hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
炭酸アパタイト骨置換材の多孔性制御による骨置換速度の飛躍的増進

本研究では他種骨を焼成し、抗原抗体反応の原因となる有機物を完全に焼却するとともに組成を反応性に富むリン酸三カルシウムとし、形態を保ったまま溶解析出反応で焼成骨の組成を骨の組成である炭酸アパタイトとする検討を行った。骨は900°Cで焼成することによって有機物が完全に焼却された。その後、1500°Cで焼成することによって組成が反応性に富むα型リン酸三カルシウムとなった。さらに、このα型リン酸三カルシウムを4モル濃度炭酸アンモニウムに浸漬し、250°Cで水熱処理すると溶解析出型反応が進行し、α型リン酸三カルシウムは骨の形態を保ったまま、骨の無機組成である炭酸アパタイトに組成変換できた。現在、骨補填材として臨床応用されている水酸アパタイト焼結体は優れた組織親和性と骨伝導性を示すが、自家骨と異なり骨には置換されない。研究代表者は骨の無機組成が水酸アパタイトではなく炭酸アパタイトであることに着目した。また、炭酸カルシウムなどの前駆体を用いた溶解析出反応で炭酸アパタイトブロックが調製できること、炭酸アパタイトブロックは破骨細胞によって吸収され、骨に置換されることを見いだした。炭酸アパタイトは骨リモデリングに調和して骨に置換されるが、骨への置換は細胞によってなされるため、骨置換速度を飛躍的に向上するには連通多孔性を高度に制御する必要がある。理想的な骨置換材の形態の一つは連通構造を示す海綿骨の形態であるが他家骨や他種骨は、抗原抗体反応や感染症などの問題がある。骨を高温で焼成すると、形態を保ったまま抗原抗体反応などの原因となる有機成分は完全に焼失される。一方、骨の無機主成分である炭酸アパタイトも炭酸基が遊離し、リン酸三カルシウムなどに熱分解される。そこで本研究では他種骨の海綿骨自体を前駆体として炭酸アパタイト骨置換材を創製する検討を行った。本年度は研究計画の初年度にあたり、骨自体を焼成し、前駆体とする計画を立てた。トリの骨を900°Cで焼成したが、アパタイト構造が残存していた。そこでさらに高温焼成を行ったところ、アパタイトが残存するもののリン酸三カルシウム等に分解されることがわかった。水酸アパタイトは優れた組織親和性と骨伝導性を示すが、破骨細胞によって吸収されないため、骨には置換されない。一方、骨の無機主成分である炭酸アパタイトは破骨細胞により吸収され経時的に骨に置換される。炭酸アパタイトの骨置換速度の増大が望まれるが、骨への置換は細胞が担うため、炭酸アパタイトの多孔体化が必須である。しかしながら、炭酸アパタイトは多孔体化によって機械的強さが著しく低下する。そこで本研究においては三層構造化による多孔体制御炭酸アパタイト骨置換材を調製し、その有用性を検討することとした。ゼラチン、カプロラクトン、乳酸グリコール酸共重合体などの生体吸収性高分子で炭酸アパタイトフォームを被覆すると機械的強さは著しく向上するが、組織親和性が低下することがわかった。一方、さらに当該フォーム表面を炭酸アパタイトで被覆すると組織親和性が向上することがわかった。組織親和性はゼラチン、カプロラクトン、乳酸グリコール酸共重合体の順に優れており、生体高分子であるゼラチンの有用性が確認された。炭酸アパタイトの骨置換速度の増大が望まれるが、骨への置換は細胞が担うため、炭酸アパタイトを多孔化し、かつ、多孔性を高度に制御する必要がある。連通多孔体の最良の形態の一つは海綿骨であると思われる。本年度は海綿骨を炭酸アパタイトに変換する条件の最適化および実験動物による初期評価を行った。骨を焼成する場合、1300°Cでα型リン酸三カルシウムや他のリン酸カルシウムが形成される。しかしながら、次の溶解析出型反応による炭酸アパタイト形成の観点から1500°Cでの焼成が好ましいことがわかった。次に炭酸リン酸ナトリウム水溶液で溶解析出型組成変換による炭酸アパタイトへの組成変換を検討した。反応温度に関して100°Cおよび150°Cでは不十分で200°C以上が必要であることがわかった。250°Cの場合は3日位内で炭酸アパタイトに組成変換されることがわかった。得られた炭酸アパタイトを用いて、ラット骨欠損を再建した。炎症反応は認められず、優れた組織反応を示すことがわかった。

これは焼成によって抗原抗体反応の原因となる有機物が完全に除去されたためであると考えられた。この実験結果を基盤により長期の組織親和性や骨伝導性、骨置換性の検討が望まれる。26年度が最終年度であるため、記入しない。生体材料学26年度が最終年度であるため、記入しない。動物骨を焼成し、熱分解して炭酸アパタイト調製の前駆体とする方法に関して検討を行った。トリの骨を900°Cで3時間焼成したところ、有機物が完全に焼失された。また、炭酸基が遊離し、一部熱分解が起こったと考えられるが粉末X線回折装置で結晶構造を分析したところ、アパタイト構造が残存しており、溶解析出反応による炭酸アパタイト調製前駆体としては適切でない可能性が示唆された。そこで、焼成温度をさらに高温とし、1500°Cとして5時間焼成した。粉末X線回折装置で結晶構造を分析したところ、アパタイト構造は概ね消失し、代わりにリン酸三カルシウム構造となることがわかった。ほぼα型リン酸三カルシウムであったが、一部β型リン酸三カルシウムと思われるピークが検出された。リン酸三カルシウムにおけるαーβ転移温度は1180°Cであり、1500°Cで焼成してもβ型リン酸三カルシウムが存在することは興味深い。β型リン酸三カルシウムはマグネシウムによって安定化することが知られており、骨に含まれていたマグネシウムがβ型リン酸三カルシウムの安定化剤として機能したと考えられる。マグネシウムはもともと骨に含まれていたこと、β型リン酸三カルシウムが炭酸アパタイトに組成変換されるか否かは不明であるが、β型リン酸三カルシウム自体が骨置換材として知られていることから、β型リン酸三カルシウムの存在は問題ないと結論した。以上のことから本年度の研究計画を概ね達成したと判断した。生体吸収性高分子被覆炭酸アパタイトおよび三層構造炭酸アパタイトの調製が終了していること、実験動物に作成した骨欠損部をリ生体吸収性高分子被覆炭酸アパタイトおよび三層構造炭酸アパタイトで再建していることから概ね順調に計画は進展していると思われるが、病理組織学的な検索が終了していないため早期の実施が望まれる。骨を高温で焼成することによって細胞の侵入に理想的であると思われる海綿骨等の構造を保ったまま、抗原抗体反応を惹起する蛋白成分を完全に焼却することができた。また、骨の無機組成である炭酸アパタイトからリン酸三カルシウムに組成が変化することがわかった。リン酸三カルシウムは炭酸基が存在する中性領域において熱力学的に炭酸アパタイトより不安定であるため、溶解析出反応の条件を適切に選択すれば、当該反応によって細胞の侵入に理想的であると思われる海綿骨等の構造を保ったまま炭酸アパタイトに組成変換される可能性が高い。そこで、今後は本年の研究で確立した焼成条件で調製した骨焼成前駆体を用いて、溶解析出反応の最適化を行い、炭酸アパタイトの形成条件を検討することとした。炭酸アパタイトは極めて有用な骨置換材として期待される。その有用性を飛躍的に向上させるために多孔体化は必須である。本研究で得られた知見を基盤としてさらに機能的な多孔体化を検討する。
気泡微細化沸騰の伝熱機構の解明及び高負荷電子デバイスの超高熱流束除熱技術への応用に関する研究

