hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
トリミエマ原虫共生系を用いた細胞内共生研究モデルの構築

本研究では、メタン生成菌と機能未知のバクテリア共生体TC1を細胞内に保持するトリミエマ原虫を細胞内共生研究のモデルとするべく、3者間の共生関係の詳細について分子レベルでの解析を進めている。今年度は、ゲノム解読が不完全であったトリミエマ原虫のTC1共生体について、再度、約24Lの培養系からゲノム調製を行い、超ロングリードが可能なPacBio RSIIシーケンサーによるゲノム解読を試みた。その結果、約1.59Mbの染色体配列と、36Kbのプラスミド配列を完全に解読することができた。解読されたゲノムからは、200近いIS様配列が検出された。これらには1.2Kbを超える相同配列が多数含まれており、他のシーケンス・プラットフォームで解析できなかった主な理由であることが推察された。解析されたゲノムはGC含量が32.8%と低く、また1,694の推定CDSの内、606が偽遺伝子である可能性が示された。これは他の細胞内共生体においても共通して見られるゲノム縮退の過程を示していると考えられた。TC1の遺伝子レパートリーから、アミノ酸や補酵素は多くが合成能を失っており、これらを宿主の代謝産物に依存していることが伺われた。また、脂肪酸合成系の酵素をほぼ完全に持っているにも関わらず、分解系の遺伝子がほとんど失われており、この共生体がトリミエマ原虫内で脂質合成に特化した役割を担っている可能性が示唆された。このことは、トリミエマ原虫のRNA-Seqの解析結果において、脂質合成系の遺伝子がほとんど発現していないこととも符合していた。今後、これらの遺伝子については個別に発現量評価を行なって確認をしていく予定である。27年度が最終年度であるため、記入しない。本研究では、メタン生成アーキアと機能未知の真正細菌共生体の2つの共生体を細胞内に保持する、トリミエマ原虫を細胞内共生研究のモデルとすべく、共生体の機能推定やゲノム解析に取り組んでいる。昨年度までの研究により、真正細菌共生体TC1のドラフトゲノムを得ることに成功していることから、今年度はこれらの完全長ゲノム解読に取り組んだ。また、宿主トリミエマのRNA-Seq解析を行い、これらの情報と合わせてTC1共生体の機能推定を試みた。完全長ゲノム解読を行うことを目的に、先端シーケンサーであるPacBio RSのシーケンス解析に供する、長いゲノムDNA(20kb以上)の抽出に取り組んだ。しかしながら、酵素や化学処理によるゲノム抽出法を中心に検討を行ったものの、これらの手法で長いゲノムDNAを抽出することはできなかった。その後、原因の追究を行った結果、酵素法でゲノムDNAを抽出した後に95°Cで行う酵素の熱失活の過程でゲノムDNAがほとんど失われることがわかった。現在、熱失活処理を行わずにゲノムDNAを抽出することで、高分子ゲノムDNAを調製することを試みている。その一方で、宿主トリミエマのRNA-Seq解析のデータの分析から、トリミエマの細胞内において脂質の合成系に関する酵素がほとんど発現されていないか、もしくは遺伝子自体を持っていない可能性が伺われた。これと対照的に、TC1共生体のゲノム情報には、脂質の合成系路の酵素があるにも関わらず、分解系の酵素遺伝子をほとんど持っていないことがわかっている。この知見を統合して考察した結果、TC1共生体はトリミエマ原虫の細胞内で脂質代謝(合成)に関わっている可能性が示唆された。今年度はTC1共生体の完全長ゲノム解読に取り組んだが、共生体のゲノムが物理的に非常に不安定であったために、ロングリード用の高分子ゲノムDNAの調製が難航した。そのため、本年度内での完全長ゲノム解読に至らなかった。

しかしながら、その後の検討により、高分子ゲノムDNAの調製法が確立されつつあることから、今後の進捗が期待できる。その一方で、宿主トリミエマのトランスクリプトーム・データとTC1共生体のドラフトゲノムデータを合わせて解析することで、TC1共生体の機能がある程度推定されつつあることは、大きな進捗であり、全体としては、おおむね順調であると判断された。27年度が最終年度であるため、記入しない。実績概要等でも述べたとおり、TC1共生体の高分子ゲノムDNAの調製に一定の目処がついていることから、早急に解析必要量の調製を行って、ロングリードが可能なPacBio RSによるゲノムシーケンスを実施する。すでに27xの冗長度でドラフトゲノムが解析されていることから、3kb程度のリードを追加することで、scaffoldingが可能になると期待される。また、宿主トリミエマについては、共生メタン生成菌、TC1共生体のいずれかを欠失した株についてもRNA-Seqのデータが得られており、これらのデータを精査することで、両共生体とトリミエマ原虫の相互作用について、より詳細な知見が得られるものと期待される。
室内ホールバーニング効果を示す非晶質薄膜の検討

ホールバーニング効果を次世代高密度記録媒体へ応用するためには、固体マトリックスの不均一吸収帯幅の増大とホールの安定温度の上昇が重要な課題である。本研究ではPVD法により成膜した非晶質薄膜におけるホールバーニング効果を検討した。固体マトリックスとしてはこれまでにバルク材において室温ホールバーニング効果が報告されているホウ酸塩ガラスおよびケイ酸塩ガラスを、またド-ピングイオンとしてはSmおよびEuを選定した。薄膜作製法としてイオンビームスパッタ、電子ビーム蒸着、RFマグネトロンスパッタなどの方法を試みた。ターゲットとしてはホウ酸塩ガラスではB_2O_3、Nao,Sm_2O_3、またケイ酸塩ガラスではSiO_2、Al_2O_3、Eu_2O_3混合粉末の焼結体を用いた。上記の成膜法を検討した結果、ホウ酸塩ガラスの薄膜化はその融点、および蒸気圧のために極めて困難であったが、ケイ酸塩ガラスについてはRFマグネトロンスパッタ法による成膜が可能であった。組成比SiO_2/Al_2O_3=3/1のケイ酸塩ガラスにEu_2O_3を2.2-6.2mol%ドープしたスパッタ膜に対して、組織および光学特性の評価を行った。薄膜の高分解能透過電顕観察より非晶質であることが確認された。いずれの組成の薄膜においても吸収端近傍の分光スペクトルには波長274nm付近に強い吸収ピークが観察された。この吸収はESCAによる解析からマトリックス中のSiO_2構造の欠陥に原因するものと推定された。しかしながら、Eu^<3+>イオンにおける電子遷移(f-d,f-f)に起因する吸収あるいは蛍光のピークはいずれのドープレベルの薄膜においても観察できなかった。薄膜試料の体積とドープイオンの光吸収強度との関係から適正なドープイオンを検討する必要がある。現在、既に室温ホールバーニング現象が観測されたとの報告があったSm^<2+>イオンドープほう酸ガラスの作製を行っている。報告例では試料の作製途上でSmイオンを還元するにあたり水素などの還元性ガス中で溶融及び急冷する手法を用いていたが、本研究では還元剤として純ほう素を加え不活性雰囲気中で溶融することでSmイオンの還元に成功した。このことから加える純ほう素の量を変化させることによりSmの価電子を制御することが可能であると考えられる。Smイオンによるホールバーニング現象ではSm^<2+>イオンとSm^<3+>イオン間の光による電子の授受がその発生機構として提案されているので、今後の研究方針としてSm^<2+>イオンとSm^<3+>イオンの量比を変化させたときの吸収および発行特性、ホールの幅や深さに及ぼす影響を調べ、反応機構の解明をしていきたいと考えている。また、一般に同じアモルファスでも薄膜とバルクでは異なったアモルファス構造を有することが多く、本研究における系でも同様の転移が考えられる。従ってマトリックスに対するSmイオンの配位環境が吸収や発光などの光学的性質を左右する一つのパラメータであるという観点から薄膜化がホールバーニング現象に及ぼす影響もまた興味のあるところであり、前述の価電子制御の実験と平行して取り組んでいる。試料作製はSmイオンを還元したほう酸ガラスや結晶の酸化ほう素やほう酸塩にSmの酸化物を加えたもの等を蒸発源とし、イオンビームスパッタリング法や真空蒸発法等の物理蒸着法を用いて試みており、どの作製法が最も適しているか探索している段階である。
イオン照射による半導体表面微細セル構造の自己組織化的形成

