hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
Ni基超合金の初期疲労き裂進展に対する結晶破壊力学アプローチ

Ni基耐熱超合金における疲労き裂の発生と進展をターゲットにし,超合金の初期破壊プロセスについて実験と解析の両面から検討した.具体的には,Ni基超合金の単結晶材と一方向凝固材を対象にし,室温,450°C,700°Cでの疲労き裂進展試験を行い,それぞれの破壊プロセスに与える結晶粒の結晶方位の影響,結晶粒界での幾何学的不連続性の影響,試験温度の影響について明らかにした.また,き裂の形状や傾きを忠実に再現した有限要素モデルにより,弾性異方性を考慮した弾塑性解析と塑性異方性を考慮した結晶塑性解析を行い,き裂先端のすべり面での変形を個別に評価することにより,疲労き裂進展挙動を定量的に説明付けた.本研究では,高温構造材料として用いられるNi基耐熱超合金における発生初期の疲労き裂進展をターゲットにし,実機材と同程度の厚さを持つ小型サンプルを用いた実験により,超合金の初期き裂進展挙動を支配する結晶学的・破壊力学的学理を明確にすることを主目的にしている.平成26年度は,まず,結晶粒界を含まない単結晶材を対象にした疲労き裂進展試験を室温で行い,結晶方位と試験片板厚がき裂進展挙動に与える影響を実験的に検討するとともに,3次元弾塑性有限要素解析によりき裂先端の力学場を計算し,得られた実験結果に合理的説明を与えた.つぎに,鋳造方向に結晶粒界が一方向に配列した一方向凝固超材(DS材)から切り出した小型試験片に対する同様の実験を行い,結晶粒の結晶方位と粒界での方位差,および,き裂面と粒界との幾何学的配置の影響について検討した.その結果,結晶粒内を進展するき裂は粒の方位に関係なく第I段階型のき裂進展形態で進展すること,この時の結晶粒内でのき裂進展挙動に与える結晶方位の影響は単結晶材で見られた傾向と一致すること,および,き裂進展速度はき裂が屈曲する際の破面の角度差が大きいほど低下し,この低下度合いは粒界で屈曲した場合も粒内で屈曲した場合もほぼ同等であることを明らかにした.また,このDS材の小型試験片をモデル化した2次元弾性解析により,第I段階疲労き裂進展に与える粒の結晶方位とき裂先端から粒界までの距離の影響について解析し,粒界近傍でのき裂進展駆動力は粒界をはさむ2粒の方位差に依存すること,この方位差による影響はき裂が存在する粒の結晶方位によって変化することを明らかにした.本研究では,高温構造材料として用いられているNi基耐熱超合金におけるき裂の発生と初期進展を対象にし,実機材と同程度の厚さを持つ小型サンプルを用いた実験により,超合金のき裂進展挙動を支配する結晶学的・破壊力学的側面を明らかにすることを目的にしている.平成27年度は,まず,単結晶材を対象にした疲労き裂進展試験を450°Cならびに650°Cで行い,平成26年度に得られた室温での実験結果と比較しながら,き裂進展挙動に与える温度の影響を検討した.その結果,650°Cではサンプルの結晶方位に関わらず,き裂は負荷軸と垂直な面を進展する第II段階型の進展挙動を呈したのに対し,450°Cではき裂長さに応じて第II段階型から第I段階型への進展形態の遷移が見られ,遷移する際の応力拡大係数には結晶方位依存性があることが明らかとなった.つぎに,一方向凝固材(DS材)から中央切欠き試験片を切り出し,結晶粒サイズより小さなき裂の進展挙動に与える結晶方位と結晶粒界の影響について室温で検討を行い,平成26年度に得られた長いき裂の進展挙動と比較を行った.その結果,結晶粒内に収まる短いき裂の進展速度は長いき裂より5倍から10倍程度大きくなること,粒界に近づくとき裂進展速度が低下する場合があるが短いき裂の場合はその程度が大きいことが明らかとなった.また,27年度は,これまで検討してきた3次元弾塑性有限要素モデルをさらに発展させ,き裂面の3次元的な傾きを考慮した解析を行った.その結果,サンプルの結晶方位がき裂進展挙動に与える影響は,負荷方向や進展方向の結晶方位が変わることによる弾性異方性の影響ではなく,結晶方位によりすべり面の幾何学的配置が変わり,それにともなってき裂の混合モード比率が変化することに主に起因していることが明らかとなった.前年度までに組上げてきた試験装置を使用して実験を進めており,研究計画は順調に進捗している.本研究では,高温構造材料として用いられているNi基超合金におけるき裂の発生と初期進展を対象にし,き裂進展挙動を支配する結晶学的・破壊力学的側面を明確にすることを目的にしている.平成28年度は,一方向凝固材から結晶粒の方位や結晶粒径を系統的に変化させた試験片を切り出し,疲労き裂進展特性に与える結晶粒のサイズや結晶粒界の影響を実験的に検討した.負荷軸方向が<100>方位に配向する結晶粒では進展速度が大きく,<110>方位に配向する粒では小さくなった.また,結晶粒界近傍ではき裂進展速度が有意に低下し,この低下の度合いは粒界での3次元的なすべり面角度差やねじれ角を用いることで定性的に評価できた.つぎに,平成27年度までの実験結果を基に,き裂の3次元的な傾きを再現した有限要素モデルを作成し,弾塑性解析を行った.き裂先端応力場から算出した開口型応力拡大係数とせん断型応力拡大係数を用いてき裂進展速度を評価した結果,き裂先端に拡がるco-

