hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
膜型受容体Rykを介した骨代謝作用の解明と骨粗鬆症治療への応用開発

Wnt/LRP5系が骨形成を促進するシグナルとして重要な働きを担うことが知られている。本研究はWntの共役受容体として機能することが最近新たに報告された膜型タンパク質Ryk(receptor-related tyrosine kinase)について、Wntによる骨形成促進作用への関与とそのメカニズムを解明することをめざして、骨芽細胞培養系を用いて解析を行うとともに、閉経後女性を対象にWntシグナル関連遺伝子の一塩基多型と骨密度の関連の解析を行った。本研究ではWntの共役受容体として機能することが最近新たに報告された膜型タンパク質Ryk(receptor-related tyrosinekinase)について、Wntによる骨形成促進作用への関与とそのメカニズムを解明することをめざして、本年度は以下の成果を得た。1.骨芽細胞系細胞におけるWnt/Ryk系の解析:マウス間葉系細胞株であるC3H10T1/2細胞を用いてWnt受容体およびRyk受容体の発現をRT-PCRおよびreal-time PCR法にて検討した。培養C3H10T1/2細胞はWnt受容体およびRyk受容体のmRNAをほぼ同等に発現していた。受容体の発現はWesterhblot法により、蛋白レベルでも確認された。2.siRNAを用いたLRP5受容体とRyk受容体のノックダウン:LRP5遺伝子とRyk遺伝子に対する合成siRNAを用いてC3H10T1/2細胞におけるそれぞれの受容体のノックダウン効率を検討した。LRP5遺伝子とRyk遺伝子は、それぞれreal-time PCR法によるmRNAの発現レベルで70-80%がノックダウンされていた。蛋白レベルでも受容体のノックダウンを確認した。受容体のshRNAを発現するウイルスベクター系を構築し、上記細胞に発現させてそれぞれの受容体をノックダウンした安定細胞株を現在作成中である。本研究はWntの共役受容体として機能することが最近新たに報告された膜型タンパク質Ryk(receptor-related tyrosinekinase)について、Wntによる骨形成促進作用への関与とそのメカニズムを解明することをめざし、本年度は以下の成果を得た。1.shRNAを用いたLRP5受容体とRk受容体のノックダウン:LRP5遺伝子とRyk遺伝子に対するshRNAを発現するウイルスベクター系を構築し、C3H10T1/2細胞に発現させてそれぞれの受容体をノックダウンした安定細胞株を作成した。それぞれの遺伝子の発現をmRNAならびに蛋白レベルで検討し80-90%のノックダウンを確認した。この細胞系を用いてWnt3aのconditionedmediumに対するALP活性、TCF/β-cateninを介した転写活性化への効果を検討した。2.LRP5遺伝子とRk遺伝子の一塩基多型と骨密度の関連解析:LRP5遺伝子とRyk遺伝子の複数の一塩基多型(SNPs)について健常者について予備的に検討を行った。これをもとに一般住民検診における骨密度検診受診者を対象に、それぞれの遺伝子の一塩基多型(SNPs)と骨密度の関連解析を開始した。骨密度検診受診者に対しては、ゲノムDNAの採取と遺伝子解析について文書にて同意を取得した。本研究はWntの共役受容体として機能することが最近新たに報告された膜型タンパク質Ryk(receptor-related tyrosine kinase)について、Wntによる骨形成促進作用への関与とそのメカニズムを解明することをめざし、本年度は以下の成果を得た。1.骨芽細胞におけるLRP5受容体とRyk受容体の機能解析:LRP5遺伝子とRyk遺伝子に対するshRNAを発現するウイルスベクター系を構築し、C3H10T1/2細胞に発現させてそれぞれの受容体をノックダウンした安定細胞株を作成した。この細胞系を用いてWntに対するALP活性、TCF/β-cateninを介した転写活性化への効果を検討し、LRP5受容体とRyk受容体での活性化機構の差異を明らかにした。2. LRP5遺伝子とRyk遺伝子の一塩基多型と骨密度の関連解析:LRP5遺伝子とRyk遺伝子を含むWntシグナル関連遺伝子の複数の一塩基多型(SNPs)について一般住民検診受診における骨密度検診受診女性を対象に、それぞれの遺伝子の一塩基多型(SNPs)と骨密度の関連解析を行った。既に報告のあるLRP5遺伝子の多型に加えて、Wntシグナル関連遺伝子について骨密度と関連のある遺伝子多型を見いだした。
思考力・判断力・表現力と知識・技能の能力をともに育成する体育科の指導計画の開発

本研究の目的は,次期学習指導要領の改訂で求められる「思考力・判断力・表現力」と「知識・技能」の能力をともに育成する体育科の指導計画を開発することである。石井(2011)は「改訂版ブルーム・タキソノミー」(以降RBTとする)は,知識と認知過程の二次元構造としてタキソノミーを再構築しており,「知識次元」は四つの知識のタイプを具体から抽象という組織原理の下で,「事実的知識」「概念的知識」「手続き的知識」「メタ認知的知識」の順に排列され,「認知過程次元」は,教育目標の行動的局面にあたり,「記憶する」「理解する」「応用する」「分析する」「評価する」「創造する」という六つのカテゴリーが,複雑性の原理によって排列されているとしている。この「知識次元」と「認知過程次元」のそれぞれが下位カテゴリーに分けられ,階層的に排列され,教育目標分類のための二次元図表が提示されている。石井(2011)は「特定の知識のタイプは特定の認知過程と結びつきやすい性質を持っており, RBTでは,『事実的知識』は『記憶する』と,『概念的知識』は『理解する』と,そして『手続的知識』は『応用する』と結びつきやすいことが指摘されている。」としている。つまり,「思考力・判断力・表現力」を育むためには,この「知識次元」の深まりと「認知過程次元」の深まりの両面を視野に入れ,知識を「記憶する」だけの学びではなく,概念を「理解」したり,学んだ知識や技能を「応用」したりする学習活動を単元計画の中に組み込む必要がある。このRBTの考え方に基づいた体育科の指導計画を作成し,実際に児童が知識を修得し,技能を高めていく過程で思考・判断・表現がどのようになされているのかについて,ワークシートの記述を分析することで検証した。このような指導計画で授業を行うことで,知識・技能の能力を高める中で思考力・判断力・表現力の能力も育成することが可能であることが示された。」としている。
終末期における心理的苦痛の緩和ケア評価プログラムの開発

