hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
新しい低温活性酵素の探索とその応用

この酵素の最適反応温度は40°Cであり、市販の常温菌由来の酵素に比べて約20°Cも低く、低温活性酵素であることが示唆された。この酵素の温度安定性は常温菌の酵素に比べて低く、50°C、10分間の処理により完全に活性を失い、低温菌の温度不安定性の特性を示していた。至適作用pHは8.0であり、pH6.5-10.0の範囲で安定であった。また、この酵素は、Phenyl methanesulphonyl fluorideにより著しく酵素活性が阻害されたことから、本酵素はセリンプロテアーゼであることが示唆された。さらに、本酵素のN末端アミノ酸配列を調べたところ、既知のプロテアーゼのアミノ酸配列と相同性がなく、新規なプロテアーゼであることが示された。次に、寒冷生物であるサケ・カニの内臓から肉汁寒天培地・10°Cで低温細菌を単離した。この低温細菌の中で、最もL-グルタミン酸酸化活性の高いL101菌株を選択した。この菌株は、15°Cで最適増殖を示す低温細菌であり、グラム陰性・桿菌・極鞭毛を持ち、シトクロムcオキシダーゼ・カタラーゼ・菌体外プロテアーゼなどを持ち、Vibrio選択培地上で増殖しなかった。陰イオン交換クロマトグラフィーから低塩濃度で溶出される酵素をさらに、硫安塩析・ゲル濾過クロマトグラフィー・陰イオン交換クロマトグラフィー(Q Sepharose)・疎水性相互作用クロマトグラフィーなどを用いて精製を行った。精製した酵素は、NADやNADPや酸素と反応せず、酸化還元色素であるニトロブルーテトラゾリウムやシトクロムcを電子受容体とする新規のL-グルタミン酸デヒドロゲナーゼ(GLDH)であった。また、牛肝臓由来のNAD依存性のGLDHと比較して、最適温度域が低温側にあり、5°Cにおいても最大活性(50°C)の40%の活性を残存しており、活性化エネルギーもほぼ半分の値を示した。さらに、フェロセン誘導体を電子メディエータとして、サイクリックボルタンメトリーにより酵素のキャタリティック電流も確認できた。すでにキャタリティック電流の基質濃度依存性なども調査しており、これらを用いてバイオセンサーを構築するための基礎資料を得ることができた。低温細菌の有する低温活性酵素は、最適温度域がより低温側に移行しており、活性化エネルギーも小さく、その機能や構造に興味が持たれている。しかしながら、低温活性酵素の研究は十分に行なわれておらず、特に、酸化還元酵素についての報告は殆どなく、低温活性の構造と機能の相関については明らかになっていない。そこで本研究では、新たに低温活性酸化還元酵素を捜索した結果、新規のアクセプター型のL-グルタミン酸デヒドロゲナーゼが得られたため、バイオセンサーへの応用をめざした基礎特性について検討した。寒冷生物であるサケ・カニの内臓から肉汁寒天培地・10°Cで低温細菌を単離した。この菌株は、15°Cで最適増殖を示す低温殺菌であり、グラム陰性・桿菌・極鞭毛を持ち、シトクロムcオキシダーゼ・カタラーゼ・菌体外プロテアーゼなどを持ちAeromonas属に属する細菌であることがわかった。L101菌株は、陰イオン交換クロマトグラフィー(DEAE-Sepharose,pH7.0)にて分離される2種類のアイソゾイムが存在した。2つのアオソザイムのうち、陰イオン交換クロマトグラフィーから低塩濃度で溶出される酵素をさらに、硫安塩析・ゲル
強力な並列計算モデルBSR^+のアルゴリズム実行環境の実現に関する研究

PRAM(Parallel Random Access Machine)は並列計算の最も知られたモデルである。BSR^+モデルは様々なPRAMの中で計算能力が最も強力である。このモデルは研究代表者などがBSR(Broadcasting with Selective Reduction)モデルに基づいて1999年8月にIEEE Trans.Parallel Distrib. Systemsで提案したものである。LANの普及とPCの低価格化によって研究室の範囲で数台のPCを用いてBSR^+の並列計算アルゴリズムが実行できる環境を作ることが可能になってきた。そこで、本研究では1台のパソコンをBSR^+の内連接器(Interconnection Unit)と制御器(Control Unit)として、P台(4≦P≦6)のパソコンをP個のプロセッサとして、BSR^+並列計算機の機能を実現した。任意の具体的な並列計算機はプロセッサの数量Pが定数であるが、並列計算の色々の問題に対して、問題の大きさNは変数である。アルゴリズム(プログラミング)の設計と具体的な計算機とは無関係であるのが原則で、並列計算プログラミングのレベルと具体的な並列計算機のレベルの間にはシステムソフトウェアが任意のNからPへの転換を提供するはずである。本研究では上記の転換を提供するBSR^+の並列計算アルゴリズムが実行できる環境をLANで実現可能なことを検証した。BSR^+の並列計算アルゴリズムが実行できる環境は、並列アルゴリズムの研究を支援する環境、及び、並列アルゴリズムを用いて実際的な応用問題の解決を支援する環境を提供できる。文献中の並列計算アルゴリズムはほとんどPRAM(Parallel Random Access Machine)に属する並列計算モデルで書くアルゴリズムである。PRAMは並列計算の最も知られたモデルである。研究代表者などがBSR (Broadcasting with Selective Reduction)モデルに基づいて1999年に提案したBSR^+モデルは様々のPRAMの中で計算能力が最も強力である。色々な問題に対する時間最適なBSR (BSR^+)の並列計算アルゴリズムが発表されているが,BSR (BSR^+)の並列計算アルゴリズムが実行できる並列計算機はまだ存在していない。一方,LANの普及とPCの低価格化によって研究室の範囲で数台のPCを用いてBSR^+の並列計算アルゴリズムが実行できる環境を作ることが可能になってきた。研究計画の通り,一年目の研究では,1台のパソコンをBSR^+の内連接器(Interconnection Unit)と制御器(Control Unit)として,4台のパソコンを4個のプロセッサとして,BSR^+並列計算機の機能を実現した。BSR^+の内連接器と制御器の機能を実現するために,まず各パソコンの間の通信プロトコルを確定した。BSR^+のアルゴリズムからのプログラミングためにBSR^+のBROADCAST指令を精しく定義した。現在,プロセッサ(パソコン)の個数Pが4であるが,Pを増やした時の自動的な適応性,即ち,Pの可拡張性も研究した。内連接器と制御器を実現するアルゴリズムや通信プロトコルによって,Pの拡張できる基本的な通信アルゴリズムなどを設計して,Red Hat Linux 8.0Professionalに基づいて上記のアルゴリズムをC言語でプログラミングした。大きさ(size)がPである問題(例えば,P個の正数のソーティング)でBSR+の機能を検証した。Pの可拡張性,具体的に4から6までのBSR^+の機能を検証した。今までの研究成果を並列処理に関する国際雑誌Parallel ProcessingLetters及び国際会議PDCS2002に発表した。文献中の並列計算アルゴリズムはほとんどPRAMに属する並列計算モデルで書くアルゴリズムである。研究代表者などがBSR(Broadcasting with Selective Reduction)モデルに基づいて1999年に提案したBSR^+モデルは様々のPRAMの中で計算能力が最も強力である。色々な問題に対する時間最適なBSR(BSR^+)の並列計算アルゴリズムが発表されているが、BSR(BSR^+)の並列計算アルゴリズムが実行できる並列計算機はまだ存在していない。