planarなすべり面上のせん断型応力拡大係数を用いるとき裂進展速度をある程度整理できたが,開口型応力拡大係数では整理できなかった.この結果を受け,き裂先端での塑性異方性を評価できる結晶塑性解析を行った.き裂先端に拡がる12種のすべり系すべてのすべり量を個別に評価し,独自に提案したすべり面活動量を表すパラメータにより,単結晶材で見られたき裂進展経路に合理的な説明を与えることが.また,このすべり面活動量を用いてき裂進展速度を評価すると,弾塑性解析で算出したせん断型応力拡大係数よりも実験結果を良好に整理できることが明らかになった.Ni基耐熱超合金における疲労き裂の発生と進展をターゲットにし,超合金の初期破壊プロセスについて実験と解析の両面から検討した.具体的には,Ni基超合金の単結晶材と一方向凝固材を対象にし,室温,450°C,700°Cでの疲労き裂進展試験を行い,それぞれの破壊プロセスに与える結晶粒の結晶方位の影響,結晶粒界での幾何学的不連続性の影響,試験温度の影響について明らかにした.また,き裂の形状や傾きを忠実に再現した有限要素モデルにより,弾性異方性を考慮した弾塑性解析と塑性異方性を考慮した結晶塑性解析を行い,き裂先端のすべり面での変形を個別に評価することにより,疲労き裂進展挙動を定量的に説明付けた.これまでの研究で立ち上げてきた実験装置や数値解析ソフトは使用できることもあり,ほぼ当初の予定通りに研究が進んでいる.これまでの研究では,単結晶材を対象とした室温,450°C,650°Cでの疲労き裂進展試験,ならびに,DS材を対象にした室温でのき裂発生試験と進展試験を行ってきた.28年度は単結晶材に対する900°Cでの実験,DS材に対する650°C,900°Cでの実験を行い,き裂の発生と進展挙動に与える温度の影響を検討する予定である.材料力学平成26年度は,主に室温での疲労き裂進展に注目した実験と解析を行ったが,27年度からは高温でのき裂進展挙動に注目して検討をすすめる.当初は微小き裂のその場観察を可能にする高分解能長距離ズームレンズを購入予定であったが,現有装置の改造により対応可能となったため,購入を見送った.当初は高温での微小き裂の観察を可能にするために高分解能長距離ズームレンズを購入予定であったが,26年度の実験では室温でのき裂進展挙動に注目し,現有装置の微調整により対応できたため購入を見送った.このズームレンズに相当する金額を次年度使用額として繰越すこととした.高温での実験では試験系を冷却する必要があるが,これまでの650°Cの実験により,現有の試験系では冷却能力に限界があることがわかった.28年度に予定している900°Cの実験を行うため,高温強度に優れた材料を使用し,かつ,冷却経路を備えた新規の試験片把持用の治具を購入する予定である.高温環境での実験に使用するため,当初26年度に購入予定であった長距離ズームレンズを27年度に購入予定である.
2000℃酸化雰囲気で熱力学的に酸化を抑制する耐熱高エントロピー構造材料の創生

音速の710倍で飛行する極超音速機の耐熱構造材料として、2000°C以上の酸化雰囲気で材料自身が酸化を抑制する構造材料を実現する。酸化雰囲気において表面に被膜の形成が必要な従来材料で問題となる被膜の消失に伴う部材の減肉を抑制するために、炭素繊維と耐熱高エントロピーセラミックス(RHECs: Refractory High-Entropy Ceramics)を複合した炭素繊維強化RHECs(C/RHECs)を創生し、表面被膜の形成に頼らずに、熱力学的に材料の酸化損耗を抑制するための新たな設計指針を提案し、効果を実証する。
タンパク質の多様性の鍵となるスプライシング暗号解読

mRNA前駆体の選択的スプライシングは、ひとつの遺伝子から多様なタンパク質を造り出す重要な遺伝子発現制御機構である。本研究では、各種の選択的スプライシング制御因子の変異体線虫を利用して、各制御因子の標的遺伝子を網羅的に同定し、それらの塩基配列を基に蛍光スプライシングレポーターを作製して生体内での選択性のパターンを明らかにするとともに、選択的スプライシングを制御するシスエレメントの同定を行って、線虫の個体レベルでの選択的スプライシング制御機構を明らかにした。mRNA前駆体の選択的スプライシングは、タンパク質の時間的・空間的多様性を生み出すための最も重要な機構である。さまざまな遺伝子の選択的スプライシングを細胞特異的、発生段階依存的に制御する機構は「スプライシング暗号」と総称されるが、その実体解明はあまり進んでいない。研究代表者らは、これまでに、線虫をモデルとして、選択的スプライシング・パターンを生体内で可視化するための選択的スプライシング・レポーター作製法を開発して、選択的スプライシング・パターンのプロファイリング、制御因子変異体の単離、シスエレメントの同定を行ってきた。本計画研究では、これまでに研究代表者らが得た制御因子の変異体線虫を利用して、各制御因子の標的遺伝子を網羅的に探索・同定すること、同定した標的遺伝子の塩基配列を基に選択的スプライシングを制御するシスエレメントの配列を予測・検証すること、選択的スプライシング・レポーター作製法を利用して、発現する組織、標的エクソンとシスエレメントあるいはシスエレメント間の相対的位置関係や距離、制御因子のコピー数などをパラメータとして体系的な改変実験を行って、複数の制御因子によるスプライシング制御の協調性や拮抗作用などの規則性を明らかにすること、を通じて、多細胞生物の個体においてタンパク質多様性の鍵となるスプライシング暗号の解読に貢献することを目的とする。本研究は、選択的スプライシング・パターンを生体内で可視化した選択的スプライシング・レポーター線虫を利用して遺伝学的解析で得られた選択的スプライシング制御因子の変異体を用いて、次の2通りの方法で、これら制御因子の標的遺伝子の網羅的探索とシスエレメントの同定を目指している。(1)RNA-seq法。本年度は、線虫のトランスクリプトーム解析のために、異なる株間で成長段階の条件を揃えて全RNAを抽出する方法を検討した。そして、卵を漂白法により回収して餌のない条件で孵化させることでL1ステージで同調することとした。続いて、次世代シーケンサーのひとつGenome AnalyxerII(イルミナ)によるシーケンスのためのRNA試料の処理方法を検討し、ポリA(+)RNAを2回精製してから化学的に断片化し、ランダムプライマーで逆転写し、続けて第2鎖を合成することで、条件の揃った試料調整が行えることを確認した。また、変異体における選択的スプライシング異常mRNAの品質管理機構による分解を抑えるため、品質管理因子とスプライシング制御因子の二重変異体を作成した。(2)CLIP-seq法。本年度は、生体内の制御因子を免疫沈降するための特異的抗体の調整を行った。これまでに研究代表者らが同定したスプライシング制御因子、ASD-1, FOX-1, ASD-2, SUP-12, UNC-75について、組換えタンパク質またはペプチドを用いてポリクローナル抗体を調製した。これらの抗体はいずれも、大腸菌や培養細胞で発現させた組換えタンパク質を検出し、あるいは免疫沈降できることを確認したが、線虫内在性のタンパク質を検出し免疫沈降できるのはウサギ抗ASD-2抗血清のみであった。本研究は、選択的スプライシング・パターンを生体内で可視化した選択的スプライシング・レポーター線虫を利用して遺伝学的解析で得られた選択的スプライシング制御因子の変異体を用いて、次の2通りの方法で、これら制御因子の標的遺伝子の網羅的探索を試みた。野生型線虫株および各種選択的スプライシング制御因子変異体線虫株を同調飼育してL1ステージからポリA(+)RNAを精製し、化学的に断片化し、ランダムプライマーで逆転写してライブラリーを作製した。続いて、Genome Analyzer II(イルミナ)によるシーケンスを行い、それぞれ35塩基のシーケンスタグを数百万個ずつ得た。これを線虫ゲノムにマップし、遺伝子ごと、エクソンごとのタグ数の計数を行って、制御因子の標的エクソンの予測を試みた。現在、これらの予測を元に、実際に制御因子変異体で標的候補遺伝子の選択的スプライシング・パターンに異常があるか、実験的な検証を行っている。今後は、より正確な標的遺伝子予測方法を確立していく予定である。内在性の制御因子を免疫沈降できるウサギ抗ASD-2抗血清を用いて、紫外線による生体内でのASD-2と結合RNAの架橋を試み、免疫沈降によるASD-2標的遺伝子の同定の可能性を検討した。