III-V族化合物半導体GaSb, InSb,元素半導体Geに液体窒素温度でイオン照射すると表面にナノオーダーのセル構造が自己組織化的に形成される。形成される構造は直径が50nm、深さ250nm、壁の厚さ10nmのセルの集合体である(GaSb-60keVSn^+,dose=10^<15> ions/cm^2の場合)。観察されたセル構造は現在のところGaSb, InSb, Geにしか見出されていない。なぜGaSb, InSb, Geにしか形成されないのか?これまでの実験よりセルの形成はイオン照射によって固体内に導入される点欠陥の挙動に支配されていることが示されている。よってこのような構造は、イオン照射条件(点欠陥挙動の条件)、例えば照射温度、照射量、加速電圧を選ぶならば、GaSb, InSb, Ge以外の他の無機物質でも形成される可能性があると考える。GaSb, InSb, Ge以外の新しい系の探索を試みる。今年度はまずイオン照射条件を容易に変化させることができるFIB(集束イオンビーム)を用い、イオン照射を行った。III-V族化合物半導体、II-VI族化合物半導体、元素半導体(Si)について試みたが、GaSb, InSb, Geにしか、表面の変化は見られなかった。次に、III-V族化合物半導体GaNについて、基板温度(液体窒素温度、室温)を変化させ、イオン照射し、表面の評価を行った。照射量が10^<15>ions/cm^2程度ではセル構造は確認できなかった。また、イオン照射条件と形成されるセル構造との関係を調べるために、InSb, Geにおいて実験を行った。これらの実験はGaSbではすでに終わっている。InSbでは大きさの照射量依存はほぼGaSbと同じであったが、セルの形状が丸みを帯びていた。Geではセル形成にはGaSbの2倍の照射量が必要であることが明らかになった。加えて、照射初期にアモルファス層が形成され、その後照射量の増加によりセルが形成する現象が観察された。
非格子セルを用いた時間領域法によるマイクロ波デバイスの電磁界解析とその実用化

最近の電子通信デバイスの著しい高集積化に伴う小型化と高周波化はデバイスの設計にとって複雑な電磁界をもたらし,筺体や外部配線系を3次元的に扱う解析が必要不可欠となりつつある.このような状況の下,有限差分時間領域法(FDTD法)に代表される時間領域法が脚光を浴びている.この手法は,マックスウェルの方程式を初期条件,環境条件の基に発展問題として解く手法である.行列計算がないために非常に高速なのが特徴である.しかし,FDTD法は空間領域の離散化に差分法を用いているために格子構造の解析のみに限られていた.そのため,格子構造で曲面を近似するには階段近似しかなく精度が低下する.そこで,任意形状のデバイスの解析のために,有限要素法などに用いられている四面体要素を用いた離散化法を提案し,以下の結果が得られた.1.FDTD法で一般的に用いられているPML境界が非格子セルにも拡張でき,良好な吸収特性を示すことが明らかになった.2.前処理にそれなりの時間と計算機容量を必要とするが,時間領域の計算においてはFDTD法とほぼ同様な高速性が得られ,実用に耐えうる手法であることが明らかになった.3.基本的なFDTD法では平面波の伝搬方向による伝搬定数の分散性が強く現れるが,三角性セルや六角性セルでは分散性が抑制されることが明らかになった.4.将来,本手法が高次化されることを考えて,四面体セルや三角柱セルのための任意次数の形状関数を簡便に構成する方法を明らかにした.最近の電子通信デバイスの著しい高集積化に伴う小型化と高周波化はデバイスの設計にとって複雑な電磁界をもたらし,筺体や外部配線系を3次元的に扱う解析が必要不可欠となりつつある.このような状況の下,有限差分時間領域法(FDTD法)に代表される時間領域法が脚光を浴びている.この手法は,マックスウェルの方程式を初期条件,環境条件の基に発展問題として解く手法である.行列計算がないために非常に高速なのが特徴である.しかし,FDTD法は空間領域の離散化に差分法を用いているために格子構造の解析のみに限られていた.そのため,格子構造で曲面を近似するには階段近似しかなく精度が低下する.そこで,任意形状のデバイスの解析のために,有限要素法などに用いられている四面体要素を用いた離散化法を提案し,以下の結果が得られた.1.FDTD法で一般的に用いられているPML境界が非格子セルにも拡張でき,良好な吸収特性を示すことが明らかになった.2.前処理にそれなりの時間と計算機容量を必要とするが,時間領域の計算においてはFDTD法とほぼ同様な高速性が得られ,実用に耐えうる手法であることが明らかになった.3.基本的なFDTD法では平面波の伝搬方向による伝搬定数の分散性が強く現れるが,三角性セルや六角性セルでは分散性が抑制されることが明らかになった.4.将来,本手法が高次化されることを考えて,四面体セルや三角柱セルのための任意次数の形状関数を簡便に構成する方法を明らかにした.最近の電子通信デバイスの著しい高集積化に伴う小型化と高周波化はデバイスの設計にとって複雑な電磁界をもたらし,筐体や外部配線系を含めた全体系を3次元的に扱う解析が必要不可欠となりつつある.このような状況の下,有限差分時間領域法(FDTD法)に代表される時間領域法が脚光を浴びている.この手法は,マックスウェルの方程式を初期条件,境界条件の基に発展問題として解く手法である.行列計算がないために非常に高速なのが特徴である.しかし,FDTD法は空間領域の離散化に差分法を用いているために格子構造の解析のみに限られていた.そのため,格子構造で局面を近似するには階段近似しかなく精度が低下する.そこで,任意形状のデバイスの解析のために,有限要素法などに用いられている四面体要素を用いた離散化方法を既に提案した.今回は,本手法の実用化に向けての検討を行った.実用化に際して,特に問題となるのが境界条件である.FDTD法で一般的に用いられているPML境界を,本手法に拡張した.その結果,本手法は有限要素法と同様なセルを基本としているので前処理にそれなりの時間と計算機容量を必要とするが,時間領域の計算においてはFDTD法とほぼ同様な高速性が得られ,実用に耐えうる手法であることが明らかになった.最近の電子通信デバイスの著しい高集積化に伴う小型化と高周波化はデバイスの設計にとって複雑な電磁界をもたらし,筺体や外部配線系を含めた全体系を3次元的に扱う解析が必要不可欠となりつつある.このような状況の下,有限差分時間領域法(FDTD法)に代表される時間領域法が脚光を浴びている.この手法は,マックスウェルの方程式を初期条件,境界条件の基に発展問題として解く手法である.行列計算がないために非常に高速なのが特徴である.しかし,FDTD法は空間領域の離散化に差分法を用いているために格子構造の解析のみに限られていた.そのため,格子構造で局面を近似するには階段近似しかなく精度が低下する.そこで,任意形状のデバイスの解析のために,有限要素法などに用いられている四面体要素を用いた離散化法を提案し,以下の結果が得られた.1.FDTD法で一般的に用いられているPML境界が非格子セルにも拡張でき,良好な吸収特性を示すことが明らかになった.

