hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
北方森林生態系における窒素ミッシングリングの完全解明と窒素動態の評価

寒冷地の森林帯では窒素供給源が不明である。この「窒素ミッシングリンク」と呼ばれる「謎」を解明するため,東シベリア・永久凍土帯のグイマツ林床と北欧森林限界帯のスプールス林あるいはカンパ林で現地調査をおこない,土壌が持つ窒素固定能を探った。現地土壌微生物群集は土壌環境を反映した条件下で強いアセチレン還元を示した。16S rDNAを標的としたDGGE菌相解析では,Clostridium属細菌およびDugnella属細菌(γ-Proteobacteria綱)の活動が示唆され,植生によって主要な機能性菌相が大きく異なった。森林限界付近の森林土壌ではアセチレン還元力が小さく,逆に森林のない亜北極ツンドラ土壌で高いことが分かった。森林限界に近い北方林では,生態系全体の物質循環スケールが土壌単生窒素固定細菌による特徴的アセチレン還元能を制御し,ピースや菌根菌を系全体でのより協働的な窒素固定と樹木への効率的窒素供給が行われていることが強く示唆された。本研究は、北方針葉樹林ならびに北方湿地林の窒素供給源の謎を解明し、北方林生態系におけるバイオマス維持に必要な窒素循環システムの全容解明を目的とする。この窒素供給要因を完全に理解するため、タイプの異なる北方林生態系を研究サイトとして選定し、これを地球の肺と目されている北方林の管理・再生技術確立のために活用する。そのため、成立過程に関する基礎データを東シベリア(永久凍土タイガ林、乾燥地)に求めてきたが,この2年間はサンプルの持ち出しが許可されない状況が続いているため、フィンランド(トウヒ・アカマツ林、多湿地域)とフィンランドラップランドの高緯度森林限界、またその比較として北海道(カラマツ林とハンノキ林、苫小牧・釧路湿原)で土壌や植性を反映する腐植層などの収集・解析を行う。この研究により、北方林の維持と再生に必要な要因を明らかにし,特に皆伐や森林火災で破壊された森林生態系の修復を含めて,生態系管理技術への提言を目指す。東シベリア・Viluy52kmポイントで得た微生物群集を用い、窒素固定能力を最大限に発揮できる諸条件について検討し、現地土壌に近い低温、低炭素源、弱酸性、かつバイオフィルムを再現するジェランガム中で微生物群集の能力が最も高まることを明らかにした。また、2008年8月に現地Nelegel観測ステーション付近のバルク土壌で、ヤクーツク近郊のカラマツ林で土壌の窒素固定速度をアセチレン還元法によって測定した。その結果、O層の窒素固定速度は地点間差があり、-5980 μgN m-2 h-1であった。鉱質土層の窒素固定速度は0層よりも小さかったが、エチレン吸収による過小評価も考えられた。一方、フィンランドの湿性アカマツ林では、北方湿地生態系土壌の酸化還元環境を評価し、土壌微生物活性との関連について考察した。その結果、土壌表層の有機物蓄積が多いほど、また地下水位が高いほど土壌が還元的になることから、好気性微生物による有機物分解速度が高く、土壌水分含量が高いほど土壌の還元性が高まることがわかった。還元的環境下ではリンなど不溶性の栄養塩の可溶化が進み、これが、リン-窒素バランスを通じて土壌微生物の窒素代謝に影響している可能性が示唆された。ハンノキについているフランキア菌根菌を分離し、これを東シベリア細菌群週で用いた条件下でアセチレン還元活性にかけたが活性がほとんど観察されず、ハンノキの根あるいはミズゴケなど何かしらの補助要因の存在が強く示唆された。ハンノキ属に関しては、環境変動に対する応答についての研究成果を「第15回国際ハンノキ属に関する研究集会」にて発表した。また、北海道の樹種を中心に、環境変動に対する北方林構成樹種の環境応答、特に生産量と窒素シンクについて生態生理学レベルで解明した。本年度は予定していた夏季シベリアサンプリングによるヤクーツクからの試料持ち帰りがロシア政府の方針転換により叶わなかったため,急遽フィンランドにサイトを代え,ラップランド・オーランカの森林限界に近い地点での土壌サンプリングを行い,これまで東シベリア・タイガ林の林床土壌と同じ方法で,窒素固定能の検定を試みた。ラップランドのポドソルでは,溶脱の起こったA0層よりも下層のA1層褐色土壌で比較的高いアセチレン還元が認められた。この傾向は東シベリアのそれと同じであったが,培地に添加する糖に対する反応ではその反応がラップランド土壌洗浄液では東シベリア土壌とは大きく異なり,0.02%という低い糖濃度に一つ目の活性極大濃度をもち,0.5%に二つ目の活性極大ピークを示した。

東シベリアの湖沼底質からのメタン発生は底質のCN比を下げるため,窒素の無機化と開放が促進されるが,その動態を左右するメタン生成細菌を底質から探索し,Methanobacterium属古細菌を16S rRNA遺伝子解析から同定した。また,北方圏の陸生生態系における窒素供給がミズゴケ生産と連動し,これもミズゴケ表面に付く窒素固定微生物であることを示す幾つかの証拠を得た。さらに,北方林で頻発する大規模な森林火災が有機物中結合性リンを開放し,その制限要因が排除されることから,放線菌あるいはシアノバクテリアと共生体を形成し,活発な共生窒素固定を行うハンノキや蘚類が出現し,再形成されつつある生態系への窒素供給を担うことを強く示唆する実験結果が得られた。また,北方林のもう一つの特徴である外生菌根菌類や腐生性担子菌類の菌糸塊やシロから放出されるマンニトールが土壌中の窒素固定を担う単生窒素固定細菌の重要な炭素源であることが示された。2010年度も夏季シベリアサンプリングによるヤクーツクからの試料持ち帰りが許可されない。状況が続いたため,フィンランドラップランドに位置するKilpisjarviの北方森林限界での土壌微生物調査ならびに北部スウェーデン・Arjeplog近郊Reivoで北方林床蘚類(特にfeather mossと呼ばれるハイタチゴケ,イワダレゴケ,ダチョウゴケの3種類),さらにはポドソル土壌とその下層であるB層の土壌サンプリングを行い,これまで東シベリア・タイガ林の林床土壌と同じ方法で,シアノバクテリアの検索分離と窒素固定能の検定ならびにDGGEによるメタゲノム解析を試みた。Arjeplogでは,成立経年数が大きな森林林床を覆う蘚類に高頻度で窒素固定性藍藻類であるNostocが付着するとの現地研究者らの見解に反し,森林再生から30年という比較的若い林分から得たハイタチゴケに極めて高頻度でNostocの着生が認められた。ラップランドでは,森林限界を越えたツンドラ地帯のガンコウラン直下の土壌で比較的高いアセチレン還元が認められたが,他の森林限界点付近のカンパ林や針葉樹林の林床土壌では活性はほとんど検出されないか,高くなかった。また,東シベリア土壌細菌群集同様,ラップランド・ツンドラ土壌でも炭素源濃度や培養温度に対しては現地土壌環境に近いもので活性が高くなる傾向が認められた。この蘚類に付著する窒素固定性Nostocを10株以上分離し,蘚類の水抽出物によってホルモゴニア分化が抑制されるとの結果を得た。また,フィンランドのミズゴケ表面や苫小牧の石炭火力発電所のコケにもシアノバクテリアが高頻度で付くことを示す幾つかの証拠を得た。北方森林限界土壌から得た微生物は,混合培養では極低窒素培地で高いアセチレン還元を示したが,分離株ではそれぞれ極低窒素培地で高い増殖能を示すにもかかわらず,アセチレン還元を示さなかった。フィンランドおよびスウェーデンのカンバ森林限界帯で土壌サンプリング,蘇類収集,ならびにリタ-収集を行った。フィンランド,ラップランド・キルピスジャルビの森林限界に近い地点,また,スウェーデン,スカンジナビア・アビスコの山岳地帯で森林土壌とツンドラ土壌の土壌細菌相の比較を目的としてサンプリングを行った。
子どもの認知能力と構文の意味構造との連動に関する認知言語学的研究