しかし、免疫沈降による既知の標的RNAの濃縮が見られなかったことから、試験管内での放射性同位元素標識したRNAと組換えASD-2タンパク質の間の紫外線による架橋の程度を検討したところ、ASD-2は結合RNAとの架橋効率が悪いことが明らかとなり、ASD-2はCLIP法による解析には向かないと結論した。本研究では、多細胞生物の個体においてタンパク質多様性の鍵となるスプライシング暗号の解読に貢献することを目的とし、次のアプローチで研究を進めた。1.スプライシング制御因子の標的エクソンの網羅的探索1(1)mRNA-seq法:野生型線虫およびスプライシング制御因子変異体の同調したL1幼虫から抽出したmRNAについて、次世代シーケンサーにより大規模シーケンスを行い、約600万から1,000万の配列タグを得た。これらのタグをゲノムおよびエクソン境界にマップし、エクソンの使用頻度やスプライシングパターンが野生型線虫とスプライシング制御因子変異体で差があると予測される遺伝子、エクソン、スプライシング事象の一覧表を作成した。1(2)CLIP-seq法:線虫スプライシング制御因子ASD-2について、精製組換えタンパク質と放射性同位元素標識標的RNAを用いて紫外線架橋の予備検討を行ったところ、ASD-2とRNAは架橋しにくいことが判明し、CLIP法によるASD-2の標的RNAの探索は難しいと判断し、中断することとした。2.標的候補遺伝子のスプライシングパターンの実験的検証:上記1(1)により制御因子変異体でスプライシングパターンの変化が予測された標的エクソン候補のうち約100個について、RT-PCRにより選択的スプライシングの有無や変異体における発現量の差異を検証し、Fox-1ファミリー制御因子ASD-1とFOX-1の二重変異体でスプライシングパターンが変化する38の事象を同定した。本年度は、次のアプローチで研究を進め、神経系特異的スプライシング制御因子UNC-75とその認識配列による神経系特異的選択的スプライシング制御機構を明らかにした。1.スプライシング制御因子の標的エクソンの網羅的探索:野生型背景の線虫および神経系特異的スプライシング制御因子UNC-75の変異体の同調したL1幼虫から抽出したmRNAについて、大規模シーケンスを行い、約600万から1,000万の配列タグを得た。これらのタグをゲノムおよびエクソン境界にマップし、エクソンの使用頻度やスプライシングパターンが野生型線虫とスプライシング制御因子変異体で差があると予測される遺伝子、エクソンの一覧表を作成した。2.標的候補遺伝子のスプライシングパターンの実験的検証:上記1により制御因子変異体でスプライシングパターンの変化が予測された標的エクソン候補のうち約50個について、RT-PCR法により選択的スプライシングの有無や変異体におけるバリアント量の差異を検証し、unc-75変異体でスプライシングパターンが変化する24の事象を同定した。3.標的遺伝子の選択的スプライシングパターンの解析:上記2によりunc-75変異体でスプライシングパターンの異常が確認された標的エクソンのうち4個について、蛍光スプライシングレポーターミニ遺伝子を作製し、トランスジェニックレポーター線虫を作製して、UNC-75の標的エクソンがUNC-75依存的に神経系特異的な制御を受けることを見出した。
男女共同の0〜3歳児子育ての社会化と子育て観評価指標及び類型別子育て支援法の研究

(1)調査対象者の概要:就業母親200票(就業中150,育休50)と専業母親206票を分析し、平均年齢は就業母親32.98歳、専業母親31.67歳、世帯類型は共に配偶者・子どもとの世帯が一番多く、育児で最も頼りにしている家族(配偶者を除く)は共に、実母、義母の順に多くかった。子どもの人数は、就業母親1人(41.5%)2人(39.0%)、専業母親1人(46.7%)2人(40.7%)であった。(2)変数の概要:(1)拙著らの03歳児の乳幼児を持つ専業母親用の子育て観尺度(CPS-M97)の下位尺度である、子育て満足感・生きがい感尺度と子育て負担感・不安感尺度は各6項目から構成。(2)自尊感情尺度や、配偶者、家族、育児仲間援助評価(各援助者から提供される援助への母親の評価:各14項目)、夫との子育て会話量、社会性による子育て観(子育てを通じて、近所づきあいなどの交流や活動に恵まれ、母親自身の成長の糧になる考え方)が設定されている。(3)結果と考察:(1)夫との子育て会話量と子育て負担感・不安感との間には有意な負の相関が認められた。(2)配偶者援助評価及び家族援助評価と自尊感情との間には有意な正の相関が認められ、配偶者や家族の援助を通し母親は孤立を感ぜずに、自己を大切な存在として受けとめられる。(3)子育て観類型^<(※)>の否定型の専業母親は、両価型の母親より自尊感情が有意に低く、子育て負担感・不安感が同様に低い場合でも、一方の子育て観を肯定的にみるアプローチを周囲が行えば専業母親の精神的健康を高められると考察できる。(※)子育て観類型とは、CPS-M97の二下位尺度の二軸直交の四類型(否定型(子育て満足感・生きがい感が低く、子育て負担感・不安感が高い)、両価型(両尺度共に高い)、自然型(両尺度共に低い)、肯定型(前者が高く、後者が低い))で、子育て観類型の判別基準表を作成している。(4)(1)比較分析のタイ王国調査は258票を分析、(2)専業母親と家族への育児支援のハンドブックを作成、(3)父親の子育て事象を検討し、総90頁で成果報告書を作成した。本研究の実績としては、平成15年度に日本語で作成した質問紙票の検討と作成を試みている。具体的には、従来の尺度開発である日本語で作成した子育て観尺度(CPS-M97)およびタイ国の女性の子育て状況にあわせた質問項目を作成した。その質問紙票は英文作成して、タイ国の協力大学であるブラハ大学に日本の研究員4人で赴き、タイ国における本研究協力責任者である看護学部長のSuntharawadee Theinpichet博士と、同大学教員であり助産師である三人の協力者と検討会を同大学で三回実施した。

