hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
不完全知識創出のための知識コンバージョンに関する研究

本研究では、不完全な知識を創出するメカニズムである知識コンバージョンKC(Knowledge Conversion)を新しい知識処理フレームワークとして定式化し、その性質を理論的に考究すると共に、KC実現のための要素技術、具体的には矛盾管理、知識の整合性検証、知識の階層化・構造化などをシステム化し、応用面での基盤確立も目的とする。本研究課題に関し本年度に得られた成果を以下にまとめる。1.不完全知識に対する知識コンバージョンの考察原ルールの構成とは異なる不完全ルールの生成、あるいは複数の不完全ルールからの洗練化された不完全ルールの生成など、複雑な過程を経て実行されるKCについて検討した。不完全ルールの追加・削除、ルールの不完全化・完全化・ルールの一般化・特殊化という種々の操作を伴う知識ベースの再構成法を定式化し、知識ベースの同質性に関する主要な定理を導いた。また、例外と不完全知識に関する関係についても、例外に対する観点の変更がKCの基礎となることを確かめた。2.知識コンバージョンと他の知識生成法との関係の解明知識ネット上でKCと既存の知識生成法である帰納学習や演繹学習との類似点、相違点を解析した。知識ネットの構造変化という点から、帰納学習がノードの新規作製、演繹学習がリンクの再編成、そしてKCがリンクの属性変更に帰着されることを明らかにし、知識ネットに基づく統一的な知識ハンドリング法の確立に向けての手掛かりを得た。3.実験システムの作成本研究で提案した手法のインプリメンテーションを行い基本的な特性を評価し、システム化への要点を検討した。現段階では、本研究で検討した全ての手法を実装し、統合システム化は実現していない。今後、統合システムの完成を急ぐとともに、システム構成論の整備を図りたい。本年度は、不完全な知識を創出するメカニズムである知識コンバージョンKCを実現するための理論的検討を行い、さらにその要素技術・基盤技術を整備した。具体的な研究テーマは以下の通りである。1)知識ネット及び推論系の構成KCを考察する上での土台となる知識表現と推論について検討した。完全知識、及び不完全知識を各々、ファクト・完全ルール、及び例外を許容する不完全ルールとして表されたルール型知識表現からネットワーク型知識表現(知識ネット)へのトランスレータを作成し、ト-クン伝播による推論方式を定式化した。2)知識の整合性の検証についての考察同一の情報源に対する種々の知識表現体系間での整合性を情報の不完全性という観点から比較検討した。特に、メディア表現と記号表現における不整合がどのように出現するかを、現実世界の情報源と見なし得る地理情報を題材にして分析・整理した。3)知識の階層性についての考察完全な知識と例外を含む不完全な知識の混在する環境化での推論を、例外並びに例外間の階層関係を特定するexc表現を導入することにより実現した。exc表現では、例外は2種類に分類され、各例外について個別の表現法を定義することにより、常に結論集合を一意に定めることが可能である。さらに本研究では、例外の誘発する矛盾に着目し、例外間の階層を獲得することにより、人間の介在なしに既存のルールからexc表現を自動生成する手法を考案した。4)KCと知識洗練化の統合についての考察ルールの質を変化させるKCと完全・不完全知識に対する知識洗練化の統合手法を提案した。知識の洗練化とは、推論の効率化のために知識集合を再構成することをいい、提案手法では不完全知識の書き換えによって不整合事例に関するルールを削減し、推論効率の向上を実現している。
点相互作用に従う1次元シュレディンガー作用素についての研究

平成21年度は、周期的点相互作用に従う1次元シュレディンガー作用素の退化したスペクトラルギャップの同定問題について得られた結果を取り纏め,2編の論文を作成して研究成果の発表を行いました。本研究の主な目的は,周期的に配列された点相互作用に従う1次元シュレディンガー作用素のスペクトルのバンド構造を精密に解析する事です。バンド構造は周期ポテンシャルに従うシュレディンガー作用素のスペクトルが持つ特徴的な性質で,スペクトルが可算無限個の有界閉区間(バンド)の和集合として書き表されることを表しています。この時,連続する2つのバンドがスペクトラルギャップのよって隔てられている事は,対応するシュレディンガー方程式の解の性質に密接に関わってきます。そこで,退化したスペクトラルギャップの退化・非退化を特定する問題を考える事が重要となってきます。本研究では,退化したスペクトラルギャップの同定問題を,モノドロミー行列を解析する事で調べました。数学誌「Funkcialaj Ekvacioj」に掲載予定の論文では,基本周期内に一般点相互作用が2つある場合を取り扱い,退化したスペクトラルギャップが存在するか否かを決定付けました。数学誌「Journal of Mathematical Analysis and Applications」に掲載予定の論文では,特殊な点相互作用-δ^<(1)>型の点相互作用-に限定し,退化したスペクトラルギャップの存在と点相互作用の強さの関係について述べ,また存在する場合には退化したスペクトラルギャップの番号を特定しました。基本周期内に点相互作用が3つある場合には,モノドロミー行列が複雑である為に一般に解析が困難ですが,当該研究においてその第一歩を踏み出したと考える事が出来ます。今後は,この結果をさらに拡張する事ができると予測され,将来性のある解析手段を得たと考える事が出来ます。平成20年度は主に,点相互作用に従う1次元シュレディンガー作用素の退化したスペクトラルギャップの同定問題についての議論を行いました.この作用素のスペクトルは,ポテンシャルの周期性から,バンド構造を持つことが知られています.すなわち,スペクトルはバンドと呼ばれる有界閉区間の可算無限個の和集合として書き表され,各バンドはスペクトラルギャップによって隔てられています.本研究の目的は,退化したスペクトラルギャップの位置,および番号を特定することにあります.基本周期内に2つの一般化された点相互作用を持つ場合の同定問題は,特別な仮定の下でのみ解決されていましたが,本年度中にその特別な仮定を外し,一般的な状況下での解析を行いました.退化したスペクトラルギャップの位置を特定するためには,モノドロミー方程式を解析する必要性がありますが,この方程式を線形の代数方程式に帰着することで,退化したスペクトラルギャップの位置を特定することができました.また,基本周期内に3つのδ^{(1)}型の点相互作用を持つ場合にも同定問題の解決に成功しました.この特別な点相互作用の場合には,退化したスペクトラルギャップの位置のみならず,その番号の特定を行うこともできました.従来の結果の中では,基本周期内に3つの点相互作用がある場合の同定問題の解決は難しく,前例はありません.これらの研究成果は現在論文に取り纏めを行っている最中であり,今年度中に投稿する予定です.平成21年度は、周期的点相互作用に従う1次元シュレディンガー作用素の退化したスペクトラルギャップの同定問題について得られた結果を取り纏め,2編の論文を作成して研究成果の発表を行いました。
ステルス型RNAベクターを用いた遺伝性造血系疾患に対する新規遺伝子治療法の開発