本研究は獲得上のデータ及びCHILDES (MacWhinny (2000))などのコーパス分析の結果に基づき、英語の動詞不変化詞構文の意味構造的特性はこどもの発達過程における自分のまわりの状況や事象認知のあり方と連動している可能性があることを示した。こどもの発話において、当該構文が同義の一語動詞から成る文に比べると出現率が高い理由について、また、有標形に比べて無標形が獲得されやすい理由についても当該構文の意味構造的特性により説明できる。本研究は、英語の動詞不変化詞構文の獲得において、構文文法、有標性の観点から、当該構文の意味構造的特性と子どもの発達過程における事象認知のあり方との連動について探究することを目的とする。今年度は、自然言語データ及びCHILDESなどのコーパス分析を行い、子どもがどのような状況のもとで当該構文の無標形と有標形を使用しているのかについて詳細に調べた。また、無標形は有標形に比べて獲得され易いという一般論についても、当該構文に適応可能か検討するため当該構文の意味的特性、統語的特性並びに頻度分布等を考慮に入れて研究を進めた。それと同時に、発達過程や発達段階に応じて見られる子どもの認知能力の特性について発達理論に基づく文献調査を広く行った。特に、当該構文は基本的に因果関係を記号化した構文である点を踏まえ、子どもが事象間の「因果関係」を理解する時期及び因果関係に基づく子どもの行動や活動状況について子どもの発達過程の節目となる段階を確認しながら精査した。本年度は、英語の動詞不変化詞構文(例:The child took off his shoes.)と称される構文の獲得において、昨年度の研究成果から得られた知見を踏まえた上で、さらに、こどもの発話では当該構文の形式と意味がどのように結びついているのかを明らかにするために国内においてフィールドワークを実施した。研究の対象年齢は3歳から6歳のこどもである。日常的に英語を話すこどもたちが動詞不変化詞構文をどのような状況の下で使用し、その表現形式はどのようになっているのかを調査した。本年度の研究を通して、この時期のこどもはすでに動詞不変化詞構文の無標と有標の両形式を獲得しているが、一方で、当該構文の意味と形式の対応関係については獲得段階にあると言える。今年度得られた研究成果は学会に投稿し、現在審査中である。フィールドワークを通して、こどもたちが実際に、日常会話の中で英語の動詞不変化詞構文の無標と有標のどちらの形式をどのような事態や状況を表すときに使用するのかが明らかになってきた。それと同時に、動詞不変化詞構文は同義の一語動詞から成る文に比べると、使用頻度が高いことも、こどもの年齢を含め実際に確かめることができた。この点が因果関係を記号化しているか否かに還元できるのかについては、次年度、研究対象のこどもの年齢層を広げ調査を継続していく。こどもの認知能力と構文の意味構造との連動が明らかになりつつあり、順調に研究が進展していると考えられる。本年度は、昨年度行ったフィールドワークにおける調査、分析を継続的に行い、さらに、発話データベースであるCHILDESをもとに、こどもが動詞不変化詞構文(Verb-Particle Construction)を発話するまでにどのような獲得過程を経るのかに着目し、認知言語学、構文文法論における構文継承の観点から考察を行った。結果として、こどもは動詞不変化詞構文の発話に至るまでに当該構文と関連する構文の発話段階を経ており、また、動詞不変化詞構文が持つ意味構造的特性のなかでも位置や場所の変化から状態の変化へと拡張段階が見られることが示された。継続中の現地調査に基づく結果、並びに、データベースCHILDESでは調査対象の構文が発話される前後の文脈が詳しく記録されていることから、こどもが当該構文をどのような状況や場面のなかで使用しているのかを見取ることができ、こどもの事態認知と動詞不変化詞構文の意味的構造の連動について少しずつ明らかになってきた。幼児期は当該構文が記号化する因果関係について、焦点化される事態に相応しい構文形式の獲得段階であることが確認された。また、収集した言語資料を精査することにより、動詞不変化詞構文の獲得に至る過程において、当該構文と意味的にも形式的にも関連する構文の発話段階を経ていることも確かめられた。本年度は、フィールドワーク及びこどもの発話データベースCHILDESからの言語資料収集を継続的に行いながら、本研究の目的であるこどもの認知能力と英語の動詞不変化詞構文の意味構造との連動について考察を深めるとともに、幼児期における当該構文の無標形式の出現率にも着目した。幼児期の動詞不変化詞構文の獲得には、個人差が認められ、また、文法的にも誤りが見られるものの、総じて、獲得初期段階では当該構文の無標形式の出現率が高いことが確認された。発達理論に基づいて、こどもは発達の初期段階で原因と結果を認識し意図的に対象に働きかけるようになることを考慮に入れると、因果関係の一連の事象が基本的に動詞不変化詞構文の無標形式で表されており、当該形式の持つ機能面が出現率の高さにも関係していると考えられる。さらに、本年度は、動詞不変化詞構文において、意味と形式がどのように結び付き、当該構文がどのように構築されていくのかその獲得過程にも着目した。これまでのところ、大きく分けて三つの段階が確認され、また、その過程において、当該構文を構成する言語要素の組み合わせに一定の関係性が見られることが明らかになった。

