hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
下部マントル鉱物の熱弾性特性及び熱伝導特性に対する鉄固溶効果の解明

調和及び非調和格子動力学法と内部無撞着DFT+U法を組み合わせた独自の手法を開発し、鉄やアルミニウムを含むブリッジマナイト、フェロペリクレース(Fp)、ポスト・ペロブスカイトの高温高圧弾性特性及び熱伝導特性を計算した。その結果、パイロライト組成が最も良く下部マントルの観測値を再現することや、Fpは他に比べ数倍大きな熱伝導率を持つことを見出した。同様の手法を水酸化鉄に適用した結果、パイライト型構造を持つ新たな高圧含水物質を発見した。これらは上下部マントルが一体となって運動すること、地表から沈み込んだ水がマントル最下部まで運ばれ得ることを示唆しており、本研究により地球深部の新たな描像が提案された。部分的に満たされたd軌道間のクーロン相互作用をより厳密に記述する内部無動着LDA+U法と、スーパーセル中で原子を変位させて動力学行列を構築する有限変位格子動力学法を組み合わせた、鉄含有系に対する調和格子動力学法(Metsue & Tsuchiya, 2011; Tsuchiya & Wang, 2013)と、これを3次の非調和項まで拡張することにより、フォノンーフォノン相互作用を計算し、フォノン緩和時間、さらには格子熱伝導率を計算する非調和格子動力学法(Dekura, Tsuchiya, Tsuchiya, 2013)の2つの独自の手法を拡張するためのプログラム開発を行った。Fe3+及びAl3+を含有するMgSiO3ブリッジマナイトにおける不純物の安定配置および高温高圧熱力学特性を計算し、様々な不純物配置のエネルギーを調べた結果、Al3+はSiサイトを好み、高スピン状態のFe3+を隣接したMgサイトに引き寄せ、その結果Fe3+-Al3+の置換イオン対を形成することを見いだした。さらに準調和近似を用いて熱力学特性を計算した結果、マントル濃度程度のFe3+AlO3成分の固溶はブリッジマナイトの体積をわずかに増加させるが、熱力学特性に対してはほとんど影響を与えないことを見いだした。引き続き、鉄含有ブリッジマナイトと、これに次いで下部マントル中に多量に存在する(Mg,Fe)Oフェロペリクレースの熱弾性特性を計算した。地震学的観測モデル(PREM)を再現するようにブリッジマナイトとフェロペリクレースの量比を最適化した結果、パイロライトと同程度の割合で混合した場合に最もよくPREMを再現できることを見いだした(Nature Geoscience誌に印刷中)。平成26年度に開発したシミュレーション手法を固溶原子の酸化状態、置換形式、スピン状態及び濃度が異なる種々の条件に適用し、下部マントル主要鉱物であるブリッジマナイトの弾性特性への鉄・アルミニウム・水の固溶効果及びその温度圧力依存性を系統的に調べた。蓄積した高温高圧弾性データを温度・圧力・組成の関数としてまとめ、データベース化した。これをもとに地震学的に得られている下部マントルの密度・P波速度・S波速度・体積弾性波速度の観測値を、すべて同時に再現するような岩石鉱物モデルの探索を行い、パイロライト組成が下部マントルの平均化学組成としてふさわしいことを見出した。得られた成果をまとめて国内外の学研究会で発表するとともに、論文を作成し地球科学における高プロファイルジャーナルであるNature Geoscience誌等において公表した。またウェブサイトやメディアを通じて一般に向けても広く成果の発信を行った。当初計画通り、下部マントル主要鉱物の熱弾性特性への鉄固溶効果等の定量計算を実行することができた。さらに膨大な計算結果を取りまとめてデータベース化し、それに基づき最終年度に予定していた下部マントルの岩石鉱物モデルの構築を前倒して実行した。得られた結果を国内外の学研究会で発表するとともに論文としてまとめNature Geoscience誌において公表することができた。また下部マントル及び核の弾性特性、熱伝導特性に基づき下部マントル及び核の標準的な熱特性について考察し、取り纏めた結果を著書(分担執筆)として公表することができた。平成27年度までに開発したシミュレーション手法を固溶原子の酸化状態、置換形式、スピン状態及び濃度が異なる種々の条件に適用し、下部マントル主要鉱物であるブリッジマナイトのポスト・ペロブスカイト相平衡への鉄・アルミニウム・水の固溶効果及びその温度圧力依存性を系統的に調べた。その結果3価鉄を含む場合のみ相転移境界における2相共存領域が有意に拡大することが分かった。蓄積した相平衡データに基づき下部マントル最深部において地震学的に観測されるD"地震波不連続面の地域性(正の速度ジャンプを伴うD"不連続面は環太平洋地域下部では明瞭に検知されるのに対し、中央太平洋及びアフリカ下部でははっきりと観測されない)の解釈を行うと、環太平洋下部は比較的還元的で2価鉄が多いのに対し、中央太平洋及びアフリカ下部は酸化的で3価鉄が豊富である可能性が指摘される。前年度までに地球下部マントル深部には相当量の3価鉄が含まれている可能性を報告したが、今回の結果によりさらに酸化還元状態に不均質性が存在する可能性があるという新しい概念を導くに至った。一方、格子熱伝導率への鉄及び水固溶効果についても、非調和格子動力学法と内部無撞着LDA+U法を組み合わせた独自手法の開発を完了させ実証計算を進めた。単純な結晶構造を有するペリクレースにまず適用した結果、鉄固溶が熱伝導率を大きく低下させる効果を持つことがわかった。これにより今後2価鉄及び3価鉄の格子熱伝導率に対する固溶効果の計算が可能となり、化学不均質性に起因するマントル最深部の熱特性の不均質性の研究が可能となった。