より安全なゲノム非組み込み型ベクターである改良型センダイウイルスベクター(ステルス型ベクター:略称SRV)を用いた遺伝子治療開発研究を行う。SRVは、抗原性がほとんど除かれており、遺伝子導入効率が高く、非分裂細胞にも遺伝子を安定的に発現できる。またセンダイウイルスベクターを用いて造血幹細胞に遺伝子を導入した場合、造血幹細胞から分化増殖した細胞にも導入された遺伝子が受け継がれることが確認されている。本研究では、まず免疫応答のない重症複合免疫不全を対象疾患としてSRVを用いた遺伝子治療開発研究を行い、次に他の遺伝性造血系疾患への応用について検討を行う。
湿度制御X線回折実験による蛋白質内部運動と水和構造変化の相関に関する研究

蛋白質結晶周辺の湿度を変化させ、結晶内のバルク水量を非破壊・可逆的に制御可能な装置の開発を進め、湿潤空気流量300450ml/minで相対湿度2096%rhの範囲で実験を行うことが可能な装置とその実験手順を確立し各種蛋白質結晶に適用した。サブゼロ温度領域で蛋白質のダイナミクスを探る実験、種々の蛋白質結晶についての構造解析、分子動力学計算を通じた蛋白質の運動と水和構造変化の相関解析も実施した。蛋白質結晶の湿度制御装置の開発と散漫散乱回折パターンの収集今年度の交付金額では、申請書に記したリガク社Free Mounting Systemを購入することが不可能なため、結晶の湿度制御が可能となる装置群を自作し、X線回折湿度制御下の蛋白質の溶媒チャンネル体積の可逆的増減についての基本技術を確立することとなった。装置の自作においては、湿度制御装置を購入し、試料周辺ハウジングの製作、結晶観察のための装置を製作した。また、これまでの結晶急速凍結技術とは異なる結晶ハンドリング技術の確立が不可欠となるため、関連技術の調査を行った。また、グルタミン酸脱水素酵素、アリールマロン酸脱炭酸酵素、フォトトロピンなどの蛋白質を精製・結晶化し、湿度制御下に置いて期待される散漫散乱回折強度パターンを大型放射光実験施設において収集した。この散漫散乱パターン解析のための計算コードを開発中である。蛋白質の水和構造解析結晶化してもなお、一部のフラグメントやドメインが大きな揺らぎを有する蛋白質のグルタミン酸脱水素酵素、アリールマロン酸脱炭酸酵素の結晶構造解析を実施し、蛋白質のダイナミクスと水和構造の相関に関する結晶学的研究を行った。蛋白質結晶周辺の湿度を人為的に制御することで結晶内での分子間相互作用を制御できる可能性が示されてきた。分解能の大幅な改善や急速冷却に伴う結晶配列の乱れの軽減などの成果が得られている。前年度に引き続いて、装置開発を進めた結果、湿潤空気流量300450ml/minで相対湿度2096%rhの範囲で実験を行うことが可能な装置を完成するとともに、その実験手順を確立した。長時間のデータ収集中、結晶周辺は一定の温湿度環境に保たれる必要があるが、種々の調整の結果、温度揺らぎ0.3K、湿度揺らぎ1%rhの安定な環境が実現されてた。標準試料リゾチームでは、相対湿度に応じた分解能、結晶格子定数や結晶体積の可逆的変化が精度良く再現された。この装置をグルタミン酸脱水素酵素、シタロン脱水酵素、アセチルコリン受容体、アリールマロン酸脱炭酸酵素の結晶などに適用した。本装置は、結晶内部での蛋白質分子のパッキングや揺らぎの制御による蛋白質結晶の質的改善、膜蛋白質など、生物学的・薬学的な興味から構造解析が希求されているにも関わらず、高分解能結晶の作成が困難な蛋白質の結晶構造解析についても威力を発揮すると期待される。また、装置開発と並行して、温度を軸に取ったサブゼロ温度領域で蛋白質のダイナミクスを探る実験、アリールマロン酸脱炭酸酵素、フォトトロピン光受容ドメイン、多重基質アミノ基転移酵素などの新規な蛋白質についての結晶構造解析や、分子動力学計算を通じた蛋白質の運動と水和構造変化の相関解析のプログラム開発を実施した。研究成果については、順次投稿準備を始めた。
一本鎖DNA修復異常症SCAN1の神経変性機構の解明

