数理計画の両面から行った.大阪市全域を対象とした津波避難において,徒歩帰宅者と津波避難者の大規模な人流シミュレーションを行うとともに,ボトルネックとなっている淀川橋梁のルーティングを段階的な最速フロー問題として定式化して解くことで,可能な限り速やかに避難者を逃がすような計画手法を開発した.今後の研究方策に関しては大きな変更点は無く、従来の計画通りに研究を推進する。民間企業との共同研究に関しては、実データを用いたデータ解析とビジネスアプリケーションの開発も行っていく。第5期科学技術基本計画ではIoTやAIさらにBigDataの活用によってインテリジェンスを有している社会で人間が豊かに暮らすという超スマート社会の実現を目指すSociety 5.0が推進されている。本研究ではスマートシティ実現のための社会基盤システムとして,道路や電力網などのインフラを含めた都市計画への活用から、ヒト/モノの動きの解析まで多岐にわたる課題を解決していくことを目的とする。特にヒトやモノの移動性(モビリティ)に関する数理モデルの構築と分類されたデータの活用、また高速計算手法の開発と検証に重点をおいて、意思決定のために許容される時間に応じた多階層型のデータ解析及び最適化システムの構築を行う。最終的には関連するプロジェクトや参画企業とも連携し、グラフ解析や数理計画問題等の活用で人流と交通流など多種データの複雑な条件の最適化を行うための都市における社会実装を推進する。都市機能最適化では扱うデータが取得タイミングによって静的,部分動的,動的に分類されて議論されるため、データを変動度合いにより3つに分類する(交通計画などの長期視点で扱われる静的データ,リアルタイムに変化する動的データ,イベント単位で変動する中間データ)。データ分類後には機械学習などにより特徴量を抽出し,予測や異常検知を行う。グラフ解析や数理計画問題などの数理技術の活用で人流や交通流など多種データの複雑な条件の最適化も行うことが可能となった。これに関連して、次世代AIに対する取り組みとして、ヒト・モノの移動に関する数理・物理モデルによる現象の表現・再現・予測に取り組んでおり、現在のAIが不得意とする見えないデータ・過去のデータにない現象に対して予測や制御を可能するための研究を多数の民間企業と推進した。2011年の東日本大震災等の大規模災害で甚大な被害を受けたことにより,緊急避難計画の重要性は年々増している.こうした実問題に対して,都市OS等での活用が想定される多階層型データ解析システムの開発を行っている.この場合,問題の難易度(計算量とデータ量)によって適切なデータ解析手法を選択していく.

計算量が大きいものは事前に計算しておき,計算量が小さいものは緊急時に実行することによって行動計画の策定に活用する.避難計画においては,近年ネットワークフローモデルを用いた普遍的最速流や辞書式最速流が注目されている.このモデルにより避難者全体として最も効率が良い避難計画を作成できる.しかし実問題の規模では計算時間が大きいため,緊急時の際に実行してリアルタイムな避難計画に反映させることが出来ないという問題を抱えている.現時点では、例えば大阪市における最適避難計画の計算には69時間を要しており、東南海地震発生後2時間以内に到達する津波にはリアルタイムに対応することは不可能である。最適避難計画策定にはヒトに関する初期分布データが必要であるが、昼夜や曜日、さらに天候などに応じて様々な分布から中位解析層において繰り返し計算を行い、結果をデータベースに保存する。現在では各種センサーによって、リアルタイムにヒトの移動や分布を測定することが可能であり、非常事態発生時には現在の分布がこれまでの計算におけるどの分布に分類(クラスタリング)されるのかを機械学習の手法等で瞬時に判別する(ミクロ解析層)。本研究では,センサーやカメラ等でリアルタイムで得られる簡単な情報(スナップショット)と事前に計算した辞書式最速流の結果を活用して避難完了時間を機械学習によって予測し,各時点における人の分布の危険度を推測することに成功した。超スマート社会実現に向けた取り組みは、第5期科学技術基本計画の中でも重要視されており、ICTが発展し、ネットワーク化やIoT(Internet of Things)の利活用が進む中、ビッグデータの解析・最適化のアルゴリズム開発においては、現代数学の先端的知識を必要としている。