2.前処理にそれなりの時間と計算機容量を必要とするが,時間領域の計算においてはFDTD法とほぼ同様な高速性が得られ,実用に耐えうる手法であることが明らかになった.3.基本的なFDTD法では平面波の伝搬方向による伝搬定数の分散性が強く現れるが,三角柱セルや六角柱セルでは分散性が抑制されることが明らかになった.4.将来,本手法が高次化されることを考えて,四面体セルや三角柱セルのための任意次数の形状関数を簡便に構成する方法を明らかにした.
蝋型を埋没した際の鋳型の硬化膨張ならびに加熱膨張をそれぞれ検討する方法

先ず,蝋型の埋没された鋳型の硬化膨張を検討する為に,減圧熱湯脱蝋法の鋳型の寸法変化に及ぼす影響を検討した。すなわち,同法により脱蝋後電気炉で加熱して調製したタイプIII金合金による試片と,通法により電気炉で脱蝋して調製した試片の寸法を比較したところ,両者間にほとんど差が認められなかった。従って,同法は鋳型の寸法変化にほとんど影響を及ぼさないことが確認された。次いで,鋳型の硬化膨張と裏装条件との関連を検討した。すなわち,0.8mm厚さのアスベスト系ライナ-を無裏装,1,2および3枚裏装(ワゼリン塗布)の条件とし,板状方形の蝋型を石膏系クリストバライト埋没材を用いて挿入埋没し、一日放置後に減圧熱湯脱蝋法により蝋型を除去した。半日乾燥後,融点47°Cの特殊合金(U-アロイ)を鋳込んだ。その結果,無裏装鋳型ではリング壁方向では約0.7%の収縮であったが,反面リング解放方向では約0.6%の膨張が認められた。裏装枚数の増加に伴い,縦横方向共に膨張が増加したが,3枚裏装では2枚の場合と同程度であった。一般に用いられている2枚裏装の場合には,横方向で約0.5%の膨張であり,縦方向では約1%の膨張で縦方向の膨張が大きかった。加熱膨張に関しては無裏装鋳型ではリング横方向のそれは縦方向の半分程度しか発現していなかった。2枚裏装鋳型では縦横方向の加熱膨張はほぼ等しくなり,裏装の効果が確認され,加熱膨張量は約1.2%と推定された。鋳型内の温度分布の測定から,リング水平方向においては約50°C,縦方向では100°Cの温度勾配が観察された。実験を通して,この温度勾配よりもさらに鋳型の異方性膨張に影響を与える因子として,応力解放の場(裏装材の合わせ目)の存在が示唆された。
ラット肝臓ペルオキシゾームのセリン:ピルビン酸アミノ転移酵素の生合成

ラット肝臓のセリン:ピルビン酸アミノ転移酵素(SPTと略)はミトコンドリアとペルオキシゾームに存在する。これら2種類のオルガネラのSPTは非常によく似た性質を示すが、グルカゴン及びインスリンによりミトコンドリアのSPT(SPTm)のみが著しい誘導を受ける。SPTmの生合成については、我々は既に、約1900ヌクレオチドのmRNA(1900nt-mRNA)→SPTm前駆体蛋白質(45KDa翻訳産物)→SPTm(43KDa)へのプロセシングを伴うミトコンドリアヘの移行、という過程の概略を明らかにした。本研究においては、ペルオキシゾームのSPT(SPTp)の生合成過程の解明を試み、以下の結果を得た。1.従来より1900nt-mRNA以外のSPT関連mRNAとして検出されていた1700nt-mRNAでは、1900nt-mRNAの5′非翻訳領域からN末端延長ペプチドの途中までに相当する約70塩基の配列が欠けており、且つホルモン投与直後の1900nt-mRNAより3′ポリA末端が短かいことが明らかとなった。2.ゲノムDNAのSouthernブロット解析から、SPT遺伝子は一種類と推定された。この遺伝子クローンを単離し、11個のエキソンからなる全体の構成と重要部分の塩基配列を決定した。その結果、1900nt-mRNA及び1700nt-mRNAの転写開始部位は同一エキソンに存在し、その上流域にTATAボックス及びこれに近接してCAATボックスが各1個存在することが明らとなった。3.SPTm前駆体蛋白質以外のSPT関連翻訳産物として従来より見出されていた43KDa-翻訳産物及び1700nt-mRNAは、SPTpの増加がみられる全ての条件で、それぞれ検出される主な翻訳産物、mRNAであった。しかし、この43KDa-翻訳産物をペルオキシゾームへ取り込ませようとしたin vitroの実験において、ペルオキシゾームに付着するが中へは入らないという事態が生じた。現在、取り込み至適条件を検討中である。4.SPTmのN末端アミノ酸配列がMet-Gly-Ser-His--と決定された。SPTmとSPTpは同一酵素と思われる。1.ペルオキシゾーム型セリン:ピルビン酸アミノ転移酵素(SPTp)の誘導条件の検索及び生合成過程の解析-SPTのmRNAには1900ntmRNAと1700ntmRNAが,翻訳産物には45KDa^-蛋白質と43KDa^-蛋白質があり,それぞれ前者がミトコンドリア局在SPT(SPTm)に対応する. 1700ntmRNA, 43KDa-翻訳産物とSPTpの対応をみる為,ペルオキシゾーム増殖剤であるDiethylhexylphthalate(DEHP)の投与効果を調べた. DEHPによりSPTpが増加し,その際の主なmRNA,翻訳産物は1700ntmRNA, 43KDa-蛋白質であったが,増加がゆっくりでしかも約2倍にすぎないため,これらmRNA,翻訳産物の有意な量的増加は認められなかった.