またこれらの手法を用い鉄水酸化物の新たな高圧安定相の発見に成功した。これらの成果を総括し国内外の学研究会で発表するとともに、論文にまとめて学術雑誌において公表した。また日本地球惑星科学連合西田賞に内定1件が決定した。調和及び非調和格子動力学法と内部無撞着DFT+U法を組み合わせた独自の手法を開発し、鉄やアルミニウムを含むブリッジマナイト、フェロペリクレース(Fp)、ポスト・ペロブスカイトの高温高圧弾性特性及び熱伝導特性を計算した。その結果、パイロライト組成が最も良く下部マントルの観測値を再現することや、Fpは他に比べ数倍大きな熱伝導率を持つことを見出した。同様の手法を水酸化鉄に適用した結果、パイライト型構造を持つ新たな高圧含水物質を発見した。これらは上下部マントルが一体となって運動すること、地表から沈み込んだ水がマントル最下部まで運ばれ得ることを示唆しており、本研究により地球深部の新たな描像が提案された。鉄含有珪酸塩ブリッジマナイト、ポスト・ペロブスカイト、フェロペリクレースの有限温度弾性特性及び熱伝導特性を非経験的に計算するプログラムの開発がおおむね完了した。前者については実証計算も進み、得られた計算結果に基づき下部マントル組成について考察を行い、Nature Geosicence誌での成果公表が決定するに至った。有限温度自由エネルギーの計算結果を用いてポスト・ペロブスカイト相平衡やブリッジマナイトーフェロペリクレース間の鉄分配係数を計算し、下部マントル岩石鉱物モデルを精密化する。この際、高圧実験により示唆されているブリッジマナイト中の電荷不均化反応の可能性についても検証を行う。得られた結果と沈み込んだ地殻物質の熱弾性特性に関する過去の研究結果を比較し、地震波トモグラフィーなどにより観測されている下部マントルの不均質構造や核マントル境界に存在する超低速度層の物質科学的解釈を行う。これらと熱伝導特性の計算結果を組み合わせ、下部マントルの熱特性や核ーマントル熱流量の推定を行い、マントルダイナミクスについて考察する。28年度が最終年度であるため、記入しない。鉱物物性理論平成26年度の研究で開発した手法をポスト・ペロブスカイトにも拡張し、高温高圧弾性特性への鉄・アルミニウム・水の固溶効果及びその温度圧力依存性、鉄固溶効果へのスピン転移の影響について、温度・圧力・組成の関数として系統的にデータベース化する・地震学により得られている下部マントル最下部の密度、P波速度、S波速度、体積弾性波速度の4つの観測値プロファイル(例えばPREM)を同時にすべて再現するような、Mg+Fe/Si比、Fe/Mg+Fe比、さらにはAl/Si比、Fe3+/ΣFe比、含水量の制約を行う。これに基づき、下部マントル最下部の第一原理鉱物学モデル、異方性モデルを構築する。この際、求めた有限温度自由エネルギーを活用してフェロペリクレースとの間での鉄元素分配係数を制約するなどして、独立な自由度をできるだけ減らす工夫をおこなうとともに、実験的に示唆されている鉄の電荷不均化反応の可能性についても考察する。
折り畳み法による表面・界面での分子スケール構造形成の理論

前年度の課題であった,TVの走査線のように折り畳んだ状態を一意な基底状態として持つモデル鎖を数種類デザインすることに成功した。このモデル鎖は高温ではランダムに広がった構造をとるが,温度を下げると比熱の鋭いピークを伴ってこの基底状態へと転移する。この時,望んでいるように相互作用している鎖の基本単位のペアの数は0から急峻に基底状態での値に転移し,この温度を通過すると折り畳まることがわかった。また,転移の温度は数種類デザインした鎖の長さには依存しなかった。鎖の基本単位間に導入した主な相互作用は水素結合のように極性(向き)を持ち,さらにパリティを破っておく必要が基底状態を裏返しに対して一意にするために必要であった。この主な相互作用に加えて,極性のない相互作用や折り畳んだときに端になるべき部分は他の単位と接触しないようにする相互作用を加えたときの熱力学的な性質の変化を調べたところ,これら2種類の相互作用はいずれも転移温度を上昇させたが,無極性の相互作用が転移をなまらせるのに対して,端に付加した相互作用は転移をどちらかというとはっきりさせた。また,完全にランダムに相互作用を導入した鎖や無極性相互作用のみを導入した鎖とデザインした鎖の熱力学的性質を比較した。これらの結果は現在投稿準備中である。さらに,デザインした鎖が動的に折り畳み可能かを調べるために適当な鎖の局所的構造遷移のセットとそれらの頻度を定義して緩和シミュレーションを行ったところ,デザインされた鎖はさきの比熱の鋭いピーク温度の少し下で高い確率で基底状態へと折り畳まれていくことがわかった。ランダムな鎖などとの違いについてさらに検討を行っていきたい。解析的手法は自明ではないため折り畳む高分子鎖を格子モデルでモデル化しそのモンテカルロシミュレーションを行った。モンテカルロ法には今日の計算機の能力に見合うだけの数の乱数を高い品質で高遠に発生させることのできる乱数第生アルゴリズムが必要であるが、これには松本,西村によるMersenne Twisterが適切であることがわかった。また、格子上の高分子鎖を自己排除条件を課した状態でシミュレートすると極めて緩和が遅くなり計算できなくなる問題があるが、これを解決するために千見寺らによるMulti-Self-Overlap Ensemble法を用いた。また拡張モンテカルロ法の一種のマルチカノニカル法が有用であることがわかった。いくつかのモデル高分子鎖をこのようにシミュレートしその熱力学的性質を調べたが、タンパク質に見られるように温度の低下によってほどけた状態と一意的な折り畳んだ状態の間で2状態的に遷移する配列を残念ながら作成できなかった。モンテカルロ法をうまく実施できるようにするのに手間取ったため未実施のアイデアが残っておりこれらを順次試していく予定である。また物性研究所のスーパーコンピュータSR8000に対する第一原理計算プログラムパッケージTAPPを元にしたプログラムの開発もあわせて行った。まずコードの最適化と未利用の系の対称性の活用で計算を高速化した。加えて金属表面上での有機分子の自己組織化のような関連研究も考慮して、フェルミ面のある系の計算の収束をフェルミェネルギーでの状態密度から系の誘電応答を計算して補正を行うことで加遠する手法を開発した。このプログラムは銅(100)面上の窒素原子の系に適用され窒素原ア問の有効相互作用を得るのド大変有用であった。
マイクロサイズ反応場を用いた光による金属ナノ粒子の構造制御