我々は、以前末梢神経障害と小脳失調を示す疾患(SCAN1)の原因TDP1を同定した。TDP1は一本鎖DNAの修復に関与している。我々はTdp1の欠失マウスを解析し、神経変性メカニズムを明らかにする。Tdp1ノックアウトマウスでは、脳神経系や主要臓器に異常がなく、網膜萎縮が見られ,外顆粒層の脱落所見があり、ヒトの網膜色素変性症の類似の所見が得られた。マイクロアレイによる発現解析でTdp1欠失による転写への影響も確認した。一本鎖DNA修復障害による神経変性のひとつの病態について解明した。我々は、末梢神経障害を伴う小脳失調症をspinocerebellar ataxia with axonal neuropathy 1(SCAN1)と名づけた。それは一本鎖DNA修復にかかわる酵素であり、新しい疾患発症機序が考えられた。本症の神経変性の機序を明らかにするため、ノックアウトマウスの解明を行った。これまでの解析へ、Tdp1ノックアウトマウスは、8ヶ月齢までは神経症状を呈さなかったが、抗ガン剤の投与により、臓器障害と運動障害、神経伝導検査異常、致死性を認めた。我々は、今回さらに長期間の観察による、神経系への影響を確認した。その結果、マウスは。生後280-330日あたりで、急激なやせを伴い死亡する現象が見られ、コントロール群より明らかに短命であった。その理由として、視力の消失により、おそらく飲水や食事がとれずに全身状態が悪化して死亡する状況が観察された。病理学的には、脳神経系や主要臓器に異常なく、網膜萎縮が見られた。とくに外顆粒層と内顆粒層の比の異常がはっきりしており、ヒトで言う網膜色素変性症に近い所見が得られた。これまで、SCAN1患者における神経細胞の脱落の機序は、単なるloss-of-functionの序ではなく、TDP1-H493R-DNA complexのtoxicityが発症に関与していることを報告してきた。また、Tdp1のLoss-of functionが引き起こす現象について、抗ガン剤への耐用性の低下がわかっていたが、今回の発見で、photo-stressによる網膜細胞の耐用性にも問題を引き起こす可能性が考えられた。一本鎖DNA修復過程Single strand Break repair(SSBRs)と網膜神経細胞の障害について、さらに追求していく必要がある。我々は、末梢神経障害を伴う小脳失調症をspinocerebellar ataxia with axonal neuropathy 1 (SCAN1)と名づけた。我々はその原因としてTDP1の異常を同定した。そのTdp1は、おもにトポイソメラーゼが引き起こす一本鎖DNA切断を修復するシステムにかかわる酵素である。近年、TDP1がその他のDNA修復にも関与することが明らかとなってきた。本症は、一本鎖DNA修復と関連した新しい疾患発症機序が考えられている。しかし一方どのように一本鎖DNA修復障害が神経変性を引き起こすのかについては未解明である。我々は、本症の神経変性の機序を明らかにするため、ノックアウトマウスを作成し、SCAN1の発症機序の解明を行った。解析では、Tdp1ノックアウトマウスは、8ヶ月齢までは神経症状を呈さなかったが、今回さらに長期間の観察による神経系への影響を確認した。その結果、マウスは生後280-330日あたりで、急激なやせを伴い死亡する現象が見られ、コントロール群より明らかに短命であった。その理由として視力の障害が考えられ、その後栄養障害、脱水を来すことが短命の理由と思われた。眼球の病理所見は網膜萎縮が見られ、とくに外顆粒層と内顆粒層の比の異常がはっきりしていた。網膜萎縮の機序として、光ストレスや活性酸素によるDNAの障害が網膜変性の機序と関連と考えられ、DNA修復、ミトコンドリア関連など、多方面からその機序を検討している。これまで、SCAN1患者における神経細胞の脱落の機序は、単なるloss-of-functionの序ではなく、一本鎖DNA修復過程Single strand Break repair (SSBRs)と網膜神経細胞の障害について、さらに追求していく必要がある。以前我々は末梢神経障害を伴う小脳失調症をspinocerebellar ataxia with axonal neuropathy 1 (SCAN1)と名づけた。本症の神経変性の機序を明らかにするため、モデルマウスの解析を行った。Tdp1ノックアウトマウスは、8ヶ月齢から、徐々に視力低下を伴い、歩行障害などの神経系への影響を確認した。マウスは10ヶ月齢あたりで、急激なやせを伴い死亡する現象が見られ、コントロール群より明らかに短命であった。我々は今回マウスの視力の消失の原因について、様々な検討を行った。病理学的には、網膜萎縮が見られた。

とくに外顆粒層と内顆粒層の比の異常がはっきりしているため、光ストレスによる症状の早期の発現がみられるのかを検討したが、光ストレスでは発症を誘発することが出来なかった。またDNAの修復機構にTDP1がミトコンドリアで強く働いていることから、ミトコンドリアのDNA修復の異常について検討した。高齢のTDP1ノックアウトマウスにおいて、筋ミトコンドリアの病理学的な探索では、コントロールに比し、ミトコンドリアの異常は検出できなかった。さらにマイクロアレイによるノックアウトマウス小脳細胞における転写能の検討を行ったが、その影響は軽微であり、TDP1の欠失にかかわらず、明らかな転写の異常は認めなかった。これまでの病態解析からは詳細な、発症メカニズムを特定することは出来なかったが、一本鎖DNA修復過程Single strand Break repair (SSBRs)と網膜神経細胞の障害について、さらに追求していく必要がある。
ミトコンドリア前駆体アンフォルダーゼの研究

前駆体蛋白質のミトコンドリア輸送の過程で細胞質に於て機能するMSFの構造、機能ならびに作用機序をinvitro及びin vivoにおいて明らかにすることを目的として本研究を行なっている。本年度の補助金によって次の事柄を明らかにした。(1)MSFのcDNAクローニング精製したMSFの大小サブユニット(MSF_L、MSF_S)の部分アミノ酸配列をもとにPCR法によって両サブユニットのcDNAクローンを分離し、それらの製造決定を行なった。MSF_L、MSF_Sともに、14-3-3と命名された蛋白質ファミリー属している。大腸菌内で過剰発現したのちに精製した両サブユニットはミトコンドリア前駆体を認識しそのミトコンドリアへの輸送を促進した。但しラット肝より精製したMSFよりも活性は弱く、ATPase活性も示さなかった。真核細胞内での翻訳後修飾が必要と思われる(投稿準備中)。(2)MSFのペプチド認識の特異性MSFはミトコンドリア標的化配列に対する合成ペプチドに依存して高いATPase活性を出すことを見いだした。この活性を指標にして様々な合成ペプチドを検討した結果、ミトコンドリア標的化配列に対して極めて高い特異性を持つことが明らかになった。その認識には標的化配列に含まれる塩基性アミノ酸が重要であった。ミトコンドリア標的化配列がMSFに結合すること、ATPの加水分解によってその配列がMSFから遊離することを示した(投稿準備中)。(3)MSFとミトコンドリア前駆体蛋白質との相互作用精製した基質量の前駆体蛋白質を用いて解析を行ない、MSFが、ほどけた構造の前駆体と結合してそれを安定化すること、ATPの加水分解によってその前駆体を遊離すること、ミトコンドリアに輸送されることが出来ない凝集した状態の前駆体を認識しATP依存的にそれらを解きほぐす活性を持つことを明らかにした(投稿準備中)。
伝導性膜を用いる^<18>Fイオンの捕集と^<18>F-標識PET薬剤合成