そこで改めてSPTpの誘導条件を検索し, T_3授与によりSPTpの約3倍の誘導を認めた.更にT_3を3日間連続投与したラットの肝臓では1700ntmRNAの量, 43KDa-翻訳産物の量が明らかに増加していた.1700ntmRNAと43KDa-蛋白質はそれぞれSPTpに対応するmRNA,翻訳産物であることが強く示唆された.2. SPTpの複製-SPTpとSPTmをそれぞれグルカゴン, DEHPを授与したラット肝臓のペルオキシゾーム,ミトコンドリアから精製し,分子量,四次構造, PI等蛋白としての性質,生触媒としての性質に検出可能な相異がないことを確認した.SPTmに対するCDNAの種々の部位のフラグメントをプローブとしたハイブリッド形成実験等で1900ntmRNAと1700ntmRVAは5′末端部分のみ異なることを示唆する結果が得られていたので,次いでSPTmとSPTpのN末端アミノ酸配列を検討した.その結果, SPTmについては(Gly)-Ser-His-...というアミノ酸配列が容易に確認されたが, SPTpのN末端アミノ酸は現在までに行った実験では検出されなかった.現在このことの確認を急いでいる.3.今後の方向-まずSPTpとSPTmの異同,特にN末端アミノ酸配列が本当に異なるのかどうかを確認し,次いでペルオキシゾームへの取込み実験により43KDa^-翻訳産物とSPTpの関係を確認する.ラット肝臓のセリン:ピルビン酸アミノ転移酵素(SPT)はミトコンドリアとペルオキシゾームに存在する。この2種類のオルガネラのSPTは非常によく似た性質を示すが、グルカゴン及びインスリンによりミトコンドリアのSPT(SPTm)のみが著しい誘導を受ける。SPTmの生合成については、我々は既に、約1900ヌクレオチドのmRNA(1900nt-mRNA)→SPTm前駆体蛋白質(45KDa-翻訳産物)→SPTm(43KDa)へのプロセシングを伴うミトコンドリアへの移行、という過程の概略を明らかにした。本研究においては、ペルオキシゾームのSPT(SPTp)の生合成過程の解明を志し、昨年度には、1900nt-mRNA、45KDa翻訳産物以外のSPT関連mRNA、翻訳産物としてそれぞれ検出されていた1700nt-mRNA、43KDa翻訳産物がいずれもSPTpの増加が認められる全ての条件で検出される主なmRNA、翻訳産物であることを明らかにした。本年度には以下の知見を得た。1.1700nt-mRNAでは1900nt-mRNAの5'非翻訳領域からN末端延長ペプチドの途中までに相当する約70塩基の配列が欠けており、且つホルモン授与直後の1900nt-mRNAより3'ポリA末端が約100塩基短かい。2.ゲノムDNAのSouthernブロット解析から、SPT遺伝子は一種類と推定された。この遺伝子クローンを単高し、11個のエキソンからなる全体の構成と重要部分の塩基配列を決定した。その結果、1900nt-mRNAと1700nt-mRNAの転写開始部位は同一エキソン(第一エキソン)に存在し、その上流域にTATAボックス及びこれに近接してCAATボックスが各1個存在することが明らかとなった。3.43KDa翻訳産物をペルオキシゾームへ取り込ませようとしたinvitroの実験において、この産物はペルオキシゾームに付着するが中へは入らないという事態が生じた。現在、取り込み至適条件を検討中である。4.SPTmのN末端アミノ酸配列がMet-Gly-Ser-His---と決定された。SPTmとSPTPは同一かあるいは一次構造も非常によく似た酵素らしい。
ホローコーン噴霧の噴霧基部の挙動および液滴流動過程の解明

滴径-滴速度同時測定に加えて,通過頻度も同時に測定した結果の分析に,基部液膜の瞬間形状の撮影や,基部の円錐液膜の存在を考慮した合理的な数値シミュレーションを組み合わせることにより,従来,ほとんど明らかになっていないホローコーン噴霧の分裂点近傍の状況やその後の液滴の分散の進行に関して,以下の様な知見が得られた.(1)市販の渦巻噴射弁を定格噴射圧で使用した場合,基部円錐液膜は肉眼観察では直進するように見えるが,実際の液膜形状は,噴口から離れるに従って広がり角が狭まり,液膜が分裂したときに液滴に与えられる初速度の向きは,肉眼観察による液膜の進行方向よりもはるかに内側を向いている.(2)液膜先端付近は波打つ様な挙動を示すが,分裂して生成された液滴の初速度の平均方向は,平均液膜形状の分裂高さにおける進行方向に等しいとみなせる.(3)噴口直後は液膜によって遮断されているため,液膜の流れによって誘起されたかなり高速の空気流は,液膜先端で液膜の仮想延長線を横切って内側へ流れ込む.また,液膜の内側には循環渦が形成され,液膜分裂高さの2倍弱の高さまで伸びる.(4)液滴の初速度の大きさにはかなり大きなばらつきがあり,大きな液滴では,下流までそのばらつきが保持されるが,ちいさな液滴ではすぐにばらつきが小さくなる.(5)液滴の初速度の方向にもかなり大きなばらつきがある.このため,分裂点近傍の断面では,半径位置による粒径分布の差異が見られないが,液膜延長線を横切って流れる空気流の作用で下流に進むにつれて,滴径による分別が進行する.また,かなり上流の断面においても,大きな液滴が中心軸上で観察されるのは,やはり,初速度の方向が大きくばらついているからである.滴径-滴速度同時測定に加えて,通過頻度も同時に測定した結果の分析に,基部液膜の瞬間形状の撮影や,基部の円錐液膜の存在を考慮した合理的な数値シミュレーションを組み合わせることにより,従来,ほとんど明らかになっていないホローコーン噴霧の分裂点近傍の状況やその後の液滴の分散の進行に関して,以下の様な知見が得られた.(1)市販の渦巻噴射弁を定格噴射圧で使用した場合,基部円錐液膜は肉眼観察では直進するように見えるが,実際の液膜形状は,噴口から離れるに従って広がり角が狭まり,液膜が分裂したときに液滴に与えられる初速度の向きは,肉眼観察による液膜の進行方向よりもはるかに内側を向いている.(2)液膜先端付近は波打つ様な挙動を示すが,分裂して生成された液滴の初速度の平均方向は,平均液膜形状の分裂高さにおける進行方向に等しいとみなせる.(3)噴口直後は液膜によって遮断されているため,液膜の流れによって誘起されたかなり高速の空気流は,液膜先端で液膜の仮想延長線を横切って内側へ流れ込む.また,液膜の内側には循環渦が形成され,液膜分裂高さの2倍弱の高さまで伸びる.(4)液滴の初速度の大きさにはかなり大きなばらつきがあり,大きな液滴では,下流までそのばらつきが保持されるが,ちいさな液滴ではすぐにばらつきが小さくなる.(5)液滴の初速度の方向にもかなり大きなばらつきがある.このため,分裂点近傍の断面では,半径位置による粒径分布の差異が見られないが,液膜延長線を横切って流れる空気流の作用で下流に進むにつれて,滴径による分別が進行する.また,かなり上流の断面においても,大きな液滴が中心軸上で観察されるのは,やはり,初速度の方向が大きくばらついているからである.
自然浄化機能の強化と制御