文献レビューより1緩和ケア評価に必要な項目の生成を行った。次に2文献レビューで生成された項目と,既存の評価スケールを比較し新規性がある項目の生成ができたかを確認した。【平成30年4月7月】1は,関連ある国外文献数81件,国内文献11件より以下に示す項目があった。身体的苦痛(疾患の進行に伴う身体症状,呼吸困難,疼痛など),社会的苦痛(役割の喪失や経済的負担,他者との関係性の変化,望まない死に場所,療養施設のケアの質等),心理的苦痛(不安,恐怖,悔い,自己の死に対する意味づけ,受け入れざるを得ない死に対する葛藤,うつ症状,死への対処など),スピリチュアル的苦痛(宗教,孤独,価値,信念,尊厳など)であった。平成30年度の予定は,終末期心理評価尺度(仮名)』を作成することであった。尺度項目生成は,文献レビューおよび既存の心理尺度よりを緩和ケアの評価視点で抽出した。しかし,心理学的側面,死生学的側面,宗教学的側面より再考するに至っていない。その点が進捗としてはやや遅れているところである。項目の妥当性検証は,対象が終末期であるため,分析可能な件数が得られないことも予測し,直接面接調査を行うことを考えている。そのため,訪問看護ステーションおよび病院で倫理審査を受け承認された。終末期患者の同意が得られれば質問紙調査を開始する予定である。現時点で,患者個人から研究の同意を得られていない。研究進捗の遅れの原因として考えられるのは,1項目生成の最終確認協議の遅れ,2終末期患者で研究同意が得られにくい,3緩和ケアの質を問うため敬遠する施設があることが考えられる。そこで,対応策として,1を6月初旬に終了し,2018年現在8423の緩和ケア認可施設に質問紙調査を依頼を行う。返信を持って同意とする。2を解決するために,さらなる調査施設を探す。3は,緩和ケアの質の向上のために評価の必要性と今後の見通しについて詳細な説明を行うこととする。調査施設は特定できないようデータ加工するが,希望があれば調査の結果を開示することとする。研究成果としては調査施設全体として公表する。終末期患者の心理は,がん患者の場合,急速に症状が悪化する可能性がある。緩和ケア施設に入居直後とケア開始後1週間程度で調査を依頼する。やや遅れているが本年度前期内に調査することで遅れを解消できると考える。また,死の不安に対する研究では,(2018年NANDA-I Editor's Award)International Journal of Nursing Knowledge」の評価を得た。本研究で得られた結果も緩和ケアの参考としたい。本年度は,緩和ケアの評価尺度の妥当性検証調査と分析を8月までに終了する。その結果より,緩和ケアに必要な看護介入と成果について提案する。緩和ケア評価の妥当性検証,項目生成に関する文献レビューを論文化し公開する。死の概念モデルの検証を行う。具体的には以下の通り行う。1.尺度の信頼性,妥当性の検討,質問紙調査を行う。2)対象:緩和ケア病棟に入院中で質問紙に回答可能な健康状態の患者300名程度3)データ収集方法:(1)国内の緩和ケア病棟有する施設(8423の施設長,看護部長へ文書をもって研究協力の内諾を得る。(2)施設長,看護部長の内諾が得られたら研究目的,研究の主旨について説明に伺う。(3)当該等施設の倫理審査を受ける。(4)倫理審査で承認が得られたら,施設長,看護部長に研究協力の同意を得る。(5)協力が得られる施設の研究対象者となる患者に質問紙を配信し,返信用封筒にて回収する。(6)研究対象者からの返信をもって,研究協力の同意を得たものと判断する。4)分析方法:質問項目の質問票を作成し,理論的モデルと患者から得られた回答データが合致しているかを以下の方法を用いて検証する(1)尺度の項目と全体相関の検討を行う。(2)信頼性の検討全体および因子分析によって抽出された下位尺度ごとに内的整合性を検討する。さらに,確証的因子分析を行い,因子構造とデータとの一致性について検討する。(3)妥当性の検討尺度の妥当性の検討には,構成概念妥当性を検討するため,主因子法,プロマックス回転を用いた因子分析を用いて終末期心理尺度の構造が概念モデルと同様となるかを検討する。理論的モデルと回答データの合致については,共分散構造分析を用いる。共分散構造分析は観測データの背後にある,様々な要因の関係を分析する統計手法である(豊田,2007)。患者の回答データと理論的モデルの一致をみる。研究実績は、1終末期がん患者の診療録の内容の再分析。2終末期がん患者の面接を行うための手続き。3文献レビューによる終末期がん患者の心理に関する課題の明確化をおこなった。4Dobratz(1990):Life Closure Scale(LCS)日本語版作成に向けて尺度項目の翻訳をおこなった。尺度項目の意味と翻訳の齟齬を解消するため共同研究者と協議し翻訳の間違いを修正した。5質分析の一部を国際学会TNMC & WANSで面接結果を発表した。具体的には、1は、身体的苦痛では、疼痛、呼吸困難、便秘、不眠、倦怠感に悩まされていた。

心理的苦痛では、日常生活が全面的にできなくなり、身体的苦痛が増につれ間近に迫る死を自覚し絶望感、無力感、不安、恐怖、寂しさを訴えていた。対象記録の13名全員にせん妄や意識混濁、不穏行動がみられたが、身体的苦痛や心理的苦痛を表出することはできていた。しかし、記録からだけでは、患者が発した言葉の意味を確認することができない。そこで、概念モデル構築に向けて、終焉間近な患者の面接を計画した。2は、8月にA施設より終末期患者の面接の内諾を得た。貴重な機会であるため、共同研究者と協議の結果、確実に正確なデータを得るため文献レビューを再度行い課題を明確にして面接調査を行うこととなった。3は、文献レビューは継続的に行っていたが、終末期患者の心理を説明する理論の変遷、実証的研究で明らかになっていることを明確にした。その結果、死亡前2週間くらい前になると急速にあらゆる機能が低下し死の接近が解りやすい。そのため死に対する苦悩を生じやすい(Lynn,J.:2001)といわれながらもこの時期の心理的変化の実証的研究および説明理論もないことが明らかとなった。4は、Dobratz(1990):Life Closure Scale(LCS)の尺度項目を日本語の整合性を確認した。終末期がん患者の直接的な面接の内諾をえるための手続き(倫理審査、患者確保)に時間を要した。また、内諾を得ても、貴重な機会を逃したくないため面接内容を再考する必要があった。そのために文献レビューを複数回行い、終末期がん患者の死亡まで23週間の心理を説明する理論、また実証的研究を抜粋するのに時間を要した。本研究を進めるうえでの計画的な準備が不足していたと考ええる。さらに共同研究者との協議が遅れ進捗状況の報告や、研究の分担作業の手配が遅れた。30年度は研究の進捗と分担を再確認し、研究リーダーとして分担作業をより明確にする必要があると感じている。また、終末期患者ということで対象者の確保が非常に困難であることも予測し、一人でも面接の機会があれば即対応できるような計画をする必要があると考えた。がん患者の面接は当該施設より、施設の看護師(患者とのなじみのある人)が行うことが条件であったため、面接ガイドラインの内容を入念に打ち合わせる必要があった。面接内容を明確に示すことができなかったことで、本研究の進捗が遅れた。結果として質的研究より終末期患者の心理の概念モデルの構築が次年度に繰り越された。文献レビューより1緩和ケア評価に必要な項目の生成を行った。次に2文献レビューで生成された項目と,既存の評価スケールを比較し新規性がある項目の生成ができたかを確認した。【平成30年4月7月】1は,関連ある国外文献数81件,国内文献11件より以下に示す項目があった。身体的苦痛(疾患の進行に伴う身体症状,呼吸困難,疼痛など),社会的苦痛(役割の喪失や経済的負担,他者との関係性の変化,望まない死に場所,療養施設のケアの質等),心理的苦痛(不安,恐怖,悔い,自己の死に対する意味づけ,受け入れざるを得ない死に対する葛藤,うつ症状,死への対処など),スピリチュアル的苦痛(宗教,孤独,価値,信念,尊厳など)であった。平成30年度の予定は,終末期心理評価尺度(仮名)』を作成することであった。尺度項目生成は,文献レビューおよび既存の心理尺度よりを緩和ケアの評価視点で抽出した。
住宅用地下室の簡易熱損失計算法の開発・研究