さまざまな視点から、03歳児を育てている女性の生活実態を考慮しながら、タイ国での調査方法および質問紙の妥当性を検討した結果、本研究の質問紙票は女性の子育て状況に合わせて少し修正する必要が生じた。一方、日本国内における03歳児を持つ母親の調査研究を進めるにあたり、調査対象者の選定を行い各施設の内諾を得た。なお、本研究の開始に先立ち、本学の倫理委員会で疫学調査の必要要件として、倫理的問題を含んでいないかについての審査を受けた。その結果、特に倫理的な問題がなかったので研究を進めた。今後平成16年度には英文作成による質問紙票をタイ語に翻訳して、タイ国在住の03歳児を育てている母親に調査を依頼する予定である。(1)調査対象者の概要:就業母親126票と専業母親206票を分析し、平均年齢は就業母親32.98歳、専業母親31.67歳、世帯類型は共に配偶者・子どもとの世帯が一番多く、育児で最も頼りにしている家族(配偶者を除く)は共に、実母、義母の順に多くかった。なお、子どもの人数は、就業母親1人(41.5%)2人(39.0%)、専業母親1人(46.7%)2人(40.7%)であった。(2)変数の概要:(1)拙著らの03歳児の乳幼児を持つ専業母親用の子育て観尺度(CPS-M97)の下位尺度である、子育て満足感・生きがい感尺度と子育て負担感・不安感尺度は各6項目から構成。(2)自尊感情尺度や、配偶者、家族、育児仲間援助評価(各援助者から提供される援助への母親の評価:各14項目)、夫との子育て会話量、社会性による子育て観(子育てを通じて、近所づきあいなどの交流や活動に恵まれ、母親自身の成長の糧になる考え方)が設定されている。(3)結果と考察:(1)夫との子育て会話量と子育て負担感・不安感との間には有意な負の相関が認められた。(2)配偶者援助評価及び家族援助評価と自尊感情との間には有意な正の相関が認められ、配偶者や家族の援助を通し母親は孤立を感ぜずに、自己を大切な存在として受けとめられる。(3)子育て観類型^<(※)>の否定型の専業母親は、両価型の母親より自尊感情が有意に低く、子育て負担感・不安感が同様に低い場合でも、一方の子育て観を肯定的にみるアプローチを周囲が行えば専業母親の精神的健康を高められると考察できる。(※)子育て観類型とは、CPS-M97の二下位尺度の二軸直交の四類型(否定型(子育て満足感・生きがい感が低く、子育て負担感・不安感が高い)、両価型(両尺度共に高い)、自然型(両尺度共に低い)、肯定型(前者が高く、後者が低い))で、子育て観類型の判別基準表を作成している。(4)(1)比較分析のタイ王国調査は258票を分析、(2)専業母親と家族への育児支援のハンドブックを作成、(3)父親の子育て事象を検討し、総90頁で成果報告書を作成した。
食品成分間相互作用の新規解析方法の確立と味覚修飾物質のスクリーニング

塩味受容体候補であるENaCを活性化する物質に塩味増強作用が有ると仮定し、これをスクリーニングするためのハイスループットな系を構築した。また、化学合成によって塩味のみを増強させる物質の作出に成功した。苦味抑制剤として見出した脂肪酸による苦味の抑制機構を明らかにした。すなわち、脂肪酸のカルボキシル基が苦味物質中の窒素原子と水素結合によってbinary complexを形成し、binary complexは、さらに脂肪酸の側鎖同士で疎水結合を形成して凝集体を形成する。その結果、苦味物質の構造が変化するとともに、不溶化することで苦味が低減化されることを明らかにした。味は食品のおいしさにとって最も重要な要素である。食品に含まれる味物質は、互いに作用しあっている。例えば味の相互作用、相乗作用、対比効果などである。特に食品加工では、苦味抑制物質と塩味増強物質が重要な働きをもっており、本研究はこれらの物質をスクリーニングするためのアッセイ系の構築および、作用機作を解明することを目的とする。本年度までの成果として、塩味受容体のひとつであるENaCを活性化する分子をスクリーニングする培養細胞系を立ち上げることに成功し、ENaC活性剤を数種得ることができた。さらに活性化能を検証するために、二次スクリーニングの系を確立する。本研究申請前に、チーズの苦味を抑制する物質として脂肪酸を同定し、その作用機構として、脂肪酸が苦味物質に直接作用することを示唆するデータを得ていた。等温滴定カロリメトリー(ITC)を用いて脂肪酸と苦味物質の種類を替え、どの組み合わせの時に相互作用が検出されるかを解析した。味は食品の美味しさにとって最も重要な要素である。特に食品加工では、苦味抑制物質と塩味増強物質が重要な働きをもっており、本研究はこれらの物質をスクリーンングするためのアッセイ系の構築および、作用機作を解明することを目的とする。前年度までに塩味受容体候補のひとつであるENaCを活性化する分子を数種見い出した。これらはインドール環を有し、側鎖に特徴のある構造を有していた。一方で、塩味を増強する物質としてグアンジルアルコールを見い出し、化学的に合成した。本物質は、異味がなく塩味だけを選択的に増強した。またチーズの苦味抑制物質として同定した脂肪酸による苦味の抑制機構を明らかにした。すなわち脂肪酸のカルボキシル基が苦味物質中に存在するN原子と水素結合し、binary complexを形成する。binary complexはさらに脂肪酸の側鎖同士で疎水結合を形成する。これら2種類の相互作用によって凝集体を形成し、苦味物質の構造が変化するとともに不溶化することで苦味が低減化されることを明らかにした。本研究は、食品成分間の相互作用を解析することで、単独で存在する場合に較べて、より機能性の高い化合物を創出することを目的にしている。第一に塩味増強物質を新規に開発することに成功した。本物質は、水に易溶でかつ高い精製度を実現している。また異味がなく塩味のみを選択的に増強する想定以上の成果である。第二にチーズより見い出した苦味抑制物質、脂肪酸がどのような苦味物質に対して効果を発揮するか、構造的な特徴を明らかにした。苦味の抑制メカニズムとして、苦味物質中のN原子と脂肪酸のカルボキシル基が水素化合を介したbinary complexを形成する。binary complexは、脂肪酸側鎖同士の疎水性結合によって大きな凝集体を形成し、苦味が抑制されることを等温滴定カロリメトリー(ITC)、NMRを用いて解明した。当初の予定どおりの結果を得ることができた。食品に含まれる味物質は、互いに作用し合っている。特に、食塩の摂取量が、目標量を大きく超えている現状を鑑み、塩味の代替品あるいは増強物質を見い出すことは急務である。今までに塩味受容体候補のひとつであるENaCを活性化する分子を数種見い出した。