大きくサブクールされた液の沸騰では、遷移沸騰領域において伝熱面上に形成された合体気泡から無数の微細気泡を放出しながら、熱流束が通常の限界熱流束(CHF ; Critical Heat Flux)を超えて増加する現象が見られる。この沸騰形態は、気泡微細化沸騰と呼ばれ英語の頭文字をとってMEB (Micro-bubbble Emission Boiling)と呼ばれている。MEBは、サブクール流動沸騰において顕著に発生し、水平矩形管流路(高さ17mm、幅12mm)の底面中央に設置した10mmx10mmの伝熱面の水の沸騰では、最大10MW/m^2の高い熱流束を得ている。伝熱面上の気泡挙動及び管内圧力変動の観察結果から、MEBは穏やかなものと激しいものに種類に大別され、激しいMEBの中には、周期性のあるMEBが観察された。周期的MEBでは、気泡の崩壊、液の供給、気泡の発生及び生長の一連の気泡挙動が周期的に繰り返される沸騰形態であって、管内圧力変動も周期性のある圧力波形を示している。周期的MEBの熱流束は、液のサブクール度、管内平均流速に係わらず、圧力変動の周波数に比例してほぼ直線的に増加する。このことから、圧力変動の周波数は1秒間に伝熱面に供給される液の回数あるいは気液交換回数とみることができ、MEBのメカニズムの一つと考えることができる。直径が2.5mm、5mm、10mm及び16mmの水平円管流路について水の気泡微細化沸騰について調べた。銅の円柱加熱ブロックの中心の円流路を円管流路の一部としその長さは10mmである。円管流路にもMEBは発生した。熱流束は、管内流速の増加と共に通常の限界熱流束より大きくなり、例えば、直径10mmの流路で,サブクール度30Kの場合、0.5m/sで5MW/m^2、1.0m/sで6MW/m^2、1.5m/sで9MW/m^2、2.0m/sで10MW/m^2も増加した。MEBにとって、管内流速はサブクール度と同様重要な要素である。周期的MEBも矩形管と同様に発生し、熱流束はサブクール度、管直径、流速に係わらず管内圧力変動の周波数にほぼ直線的に増加した。本研究で得られた結果は、MEBの発生機構の解明と高負荷電子素子の超高熱流束冷却技術の開発に大きな知見を与えるものである。水の高サブクール流動沸騰を、水平矩形管(12mm幅,17mm高さ,150mm長さ)の底面中央に設置した銅平面(10mm×10mm)伝熱面を用いて行なわせ、気泡微細化沸騰を実現した。熱流束は遷移沸騰において通常の限界熱流束より高くなり、高過熱度で穏やかな気泡微細化沸騰になった後、約20msの間に伝熱面温度が急激に上昇

薄い蒸気膜に覆われドライアウトと考えられるように膜沸騰に移行した。伝熱面温度データと高速度ビデオカメラからは、気泡微細化沸騰から膜沸騰に移行する様子がよくとらえられた。また、気泡の成長・崩壊を周期的に繰り返す気泡微細化沸騰においては、高速ビデオ画像(300F/s)と伝熱面下流の圧力変動の同期画像から、合体気泡が崩壊する時に、大きな圧力が発生するキャビテイションと同様な現象が小さな流路に起こる気泡微細化沸騰にも発生するということが分かった。高さ17mm、幅12mmの矩形管流路の底面中央に10mm×10mmの伝熱面を設置し、サブクール度4050K,流速0.5m/sで水のサブクール流動沸騰を行った。遷移沸騰域で気泡微細化沸騰が発生し7MW/m^2を超える超項熱流束が得られた他、次のことが明らかになった。1.周期性のある気泡微細化沸騰では、周波数に比例して直線的に熱流束が増加する。周波数が1秒間の固液接触回数と考えることができる。2.周期性のある気泡微細化沸騰において、伝熱面上の気泡挙動と伝熱面付近の圧力変動の同期観察から、伝熱面上の合体気泡が崩壊するときに高い圧力波の生じることが分かった。これはキャビテイション気泡の崩壊時に発生する高い圧力波と同様のメカニズムと考えられる。3.高過熱度側の気泡微細化沸騰では、薄い蒸気膜が伝熱面を覆い連続的に微細気泡を放出する静かな気泡微細化沸騰が見られ、その後伝熱面が乾き急速に膜沸騰に移行することが確認された。円管流路の水の流動沸騰を円管直径5mm、10mm、16mmの3種類についてサブクール度30K、流速0.25m/s2.5m/sについて行った。伝熱面は何れも円管に長さ10mmとした。矩形管の場合と同様に遷移沸騰域で気泡微細化沸騰が発生し、流速0.5m/s以上で通常の限界熱流束を超える高い熱流束が得られ、2.5m/sでは10MW/m^2近くまで達した。サブクール液の流速が熱流束の増加に大きく影響し、流速の高い領域では気泡の凝縮効果よりも気泡がながれにより除去される効果の方が大きいようである。円管流路においても矩形管と同様に周期性のある気泡微細化沸騰が発生し、熱流束は周波数に比例して直線的に増加する。矩形管流路1.サブクール度40K以上,液流速0.5m/sで安定した気泡微細化沸騰が発生し,最大熱流束10MW/m^2の高熱流束に達する.3.激しいMEBには,周期的MEBの発生することが多く,高速度ビデオ画像による気泡挙動の観察及び流路内圧力変動の波形から,気泡発生,生長,崩壊が周期的に行われており,その周波数は伝熱面に供給される1秒当たりの給液回数すなわち固液接触回数を意味する.4.合体気泡が崩壊する時に管内圧力が急上昇する.5.気泡微細化沸騰の終末は,伝熱面が薄い蒸気膜に覆われ伝熱面が乾き始めて急激に伝熱面温度が上昇する.これは,通常の遷移沸騰と同じであるが,膜沸騰へ移行する時の伝熱面過熱度は,通常の遷移沸騰より高い.6.高負荷電子デバスの超高熱流束冷却には,チップパック面積が10mm×10mmについて,除熱熱流束の点では十分対応可能であるが,いかに穏やかなMEBを発生させるかが,今後の課題となる.円管流路1.入口から2025mm程度までは,気泡微細化沸騰により高熱流束が得られるが,下流域では1m/sの流速でも液が全て蒸気になり乾き始める.2.高負荷電子デバスのヒートスプレッダーの中にミニスケール円管を通して気泡微細化沸騰による高熱流束冷却は極めて効果的な冷却方法であるが,長さ2025mmが限界であろう.幅については,円管を並列に貫通し隣り合った流路を向流にすることにより,面積拡大が可能になると考える.
駐停車交通の調査分析手法の体系化と施設計画・設計への適用方法に関する研究