今年度得られた成果は学会に投稿し、現在査読中である。本研究は獲得上のデータ及びCHILDES (MacWhinny (2000))などのコーパス分析の結果に基づき、英語の動詞不変化詞構文の意味構造的特性はこどもの発達過程における自分のまわりの状況や事象認知のあり方と連動している可能性があることを示した。こどもの発話において、当該構文が同義の一語動詞から成る文に比べると出現率が高い理由について、また、有標形に比べて無標形が獲得されやすい理由についても当該構文の意味構造的特性により説明できる。自然言語データ及びCHILDESから得られた言語資料を分析し、データの特徴を明確化した。その結果、英語の動詞不変化詞構文の獲得時期を確認し、その時期の子どもの認知発達の特性と照らし合わせることにより、子どもの認知能力と当該構文の意味構造との関係が徐々に明らかになりつつある。今年度得られた成果は学会に投稿し、現在審査中である。今後はさらに研究の対象年齢を広げ、発達段階のどの時期に、英語の動詞不変化詞構文の意味と形式に一対一の対応関係が見られるのか精査する。それと同時に、当該構文の意味と形式に対応関係が確認される時期がこどもの発達過程上どのような節目となる時期であるのか、発達心理学や認知科学などの研究成果と照らし合わせながら探究する。フィールドワーク及び言語資料の収集を継続的に行いながら、本研究の目的であるこどもの認知能力と構文の意味構造との連動について考察を深めるとともに、これまでの研究成果を纏める。英語学二年目は、フィールドワークを実施する。初年度に得た知見も踏まえて、日常生活の現場で子どもたちが通う幼稚園や小学校をフィールドに、子どもの行動や使用する言語表現を観察記録する。その際に、どのような状況において、どのような表現形式を使用するのか、その具体的内容と表現形式に着目する。さらに、研究成果の公表及び専門分野の研究者との研究討議のために国内外の関連学会に参加する。今年度は国内でのフィールドワークならびに新たなデーターベースの収集及び分析に予想以上の時間が必要となったので、当初計画していた海外でのフィールドワークを次年度に実施する。これまで収集してきたデータ及びフィールドワークの分析に予想以上の時間が必要となったため、当初計画していた年齢の幅を広げて行う調査を次年度に実施する。今年度は言語資料に基づくデータベースの分析及び文献資料に基づく基礎的、理論的研究を重点的に行うことにより、予想以上の時間が必要となった。そのため、初年度に計画していた国内外フィールドワークを次年度に実施する。海外でのフィールドワークにかかる旅費として使用する計画である。国内外でのフィールドワークにかかる旅費として使用する計画である。フィールドワークにかかる国内旅費、海外旅費として使用する計画である。
新規窒化物半導体のインシリコデザインと材料創成・デバイス化への展開

昨年度から継続して、窒化物半導体の系統的な理解と新物質探索のための計算・実験手法の開発及びその応用を進めた。計算に関しては、基礎物性、熱力学的安定性、格子欠陥特性の第一原理計算の高精度・高速化により、窒化物半導体の系統的評価を可能とする理論設計・予測基盤を構築するための手法の開発を行った。この計算手法を応用することで、これまで安定したp型ドーピングが困難であった窒化銅について、フッ素化学ドーピングが有効であることを理論的に予測し、実験グループと連携することで高移動度p型薄膜の実現につなげた(Advanced Materials 2018)。また、太陽電池光吸収層材料として近年注目を浴びているZnSnN2のカチオンの不規則化や固有点欠陥形成・不純物混入に関する詳細な理論的検討を行い、その電子構造及び伝導キャリア濃度への影響を明らかにした。(Physical Review Applied 2018)これらは、本研究が目指す新規窒化物半導体の設計・探索及び既知窒化物半導体の系統的理解に関する成果であるとともに、今後の展開に関する有益な知見を与える結果である。また、開発したプログラムを用いて、新規窒化物半導体の探索のためのハイスループットスクリーニングを開始した。実験に関しては、昨年度に引き続き窒化物及び比較対象の多彩な関連化合物について、焼結体合成及び製膜の条件の検討並びに半導体物性・電子状態計測を進めた。とくに、2元系窒化亜鉛及び類縁の3元系窒化物に関して、固溶体化によるバンドギャップ制御や薄膜化の実現等の成果が得られた(論文2編を投稿中)。計算に関しては、昨年度に引き続き基礎物性及び格子欠陥特性の理論予測基盤の構築のためのプログラム開発を進めるとともに、上述のような2元系及び3元系窒化物半導体の固有点欠陥の形成挙動及びドーピングの理論予測に応用した。これにより、個々の物質の特性の最適化や新機能発現に関して具体的な結果を得るとともに、今後の新規窒化物半導体の設計に関する重要な知見が得られた。また、計算の自動実行のためのプログラム開発を継続することで、本研究の主目的である新規窒化物半導体の設計及びハイスループットスクリーニングによる探索を行うための基盤技術が当初予定通り構築でき、実際に候補物質のスクリーニングを開始した。実験に関しては、これまでに高圧合成に頼っていた亜鉛系窒化物の合成に関して、研究計画通り薄膜化が実現できた。今年度までに開発した第一原理計算に基づいた窒化物半導体の設計及びハイスループットスクリーニングによる新物質探索のためのプログラムを高度化し、その応用と検証実験を継続する。スクリーニング手法に関しては、候補物質の安定性、物性、格子欠陥特性を高精度かつ高速に評価するため、第一原理計算による直接予測と系統的計算結果の機械学習による予測モデルを併用した手法の開発を行う。このために、既知物質に関する計算データのデータベース化をさらに進めるとともに、予測モデルの高精度化を検討する。また、有望と判定された物質について、ギブズ自由エネルギーを温度、圧力の関数として算出し、より詳細な安定性の評価を行うとともに、合成に適した条件の提案を目指す。さらに、点欠陥及び表面、界面の特性まで考慮して、様々な既知窒化物半導体の理論的検討を継続することで、窒化物半導体の系統的な理解を進める。また、今年度に本格的に開始した新規窒化物半導体の探索のためのハイスループットスクリーニングを継続し、有望物質の提案を目指す。実験に関しては、今年度に薄膜化に成功した亜鉛系窒化物に関する経験に基づいて他の窒化物半導体の製膜へと展開するとともに、薄膜の電子・光学物性の評価を進める。本年度の研究計画に従って、既知の窒化物半導体の系統的な理解と新物質探索のための計算・実験手法の開発及びその応用を進めた。計算に関しては、バンドギャップ、有効質量、吸収係数等の基礎物性、状態図中での競合相に対する熱力学的安定性、点欠陥、表面、界面等の格子欠陥の形成エネルギーや電子状態の第一原理計算に基づいた予測の高精度・高速化により、窒化物半導体の系統的評価を可能とする理論設計・予測基盤を構築するための手法の開発を行った。また、この計算手法の適用性を評価するため、窒化亜鉛(Physical Review Applied 2017)、窒化スカンジウム(Physical Review Applied 2018)、窒化銅(論文投稿中)等の既知の2元系窒化物半導体のバンド構造、光吸収特性、点欠陥特性の予測に応用した。その結果、これらの窒化物における空孔等の固有点欠陥や水素・酸素不純物の形成・導入挙動と固有点欠陥・不純物由来の電子状態、電子キャリア生成に伴う光学バンドギャップの増加、p型ドーピングの可能性の予測に関する結果が得られた。さらに、本研究の主要なターゲットである3元系窒化物半導体についても、既知物質を中心に同様な解析を行い、3元系特有のカチオンの不規則化や点欠陥の形成挙動を明らかにした。これらは、本研究が目指す新規窒化物半導体の設計・探索及び既知窒化物半導体の系統的理解にとって有益な基礎的知見である。また、窒化物及び比較対象の多彩な関連化合物について、焼結体合成及び製膜の条件の検討並びに半導体物性・電子状態計測を進めた。計算に関しては、基礎物性及び格子欠陥特性の理論予測基盤の構築のためのプログラム開発を主目的として研究を進めた。また、この手法のテストと既知物質の理解を兼ねて、上述のような多様な2元系及び3元系窒化物半導体の解析に応用した。これにより、格子欠陥の特性まで踏まえた新規窒化物半導体の設計に関する重要な知見が得られた。