以下の3項目について研究を実施した。(1)既往の簡易計算方法のレビュー:既往の方法15種類について全般的なレビューを行い,そのうち国際的に知られている計算方法5種類(ASHRAE Fundamentalsの方法,Mitalasの方法,CEN/ISO Draft (Anderson)の方法,KrartiのIPTE法,AkridgeのDAGT法)のコンピュータプログラムを作成し,予測結果を相互に比較し,それぞれの長所・短所を調べた。その結果,一番多くの長所を備えた方法がMitalasの方法であること,但し,この方法には実際の計算対象に近い条件を大量の一覧表から抽出しなければならない繁雑さと近似上の問題点があることを明らかにした.この点の改善を新しい簡易計算法の開発の目標に定めた。(2)試験家屋を用いた暖房実験:2室系試験家屋に熱流センサーを追加設置し,試験室の温度が20°C前後となるように制御した状態で,暖房用エネルギー消費量,壁面からの熱損失量等を実測した。測定開始は96年11月初旬で,現在も継続中である。少なくとも今後2暖房シ-ズンは同一条件で実測を継続し,信頼性が高く詳細な検証用データを得る計画である。(3)熱損失の簡易予測計算法の開発:土壌の熱物性値,地下室の形状,壁体断熱仕様をパラメトリックに変化させた熱損失の2次元/3次元FEM計算を総計276通り行い,得られた結果をLevenberg-Marquardt法によって回帰分析して算定式を誘導した。式は(1)地下室壁部分,(2)床外周部分,(3)床中央部分に区別され,それぞれ,地下室の寸法,土壌の熱伝導率,断熱材の熱抵抗の関数で表現される。この式によれば,(1)に述べたMitalasの方法による結果を上回る精度で予測が可能であることを既往の検証用データを用いて確認した。今後,(2)のデータによる検証を行い,算定式をリファインする予定である。
加齢に伴う水晶体白濁度と視環境変化の研究 -空間周波数特性と色彩識別能力-

本研究では、加齢にともなう視覚機能変化として、白濁度を透明から白色までを256階調(任意単位:0;白濁なし256;白濁)に分けて評価することにより水晶体の白濁を定量的にとらえ、色彩識別能力と空間周波数特性にあたえる影響について明らかにすることを目的としている。色彩識別能力と空間周波数特性(コントラスト感度)を測定するにあたり、物体色(紙パネル)と光源色(LCD:液晶ディスプレイ)による2種類の実験用テスタを製作した。光源色実験では、昼間・夜間照度条件(昼間:10001x、夜間:01x)の2条件とした。物体色実験は、昼間照度条件(10001x)1条件とした。コントラスト感度測定の結果では、物体色、光源色とも高周波数領域でいずれの白濁度の層においてもコントラスト感度の低下が認められた。しかし光源色では、白濁度数150以上で中間周波数領域からのコントラスト感度の低下が認められ、夜間照度条件に比較して昼間照度条件(10001x)においてその傾向が強く認められた。色彩識別能力測定では、光源色用の100コマのテスタをコンピュータ上で並び替え実験ができるソフトを作成した。年齢・白濁度別エラースコアを比較すると、物体色では、緑青色系統と青紫色系統のエラースコアが高く、年齢では50歳以上、白濁度では白濁度数100以上を境にエラースコアは顕著に高くなった。光源色では、白濁度50以下では緑青色系と青紫系のエラースコアが高く、50以上では、加えて紫赤色系のエラーが高くなり、白濁度100以上ではその傾向は顕著であった。光源色表示における色彩、空間周波数特性へあたえる白濁の影響が示唆され、その傾向は昼間照度条件において顕著であることが明らかとなった。加齢にともなう視覚機能変化の中でも視認性の低下については、視力、調節機能、空間周波数特性、水晶体白濁が強く影響する。特に水晶体が白濁してくると、光が眼底に届く前に散乱されてしまい、網膜に像を結ぶ働きが弱くなり、かすんで見えるようになる。また、加齢に伴う黄変化も重要な問題である。本研究では、スリット撮影画像解析(NIDEK:EAS-1000)で、白濁度を透明から白色までを256階調に分けて評価することにより水晶体の白濁を定量的にとらえること、加齢に伴う水晶体の白濁が、視認性、特に、色彩識別能力と空間周波数特性にあたえる影響について明らかにすることを目的としている。H18年度は、表示条件である、物体色(紙パネル)と光源色(LCD:液晶ディスプレイ)による2種類の実験用テスタ作成を行った。コントラスト感度測定・LCD用に、ビジョンコントラストテスタ(Vistech社製)をスキャナーでコンピュータに取り込み、実験照明条件(D65・10001x)(セリック:XC-100A)で、分光放射輝度計(コニカ:CS-1000S)にて、輝度と色度を計測しプロットした(コニカ:CS-S10w)。物体色の測色値と同じくなるよう、コンピュータに取り込んだテスタの画像変換を確認しながら作成した。次に、色彩識別能力測定・LCD用テスタ作成のため、100Hueテスト(日本色研:ND-100)の100コマについて、実験照明条件で、デジタルカメラ(ソニー:DSR-A-100K)で撮影した画像データをコンピュータに取り込み、測色し色度図上にプロットした。100Hueテストの測色値に同じくなるよう、パソコンに読み込んだテスタの画像変換を行い100コマ作成した。100コマのテスタをコンピュータ上で並び替え実験ができるようソフト作成中である。H19年度は、被験者の水晶体白濁度測定と並行して、実験・解析を行う。
老年期における抑制機能の変化-行動調節機能の観点からの検討-