1.駐停車交通に関する新しい調査分析手法として、(1)路上駐車台数把握のための連続調査法(2)駐車目的地を簡便に補足するための目視調査法(3)ミクロな施設計画のための挙動調査法を提案し、その調査分析方法と施設計画・設計への適用方法を検討した結果、既存調査分析手法の問題点を改善し、施設計画・設計のために有効であることを確認できた。2.提案した新しい調査分析手法を用いて、茨城県内の主要都市(日立、水戸、土浦、勝田、高萩等)を対象として、駐停車交通の現地観察調査、交通量観測調査、アンケート調査等実態調査を実施し、駐停車交通によって発生している問題点の抽出・整理および実態を分析することにより以下の知見を得た。(1)主要都市の路線型商店街における路上駐停車は、目的地直近への買い物目的等の5分以内のものが7割程度を占めるため、大都市のようにこれを離れた路外駐車場へ誘導することは困難であり、路上駐停車施設の適正な配置が不可欠である。(2)鉄道駅へのキス・アンド・ライドは日常的に行われているが、このためのスペースは駅広内に整備されていないことが多いのに対し、利用度の低いバス、タクシーのスペースがウェイトを占めている。スペースの利用効率を考えた駅広スペースの再配分と運用方法の見直しが必要である。(3)沿道型大規模店舗への自動車の入出に際しては交通流の錯綜が多発しており、交通安全上きわめて危険である。これを考えた入出路および周辺道路の総合的な整備・運用が必要である。今後特に、地方都市特有の右折横断車両、Uターン交通に着目した分析が必要である。
太陽光エネルギーを用いて水から水素を発生させるナノ分子ワイヤーシステムの構築

太陽光エネルギーを用いて水から水素を発生させる、いわゆる人工光合成系を構築するための研究を行った。人工光合成系を実現する上で、その初期過程において、光誘起電子移動反応後の逆電子移動反応を抑制し、長寿命電荷分離状態を形成することが重要である。天然系では複数のドナー・アクセプターのポテンシャルおよび配置が高度に制御されているが人工的に構築するのは難しい。そこで本研究では水相-有機相の異相間での遠距離電子移動系の構築を目的に両親媒性高分子ワイヤーを合成し、その分子ワイヤーが両相間にまたがって存在すること、および異相間での電子移動が可能なことを、蛍光法などを用いて検討した。太陽光を利用して水から水素を発生させるには光誘起電子移動反応により電荷分離状態を達成し、次の化学反応系へ利用する必要がある。ここで最大の問題点はこの電荷分離状態から非常に起こりやすい逆電子移動反応をいかに抑制するかである。そこで今回、高度に構造制御した両親媒性飛石型共役系高分子の合成とその基本構造となる分子ワイヤーの性能評価に対して重点的に研究を遂行した。以前の合成法は親水部と疎水部を別々に合成し、それを結合させることで、両親媒性ポリマーを合成していたが、その場合、ドナーやアクセプターの位置がランダムになり、第二ドナーや第二アクセプターへ効率の良い電子移動が起こらない可能性がある。そこで、高度に構造制御したポリマーを合成するため、連続滴下法という新しい高分子合成法を考え、これにより構造制御を試みたところ、ある程度の構造制御ができることが分かった。現在、親水部、疎水部の長さの制御の最適化を検討している。他方、高分子ワイヤー自身の性能評価を行うため、レーザーを用いた過渡吸収法とカーシャッターを利用した蛍光寿命を測定することで、超高速の電子移動(1ps程度)が超遠距離(40nm以上)で可能であることを見出した。これはこれまでの世界記録を1ケタ以上上回るものである。太陽光を利用して水から水素を発生させる人工光合成の実現において、その光誘起電子移動反応後の逆電子移動を抑制し、長寿命電荷分離状態を形成することは最重要課題である。本研究では異相間遠距離電子移動を行い、さらにそれに続く多段階の電子移動による長寿命電荷分離状態を可能とする両親媒性飛石型共役系高分子ワイヤーの合成と物性について検討した。高分子の合成は2種類の方法で検討した。一つは親水性高分子と疎水性高分子を合成したのち、それらを結合する方法で、昨年までの単純混合法では十分な収量が得られなかったが、今回、凍結濃縮法を応用し高収率で高分子を得ることに成功した。二つ目は連続滴下重合法という新しい高分子合成法の開拓で、構造制御した両親媒性飛石型共役系高分子ワイヤーの合成に成功した。次に両方法で得られたポリマーが水相-有機相界面に存在することを分光学的に検討した。なお、レーザーを用いた超高速の電子移動(1ps程度)に関する検討は均一系では成功しているが、水相-有機相ミセル系に関しては現在測定条件を検討している。申請者の研究が世界で独創的なことは高速電子移動可能な高分子ワイヤーの合成にすでに着手していた点であった。本年度はこの高分子ワイヤーを用いて1、相間光誘起電子移動可能なABブロック両親媒性飛石型共役系高分子の合成、2、ミセル界面に両親媒性飛石型共役系ポリマーを配置する条件検討、3、遠距離高速相間光誘起電子移動の検討に着手した。1、相間光誘起電子移動可能なABブロック両親媒性飛石型共役系高分子の合成については2種類の方法を試みた。一つ目は親水性ポリマーと疎水性ポリマーを別々に合成し、両者を結合させる方法である。ここで両親媒性を有するには親水性、疎水性とも分子量6000程度(20量体程度)で合成したものが、2のミセル界面に両親媒性飛石型共役系ポリマーを配置する条件を満たすことが確認できた。また、構造制御したポリマーを合成するための連続滴下法も試みたところ、両親媒性ポリマーが合成できそうなことを見出した。現在も反応条件を検討中である。また、3、遠距離高速相間光誘起電子移動の検討を行うためにフェムト秒レーザーを用いた過渡吸収測定装置の開発及び光カーシャッターを利用した高速時間分解蛍光スペクトル測定装置の開発を行い、現在、1psの時間分解能で測定するための最終調整に入っている。レーザーを用いた1psの時間領域での過渡吸収や蛍光寿命の測定が行える装置の開発はほぼ完成し、いくつかの分子ワイヤーを用いた系の速度定数等のデータが得られるところまできた。