1.森林において洪水時流出量を考慮した汚濁負荷流出量の計算方法を構築した。また、流出負荷量は地質、水文、植生等に左右されることから、これらを考慮した森林による浄化機能の強化の可能性が示唆された。2.ダム湖に適用可能な動植物プランクトンと栄養塩を考慮した水理ー水質モデルを構築して数値解析を行った。その結果、栄養塩の分布や藻類の発生は水塊の滞留時間に関係していることが明らかになったので、流れの制御により湖内浄化を強化できることが示唆された。3.水田での窒素除去の強化策として休耕田を利用した植生の効果を検討した。植生として、イネや雑草よりクレソンが効果的であった。4.河川敷内に薄層流式浄化施設と酸化池を設けて水質変換能を検討した。前者はBOD除去に効果的であるが、後者は内部生産により溶解性BODが増加する期間があった。両施設の組合せにより河川内での浄化能を強化できることが示唆された。5.水路網の水質改善策を検討した結果、導水量の増加は懸濁物質の沈降防止に効果的であった。水路網内での流量を再配分することでも水路内での自浄作用を強化することができると考えられる。6.湖沼への流入河川水、湖水、湖内底質、藻類のそれぞれのC:N:P比を測定した結果、流入した懸濁物質の多くが沈澱して底質表層を形成していることが解った。流入河口部での栄養塩をトラップし、沈澱物を除去することで湖沼内の浄化を強化できると考えられる。7.感潮域の底泥において脱窒量とC/Nの関係を検討した結果、硝酸態窒素の供給を促進することで脱窒を強化できることがわかった。しかし、その生産物としてN_2Oが底泥表層に蓄積されており、生態系でのN_2への変換を促進する必要がある。
自己硬化型GBR膜への骨伝導性の付与

本研究は、アルギン酸ナトリウム水溶液と塩化カルシウムの接触で形成されるアルジネート膜をGBRにおける細胞遮断膜として応用しようとする研究である。アルギン酸ナトリウム水溶液を骨欠損内部に充填し、塩化カルシウム水溶液を滴下するという極めて簡便な方法でアルジネート膜が骨表面に形成されることがわかった。形成されるアルジネート膜は半透膜の弾性膜であり、アルギン酸ナトリウム水溶液の濃度、塩化カルシウム水溶液の濃度の増大とともに厚膜となることがわかった。そこで、1)アルジネート膜の設置方法、2)GBRの適用部位について実験動物を用いて検討した。実験動物(ウィスター系ラット)の頸骨に貫通骨欠損を形成した。アルギン酸ナトリウム水溶液を骨欠損に充填し、その後で塩化カルシウム水溶液を滴下し、骨欠損部に直接アルジネート膜を形成する方法(以下、直接法と呼ぶ)および、あらかじめ形成したアルジネート膜で骨欠損部を被覆する方法(以下、間接法と呼ぶ)によるGBRを行った。GBR施術後、2,4,8週後に実験動物を麻酔下で灌流固定し、頸骨を周囲組織と一塊に摘出、脱灰組織切片を作製し、HE染色を行い、病理組織学的観察を行った。その結果、間接法でアルジネート膜を設置した場合には骨欠損部の筋肉側骨欠損に骨組織の再生が認められたものの、表皮側骨欠損部には骨組織の形成が認められなかった。筋肉側では筋肉によるアルジネート膜の保持が可能であるが、表皮側ではそのような保持力を期待できないため、このような差異が発生すると考えられる。一方、直接法でアルジネート膜を設置した場合には、アルジネート膜の形成条件により骨再生の差異が認められた。すなわち、アルジネート膜が薄い場合には膜が凹面となり、骨の陥没が認められた。アルジネート膜が厚い場合には、アルジネートによる骨形成の阻害が認められた。アルジネート膜が適切な厚さの場合は、骨欠損部の筋肉側骨欠損、表皮側骨欠損に関わらず良好な骨再生が認められた。これらの結果からアルジネート膜を用いたGBR法は骨再生法として極めて有効であるが、間接法を用いる場合には筋肉側骨欠損部の骨再生に適用が限定されること、直接法を用いる場合には筋肉側、表皮側に関わらず骨再生に有効であるが、アルジネート膜の膜厚条件が重要であることが示唆された。本年度は研究計画の一年目としてアルジネート膜のGBR膜としての有用性、アルギン酸ナトリウム濃度、塩化カルシウム濃度等が形成されるアルジネート膜の物性に及ぼす影響を検討するとともに、実験動物を用いてアルジネート膜のGBRにおける有用性を検討した。アルジネート膜と塩化カルシウムを接触させることにより無色透明の弾力性を有するアルジネート膜が得られた。