また、計算手法の自動実行のためのプログラム開発を進めることで、本研究の主目的である新規窒化物半導体の設計及びハイスループットスクリーニングによる探索を行うための基盤技術が、当初予定の段階まで構築できた。実験に関しては、これまでに高圧合成に頼っていた亜鉛系窒化物の合成に関して、他の合成条件の検討が予定通り進行できた。また、多様な既知化合物半導体を対象に、半導体物性及び電子状態計測に関する技術開発も進んだ。昨年度から継続して、窒化物半導体の系統的な理解と新物質探索のための計算・実験手法の開発及びその応用を進めた。計算に関しては、基礎物性、熱力学的安定性、格子欠陥特性の第一原理計算の高精度・高速化により、窒化物半導体の系統的評価を可能とする理論設計・予測基盤を構築するための手法の開発を行った。この計算手法を応用することで、これまで安定したp型ドーピングが困難であった窒化銅について、フッ素化学ドーピングが有効であることを理論的に予測し、実験グループと連携することで高移動度p型薄膜の実現につなげた(Advanced Materials 2018)。また、太陽電池光吸収層材料として近年注目を浴びているZnSnN2のカチオンの不規則化や固有点欠陥形成・不純物混入に関する詳細な理論的検討を行い、その電子構造及び伝導キャリア濃度への影響を明らかにした。(Physical Review Applied 2018)これらは、本研究が目指す新規窒化物半導体の設計・探索及び既知窒化物半導体の系統的理解に関する成果であるとともに、今後の展開に関する有益な知見を与える結果である。また、開発したプログラムを用いて、新規窒化物半導体の探索のためのハイスループットスクリーニングを開始した。実験に関しては、昨年度に引き続き窒化物及び比較対象の多彩な関連化合物について、焼結体合成及び製膜の条件の検討並びに半導体物性・電子状態計測を進めた。とくに、2元系窒化亜鉛及び類縁の3元系窒化物に関して、固溶体化によるバンドギャップ制御や薄膜化の実現等の成果が得られた(論文2編を投稿中)。計算に関しては、昨年度に引き続き基礎物性及び格子欠陥特性の理論予測基盤の構築のためのプログラム開発を進めるとともに、上述のような2元系及び3元系窒化物半導体の固有点欠陥の形成挙動及びドーピングの理論予測に応用した。これにより、個々の物質の特性の最適化や新機能発現に関して具体的な結果を得るとともに、今後の新規窒化物半導体の設計に関する重要な知見が得られた。また、計算の自動実行のためのプログラム開発を継続することで、本研究の主目的である新規窒化物半導体の設計及びハイスループットスクリーニングによる探索を行うための基盤技術が当初予定通り構築でき、実際に候補物質のスクリーニングを開始した。実験に関しては、これまでに高圧合成に頼っていた亜鉛系窒化物の合成に関して、研究計画通り薄膜化が実現できた。引き続き、高精度・高速第一原理計算に基づいた候補物質のハイスループットスクリーニングによる有望物質選定のためのプログラムの開発と応用並びに検証実験を行う。スクリーニング手法の開発に関しては、候補物質の安定性の評価を効率的かつ高精度に評価するための手法の高度化に注力する。
障害波除去用変圧器の最適設計方法確立に関する研究

方向性ケイ素鋼板を積層したC形カットコアを磁心に用いた障害波除去用変圧器を試作した.実験では,ノイズシミュレータ(雑音許容度試験機)により商用正弦波電圧にパルス状のサージノイズを重畳し,これを試作障害波除去用変圧器に印加した場合のノイズ減衰特性,ならびに,正弦波電圧を印加した場合のノイズ減衰量の周波数特性の測定を行った.また,変圧器に遮蔽を施した場合の特性についても検討を加えた.パルス応答特性の結果より,ノイズ減衰量は入力パルス電圧の大きさに依存しないことが明らかになった.また,ノイズ減衰量の周波数特性から,(1)ノーマルモードノイズは変圧器のインダクタンスと漂遊容量とで形成されるフィルタにより除去されること,(2)変圧器にコンデンサを付加した場合には,ノーマルモードノイズに対する除去効果が現れ始める周波数が低周波側に推移すること,(3)コモンモードノイズは巻線間の分布容量を介して伝搬するが,対地容量等の漂遊容量との兼ね合いで伝搬する量が変化すること等が明らかになった.本研究において,ほぼ所期の成果を得ることはできたが,今後,等価回路に基づき,回路定数の周波数特性を考慮したノイズ減衰特性の算定,回路定数の最適値等について検討する必要があると思われる.なお,本研究の成果は,平成7年度電気関係学会東北支部連合大会(講演番号1B10),第19回日本応用磁気学会学術講演会(講演番号25aB-6),電気学会マグネティックス研究会(資料番号MAG-95-110)において発表し,平成8年電気学会全国大会(講演番号517),International Magnetic Confernce 96(講演番号HS-6)にて発表予定である.方向性ケイ素鋼板を積層したC形カットコアを磁心に用いた障害波除去用変圧器を試作した.実験では,ノイズシミュレータ(雑音許容度試験機)により商用正弦波電圧にパルス状のサージノイズを重畳し,これを試作障害波除去用変圧器に印加した場合のノイズ減衰特性,ならびに,正弦波電圧を印加した場合のノイズ減衰量の周波数特性の測定を行った.また,変圧器に遮蔽を施した場合の特性についても検討を加えた.パルス応答特性の結果より,ノイズ減衰量は入力パルス電圧の大きさに依存しないことが明らかになった.また,ノイズ減衰量の周波数特性から,(1)ノーマルモードノイズは変圧器のインダクタンスと漂遊容量とで形成されるフィルタにより除去されること,(2)変圧器にコンデンサを付加した場合には,ノーマルモードノイズに対する除去効果が現れ始める周波数が低周波側に推移すること,(3)コモンモードノイズは巻線間の分布容量を介して伝搬するが,対地容量等の漂遊容量との兼ね合いで伝搬する量が変化すること等が明らかになった.本研究において,ほぼ所期の成果を得ることはできたが,今後,等価回路に基づき,回路定数の周波数特性を考慮したノイズ減衰特性の算定,回路定数の最適値等について検討する必要があると思われる.なお,本研究の成果は,平成7年度電気関係学会東北支部連合大会(講演番号1B10),第19回日本応用磁気学会学術講演会(講演番号25aB-6),電気学会マグネティックス研究会(資料番号MAG-95-110)において発表し,平成8年電気学会全国大会(講演番号517),International Magnetic Confernce 96(講演番号HS-6)にて発表予定である.
認知症に伴う行動障害と精神症状の神経病理学的基盤の解明