他方、メインとなる両親媒性飛石型共役系ポリマーの合成において、水ー油界面に存在させるための親水部、疎水部の分子量制御の最適化に時間がかかっており、少し予定より研究が遅れている。高分子の合成条件についてはかなりわかってきた。レーザーを用いた測定装置の開発も少し遅れているが、完成に近づいている。水ー油界面に存在できる両親媒性飛石型共役系ポリマーを合成し、相間遠距離電子移動を行うとともに、第二ドナー、第二アクセプターに関する検討を行い、長寿命電荷分離状態の形成および共存させる白金ナノコロイドの調整を検討し、水素発生につなげていく。高分子の合成条件の確立と、ミセル界面に存在させる方法の確立を行うとともに、レーザー測定装置の最終調整を行い、高速時間分解測定を行っていく。これらの条件が整い次第、本研究の最大の特徴である第二ドナーや第二アクセプターの共存下での電荷分離状態について検討する。本研究で最も必要な費用は1試薬、2ガラス器具、3レーザーの消耗品である。全て消耗品の範疇に入るものである。また、旅費は光化学討論会参加発表分(愛媛大学)を、謝金としては論文の校正にかかる費用を見込んでいる。また、旅費は光化学討論会参加発表分(東京工業大学)を、謝金としては論文の校正にかかる費用を見込んでいる。
関数不等式に関連する変分問題及び楕円型方程式の研究

今年度の研究成果は主に二つあり、一つはHardy-Sobolev項及びHardy項が含まれる非線形楕円型方程式の可解性及び解の定性的研究、もう一つはTrudinger-Moser不等式に関連する変分問題における結果である。Hardy-Sobolev項及びHardy項が含まれる非線形楕円型方程式の研究においては、Neumann境界条件の問題を考察した。前年度までに得られていたHardy-Sobolev項のみの問題における解の存在及び一意性の結果を用いて、領域が球の場合の球対称性の結果を証明し、さらに、特定の条件下では動径方向に非増加であることも証明した。この結果を踏まえ、Hardy項も含む楕円型方程式への結果の拡張を考察した。特異解が無限個存在する結果、非存在の結果等幾つか結果を得ることができた。Trudinger-Moser不等式に関連する変分問題においては、古典的Trudinger-Moser不等式における変分問題の最大化関数が存在するという既存の結果をもとに、最大化関数の存在、非存在を分ける汎関数の形の1つを具体的に明らかにした。この結果により、変分問題の観点から見たTrudinger-Moser汎関数における非コンパクト列とコンパクト項の関係性が明らかになった。今年度は7月に台湾で行われたThe 12th AIMS conferenceを始め、日本数学会など計11回の講演を行った。今年度得られた主な二つの結果(Hardy-Sobolev項、Hardy項を含む非線形楕円型方程式に関する結果、Trudinger-Moser不等式に関連する変分問題に関する結果)によって、研究目的に近づくことができたのではないかと考える。楕円型方程式の研究に関しては、解の可解性、解の個数、球対称性という観点から、かなり厳密なところまで明らかにできたのではないかと考える。また、これらの研究は国立中央大学(台湾)のJann-Long Chern氏、Yeungnam大学(韓国)のGyeongha Hwang氏との共同研究であり、海外の研究者と繋がりを持ち、共同研究を行ったということも大きなことであると考える。一方、Trudinger-Moser不等式に関連する変分問題においても、集中現象とコンパクト性の関係性などを推測することが可能な結果を得ることができ、今後更なる発展が見込めるものを得ることができた。特に存在、非存在を分ける汎関数の形を具体的に書き表すことができたというのは非常に大きなことであると考えている。以上のことから、本研究課題の目的を達成するための研究の進捗状況については、概ね順調に進展していると考える。前年度に行ったTrudinger-Moser不等式に関連する変分問題の研究に関して、ある一つの結果を得ることができたため、より一般的な結果を導出する研究を行う。Trudinger-Moser型汎関数の集中現象のみに焦点を当てた最良の形は、近年の研究によって具体的に分かっているため、コンパクト項との関係性をより厳密に調べていく。この研究を行うことにより非コンパクト性のメカニズムの一端を明らかにできると考える。Hardy-Sobolev不等式に関連する変分問題における3次元問題については、次元による本質的な影響を明らかにすることを試みる。まずは最良定数の達成可能性を明らかにし、その後その本質を解明することを試みる。非線形楕円型方程式に関しては、Hardy項、Hardy-Sobolev項が付加された非線形楕円型方程式の可解性、解の定性的研究を引き続き行う。この問題に関しては、特にHardy項が2つ付加された場合の研究を行う。方程式の可解性に関して、Hardy項が2つ付加された場合は1つの場合と比べ、より状況が複雑になっていることが予想される。また、方程式内の非線形項が領域に関して軸対称な場合、その解は軸対称となるか、という問題も考察する。加えて、解の個数や最大点の位置などの研究も行う。

楕円型方程式の研究に関しては、解の可解性、解の個数、球対称性という観点から、かなり厳密なところまで明らかにできたのではないかと考える。また、これらの研究は国立中央大学(台湾)のJann-Long Chern氏、Yeungnam大学(韓国)のGyeongha Hwang氏との共同研究であり、海外の研究者と繋がりを持ち、共同研究を行ったということも大きなことであると考える。一方、Trudinger-Moser不等式に関連する変分問題においても、集中現象とコンパクト性の関係性などを推測することが可能な結果を得ることができ、今後更なる発展が見込めるものを得ることができた。特に存在、非存在を分ける汎関数の形を具体的に書き表すことができたというのは非常に大きなことであると考えている。以上のことから、本研究課題の目的を達成するための研究の進捗状況については、概ね順調に進展していると考える。前年度に行ったTrudinger-Moser不等式に関連する変分問題の研究に関して、ある一つの結果を得ることができたため、より一般的な結果を導出する研究を行う。Trudinger-Moser型汎関数の集中現象のみに焦点を当てた最良の形は、近年の研究によって具体的に分かっているため、コンパクト項との関係性をより厳密に調べていく。この研究を行うことにより非コンパクト性のメカニズムの一端を明らかにできると考える。Hardy-Sobolev不等式に関連する変分問題における3次元問題については、次元による本質的な影響を明らかにすることを試みる。まずは最良定数の達成可能性を明らかにし、その後その本質を解明することを試みる。非線形楕円型方程式に関しては、Hardy項、Hardy-Sobolev項が付加された非線形楕円型方程式の可解性、解の定性的研究を引き続き行う。この問題に関しては、特にHardy項が2つ付加された場合の研究を行う。方程式の可解性に関して、Hardy項が2つ付加された場合は1つの場合と比べ、より状況が複雑になっていることが予想される。また、方程式内の非線形項が領域に関して軸対称な場合、その解は軸対称となるか、という問題も考察する。加えて、解の個数や最大点の位置などの研究も行う。
連続積層水素化アモルファスシリコン薄膜と人工色素分子による可視光認識素子の研究