金属ナノ粒子の光学特性がその形状に依存することから、形状制御は非常に重要である。最近の研究により、球形のナノ粒子に光を照射することによってプリズムへと形を変えることが可能であることが示され、新たな形状制御法として注目を集めているが、メカニズムなど詳細は不明である。一方我々は、水中レーザーアブレーション法によって作製した銀コロイドに光を照射することによって類似の現象が見出されることを見出した。本課題では、そのメカニズムを詳細に調べることを第一の目的とするとともに、これを調べるのにマイクロ反応系を導入し、より精度の高い解析を行うことを目指した。研究成果としては、18年度はハロゲンイオンによって形状転換が促進されることを見出すと共に、形状転換が起こる際に生じる銀イオンの存在を確かめた。また、照射波長について調べ、プリズムの生成が光還元によるものではないことを見出した。19年度は、ポリビニルピロリドン(PVP)溶液中でアブレーションによって作製した銀コロイドにレーザー光を照射することによっても、プリズムやロッドの生成が起こることを見出した。ハロゲンとPVPとの化学的性質の相違を考慮すると、PVP系でもこれが起こることは非常に興味深く、今後さらなる研究を展開する予定である。一方、系のマイクロサイズ化については、マイクロチャンネルへのコロイドの付着が問題となることを昨年報告し、今年度はチャンネルの形状についても検討を加えたが、芳しい効果は得られなかった。また、サブミリサイズのキャピラリーチューブについても検討を行ったが、同様にチューブへの付着が起こり、系としては適当とは言えなかった。これらの結果は、水中レーザーアブレーション法で作製した銀コロイドの溶液中での安定化が、表面に生じているわずかな電荷によってもたらされていることによるものである。我々は水中レーザーアブレーションで作製した銀コロイドに再度レーザー光や蛍光灯を照射することによって、ナノワイヤー、ナノプリズム、ナノロッド等、様々な異方性形状粒子が生成することを明らかにしている。本研究課題では、これらのナノ物質、特に球形粒子がナノプリズムやナノロッドに転換する現象について重点的に生成メカニズムを明らかにすることを目的としている。また、昨年度までの研究によって少量の塩化物を添加することによってナノプリズムやナノロッドの生成が促進されることが見いだされており、本年度の研究では、第一にこれを切り口に生成機構を明らかにすることを試みた。まず、ナノプリズムやナノロッドの生成が塩化物以外のヨウ化物を添加した場合にも現れ、かつ塩化物の場合よりも促進されることがわかった。このことから、形状転換にはハロゲンによる銀のエッチング過程が含まれていることを推定した。さらに、原料の銀コロイドにこれまでよりも粒径が小さなものを用いた場合にも形状転換は促進され、エッチング作用が含まれていることを支持すると共に、AgCl_2^-の存在が確かめられたことによってエッチング反応の中間体が明らかになった。また、照射光の波長による形状転換効率や生成物の形状の変化についても調べた。これまでの所、波長によるこれらの性質の明確な違いは見出されなかったが、AgCl_2^-の吸収帯よりも遙かに長波長である700nmの光によっても形状転換が起こることが見出されており、形状転換はAgCl_2^-の光還元によって起こるものでは無いことが明らかになった。一方、本研究課題のもう一つの目標である、照射系のマイクロサイズ化については、用いているコロイドが不安定であり、マイクロチップ表面に吸着するなどの問題が生じており、来年度以降、引き続き改良を行う予定である。

一方我々は、水中レーザーアブーション法によって作製した銀コロイドに光を照射することによって類似の現象が見出されることを見出した。本課題では、そのメカニズムを詳細に調べることを第一の目的とするとともに、これを調べるのにマイクロ反応系を導入し、より精度の高い解析を行なうことを目指した。研究成果としては、昨年度はハロゲンイオンによって形状転換が促進されることを報告したが、今年度は、ポリビニルピロリドン(PVP)溶液中でアブレーションによって作製した銀コロイドにレーザー光を照射することによっても、プリズムやロッドの生成が起こることを見出した。ハロゲンとPVPとの化学的性質の相違を考慮すると、PVP系でもこれが起こることは非常に興味深く、今後さらなる研究を展開する予定である。一方、系のマイクロサイズ化については、マイクロチャンネルへのコロイドの付着が問題となることを昨年報告し、今年度はチャンネルの形状についても検討を加えたが、芳しい効果は得られなかった。また、サブミリサイズのキャピラリーチューブについても検討を行ったが、同様にチューブへの付着が起こり、系としては適当とは言えなかった。これらの結果は、水中レーザーアブレーショシ法で作製した銀コロイドの溶液中での安定化が、表面に生じているわずかな電荷によってもたらされていることによるものである。
TGF-βスーパーファミリーのシグナル伝達機構

前年度は血管内皮、平滑筋細胞の異常増殖を特徴とする原発性肺高血圧症(PPH)の患者から報告されたBMPII型受容体の変異の機能解析を行いBMPシグナルへの影響を解明し、発症機構を検討した。そして今年度は、それに関連してBMPの属するTGF-βスーパーファミリーの血管形成あるいは維持における役割をマウスembryonic stem(ES)細胞を血管内皮と壁細胞へと分化させる系を使って明らかにした。まず、ES細胞由来の血管内皮細胞と壁細胞でのTGF-βスーパーファミリーのシグナル構成因子の発現をRT-PCR法を用いて確認した。次ぎにTGF-βシグナルによりES細胞由来の血管内皮細胞と壁細胞の増殖が抑制され、TGF-β、アクチビンシグナルにより血管内皮細胞のシート構造形成が阻害される事を示した。さらに、TGF-β、アクチビンのI型受容体阻害剤であるSB-431542を用いて内因性のTGF-β,アクチビンシグナルを抑制することで血管内皮細胞のシート構造形成の著名な亢進と内皮細胞への分化誘導効果を認めた。加えてこれら血管細胞においてTGF-βスーパーファミリーの細胞内シグナル伝達因子であるSmadのTGF-βスーパーファミリー刺激による活性化も示した。以上の結果から血管の発達や恒常性の維持においてTGF-β、アクチビンシグナルが重要な役割を果たしている事が明らかとなった。現在は無血清培養法を用いてBMPシグナルのES細胞分化系における役割を検討している。TGF-βスーパーファミリーに属するBone Morphogenetic Protein (BMP)は未分化間充組織の軟骨細胞への分化を促進させ,一方Retinoic Acid (RA)は軟骨細胞の脱分化を促進することはよく知られている。しかしその軟骨細胞の分化,脱分化の細胞内メカニズムは解明されていない.そこで本研究ではBMP-7によって活性化される軟骨細胞の細胞内シグナル伝達機構を明らかにする事を目的に実験を始めた.平成14年度では、TGF-スーパーファミリーの活性型I型受容体,ALK-1,2,3,6や細胞内シグナル伝達因子であるSmadを軟骨細胞内でアデノウイルスベクターで強制発現させて分化への影響を調べた。軟骨細胞の分化マーカーであるプロテオグリカン量をアルシアンブルーで染色し調べたところ活性型ALK-1,2,3,6の発現によってプロテオグリカン量の増加が認められ、もう一つのマーカーであるtype IIコラーゲンのRNAの発現量の増加もノーザンブロット法で確認した。一方阻害型SmadであるSmad6はBMP-7による軟骨細胞への分化誘導を発現量依存的に阻害した。我々はp38kinaseの関与もその阻害剤を用いて検討したが特異性が得られずはっきりした結果は得られなかった。以上の結果よりBMP-7の軟骨細胞への分化誘導作用はSmadを介した経路によって調節されていることが分かった。
深層水形成に着目した全球規模海洋熱塩循環のマルチスケールモデリング