電気化学的手法による新しい^<18>F-標識合成法を開発することを目的に、^<18>O-濃縮水をターゲットとし製造される^<18>F-イオンを、伝導性のある膜を用いて効率的かつ簡便に分離捕捉する方法を検討した。1)^<18>F-イオン捕集システムの確立:基本構成として、活性炭入り濾紙を陽極、白金金網を陰極、数枚の分析用ペ-パ濾紙を絶縁膜に選び、これらが出来るだけ相互に密着した構造を取るシステムを設計した。膜の接液面積をできるだけ小さくし、できるだけ少量のターゲット水・反応溶媒で膜が満たされることを念頭に置き、種々の捕集容器を組み立ててその有用性を捕集効率の点から実験的に評価した。2)^<18>F-イオン捕集条件の最適化:最も高い^<18>F-イオン捕集効率を示した構造の容器を用いて、伝導性膜の種類(活性炭入り濾紙、種々の炭素繊維)、両極間の電圧、絶縁膜の厚さ、^<18>F-イオンを含むターゲット水(2mL)の膜を通過する流速、の4つのパラメータを変化させ、^<18>F-イオンの捕集率との関係を求めた。その結果、電圧に関しては、4Vまでは急速に上昇するがそれ以降ではほぼ一定であった。絶縁膜の厚さとの関係は、挿入する膜の枚数に反比例してほぼ直線的に減少した。流速に関してはその増加とともに急速に減少し、全量通過に要する時間による減衰を考慮しても0.1mL/minが最適であった。4種の炭素繊維について^<18>F-イオン捕集効率を求めた結果、その性状と形状に依存してかなりな割合で増減することが明らかになったが、いずれも活性炭入りの濾紙を上回ることはなかった。最適化された条件下では約90%の効率で^<18>F-イオンを捕集出来ることが明らかになった。3)^<18>F-標識法の開発:現在最適化された方法で捕集した^<18>F-イオンを用いて、^<18>F-標識酢酸をモデル化合物に選び、逆電圧下種々のパラメータで標識収率を求め最適な条件を検討中である。
パルス変調引力顕微鏡の開発と水溶液中における分子認識反応の解析

絶縁体基板裏側電極からの電位変調について表面電界分布計算を行ったところ、表面吸着試料に対して充分に意味のある大きさを持つことが計算から明らかになった。DNAと翻訳タンパク質の系において、分子分極の違いを反映した特徴的なコントラストの反転を観測した。これらの結果は、絶縁体表面において、個々の分子の静電的特性を画像化できることを意味しており、パルス変調引力顕微鏡実現の基礎となるものである。パルス変調引力顕微鏡を開発し、電気分極の画像化を行い、形状画像とともに分子層における分極の時間分解計測を行う手法を開拓する。(1)引力情報の画像化:トポグラフと分離して、トポグラフと同時に引力画像を得る方法を確立する。(2)パルス変調引力顕微鏡の開発:パルス引力を検出し、時間分解引力顕微鏡を開発する。(3)分子分極の時間分解画像化:有機光太陽電池など良く知られた分子分極系について、分子ドメインと同時に分極や引力の画像計測を行うことにより、ドナー、アクセプタードメインの構造と分極との関係を明らかにする実験を行い、パルス変調引力顕微鏡の有用性示す。試料一探針間に働くパルス引力を検出するシステムを開発した。時間分解計測を行うために、カンチレバーの運動と同期して、試料一探針間にパルス引力を誘起する。このときの引力を周波数シフトとして検出した。周波数シフト法を用いるために、カンチレバー振動は自励発振により励起されている。従って、カンチレバーの振動とパルス引力を誘起するパルス電位やパルス光を同期させるための外部基準信号は無く、振動周波数は常に変動している。そこで、カンチレバー振動の一回ごとのストロークを検出してトリガー信号を生成することで、カンチレバーの運動と同期してパルス電圧印加やパルス光照射するシステムを構築した。カンチレバー振動の振幅が一定になるように、試料位置のz軸フィードバックをかけることにより、カンチレバーの振動中心と試料表面の距離を一定に保った。これにより、トポグラフ測定を行いながら、これと分離する形で引力成分の画像取得を同時に行うことができる測定システムを確立した。シリコン単結晶を試料に用いて、構成した計測システムの動作検証と特性評価を行った。パルス光照射時に生成する表面起電力を利用して、試料一探針間にパルス静電引力を発生した。このパルス静電気力とカンチレバー運動の位相関係を変化したとき、周波数シフトが鋭敏に反応することを見出し、本計測システムで時間分解静電気力計測が可能であることがわかった。本研究の目的であるバイオ分子の静電的性質を調べるには、絶縁体基板を用いる必要がある。鋭利な探針先端に誘起される不均一電界を利用することで、絶縁体基板上でも導体基板と同様の分子やナノ粒子の電荷イメージングが可能であることがわかった。さらに静電気力の電位スペクトルを測定したところ、二次曲線と一致することから、絶縁体基板上においても、導体基板を用いたときと同様の解析方法が利用可能であることがわかった。表面が水に接した絶縁体基板の裏側電極に電位をかけ、表面に誘起された電気二重層による力の変位を検出を試みた。引力検出を行うために周波数シフト法を採用した。カンチレバーは自励発振で周波数は常に変動している。カンチレバーを自励発振したときの振幅をフィードバック信号として用いて、表面と振動中心の距離を一定に保ちながら周波数シフトを検出することで、表面分極による静電気力を検出するシステムを構築した。基板裏側にかけた変調信号と同期した周波数シフトの成分を検出することができた。周波数シフトを与える引力には、基板全体とカンチレバー全体の間にかかる静電引力と表面上の局所分極と探針先端のみの間にかかる静電引力に大別できる。前者と後者の区別を行うために、試料-探針間距離を変えながら、振幅と周波数シフトの変化の測定を行った。振幅は、探針が基板から遠いときから、基板裏側電極による変調が観測された。このことは、誘電体である水を媒質として、基板とカンチレバーの間に巨視的なコンデンサーが形成されていることがわかる。しかし、周波数シフトの変調は、探針が表面に接触する距離になって初めて現れることがわかった。したがって、周波数シフトは、基板裏側電極による変調による局所的な相互作用を検出できることがわかった。ただし、この周波数シフトには、巨視的変調によるフォースモジュレーションの項が含まれていると考えられる。今後、電気二重層などによる局所的静電相互作用による引力成分の分離を行う必要があることが明らかになった。水溶液中における分子認識反応の検出について、定量的な評価を行った。大振幅自励発振を行い、振幅フィードバック条件下で分子認識の引力による周波数シフト画像と周波数シフト値の解析を行った。試料には、レセプター分子としてアビジン分子を用い、リガンドとしてビオチン分子を用いた。ビオチンは、シランカップリング反応を利用して、分子鎖を介して、カンチレバーに結合されている。周波数シフト画像は、振幅フィードバックにより同時に取得したトポグラフよりも明らかに拡がって観測された。