半導体水素化アモルファスシリコン(a-Si:H)と色素分子の組み合わせで「人工のフォトニックシステム」の可能性について研究を行い、可視光認識素子の作製、連続積層(a-Si:H)薄膜の水素濃度と膜厚の制御で、吸収波長シフト制御ほか、光制御機能の創成を目指してペプチド分子とレチナール分子から再構成した人工色素分子としてバクテリオロドプシン蛋白質の再構成分子の光反応解析を行い、中間体生成の反応速度論的解析を行った。その結果、天然型分子[1]と同様に人工色素分子でも中間体が生成すること、分子内二次構造間相互作用の変化が構造と中間体の生成量の相関に係ることを(a-Si:H)薄膜上で観測した原子間力顕微鏡による組織学的研究データと合わせて理解できる知見を得た。[2]また、イオン伝導整流機能のあるゲル固体電解質を水素含有量の異なる2層の(a-Si:H)薄膜連続清掃膜上に積層化して種々の条件で可視光制御イオン伝導整流量を測定した結果、水素含有量の違いが光照射イオン伝導整流量制御に有効であることを明らかにできた。[3]本研究の目的は、太陽電池にも用いられている半導体の一種の水素化アモルファスシリコンと酵素であり色素であるビタミンAの組み合わせで「人工のフォトニックシステム」の可能性について研究を行ってきた実験的理論的検討の上に、水素化アモルファスシリコンと人工色素分子による可視光認識素子の作製を試み、連続積層(a-Si:H)薄膜の水素濃度と膜厚の制御で、吸収波長シフト制御が拡張できるか明らかにすることである。研究期間内に明らかにすることとして、申請者のこれまでの生物物理学、分子エレクトロニクスの研究成果を踏まえ、半導体の水素化アモルファスシリコン(a-Si:H)と人工色素分子による可視光認識の信号を、(a-Si:H)の中の水素濃度と膜厚の制御で、吸収波長シフト制御が拡張できるか検討した。水素化アモルファスシリコン(a-Si:H)薄膜をECRプラズマスパッタリング法により、ArガスとAr- H2の混合ガスを、ターゲットにSi結晶板を用い、3.0×10-6Torr程度に排気後、磁場とマイクロ波を印加し、プラズマを発生させる条件で、連続積層作製を行い、30通り以上作製に成功した。次に、紫外線発色ハイドロゲル厚膜の作製を行ったうえで、UV励起発色・加水急速無色化型ゲルを見出した。現在、そのゲル内部に機能性分子を包含させ、分子の機能特性について考察している。また、ビタミンAのアルデヒド型であるレチナール(RetA)を分子内部で結合してできている色素蛋白質で水素イオン輸送膜蛋白質であるバクテリオロドプシン(BR)を脂質二重層に組み込み、ゲル内に含有させて、3量体を形成し、基底状態BR568で568nmの可視光を吸収して励起状態(K590)に変化後構造変化により緩和して中間体Mx410の変化するプロセスが観測されるかについて検討している。水素化アモルファスシリコン(a-Si:H)薄膜の連続積層作製には、装置のチューニング、制御ほか、独自に製作しなくてはならないシリコン結晶をシリンダー状に形成したターゲットなどの製作など多数の実験的ハードルをクリアできなくてはならないが、30通り以上作製に成功したことで、本研究の試験体のバリエーションが明るいものとなったことによる。次に、光吸収波長制御の素子について、透明かつ紫外線で発色するハイドロゲル厚膜が耐久性高く再現性の高い試験体として繰り返し利用ができることを見出したことで、低分子色素のほかに色素蛋白質の半導体膜への積層の可能性が拡がったことによる。連続積層型の水素化アモルファスシリコン(a-Si:H)薄膜をECRプラズマスパッタ装置を用い、製膜用基板に透明導電製ガラス基板を使用して様々な薄膜を多数試験検討した結果、例として以下のプロセスガス中の水素濃度、膜厚条件を変えた種類の薄膜が効果的なシリーズとして機能し理論的考察に有効であることを見出した。( type[0% / 20%]=(第2層水素0%スパッタ時間60s /第1層水素20%スパッタ時間300s、type[10% / 20%]=(第2層水素10%スパッタ時間60s /第1層水素20%スパッタ時間300s、type[20% / 20%]=(第2層水素20%スパッタ時間60s /第1層水素20%スパッタ時間300s)。このようなパターニングは数百通りに及んでいる。(a-Si:H)薄膜上に生体膜に近い有機薄膜作製法を取り入れて人工蛋白質色素素子を作製し機能評価を行い、色素分子の可視光吸収特性データを反応速度論的に解析し、量子効率の検討を実施した。その結果、分子間エネルギー移動の可能性を得る結果を得た。また、電荷を帯びたL-アスパラギン酸、L-アルギニンを添加した、ゲル固体電解質を試験試料として積層し、光照射による応答を調べた。その結果、光照射ONにおいて電流値が有意に減少するという結果を得た。中でもa-Si:Hがtype[0% / 20%]の場合にその効果が大きく約50%も減少することが明らかになった。この現象の機構としては水素リッチ層のエキシトン生成後の分極過程の連鎖で説明ができるモデルを検討している。この知見はこれまで合成ペプチド内の電荷を帯びたアミノ酸の配置と吸収波長シフトの関係と密接に係る重要なものである。