全球規模モデリングでは、南大洋における渦解像モデリングを実施し、中規模渦やさらにスケールの小さい渦が深層水塊形成・分布に果たす役割について調べた。特に南極中層水の大西洋への貫入について、渦活動に伴うサブダクション過程を定量的に見積もり、それが本質的に重要であることを指摘した。また、渦解像モデリングの結果を使用し、南大洋における熱塩循環の2種類の経路(cold water routeおよびwarm water route)を定量的に見積もるためのトレーサー実験を行った。領域規模モデリングでは、前年度から引き続き行っているラブラドル海の深層水形成領域シミュレーションに関して、中規模渦による淡水輸送が深層水形成を抑制する過程に関する解像度依存性を調べるための実験・解析を行った。また、南極周囲およびオホーツク海という深層水形成領域について、特に海氷生成の影響を定量化するためのシミュレーションを実施した。両海域とも海氷生産量に関しては高い再現性が得られ、深層水塊の起源となる高塩分水の性質・形成量に関して定量的な評価を行うことができた。微小プロセス規模モデリングでは、昨年度までに開発された非静水圧海洋モデルを用い、ウェッデル海における高密度水の流出・混合過程に関するシミュレーションを行った。特に、地形による制約によって、大陸斜面に沿う流出経路ばかりではなく、渦運動生成とそれに伴う大陸斜面からの高密度水切離過程、さらにそれに引き続く混合過程が大きく影響されることがわかった。全球規模熱塩循環のマルチスケールモデリングに必要とされる、微小プロセス規模モデリング、領域規模高解像度モデリング、全球規模モデリングのそれぞれについて、モデル開発および予備的な実験を行った。微小プロセス規模モデリングについては、既に開発済みの非静水圧海洋モデルのプロトタイプを用いて、海氷下での水塊形成・変成に関する実験を行い、海氷生成によって排出された高塩分水に伴う高密度水塊がどのように輸送・混合されるかについて調べた。また、非静水圧海洋モデルの今後の応用のために必要とされる地形や自由海面の表現について、さらなるモデル開発を遂行した。領域規模高解像度モデリングでは、主要な深層水形成領域のひとつであるラブラドル海のシミュレーションを行った。境界流や中規模渦の表現に関しては、様々な観測と照らし合わせて十分に現実的なシミュレーションを行うことができたが、深層対流が頻度・領域ともに過剰に表現されているのが現状である。この問題については、境界流およびそこから切離される中規模渦によるラブラドル海中央部への淡水輸送が十分ではないためであると、原因がほぼ特定されており、モデルの境界条件や領域設定の見直しを通して今後速やかに解決を図る。全球規模モデリングについては、主として海面境界条件の選定を通して、今後行われるシミュレーションのベースとなるモデル設定の確定を行った。全球規模の海洋モデルを駆動するための海面境界条件として配布されているものは複数存在するが、全球規模熱塩循環のモデリングにおけるそれらの有効性・妥当性はいまだにあまり議論されていない。本年度の研究により、海面熱境界条件における大気-海洋間の熱交換係数に起因して、あるデータセットでは全球規模熱塩循環にあまり現実的とは思われないような大きな振動が生じることがわかった。また、今後の研究に用いることができるデータセットを選定することもできた。全球規模モデリングでは、南極周囲の深層水形成の再現性向上を目指したモデル実験・開発を行った。南極周囲の深層水形成は本来、ウエッデル海やロス海の奥の沿岸ポリニヤで形成される高密度水が、大陸棚を通って大陸斜面を下降することによる。しかし、従来のモデルでは深層水形成が外洋で生じる傾向にある。全球規模モデルにおいて海底付近の高密度水流動は海底境界層パラメタリゼーションで扱われるが、局所的高解像度モデルを用いた大陸棚・大陸斜面上の高密度水の挙動を把握するための数値実験結果をもとに、海底斜面や密度勾配に依存した形の新しいパラメタリゼーションを開発中である。領域規模モデリングでは、昨年度に引き続きラブラドル海の深層水形成領域シミュレーションを実行した。境界条件の見直しや高解像度化を通して深層水形成の再現性を以前よりも高めることができており、深層水形成をコントロールするプロセスを定量的に把握するための熱・淡水輸送解析を遂行中である。微小プロセス規模モデリングでは、複雑な海底地形を効率よく取り扱うことができる非静水圧モデルを開発した。このモデルをウェッデル海の状況を模した設定に適用した実験を遂行中であり、高密度水が大陸棚から大陸斜面へと下降する過程において海底地形が果たす役割を今後明らかにしていく。また、大陸斜面を下降する高密度水が各種力学的不安定を通して周囲の水と混合していくエントレインメント過程を適切に評価するためのLESモデルを開発した。次年度にはこのモデルによる実験結果とあわせて、沿岸域で生じる深層水形成における重要プロセスの定量的把握を行う。

両海域とも海氷生産量に関しては高い再現性が得られ、深層水塊の起源となる高塩分水の性質・形成量に関して定量的な評価を行うことができた。微小プロセス規模モデリングでは、昨年度までに開発された非静水圧海洋モデルを用い、ウェッデル海における高密度水の流出・混合過程に関するシミュレーションを行った。特に、地形による制約によって、大陸斜面に沿う流出経路ばかりではなく、渦運動生成とそれに伴う大陸斜面からの高密度水切離過程、さらにそれに引き続く混合過程が大きく影響されることがわかった。
天然物由来の新しいがん克服薬の開発を志向するスクリーニング法の構築