本研究は、認知症に伴う行動障害と精神症状の神経病理学的基盤を解明することを目的とした。とくに本研究では、前頭側頭型認知症などの神経変性疾患の原因蛋白として近年同定されたFUS(fused in sarcoma)について、生化学的分析とともにその脳内での分布を調べ、臨床症状との関連を調べた。その結果、FUSは前頭側頭型認知症の原因蛋白の一つであり、同疾患でみられる前頭葉症状の発現に関与していることが示唆された。本研究の目的は、アルツハイマー病(Alzheimer's disease : AD)、DLB、前頭側頭型認知症(frontotemporal dementia : FTD)など様々な変性性認知症のBPSDの特徴を臨床記録より抽出し、その原因となる病理学的背景を明らかにすることである。特に、各々の変性疾患における原因蛋白に注目し、BPSD発現に関与するメカニズムを、免疫組織学的手法を用いて明らかにすることを目的とした。平成22年度は、横浜市立大学医学部精神医学教室に保存の剖検脳に加えて、協力施設である東京都精神医学総合研究所、東京都立松沢病院、さわらび会福祉村病院、積愛会横浜舞岡病院の臨床記録から、BPSDを中心とした臨床症状の抽出を順次行った。また、当教室に保存の剖検脳については、既に、臨床症状の抽出と基本的な病理学的な検索が終わっているため、これらの相関についての解析を進めた。さらに、当大学の剖検脳については、TDP-43など、近年新たに認知症の原因蛋白として同定されたものについて、全症例の免疫染色を行い、BPSDとの関連を調べた。とくに本年は、Nasu-Hakola病の灰白質病変と精神症状の関連についての検討を行い、結果をまとめて論文として発表した。Nasu-Hakola病の病変は白質病変が中心であるが、灰白質にもグリオーシス等の変化を強く認め、これが精神症状の発現に関与している可能性を明らかにした。本研究の目的は、アルツハイマー病(Alzheimer's disease:AD)、DLB、前頭側頭型認知症(fromt otemporal dementia:FTD)など様々な変性性認知症のBPSDの特徴を臨床記録より抽出し、その原因となる病理学的背景を明らかにすることである。平成23年度も引き続き、横浜市立大学医学部精神医学教室に保存の剖検脳に加えて、協力施設である東京都精神医学総合研究所、東京都立松沢病院、さわらび会福祉村病院、積愛会横浜舞岡病院の臨床記録から、BPSDを中心とした臨床症状の抽出を順次行った。とくに本年は、FTDなどの神経変性疾患の原因蛋白として近年同定されたFUS(fused in sarco ma)の分布を調べ、結果をまとめて報告した。FUSはシナプスに存在し、シナプス機能の低下を介して神経変性疾患の症状発現に関与していることを明らかにした。対象は、横浜市立大学医学部精神医学教室、東京都精神医学総合研究所、東京都立松沢病院に保存されている臨床記録と剖検脳である。とくに本研究では、一部のFTDの原因蛋白として近年同定され、注目されているFUS(fused in sarcoma,日本語訳なし)について、生化学的分析を行い、その脳内での分布を調べ、臨床症状との関連を調べた。FUSは、生化学的にはウェスタンブロットで72kDaの蛋白として同定され、脳内では神経網(ニューロピル)と核内に存在していることが確認された。電子顕微鏡による観察では、FUS陽性顆粒は神経突起内で、シナプト小胞の膜蛋白であるシナプトフィジンと共存していた。このFUSは、FTDの一つであるFTLD-TDPの患者の脳では、対照群と比べて多数認められた。一方で、ADの脳内ではFUS陽性顆粒の増加は認められなかった。以上より、FUSはFTLD-TDPの原因蛋白の一つであり、同疾患でみられる前頭葉症状の発現に関与していることが示唆された。すでに、Nasu-Hakola病の灰白質病変と精神症状に関する研究やFUSの分布に関する研究など、いくつかの研究テーマについて、その結果をまとめ学会と論文で発表している。24年度が最終年度であるため、記入しない。神経変性疾患の症状発現に関与する蛋白質として本研究開始時より明らかになっていたものに加えて、研究開始後に明らかになったものについても、本研究の中で実験を進めていく。本研究で用いる中心的な実験手法は免疫組織化学であるが、脳内での蛋白質の有無や局在を免疫組織化学で確認するためには抗体が必要である。
動く細胞による神経回路リモデリング機構