一方,LANの普及とPCの低価格化によって研究室の範囲で数台のPCを用いてBSR^+の並列計算アルゴリズムが実行できる環境を作ることが可能になってきた。二年目の研究は,一年目の研究成果に基づいて行った。任意の具体的な並列計算機はプロセッサの数量Pが定数であるが,並列計算の色々の問題に対して,問題の大きさNは変数である。アルゴリズム(プログラミング)の設計と具体的な計算機とは無関係であるのが原則で,並列計算プログラミングのレベルと具体的な並列計算機のレベルの間にはシステムソフトウェアが任意のNからPへの転換を提供するはずである。プログラミングのレベルのBSR^+を定義して,任意サイズNからPへの転換を行う各モジュールを分割した。各モジュールを実現するアルゴリズムを設計して,C言語でプログラムを完成した。Constructing a Random Binary Search Treeなどの応用問題のBSR^+の並列計算アルゴリズムを設計して,BSR^+並列計算アルゴリズムが実行できる環境をLANで実現可能なことを検証した。BSR^+の並列計算アルゴリズムが実行できる環境は,並列アルゴリズムの研究に対して,及び,並列アルゴリズムを用いて実際的な応用問題の解決に対して,十分な援助が提供できる。
個人化社会における社会的包摂の研究―ドイツの市民労働を事例として

本研究の目的は、ドイツの社会学者U.ベックが90年代後半に提唱した市民労働という政策理念が実際にどのように機能しているかを探ることであった。調査地はバイエルン州ミュンヘン市とした。調査の結果、以下のことが判明した。市民労働の政策理念を構成する諸要素は、それが政策的実践に移される過程で、ワークフェア政策とボランティア政策とに二分され採り入れられた。その結果、ワークフェア政策およびボランティア政策としては、それぞれ一定の成果をあげているが、自発的参加により市民労働への参加者に生存保障と社会的アイデンティティを附与するという、市民労働の政策理念の本来の重要な目論みは、現在のところ果たされていない。「個人化社会における社会的包摂の研究」と題する本研究の2年目にあたる平成24年度は、調査地(ドイツ連邦共和国ミュンヘン市)での調査や資料収集にとくに力を注いだ。具体的には、3度にわたりドイツミュンヘン市に赴き、資料収集、インタビュー調査、専門家からの専門的知識の提供を受けた。資料は、ドイツ全体およびミュンヘン市について、社会活動およびワークフェア政策に関する行政資料および調査報告書を収集し、分析した(現在も分析中である)。インタビュー調査では、ボランティア団体で実際に活動する人へのインタビュー、市民労働への従事者へのインタビュー、市民労働を組織する行政・企業の担当者へのインタビューを行なった。さらにミュンヘン市で市民活動の促進に関与してきたG.ムッツ教授を訪問し専門的知識の提供を受けた。得られた知見は以下の通り。まず、ベックの市民労働のアイデアは、後に、市民活動と(ワークフェアとしての)市民労働とに分かれてしまった。次に、市民労働は、現在、連邦政府のワークフェア政策のモデルプロジェクトとして一定の成果をあげている(再就職を果たした者もかなり存在する)が、かなりの補助金が投入されており、実際の政策として導入が可能かどうかは今後の行方を見守る必要があることがわかった。市民活動の参加者のインタビューから、ミュンヘンでは市民活動がかなり浸透しており、市民にとって何か特別というよりはごく普通の活動になっていることがわかった。どちらの活動も日本での社会的包摂を考える上で参考になる事例であると思われる。このように、24年度はおおむね研究実施計画通りに研究が進展した。本研究は、ドイツの社会学者U.ベックが1990年代半ばに提唱した「市民労働」という政策理念のその後を探ることを目的としていた。ベックにおいて、市民労働は、人々の自発的社会参加を促す仕組みを作り、市民労働への参加により参加者にアイデンティティや社会的承認や物質保障の獲得を可能にするものとして構想されていた。研究計画を立案した当時は、この市民労働が実際にどの程度、市民労働への参加者にアイデンティティや社会的承認を附与するものとして機能しているかを、聞き取り調査により調べることを、目的としていた。平成23年度より3年間で、合計6回、それぞれ1014日間ミュンヘン市に赴き、聞き取り調査と資料収集を行った(日本にいる間は、先行研究の検討と調査データの分析にあてた)。平成25年度は過去2年間の補足調査を行った。ベックの市民労働の政策理念は、その構成要素の一部が採り入れられて連邦政府のワークフェア政策の試験プロジェクト(市民労働プロジェクト)になり、別の構成要素の一部が市民参加という一種のボランティア活動に採り入れられていた。ベックの市民労働の政策理念は、ベーシックインカムの一種であったが、連邦プロジェクトでは強制的なワークフェア政策となり、その基本理念は消失し、参加により社会的アイデンティティが獲得できるものにはなっていなかった。他方、市民参加においては、自発的参加を促す仕組みが整えられ、活動により獲得された能力を社会的に承認する仕組みが作られており、その点でベックの市民労働の理念がより生かされたものになっていたが、参加によりアイデンティティや物質保障が得られるようなものではなかった。市民労働の政策理念は、政策的実践に移される過程でその性質が変容していた。ドイツ民主共和国ミュンヘン市において実施されている市民労働について、発案者の社会学者ウルリヒ・ベック氏に市民労働というアイデアの変遷過程について、また、その変容についての氏の考えをインタビューした。ベックが発案した、市民労働のアイデアは、一部は2012年からドイツ全土で実施されている期間限定「市民労働」プロジェクトに受け継がれたが、「自発性」という重要な要素がなくなってしまった。他方、「自発的」な民主主義的活動としての側面は、ミュンヘン市が取り組んでいる市民活動プロジェクトに引き継がれていることが分かった。現在の市民労働の実態については、ミュンヘン市の当該部署担当者およびジョブ・センター担当職員にインタビューすることで明らかとなった。市民労働は、いくつかの問題をかかえてはいるが、長期失業者に対する雇用対策として機能し始めていた。他方、市民活動については、ミュンヘン市・民間非営利団体・企業の三者の協同により、活発に行なわれていた。