トポグラフでは、カンチレバーの曲率半径と考えられる大きさで観測されるが、周波数シフト画像は、2倍を越えて拡がって観測された。これは、ビオチンが長さを有する直鎖分子を経て、チップ表面に固定されているため、チップの最も突出した点より、一回り大きな範囲から検出が始まるためであると考えられる。一方、分子認識による周波数シフトの値は-140Hzであった。これを力に換算すると約820pNとなった。この力の値は、これまでフォースカーブ法で測定されていた値に比べ数倍大きい。カンチレバー振動の各ストロークがそれぞれ、フォースカーブの測定に対応する。共振周波数100kHz程度のカンチレバーを用いた場合の負荷速度はフォースカーブ測定の時に比べて、約2桁大きいためであると考えられる。これは、これまでのフォースカーブ測定では得られなかったエネルギー領域の測定を行っていることに対応するので、本手法の特徴の一つであるといえる。これまでに確立した時間分解静電気力計測の方法を絶縁体表面に適用するために、絶縁体基板の裏側電極にバイアスを与えた場合の試料表面と探針先端周辺の電位分布について検討した。まず、有限要素法による計算を行った結果、探針直下には探針先端の周辺から電場が張り出すこと、また、絶縁体内部にも電位勾配が生じることがわかった。典型的な走査プローブ顕微鏡の動作条件として、試料-探針間距離5nm、探針先端の曲率半径5nmを仮定すれば、基板に1mm程度の厚い基板を用いても、基板裏側電極の約10%の電位が表面に現れることがわかった。従って、絶縁体基板を用いた場合でも、基板裏側電極を用いて、実験的に有意な大きさの電界変調が可能であると結論できた。そこで、実験により上記の計算結果の検証を行った。基板裏側電極から電場変調をかけて、マイカ表面に吸着した金微粒子について、トポグラフ像と静電気力画像の測定を行った。金微粒子のサーファクタントが非極性分子のときには、トポグラフは観察できるが、対応する静電気力画像は得られない。一方、サーファクタントが極性分子のときには、静電気力画像が得られることから、絶縁体基板上に配置された分子分極の時間的変化を計測可能であることがわかった。また、マイカ表面上のDNAでは、リン酸イオンによる負電荷が観察された。したがって、絶縁体表面における電荷の生成、消滅も計測可能であることがわかった。上記の結果から、パルス変調引力顕微鏡測定における静電的時間分解測定は、絶縁体表面上の分子やナノ構造体に対して適用できることが明らかになった。このことは、デバイス構造や生体系などへの応用が可能であることを意味しているので、応用上きわめて重要である。
Ｆｅ－Ｓｉ系溶液を用いた高品質単結晶ＳｉＣの低温高速ＦＺ成長法の物理化学的研究

[1]Si系溶融合金中のSiC微粒子の粒成長昨年度は1600-1900°Cにおいて溶融Si中の3C-C、4H-、6H-SiCの粒成長挙動を調査し、晶癖面と粒成長の差異を明らかにした。本年度は、溶液成長法の主要な溶液系とされているSi-40mol%Cr合金中の4H-SiC微粒子の粒成長挙動とAl添加の影響を同温度において調査した。1700°C以上において、溶融Siに比べてSi-40mol%Cr合金中において4H-SiC粒子が大きく粒成長する傾向にあり、またアスペクト比が小さい傾向にあった。次にSi-40mol%Cr-4mol%Al合金中ではSi-40mol%Cr合金の4H-SiCよりもアスペクト比が大きい傾向にあった。このことよりSi-40mol%Cr合金にAlを添加することによって、基底面の{0001}の界面安定性が向上することが示唆された。またAlの添加により4H-SiC粒子の成長速度が低下した。Si-40mol%Cr合金にAlを添加しても炭素溶解度が変化しないため、Al添加によりSi-40mol%Cr合金とSiC結晶間の界面エネルギーが低下することを推定した。以上の合金中粒成長挙動から得られた知見に関して、学術誌への投稿準備を進めている。[2]SiCの溶液成長界面の分子動力学シミュレーション固液共存系の計算に好適なポテンシャル関数を決定するため、3種類のTersoffポテンシャルについて、Si、SiC、Diamondの比熱、密度およびSi-C溶液の混合熱を比較し、T_94ポテンシャル関数を選択した。Si-50mol%C溶液とSiCの各結晶面が共存した固液界面セルを3300-4000Kにて3-6ns間保持して界面の移動量を解析した結果、3800K以下でSiCが成長した。各面方位における成長速度は、[1]で示した晶癖に合致するような傾向が得られた。また、4H-SiCの溶液成長で重要な{0001}、{10-10}、{10-12}の界面成長の大規模計算を行った結果、{0001}は層状成長する一方で、{10-10}と{10-12}はラフ界面として成長する様子が捉えられたことから付着成長機構であることを推定した。以上の成果を学術論文として投稿している。29年度が最終年度であるため、記入しない。1. FZ法を用いたSiCの溶液成長の育成条件の検討高周波誘導加熱炉を用いて、原料基板(多結晶SiC、φ18mm)と種結晶基板(単結晶4H-SiC(000-1)、10mm角)間でFe-40mol%Si溶液を担持し、4H-SiC単結晶が安定に成長する条件を検討した。実験中は種結晶を1780°C(20rpm)、原料を1800°C(0rpm)に制御した。溶液の重量(2-5g)と基板間距離(8-12mm)を変化させて1時間成長を促した結果、溶液のメニスカス形状に応じて種結晶の三相界面近傍の温度が下がり雑晶が形成されることが確認された。雑晶が抑制された条件では、種結晶の外周部から中心へ向かってステップフローが進行していた。またステップがバンチングして界面が荒れており、合金溶液の組成と熱流動の改善が必要であることが分かった。2. SiCと合金溶液間の界面物性の評価に向けたSiC微粒子の粒成長挙動の調査溶液成長時の界面の平滑化の指針を得るため、系の界面エネルギーを駆動力とする粒成長を用いてSiCと合金溶液間の安定晶癖面と界面物性の評価を試みた。3C-、4H-、6H-SiC微粒子とSi粉末を混合して作製したペレットを高周波誘導加熱炉を用いて1600-1900°Cで0-8時間加熱して粒成長を促した。SiC微粒子の晶癖面と粒子サイズをFE-SEMおよびEBSDを用いて評価した。3C-SiCは等方形状であり、晶癖面は{100}面と{111}面であった。また、4H-SiCは六角板形状であり、{0001}面、{10-10}面に加えて、{10-12}面が晶癖面として現れることを確認した。6H-SiCも六角板形状であり、{0001}面、{10-10}面、{10-13}面が得られた。3C-SiC微粒子が最も大きく成長し、4H-SiC、6H-SiCの成長は僅かであり、結晶多形によって異なる粒成長挙動を示した。当初計画していたFZ法によるSiC単結晶の低温高速溶液成長は、定性的な雑晶抑制の条件が分かった。しかし、安定した高速成長の達成には至っていないため、進捗が遅延している。一方で、新たに系の界面エネルギーを利用したSiC微粒子の粒成長挙動の調査を開始し、合金溶液中でのSiC微粒子の安定晶癖面を明らかにすることができた。今後、3C-、4H-、6H-SiC微粒子の成長速度の差異を定量的に評価して学術論文を投稿する予定である。