海洋生物由来の医薬リード化合物探索研究の一環として、P-glycoprotein発現ヒト咽頭上皮がん細胞(KB-C2)およびMRP発現ヒト咽頭上皮がん細胞(KB-CV60)を用いた多剤耐性がん細胞に対する耐性克服物質を探索するアッセイ法を構築し、海洋生物由来の天然物の中から耐性克服物質をスクリーニングした。その結果、三重産Spongia属海綿のアセトン抽出エキスに活性が見られたことから、この抽出エキスを活性試験の結果を指標に分画精製して主活性成分としてagosterol Aと命名した新規ステロールを単離し、その全化学構造決定した。Agosterol Aは、3、4、6位にアセトキシル基、11.22位に水酸基を有する高度に酸化されたステロールで、3μg/mlの濃度でKB-C2のコルヒチンに対する耐性を完全に克服することができ、10μg/mlの濃度でも全く細胞毒性を示さなかった。さらに、現在までにその耐性克服物質が数種しか知られていないKB-CV60株のピンクリスチンに対する耐性も3μg/mlの濃度で完全に克服することができた。また、同種の海綿の含有成分についてさらに精査し、agosterol B,C,D2,A4,A5,C6と命名した6種の新規agosterol A類縁体を単離構造決定するとともに、数種のagosterolAの誘導体を合成し、それらの構造活性相関について検討した。その結果、agosterol Aに存在する3個のアセチル基と2個の水酸基についてもはいずれも活性発現に重要な役割を果たしていることが明らかになった。海洋生物由来の医薬リ-ド化合物探索研究の一環として、多剤耐性がん細胞に対する耐性克服物質を探索するアッセイ法を構築した。多剤耐性がん細胞は、P-glycoprotein発現ヒト咽頭上皮がん細胞(KB-C2)およびMRP発現ヒト咽頭上皮がん細胞(KB-CV60)を用いた。96穴マイクロプレートに耐性がん細胞を分注し、24時間培養後、耐性許容濃度の抗がん剤と被験薬物を作用させ、48時間後にMTT法によって細胞の生育阻害率を判定し、さらに、両耐性株の親株であるKB-3-1株に対して被験薬物のみを作用させた細胞毒性試験の結果と比較して被験薬物の耐性克服作用の有無を判定した。このような方法を用いて海洋生物由来の天然物の中から耐性克服物質をスクリーニングした。その結果、沖縄産Xestospongia属海綿から単離構造決定した1-oxaquinolizidine構造を有する大環状二量体アルカロイドaraguspongine類に、P-glycoprotein発現多剤耐性がん細胞に対する耐性克服作用が認められた。上記海綿の主成分であるaraguspongineDについて作用を検討したところ、3μg/mlの濃度でKB-C2のコルヒチンに対する耐性を完全に克服することができ、10μg/mlの濃度でも全く細胞毒性を示さなかった。さらに、araguspongineDの立体異性体であるaraguspongineEおよびaraguspongineBも3μg/mlの濃度でKB-C2のコルヒチンに対する耐性を完全に克服することができ、1-oxaquinolizidine環の9および9 ́位に水酸基を有するaraguspongineCも同等の作用を示したが、2-oxoquinolizidine環を有する二量体アルカロイドpetrosinは他のaraguspongine類の1/2程度の活性しか示さなかった。
多種生変換反応の組み合わせによる、効率的新規生物活性物質創出技術の確立

我々は生物の有する優れた酵素機能を用いて、新たな化合物を創製する研究を実施している。具体的にはoxygenase酵素及びprenyl transferase酵素を用いて、フェノール性水酸基及びプレニル側鎖(ジメチルアリルorゲラニル)を有する多くのナフタレン化合物を創製することに成功した(多くは新規物質)。これらのナフタレン化合物の多くは、極めて優れた抗酸化活性を有しており、新しい医薬品・食品添加剤の候補として期待される。また1-methoxynaphthalene及びl-naphthoic acid methyl esterの変換化合物について,geranyl transferaseをcell free系で作用させたところ,geranyl反応が進行することを確認した。従って全く性質の異なる生変換反応(oxigenase反応及びgeranyl化反応)を-つの基質に連続的に働かせることにより,飛躍的に大きな数の変換物を創製することが可能であることが示されつつある。現在はgeranyl化の位置を構造決定すると共に,これらの抗酸化活性を評価している。医薬品、食品添加物を構成する重要なビルディングブロックであるナフタレン化合物に注目し、置換ナフタレン類を1)P450(cyanobacteria由来CYP110E1)変換、2)PhnA(Cycloclasticus由来)変換(1,2-dihydrodiol)→HCl/MeOH脱水、の2通りの方法(いずれも菌体増殖反応)で、様様なphenolic OH基含有ナフタレン化合物へと変換した(一次変換)。用いた基質は、2-methylnaphthalene,1-methoxynaphthalene,1-ethoxynaphthaleneの3種である。これら基質から計9種類のphenolic OH基を含有する変換化合物を創製することができた。さらに得られた変換化合物のうち、2-methyl-8-OH-naphthalene,1-methoxy-7-OH-naphthalene,1-ethoxy-7-OH-naphthaleneに注目し、これらについて脂質との親和性に優れるprenyl側鎖の導入をcell free反応で実施した。用いた酵素はいずれも放線菌由来で、phenolic OH基の近傍にdimethylallyl基を導入するSCO7190及び同様の場所にgeranyl基を導入するNphBである(二次変換)。本変換の結果、期待通りナフタレン環が0-prenyl或いはC-prenylされた11種類の変換化合物を得ることができた(ほとんど新規化合物)。従って当初の目的通り、性質の異なる2種の酵素を用いた連続変換により、飛躍的に多種の変換化合物を得る技術の確立に成功した。得られた一次、二次変換物の抗酸化活性について、ラット脳脂質過酸化抑制系で評価した結果、変換物の多くが優れた抗酸化活性を有することも判明した。
パンルヴェ方程式による連分数の高速計算アルゴリズム

整数,有理数係数の連分数を計算する方法としてBinary Splitting Algorithm(以下,BSA法)が存在する.本研究計画にあるように,BSA法を用いた連分数の計算アルゴリズムをC言語の任意多倍長計算ライブラリGNU MPを用いてプログラムの実装を行った.次に第2種パンルヴェ方程式について対応する連分数の係数を有理式で表し,先のBSA法を用いた連分数の計算アルゴリズムに載せた.また,パンルヴェ方程式を用いた連分数の計算アルゴリズムの高性能化のため次のようなことを行った.本研究では,パンルヴェ方程式のベックルント変換を連分数の係数を生成する変換群として用いているが,本来,ベックルント変換は有理式から新たな有理式を導くものである.BSA法を用いる際に,有理式から新たな有理式を導く変換のまま扱っていたのでは,記憶領域や計算速度の点で良好な性能が得られているといい難く,さらなる改良として以下を考案した.連分数の計算アルゴリズムとして高速化するために,有理式から有理式の変換と扱うものではなく,その分母,分子式について着目し分母,分子から新たな分母,分子を導く変換とみなし,計算のステップごとに分母,分子をまとめてゆく方法を考案し,実装した.この方法とただ有理式を用いて連分数を計算する方法を実装したプログラムを動作させ比較し,こちらの方法が記憶領域や計算速度の点で優れていることを確認した.整数,有理数係数の連分数を計算する方法としてBinary Splitting Algorithm(以下,BSA法)が存在する.本研究計画にあるように,BSA法を用いた連分数の計算アルゴリズムをC言語の任意多倍長計算ライブラリGNU MPを用いてプログラムの実装を行った.次に第2種パンルヴェ方程式について対応する連分数の係数を有理式で表し,先のBSA法を用いた連分数の計算アルゴリズムに載せた.また,パンルヴェ方程式を用いた連分数の計算アルゴリズムの高性能化のため次のようなことを行った.本研究では,パンルヴェ方程式のベックルント変換を連分数の係数を生成する変換群として用いているが,本来,ベックルント変換は有理式から新たな有理式を導くものである.BSA法を用いる際に,有理式から新たな有理式を導く変換のまま扱っていたのでは,記憶領域や計算速度の点で良好な性能が得られているといい難く,さらなる改良として以下を考案した.連分数の計算アルゴリズムとして高速化するために,有理式から有理式の変換と扱うものではなく,その分母,分子式について着目し分母,分子から新たな分母,分子を導く変換とみなし,計算のステップごとに分母,分子をまとめてゆく方法を考案し,実装した.この方法とただ有理式を用いて連分数を計算する方法を実装したプログラムを動作させ比較し,こちらの方法が記憶領域や計算速度の点で優れていることを確認した.
スピン相関で探る不安定核のダイニュートロン