本研究は,老年期に見られる抑制(inhibition)の機能の変化を,特に行動調節機能の観点から検討した.老年期になると,一般に行動の柔軟な転換性がなくなり,様々な場面で(例えば,自動車運転時),human errorを起こす率が高くなるといわれている.近年,この変化の要因のひとつとして,老年期の抑制機能の問題が注目されつつある(Hasher,Stoltzfus,Zacks&Pypma,1991;Park,1992).本研究では,この老年期の抑制機能の調節過程について,Stroop課題を応用して,実験的検討を行なった.主な結果と考察は次の通りである.(1)老年期の抑制機能は,欠如しているわけではない.抑制機能の活性化が遅い為,みかけ上,抑制機能が欠如しているような現象を起こしていること.(2)老年期では,抑制機能が一旦活性化すると,関連する(targetとなる)刺激も抑制してしまう割合が高くなること.若年成人郡では,該当する刺激(distractor)の抑制が見られたが,老年期では抑制機能が活性化すると抑制する範囲が意図しないもの(target)にまで広がる傾向があった.(3)以上の点をまとめる.(1)(2)の結果から,行動調節の観点から老年期の抑制機能をみると,抑制機能は失われたわけではなく,その調節過程(必要な時に活性化し,不必要な時は活性化しない)に問題があることがわかった.今後の課題としては,日常生活場面で上記の問題を確認し,介護場面でその知識を応用することであろう.本研究は,老年期に見られる抑制(inhibition)の機能の変化を,特に行動調節機能の観点から検討した.老年期になると,一般に行動の柔軟な転換性がなくなり,様々な場面で(例えば,自動車運転時),human errorを起こす率が高くなるといわれている.近年,この変化の要因のひとつとして,老年期の抑制機能の問題が注目されつつある(Hasher,Stoltzfus,Zacks&Pypma,1991;Park,1992).本研究では,この老年期の抑制機能の調節過程について,Stroop課題を応用して,実験的検討を行なった.主な結果と考察は次の通りである.(1)老年期の抑制機能は,欠如しているわけではない.抑制機能の活性化が遅い為,みかけ上,抑制機能が欠如しているような現象を起こしていること.(2)老年期では,抑制機能が一旦活性化すると,関連する(targetとなる)刺激も抑制してしまう割合が高くなること.若年成人郡では,該当する刺激(distractor)の抑制が見られたが,老年期では抑制機能が活性化すると抑制する範囲が意図しないもの(target)にまで広がる傾向があった.(3)以上の点をまとめる.(1)(2)の結果から,行動調節の観点から老年期の抑制機能をみると,抑制機能は失われたわけではなく,その調節過程(必要な時に活性化し,不必要な時は活性化しない)に問題があることがわかった.今後の課題としては,日常生活場面で上記の問題を確認し,介護場面でその知識を応用することであろう.
マイクロスケールの外乱に対する乱流輸送特性および散逸構造の応答

乱流における最小の渦よりも小さいマイクロバブルなどの微小な添加物や、計算格子以下のスケールの乱流運動による影響をマイクロスケールでの外乱とみなして、それらによる乱流への影響を大規模直接数値計算を駆使して調べた。渦周辺に置かれたマイクロバブルは渦中心に移動し、かつエネルギー散逸を増大させること、計算格子以下の運動は渦粘性と非正規分布に従うランダム力としてあらわされることがわかった。本研究において最も基礎となるのは、乱流とそれによって輸送されるスカラー場の詳細な数値データである。このための大規模直接数値計算(DNS)をまず行った。速度場には外力を低波数側で加え、スカラー場には一様なスカラー勾配を印加して、統計的に定常なスカラー乱流場を世界最大規模である2048^3の空間格子点上で計算した。速度場及びスカラー場は散逸領域の小さな構造まで詳細に解像されている。高レイノルズ数において、運動エネルギーとスカラーのスペクトルに慣性領域が確認され、かつスカラーフラックスのスペクトルがE_<U^θ>k^<-7/3>となることを見出した。スペクトルのべきについては、これまで理論および実験でもはっきりとした結論は出ていなかったが、初めて信頼性のある解析結果を与えた。さらに、同一のレイノルズでかつ低解像度のDNSを行い、高解像度のそれと比較して散逸領域内にある有限の波数切断がどのように大きなスケールにおける攪乱に相当するのかを解析した。切断波数より高波数側からめ影響をランジュバン方程式としてモデル化できるかを、乱流統計理論と上記の大規模データから検討している。特に、乱流粘性とランダムカとの関連性を統計的観点から解析中である。また、場の散逸構造の特異多様体の衝突の観点から、量子乱流と通常乱流と比較を行い、スペクトルの振る舞いや減衰法則との関連をDNSを用いて解析した。乱流のコルモゴロフ長さ程度のスケールをもつマイクロバブルなどの微小な添加物、あるいは散逸領域に挿入された切断波数よりも高い波数成分(SGS成分)による影響をマイクロスケールでの外乱とみなし、それらによる乱流の散逸構造、慣性領域での輸送特性の変化および空間次元による切断波数の影響を、大規模直接数値計算(DNS)を駆使して調べた。レイノルズ数を一定にした大規模スカラー乱流のDNSを実行し、散逸領域におかれた切断波数を変化させたときのSGS成分の影響を外乱とみなして疑似的な粘性項とランダムカへの分解(ランジュバンモデル)を行い、そのスペクトルや時間相関関数を解析した。さらに非線形項とSGS成分との相関を解析した。これにより渦粘性、非線形項へのくりこみが切断波数近傍で無視できない大きさであることがわかった。乱流の最小渦よりも小さいマイクロバブルと渦との相互作用を2相系の格子ボルツマン法を用いて解析した。ランキン渦、テイラーグリーン渦の近傍に複数のマイクロバブルを置き、その後の全運動エネルギー、エネルギー散逸などの時間発展を計算した。マイクロバブルは渦周辺から渦中心に集まる傾向があり、その際にエネルギー散逸が一時的に大きくなることが見出された。またこの変化は界面張力が大きいほど顕著であることがわかった。空間次元の変化(d=2,3,4)とともにどのように場の特異性が変化するかをDNSにより解析した。特異構造の衝突という観点からエネルギー散逸のおこる必要条件を導いた。これはDNSによる結果とつじつまが合っていることが示された。散逸構造を可視化し、4次元では3次元の特異構造をそのまま4次元方向にコルモゴロフ長さ程度掃引して得られる幾何学をしていることがわかった。これらの知見をもとに切断波数より高波数成分の影響の空間次元依存性を解析した。
ラットによる間歇型一酸化炭素中毒の病態解明及び治療の究明