小脳は高度な神経活動に関与する中枢神経構造であり、層構造・神経回路構造は脊椎動物で保存されている。小脳の主要なグルタミン酸作動性ニューロンである顆粒細胞は、小脳原基背側(上菱脳唇)に存在する神経前駆細胞から分化する。さらに、成体においても顆粒細胞は産生され続けられる。本研究では、顆粒細胞の軸索伸長および細胞体の移動により層構造・神経回路が形成される仕組み、および成体において顆粒細胞が新生され神経回路がリモデリングされる仕組み、を理解することを目指した。(1)顆粒細胞の軸索形成と細胞体移動の解析:顆粒細胞特異的Gal4系統を用いて、顆粒細胞の分化過程を1細胞レベルで解析した。小脳体の顆粒細胞の細胞体は、最初ランダムに運動した後停止し、軸索をランダムな方向に伸長する。しかし、軸索が他の軸索に近接すると方向を転換することから、軸索間の反発作用があることが想定された。この軸索間の反発作用が軸索を平行にするものと考えられた。小脳体の顆粒細胞は軸索伸長をしながら細胞体を腹側に移動させるが、軸索をレーザーで切断した際、細胞体移動が阻害されたことから、軸索形成と細胞体の移動は連動していると考えられた。(2)顆粒細胞の成体ニューロン新生:顆粒細胞の前駆細胞は成体においても維持され続ける。小脳表層に存在するatoh1a,b,cを発現する前駆細胞が成体小脳でも増殖しており、これらの細胞が顆粒細胞に分化するとともに腹側の顆粒細胞層に移動し、神経回路をリモデリングしている。本研究では、顆粒細胞前駆細胞の維持に関わる細胞間シグナル分子の候補を同定した。(3)顆粒細胞の軸索形成・細胞体移動を制御する分子の同定:顆粒細胞Gal4系統を用いて、神経回路形成中の顆粒細胞をFACSで単離しRNA-seqを行い、顆粒細胞に特異的に発現する遺伝子を収集した。神経回路形成・リモデリングに関与する候補遺伝子を選択し、変異体の作製を行った。26年度が最終年度であるため、記入しない。発生過程で形成された神経回路は、発達過程でリモデリングされることで、高度な神経活動を維持している。ゼブラフィッシュの中枢神経では、複数の領域で成体ニューロン新生が起こることが報告されており、小脳の顆粒細胞はその代表例の一つである。本研究では、ゼブラフィッシュ小脳の顆粒細胞の神経前駆細胞が維持され、分化した顆粒細胞が適切な場所に移動する過程を解析し、これらを制御する分子メカニズムを解析した。(1)小脳顆粒細胞の移動過程の解明:顆粒細胞特異的なGal4系統を用いて顆粒細胞の分化過程を解析した。モザイク解析により小脳の前方の顆粒細胞は、哺乳類の小脳と同様に、内側に位置する細胞体から軸索を表層に延ばし分岐し(T字型)、平行線維を形成していた。一方、小脳の後方の顆粒細胞は、細胞体から直接二本の軸索を伸長し双極性構造を示した。タイムラプス観察により、小脳前方の顆粒細胞は最初、細胞体をランダムに移動しており、その後軸索を伸長させることを見出した。顆粒細胞の軸索は最初平行ではなく、比較的ランダムな方向に伸長するが、他の軸索と近接すると反発する方向に軸索を伸長することを見出した。このことは、軸索間で反発性の相互作用が働いており、これにより平行線維が形成される可能性が示唆された。小脳前部の顆粒細胞は軸索伸長と同期して細胞体を内側に移動するが、軸索をレーザーで破壊すると、内側への細胞体移動が阻害された。このことから、細胞体の移動には正確な軸索形成が必要であると考えられた。(2)小脳顆粒細胞の前駆細胞の維持機構の解析:神経前駆細胞の維持に関与する分子としてBmp関連分子を想定し、その発現解析・機能解析を始めた。

小脳表層に存在するatoh1a,b,cを発現する前駆細胞が成体小脳でも増殖しており、これらの細胞が顆粒細胞に分化するとともに腹側の顆粒細胞層に移動し、神経回路をリモデリングしている。本研究では、顆粒細胞前駆細胞の維持に関わる細胞間シグナル分子の候補を同定した。(3)顆粒細胞の軸索形成・細胞体移動を制御する分子の同定:顆粒細胞Gal4系統を用いて、神経回路形成中の顆粒細胞をFACSで単離しRNA-seqを行い、顆粒細胞に特異的に発現する遺伝子を収集した。神経回路形成・リモデリングに関与する候補遺伝子を選択し、変異体の作製を行った。26年度が最終年度であるため、記入しない。(1)小脳顆粒細胞の移動過程の解明:当初は顆粒細胞の神経前駆細胞に発現するプロニューラル遺伝子atoh1aの制御領域を用いてDNA組換え遺伝子CreERT2を発現するトランスジェニックフィッシュを作製する予定であったが、作製に成功しておらず、その変わりに顆粒細胞特異的Gal4系統を用いた解析を行った。(2)顆粒細胞の前駆細胞を成体で維持するメカニズムの解析:Bmp関連因子であるGdf6a, Gdf7が候補と考えられたが、発現が弱く検出に苦労をしている。また、これらの因子の機能解析がやや遅れている。(1)小脳顆粒細胞の移動過程の解明:atoh1a制御領域を用いたGal4またはCreERT2の発現系統の作製を続ける。上手く行かない場合を想定し、ヒートショックプロモーター依存性にCreERT2を発現する系統を用いて神経前駆細胞を標識し、その移動を観察する。当初の計画通り、神経前駆細胞が稚魚および制御でどのように移動し、神経回路をリモデリングするかを解明する。また、小脳ニューロン・グリアに特異的にGal4発現する系統(作製済み)を用いてこれら細胞を除去した場合の、顆粒細胞の移動を観察し、顆粒細胞の移動を制御する細胞を見出す。また、顆粒細胞の遺伝子プロファイリングのデータが得られているので、その情報を基に顆粒細胞の移動に関与する分子を見出す。(2)顆粒細胞の前駆細胞を成体で維持するメカニズムの解析:高感度なin situ hybridization法を用いてBmp関連分子を探索する。Bmpだけでなく、Fgf, Wntシグナルも探索し、前駆細胞の維持に関わる細胞間シグナル分子の候補を見出す。候補の遺伝子に対して、vivoモルフォリーノによるノックダウン実験、Crispr/Cas9法によるノックアウト実験を行い、顆粒細胞の前駆細胞に関わる分子を最終的に明らかにする。
アセチレン結合のダブル官能基化反応の開発

本研究はパラジウム錯体を触媒とする炭素置換基導入反応のうちでも、特に、二つの官能性炭素置換基を炭素-炭素多重結合の両端の炭素原子に対し同時に導入する方法-「ダブル官能基化」-の開拓を目的として行った。特にアシルシアニド(α-ケトニトリル)に注目し、この化合物のアシル基とシアノ基の間にアセチレン結合を挿入させることでこの炭素-炭素多重結合の「ダブル官能基化」を実現を図った。その結果ベンゾイルニトリルをはじめ種々の芳香族アシルシアニドがゼロ化のパラジウムの存在下でのアセチレン化合物に対して収率よく付加することがわかった。このようにして得られた生成物は分子内にアシル基とシアノ基という二つの電子吸引性官能基をもつオレフィン化合物であり、室内光によってシス-トランスの異性化を起こすなど興味深い物性を示すことがわかった。今後、種々有用有機化合物の合成中間体としての応用が期待される。本反応の機構は以下のように証明された。すなわち、アシルシアニドやハロゲン化アシル化合物、ジシアンなどがゼロ化のパラジウムに対し酸化的に付加することが既に確かめられている。このようにして生じたアシルパラジウムシアニドは末端アセチレン類と反応してアセチレンケトンを生じ、再びシアン化水素が付加してγ-シアノ-α,β-不飽和ケトンとなった。また、アシルシアニドについてはヨウ化アリール、一酸化炭素、青酸カリウムの三者からパラジウム触媒を用いる合成が報告されており、同様の反応を本反応条件下で実現されることにより、ヨウ化アリール、一酸化炭素、青酸カリウム、アセチレン化合物の四者を順に連結し、予め調整したアシルシアニドを用いた場合と同様の生成物が得られることも明らかにした。
ユビキチン鎖伸長反応の反応機作の解析