近年、最新技術の組合せや融合によって、安心、安全、便利ないわゆるスマートシティを実現するための様々な取り組みが世界中で推進されている。現在推進中の本研究課題においてはIoTやセンサなどの技術によって取得された大量のデータをインターネット経由でデータ及び計算基盤に格納し,数理モデルの構築とアルゴリズムの適用(グラフ解析,数理最適化,深層学習等)によって、高速にデータ解析や最適化などの実社会への応用に取り組むことを目的としている。本研究ではスマートシティ実現のための社会基盤システムとして,道路や電力網などのインフラを含めた都市計画への活用から、ヒト/モノの動きの解析まで多岐にわたる課題を解決していくことを目的とする。特にヒトやモノの移動性(モビリティ)に関する数理モデルの構築と分類されたデータの活用、また高速計算手法の開発と検証に重点をおいて、意思決定のために許容される時間に応じた多階層型のデータ解析及び最適化システムの構築を行う。最終的には関連するプロジェクトや参画企業とも連携し、グラフ解析や数理計画問題等の活用で人流と交通流など多種データの複雑な条件の最適化を行うための都市における社会実装を推進する。
低温における規則合金中の原子の拡散過程

本研究では、磁性材料や耐熱材料として開発が期待される金属間化合物Fe_3Al,及び電子材料への応用が望まれる金属間化合物CuAuの表面よりB,V,Ni,あるいはTiを拡散させた後,SIMSを用いて深さ方向の濃度分析を行い,B,V,Ni,あるいはTiの拡散係数,アイソト-プ効果を求めた。つぎに得られたデ-タを検討し,低温における金属間化合物Fe_3AlのB2→DO_3規則化,及びCuAuのα→Llo規則化に伴うV,V,NiあるいはTiの拡散機構の変化を明らかにした。具体的には先ず,金属間化合物Fe_<0.74>Al_<0.26>及びCuAuを高周波真空溶解により作製した。つづいて,作製した金属間化合物の表面を研磨し、研磨面をB,V,NiあるいはTiで蒸着により被覆した後,被覆層をそれぞれの金属間化合物でさらに被覆した。つぎに真空炉を用いて、低温から高温までの広い温度範囲で拡散処理し,SIMSを用いて深さ方向のB,V,Ni及びTiの濃度分析を行った。その結果,Fe_<0.74>Al_<0.26>においては,B,V,Tiの拡散係数はB2→DO_3規則化が起こる温度以下ではこの温度以上からの外挿値よりも大きくなり,Niの拡散係数は外挿値よりも小さくなることが分かった。B,V,Tiの拡散のための活性化エネルギ-はB_2→DO_3規則化に伴い減少を続けるのに対して,Niのそれは大きくなり原子の種類と規則化によって拡散機構が変化することが明らかとなった。Bのアイソト-プ効果は全温度領域で0.2程度を示し,拡散が強い相関のある原子移動機構に基づいていることを示した。さらに,CuAuにおいてはBの拡散係数はAl→Llo規則化が起こる温度以下ではこの温度以上からの外挿値よりも小さくならず,アイソト-プ効果はAl→Llo規則化に伴い0.1から0.8程度まで増加する等,拡散機構が規則化によって大きく変化することが明らかとなった。本研究では、磁性材料や耐熱材料として開発が期待される金属間化合物Fe_3Alの表面よりB,VおよびTiを拡散させた後、SIMSを用いて深さ方向の濃度分析を行い、B,VおよびTiの拡散係数、アイソト-プ効果を求める。つぎに、得られたデ-タを基礎にして統計力学的検討を加え、低温における金属間化合物Fe_3AlのB2→DO_3規則化に伴うB、VおよびTiの拡散機構の変化を明らかにする。本研究は金属物性学上の未解決な問題、すなわち、原子の拡散の動力学と金属間化合物の構造との関係を実験的、理論的に解明するものである。本研究ではこのような目的にそって、初年度の本年度は先ず、金属間化合物Fe_<3+x>(x=0.04)を高周波真空溶解により作製した。つづいて、作製した金属間化合物の表面を鏡面に研磨し、研磨面をB、VおよびTiで蒸着により被覆した後、被覆層を金属間化合物Fe_<3+x>Al_<1ーx>(x=0.04)でさらに被覆した。つぎに真空炉を用いて、低温から高温までの広い温度範囲(0.7Tm0.3Tm:Tmは融点)で拡散処理し、SIMSを用いて深さ方向のB,VおよびTiの濃度分析を行った。