間歇型一酸化炭素中毒は急性の一酸化炭素中毒のあと、一旦改善し精神神経学的に無症状が約24週間続いた後、突然悪化し重篤な認知機能低下をはじめ種々の精神症状を呈する病態であり、その発症機序は未だ不明である。海馬は主に歯状回において成人後も神経細胞新生を行うことが知られている。今回、間歇型一酸化炭素中毒の病態解明のため、一酸化炭素が成体神経細胞新生に与える影響を調べるため、間歇型一酸化炭素中毒モデルラットを作成し、その検討を行った。一酸化炭素に曝露させたラットを、3週間認知機能低下を受動回避試験により確認した。3週間後安楽死させ、脳組織を取り出し凍結切片を作成し、免疫組織化学染色を行った。免疫組織化学染色では、神経幹細胞のマーカーのひとつとして知られているSOX2陽性神経細胞と一般的にアストロサイトのマーカーのひとつとして知られるGFAP陽性細胞の両陽性細胞が一酸化炭素群において有意に減少していることを確認した。これら両陽性細胞は海馬の顆粒細胞下帯神経前駆細胞の減少を示唆している。更にモデルラットから脳海馬組織を取り出しRNAを抽出しcDNAに逆転写しリアルタイムPCRを行ったところ、これらSOX2、GFAPの遺伝子発現は有意に低下していた。一方で成熟アストロサイトに発現しているEAAT1、EAAT2は有意差を認めず、S100bは有意に上昇を認めた。これらの結果からGFAPの発現の有意な低下は成熟アストロサイトの発現の低下ではなく、神経前駆細胞を含むより幼若な細胞が傷害されている可能性が示唆された。これらの結果から、間歇型一酸化炭素中毒は神経前駆細胞を障害し、少なくとも3週間はその発現を抑制している可能性が示唆された。間歇型一酸化炭素中毒が成体神経細胞新生に及ぼす影響を免疫組織化学及びリアルタイムPCRによる遺伝子的にも確認することができたため。神経前駆細胞への影響をさらに検討するため、神経栄養因子の発現やマイクログリアなどの他のグリア細胞の関連を検討する。さらに神経幹細胞への影響の確認のためウェスタンブロッティングによるタンパクの発現やその他の神経幹細胞マーカーの免疫組織化学染色による発現などの確認を行っていく予定である。前年度予定していた以上に実験経過が順調であったこと、一方で論文などの発表に関しては遅れが生じたため次年度使用額が生じることとなった。今年度神経前駆細胞への影響をさらに検討するため、神経栄養因子の発現やマイクログリアなどの他のグリア細胞の関連を検討する。そのため神経幹細胞への影響の確認のためウェスタンブロッティングによるタンパクの発現やその他の神経幹細胞マーカーの免疫組織化学染色による発現などの確認を行っていく予定である。そのための試薬や抗体など購入のため、及び成果発表のための旅費や論文発表の印刷代などに用いていく予定である。
肝癌に対する放射線療法の基礎的研究

正常肝および実験肝癌に対する放射線照射の影響および効果を検討し、安全に臨床応用可能することを目的とした。マウス肝癌MH129-Pのγ線照射による50%腫瘍コントロール線量は、53Gyであった。これは放射線感受性のある実験腫瘍EMF6と放射線抵抗性のNFS0の中間にあたり、肝癌に対し放射線療法が有効であることがしめされた。正常肝に対する影響をRESの機能の推移について家兎で検討すると、照射によりRES機能は徐々に低下し4週目で最低値となり、それ以後回復傾向をしめした。肝浮腫の程度をマウス肝照射後摘出肝重量と乾燥後肝重量の比により検討したところ、重量比は4週目6週目では対象時に比して有意に低下したが6週以後回復する傾向がみられた。また正常肝に対する放射線照射による病理組織学的変化を、経時的に線量別に検討した。15Gyマウス肝全肝照射では、2週目までは著変なく4週目より二核細胞や不規則な核の出現、核小体の増加と大小不同がみられた。週を経るに従い組織学的変化は進行し、24週ではfocalなnecrosisやfibrosisがみられた。50Gy照射では5日目では異常ないが2週目で細胞浸潤、肝細胞核の大小不同がみられ、4週目でびまん性出血およびnecrosisが散在性にみられ、8週以内で全例死亡した。以上の結果から放射線療法は肝癌に対して有効であるが、有効量で全肝照射すると正常肝の広範な出血necrosisのためマウスは全例死亡したので危険であると思われた。照射野をしぼり正常肝の含まれる範囲を最小限にすることにより安全に臨床応用できることがしめされた。照射された肝は、浮腫、RESの機能低下は4週で最底値となるので、術前照射として応用する際は、照射後4週たってから肝機能検査を行い、切除範囲や手術適応の決定をすべきと思われた。
変異FGFR3と頭蓋形成異常の分子病態の解明:副甲状腺ホルモンの作用を中心として

FGFR3関連疾患の頭蓋骨早期癒合症の臨床像を得る目的で日本国内のFGFR3関連疾患疑いの遺伝子診断を42検体行い、FGFR3遺伝子変異を21例に認めた。軟骨無形成症(G380R12例)、軟骨低形成症(N540K4例、S84L1例)、致死性骨異形成症I型(R248C1例、Y373C2例)、致死性骨異形成症II型(K650E1例)。これらにつき、頭蓋骨の早期癒合症の有無について検討したところ、調査時はいずれの症例も頭蓋骨早期癒合症は認めなかった。我々は線維芽細胞増殖因子受容体3型(FGFR 3)の変異によっておこる、軟骨無形成症の近位有意な四肢短縮型低身長を改善する新たな治療法を模索してきた。その過程で副甲状腺ホルモン(PTH)が軟骨無形成症モデルマウス(AchTg ; Naskiet. al. Development 1998 Dec ; 125(24) : 4977-88)の新生仔の大腿骨を伸長させる効果があることを大腿骨器官培養によって明らかにすることができた(Ueda, et.al. Bone 41(2007)13-18)ことなどからPTHには軟骨無形成症に対する治療薬となりうる可能性があると考えた。そこで、平成20年度はin vitroでのPTHの四肢の伸長効果を確認する目的で、生後1週から3週まで2日に1回2週間の0.1および1μg/KgのPTHもしくは生理食塩水を野生型マウスおよびAchTgへの投与を行い、0.1μg/KgのPTHの投与において有意にAchTgの大腿骨の伸長効果を認めた。このことから次に長期的な投与としてPTHの0.1μg/Kgで4週間の投与を行い、この実験においてもPTHを投与したAchTgの大腿骨において有意な伸長効果を得ることができた。しかしながら、FGFR 3関連疾患の中には頭蓋骨早期癒合を来す疾患群も存在し、PTHの使用により、軟骨無形成症においては明らかでない頭蓋骨早期癒合を引き起こす可能性があるため、上に述べた実験にてPTHおよび生理食塩水を投与したマウスを解剖し、本研究の目的であるPTH投与後の頭蓋骨および脊椎を剖出し、21年度に解析を行う予定である。さらにFGFR 3関連疾患の臨床情報を得る目的で、日本各地からのFGFR 3関連疾患の遺伝子診断を21検体行った。我々は線維芽細胞増殖因子受容体3型(FGFR3)の変異によっておこる、軟骨無形成症の近位有意な四肢短縮型低身長を改善する新たな治療法を模索してきた。その過程で副甲状腺ホルモン(PTH)が軟骨無形成症モデルマウス(AchTg ; Naskiet. al. Development 1998Dec ; 125 (24) : 4977-88)の新生仔の大腿骨を伸長させる効果があることを大腿骨器官培養によって明らかにすることができた(Ueda et.al. Bone 41 (2007) 13-18)ことなどからPTHには軟骨無形成症に対する治療薬となりうる可能性があると考えた。そこで、平成20年度はin vitroでのPTHの四肢の伸長効果を確認する目的で、生後1週から3週まで2目に1回2週間の0.1および1μg/KgのPTHもしくは生理食塩水を野生型マウスおよびAchTgへの投与を行い、0.1μg/KgのPTHの投与において有意にAchTgの大腿骨の伸長効果を認めた。本年度はFGFR3関連疾患疑い患者の遺伝子診断を11検体行い、そのうち軟骨無形成症で認められるG380R変異を4例、軟骨低形成症に認められるN540K変異を1例同定した。これらの患児および当院通院中の患児たち(軟骨無形成症2名、軟骨低形成症1名)の成長ホルモンによる治療前からの頭蓋骨早期癒合症の合併の有無についての臨床情報の収集を行ったが、実際の患者において治療前からの頭蓋骨早期癒合症は認められず、昨年度及び本年度を合わせて治療前の頭蓋骨早期癒合症は認められなかった。