市民活動に関しては、市民活動の研究を行なっている社会学者ゲルト・ムッツ氏に専門知識の提供をうけた。さらに、ミュンヘン市の市民活動担当者、市民活動に従事する非営利団体、非営利団体を統括する団体の代表に実態をインタビューした。市民活動においても、職業能力の涵養は行なわれていた。ミュンヘン市では、既存の標準的ライフコースからはずれてしまった者に対して、さまざまな形での包摂の試みがなされていることが判明した。平成24年度は調査研究の二年目に該当する。二年目には、一年目に未着手であった市民労働や市民活動への実際の参加者と接触しインタビューすることにも成功した。また、市民労働や市民参加の大まかな仕組みも、資料収集や当事者へのインタビューや研究者からの専門的知識の提供により捕らえることができた。これらは、研究計画を立てた当初に二年目に達成すべき目標であった。また、国内で研究成果の学会発表も行なった。引きこもりについて研究している研究者が関心を示してくれ、ドイツの事例が日本にも参考になるという確信をもつこともできた。したがって、研究の目的はおおむね順調に進展していると判断される。平成23年度は、3年間でおこなう基盤研究の1年目であり、市民労働の概要(市民労働がドイツ民主共和国において現在どのように機能しているのか、ベックが発案したものからどのような経緯でどのように変化したのかということ)を知ることができたので、当初の目標はおおむね達成できたと考えている。平成25年度は研究の最終年度になる。したがって、一年目と二年目に収集した文書資料およびインタビュー資料を分析し、不足分を25年度のドイツでの調査で収集する。また、研究成果を論文としてまとめ、査読つきの学会誌に投稿する予定である。あわせて、ドイツ側の調査協力者に研究成果を提示するため、論文は英語でも執筆する予定である。当初は8月に1ヶ月間の調査を予定していたが、その時期は、調査にあたって協力してくれるドイツ人研究者が調査研究で海外にいって不在であったこと、インタビュー対象者も長期休暇中で不在の可能性が高いことから、8月以外の時期にドイツで調査する形に変更した。授業期間であったため、8月の代わりに実施した10月の調査は約2週間になった。そのため残額が生じてしまった。次年度は3月末、5月上旬、10月上旬にそれぞれ2週間弱調査を実施する。調査は、ベックの市民労働のアイデアがそれぞれ部分的に実現されている、市民労働と市民活動という二つの活動について社会的包摂という観点から行なう。具体的には、市民労働と市民活動の参加経験者に、その活動の意義やその活動がその者の人生に与えた影響などについて聞き取り調査を行なう予定である。研究費の主な使用予定は、消耗品費が13万円、旅費が70万円、その他が37万円である。その詳細は、以下の通り。
硬X線、ガンマ線で探る超新星残骸での粒子加速

今年度に私が重点的に行なったのは、X線天文衛星「チャンドラ」の高空間分解能観測による超新星残骸での宇宙線加速の研究である。昨年、X線天文衛星「あすか」の観測データを解析することにより、硬いスペクトルをもつ特徴的なX線放射源を発見した。本年は、われわれがチャンドラ衛星に提案した追観測が行なわれ、この新しい観測結果を裏付ける結果を得た。一方でCANGAROOチェレンコフ望遠鏡でのTeVガンマ線の発見により非常に注目されている超新星残骸RX J1713.7-3946のシンクロトロンX線放射のチャンドラ衛星による観測データを解析し、フィラメントやホットスポットといった内部構造を発見した。この結果が、超新星残骸における粒子の加速、伝播、そして放射の理解に新しい問題を提起するものであることを指摘した。また超新星残骸からの非熱的放射はX線のみならず、多波長にわたって研究することが重要であり、特に高エネルギーガンマ線での探査が鍵となって来る。そこで、マックス・プランク核物理研究所を訪問し、TeVチェレンコフ望遠鏡チームとの共同研究を前年度に引続き行なった。
グラフェン・ＺｎＯナノロッド融合体を用いたフレキシブルフォースセンサー

本研究では、グラフェン/ZnOナノロッド/グラフェンのサンドイッチ構造を作製し、フレキシブルで高感度なフォースセンサー創成を目論んでいる。前年度までに、減圧CVD法でのグラフェン成長、グラフェン上へのZnOナノロッド成長を決める条件について確認はできているが、グラフェンのサイズ・結晶性のバラツキ、グラフェン上のZnOナノロッドの成長面積が小さいという課題があった。本年度は、グラフェン作製のCVDプロセス条件と、グラフェン上へのZnOナノロッド形成のための水熱合成条件最適化を行い、以下の様な成果が得られた。1)CVD実験条件を再確認した結果、基板そのものの選択に問題があることがわかった。前年度までは、厚さ数10ミクロンの箔状銅(Cu)を基板として用いていたが、室温から1000°CのCVDプロセス温度変化で、波状あるいは巻き状に変形し、グラフェンの成長を不安定にしていることがわかった。そこで、高耐熱性基板の石英、サファイア基板上にCu、チタン(Ti)堆積後にCuを薄膜堆積して、グラフェンのCVD成長を行った。グラフェンは、基板上へのCVD成長後、別の基板上に転写する必要があるが、Cu/Ti/高耐熱性基板では、Ti層を酸などで溶かせグラフェンのみを剥離することが難しく、薄いCu/高耐熱性基板でも同様に困難であった。Cuの膜厚を変えて実験を行った結果、10ミクロン程度のCu層を高耐熱性基板に用いた場合には、Cu層を容易に溶かせることができ、グラフェンの剥離・転写に成功した。2)グラフェンの炭素欠損部分、あるいは結晶粒界へのZnO種結晶形成、種結晶からのZnOナノロッド成長を期待して、硝酸亜鉛水溶液で、石英基板上に転写したグラフェンをリンスし、乾燥後熱処理をした後、水熱合成することにより、ほぼ配向成長したZnOナノロッドを試料全面に得ることができた。前年度の発展形であるが、当初計画した2項目:グラフェンの均一・大面積作製技術の確立、グラフェン上へのZnOナノロッドの成長実験を行い、貴重なデータは充分に得られたと考えている。しかしながら、さらなるグラフェンの均質化を狙い購入した「高周波電源システム」を用いたCVDガスのプラズマ発生が、グラフェンの成長に及ぼす明確な効果は未だ観察されてはおらず、進展評価の減点に繋がっている。CVDガスプラズマ化のグラフェン均質化効果を確認し、グラフェン/ZnOナノロッド/グラフェンのサンドイッチ構造を高分子フィルム上に形成して、フレキシブルかつガス等への高感度性を実証する。そのために、グラフェン上へのZnOナノロッド直接成長メカニズムの解明と条件最適化を行い、フレキシブル高感度フォースセンサーの試作と実験を行う。本年度は、グラフェンの均一・大面積作製技術の確立、グラフェン上へのZnOナノロッドの成長実験を行った。予備的な実験は、グラフェン原料としてカンファー(樟脳)等を用いた大気圧熱CVDプロセスで行っていたが、基板上に作製されるグラフェンの均一性は高くなく、大面積化には不向きである。ZnOナノロッドへの転写用、ナノロッドの基体用としてのグラフェンの均一・大面積化のため、減圧CVD装置の構築を行い、作製できたグラフェンに対して、ZnOナノロッドの成長実験を行った。その結果、1)メタン・水素・アルゴンの混合ガスを用いてCVD処理を行った。ガスの分圧比、成長温度・温度プロファイルを変えて実験を行い、水素の分圧比がグラフェン結晶の密度・形状・成長率を制御できる。アルゴンリッチの条件で単層グラフェンは作製できることがわかった。2)グラフェンは、500°C以下の酸素雰囲気では蒸発しないことが判明した。400°Cの酸素熱処理によるグラフェンの結晶性を調べたところ、炭素欠陥密度は、酸素雰囲気の熱処理時間で増やすことができることがわかった。3)CVDグラフェンを石英等の基板に転写し、水熱合成法でZnOナノロッドの直接成長を試みた。上記酸素熱処理で炭素欠陥密度を制御したグラフェンに対して、グラフェン上の炭素欠陥密度で直接成長する配向成長ZnOナノロッドの密度を制御できることがわかった。当初計画した2項目:グラフェンの均一・大面積作製技術の確立、グラフェン上へのZnOナノロッドの成長実験を行い、次年度につながる貴重なデータは充分に得られたと考えている。しかしながら、減圧CVDへの適用してさらなるグラフェンの均質化を狙い購入した「高周波電源システム」については、納入が遅れ、減圧CVDに設置したプラズマ発生実験をを充分に行えず、明確な効果確認には至っていないことが進展評価の減点に繋がっている。