一方で、塩味を増強する物質としてグアジルアルコールを見い出し、化学的に合成した。本物質は、異味がなく塩味だけを選択的に増強した。またチーズの苦味抑制物質として同定した脂肪酸による苦味の抑制機構を明らかにした。すなわち脂肪酸のカルボキシル基が苦味物質中に存在する窒素原子と水素結合し、binary complexを形成する。binary complexはさらに脂肪酸の側鎖同士で疎水結合を形成する。これら2種類の相互作用によって凝集体を形成し、苦味物質の構造が変化するとともに不溶化することで苦味が低減化されることを明らかにした。さらに本年度は新規塩味受容体候補分子のスクリーニングを行った。その結果、味蕾に発現し、有郭乳頭と葉状乳頭に強いシグナルを有するチャネルを発見した。塩味受容体候補であるENaCを活性化する物質に塩味増強作用が有ると仮定し、これをスクリーニングするためのハイスループットな系を構築した。また、化学合成によって塩味のみを増強させる物質の作出に成功した。苦味抑制剤として見出した脂肪酸による苦味の抑制機構を明らかにした。すなわち、脂肪酸のカルボキシル基が苦味物質中の窒素原子と水素結合によってbinary complexを形成し、binary complexは、さらに脂肪酸の側鎖同士で疎水結合を形成して凝集体を形成する。その結果、苦味物質の構造が変化するとともに、不溶化することで苦味が低減化されることを明らかにした。本研究は、食品成分間の相互作用を解析することで、単独で存在する場合に較べて、より機能性の高い化合物を創出することを目的にしている。現在までにヒト塩味受容体の一つであると言われる。ヒトENaCを活性化する分子をスクリーニングするための系を構築した。第一に、HEK293T細胞にヒトENaCの3つのサブユニットα、β、γを発現させた。ENaCの活性化は、膜電位色素を同時に導入することで、ナトリウムイオンあるいはクロライドイオンが取り込まれるあるいは放出された際に、変化する膜電位を検出する。この系を用いて、創薬イノベーションセンターが保有する20万の化合物ライブラリーのスクリーニングを開始した。コアライブラリー1万化合物のうち約3000の化合物のスクリーニングを終了した。ENaCを活性化する化合物370種を得た。
イムノPCRとイムノリポーソムを融合した超高感度免疫測定法の開発

Dipalmitoyl phosphatidylcholine (DPPC)とコレステロールを主成分とするリポソーム(LUV,SUV)に,マレイミド基を介してイミノチオランでチオール化した抗原(チトクロムcを用いた)をスペーサー長の異なる6種類の架橋試薬(GMBS,EMCS,HMCS,SMPB,MBS,KMUS)を用いてカップリングし,抗原結合リポソームの調製を行った。GMBSを使用した時に最も多くの抗原結合量が得られることがわかった。マーカーとして蛍光試薬(CF)を封入した抗原結合リポソームを用いて,Liposome immunosorbent assay (LISA)の競争法により抗原測定を実施し,その測定特性を明らかにした。トレーサーとして用いるDNA封入抗原結合リポソーム調製は,プラスミドDNA(P-Bluescript II Ks+)を用いて行い,DNAが効率よくリポソーム(LUV,SUV共に)内に封入されることを確認した。プラスミドDNA封入個数は,60nmSUV,100nmLUV,200nmLUV,400nmLUVを用いたときに,それぞれ60,280,640,2100個であった。このDNA封入リポソームをβGalactopyranosideにより破壊し,MCSの236bpをPCR増幅し,Hoechst33258を加えて蛍光強度を測定したところ,脂質などに阻害されることなく,定量的にDNAが増幅された。このプラスミドDNA封入抗原結合リポソームを用い,LISAの競争法により抗原測定を実施し,1amol/mlの検出限界を達成した。この検出限界は,ELISAと比べて1000,000倍低く,蛍光物質をマーカーに用いたLISAに比べて,1000倍低い。したがって,本法は,微量物質の迅速測定に有用である。ELISAのトレーサーとして酵素の代わりに用いる抗体(抗原)結合リポソームの調製をおこなった。Dipalmitoyl phosphatidylcholine (DPPC)とコレステロールを主成分とするリポソーム(LUV,SUV)に,マレイミド基を介してイミノチオランでチオール化した抗原(チトクロムcを用いた)をカップリングさせた。このカップリングにはスペーサー長の異なる6種類の架橋試薬(GMBS,EMCS,HMCS,SMPB,MBS,KMUS)を用い検討を行った。その結果,GMBSを使用した時に最も多くの抗原結合量が得られることがわかった。マーカーとして蛍光試薬(CF)を封入した抗原結合リボソームを用い,測定条件による検出特性を調べた。検出限界は抗原結合量が増えるに従って低濃度側にシフトした。トレーサーとして用いるDNA封入リポソーム作成の検討は,サケ精子由来ゲノムDNAと大腸菌培養により製造精製したプラスミドDNA(P-BluescriptII Ks+)を用いた。ゲノムDNAを用いた場合には,超音波破砕により数百bpに断片化してもLUV,SUV共に封入することは出来なかったが,プラスミドDNAを用いた場合には,DNAが効率よくリポソーム(LUV,SUV共に)内に封入されることがわかった。さらに,このDNA封入リポソームをβGalactopyranosideにより破壊し,プライマーなど必要部品を加えてPCR増幅を実施したところ.脂質などに阻害されることなく,定量的にDNAが増幅されることを確認した。現在,プラスミドDNA封入した抗原(抗体)リポソームをトレーサーに使い,ELISAを実施している。

Dipalmitoyl phosphatidylcholine (DPPC)とコレステロールを主成分とするリポソーム(LUV,SUV)に,マレイミド基を介してイミノチオランでチオール化した抗原(チトクロムcを用いた)をスペーサー長の異なる6種類の架橋試薬(GMBS,EMCS,HMCS,SMPB,MBS,KMUS)を用いてカップリングし,抗原結合リポソームの調製を行った。GMBSを使用した時に最も多くの抗原結合量が得られることがわかった。マーカーとして蛍光試薬(CF)を封入した抗原結合リポソームを用いて,Liposome immunosorbent assay (LISA)の競争法により抗原測定を実施し,その測定特性を明らかにした。トレーサーとして用いるDNA封入抗原結合リポソーム調製は,プラスミドDNA(P-BluescriptII Ks+)を用いて行い,DNAが効率よくリポソーム(LUV,SUV共に)内に封入されることを確認した。プラスミドDNA封入個数は,60nmSUV,100nmLUV,200nmLUV,400nmLUVを用いたときに,それぞれ60,280,640,2100個であった。このDNA封入リポソームをβGalactopyranosideにより破壊し,MCSの236bpをPCR増幅し,Hoechst33258を加えて蛍光強度を測定したところ,脂質などに阻害されることなく,定量的にDNAが増幅された。このプラスミドDNA封入抗原結合リポソームを用い,LISAの競争法により抗原測定を実施し,1amol/mlの検出限界を達成した。この検出限界は,ELISAと比べて1,000,000倍低く,蛍光物質をマーカーに用いたLISAに比べて,1000倍低い。したがって,本法は,微量物質の迅速測定に有用である。
Ｅｘｐａｎｄａｂｌｅ　ｐｅｄｉｃｌｅ　ｓｃｒｅｗ　ｓｙｓｔｅｍの基礎的研究