その過程で副甲状腺ホルモン(PTH)が軟骨無形成症モデルマウス(AchTg ; Naski et.al.Development 1998Dec ; 125(24) : 4977-88)の新生仔の大腿骨を伸長させる効果があることを大腿骨器官培養によって明らかにすることができた(Ueda et.al,Bone 41(2007)13-18)ことなどからPTHには軟骨無形成症に対する治療薬となりうる可能性があると考えた。そこで、平成20年度はin vitroでのPTHの四肢の伸長効果を確認する目的で、生後1週から3週まで2日に1回2週間の0.1および1μg/KgのPTHもしくは生理食塩水を野生型マウスおよびAchTgへの投与を行い、0.1μg/KgのPTHの投与において有意にAchTgの大腿骨の伸長効果を認めた。このことから次に長期的な投与としてPTHの0.1μg/Kgで4週間の投与を行い、この実験においてもPTHを投与したAchTgの大腿骨において有意な伸長効果を得ることができた。しかしながら、FGFR3関連疾患の中には頭蓋骨早期癒合を来す疾患群も存在し、PTHの使用により、軟骨無形成症においては明らかでない頭蓋骨早期癒合を引き起こす可能性が有ると考えた。FGFR3関連疾患の頭蓋骨早期癒合症の臨床像を得る目的で日本各地からのFGFR3関連疾患疑いの遺伝子診断を42検体行い、FGFR3遺伝子変異を21例に認めた。軟骨無形成症(G380R 11例)、軟骨低形成症(N540K 4例、S84L1例)、致死性骨異形成症I型(R248C 1例、Y373C 2例)、致死性骨異形成症II型(K650E 1例)。これらの疾患につき、成長ホルモンなどの治療のない状態での頭蓋骨の早期癒合症の有無について検討したところ、いずれの症例にも経過中の頭蓋骨早期癒合症は認められなかった。
熱光発電デバイス開発のための光電変換用III-V族混晶半導体セルの作製

本研究は、熱光発電システム構築のために、赤外領域に感度をもつInxGa1-xAsとInxGa1-xSb三元混晶半導体を対象として、(1)熱光発電デバイス用の高品質三元混晶半導体バルク単結晶成長技術の開発と(2)高品質三元混晶半導体薄膜成長技術を開発した。1.地上の1G環境下で溶液から結晶を育成する際、構成元素の密度差に起因した流れが発生するため、成長結晶の品質に大きな影響を及ぼす。重力が成長結晶の固液界面形状や組成分布に及ぼす効果を、落下塔と航空機を利用した微小重力環境下実験で明らかにした。また、濃度差自然対流と濃度差マランゴニ対流の挙動を重力レベルの関数として数値解析し、これらの対流が界面形状変化や組成分布に大きな影響をもたらすこと等を明らかにした。2.溶液中の温度勾配と成長速度から成長界面温度を一定に保つために最適な冷却速度を求め、温度差法で均一組成のInGaSbバルク単結晶成長に成功した。また、回転ブリッジマン法でInxGa1-xAs単結晶を成長させる際、In-Ga-As溶液にGaAsを供給することで均一組成のInxGa1-xAs(x=0.12)単結晶を成長させた。3.GaAs基板をSiNxで覆った後、円形の窓をあけたGaAs(111)基板上に液相成長法を用いてInxGa1-xAs(x=0.06)をブリッジ成長させた。ブリッジ成長層は、基板底面と接触しないため、貫通転位が少なく、結晶性が向上した。4.InAs基板をInxGa1-xAs基板に変換させた後、InxGa1-xAs層をホモエピタキシャル成長させる新しい方法を開発し、高In組成比InxGa1-xAs(x=0.8)層を成長させた。また、組成変換機構を詳細に調べた。5.光電変換効率を改善するために低転位密度で受光面積の大きなInGaSbピラミッド構造の2つの選択成長法を開発した。一つは、内部が空洞のピラミッド構造結晶法であり、他は組成変換基板上へのピラミッド結晶成長法である。6.n型GaSb基板にZnを拡散させ、p型層を形成した。熱処理条件を種々変えて不純物濃度分布を制御した。高効率の熱光発電デバイス作製の基礎研究として、本年度は、(1)組成変換機構の探索と溝付きGaAs上へのIn_xGa_<1-x>As成長、(2)In_xGa_<1-x>Asピラミッド成長について研究した。(1)InSb基板にIn-Ga-Sb溶液を接触させると、InSb基板中にGaが混入し、InGaSb基板に組成変換される機構を詳細に調べた。Gaの混入によりInSbが溶解し、In-Ga-Sb溶融帯が形成された後、InGaSbが結晶化することにより組成変換が起こるモデルを提案した。(2)高In組成比InGaAs層を形成するために、InAs基板をInGaAs基板に変換させた後、InGaAs層をホモエピタキシャル成長させる方法を開発した。

SiN_x膜で覆ったInAs基板に円形の窓を開けた溝なし基板とさらに溝を形成させた溝付き基板を用意した。溝なし基板上に横方向成長したIn_<1-x>Ga_xAs(x=0.2)層の平坦であり、組成分布は均一であった。溝付き基板に成長させた結晶はブリッジを形成しなかったが、溝底面にもSiN_x膜を形成した場合は、ブリッジを形成した。ブリッジ層の転位密度は減少した。(3)(100)GaAs基板上にIn_xGa_<1-x>As(x=0.06)を成長させると{111}面で囲まれたピラミッド状になった。この形成機構を調べるために、表面にストライプ状に窓を開けた基板を作製した。ストライプが<001>方向に沿った場合ピラミッド状の結晶が成長した。<012>方向に沿った場合テント状結晶になった。円形の溝を形成した(100)GaAs基板上に成長時間を種々変えて結晶成長させた結果、InGaAsは溝側面から<111>方向に成長し、空洞をもつピラミッドに成長した。(4)(111)A面GaAs溝付き基板上にp-n接合を作製した。表面は鏡面が得られた。プリッジ層は高品質な結晶であることが分かった。2層目の成長時間を変化させて、p型層の成長層の厚さを制御した。2層目の厚さを1.6μmまで制御できた。以上の結果、熱光発電デバイス作製のための高品質結晶成長に関する知見が得られた。高効率の熱光発電デバイス作製のために、(a)基板として有用な三元混晶半導体のバルク単結晶成長、(b)薄膜成長技術の開発、(c)pn接合の形成の開発に取り組んだ。具体的には、(1)温度差徐冷法によるInGaSbバルク単結晶成長、(2)In_xGa_<1-x>Sbピラミッド成長とTe不純物添加効果、(3)ホットウォール法によるInAsSb薄膜成長条件の検討、(4)拡散法によるデバイス作製条件の検討を行った。以下、結果をまとめる。(1)GaSb/InSb/GaSbサンドイッチ構造試料を用いて、一方向の温度勾配下で低温側のGaSb種結晶上にInGaSbバルク結晶成長を行った。結晶に取り込まれるGaSb濃度が溶液中の濃度よりも高いために、結晶成長に伴い、GaSb成分が不足するのを高温側のGaSbをIn-Ga-Sb溶液に溶解することで供給し、均一組成の結晶成長に成功した。また、重力方向に対して、試料を垂直、水平、斜め(53゚)に傾斜させることで、重力に起因した対流が溶解や成長に及ぼす効果を調べた。(2)GaSb(001)基板上にGaSbやIn_xGa_<1-x>Sbx=0.06)を成長させると、成長層は溝側面から<111>方向に成長し、{111}面で囲まれたピラミッド状に成長した。成長層の内部は残留溶液のみが存在し、基板から成長層への貫通転位密度を減少できた。また、Te不純物を添加すると、ピラミッド形状を変化させ得ることを見出した。(3)ホットウォール法によるInAsSb薄膜成長条件を検討し、組成制御を行った。(4)n型GaSbにZnOゾルを塗布し、焼結した後熱処理する温度と時間を変化させることで、p層を形成した。光電変換効率は0.1%と小さいが、光電変換することを確認した。電極構造の改良等の問題点を明らかした。以上の結果、熱光発電デバイス作製のための知見が得られた。高効率の熱光発電デバイス作製のために、昨年に引き続き、
配位結合の分極を利用する強誘電性金属錯体液晶の開発