前年度までは、厚さ数10ミクロンの箔状銅(Cu)を基板として用いていたが、室温から1000°CのCVDプロセス温度変化で、波状あるいは巻き状に変形し、グラフェンの成長を不安定にしていることがわかった。そこで、高耐熱性基板の石英、サファイア基板上にCu、チタン(Ti)堆積後にCuを薄膜堆積して、グラフェンのCVD成長を行った。グラフェンは、基板上へのCVD成長後、別の基板上に転写する必要があるが、Cu/Ti/高耐熱性基板では、Ti層を酸などで溶かせグラフェンのみを剥離することが難しく、薄いCu/高耐熱性基板でも同様に困難であった。Cuの膜厚を変えて実験を行った結果、10ミクロン程度のCu層を高耐熱性基板に用いた場合には、Cu層を容易に溶かせることができ、グラフェンの剥離・転写に成功した。2)グラフェンの炭素欠損部分、あるいは結晶粒界へのZnO種結晶形成、種結晶からのZnOナノロッド成長を期待して、硝酸亜鉛水溶液で、石英基板上に転写したグラフェンをリンスし、乾燥後熱処理をした後、水熱合成することにより、ほぼ配向成長したZnOナノロッドを試料全面に得ることができた。前年度の発展形であるが、当初計画した2項目:グラフェンの均一・大面積作製技術の確立、グラフェン上へのZnOナノロッドの成長実験を行い、貴重なデータは充分に得られたと考えている。しかしながら、さらなるグラフェンの均質化を狙い購入した「高周波電源システム」を用いたCVDガスのプラズマ発生が、グラフェンの成長に及ぼす明確な効果は未だ観察されてはおらず、進展評価の減点に繋がっている。速やかに、「高周波電源システム」を減圧CVD装置に適用し、グラフェンの均質化向上を諮る。CVDガスプラズマ化のグラフェン均質化効果を確認し、グラフェン/ZnOナノロッド/グラフェンのサンドイッチ構造を高分子フィルム上に形成して、フレキシブルかつガス等への高感度性を実証する。
コバルトイオンが脳虚血後のミトコンドリア機能に及ぼす保護効果

脳虚血後の神経細胞死はネクローシスとアポトーシスによりもたらされる。ネクローシスは、ミトコンドリア機能の低下に伴うエネルギー障害が本態である。一方アポトーシスはミトコンドリア膜電位の低下に伴うチトクロームcの遊出により引き起こされる。このように、ミトコンドリアの機能異常は虚血性神経細胞障害の拡大に大きく関与しているが、ミトコンドリアの保護を目的とした治療法は試みられていない。ミトコンドリアは過剰な細胞内カルシウムをup takeする細胞内器官であるため、虚血によりカルシウムが細胞内に流入するとミトコンドリアは急速に膨化する。細胞内へのカルシウムの流入を減少させ、ミトコンドリアの機能障害を軽減することが重要である。本研究では、虚血時のミトコンドリア電位の変化をミトコンドリア電位感受性色素(JC-1)を大脳皮質内に注入し測定した。キセノンランプで490nmの青色光を2秒間脳表に照射し、ミトコンドリア内に集積した色素を励起させ、その蛍光強度からミトコンドリア電位を算出した。その結果、ATP合成酵素阻害薬を投与した群では、脱分極中のミトコンドリア電位は大きく減少したが、細胞膜電位は比較的保たれていた。このことより、ミトコンドリアは虚血中にATP合成酵素を逆転させATPを消費し、細胞膜電位を減弱させることがわかった。次に、脳梗塞モデルを用い、塩化コバルト(静脈内投与)の効果を検討した。脳表に紫外線を照射し、NADH蛍光を観察して、ミトコンドリアがエネルギー障害に陥っている領域を観察した。塩化コバルト投与によりNADH蛍光領域が減少し、ミトコンドリアのエネルギー状態が改善することがわかった。本研究は脳梗塞急性期のミトコンドリア保護にコバルトイオンを用い、神経細胞障害を軽減することを目的としている。ラットの脳表(in vivo)でミトコンドリア膜電位を観察するため電子伝達系観察システムで観察した。キセノンランプで365nmの紫外線を脳表に照射し、大脳皮質ミトコンドリアのNADH(90%以上のNADHはミトコンドリア内に存在する)を励起する。脳表のNADH蛍光を電子冷却CCDカメラ(解像度30μm×30μm)で15秒毎に連続的に撮影しミトコンドリア電子伝達系の酸化還元状態を観察した。しかし、電子伝達系観察システムのみでは、ミトコンドリアの酸化還元状態は把握できても、ミトコンドリア膜電位を測定することは不可能であった。そこで、今年度は励起光源、及び蛍光測定系を改善しミトコンドリア電位も同時に測定できるようにした。励起フィルタ、受光フィルタ、電磁シャッター、電子冷却CCDカメラをパーソナルコンピュータで一括コントロールし10秒毎にNADH蛍光とミトコンドリア電位が同時に測定できるシステムを構築した。ミトコンドリア電位はミトコンドリア電位感受性色素を先端径5マイクロのガラス電極より脳表に注入し測定した。コバルトイオンを塩化コバルトの状態で経静脈性に投与した。中大脳動脈閉塞による脳梗塞モデルを使用し、脳表のNADH蛍光領域の変化、およびミトコンドリア膜電位の変化を観察した。現在、ミトコンドリアの酸化還元状態およびミトコンドリア膜電位の変化を経時的に解析中である。