以上の理由から、おおむね順調に進展していると評価する。[1]Si系溶融合金中のSiC微粒子の粒成長昨年度は1600-1900°Cにおいて溶融Si中の3C-C、4H-、6H-SiCの粒成長挙動を調査し、晶癖面と粒成長の差異を明らかにした。本年度は、溶液成長法の主要な溶液系とされているSi-40mol%Cr合金中の4H-SiC微粒子の粒成長挙動とAl添加の影響を同温度において調査した。1700°C以上において、溶融Siに比べてSi-40mol%Cr合金中において4H-SiC粒子が大きく粒成長する傾向にあり、またアスペクト比が小さい傾向にあった。次にSi-40mol%Cr-4mol%Al合金中ではSi-40mol%Cr合金の4H-SiCよりもアスペクト比が大きい傾向にあった。このことよりSi-40mol%Cr合金にAlを添加することによって、基底面の{0001}の界面安定性が向上することが示唆された。またAlの添加により4H-SiC粒子の成長速度が低下した。Si-40mol%Cr合金にAlを添加しても炭素溶解度が変化しないため、Al添加によりSi-40mol%Cr合金とSiC結晶間の界面エネルギーが低下することを推定した。以上の合金中粒成長挙動から得られた知見に関して、学術誌への投稿準備を進めている。[2]SiCの溶液成長界面の分子動力学シミュレーション固液共存系の計算に好適なポテンシャル関数を決定するため、3種類のTersoffポテンシャルについて、Si、SiC、Diamondの比熱、密度およびSi-C溶液の混合熱を比較し、T_94ポテンシャル関数を選択した。Si-50mol%C溶液とSiCの各結晶面が共存した固液界面セルを3300-4000Kにて3-6ns間保持して界面の移動量を解析した結果、3800K以下でSiCが成長した。各面方位における成長速度は、[1]で示した晶癖に合致するような傾向が得られた。また、4H-SiCの溶液成長で重要な{0001}、{10-10}、{10-12}の界面成長の大規模計算を行った結果、{0001}は層状成長する一方で、{10-10}と{10-12}はラフ界面として成長する様子が捉えられたことから付着成長機構であることを推定した。以上の成果を学術論文として投稿している。雑晶の無い条件で得られた結晶はステップが著しくバンチングして荒れていたことから、成長界面の形態制御が課題である。一般的に合金溶液へのAlの添加が成長界面の平滑化に効果的であり、本研究でもAlを添加して溶液成長を実施する予定である。一方で、SiC-溶液間の界面物性の重要性は認識されているが、知見が少なく溶液系の選択はトライ&エラーに依るところが大きい。そこで、Si溶液にAl、N、Fe、Crなどを添加した場合のSiC微粒子の粒成長挙動を調査して、添加元素の界面物性への影響を検討する。また粒成長挙動と溶液成長で育成した結晶の成長界面との対応関係を調査する。以上の結果をもとに、SiC微粒子の粒成長挙動を調査することで、SiC溶液成長で平滑界面が得られる溶液系が探索できることを提案する。29年度が最終年度であるため、記入しない。
プラズモニック・グラフェン