本研究のめざすところは、メタルオキソ基のような分極した中心金属グループを含有する錯体を合成し、液晶相においてその整列を促すことによって強誘電的応答を引き出すことであった。この目標に向けて、いくつかの物質群について合成とキャラクタリゼーションを進める一方、金属錯体液晶における強誘電性発現のメカニズムについて考察した。1.金属サリチルアルディミン錯体液晶におけるスメクティックC相の発現と双極子効果について。強誘電性液晶を得る直接的なアプローチとして、有機液晶に倣ってキラルスメクティックC相を誘導することが考えられる。本研究においては銅錯体の広範な事例について相転移、液晶構造等のデータを集積・解析し、スメクティックA/Cの多形現象を比較検討した。その結果、後者を目的とする設計においては重心密度波と双極子密度波の整合が重要であることが示唆された。2.金属ジチオカルバメート錯体によるキラルスメクティック液晶系の構築。金属錯体の分子構造の複雑さという要因を除いて、液晶発現に関する分子論的議論を有効なものにするために、なるべく単純な棒状の形状を持つ錯体としてジチオカルバメート錯体を設計合成した。その結果、目的とする新規スメクティックC液晶とキラル修飾体を入手することができた。3.金属サレン錯体の液晶挙動について。本研究の目標に直結するアプローチは極性中心金属グループ間の直接相互作用を促すことである。液晶性が報告されているサレン誘導体のオキソバナジウム錯体を取り上げ、類縁のニッケル、銅錯体を合成して比較検討したところ、中心対称性の二量体凝集を示唆する結果が得られた。このことは、金属錯体液晶における強誘電的秩序形成を図る上で、より精密な配位子設計が必要であることを示している。本研究のめざすところは、メタルオキソ基をはじめとする分極した中心金属グループを含有する錯体を合成し、液晶相においてその整列を促すことによって強誘電的応答を引き出すことである。この目標に向けて、平成6年度は以下2項目の実施計画に従って研究を行った。1.サリチルアルディミン系配位子の選定とオキソバナジウム錯体の合成、及び液晶性の特徴づけサリチルアルディミン-銅(II)錯体の液晶性については以前から検討を進めているが、本年度までの合成研究の結果、中でもN-(2-hydroxy-4-alkoxybenzylidene)-4-alkanoyloxy-anilineを配位子とする場合にスメクティックC相の発現が促進されることがわかった。これにはカルボニル基相互の双極子相互作用の他、隣接分子の中心金属への軸配位性相互作用が寄与していると思われる。同じ配位子を用いてオキソバナジウム(IV)錯体の合成を開始しているが、熱的安定性の点でより優れた化合物も得られるようである。2.キラル中心の導入とキラルスメクティックC液晶の誘導、及び構造解析キラル中心の導入にあたっては、多様な化合物が入手できるキラルアルコールを原料とする反応が望ましい(上記のサリチリデンアニリン誘導体の修飾にはキラルカルボン酸を必要とする)。キラル修飾の対象となる候補物質として、やはりスメクティックC相を持つ新規金属ジチオカルバメート錯体を見出した。例えば、bis[4-alkylpiperazine-1-dithiocarboxylato]palladium(II)の高級同族体が有望であり、現在ピペラジン環やアルキル尾部のメチル分岐が液晶性に及ぼす効果について検討中である。また、本年度は液晶高温装置付X線回折計を整備し、スメクティック相の構造解析を開始した。上記2の化合物につき、スメクティック層内の分子の傾き角が50^°に達するような異例の挙動を見出しつつある。

本研究のめざすところは、メタルオキソ基のような分極した中心金属グループを含有する錯体を合成し、液晶相においてその整列を促すことによって強誘電的応答を引き出すことである。この目標に向けて、平成7年度は以下2項目の実施計画に従って研究を行った。1.ビス[4-アルコキシ-N-(4-アルカノイルオキシフェニル)サリチルアルディミナト]オキソバナジウム(VO)錯体の合成とキラル修飾。金属サリチルアルディミン錯体の液晶性については以前から検討を進めているが、特にこの型の銅錯体の3同族系列に関し、スメクティックC相の発現要因を双極子相互作用の見地から解析整理した。しかし、対応するVO錯体は概して高い融点を持ち、キャラクタリゼーションに困難を来す例が多いことがわかった。そのため、以前に検討したN-アルキル配位子を再度採り上げることとし、salen型錯体を含むカラミティック液晶性の新規錯体を導いた。現在キラルなジアミンを用いた修飾を進めている。2.新規ジチオカルバメート配位子を含むVO錯体の合成とキラル修飾。ピペラジン-1-ジチオカルボン酸の4-アルキル誘導体を用いて、スメクティックC液晶性錯体の3同族系列を得た。パラジウム錯体のデシル同族体を用いて、固体NMR測定と単結晶構造解析から得た分子運動の知見をもとに、ピペラジン環とアルキル尾部にそれぞれメチル基を導入したが、液晶性が損なわれる結果となった。しかし、後者はキラルドーパントとして働くことがわかり、類縁の錯体に混合してキラルスメクティックC液晶を誘導する道が開かれた。また、昨年度整備した液晶高温装置付X線回折計を用いて、N-ヒドロキシアルキルサリチルアルディミン誘導体の多核銅錯体の中間相挙動を明らかにした。この物質群はアミノアルコールをキラリティ源とする新規材料として有望であり、今後さらに研究を進める予定である。本研究のめざすところは、メタルオキソ基のような分極した中心金属グループを含有する錯体を合体し、液晶相においてその整列を促すことによって強誘電的応答を引き出すことであった。この目標に向けて、平成8年度は以下3項目の実施計画に従って研究を行った。1.スメクティックC相が発現する金属サリチルアルディミン錯体液晶における双極子効果の解明。目標とするオキソバナジウム錯体等は高温で熱分解を起こし、結果の解釈に支障を来すことがわかってきたので、代わって銅錯体を用いることとし、広範な事例について相転移、液晶構造等のデータを集積・解析した。遊離配位子を対照系としてスメクティックA/Cの多形現象を比較検討することにより、錯体において分子配列の傾きがむしろ弱められる傾向が判明し、液晶設計上重心密度波と双極子密度波の整合が重要であることが示唆された。2.ジチオカルバメート錯体によるキラルスメクティック液晶系の構築。7年度以来の研究により、やはりスメクティックC相が発現する4-アルキルピペラジン-1-ジチオカルボン酸のパラジウム錯体と、これにキラルなメチル分枝を導入した錯体が得られた。後者の液晶性は消失したが、前者、および同族の液晶性錯体と混合することによってキラル相を誘導することができた。3.重畳なアルキル置換を施した[M (salen)]
フォノンスペクトル・エンジニアリングによる高度な熱輸送制御