本研究は、中性子過剰核の表面に存在すると予言されている強い空間相関「ダイニュートロン」と、その放出による核崩壊過程「ダイニュートロン崩壊」の探索を目指している。ダイニュートロンの存在はこれまで実験的に確立しておらず、観測されれば中性子過剰核の特徴的性質となることから、その研究が待たれている。本研究では、ダイニュートロンの存在が理論的に予言されている非束縛中性子過剰核酸素26(26O)やリチウム13(13Li)を、それぞれ、不安定核ビーム27F,14Beの一陽子分離反応によって生成する。さらに、その二中性子崩壊過程を精度よく測定する実験を行う。まずは、空間的相関に敏感な角度相関の測定を行い、その後、二中性子のスピン相関の測定を行うことを目指している。この目的のため、中性子偏極度計の役割も担う高精細中性子検出器の建設を進めてきた。平成30年度は、シンチレーターと光電子増倍管からなる高精細中性子検出器の建設をほぼ終了した。さらに、大阪大学核物理研究センターにおいて陽子ビームの反応で生成される準単色中性子ビームを用いてテスト実験を行った。ここでは建設した高精細中性子検出器の約半分の検出器を用い、中性子の検出器内での応答を本実験に近い条件の中性子ビームによって調べた。その結果、時間分解能や位置分解能が目標に達していることが確かめられた。このテスト実験では、従来型の信号処理回路を用いたが、このやり方でも問題ないことがわかった。今後、信号処理回路に集積回路を導入し、本実験に向けた準備を進めていく予定である。平成30年度の当初計画では、高精細中性子検出器の建設を進め、大阪大学核物理研究センターにおける準単色中性子ビームを用いた実験を行い、基本性能を確かめるという目標であった。高精細中性子検出器については、シンチレーターと光電子増倍管から成る中性子検出器部の製作が、少数の不良品を除き、完成した。また、この新型の中性子検出器の約半数を使った大阪大学核物理研究センターにおける中性子ビーム照射実験も行い、時間分解能や位置分解能などの基本性能が確かめられた。以上より、おおむね順調に進展しているとした。H31年度(R1年度)は、高精細中性子検出器の読み出し回路の高度化を完成させる。このため、5月にドイツの共同実験者とともに、集積回路による読み出し回路のテストを行う。これが使用可能であることを確認することで、高精細中性子検出器用の読み出し回路の準備が整う見込みである。今年度後半には不安定核ビームを用いた26Oないし13Liについてのダイニュートロン相関を調べる本実験を行うことを目指している。これらの実験は理化学研究所において行う予定であるが、現在26Oの生成に必要な48Ca一次ビーム供給の目途がたっていない。そのため、まずは18O一次ビームで生成可能な13Liのダイニュートロン探索を第一目標とする。本研究では、中性子過剰核の表面に存在すると予言されている強く相関した2中性子系「ダイニュートロン」と、その放出による核崩壊過程「ダイニュートロン崩壊」の探索を目指している。これらはその存在が未確定であるが、観測されれば中性子過剰核の一つの重要な特性となるため注目されている。本研究では、ダイニュートロンの存在が実際に予言されている非束縛中性子過剰核「酸素26(26O)」を不安定核反応で生成し、その崩壊過程を、1)スピン相関と2)空間的相関の両方を観測することにより調べる。計画している実験では、不安定核研究の世界的拠点となった理研RIBF(RIビームファクトリー)において、核子あたり250MeVのフッ素27(27F)の一陽子分離反応を用いて26Oを生成する。本予算で導入する世界初となる「二中性子偏極度計」を用い、26Oより放出される2個の中性子の1)スピン相関と2)空間的相関を観測する。本実験により核内ダイニュートロンの有無が判定できると期待される。平成29年度の当初計画では、i)二中性子偏極度計の最適化、ii)実験計画の詳細の策定、iii)二中性子偏極度計の開発、iv)偏極度計のプロトタイプのテスト、v)偏極度計の信号処理回路の検討を行うこととしていた。これに対する実績は以下の通りである。i)iii)iv)に対しては、宇宙線およびRIBFにおけるプロトタイプの性能評価実験により、偏極度計の基礎データ取得に成功した。新たに開発したシミュレーションとの比較から性能を定量的に評価した。ii)に関しては、26Oのダイニュートロン崩壊の探索を目指す実験計画を策定し、理研RIBFに申請し、同プログラム委員会で高い評価を得、採択された。v)に関しては、共同実験を行っているドイツのグループとの打ち合わせを重ね、集積化した信号処理回路の導入が可能であることを確認した。本年度の当初計画では、i)二中性子偏極度計の最適化、ii)実験計画の詳細の策定、iii)二中性子偏極度計の開発、iv)偏極度計のプロトタイプのテスト、v)偏極度計の信号処理回路の検討を行うこととしていた。これに対し、実績は以下の通りである。i)iii)iv)に対しては、宇宙線を用いてプロトタイプ検出器の性能評価実験を行った。さらに、理研RIBFにおいて不安定核反応で放出される高速中性子を用いて性能評価実験を行った。以上の実験により、偏極度計の基礎データの取得に成功した。特に、後者の実験で検出器内での中性子の散乱方向を観測するために必要となる反跳陽子の飛跡同定に成功したことは特筆すべきである。