脊椎椎弓根スクリューによる固定法において、スクリューのルースニングが生じることは、大きな問題の一つとなっている。そこで、われわれは、固定性(アンカー効果)の向上のために、スクリュー先端を拡張させる機能を付与したスクリューを試作した。そして、ビーグル犬を用いた実験を行った結果、この先端拡張型スクリューは、非拡張型スクリューと比較して、正常骨および骨粗鬆骨に対して固定力を向上させることが示された。しかし、正常骨ではスクリューの先端を開大すればするほど固定性が高まるが、骨粗鬆骨では先端の開大をより大きくしても固定性がほとんど増加しないことがわかった。近年、高齢者の脊椎手術が増加し、pedicle screwsystemを骨粗鬆症の患者に対して使用する機会が増えているが、screwのlooseningや脱転が生じやすく、骨粗鬆症の患者に対しても使用できるpedicle screwsystemの開発が望まれている。そこでわれわれは、screw先端部に開大機能を付与したexpandable screwを考案・開発し、その新しいexpandable pedicle screwsystemの生体力学的実験や骨癒合実験などの基礎的研究を行って、臨床応用したいと考えている。実験動物としてビーグル犬を使用するため、まずはビーグル犬の骨粗鬆症モデルを作成することと、ビーグル犬用のexpandable pedicle screwsystemを作成することが必要である。そこで、卵巣を摘出したビーグル犬10匹を購入し、約1年間檻の中で飼育することで運動不足状態の環境にさらし、骨粗鬆症モデルを作成した。また、expandable pedicle screwは先端部が腰椎の椎体内で十分に開大する必要があるため、実験動物に使用する前に試作品を作成し、先端部の開大機能や強度などを十分に検証する必要がある。そこでビーグル犬用expandable pedicle screwの試作品を瀬古工業(桑名市)に依頼し作成した。その試作品をビーグル犬の屍体腰椎に刺入し先端部を開大させてからCTを撮影し、先端部の開大程度などを確認した。一つ目の試作品はscrew径が細く強度が弱かったため、すぐに折れてしまった。二つ目の試作品は径を太くしたため強度は十分であったが、先端部の広がりが不十分であった。したがって現在、強度が十分でかつ椎体内で先端部が十分に開大するように改良中である。1年間飼育した実験的骨粗鬆症ビーグル犬モデルに対して、第4腰椎椎弓を全切除し、第3と第5腰椎にpedicle screwを挿入してrodで連結して、切除した第4腰椎椎弓を用いて第3ー5腰椎間の後側方固定を行った。その際に挿入するpedicle screwは、従来型のpedicle screw(N群)とexpandable pedicle screw(E群)とし、N群とE群の2群に分けてモデルを作製した。骨粗鬆症ビーグル犬2匹を屠殺し、screwの先端を開大しない状態と開大した状態で、両者の固定性を比較し、その結果、expandable pedicle screwの固定性が良好であることを確認できた。expandable screwが骨内で開きにくく、その作製に苦慮した。脊椎椎弓根スクリューによる固定法において、スクリューの緩み防止や固定性(アンカー効果)の向上のために、スクリュー先端部の軸方向に2つ割りスリットを入れ、スクリュー内部に設けたテーパ穴に後端から拡張ピンを挿入し、スクリュー先端を拡張させる機能を付与した拡張型スクリューを試作した。ここに、引き抜き強度による固定性の評価結果を報告する。試作品は、ヒト腰椎用スクリューの形状を参考に、ネジ長18mmネジ外径5mmにスケールダウンして作成(材質:SUS316L)した。形状等の設計値は、予備試験として海綿骨用模擬骨を用いた引き抜き試験を行い、得られた知見からフィードバックした。評価試験は、正常なビーグル犬3匹と卵巣を切除された骨粗鬆モデルのビーグル犬5匹を用いて、引き抜き試験を行った。まず、試験体の椎体中央部に3.5mmの下穴を開け、スクリューが皮質骨を通して海綿骨に固定されたことを確認し、試作スクリューの首部に横バーを取付け、その両端を支持して、椎体を直接押し出す方法によって、引き抜き試験を行った。そして、拡張ピン径は、2.0mmと1.85mmの2種類を作製し、引き抜き最大強度を求めて、アンカー効果を評価した。その結果、拡張ピンを用いた先端拡張型スクリューは、拡張ピンの無いスクリューに比べて、アンカー効果は大きかった。また、正常椎体では拡張ピン径差(2.0および1.85mm)が大きいほどアンカー効果が大きかったが、骨粗鬆椎体では拡張ピン径差によるアンカー効果はほとんどみられなかった。結論として、先端を拡張してアンカー効果を高めたスクリューは、正常骨でも骨粗鬆骨でも固定力の向上がみられ、その有用性が示された。しかし、正常骨ではスクリューの先端を開大すればするほど固定性が高まるが、骨粗鬆骨では先端の開大をより大きくしても固定性はほとんど増加しない可能性があると考えられた。

しかし、正常骨ではスクリューの先端を開大すればするほど固定性が高まるが、骨粗鬆骨では先端の開大をより大きくしても固定性がほとんど増加しないことがわかった。ビーグル犬用のexpandablepedicle screwの試作品を改良中である。整形外科学強度が十分でかつ椎体内で先端部が十分に開大するビーグル犬用expandable pedicle screwを作成すること。screwが作成できれば、生体力学的実験が可能である。expandable screwsの作成に手間取っていたため、犬の脊椎手術のタイミングが遅れ、全ての手術が行えなかったため、次年度使用額が生じてしまった。ビーグル犬用expandable pedicle screwが完成していないため、動物実験ができなかった。全ての犬の脊椎手術を行い、本研究を完結したいと考えている。
退化楕円型方程式の実解析的研究