励起光によるフォトオキシデーションを防ぐため、励起光の光量を2mW/cm2以下にコントロールした。コバルトイオンは塩化コバルトの水溶液として大腿静脈より、虚血開始1時間後に投与した。塩化コバルトの投与により、NADH蛍光を強く発している領域(ミトコンドリアの呼吸鎖が停滞し還元状態に陥り、エネルギーを産生できていない領域)は減少傾向を示した。3時間の観察期間中、NADH蛍光領域が再拡大することはなかった。塩化コバルトを、虚血開始前より投与した場合、3時間の観察期間中、NADH蛍光領域はほとんど形成されなかった。コバルトイオンにはカルシウム拮抗作用があり、興奮性アミノ酸の放出を阻害すると考えられている。本研究においても同様の働きで興奮性アミノ酸の放出が低下し、エネルギー需要を減少させ、NADH蛍光領域の減少につながったと考えられる。
ナノ分子メカニクスを用いたバイオハイブリッドグラフェンナノポアセンシング

ハイブリッドナノポアによるナノポアセンシングに向けた基盤技術開発のため、1「ヘリウムイオン顕微鏡を用いたイオンビーム加工による再現性の高いナノポア加工」、2「ハイブリッドナノポア形成のためのDNA自己組織化ナノ構造体作製」、3「ハイブリッドナノポア形成のためのDNA自己組織化ナノ構造体の高効率化」、4「ナノポア形成基板へのグラフェン膜直接CVD技術」、5「DNA伸長用ナノピラーアレイの集積化」、6「グラフェンナノポアによるDNAセンシング」について研究を進めた。1について、ヘリウムイオンビームにおけるフォーカスとドーズ量による加工精度を調査し、DNAの塩基計測に最適な1.5-2nmのグラフェンナノポアを再現性よく形成できることを見出した。2について、ナノパターン形成のための3次元構造のDNAナノ構造体を設計・作製し、TEMで確認を行った。3について、マイクロ流路を用いて作製時間の短縮と歩留まりの改善を行った。また、スピンオン法によってナノポア形成基板上にナノパターン形成のための3次元構造のDNAナノ構造体を吸着させ、金属膜パターンの形成を試みた。4について、通常は銅などの金属触媒基板上へCVD成膜したグラフェンを間接転写法によりシリコン基板等へ転写後にナノポアを形成していたプロセスを、シリコン酸化膜上でガリウムを液状触媒として直接グラフェンをCVD成膜する手法を開発した。これにより、間接転写法の際に問題となっていた転写時の支持材料によるグラフェン膜の汚染と膜厚増加を考慮する必要がなくなり、プロセス工程も短縮化できた。5について、DNA通過速度を制御するためのDNAナノ構造体としてDNA伸長用ナノピラーアレイを集積化し、基板垂直面に対しヘリウムイオンビームによってナノポア形成を行ったデバイスを作製した。6について、グラフェン膜上に形成したナノポアを用いてイオン電流によるDNAセンシングを行った。H29年度はDNA1分子から塩基配列を読み取ることができるナノポアシーケンサ(数nmの細孔を用いたイオン電流検出による塩基読み取り)の基盤技術開発のため、1「ヘリウムイオン顕微鏡を用いたイオンビーム加工による再現性の高いナノポア加工」、2「ハイブリッドナノポア形成のためのDNA自己組織化ナノ構造体作製」、3「グラフェンナノポアによるDNAセンシング」について研究を進めた。また、CVDグラフェンの間接転写、SiC基板への直接グラフェン成膜プロセスの改良を行った。3について、グラフェン膜上に形成したナノポアを用いてイオン電流によるDNAセンシングを確認した。グラフェンナノポアについては転写法による形成とSiCによる直接形成について研究を進め、自立膜形成のプロセスを確立した。ヘリウムイオンビームによるナノポア形成については数nmのナノポアをグラフェン単分子膜上に再現性良く形成するプロセスを確立した。また、ハイブリッド構造の基点となるDNAナノ構造体についても設計・作製を行うなど順調に進んでいる。一方、タンパク分子とDNAナノ構造体との結合や、CVD法によるグラフェン膜の直接形成については、歩留まりの低さや形成のばらつきといった課題が明らかになった。H30年度は、塩基分子認識を可能とするグラフェンナノポアにおける超高感度検出の実現に向け、DNAナノ構造体とのハイブリッドナノポアと並行し、DNA伸長用ナノピラーアレイを集積化したハイブリッド構造形成の研究を推進する。ナノポアサイズとDNA通過速度を制御し、イオン電流検出システムの改良と、DNAの通過特性計測を進める予定である。その他における共同利用設備での時間当たり利用料金の誤差分のため。
微視的構造解析に基づくベントナイトの物質移動係数のモデル化