ハフ変換法による飛跡同定法を開発し2個の中性子の分離にも成功した。さらに、新たに開発したシミュレーションとの比較も行い、複数個の中性子を検出する性能を定量的に評価した。以上の結果は、研究代表者の研究室の修士課程学生により修士論文としてまとめられたが、これは所属専攻の最優秀修士論文賞に選ばれた。また、この成果は物理学会でも発表された。ii)に関しては、26Oのダイニュートロン崩壊の探索を目指す実験計画を策定し、理研RIBFに申請し、プログラム委員会で高い評価(グレードA)を得、採択された。一方、大阪大学核物理研究センターでは、準単色中性子を用いて行う検出器のテスト実験が同施設のプログラム委員会で高い評価を得、採択された。v)に関しては、共同実験を行っているドイツのグループとの打ち合わせを重ね、集積化した信号処理回路の導入が可能であることを確認した。H29年度の前半には実際にそのテストを行う予定である。以上の実績から、今年度はおおむね順調に進展しているとした。本研究では、中性子過剰核の核表面に存在すると予言されている強く相関した2中性子系「ダイニュートロン」と、その放出による核崩壊過程「ダイニュートロン崩壊」の探索を目指している。ダイニュートロンの存在はこれまで実験的に確立しておらず、観測されれば中性子過剰核の重要な特性の一つとなることから、注目されている。本研究では、ダイニュートロンの存在が理論的に予言されている非束縛中性子過剰核である酸素26(26O)を、不安定核反応によって生成し、その崩壊過程を、1)スピン相関、2)空間的相関の両方を観測することにより調べる。予定している実験では、不安定核研究の世界的拠点理研RIビームファクトリー(RIBF)において、核子当たり約250MeVのフッ素27(27F)の一陽子分離反応を用いて26Oを生成する。本予算で建設する「2中性子偏極度計」を用い、26Oより放出される2個の中性子の1)スピン相関と2)空間的相関を観測する。本実験により核表面ダイニュートロンの状態が特定できると期待されている。29年度の計画では、i)2中性子偏極度計のプロトタイプのテスト実験を大阪大学核物理研究センターで得られる250MeVの準単色中性子ビームを用いて行い、同検出器の検出効率、分解能を求め、反跳陽子の飛跡解析法を確立させること、ii)2中性子偏極度計本機の仕様を決定し、その建設を進めること、また、宇宙線を用いたオフラインでのテスト実験を行うこと、そして、iii)新たに導入する信号処理用高集積回路のテストを行い、本機に実装すること、としていた。i)については核物理研究センター側のマシンタイムの都合から、実験が実施されなかった(H30年度に行われる見込み)。ii)についてはほぼ仕様を固め、光電子増倍管とシンチレーターの購入を進めた。iii)については回路のテストを行い、今後の方針を決めた。本年度の当初の計画では、i)2中性子偏極度計のプロトタイプのテスト実験を大阪大学核物理研究センターで得られる250MeVの準単色中性子ビームを用いて行い、同検出器の検出効率、分解能を求め、反跳陽子の飛跡解析法を確立させること、ii)
磁性体/誘電体ハイブリッド不揮発性メモリの理論設計

不揮発性スピンメモリにおいて電界誘起磁化反転を利用したデータ書換えを確立するために、強磁性金属/酸化物積層薄膜における結晶磁気異方性とその電界効果の第一原理計算を行い、顕著な電界効果を発現する材料・構造を理論的に探索した。その結果、CoFe/MgO接合においてFe組成の増加に伴い界面磁気異方性が増大することを見出した。また、Fe/MgO界面にPtまたはPd単原子層を挿入することにより磁気異方性の電界依存性を増強できることを提案した。不揮発性スピンメモリにおける電界アシスト磁化反転の実現可能性を検討するため、異なる非磁性金属AuおよびPt基板上のFe/MgO薄膜における磁気異方性の電界効果を比較した。外部電界を印加しない場合、Au/Fe/MgO薄膜は垂直磁気異方性を示すのに対して、Pt/Fe/MgO薄膜は強い面内磁気異方性を示すことが明らかになった。Au/Fe/MgO薄膜では、Fe 3d軌道とAu 5d軌道の混成が弱いため、Fe/MgO界面におけるFe 3d軌道とO 2p軌道の混成に起因した垂直磁気異方性が支配的である。一方、Pt/Fe/MgO薄膜では、Fe 3d軌道とPt 5d軌道の強い混成効果により、フェルミ準位付近の電子状態が大きく異なり、これが面内磁気異方性の起源となっている。外部電界を印加した場合、両薄膜に誘起される電子密度は同程度であり、静電遮蔽効果に著しい相違は見られない。しかし、外部電界により誘起されるスピン密度には、Au/FeおよびPt/Fe界面付近で明確な相異が見られ、Pt/Fe界面の方がAu/Fe界面に比べて大きなスピン密度が誘起される。これはFe 3d軌道とPt 5d軌道の強い混成のためである。結晶磁気異方性の電界変調に関しても、Pt/Fe/MgO薄膜の方がAu/Fe/MgO薄膜に比べ著しく増大しており、Pt/Fe/Pt薄膜と同程度の電界効果が得られた。この電界効果の増大は、外部電界によりFe 3d軌道とPt 5d軌道の混成強度の変化に由来している。不揮発性スピンメモリにおいて電界による磁化反転を利用したデータ書換えを確立するために、強磁性金属/酸化物積層薄膜における結晶磁気異方性とその電界効果の第一原理計算を行い、顕著な電界効果を発現する材料・素子構造を理論的に探索した。本年度は、強磁性金属の構成元素および組成の違いに着目し、Fe/MgO界面付近のFeをCoで置換した系を対象として磁気異方性とその電界効果を第一原理計算した。その結果、Fe/MgO界面における強い垂直磁気異方性が、Co組成の増加に伴って著しく低下することを見出した。この結果は、FeとCoの価電子数の違いにより、フェルミ準位付近における電子バンド構造とその軌道成分の変化に起因している。また、磁気異方性の電界変調量についても、Co組成の増加に伴って減少する傾向が得られた。この結果は、MgOとの接合界面における磁気異方性の電界制御のためには、Fe組成の多い強磁性合金を用いる方が有利であることを示唆している。一方、高スピン偏極ホイスラー合金を用いた磁気トンネル接合における電界アシスト磁化反転の可能性を検討するために、Co_2FeAl/MgO界面における磁気異方性を第一原理計算した。その結果、Co終端界面では強い垂直磁気異方性を発現するのに対して、FeAl終端界面では面内磁気異方性を示すことが明らかになった。磁気トンネル接合界面における磁気異方性は、界面付近における強磁性金属の電子バンド構造に強く依存することを反映して、CoFe/MgO界面とは異なる傾向を示したものと考えられる。1.MgO/Fe/MおよびMgO/M/Fe/M薄膜(M=Pd, Pt, Au)における磁気異方性の電界効果を計算した。その結果、Pd/Fe接合を含む薄膜とPt/Fe接合を含む薄膜では磁気異方性の電界効果の符号が異なることを明らかにした。電界変調量をMgO/FeおよびMgO/FeCo薄膜と比較すると、同程度か数倍程度の大きさが得られ、PdまたはPtをFe/MgO界面に挿入することにより、磁気異方性電界変調が増強できることを示した。2.MgO/Fe/Au薄膜における磁気異方性の電界効果の面内格子定数依存性を理論計算した。その結果、面内格子定数をバルクFeの値にした場合とバルクMgOの値にした場合で、磁気異方性の電界変調の符号が異なることを見出した。