そのメカニズムの詳細は光照射の波長依存性データを集積していくことでより明らかにできると考えられる連続積層型の水素化アモルファスシリコン(a-Si:H)薄膜のパターニングが数百通りに及んで精細な研究のデータベースが形成できてきたことが概ね順調に進んできている原動力となる理由である。(a-Si:H)薄膜上に積層する生体膜に近い人工色素有機薄膜のパターニングも多数あり得るが、色素分子の可視光吸収特性データを反応速度論的に解析し、量子効率の検討を実施した結果として、分子間エネルギー移動の可能性を得る結果を得たことから順調に進んできているといえる。当初の計画にプラスして電荷を帯びたL-アスパラギン酸、L-アルギニンを添加した、ゲル固体電解質を試験試料として積層し、光照射による応答を調べた実験の結果、光照射ONにおいて電流値が有意に減少するという結果を得た。光吸収波長のシフトと荷電アミノ酸、および電荷移動という現象のキーとなる要素間の関係性を立体的に考察することができるようになってきたことは大きな成果である。これにより水素リッチ層のエキシトン生成後の分極過程の連鎖で説明ができるモデルの提唱により研究内容をより精細に展開できる可能性が拡がった。半導体水素化アモルファスシリコン(a-Si:H)と色素分子の組み合わせで「人工のフォトニックシステム」の可能性について研究を行い、可視光認識素子の作製、連続積層(a-Si:H)薄膜の水素濃度と膜厚の制御で、吸収波長シフト制御ほか、光制御機能の創成を目指してペプチド分子とレチナール分子から再構成した人工色素分子としてバクテリオロドプシン蛋白質の再構成分子の光反応解析を行い、中間体生成の反応速度論的解析を行った。その結果、天然型分子[1]と同様に人工色素分子でも中間体が生成すること、分子内二次構造間相互作用の変化が構造と中間体の生成量の相関に係ることを(a-Si:H)薄膜上で観測した原子間力顕微鏡による組織学的研究データと合わせて理解できる知見を得た。[2]また、イオン伝導整流機能のあるゲル固体電解質を水素含有量の異なる2層の(a-Si:H)薄膜連続清掃膜上に積層化して種々の条件で可視光制御イオン伝導整流量を測定した結果、水素含有量の違いが光照射イオン伝導整流量制御に有効であることを明らかにできた。[3]平成29年度、生体膜に近い有機薄膜作製法を検討しながら、(MultiLater(a-Si:H)薄膜)の技法を応用した半導体の水素化アモルファスシリコン(a-Si:H)と人工色素分子による可視光吸収特性評価を実施する。また、色素分子の可視光吸収特性データを反応速度論的に解析し、量子効率の検討を実施する。さらに、水素化アモルファスシリコン(a-Si:H)薄膜の積層型薄膜の上で、荷電アミノ酸と色素分子の分子間励起エネルギー移動が起きるか、様々な実験条件を探索していく。当初の計画をより精細に展開できるだけの連続積層型の水素化アモルファスシリコン(a-Si:H)薄膜のパターニングが可能になり、電荷を帯びたL-アスパラギン酸、L-アルギニンを添加した、ゲル固体電解質を試験試料として積層し、光照射による応答を調べる実験手法を加えて研究を進める計画である。水素リッチ層のエキシトン生成後の分極過程の連鎖で説明ができるモデルのと、そのメカニズムの詳細解析を多種類の(a-Si:H)
急性腎不全の回復過程におけるユビキチン依存性蛋白質分解系の意義

ユビキチン-プロテアソームシステムは細胞内の蛋白分解を制御することで、細胞周期、シグナル伝達ストレス応答など様々な現象に関る。本研究は、薬剤・重金属による腎尿細管細胞の傷害に対して同システムが果たす役割、その意義を解明する目的で行った。本年度は、有用な抗癌剤ながら腎毒性が問題となるシスプラチンの検討を行った。なお、昨年度用いたPtKl細胞は有袋類由来で各種抗体・核酸プローブとの反応性に種特異性の問題を生じた。そこで、ブタの株化近位尿細管細胞LLC-PKlによる細胞傷害実験系を実験に供した。シスプラチンはLLC-PKl細胞の増殖を阻害し、そのIC_<10>は約3μMと見積もられた。この条件下で細胞内ユビキチン量の変化を検討した結果、分解シグナル“マルチュビキチン鎖"はシスプラチン添加後経時的に増加し、対象群と添加後96時間群に統計学的有意差を認めた(p<0.05)。また、プロテアソーム阻害剤でユビキチン化蛋白の分解を停止させてもマルチュビキチン鎖は経時的に増加した。そこでシスプラチンとプロテアソーム阻害剤を併用したところ、そのレベルは相加的に上昇した。以上の結果から、シスプラチンはユビキチン化反応を促進し、これによって標的蛋白の分解が亢進すると考えられる。現在、この背景として、シスプラチンが細胞内蛋白を変性させる可能性を想定しているが、今後の課題である。なお、シスプラチン処理は、細胞内遊離型ユビキチンレベルも有意に増加させた。おそらく、同薬剤はユビキチン遺伝子発現のトリガーにもなり得ると推定している。以上、シスプラチンによる細胞傷害の際に、ユビキチン-プ口テアソームシステムが明確に応答することを見出した。これを昨年度のゲンタマイシンおよびカドミウムの結果と比較すると、カドミウムの場合に類似する。今後、傷害過程でユビキチン化される蛋白質を同定し、その分解が担う役割を追求する。急性腎不全の回復過程のモデル実験として、腎尿細管由来のPtK1細胞培養系を用いた。急性腎不全を誘起する薬剤としてゲンタマイシンとシスプラチンを、また腎毒性金属としてカドミウムを使用し、各々を数時間培地に添加した。その後、回収した細胞から水溶性および非水溶性/尿素溶性の各蛋白画分を抽出し、各画分の遊離型ユビキチンとマルチユビキチン鎖を2種類のイムノアッセイで定量した。なお、ユビキチン系による細胞内蛋白分解において、標的蛋白質に結合したマルチユビキチン鎖が分解シグナルであり、遊離型ユビキチンは将来のマルチユビキチン鎖生成(ユビキチン化)に備えた貯蔵分子である。何れの実験でも、遊離型ユビキチンは水溶性蛋白画分に、マルチユビキチン鎖は水溶性と尿素溶性の両画分に検出された。カドミウム(最終濃度1-16mM)の添加では、濃度依存性に細胞内の遊離型ユビキチンが減少し、両画分のマルチユビキチン鎖が増加した。また、ノザンブロット法による解析の結果、この際、ポリユビキチン遺伝子の発現が亢進することも見出された。以上の結果から、カドミウムで生じた細胞内の変性蛋白質を分解するために、ユビキチン化が亢進し、同時に、de novoのユビキチン生合成が高まると考えられた。一方、ゲンタマイシン(5mM)では、ユビキチン遺伝子の発現亢進は認められたものの、遊離型ユビキチンは増加、マルチユビキチン鎖は減少傾向を示し、ユビキチン化反応の亢進は認められなかった。シスプラチンは検討中である。以上、カドミウムと異なり、ゲンタマイシンによるPtK1細胞傷害過程では、遺伝子レベルと蛋白レベルでのユビキチン動員に乖離が認められた。現在、薬剤が直接ユビキチン系を障害することを想定し検討を進めている。

現在、この背景として、シスプラチンが細胞内蛋白を変性させる可能性を想定しているが、今後の課題である。なお、シスプラチン処理は、細胞内遊離型ユビキチンレベルも有意に増加させた。おそらく、同薬剤はユビキチン遺伝子発現のトリガーにもなり得ると推定している。以上、シスプラチンによる細胞傷害の際に、ユビキチン-プ口テアソームシステムが明確に応答することを見出した。これを昨年度のゲンタマイシンおよびカドミウムの結果と比較すると、カドミウムの場合に類似する。今後、傷害過程でユビキチン化される蛋白質を同定し、その分解が担う役割を追求する。
極微量血液のマイクロ分析チップを用いたヘルスケアデバイスの創製