放射性廃棄物地層処分において廃棄物収納容器と周辺地盤の間を充填する材料として、ベントナイトの利用が国内外で検討されている。ベントナイトの吸水にともなう膨潤・均質化(内部密度の平均化)は、媒体内の間隙構造や密度分布の変化を引き起こし、媒体内の物質移動を評価する際に必要となる各種物質移動係数(飽和・不飽和透水係数、ガス拡散係数、通気係数、熱伝導率、熱容量、溶質拡散係数)に大きな影響を与える。本研究ではベントナイト材料の微視的構造観察ならびに各種物質移動係数(水、熱、ガス、溶質)の評価及びその数理モデルを構築することを目的とし、研究を進めている。研究2年度は、顆粒状ベントナイト試料を用いて、「1。マイクロフォーカスX線CTを用いたベントナイトの微視的構造観察と内部構造パラメータの定量的解析」の一部を継続するとともに、「2。膨潤・均質化過程におけるベントナイトの物質移動係数の測定」の相対湿度90%および95%における顆粒状ベントナイト試料(相対湿度調整試料)の膨潤・均質化過程における内部微視的構造観察及び物質移動係数測定に着手した。FE-GBM相対湿度調整試料は湿潤に伴い、粗粒分の輝度低下が確認でき、これは粗粒分の湿潤・膨張による乾燥密度低下に起因し、同膨張により細粒分が締固められ、粗粒分との密度差が小さくなることで湿潤による均質化が生じることがMFXCT観察より推定された。また、物質移動係数については、同一気相率における相対ガス拡散係数が、風乾状態の乾燥密度調整サンプルと比較し高くなることが示された。これは、粗粒分の湿潤より、屈曲性の高い粗粒子内のガス拡散経路が失われ、屈曲性の低い粒子間のガス拡散経路が卓越したためだと考えられる。同一体積含水率に対する熱伝導率の変化についても両サンプルで違いが見られ固相率の変化をより強く受けることが確認された。これは体積含水率の増加は熱伝導率の上昇に寄与するものの、固相の増加によるベントナイト粒子の接触面積の増加の影響には及ばないためだと考えられる。一方、OK-GBMでは明確な微細構造変化を確認できず、この要因としてはFE-GBMと比較し、吸水量が低いこと、および粗粒分の密度が低いことが考えられた。物質移動係数についても風乾状態との違いは確認されず、相対ガス拡散係数は気相率、熱伝導率は体積含水率の変化に支配されることが確認された。これら2年度の知見は、初年度の風乾試料での解析結果も含め、最終年度の「微視的構造解析に基づく顆粒状ベントナイトの各種物質移動係数(水、熱、ガス)の数理モデルの構築」に有効に活用される。1.マイクロフォーカスX線CTを用いたベントナイトの微視的構造解析(膨潤・均質化過程)と物質移動係数の測定初年度は二種類の顆粒状ベントナイト試料(風乾条件)に対してマイクロフォーカスX線CT(MFXCT)装置を用いて内部微視的構造観察を行い、物質移動係数としてガス拡散係数・通気係数・熱伝導率・熱容量を測定した。第2年度は、相対湿度90%および95%における膨潤・均質化過程における内部微視的構造観察及び物質移動係数測定に着手した。最終年度も、第2年度の測定を継続し、より詳細なデータ収集を行う。2.微視的構造解析に基づく顆粒状ベントナイトの各種物質移動係数(水、熱、ガス)の数理モデルの構築これまでに得られた微視的構造解析及び物質移動係数を用いて、粒状ベントナイトにおける各種物質移動係数(水、熱、ガス)の数理モデルの構築を目指す。具体的には、既往の物質移動係数数理モデルをベースに、各種物質移動係数を物質流動相(水の場合は液相、ガスの場合は気相)の関数として見なし、ベントナイト特有の有効間隙率や微細間隙構造パラメータ特性を組み込んだ数理モデルの構築を行い、その有効性を本研究ならびにた研究で得られたデータを用いて検証する。研究初年度は、二種類の顆粒状ベントナイト試料及び長期熱負荷試験に使用されたブロック状ベントナイトから採取されたコア試料を用いて、「1.マイクロフォーカスX線CTを用いたベントナイトの微視的構造観察と内部構造パラメータの定量的解析」と「2.膨潤・均質化過程におけるベントナイトの物質移動係数の測定」を実施した。特に、顆粒状ベントナイト試料では充填密度を1.251.75g/cm^3の6段階に変化させ、充填密度の増加にともなう試料内の均一化を観察するとともに、物質移動係数測定をこれら試料に対して実施し、ガス拡散係数・通気係数・熱伝導率・熱容量に充填密度の変化が及ぼす影響を定量的に評価した。これらの成果の一部は、nagra(スイス放射性廃棄物管理共同組合)報告書にて報告するとともに、2018年7月に開催される地盤工学会全国大会にて報告予定である。1.マイクロフォーカスX線CTを用いたベントナイトの微視的構造観察と内部構造パラメータの定量的

解析:初年度は、二種類の顆粒状ベントナイト試料(風乾条件)及び長期熱負荷試験(内部に100°Cの熱源を設置し、周辺ベントナイトの温度変化・水分量変化などを計測。1997-2015年実施)に使用されたブロック状ベントナイトから採取されたコア試料を用いて、マイクロフォーカスX線CT(MFXCT)装置による内部微視的構造観察を行った。顆粒状ベントナイト試料は充填密度を1.251.75g/cm^3の6段階に変化させた。充填密度の増加にともない、試料内部が均一化することを確認するとともに、MFXCTの分解能や解析領域等の影響を調べた。また、別途、均一な細粒分スラリーを用いた加圧試料を用いたMFXCT撮影も実施し、密度と輝度の関係性についても検討した。2.膨潤・均質化過程におけるベントナイトの物質移動係数の測定:初年度は、上記風乾条件での顆粒状ベントナイト試料に対して、物質移動係数としてガス拡散係数・通気係数・熱伝導率・熱容量を実測した。そして、充填密度の変化がこれらの物質移動に及ぼす影響を定量的に評価した。放射性廃棄物地層処分において廃棄物収納容器と周辺地盤の間を充填する材料として、ベントナイトの利用が国内外で検討されている。ベントナイトの吸水にともなう膨潤・均質化(内部密度の平均化)は、媒体内の間隙構造や密度分布の変化を引き起こし、媒体内の物質移動を評価する際に必要となる各種物質移動係数(飽和・不飽和透水係数、ガス拡散係数、通気係数、熱伝導率、熱容量、溶質拡散係数)に大きな影響を与える。本研究ではベントナイト材料の微視的構造観察ならびに各種物質移動係数(水、熱、ガス、溶質)の評価及びその数理モデルを構築することを目的とし、研究を進めている。研究2年度は、顆粒状ベントナイト試料を用いて、「1。マイクロフォーカスX線CTを用いたベントナイトの微視的構造観察と内部構造パラメータの定量的解析」の一部を継続するとともに、「2。膨潤・均質化過程におけるベントナイトの物質移動係数の測定」の相対湿度90%および95%における顆粒状ベントナイト試料(相対湿度調整試料)の膨潤・均質化過程における内部微視的構造観察及び物質移動係数測定に着手した。FE-GBM相対湿度調整試料は湿潤に伴い、粗粒分の輝度低下が確認でき、これは粗粒分の湿潤・膨張による乾燥密度低下に起因し、同膨張により細粒分が締固められ、粗粒分との密度差が小さくなることで湿潤による均質化が生じることがMFXCT観察より推定された。また、物質移動係数については、同一気相率における相対ガス拡散係数が、風乾状態の乾燥密度調整サンプルと比較し高くなることが示された。これは、粗粒分の湿潤より、屈曲性の高い粗粒子内のガス拡散経路が失われ、屈曲性の低い粒子間のガス拡散経路が卓越したためだと考えられる。同一体積含水率に対する熱伝導率の変化についても両サンプルで違いが見られ固相率の変化をより強く受けることが確認された。これは体積含水率の増加は熱伝導率の上昇に寄与するものの、固相の増加によるベントナイト粒子の接触面積の増加の影響には及ばないためだと考えられる。一方、OK-GBMでは明確な微細構造変化を確認できず、この要因としてはFE-GBMと比較し、吸水量が低いこと、および粗粒分の密度が低いことが考えられた。物質移動係数についても風乾状態との違いは確認されず、相対ガス拡散係数は気相率、熱伝導率は体積含水率の変化に支配されることが確認された。
厚み付き曲面におけるリンク不変量と応用