本研究の目的は、領域の内部や境界で様々な意味での退化をする楕円型作用素に関する問題を、実解析的アプロチを共通のキーワードとして、研究分担者が各自の専門分野間の有機的関係を深めながら新しい進展を目指して総合的な共同研究を行うことにある。具体的には、以下のような成果があった。(1)退化楕円型方程式の解の特異点の除去可能性の研究:準線形退化楕円型方程式の解の特異点の除去可能性が、非線形項をルジャンドル変換して得られる共役関数を用いた相対キャパシティや新しい解のアプリオリ評価を導入して研究された。(2)領域で内部退化をする般な楕円型方程式の解のなめらかさの研究:有界関数なソボレフ関数の範疇で補間理論を構築し実解析的な手法で解のなめらかさを調べられた。(3)クリティカルな非線形項をもつ楕円型方程式の研究:重複ラプラシアン及び調和作用素に関する特異解が研究された。(4)高階ハーディーの不等式と重み付きハディーが精密化された。(5)退化楕円型作用素に対するポテンシャル論の研究:積多様体上で、ホイヘンスの原理が研究された。本研究の目的は、領域の内部や境界で様々な意味での退化をする楕円型作用素に関する問題を、実解析的アプローチを共通のキーワードとして、研究分担者が各自の専門分野間の有機的関係を深めながら、新しい進展を目指して総合的な共同研究を行うことにある。(1)退化楕円型方程式の解の特異点の除去可能性の研究:主要部が非線形である場合が、非線形項のある意味での共役関数を尺度関数とした相対キャパシティや新しい解のアプリオリ評価を導入し研究された。またP-ハーモニック作用素に対して加藤の不等式が拡張された。(2)領域で内部退化をする一般な楕円型方程式の解のなめらかさの研究:有界関数なソボレフ関数の範疇で補間理論を構築し実解析的な手法で解のなめらかさを調べられた。(3)クリティカルな非線形項をもつ準線型退化楕円型方程式の研究:重み付きソボレフの不等式との関連で積型の不等式は研究された。(4)退化楕円型作用素に対するポテンシャル論の研究:境界で有限次の退化をする作用素に関連する成果がまとめられた。本研究の目的は、実解析的方法を共通のキーワードとして領域の内部や境界で様々に退化をする楕円型作用素に関連する問題を、研究分担者が各自の専門分野間の有機的関係を深めながら、新しい進展を目指して総合的な共同研究を行うことにある。具体的には、以下のような成果が本年度にはあった。(1)準線形退化楕円型方程式の解の特異点の除去可能性の研究:非線形項の共役関数を用いたキャパシティや新しい解のアプリオリ評価を導入し、特異点が除去できるための必要十分条件がまとめられた。(2)重複ラプラシアンに対する非線型問題の解析がハーディーの不等式との関連で行われた(3)高階ハーディーの不等式のミッシング・タームの研究が行われた。(4)昨年度に引き続き、領域で内部退化をする一般な楕円型方程式の解について調べられた。具体的には有界なソボレフ関数の範疇で補間理論を構築し実解析的な手法で解のなめらかさを調べられた。(5)トーマス・フェルミ方程式の理論の高次元化について、ある程度見込みが付いた。本年は最終年であるが、具体的には、以下のような成果があった。(2)領域で内部退化をする一般な楕円型方程式の解のなめらかさの研究:昨年に引き続き、有界関数なソボレフ関数の範疇で補間理論を構築し実解析的な手法で解のなめらかさを調べられた。

(3)クリティカルな非線形項をもつ楕円型方程式の研究:重複ラプラシアン及びp調和作用素に関する特異解が研究された。(4)高階ハーディーの不等式と重み付きハーディーが精密化された。(5)退化楕円型作用素に対するポテンシャル論の研究:積多様体上で、ホイヘンスの原理が研究された。
有機薄膜太陽電池の表面プラズモン共鳴による高効率化に関する研究

有機薄膜太陽電池は、励起子拡散長が短いためドナー-アクセプター界面で生成された励起子のみが解離して光電流に寄与し、キャリア生成サイトが少ないことが、高効率化において最大の問題の一つである。本研究では、表面プラズモンを利用した有機薄膜太陽電池の高効率化について検討を行った。まず、ドナーとアクセプターが素子全体にわたって入り組んだ相分離構造を形成するバルクヘテロ型、および、ドナーとアクセプターとの積層界面で両者の入り組んだ状態を自己組織的に形成する相互浸透積層構造型を採用し、金属ナノ微粒子の導入効果を検討した。その結果、外部量子効率EQEが80%近い光吸収波長範囲内での大きなプラズモン効果は期待できず、吸収範囲の拡大あるいは吸収の少ない波長領域でのプラズモン利用の検討の必要性を示した。次に、ドナー材料として導電性高分子およびフタロシアニン、アクセプター材料としてC_<60>またはフラーレン誘導体PCBMを用いて、積層構造を金属薄膜で挟んだMIM構造を作製し、光電流スペクトルの測定よりプラズモンがキャリア生成機構に及ぼす効果、特に長距離伝搬プラズモンが励起子生成機構に及ぼす効果を調べた。その過程で、側鎖を導入した液晶性フタロシアニンをドナー材料として用いた場合、低分子でありながら溶媒塗布によりバルクヘテロ構造の形成が可能であり、0.8Vを超える高い開放電圧が得られ、3.2%のエネルギー変換効率が得られた。また、導電性高分子/PCBM複合系に液晶性フタロシアニンを添加することにより、導電性高分子吸収帯域におけるEQEを損なうことなく、赤外域でのキャリア生成が増大し、短絡電流の増大・効率の改善に寄与することを明らかにした。有機薄膜太陽電池は、role toroleプロセスで形成可能であり、大面積素子を容易に作製できる次世代太陽電池として期待されている。しかしながら、Siなどのp-n接合型太陽電池とは異なり、励起子拡散長が光吸収領域の大きさに比べて短いため、ドナー-アクセプター界面極近傍で吸収された光のみが光電流に寄与する。すなわち、キャリア生成サイトが少ないことが、有機薄膜太陽電池の高効率化にあたって最大の問題である。本研究では、金属ナノ微粒子、ナノ構造における表面プラズモン共鳴を利用して、励起子生成サイトにおける光増強効果を活用して入射フォトンを効率的に励起子に変換し、さらに、相互浸透界面で生成されたキャリアを高効率に電極に取り出す素子を提案することを目的として研究を行った。具体的には、ドナー材料(D)である共役高分子CPとアクセプター材料(A)であるフラーレン誘導体が素子全体に入り組んだ相分離構造を形成するパルクヘテロ型では、キャリア生成サイトは多いが生成されたキャリアの取り出し効率が低い。そこで、我々は、CPとフラーレンとの積層界面で両者の入り組んだ状態を自己組織的に形成する相互浸透積層構造型を採用し、その相互浸透相への金属ナノ微粒子の導入を試みた。まずD/A単純積層構造界面にAgナノ微粒子を蒸着法により分散させ、光電流、光起電力を測定することにより励起子解離に及ぼす表面プラズモンの効果を調べた。また、グレーティング結合型のプラズモン励起の効果も調べ、特に多成分周期構造グレーティングによる広波長領域におけるプラズモン励起について時間領域差分法計算により検討した。
超高品質半導体薄膜中の光・励起子間長距離強結合がもたらす非線形光学応答の増強