わが国の少子高齢者社会化に対して、医療費の高騰による国家財政への圧迫が大きな問題になっている。そこで高齢者が元気で生活するためには「予防]が重要と考え、極微量の血液から血漿や血球を取り出し、在宅で健康や病状が診断できる安価で使い捨て可能な「ヘルスケアチップ」創製を研究した。まず、半導体微細加工技術を駆使し、微細なキャピラリの反転パターンを石英板に形成し、それをPET板にモールドして流路を形成する。その内壁を生体膜と同じ構造のMPCポリマーを流路の内壁にコートして生体適合化する。次に、70μm径のSUS管の先端を先鋭化した無痛針からマイクロキャピラリの最下流に設けた電気浸透流(EOF)ポンプにより数十nlの血液をを流路に注入し、チップ内で遠心分離して得た血漿をISFET(イオン感応電界効果型トランジスタ)からなる集積化バイオセンサーに送り込み、健康マーカの値を測定する。当初、pH、Na+、K+、O2、CO2尿素窒素(BUN)、グルコース、クレアチニンなどの約8つを計測することを試みたが、pH、Na+、K+、BUNの測定が完了した。EOFポンプは、強電界領域を石英板に作り込み、10Vの低電圧で大流量の血液を吸引することが出来た。また、全血を無駄なく利用するため、リンパ球のTとB細胞の分離も研究した。TはBよりpH=7.4では電荷が1.5倍大きいので、電気泳動で分離できる。まず、リンパ球の付着とゼータ電位は高分子ミセルのコートにより低下された。またリザーバとウェステの容積が小さいため、電極による酸性化とアルカリ化が見出され、両者と流路との間に塩橋を挿入し、電圧は印加されるがアルカリ液は流入しないようにして、BとTの電気泳導速度分布を求めた。次に、リンパ球を一旦ゲル電極に正電位で付着させた後、負の電圧を印加して、泳動させ、BとT細胞のキャピラリ内での分離に成功した。「ヘルスケアチップ」創製のため、(1)低侵襲採血機構、(2)基板へのマイクロキャピラリ加工、(3)キャピラリ内壁の生体適合化、(4)血液の引き込みポンプ、(5)血球分離、(6)健康マーカ測定、(7)リンパ球分離の項目について研究した。(1)では、50μm径のSUS管を60度に研磨して作製したが、支持機構などは未検討で未達。(2)では、まず石英板へのキャピラリパターンのプラズマエッチングを行ったが、溝底部に孔の発生が起こり、これは石英表面に残っている微細なマスク材により生じることが判明し、最初高エネルギイオンでスパッタ洗浄後、低エネルギイオンでエッチングすることで解決。また、キャピラリの反転パターンのPET(ポリエチレンテレフタレート)板へのモールドも試み、温度、圧力の最適条件を見つけ、作製に成功。(3)では、生体膜表面と同じ組成のMPCポリマーと高分子ミセルのコートを試み、これらがFTIR-ATR法、キャピラリ内の血液凝固などの評価から、生体適合性に優れていることを証明し、一種の人工血管を実現した。(4)では、特にISFET(イオン感応電界型トランジスタ)の高電圧印加による絶縁破壊を危惧して、ISFETの下流側に設けるダウンストリーム型電気浸透流ポンプ考案し、更に、キャピラリ内壁面積を体積に比べて大きくすることで、低電圧駆動法を確立した。

(5)では、電気浸透流ポンプでチップに引き込んだ全血を遠心分離により全血から血清の分離に成功した。(6)では、ISFET表面に種々のイオノフォア膜を検討し、これらをPETチップに埋み、キャピラリ内でNa^+、K^+、Ca^+の各イオンの検出と、各々に対する高選択比を確立し、同時にpH測定にも成功した。(7)では、まず電気泳導を優勢にし、またリンパ球の内壁への付着を抑えるため、石英キャピラリの内壁を高分子ミセルでコートして石英のゼータ電位を低減し、ラットの腸間膜から抽出したリンパ球を導入して、レーザ法によりTとB細胞の移動度を測定し、従来法と比べて同等の結果をマイクロキャピラリ内での始めての測定に成功した。最終年度は、「ヘルスケアチップ」の完成に注力した。要素技術としての無痛針は、70μm径のSUS管をNH_3プラズマによる窒化で硬化し、更に電界研磨で先端を先鋭化した。その結果、無痛で採血できるようになった。また、電気浸透流(EOF)ポンプは、強電界領域を石英板に作り込み、更にこの領域を40cmの長さにし、折り畳んで超小型化し、10Vの低電圧で大流量の血液を吸引することが出来た。無痛針は、PET板で作製したマイクロキャピラリの入り口に、EOFポンプは、その出口に3次元的に接続した。その結果、数十nlの血液をを流路に注入し、チップ内で遠心分離して得た血漿からpH、Na^+、K+、BUNの健康マーカをISFETによるポテンシオメトリ法のみならず謄写印刷によるカーボン電極によるメトリアンペロ法を用いての測定に成功した。この測定にはイオノフォア膜の固定化が障害となったが克服した。これらの測定手順は、簡易型装置を作製して行った。また、全血を無駄なく利用するため、リンパ球のTとB細胞の分離も研究した。TはBよりpH=7.4では電荷が1.5倍大きいので、電気泳動で分離できる。まず、リンパ球の付着とゼータ電位は高分子ミセルのコートにより低下された。本実験中、リザーバとウェステの容積が小さいため、電極の電気分解によりリザーバとウェステ内の緩衝液が極端に酸性化とアルカリ化することが初めて見出された。これはISFETを流路に多数設け、実時間で測定した結果判明した。これは今後チップの小型化に伴い大きな警鐘となろう。しかし、両者と流路との間に塩橋を挿入し、電圧は印加されるがアルカリ液は流入しない工夫を考案し、BとTの電気泳導動速度分布を測定した。次に、リンパ球を一旦ゲル電極に正電位で付着させた後、負の電圧を印加して、泳動させ、BとT細胞のキャピラリ内での分離に成功した。
三次元超音速噴流の密度測定に対するレインボーシュリーレン断層撮影装置の開発研究