約1世紀余りを経て1987年に肯定的に解決された3次元空間における交代絡み目の交点数に関するTait予想とは、次の2つの予想である:TC1)2つの連結、既約な交代絡み目射影図が表わす絡み目が同値ならば2つの射影図の交点数は一致するだろう、TC2)連結、既約な交代絡み目射影図の交点数は、その射影図が表わす絡み目と同値な絡み目を表わす射影図の交点数の集合において、最小である。向き付け可能な厚み付き曲面版の類似定理を求める先駆的な試みとして、1996年に鎌田直子はある仮定のもとにTC1)の類似定理が成り立つこと示し、その仮定は不要であろうという予想を発表した。本研究において、その予想を肯定的に解決し、その証明に用いたideaを応用し(TC2)はTC1)を含むので)この方向での最終目標であるTC2)の類似定理を得た。これらの結果は、鎌田が対象とした曲面及び交代絡み目射影図に比してより一般的な場合について示した点も強調しておきたい。また、そこで用いられた基本的な2つの手法である「engulfing lemma」(=同値なリンクを表わす2つの曲面上のlink diagramsの曲面内での正則近傍は、ある条件下で、曲面上のisotopy変形により一方は他方の部分集合となる)と厚み付き曲面版「dual state lemma」(=曲面上のlink diagramにおける1組のdual statesに対し、各stateによる交点解消を行って得られる2つの交点を持たないlink diagramsの連結成分数の和は、ある条件下で、元のlink diagramの正則近傍の境界の連結成分数を超えない)は、それら自体が独立した重要な成果と言える。分担者による、関連する基礎研究として、それぞれの専門分野(幾何学的トポロジー、位相力学系、無限次元多様体論、幾何学的群論、位相空間論、微分幾何学、多元環論等)における興味深い多くの成果が得られた。特に、川村の駆使する豊富な手法は本課題の方向で今後、更なる貢献が期待出来る。3次元空間における結び目・絡み目理論において、TC1)2つの連結、既約な交代絡み目射影図が表わす絡み目がアンビェントイソトピックならば2つの射影図の交点数は一致するだろう、TC2)連結、既約な交代絡み目射影図の交点数は、その射影図が表わす絡み目の最小交点数に一致する、即ち、その射影図が表わす絡み目とアンビェントイソトピックな絡み目を表わすどんな射影図の交点数よりも小さいかまたは等しいだろう、という交代絡み目の交点数に関するテイト予想は、約1世紀を経た1987年に、カウフマン、村杉、ティスツルスウェイトにより、独立に、肯定的に解決された。向き付け可能な厚み付き曲面における結び目・絡み目理論において類似定理を求める先駆的な試みとして、1996年に鎌田直子はある仮定のもとにTC1)の類似定理が成り立つこと示し、その仮定は不要であろうという予想を発表した。本研究において、その予想を肯定的に解決し、その証明に用いたアイデアの応用として、(TC2)はTC1)を含むので)この方向での最終目標であるTC2)の類似定理を得た。これらの結果は、鎌田が論文において対象とした曲面および交代絡み目射影図と比較して、それぞれより一般的で広い対象について示されていることも強調しておきたい。

また、分担者による、関連する基礎研究として、それぞれの専門分野(幾何学的トポロジー、位相力学系、無限次元多様体論、幾何学的群論、位相空間論、微分幾何学、多元環論等)における興味深い多くの成果が得られた。3次元空間における交代絡み目の交点数に関するテイト予想は約1世紀を経て1987年に、カウフマン、村杉、ティスツルスウェイトにより独立に肯定的に解決された。昨年度までの研究で、厚み付き(向き付け可能な)曲面における結び目・絡み目理論において類似定理を得た。本年度は、そこで用いられた基本的な2つの手法である「吸い込み補題(engulfing lemma)」(=同値なリンクを表わす2つの曲面上のリンクダイアグラムの曲面における正則近傍は、ある条件下で、曲面上のアイソトピー変形により一方を他方の部分集合となるようにできる)と「双対状態補題(dual state lemma)」(=曲面上のリンクダイアグラムにおける1組のdual statesに対し、各stateによる交点解消を行って得られる2つの交点を持たないリンクダイアグラムの連結成分数の和は、ある条件下で、元のリンクダイアグラムの正則近傍の境界の連結成分数を超えない)について、証明の改良、結果の一般化及び応用を試み、進展があった。特に、後者の手法の方向では、リンクダイアグラムのstateによる交点解消後の連結成分数とサポート(=リンクダイアグラムの正則近傍)の境界成分数の関係が本質的であるが、これに関してサポートのハンドル分解を用いた、リンクダイアグラムのstateによる交点解消の「サポート内での標準的実現」という概念の導入は研究の進展に大きく寄与した。また、各分担者による、関連する基礎研究として、それぞれの専門分野(幾何学的トポロジー、位相力学系、無限次元多様体論、幾何学的群論、位相空間論、微分幾何学、多元環論等)における興味深い多くの成果が得られた。特に、柔軟な発想で、様々な手法を駆使した川村の活発な研究スタイルは、近い将来、本研究の方向での成果も期待できるものとして注目したい。
機能性有機超薄膜(LB膜)の作製とその電荷現象および電子素子応用の研究

(1)水面上の単分子膜の双極子モーメント,分子の極性に関する研究水面を挟んで2枚の電極を配置し,水面上に展開した単分子を圧縮しながら電極に誘起される電荷の変化によって流れる電流の測定の技術を開発した.この方法により直鎖飽和脂肪酸単分子LB膜の双極子モーメントを評価できることを示すとともに,直鎖飽和脂肪酸系では水面に垂直方向に正電位を示すことを明らかとした.(2)LB膜の膜構造と電気特性の関係に関する研究LB膜では分子が非対称性であるため極性を持っている.この特質を利用すればLB膜の累積時の膜の状態が把握可能となる.本研究では長鎖アルキルTCNQLB膜を用いてこのことを明らかにした.その場合,下地アルミナが重要な役割を果たし,従来言われているようなZ膜であれば層数依存性がなく, Y膜であれば層数に逆比例するという関係は成立しないことを,理論的並びに実験的に示した.(3)LB膜にみられる電荷現象の分離とその測定方法に関する研究LB膜では自発分極,外部電解による分極,伝導電流の3種類が重要であるとの観点より研究を勧め,熱刺激電流測定法を発展させ,昇温速度を変えて電流および電荷量を測定する手法により,これらの電荷現象が分離できることを明かとした.この方法を長鎖アルキルTCNQLB膜の電荷現象に適用し解析した.(4)LB膜の絶縁性とトンネルスペーサーへの応用に関する研究LB膜における欠陥の存在は電子素子応用で重要な問題である.ポリイミドLB膜の絶縁性を様々な確度から検討し, 20-40層膜を重ねることにより絶縁機能が現れることを明らかとした.ジョゼフソン接合素子の試作を行いLB膜では欠陥が存在してもコヒーレンス長以下のピンホールであるため極めて優れた弱結合型の素子が得られることも示した.(1)水面上の単分子膜の双極子モーメント,分子の極性に関する研究水面を挟んで2枚の電極を配置し,水面上に展開した単分子を圧縮しながら電極に誘起される電荷の変化によって流れる電流の測定の技術を開発した.この方法により直鎖飽和脂肪酸単分子LB膜の双極子モーメントを評価できることを示すとともに,直鎖飽和脂肪酸系では水面に垂直方向に正電位を示すことを明らかとした.(2)LB膜の膜構造と電気特性の関係に関する研究LB膜では分子が非対称性であるため極性を持っている.この特質を利用すればLB膜の累積時の膜の状態が把握可能となる.本研究では長鎖アルキルTCNQLB膜を用いてこのことを明らかにした.その場合,下地アルミナが重要な役割を果たし,従来言われているようなZ膜であれば層数依存性がなく, Y膜であれば層数に逆比例するという関係は成立しないことを,理論的並びに実験的に示した.(3)LB膜にみられる電荷現象の分離とその測定方法に関する研究LB膜では自発分極,外部電解による分極,伝導電流の3種類が重要であるとの観点より研究を勧め,熱刺激電流測定法を発展させ,昇温速度を変えて電流および電荷量を測定する手法により,これらの電荷現象が分離できることを明かとした.この方法を長鎖アルキルTCNQLB膜の電荷現象に適用し解析した.(4)LB膜の絶縁性とトンネルスペーサーへの応用に関する研究LB膜における欠陥の存在は電子素子応用で重要な問題である.ポリイミドLB膜の絶縁性を様々な確度から検討し, 20-40層膜を重ねることにより絶縁機能が現れることを明らかとした.ジョゼフソン接合素子の試作を行いLB膜では欠陥が存在してもコヒーレンス長以下のピンホールであるため極めて優れた弱結合型の素子が得られることも示した.
未利用エネルギーを主体とした熱供給網の構築－貯留水の有効活用手法の検討－