直径数百ナノメートルの穴の列(ナノホール列)を形成した金属薄膜における電磁波モード,及び,光の反射・透過スペクトルを評価するシミュレーション・ソフトウェアを開発した.これを用いて,三角格子状ナノホール列に対する反射スペクトルに現れるディップの起源を明らかにした.また,蜂の巣状ナノホール列において,グラフェン中の電子と同様のバンド構造が得られることを明らかにした。蜂の巣状ナノホール列を有する金属薄膜における電磁波モードを求めるために,散乱行列法を用いた数値シミュレーション・ソフトウェアの開発を行った.昨年度の研究で問題となっていた計算の収束性の悪さに関しては,因子分解則を適用することにより解決を図った.本研究課題では,蜂の巣構造の対称性を維持することが重要であり,ナノホールを円筒形に保つ必要がある.円筒形の界面に対して因子分解則を適用するために,仮想的な矩形構造への座標変換を施した.結果として安定で正確な計算が可能となった.上記のソフトウェアを用いて散乱行列の特異性を調べる事により,金属膜に局在した電磁波モードを探索した.結果として,ナノホールに強く束縛された電磁波モードが存在する事が分かった.このモードのフォトニック・バンドは,逆格子空間のK点の位置にディラック点を持ち,グラフェン中の電子のエネルギーバンドと良く似たバンド構造を有する.また,バンド構造は膜厚にはほとんど依存しないが,バンド幅がナノホール間の距離に強く依存する事が明らかとなった.この電磁波モードの起源を解明するために,金属膜中の単一ナノホールに対する解析解の導出を行った.その結果から,このモードがナノホール中のHE11導波モードに由来する事が分かり,シミュレーションで得られたバンドの中心周波数がHE11モードの遮断周波数に一致する事が分かった.HE11モードでは遮断周波数において伝搬定数がゼロとなるため,膜厚に依存しないモードとなる.また,ナノホール間の結合は金属中の減衰波によって生じるため,このモードは強束縛モデルで記述可能である事が分かった.以上の結果より,ナノホールがグラフェン中の炭素原子と同等の役割を担い得る事が明らかとなり,今後ナノフォトニクスにおける「人工原子」としての活用が期待できる.直径数百ナノメートルの穴の列(ナノホール列)を形成した金属薄膜における電磁波モード,及び,光の反射・透過スペクトルを評価するシミュレーション・ソフトウェアを開発した.これを用いて,三角格子状ナノホール列に対する反射スペクトルに現れるディップの起源を明らかにした.また,蜂の巣状ナノホール列において,グラフェン中の電子と同様のバンド構造が得られることを明らかにした。直径数百ナノメートルの穴の列(ナノホール列)を蜂の巣状に形成した金属薄膜に注目し、その周りの電磁波モードに対するバンド構造を平面波展開法を用いて調べた。この系では、金属表面に生じるブロッホ波表面プラズモン・ポラリトン(BW-SPP)が、グラフェン中のπ電子系と同様のバンド構造を有すると考えられ、特に、逆格子空間のK点付近にディラック点が現れると予想される。実際に計算を実行したところ、いくつかの条件においてディラック点が存在する結果が得られた。この結果が確定的であれば、人工グラフェンと呼べる系を新規に発見した事になり、今後の大きな発展が期待できる。しかし、展開に用いる逆格子ベクトルの数に対する結果の収束性が悪く、確定的な結論はまだ得られていない。上記と並行して、時間領域有限差分(FDTD)法を用いたシミュレーションを行う環境を整備した。その上で、オープンソース・ソフトウェアであるMeepを用い、三角格子状のナノホール列を有する金属薄膜に対して反射スペクトルを求めた。計算結果を実験結果と比較する事により、反射スペクトルに現れるディップの一つがBW-SPPの共鳴励起に由来することを確かめると共に、もう一つのディップの起源に対して理論的な示唆を与えた。(K. Nakamoto, R. Kurita, O. Niwa, T.Fujii and M. Nishida, Nanoscale, 3, 5067 (2011).)この結果は、蜂の巣状ナノホール系を用いたバイオ・センサーを設計する上での重要な指針を与える。当初予想したよりも金属・絶縁体界面を平面波展開法で扱うことは難しく、計算の収束性が非常に悪い事が判明した。ディラック点が存在する結果は得られたが、結果の信頼性が低く、確定的な結論が得られていない状況にある。しかし、計算の収束性を悪くしている主要原因は突き止められており、既に新たな手法を用いたシミュレーションを開始しているので、次年度の早い段階で遅れを取り戻す事が出来ると考えている。まず、計算の収束性を改善するために、計算手法を一部変更し、散乱行列の方法とLifeng Liによって開発された因子分解則(L. Li, J. Opt. Soc. Am. A 13, 1870 (1996))を用いて、新たなシミュレーションを行なう。既にプログラムを作成し実際に計算を始めているが、新手法では計算時間が大幅に増大する事が分かり、アルゴリズムを一部修正すると共に、新規にワークステーションを一台導入することで、これに対処する予定である。新手法でのシミュレーションにより、2次元ナノホール列におけるディラック点の存在を確定し、ナノホール列リボンでのエッジ状態の存在を確認する。次に、ナノホール列に対する透過・反射スペクトルを評価する。上記の新手法を用いれば透過・反射スペクトルが容易に計算出来る。新手法とFDTD法と合わせて2つの手法を用いることで、スペクトルを詳細に検証することが可能と考えている。これにより、ディラック点とエッジ状態がスペクトルに与える影響を明らかにし、さらに、バイオ・センサーへの応用可能性を探る予定である。

次年度に使用する研究費があるが、これが生じたのは、東北大震災による交付額減額に備えて研究費の一部の使用を見合わせていたことにより、国際会議出席等が出来なかったためである。上記の計算時間増大に対処するために、当該研究費は、次年度請求する設備備品費と合わせて、50万円程度のワークステーションの購入に当てる予定である。他に、計算機環境の整備・メンテナンス等で物品費30万円、国際会議出席等で旅費30万円を次年度の研究費として請求している。
非同期式プロセッサの設計検証システムに関する研究

本研究では,非同期式回路の設計段階において,設計した回路が所望の入出力関係を実現しているかどうかを,手軽にまたインタラクティブに確かめることができる設計検証システムを開発することを目的とする.本研究の成果は以下の4点である.(1)非同期式回路を記述するハードウェア記述言語としてVerilog風の記述言語から(タイム)ペトリネットへの変換ツールを開発し,若干のモジュール・ゲートレベルの各種ライブラリを作成した.また,出力支援環境として,フォーマット文を入力ファイルに書くことにより,ユーザが必要な信号線の変化の様子のみを出力できるにようにした.(2)回路をペトリネットで表し検証すべき性質をペトリネットで表す検証器,回路をタイムペトリネットで表し検証すべき性質を実時間線形時相論理で表す検証器,および回路をタイムペトリネットで表し検証すべき性質をタイムペトリネットで表す検証器の3つの検証器を統合し,同一の回路記述を用いて,いろいろな方法で記述された性質を検証できるようにした.(3)最初の検証器については,階層的検証方式をとっているが,さらに,net unfoldingという一種の半順序関係に基づく方式を組み合わせることを試みた.完全に実装は終わっていないが,可能であることを確認し,方法論をある程度確立した.(4)約20の回路について検証を行い,検証効率,使い良さ等について検討した.以上より,本研究の目的はほぼ達成できたが,さらに出力支援環境の充実および半順序関係に基づく方式の実装・評価が今後の課題である.本研究では,非同期式回路の設計段階において,設計した回路が所望の入出力関係を実現しているかどうかを,手軽にまたインタラクティブに確かめることができる設計検証システムを開発することを目的とする.本研究の成果は以下の4点である.(1)非同期式回路を記述するハードウェア記述言語としてVerilog風の記述言語から(タイム)ペトリネットへの変換ツールを開発し,若干のモジュール・ゲートレベルの各種ライブラリを作成した.また,出力支援環境として,フォーマット文を入力ファイルに書くことにより,ユーザが必要な信号線の変化の様子のみを出力できるにようにした.(2)回路をペトリネットで表し検証すべき性質をペトリネットで表す検証器,回路をタイムペトリネットで表し検証すべき性質を実時間線形時相論理で表す検証器,および回路をタイムペトリネットで表し検証すべき性質をタイムペトリネットで表す検証器の3つの検証器を統合し,同一の回路記述を用いて,いろいろな方法で記述された性質を検証できるようにした.(3)最初の検証器については,階層的検証方式をとっているが,さらに,net unfoldingという一種の半順序関係に基づく方式を組み合わせることを試みた.完全に実装は終わっていないが,可能であることを確認し,方法論をある程度確立した.(4)約20の回路について検証を行い,検証効率,使い良さ等について検討した.以上より,本研究の目的はほぼ達成できたが,さらに出力支援環境の充実および半順序関係に基づく方式の実装・評価が今後の課題である.
放電加工機による絶縁性材料の任意形状加工