臨床応用の可能性を検討するためにラット頸骨に骨欠損を形成し、アルギン酸ナトリウム水溶液を充填し、その後に塩化カルシウム水溶液を滴下すると骨欠損部表面にアルジネート膜が形成された。アルジネート膜を切開すると未反応のアルギン酸ナトリウム水溶液が認められ、本法によりGBRの必要条件であるスペースの確保が達成できることが明らかになった。塩化カルシウム濃度を一定にした場合、アルギン酸ナトリウム水溶液の濃度を増大するに従い、形成されるアルジネート膜の厚さは増大した。一方、アルギン酸ナトリウム水溶液の濃度を一定にした場合、塩化カルシウム水溶液の濃度を増大させても形成されるアルジネート膜の厚さは大きく影響を受けなかった。形成されるアルジネート膜の機械的強さの指標としてアルジネート膜の引張り強さを万能試験機を用いて検討した。アルジネート膜の引張り強さはアルジネート膜の厚さとほぼ比例し、得られるアルジネート膜の組成は基本的には同一であることがわかった。次にラット頸骨に骨欠損を形成しアルギン酸ナトリウム水溶液と塩化カルシウム水溶液を用いてGBRを行った。経時的に脱灰組織標本を作製し、病理組織学的に検討を行った。その結果、アルジネート膜設置群においては骨欠損の修復が認められたが、骨欠損を放置した対照群においては軟組織性の修復が認められ、アルジネートはGBRにおける細胞遮断膜として機能することが明らかになった。対照群における骨は骨欠損を修復する方向に形成されてものの、骨形成時期のみを比較するとアルジネート膜設置群に比較して対照群の方が早期に骨形成が認められた。したがって、アルギン酸ナトリウム水溶液は血餅と比較すると骨形成能に劣ることも明らかになった。本研究は、アルギン酸ナトリウム水溶液と塩化カルシウムの接触で形成されるアルジネート膜をGBRにおける細胞遮断膜として応用しようとする研究である。アルギン酸ナトリウム水溶液を骨欠損内部に充填し、塩化カルシウム水溶液を滴下するという極めて簡便な方法でアルジネート膜が骨表面に形成されることがわかった。形成されるアルジネート膜は半透膜の弾性膜であり、アルギン酸ナトリウム水溶液の濃度、塩化カルシウム水溶液の濃度の増大とともに厚膜となることがわかった。そこで、1)アルジネート膜の設置方法、2)GBRの適用部位について実験動物を用いて検討した。実験動物(ウィスター系ラット)の頸骨に貫通骨欠損を形成した。アルギン酸ナトリウム水溶液を骨欠損に充填し、その後で塩化カルシウム水溶液を滴下し、骨欠損部に直接アルジネート膜を形成する方法(以下、直接法と呼ぶ)および、あらかじめ形成したアルジネート膜で骨欠損部を被覆する方法(以下、間接法と呼ぶ)によるGBRを行った。GBR施術後、2,4,8週後に実験動物を麻酔下で灌流固定し、頸骨を周囲組織と一塊に摘出、脱灰組織切片を作製し、HE染色を行い、病理組織学的観察を行った。その結果、間接法でアルジネート膜を設置した場合には骨欠損部の筋肉側骨欠損に骨組織の再生が認められたものの、表皮側骨欠損部には骨組織の形成が認められなかった。筋肉側では筋肉によるアルジネート膜の保持が可能であるが、表皮側ではそのような保持力を期待できないため、このような差異が発生すると考えられる。一方、直接法でアルジネート膜を設置した場合には、アルジネート膜の形成条件により骨再生の差異が認められた。すなわち、アルジネート膜が薄い場合には膜が凹面となり、骨の陥没が認められた。アルジネート膜が厚い場合には、アルジネートによる骨形成の阻害が認められた。
理科第2分野(行動のしくみ)に活用する体験型実験プログラム製作の試み

【研究の具体的内容】現在、中学校において行われている理科第2分野における医学的な授業は、その対象が人体そのものであるため、安全面や倫理面から体験的な実験を含めた授業を行うことは困難であり、利用できる教材も図や人体模型のような抽象的な教材が中心となるが、座学を中心とした授業内容は興味を引き出すことが難しく、理科離れの一因ともなっている。本研究はソフト・ハードを含めてすぐに活用できる実験教材を作製し、提供するため、研究現場で蓄積された画像情報などを含めて、体験的な実験教材を組み込んだ理科授業モデルプログラムを構築した。【開発された実験機材】体を動かしているのは神経を伝わる電気信号であり、脳からの情報はこの電気信号によって体の中を伝わっていくが、本研究はこの「電気信号」に着目し、独自に開発した簡易的な計測機器を使用することで、その様子を実験において確認することができる。まず、神経のしくみを理解するため、生体電位検知回路を使用することによって、筋肉が収縮するときの電気信号をとらえて増幅し、デジタル信号として出力することで筋肉の動きを可視化した。この装置は出力機材を拡張することで様々な実験プログラムの構築ができ、ブレインマシンインターフェイスの体験も可能である。また、感覚器官の実験系は、視覚の実験として盲点の体験チャートを作成して脳の視覚充填の実験を組み込み、反応については、生理学研究所で開発した簡易反応速度計測回路を応用した実験を通して、視覚と聴覚の伝達速度の差から神経伝達の仕組みを、自身の実測値として体験できる。さらに、実験教材を使用した一連の授業進行サポート機材としての解説スライドを、神経線維などの顕微鏡画像なども活用し、授業のデモプログラム例として整備した。このスライドは利用状況に応じて改変可能である。本研究で作製された機材および情報は、ホームページ上で公開しており、適宜ダウンロードすることで利用することができる。なお、開発した計測装置類においては、自作をするための技術情報についても回路図を含めてホームページ上で公開している。
血流の解析を目標とした圧縮性粘性流体方程式の適切性

血液の主な構成要素は赤血球であるため,血流を解析するために赤血球の運動を考察することは重要であるとされている.そこで赤血球を剛体とし,流体中を剛体が並進運動や回転運動している場合の流体と剛体双方の運動を記述した方程式系(以下、連成問題と呼ぶ)について考察を行った.流体の運動を表す方程式は圧縮性Navier-Stokes方程式,流体が占める領域は2次元外部領域とし,連成問題に対する可解性を最大正則性が成り立つクラスで考察した.連成問題に限らず,圧縮性Navier-Stokes方程式に対し最大正則性を示すには,質量保存を表す双曲型方程式に質量微分の項があるため,オイラー座標からラグランジュ座標への変数変換が有効である.連成問題の場合にもこの手法を用い線形化を行った後,レゾルベント問題の解作用素に対するR-有界性から最大正則性を得た.また,最大正則性評価を用い時間局所解の一意存在性を得ることができた.近年,気液相転移をともなう圧縮性粘性流体と剛体双方の運動を記述した連成問題を解析する数値実験が報告されている.(cf. Shokrpourand Brummele,2019)この気液相転移をともなう圧縮性粘性流体の運動を表す方程式はNavier-Stokes-Korteweg方程式と呼ばる.(以下,NSK方程式とする.)連成問題を解析するには,流体方程式を外部領域で考察する必要があるが,NSK方程式に対する結果は見当たらない.そこでNSK方程式のみの可解性について考察した.ただし,圧力は密度の関数であり,定数状態のまわりで単調増加関数であると仮定した.圧縮性Navier-Stokes方程式の外部領域における考察と同様,境界から離れた領域では全空間における考察が必要であるため,まずは全空間における時間局所解・時間大域解の一意存在性を最大正則性が成り立つクラスで示した.申請時には簡単のため剛体を円盤と仮定し可解性について考察する予定であったが,平成30年度の結果では円盤に限らず滑らかな境界をもつ剛体について時間局所的適切性を得ることができた.また,数値解析の分野において解析されているNavier-Stokes-Korteweg方程式(NSK方程式)と剛体の連成問題を数学的に解析する第一歩としてNSK方程式の時間大域的適切性を得ることができた.この手法はNSK方程式に限らず,他の放物型方程式や双曲・放物型方程式系を全空間で解析する場合に用いることができると期待される.圧縮性Navier-Stokes方程式と剛体の連成問題に対する時間大域的適切性を最大正則性が成り立つクラスで考察する.一般に非有界領域で時間大域的適切性を考察することは困難な点が多いため,まずは剛体と流体が有界領域に含まれている場合を考察する.次にNavier-Stokes-Korteweg方程式(NSK方程式)の全空間における時間大域的適切性について再考する.平成30年度に得た結果では圧縮性Navier-Stokes方程式に対する仮定と同様,圧力は定数状態のまわりで単調増加関数であるとした.しかしNSK方程式の場合,相転移をともなう現象を記述するため,圧力は密度について非単調増加関数となる.(cf. Daube,2017)そこで圧力が密度について定数関数となる場合に時間大域的適切性を考察する.動脈硬化や動脈瘤のような動脈の病気の解明や血管の手術には血液の流れを考察する必要があるが,生体現象であるため直接的な実験や観測が困難である.そのため理論的な解析が必要であるが,数学的な研究成果は少ない.本研究の目的は,血液の流れを数学的に考察することである.特に,大動脈瘤のように血管壁に大きな圧力がかかる場合の血流について扱うために,血液を圧縮性流体として解析を行った.また,血液の主な構成要素は赤血球であるため,血流を解析するために赤血球の運動を考察することは重要であるとされている.本来は赤血球の変形を考慮すべきであるが,解析の第一歩として赤血球を剛体とし流体との相互作用を考察した.数学的に定式化すれば,流体の占める領域は時間によって変化する外部領域,境界条件は非斉次境界条件となる.この問題を流体と剛体の連成問題と呼び,時間大域的適切性を得ることを目標に考察を行った.今年度はMatthias Hieber教授(ダルムシュタット工科大学)との共同研究で得られた時間局所的適切性に関する結果の改良を行った.以前の手法では,線形化した流体方程式に対する既存の結果を用いるために流体方程式と剛体の運動を表す方程式の2つ分け,線形化問題の解析を行った.次に非線形項を含む方程式の右辺を評価し縮小写像の原理により時間局所的適切性を得た.しかしこの評価は時間の幅に依存しているため時間大域解への延長は期待できない.そこで問題のある項を含めた線形化問題を解析することによって時間の幅に依存しない評価を得ることができた.時間大域的適切性を目標としていたが,時間局所的適切性の証明について問題点があったため改良する必要があった.