本研究では、都市近郊に多数賦存する農業用のため池や調整池、貯水池の水(貯留水)をヒートポンプシステムの熱源として活用することを提案し、本年度はこれまでに行ったCFD解析や実験結果に基づき、運転や停止による熱源温度の変動を簡便かつ高精度に計算するモデル(マクロモデル)を構築した。深さ5m以上の貯留水では夏季に温度成層ができ、底部においてヒートポンプの利用に適した低温の熱源水が得られることがわかっている。マクロモデルでは、温度成層下において底部からヒートポンプの排熱を放出する際の自然対流の挙動をCFD解析により算出し、水中に生じる受熱量分布をあらかじめ求めることで短時間での年間計算を可能にした。熱源温度の計算に必要なパラメータである混合層厚さと放熱器直上の受熱量は成層強度から推定した。実測および実験値と比較したところ、放熱時、非放熱時のいずれにおいても、マクロモデルの計算結果に妥当性が認められた。続いて、マクロモデルを用いて放熱量や放熱密度を変更したときの熱源温度についてケーススタディを行った。その結果、貯留水容量1m3当り30W以下程度の放熱量であれば、熱源利用による温度上昇は最高でも1°C程度にとどまり、高効率運転が可能なだけでなく、自然環境への影響も小さいことがわかった。仮に1万m2の貯留水の1/4を熱源として利用することを想定すると、約400kWのピーク負荷を賄えると予想された。1貯留水ヒートポンプ運転時の熱源温度予測手法の構築のため、熱交換器からの自然対流による放熱過程を簡便に表した「マクロモデル」の定式化およびプログラミングを行った。空気熱等の他の熱源システムとの併用または比較を想定し、また将来的に空調システムシミュレーションへの組み込みを可能にするため、熱移動方程式を基本として自然対流による流れやそれに伴う連行は簡便にモデル化する手法を検討した。具体的には、温度成層型水蓄熱槽におけるプリュームモデルを参考に、放熱量や温度条件の関数として扱うこととした。2実規模の調整池を対象として、中央部の底面に熱交換器相当の面状熱源を与えた際のCFD解析を行い、夏季および冬季の熱と流れの過程を明らかにした。特に、夏季は鉛直方向に最大15°Cの温度分布が生じ、強固な温度成層が形成されることがわかっているが、このとき、放熱の影響は概ね下半分の低温部のみに現れる様子が示された。空気熱源と比べた冷房・暖房用熱源としてのポテンシャルは冬季に比べ夏季の方が大であった。したがって、夏季の温度条件と放熱量について数種類の条件を与えたときの鉛直方向流速分布から、上記のマクロモデルに組み込む特性式を検討した。具体的には、比較的高温になる放熱面直上の自然対流部とそれ以外の自然域に分けたときの境界面からの流入量に着目し、マクロモデルの計算格子(数10 cm)程度の高さ毎に密度等をパラメータとした関数とした。CFD解析のモデル化は既に完成しており、貯留水下部からの自然対流による放熱過程の分析も順調に進んでいるため。マクロモデルへの反映にあたっては、特性式に精査が必要なものの、プログラム自体は概ね完成しているため。瀬戸内地方に多数賦存する貯留水を空調用途に活用する貯留水ヒートポンプシステムの年間性能予測手法を検討した。今年度は実験とCFD解析により、貯留水中に放熱を与えるときの拡散過程を検証し、自然対流を簡便に表現する方法を検討した。実験は三重大学が所有する温度成層型蓄熱槽を用いて行った。深さ1.8 mのうち下半分を約15°C、上半分を約25°Cとして夏季の温度成層を再現し、底部からヒーター加熱を与えたときの垂直温度分布をヒーター直上および周辺部で観測した。ヒーター直上部の温度分布より、境界面高さは徐々に上昇する様子が確認された。これは、上昇流が周囲流体と同じ温度になった時点で密度差による駆動力はなくなるものの、慣性力により高温層を浸食することによる。上層部の温度は5 h後にもほとんど変化がなかったことから、温度成層の条件下では放熱の影響は低層部のみに及ぶことがわかった。これらの現象は過去の垂直実験モデルでも見られたが、今回のように放熱範囲を水平方向にも広げた実験においても実証されたことは一定の意義がある。さらに、CFD解析により自然対流の面的な評価を行った。上昇流は境界面高さに到達後、水平方向へ流れ出し、周辺部では水平方向に温度分布は見られなかった。また、上昇流は放熱面より狭い範囲に発生し、特に中心部で高温になる傾向が見て取れた。従来の性能予測方式では、水体全体に排熱を均等に分散していたが、自然対流を考慮する場合は上昇流と周辺部それぞれについて高さ毎に重み付けをする方法が適すると考えられ、本研究では、そのような自然対流の面的な評価方法として受熱量比マップを作成した。今後、空調用エネルギーシミュレーションにより、自然対流による拡散を考慮しながらも短時間で熱源温度の年間変動を計算するためには、ここで得られた受熱量比は有用な知見となるものと期待される。貯留水ヒートポンプ運転時の熱源温度を簡便に予測する「マクロモデル」構築に向け、今年度までの実験およびCFD解析により自然対流の表現方法についておおよその道筋が立ったため。