独自技術であるMBE法をベースとした成膜では電子線照射における加速電圧の制御によって更なる高品質化に成功した。さらに、光学非線形の定量的評価に優れ、光スイッチ等で広く利用されている光カー効果の測定系を立ち上げ、スペクトル及び応答速度の測定を行った。得られたスペクトルは複数の鋭いピークを持ち、各ピークの光子エネルギーが光ー励起子長距離結合効果による輻射シフトを含めた励起子固有エネルギーと一致する特異な形状を示すことが明らかになった。また、輻射緩和時間も輻射幅を反映し、光との整合性が高い励起子モードにおいてはバルク結晶の励起子輻射寿命を3桁上回る100fs級超高速光カーゲートの観測に成功した。分子線エピタキシー法に新奇技術を加えた高品質CuCl薄膜作製法に関しては、試料原料の選別や各成長条件の調整等に加えて独自手法である電子線照射に対しても加速電圧や照射時間の調整を進め、反射スペクトルの測定より得られる励起子減衰定数が0.3meVを下回るまで膜質を高めることに成功した。作製した様々な膜厚の試料に対して線形・非線形光学特性の評価を行ったところ、縮退四光波混合に加えて共鳴光カー効果スペクトルや低密度励起による発光スペクトルおいても複数のピークを持つ特異な形状を示すことを確認することができ、それらの光子エネルギーは高品質微小構造における光ー励起子長距離結合に起因する輻射シフトを含めた励起子固有エネルギーと一致することが明らかになった。特に光波と閉じ込め励起子の整合性が高くなる膜厚の試料に対しては、共鳴光カー効果においても縮退四光波混合スペクトルと同様に励起子超放射による100fs秒級の超高速応答実現に至った。さらに、共鳴光カー効果に関する実験結果から非線形屈折率を算出したが、酸化ガラス等一般的に使用されている物質と比べても4桁以上凌ぐ巨大な値を示すことが明らかになり、これまでトレードオフの関係にあるとされてきた共鳴非線形過程の応答速度・光学非線形性において双方を劇的に高めることに成功した。CuCl以外の物質についても非線形光学応答に関する実験を進め、励起子がフレンケル型であり、CuClを凌ぐ光ー励起子結合が期待される有機物半導体アントラセン薄膜においては、縮退四光波混合の信号を得られるようになった。また、環境への負荷が低く安価で、応用面への発展に適したZnOに関しても実験を行い、最低励起子エネルギーよりも低エネルギー側に複数の鋭いピークを持つ特異な縮退四光波混合スペクトルの観測に世界で初めて成功し、CuClと同等の100fs級超高速応答の観測にも成功した。分子線エピタキシー(MBE)法の改良による新奇成膜法を用いたCuCl薄膜の作製では、CuCl原料の品質改善や成長レートの調整に加え、この製法独自の技術である電子線照射においても加速電圧・照射時間を変えながら試行を繰り返すことによって更なる品質の向上に成功した。この改良した製法によって作製したCuCl薄膜においては、非線形光学過程である縮退四光波混合のみならず低密度励起による励起子発光のスペクトルにおいても複数のピークを持つ独特の形状を示すことを確認することができ、それらの光子エネルギーは光ー励起子間長距離コヒーレント結合に起因する輻射シフトを含めた各励起子モードの固有エネルギーと一致することが明らかになった。光カー効果による非線形スペクトルの測定システム構築も進め、高品質化したCuCl薄膜において測定を行った。その結果、縮退四光波混合スペクトルと同様だが光カー効果では初めての観測となる各励起子モードに対応した複数の鋭いピークが出現することを確認し、励起子モード毎のカー回転角、非線形屈折率等を測定できるようになった。さらに、ポンプ光に対するプローブ光の時間遅延を変化させることによってカーゲート動作の時間応答測定も行ったところ励起子モード毎に異なる緩和特性を示し、光波との整合性が高いモードにおいては数100 fs級の超高速応答を観測することに成功した。CuCl以外の物質に対しても準備を進め、環境に優しく、室温でも励起子が安定に存在できることから近紫外デバイスの素材として開発が進められているZnOの高品質薄膜においても縮退四光波混合の測定に成功した。また、顕著な励起子ポラリトン効果を示す有機物芳香族分子であるアントラセンの薄膜結晶においても縮退四光波混合の測定を行うべく、専用の冷却装置等の準備を進めている。本研究ではMBE法をベースとしたCuCl成膜技術の向上と光カー効果による光学非線形性の評価を主な目標としているが、双方において明確な進展が見られた。

成膜に関しては試料原料、MBE成長の各種条件、そして独自技術である電子線照射における加速電圧・照射時間の調整によって光学的品質が向上することを確認したが、いずれの条件調整においてもまだ改善の余地があり、極限まで品質を高める製法の確立や膜厚制御精度の向上が今後の課題となっている。光学測定面では、従来使用してきた縮退四光波混合測定用の光学系に手を加えることによって、光カー効果による非線形スペクトルの測定も可能なシステムを構築した。実際に膜厚の異なる複数のCuCl薄膜に対して特異なスペクトル構造や超高速応答を観測しているが、このシステムと高品質薄膜を用いた測定では十分に強い信号を得ることができ、光カー効果による偏光回転角や位相変化を各閉じ込め励起子に対して算出できる段階まで到達している。また、励起密度依存測定を行うことによって非線形屈折率の値まで得られる体制が既に整っていることから、試料毎に光学非線形性を評価して定量的な比較を進めていくことができる状況になっている。MBE法を用いた独自成膜技術に関しては、照射電子の加速電圧、電流密度、照射時間を変えながら作製を繰り返し、反射等の線形スペクトルや原子間顕微鏡像をチェックすることによってCuCl薄膜の光学的品質や表面モフォロジーが最も高くなる照射条件を絞り込んでいく。光学測定に関しては、立ち上げてきた光カー効果測定システムを用いた光学非線形性の評価を進めていく。これまでの成果により、高品質薄膜においては光ー励起子間長距離コヒーレント結合に起因する輻射シフト・輻射幅変化が得られ、それらは非単調な膜厚依存性を示すことが明らかになったが、閉じ込め励起子モード毎に輻射シフト・輻射幅が最大を示す膜厚やその大きさを系統的に示すことによって初めてこの新奇物理現象の真価を正確に理解できることになる。そこで、線幅が狭いために波長選択性に優れたピコ秒パルスレーザーを光源に用い、その中心波長を各励起子モードの共鳴波長に設定して励起を行うことによって光学非線形性のモード・膜厚による変化を測定していく。ただ、高い応答効率が期待される励起子モードほど輻射幅も大きいため、狭線幅レーザーでは励起効率が低いうえに他モードとのエネルギー的な重複によって正確な測定は困難であると予想される。そこで温度上昇に伴う位相緩和レートの増大によって輻射幅の小さいモードから順に消滅していくことを明らかにした成果も活用し、輻射幅が最も大きい励起子モードのみが観測可能となる室温近辺の温度領域において同等のバンド幅を持つ数10 fsパルスを励起光源に用いた測定を行う。結果は従来のMBE法によって作製したナノ薄膜やバルク結晶の場合と比較し、CuCl薄膜の高品質化によって非線形信号強度が何倍まで高まるかを定量的に示していく。本計画の遂行によって得られた成果は速やかに取りまとめ、国際会議、論文、国内学会等による発表を積極的に行っていく。試料作製のための原料及び基板、線形・非線形光学測定のための光学部品、試料作製時の真空度向上及び低温実験のための寒剤等による物品費に95万円、研究調査・成果発表等による国内外旅費に50万円、学会登録費・出版費等に10万円の計155万円を直接経費として計上することを予定している。