また,時間大域的適切性についてはまずは空間2次元において,簡単のため剛体を円盤とし考察を行った.研究計画に沿って非圧縮性流体の場合に任意の初期値に対する時間大域的適切性を示した, T.Takahashi-M.Tucsnak(2004)を参考に任意の初期値に対し考察を行った結果,流速を未知関数とした運動量保存の方程式と剛体の運動を表す方程式の連立方程式については,半群理論により解を構成することできた.しかし,密度を未知関数とした輸送方程式を解く際,正則性の損失が生じ,アプリオリ評価で解を構成するのは困難であると分かった.そのため研究計画を見直す必要があった.血液の主な構成要素は赤血球であるため,血流を解析するために赤血球の運動を考察することは重要であるとされている.そこで赤血球を剛体とし,流体中を剛体が並進運動や回転運動している場合の流体と剛体双方の運動を記述した方程式系(以下、連成問題と呼ぶ)について考察を行った.流体の運動を表す方程式は圧縮性Navier-Stokes方程式,流体が占める領域は2次元外部領域とし,連成問題に対する可解性を最大正則性が成り立つクラスで考察した.連成問題に限らず,圧縮性Navier-Stokes方程式に対し最大正則性を示すには,質量保存を表す双曲型方程式に質量微分の項があるため,オイラー座標からラグランジュ座標への変数変換が有効である.連成問題の場合にもこの手法を用い線形化を行った後,レゾルベント問題の解作用素に対するR-有界性から最大正則性を得た.また,最大正則性評価を用い時間局所解の一意存在性を得ることができた.近年,気液相転移をともなう圧縮性粘性流体と剛体双方の運動を記述した連成問題を解析する数値実験が報告されている.(cf. Shokrpourand Brummele,2019)この気液相転移をともなう圧縮性粘性流体の運動を表す方程式はNavier-Stokes-Korteweg方程式と呼ばる.(以下,NSK方程式とする.)連成問題を解析するには,流体方程式を外部領域で考察する必要があるが,NSK方程式に対する結果は見当たらない.そこでNSK方程式のみの可解性について考察した.ただし,圧力は密度の関数であり,定数状態のまわりで単調増加関数であると仮定した.圧縮性Navier-Stokes方程式の外部領域における考察と同様,境界から離れた領域では全空間における考察が必要であるため,まずは全空間における時間局所解・時間大域解の一意存在性を最大正則性が成り立つクラスで示した.申請時には簡単のため剛体を円盤と仮定し可解性について考察する予定であったが,平成30年度の結果では円盤に限らず滑らかな境界をもつ剛体について時間局所的適切性を得ることができた.また,数値解析の分野において解析されているNavier-Stokes-Korteweg方程式(NSK方程式)と剛体の連成問題を数学的に解析する第一歩としてNSK方程式の時間大域的適切性を得ることができた.この手法はNSK方程式に限らず,他の放物型方程式や双曲・放物型方程式系を全空間で解析する場合に用いることができると期待される.非圧縮性流体の場合に任意の初期値に対する時間大域的適切性を示した, T.Takahashi-M.Tucsnak(2004)の手法では,流速を未知関数とした運動量保存の方程式と剛体の運動を表す方程式の連立方程式については,半群理論により解を構成することできるが,密度を未知関数とした輸送方程式を解く際,正則性の損失が生じ,アプリオリ評価で解を構成するのは困難であると分かった.
高温高圧下での実験と第一原理理論計算によるボロン系遷移金属化合物の合成と特性評価