この符号反転は磁気異方性の価電子数依存性から予想される結果と対応している。また、バルクFeと同じ面内格子定数のときの計算結果は、MgO/Fe接合における実験結果と定性的に一致している。3.Fe/Pd薄膜は試料作製時の原子拡散により理想的な積層構造が実現できていないために、Pdに磁気モーメントが誘起され、薄膜の磁気異方性に大きな影響を及ぼすと考えられる。そこで、Fe/Pd薄膜における原子積層構造と磁気異方性の関連性を理論計算により確かめ、X線吸収磁気円二色性(XMCD)実験の結果と矛盾のない結果を得た。特に垂直磁気異方性の出現には正方晶歪みが重要な役割を果たしていることを明らかにした。交付申請時に研究実施計画の一つとして掲げた強磁性金属/非磁性金属/強磁性金属スピンバルブ構造と強誘電体を接合した系において誘電分極の向きによりスピンバルブの磁化配置を反転させることが極めて困難であることが本年度の検討により明らかになったため。24年度が最終年度であるため、記入しない。(1)強磁性金属/絶縁体積層薄膜における磁気異方性の電界効果の評価については、次年度は絶縁体の候補として非磁性半導体および高誘電率酸化物に対象を拡張して、顕著な電界効果を発現する材料・素子構造を探索する。(2)強磁性金属/非磁性金属/強磁性金属スピンバルブ構造の磁化配置を、接合した強誘電体の誘電分極の向きにより制御することが困難であることが予想されるため、次年度は強磁性金属/強誘電体積層薄膜における誘電分極の向きによる強磁性転移温度の変調を利用した非破壊読出し技術について検討を進める。
原子配列の秩序性に基づく材料強度科学研究基盤の創成と材料強度劣化損傷因子の解明

多結晶構造材料の高温劣化損傷が,結晶粒界近傍の転位と原子空孔の集積に伴う粒界強度の著しい低下で引き起こされていることを電子顕微鏡観察と量子分子動力学解析で定量的に解明した.特に高温高負荷環境で発生する粒界割れは,負荷と直交する,結晶品質の大きく異なる結晶粒で構成される粒界で発生すること,これは結晶皮質の高い(強度の低い)結晶内で発生した転位が粒界近傍に集積し,結果として発生する大量の原子空孔による強度低下により生じる現象であることを定量的に明らかにした.原子配列の秩序性の評価指標である,電子線後方散乱解析から得られるIQ値と粒界強度の間には明確な正の相関があること,粒界割れが発生する臨界IQ値が材料ごとに存在していることなども定量的に明らかにした.これにより,原子配列の秩序性の定量的評価という新たな概念を材料強度研究に導入することで,材料の劣化損傷の可視化だけでなく,破壊のクライテリアを定量的に解明することができることを耐熱合金のみならず半導体用の配線材料でも確認実証することができた.また,従来活用されてこなかったEBSD分析におけるIQ値の有効利用を実現するための試験片の表面処理および電子顕微鏡の観察条件の最適化手法も確立することで,安定して汎用的に使用できる結晶品質評価手法も確立できた.これらは当初の研究計画を着実に遂行し完成させたもので,当初の研究目標を予定通り完了できたものと考えている.また,白色光源を用い,材料表面からの反射スペクトル分布を詳細に分析することで,材料表面に存在している元素や酸化物などを同定する技術を開発した.近年開発されたハイパースペクトルカメラを応用することで,材料表面の元素分布を各元素固有の反射スペクトルからサブマイクロメーターの分解能で可視化することに成功した.研究計画調書に記載した当初3年間の研究目標である,光学反射光のスペクトル分析技術を応用した材料表面の原子拡散を伴う組織変化および関連する劣化損傷の可視化技術は,光学系の見直しは発生したものの,当初予定通り完成させることができた.Ni基超合金を対象に,サブマイクロメータオーダーの分散強化組織を大気中で鮮明に観察できることを実証するとともに,主要構成元素ごとの固有スペクトルのデータベース化,各種代表的酸化物の固有スペクトルのデータベース化も完了し,構成元素の異方的拡散現象による微細組織の変化と,酸化による材料組成の変化をサブマイクロメータの空間分解能で,大気中で観察できる技術を確立した.また,塑性変形の進行に伴う材料表面粗さの変化はスペクトルの形状には影響せず,強度のみが単調に変化することも確認したので,材料の劣化損傷に強い影響を持つ,1)微細組織変化,2)酸化物の成長,3)塑性変形の進行等を,反射スペクトルの詳細分析により大気中で観察評価する基本技術を予定通り開発することに成功した.さらに当初研究計画調書では明確には記載していなかった,本技術の有機材料系への展開について,カーボンナノマテリアルであるカーボンナノチューブやグラフェンの電子物性に及ぼす原子配列の秩序性の乱れ(炭素六員環の変形)の影響を検討したところ,ひずみの作用により電気伝導特性が金属伝導特性から半導体伝導特性の間で周期的に変動することを見出し,新たな超高感度ひずみセンサ開発への展望も拓け,新たな研究課題としての取り組みも始まっている.研究成果は国内外の学会賞等の受賞や国際学会からの基調講演,招待講演依頼などを通し継続的に高く評価されており,少なくても当初の目標に向けて順調に研究が進展しており、予定どおりの成果が見込まれる,あるいは当初目標以上の成果が期待できる水準で研究活動が推移しているものと考えている.今後は開発した原子配列の秩序性変化に基づく各種材料の高温劣化損傷挙動の支配因子メカニズム解明を集中的に推進する.特にNi基超合金において明らかになった特定結晶粒界への原子空孔や転位の異常集積と結果として生じている粒界強度の著しい減少機構を物理化学的に解明し,その劣化挙動を応力(ひずみ)依存の増速拡散現象(活性化エネルギーの低下)という視点から定式化する.本評価手法を他の耐熱合金や半導体デバイス用薄膜配線材料等にも適用し,開発手法の汎用性も実証していく.また計算科学の分野である量子分子動力学解析や第一原理解析なども活用し,単なる実験データベースに止まらず,様々な実働負荷環境で生じる劣化損傷の進行を定量的に予測する評価手法の構築にも挑戦する.従来の疲労損傷とクリープ損傷を独自に規格化し,単純和として評価する線形損傷則では評価できなかった高温クリープ疲労損傷を定量的に評価できる新たな評価手法の構築を目指す.Ni合金の高温負荷環境における劣化損傷過程の可視化を目的に,構成元素の光学反射率の波長依存性を応用し,多波長レーザ光源を用い,材料表面の組織を異なる波長のレーザ光を用いて観察し,得られた画像の波長依存性を分析することで主要元素の濃度分布変化の測定に成功した.例えばNi元素濃度分布の測定は波長628 nmのHe-Neレーザ光と波長410 nmのGaNレーザ光を併用することで実現できることを実証した.これはNiの光学反射率が波長500 nm以下で急減することを応用したものである.高感度観察光学系では共焦点系を構築することが不可欠となるため,対物レンズは可視光用と紫外光用,近赤外光用をそれぞれ準備し,使用波長ごとに切り替えるシステムを開発する必要がある.