熱電変換材料の性能を向上するには電気伝導率と独立に熱伝導率を低減することに加えて、起電力(ゼーベック係数)自体を増大させるシナリオが必要である。そこで、フォノンドラッグ効果を利用してゼーベック係数を向上することを念頭に、フォノンドラッグ効果を評価した。具体的には、平均粒径が50 μmのシリコンナノ粒子焼結体を作製して、熱伝導率およびゼーベック係数の温度依存性を測定した。作製したシリコンナノ粒子焼結体の熱伝導率およびゼーベック係数は、単結晶シリコンのそれと比べて大きく低下した。ボルツマン輸送に基づく理論モデル計算を用いて解析した結果、ゼーベック係数の低減はフォノンドラッグ効果のサイズ依存性によるものであることがわかった。また、フォノンドラッグ効果に寄与するフォノンの平均自由行程は熱伝導に寄与するそれに比べて長いことがわかった。これらより、直径数nmのナノ析出構造などの高周波数(短平均自由行程)のフォノンを選択的に散乱する適切なナノ構造の導入することで、フォノンドラッグ効果を活かしながら熱伝導率を低減することにより熱電性能が向上できる可能性を示した。これまでの研究で明らかにした各種の効果を合わせて、シリコンを基盤とした環境親和型および低コスト材料の無次元性能指数(ZT)を向上するべく、前年度に引き続き、ナノ粒界,ナノドット,ナノ空孔、金属ナノ粒子などのナノ構造を有するナノシリコン複合材の開発を進めた。メタルアシストエッチングにより作製したポーラス・シリコンナノワイヤーをプラズマ焼結によって高密度化しながら複雑ナノ構造化することで、上記の様々なナノ構造を階層的な長さスケールで作り込んだ。得られた材料は非常に低い熱伝導率を示しながらも、高いパワーファクターを維持し、ほぼシリコンのみを用いた材料としては非常に高い値であるZT=0.3@室温を実現することに成功した。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。フォノンの粒子的振る舞いの科学に加えて,フォノンの波動性に着目し,干渉や回折によって熱伝導率を低減する構造を検討した.波動的特性を発現するには,干渉する波がコヒーレントである(位相に一定の関係がある)必要がある.そこで,原子レベルからフォノンの波動性を評価する理論・数値解析手法を開発して,周期構造などのフォノン波の基礎物性を明らかにした.具体的には,分子動力学法を用いてナノスケール構造の片側で励起したフォノンが伝播される際の相互相関を計算することによってフォノンのコヒーレント長(位相緩和長)を計算した.計算はフォノン・フォノン散乱や界面フォノン散乱などの基礎的な散乱過程も含めて行い,フォノンの波動的特性を発現し得る構造の長さスケールを同定した.また,グリーン関数法を用いて,内部ナノ構造によって誘起させるフォノンの干渉・共鳴効果について解析した.それらをもとに,フォノンの干渉によって生じるフォノン・バンドギャップや分散の局所化が熱伝導率に与えるインパクトを評価した.格子動力学のもとづくマルチスケールフォノン解析により,周期性などを有するナノ構造体の熱伝導スペクトルを計算した.代表的なパラメータ(各層の厚さ,粒径,材料種など)の組み合わせに対して,目的の熱伝導スペクトルを形成するのに最適な構造を同定した.この際,適宜,機械学習的な手法も取り入れ,構造パラメータを記述子とした回帰法によって効率的に最適化した.これまで導出した設計指針にもとづき,ナノスケール構造を作製した.作製した薄膜試料に対して,申請者らが有する時間領域サーモリフレクタンス法や3ω法を用いて,熱伝導率の温度依存性を測定した.試料温度を大幅に変えられるチャンバーを用いて温度依存性を測定し,設計どおりの温度依存性が得られているかを検証できるようにした.フォノンの波動性も考慮したフォノン輸送解析を通じて,その基礎物性や制御性を明らかにし,目的である熱伝導スペクトルの制御性に関する新たな自由度を見出した.また,これらを実証するための試料作製や計測に着手しており,研究はおおむね順調に進んでいる.フォノンの熱伝導スペクトルを利用した熱制御を進めた。時間領域サーモリフレクタンス法でフォノンの平均自由行程と同等またはそれより小さいスケールで加熱・測温領域のサイズを変化させて熱伝導率のサイズ効果の計測する手法を進めるとともに、ナノ多結晶材料の平均粒径を変化させることでサイズ効果を誘起して熱伝導のスペクトル物性を評価した。また、理論やマルチスケールフォノン輸送シミュレーションを行い、熱伝導スペクトルの制御性の範囲を拡大した。まず、粒径が極端に小さい場合の界面フォノン散乱の理解を目的に、粒径が3nmのシリコン多結晶体の熱伝導およびその温度依存性の計測を行った結果、50-300Kの広い範囲でシリコンアモルファスの熱伝導率よりも優位に小さいことがわかった。そこで、原子グリーン関数法によって界面のフォノン透過スペクトルを計算し、それを入力としたナノ多結晶体の熱伝導率を計算することで、周波数の低い(熱伝導率への寄与が大きい)音響フォノンの平均自由行程が波長の半分よりも短くなっており、究極的なフォノン輸送の抑制が実現できていることを明らかにした。さらに、熱伝導スペクトルの制御性の向上を念頭に、フォノンの波動性を利用した共鳴現象を誘起する構造について検討を行った。シリコンに直径が数nmのゲルマニウムナノ粒子を埋め込んだ構造に対してフォノン透過計算を行った結果、これまでのナノ構造では制御が困難であった1テラヘルツ近傍の周波数を有する音響フォノンの伝播を効率的に阻害することができることがわかった。加えて、同様の波動性を活かしたコンセプトで超格子構造の最適設計なども行った。