本研究は、申請者らが考案した、絶縁体物の任意形状加工を放電加工機で行う方法において、(1)加工原理の解明、(2)加工特性の向上に関する技術開発および(3)本技術の実用化装置およびシステムの改良、を目的として次のような実験を行った。(a)補助電極からセラミックスへと加工が進展する時の加工状態の変化を、工具電極の変位から測定した。また、このための装置を作製した。(b)補助電極材料、工具電極材料による加工特性の変化を調べた。(c)加工電気条件による加工特性の変化を波形解析システムを作製して調べた。(d)放電柱内の化学反応を、発光分光分析により解析した。(e)電源制御方式による加工特性の変化を調べ、市販の放電加工機に改良を加えた、絶縁性材料加工に適した加工機製造のモデルを作製した。本研究では、被加工物として難加工性セラミックスである窒化珪素(Si_3N_4)を主に用いて行い、以下の成果を得た。1。加工原理について:補助電極から被加工物に加工が遷移する時に、加工は殆ど進展せず被加工物表面に導電性皮膜を形成する領域、(遷移領域)が存在した。この導電性皮膜は、加工油と被加工物の解離により生じた炭素と導電性を有するα-SiCが認められた。発光分析結果から、放電柱には炭素、珪素、窒素、セラミックスの添加助材成分であるAl、工具電極成分および炭素と窒素が反応して形成したCNが認められた。また、この反応はエリンガム図から推定した平衡状態から、工具電極の成分で変化することが判明した。2。加工特性の向上に関する技術開発:回転、噴出加工および補助電極にTiN蒸着膜を用いることにより加工特性は、大幅に向上した。3。本技術の実用化装置およびシステムの改良:波形解析から得た結果を基に、電源制御方式を一部改良した、絶縁性材料加工のための放電加工機の初期モデルを制作できた。研究開始年である今年度は、申請者らが開発した絶縁性セラミックスの放電加工法の実用化を目指して、以下の項目について研究を行った。1、どのような絶縁性セラミックスの加工に本方法の適用が可能か。2、最適加工電気条件を調べるため、電圧・電流波形観察システム及び加工実績記録の装置の構築。3、負荷電気回路にLCR回路を挿入して、電気回路による加工特性の変化。この結果、次のような研究成果が得られた。1、酸化物であるアルミナ(Al_2O_3)以外の、Si_3N_4、Sialon、SiC、ZrO_2、AlN等の絶縁性セラミックスが加工できることを確認した。また、Al_2O_3も補助電極材料を選択することにより加工できることが判明した。2、極間における放電電圧・電流の波形を、出来るだけ多くの加工時間において検出する装置を作製しその性能を確認した。また取り込んだ波形をワークステーションにより、パタン認識を行い、各加工段階における正常放電状態の割合を計算するシステムを開発中である。さらに、加工の進展違伴う工具電極の変位から、補助電極の加工からセラミックスの加工に移るとき、導電性膜をセラミックス表面に形成するための遷移加工領域が存在することが分かった。この遷移領域の長さは、同じ被加工物でも工具・補助電極材料の組合せに異なることが分かった。また放電集中等の異常加工の発生は加工実績によっても検知できたので、これらに相当する放電波形も確認できるようになった。3、入力電気波形を制御することにより、加工特性は変化することが確認できたので、最適入力波形を可能とする放電加工機作製に関する基礎的な情報が得られた。以上結果から、来年度で行う予定である絶縁性材料の放電加工機作製に関する基礎的な情報がほぼ入手できた。1。2。

加工特性の向上に関する技術開発:回転、噴出加工および補助電極にTiN蒸着膜を用いることにより加工特性は、大幅に向上した。3。本技術の実用化装置およびシステムの改良:波形解析から得た結果を基に、電源制御方式を一部改良した、絶縁性材料加工のための放電加工機の初期モデルを制作できた。本研究は、申請者らが考案した、絶縁体物の任意形状加工を放電加工機で行う方法において、(1)加工原理の解明、(2)加工特性の向上に関する技術開発および(3)本技術の実用化装置およびシステムの改良、を目的として次のような実験を行った。(a)補助電極からセラミックスへと加工が進展する時の加工状態の変化を、工具電極の変位から測定した。また、このための装置を作製した。(b)補助電極材料、工具電極材料による加工特性の変化を調べた。(c)加工電気条件による加工特性の変化を波形解析システムを作製して調べた。(d)放電柱内の化学反応を、発光分光分析により解析した。(e)電源制御方式による加工特性の変化を調べ、市販の放電加工機に改良を加えた、絶縁性材料加工に適した加工機製造のモデルを作製した。本研究では、被加工物として難加工性セラミックスである窒化珪素(Si_3N_4)を主に用いて行い、以下の成果を得た。1。加工原理について:補助電極から被加工物に加工が遷移する時に、加工は殆ど進展せず被加工物表面に導電性被膜を形成する領域(遷移領域)が存在した。この導電性皮膜は、加工油と被加工物の解離により生じた炭素と導電性を有するα-SiCが認められた。発光分析結果から、放電柱には炭素、珪素、窒素、セラミックスの添加助材成分であるA1、工具電極成分および炭素と窒素が反応して形成したCNが認められた。また、この反応はエリンガム図から推定した平衡状態から、工具電極の成分で変化することが判明した。2。3。