レインボーシュリーレン偏向法が設計マッハ数1.5の超音速ノズルからの衝撃波を伴う自由噴流に適用された.実験では,出口が直径1mmあるいは10mmの軸対称超音速ノズルと出口が正方形断面で1片が1mmあるいは10mmの矩形超音速ノズルを用いた.実験は,噴流内に衝撃波を伴う条件で行われた.また,実験で得られた密度場との相互比較のために,流れ場を微小変動理論と数値シミュレーションを用いて解析した.その結果,本研究で開発したレインボーシュリーレン装置は,衝撃波を伴う自由噴流の三次元密度場を得るのに非常に有効であることがわかった.超音速噴流の構造を定量的に調べることは,学問的にも工学的にも非常に重要なため,これまで多くの実験的及び理論的研究が行われている.その結果,超音速噴流の圧力場についてはある程度明らかになっているが,密度場の詳細については不明な点が多い.従来より,衝撃波を含む密度場を定量的に光学観察する手法として,背景シュリーレン法,フォーカシングシュリーレン法,モアレシュリーレン法,レインボーシュリーレン偏向法が利用されているが,その中でもレインボーシュリーレン偏向法は,最も空間分解が高く,密度の計測値の精度も非常に高い.しかし,レインボーシュリーレン偏向法を発展させて超音速噴流の三次元密度場を光学的に定量計測した例は,国内のみならず国外においても全くない.そこで本研究では,レインボーシュリーレン偏向法にコンピュータートモグラフィを組み合わせて,超音速噴流の三次元密度場の計測が可能な全く新しい光学計測法(レインボーシュリーレン断層撮影法)を確立した.まず本研究では,レインボーシュリーレン断層撮影法による密度再構成の妥当性を定量的に評価するために,軸対称先細ノズルからの不足膨張噴流に対してレインボーシュリーレン偏向法を適用し,従来のアーベル変換法を用いた密度再構成とレインボーシュリーレン断層撮影法による密度再構成の定量的比較を行った.その結果,両手法による密度の計測値は,定量的にほぼ一致することがわかった.次に,軸対称先細ノズルからの不足膨張噴流に対して,k-wSST乱流モデルを用いたRANSシミュレーションを行い,数値計算による密度の計算値をレインボーシュリーレン断層撮影法による密度の計測値と定量的に比較した結果,両者による噴流内の密度の値は定量的に良く一致することが分かった.本研究では,衝撃波を伴う噴流内の密度場を三次元で光学的かつ定量的に計測する手法を確立できた.また,三次元数値計算コードの開発も行い,本計測値と定量的に良く一致することを明らかにした.さらに,比較的弱い衝撃波を伴う軸対称および矩形先細ノズルからの噴流に対して,従来の信頼性のある理論解析を行い,本計測手法と数値計算および理論解析による密度の値を比較した結果,三者は定量的に良く一致することがわかった.以上の結果,本計測手法の妥当性が明らかになった.超音速噴流は,航空宇宙産業,鉄鋼業,繊維業,農業等のさまざまな分野で幅広く利用されており,その内部構造を調べることは学術的および工学的に非常に価値がある.近年,コンピュータの発達により,超音速噴流の流れ場をCFDを用いて数値的に解く試みもされているが,数値計算の実験的検証の多くは,シャドウグラフ法やシュリーレン法による可視化結果との定性的比較や噴流の中心軸上のピトー管による圧力値との比較に留まっている.本研究では,レインボーシュリーレン偏向法にX線撮影などでよく利用されるCTの原理を組み合わせることで,超音速噴流の三次元の密度場を計測可能なシステムの開発を行った.平成28年度の研究結果を要約すると以下のようになる.1.設計マッハ数が1.5の軸対称超音速ノズルからの噴流の密度場を計測し,アーベル変換とCTの原理に基づく密度場の再構成を行った結果,両者が定量的によく一致することを示した.また,両者による計測値は,不足膨張の程度が弱い場合に信頼性のある微小変動理論値とも定量的によく一致することを示した.2.設計マッハ数が1.5の正方形断面の超音速ノズルからの噴流の密度場を計測し,CTの原理に基づく密度場の再構成を行い,不足膨張の程度が弱い場合に信頼性のある微小変動理論値と比較した結果,両者が定量的によく一致することを示した.また,噴流からの密度場は,噴流軸に垂直な断面の等密度線の形状が,流れ方向に四角形からひし形に変形し軸対称へと変化する複雑な三次元の密度場となっていることを実験的に明らかにした.3.上記1と2の超音速噴流の密度場をRANSシミュレーションによって,再現した.28年度の研究によって,当初の目標通りノズル出口で軸対称と正方形断面をもつ先細ノズルからの不足膨張噴流とノズル出口で軸対称と正方形断面をもつ設計マッハ数1.5のラバルノズルからの不足膨張噴流の三次元密度場を計測可能なシステムの開発に成功した.

超音速噴流は,航空宇宙産業,鉄鋼業,繊維業,農業等のさまざまな分野で幅広く利用されており,その内部構造を調べることは学術的および工学的に非常に価値がある.近年,コンピュータの発達により,超音速噴流の流れ場をCFDを用いて数値的に解く試みもされているが,数値計算の実験的検証の多くは,シャドウグラフ法やシュリーレン法による流れ場の可視化結果との定性的比較や噴流の中心軸上のピトー管による圧力値との比較に留まっている.本研究では,レインボーシュリーレン法にX線撮影などでよく利用されるCTの原理を組合わせることで,超音速噴流の三次元密度場を計測可能なシステムの開発を行った.平成29年度の研究成果を要約すると以下のようになる.1.設計マッハ数が1.5でノズル出口が10mm×10mmの正方形断面をもつ矩形超音速ノズルからの過膨張噴流の3次元の密度場計測に世界で初めて成功した.また,過膨張噴流の内部に発生するマッハディスク前後の密度の計測値と理論値は,定量的に良く一致することがわかった.実験と同じ条件の基で, k-ωSST乱流モデルを用いた3次元圧縮性RANSシミュレーションを行い,レインボーシュリーレン法による密度場を用いて検証した.その結果,矩形超音速ノズルからの自由噴流のショックセル構造の空間的変化が詳細に明らかになった.2.ノズル出口が5mm×20mmの長方形断面をもつ長方形先細ノズルからの不足膨張音速噴流の構造を実験と数値計算によって調べた.その結果,噴流の中心軸を含む密度場に対して,短軸断面と長軸断面に現れるマッハ衝撃波の空間的構造を定量的に明らかにした.レインボーシュリーレン偏向法が設計マッハ数1.5の超音速ノズルからの衝撃波を伴う自由噴流に適用された.実験では,出口が直径1mmあるいは10mmの軸対称超音速ノズルと出口が正方形断面で1片が1mmあるいは10mmの矩形超音速ノズルを用いた.実験は,噴流内に衝撃波を伴う条件で行われた.また,実験で得られた密度場との相互比較のために,流れ場を微小変動理論と数値シミュレーションを用いて解析した.その結果,本研究で開発したレインボーシュリーレン装置は,衝撃波を伴う自由噴流の三次元密度場を得るのに非常に有効であることがわかった.平成28年度は,本計測手法の妥当性をさらに検証するために,設計マッハ数1.5の軸対称および矩形の超音速ノズルからの衝撃波を含む流れ場に対してレインボーシュリーレン断層撮影法と三次元数値計算および理論解析を適用し,三者を定量的に比較検討する予定である.平成28年度の実験と数値計算によって,正方形断面をもつノズルからの不足膨張超音速噴流の密度場は,噴流軸に垂直な断面の等密度線の形状が,流れ方向に四角形からひし形に変形し軸対称へと変化する複雑な構造となっていることを示した.この現象を超音速噴流の密度場計測で明らかにしたのは世界で初めてである.平成29年度は,ノズル出口の断面がアスペクト比4の長方形断面の場合の衝撃波を伴う噴流の三次元構造を実験的および数値計算によって明らかにする予定である.また,平成28年度の研究結果を国内および国外の学術論文誌等で公表する予定である.高速気体力学