分裂酵母においてユビキチン転移酵素UbcP1/Ubc4およびUbcP4/Ubc11をコードする遺伝子の変異株は分裂期の進行異常を示した。変異株中では分裂期サイクリンCdc13が安定化し,蓄積していた。また、APC/C(Anaphase Promoting Complec/Cyclosome)の活性化によるCdc13の分解に両ユビキチン転移酵素が必要であった。ubcP1/ubc4変異株中ではCdc13のユビキチン鎖が短くなっていたのに対しunbP4/ubc11変異株中ではCdc13のユビキチン化が全体的に減少していた。以上の結果は,Cdcl3のポリユビキチン化は段階反応でありUbcP4/Ubc11がユビキチン化の開始、ubcP1/Ubc4がユビキチン鎖の伸長の関わることを示唆するものである。Cdc13のポリユビキチン化が上述のように段階反応であることを証明するためにはCdc13ユビキチン化の試験管内再構成系を確立する必要がある。分裂酵母租抽出液を用いた再構成系構築の試みはよい結果を得られなかったため,現在,各々の構成因子を組替蛋白質として発現,精製し,各々の因子による再構成系の構築を検討中である。ubcP4/ubc11変異株は分裂期の進行異常に加えて細胞伸長という間期の進行遅延に特徴的な表現型を示す。この表現型はDNA損傷チェックポイントに依存していた。また、ubcP4/ubc11変異株中ではDNA損傷チェックポイントのエフェクターキナーゼであるChk1が活性化していた。ubcP4/ubc11変異株はDNA損傷に対して高感受性を示さなかったことから、UbcP4/Ubc11の関与するユビキチン経路はDNA損傷チェックポイントの制御因子として機能することが示唆される。現在,標的蛋白質の候補が得られつつあることから標的候補蛋白質の安定性の制御,分解の生物学的意義について解析中である。細胞周期の進行においてユビキチン・システムによる蛋白質分解制御は重要な役割を担っている。特にSecurinならびに分裂期サイクリンの分解は分裂期の進行に重要である。蛋白質のユビキチン化はユビキチン活性化酵素、ユビキチン転移酵素、ユビキチン・リガーゼの関わる反応であり、複数種存在するユビキチン転移酵素とユビキチン・リガーゼの組み合わせはユビキチン・システムの基質特異性を規定する重要な因子のひとつである。分裂酵母において十数種存在するユビキチン転移酵素の機能解析をおこなった結果、分裂期サイクリンのポリユビキチン化は二つのユビキチン転移酵素UbcP4/Ubc11およびUbcP1/Ubc4が関わる開始反応と伸長反応の2段階反応であることを示唆する結果を得た。また、二つのユビキチン転移酵素は両者ともユビキチン・リガーゼAPC(Anaphase Promoting Complex)とともに機能している可能性を示唆する結果を得た。伸長反応の分子機構を探る目的で伸長反応に関わるユビキチン転移酵素遺伝子ubc4温度感受性変異株を用いて遺伝的相互作用を示す遺伝子の検索を行った。現在、候補の遺伝子を得ることに成功した。この遺伝子について解析中である。また、細胞周期の進行に重要なもう一方のユビキチン経路であるSCF(Skp1-Cullin-F-box)経路に関わるユビキチン転移酵素の候補を得た。

候補ユビキチン転移酵素遺伝子破壊株およびubc4変異株においてSCFの標的蛋白質であるRum1の蓄積が見られた。現在、この二つのユビキチン転移酵素の関係を明らかにするとともにSCFの標的蛋白質についてポリユビキチン化の反応機作を解析中である。分裂酵母において分裂期サイクリンのポリユビキチン化が二つのユビキチン転移酵素UbcP1/Ubc4およびUbcP4/Ubc11が関わる2段階反応である可能性を示唆する結論を得た。分裂酵母抽出液を用いた分裂期サイクリンのユビキチン化再構成系を構築し、分裂期サイクリンのポリユビキチン化の機構について詳細に検討する実験を遂行している。現在、基質蛋白質である分裂期サイクリンCdc13、ユビキチン活性化酵素E1、ユビキチン転移酵素E2、UbcP1/Ubc4およびUbcP4/Ubc11を組換蛋白質として大腸菌内で大量発現させて租精製する系を確立した。また多数の因子によって構成されるユビキチン・リガーゼE3、Anaphase Promoting Complex/Cyclosome(APC/C)についてタグをつけた構成因子Lid1-tapを発現する分裂酵母株内で活性化因子Ste9を大量発現させてAPC/Cを活性化状態で租精製する系を確立した。これらの蛋白質を用いて現在、再構成系の反応条件を検討中である。同様に分裂期においてユビキチン化される染色体分配制御因子セキュリンCut2について前述の2つのユビキチン転移酵素の関わりおよびポリユビキチン化の機構を明らかにする目的でCut2を組換蛋白質として大腸菌内で大量発現させ精製を行い抗体を作成中である。DNA合成期のユビキチン化の標的蛋白質であるCdc18についてubcP1温度感受性変異株内で安定化している可能性を示唆する結論を得た。このことについても継続して解析中である。ubcP4/ubc11欠損株は分裂期の進行異常と同時に細胞伸長の表現型を示す。細胞同調実験により細胞伸長がG2期の遅延によることを明らかにした。またこのG2期遅延はDNA損傷チェックポイントに依存するがDNA複製チェックポイントには依存しないことがわかった。このことはUbcP4/Ubc11の関わるユビキチン経路がDNA損傷チェックポイントの制御と密接に関わることを示唆する。現在、分子レベルでの制御機構を解明中である。分裂酵母をモデル
DME/メタノール混合燃料のエンジン適合性と環境負荷低減に関する燃焼学的検討