平成23年度は以下の3項目を達成した.1.マルチアンビル高圧合成装置を用いて,β相ホウ素(β-B_<106>)からγ相(γ-B_<28>)ならびにα正方晶ホウ素(T-B_<50>)の合成に成功し,これら3相の相関係を特定した.その結果,γ-B_<28>は幅広い温度圧力領域で合成され,T-B_<50>はより高温領域で合成されることが分かった.また,TB_<50>はβ-B_<106>やγ-B_<28>からβ正方晶ホウ素(T-192)への転移過程において反応速度論的理由(オストワルド成長)で生成される中間相と思われる.次に,X線回折・ラマン分光・透過電子顕微鏡観察により,ホウ素の相関係を18万気圧・2200°Cまで決定した.β相ホウ素・γ相ホウ素は,それぞれ低圧・高圧においてT-B50に直接転移することを示した.同時に,これらの相転移が可逆的であることも分かった.2.現在までに,γ相ホウ素が50GPa以上の硬度を持つ単元素固体であることを2つの研究グループが報告している.γ相ホウ素の力学特性に関する多くの理論的研究がなされ,弾性定数の理論予測によればγ相ホウ素はB_6Oに匹敵するビッカース硬度を持つ可能性がある.しかし,剪断強度の理論計算では,γ相ホウ素の破壊モードは(001)[010]のすべり系の剪断変形に卓越し,その系での強度は21.6GPaとされ,先に測定された50GPaの値とは食い違っている.そこで,報告されている力学特性の検証のために,本研究では多結晶ホウ素の硬度と弾性特性を測定した.硬度測定結果と先行の理論計算との比較により,γ-B_<28>の硬度は50GPaに達しないこと,また,報告されている超硬度は別の結晶方向ならびにナノ結晶の特性によることが示唆された.また,γ相ホウ素は多結晶窒化ホウ素やB_6Oと同程度の弾性定数と硬度を持つことを明らかにした.これらの結果より,多結晶γ-B_<28>は超硬度の多結晶体であり幅広い利用が期待される.3.化学組成比W:B=1:4を持つ遷移金属ホウ化物であるWB_4化合物の合成に成功した.今後,物理特性測定に用いる他の5d遷移金属-ホウ化物(例えば, ReB_4, OSB_4)の高温高圧下合成ならびに良質焼結試料合成を目指す.本年度の目標は,1)ホウ素の相関係の決定,2)多結晶ホウ素の力学特性測定,3)遷移金属ホウ化物の合成であった.1)はPhysical Review誌で発表済み,2)も原稿を作成し投稿準備中である.3)に関しては,タングステンを用いて合成法を試行し良好な手法を開発できた.種々の遷移金属ホウ素化合物の合成が可能な段階にある.平成24年度の計画の一つは,多結晶ホウ素の硬度に関する結果をまとめて公表することである.β相ならびにγ相ホウ素の稠密多結晶体の合成は,それぞれ,6万気圧・1700°C,15万気圧・1800°Cの条件下で合成出来ることが確認できているため,それらと多結晶窒化ホウ素やB_6Oに対する硬度・弾性定数を測定して比較する.二つ目の計画は,WB_4合成で確立した手法を用いてReB_4,OsB_4などを合成し,5d遷移金属-ホウ素化倉物の物理特性を測定・比較することである.2010年度は,現状では良く理解されていないホウ素γ相の安定合成の温度・圧力領域の決定ならびに相関係の定量決定を試みた。ホウ素(B)と遷移金属(TM)の化合物(TMBx)は超硬素材としての可能性が高い素材であり,多くの組み合わせから,有用素材になり得るTMBxの同定・合成・特性評価を行うことが本研究の目的である.そのために,まずはホウ素単体の相図決定が必要である.現在までに,マルチアンビル型高圧合成装置を用いて,高温高圧下におけるホウ素のβ相からγ相の合成に成功した.また,γ相の安定領域(温度・圧力)ならびに弾性特性を精査した.その結果,比較的高温・高圧領域でのγ相合成が可能になった.粒子径5-10ミクロンの合成γ相のヌープ硬度は約26GPaであり,体積弾性率と剛性率の比(B/G)は既存の超硬素材であるダイヤモンドや立方晶窒化ホウ素(cBN)のそれと同等の値を示した.これは,γ相もまた超硬素材である可能性を示している.β相とγ相の相関係を決定するために,マルチアンビル型高圧装置・X線回折・ラマンスペクトル解析を用いた実験を行った.β-γ相平衡境界は,1000°Cで8.5-9.0GPa,1300°Cで8.5-9.0GPa,1600°Cで9.0-9.5GPaに存在し,特に,9.0GPaにおいては1500-1600°Cの範囲であることが分かった,また,カイネティックな境界も見積もっている.本研究ならびに過去の研究から,γ相は約8.5GPaより高圧側で安定であり,また,相転移におけるカイネティックな障害は高温条件下において乗り越えられることが分かった.しかし,高温が過ぎるとβ相や別相であるT-192相の方が安定になることも同時に明らかになった.

2011年度においては,これまでに明らかにしたホウ素の相関係を用いて何通りかのTMBxを高温高圧実験によって合成してそれらの物理特性の測定を行う.また,相転移のその場観察実験・状態方程式・相安定性と弾性定数の見積りも放射光X線解析・超音波弾性波速度測定を用いて行うとともに,第一原理理論計算による力学的・フォノン特性の予測も試みる.平成23年度は以下の3項目を達成した.1.マルチアンビル高圧合成装置を用いて,β相ホウ素(β-B_<106>)からγ相(γ-B_<28>)ならびにα正方晶ホウ素(T-B_<50>)の合成に成功し,これら3相の相関係を特定した.その結果,γ-B_<28>は幅広い温度圧力領域で合成され,T-B_<50>はより高温領域で合成されることが分かった.また,TB_<50>はβ-B_<106>やγ-B_<28>からβ正方晶ホウ素(T-192)への転移過程において反応速度論的理由(オストワルド成長)で生成される中間相と思われる.次に,X線回折・ラマン分光・透過電子顕微鏡観察により,ホウ素の相関係を18万気圧・2200°Cまで決定した.β相ホウ素・γ相ホウ素は,それぞれ低圧・高圧においてT-B50に直接転移することを示した.同時に,これらの相転移が可逆的であることも分かった.2.現在までに,γ相ホウ素が50GPa以上の硬度を持つ単元素固体であることを2つの研究グループが報告している.γ相ホウ素の力学特性に関する多くの理論的研究がなされ,弾性定数の理論予測によればγ相ホウ素はB_6Oに匹敵するビッカース硬度を持つ可能性がある.しかし,剪断強度の理論計算では,γ相ホウ素の破壊モードは(001)[010]のすべり系の剪断変形に卓越し,その系での強度は21.6GPaとされ,先に測定された50GPaの値とは食い違っている.そこで,報告されている力学特性の検証のために,本研究では多結晶ホウ素の硬度と弾性特性を測定した.硬度測定結果と先行の理論計算との比較により,γ-B_<28>の硬度は50GPaに達しないこと,また,報告されている超硬度は別の結晶方向ならびにナノ結晶の特性によることが示唆された.また,γ相ホウ素は多結晶窒化ホウ素やB_6Oと同程度の弾性定数と硬度を持つことを明らかにした.これらの結果より,多結晶γ-B_<28>は超硬度の多結晶体であり幅広い利用が期待される.3.化学組成比W:B=1:4を持つ遷移金属ホウ化物であるWB_4化合物の合成に成功した.今後,物理特性測定に用いる他の5d遷移金属-ホウ化物(例えば, ReB_4, OSB_4)の高温高圧下合成ならびに良質焼結試料合成を目指す.本年度の目標は,1)ホウ素の相関係の決定,2)多結晶ホウ素の力学特性測定,3)遷移金属ホウ化物の合成であった.1)はPhysical Review誌で発表済み,2)も原稿を作成し投稿準備中である.3)に関しては,タングステンを用いて合成法を試行し良好な手法を開発できた.種々の遷移金属ホウ素化合物の合成が可能な段階にある.平成24年度の計画の一つは,多結晶ホウ素の硬度に関する結果をまとめて公表することである.β相ならびにγ相ホウ素の稠密多結晶体の合成は,それぞれ,6万気圧・1700°C,15万気圧・1800°Cの条件下で合成出来ることが確認できているため,それらと多結晶窒化ホウ素やB_6Oに対する硬度・弾性定数を測定して比較する.二つ目の計画は,WB_4合成で確立した手法を用いてReB_4,OsB_4などを合成し,5d遷移金属-ホウ素化倉物の物理特性を測定・比較することである.