近年その製法が確立され新たな代替燃料として期待されるDME(ジメチルエーテル)のディーゼルエンジンへの適用の可能性を知る上での基礎的データとしてその触媒反応性について検討を行った。前年度までの研究で、DME単体(ニート)あるいはDME/メタノール混合燃料を自動車用燃料として使用した場合を想定し、これらを燃料とする排ガスの触媒浄化に関する基礎的データを得てきた。とくに、NOx還元触媒(Co-γAl203やSn-γAl203)を利用し、酸素共存下での、これらの燃料成分やNOxの浄化特性について検討してきた。本年度は、新たに触媒として市販のリーンエンジン排ガス用触媒を用い、同様な実験を行った。この結果、DMEは100°C付近で浄化が開始し300°C以上ではほぼ100%近い浄化率を示した。ただし、この浄化率は排ガス中のNOx濃度に強く影響をうけ、NOxが250ppm程度共存すると、反応温度は100°CC以上高くなる。これとあわ、NOxが共存すると、反応過程でホルムアルデヒドの生成される可能性が示された。一方、NOxはかなり低温度条件から濃度低下が観察され、触媒への吸着作用の強いことがわかった。これらの実験結果から、すでに実用化の実績のある触媒で、ある程度DME排ガス浄化が可能であることが示された。このことは、DMEをジ-ゼル代替燃料として使用した場合、すすの発生がほとんどないことを考えあわせると、その排気を触媒との組み合わせで、十分浄化できる可能性のあることを示している。このほか、昨年からの使用しているNOx触媒あるいは酸化触媒(Pt-γAl203)を用いて、エンジン始動時等を想定した非定常実験も行い、触媒非定常作動特性に対し、触媒での吸着離脱現象が重要な役割を果たすことが示された。まず、DMEを単体(ニート)使用した場合を想定し、DME自身の触媒酸化特性を調べたところ、DMEの反応性は高く酸化雰囲気においてDMEは容易に浄化することができることが確認された。次に、このDMEを還元剤として排気中NOxを除去することを検討した結果、Co-γAl2O3やSn-γAl2O3において80%前後のNOx還元率を与えることができることがわかった。DMEはディーゼル代替燃料として使用した場合、すすの発生がほとんどないと予想されることから、本研究で選択したNOx浄化触媒を使用することで、極めてクリーンな排気を実現できる可能性のあることが予想された。DMEは、その生成プロセスの関係から燃料中にメタノールが混在する場合がある。このことを想定しDMEとメタノールを含むガスの触媒酸化特性を観察した。この結果、両者を混在させるとDMEあるいはメタノール単体使用のいずれの場合と比べてもその酸化特性が低下することが確認された。さらに、その酸化の過程で有害成分として知られるホルムアルデヒドの生成が現れることがわかった。今後、この問題が生じるメカニズムやDME/メタノール混合燃料に適応する触媒の選択などを行う必要がある。また、これらの酸化反応NOxの還元反応を含む反応シミュレーションを行っていく予定である。
表面プラズモン共鳴を利用した光熱触媒による二酸化炭素のメタン化

二酸化炭素から水素および模擬太陽光あるいは光の熱および光子を利用することによって、二酸化炭素から有用な化学エネルギー源物質(メタンやメタノール、一酸化炭素など)を合成することを試みた。特に当該年度は光子による反応活性の増大に注力した反応システムを利用し、実験を行った。つまり、暗所下で触媒を外部電源由来のヒーターで加熱することで光熱照射時と同じ温度になるようにコントロールした比較実験も併せて行っている。当該年度は触媒として、ルテニウム・酸化チタンを利用した。模擬太陽光の光源として、キセノンランプを利用し、紫外光および可視光を照射した。その結果、光を照射することで、暗所下のみよりも約30%メタンの生成効率が上昇した。表面の温度が同じであるため、その活性の差は光子に由来するものであると考えられ、酸化チタンの光触媒反応、すなわち、伝導帯で生成した電子による還元反応の促進の寄与も考えられうるし、還元された酸化チタンの効果も考えられうるが、詳細な理由については未だ検討中である。また、副生成物である一酸化炭素の量も1%未満に抑えられており、高い選択率を示した。更には、異なる触媒として銅担持酸化亜鉛を利用し、同様に水素を利用した二酸化炭素の還元実験を行った。その結果、一酸化炭素とメタノールの生成が確認され、光照射により、これらの有用な化学エネルギー源物質の生成活性が増大した。この増大は光子による反応の寄与が示唆された。特に、触媒中のCuは波長約600nm付近を中心としてブロードに表面プラズモン共鳴による吸収を示しているので、追加実験として600nm付近の光を選択的に照射したところ、活性の増大が顕著にみられた。これらのことから、Cu金属の表面プラズモン共鳴により、生成した電子が酸化亜鉛表面に移動し、二酸化炭素の還元反応を促進したものと考えられた。当該年度は暗所下で触媒を外部電源由来のヒーターで加熱することで光熱照射時と同じ温度になるようにコントロールした比較実験も併せて行うことで、光子のみの活性への影響を調べることができるようになった。実際、二酸化炭素還元活性を測定したところ、活性は光照射により顕著に増大しており、光子による光反応が活性の増大に寄与していることが示唆された。また、反応段階において、担体である酸化チタンが一部還元されたり、金属触媒銅の表面プラズモン共鳴による活性の増大も観測されたりしており、当初提案した活性向上の手法が首尾よく利用でき、それらがうまく機能しているといえる。それゆえ、概ね順調に進んでいると言えると思われる。これまでに、可視光照射下での表面プラズモン共鳴による電子の励起そして、半導体担体表面への遷移、そこでの還元反応により二酸化炭素還元反応が促進されることが確認できた。しかし、より多くの太陽光、より多くの照射光を吸収するためには、可視光領域のみならず、紫外光領域、赤外光領域にも表面プラズモン共鳴などにより吸収を持つことができるほうがより望ましく、活性の向上が期待できる。それゆえ、担体の還元や紫外光域に表面プラズモン共鳴吸収を示す金属を利用し、光子による電子の遷移による効果のみならず、熱の伝播による効果をも利用するために、触媒との距離を近接させるように検討する。また、その熱をさらに有効利用できるように、かつ触媒活性を維持できるように粒径についても、適切になるように検討する。触媒金属の合金化により、触媒活性そのものの改善も期待できるし、この近接効果も期待できる可能性もあるため、それらの検討を行いたいと考えている。

実際、二酸化炭素還元活性を測定したところ、活性は光照射により顕著に増大しており、光子による光反応が活性の増大に寄与していることが示唆された。また、反応段階において、担体である酸化チタンが一部還元されたり、金属触媒銅の表面プラズモン共鳴による活性の増大も観測されたりしており、当初提案した活性向上の手法が首尾よく利用でき、それらがうまく機能しているといえる。それゆえ、概ね順調に進んでいると言えると思われる。これまでに、可視光照射下での表面プラズモン共鳴による電子の励起そして、半導体担体表面への遷移、そこでの還元反応により二酸化炭素還元反応が促進されることが確認できた。しかし、より多くの太陽光、より多くの照射光を吸収するためには、可視光領域のみならず、紫外光領域、赤外光領域にも表面プラズモン共鳴などにより吸収を持つことができるほうがより望ましく、活性の向上が期待できる。それゆえ、担体の還元や紫外光域に表面プラズモン共鳴吸収を示す金属を利用し、光子による電子の遷移による効果のみならず、熱の伝播による効果をも利用するために、触媒との距離を近接させるように検討する。また、その熱をさらに有効利用できるように、かつ触媒活性を維持できるように粒径についても、適切になるように検討する。触媒金属の合金化により、触媒活性そのものの改善も期待できるし、この近接効果も期待できる可能性もあるため、それらの検討を行いたいと考えている。