hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
小型風力発電システムのセンサレス最大電力追尾制御とフライホイールによる電力平準化

1.小形風力発電機の最大電力動作点追尾運転方式1)屋内実験用50W出力風車の特性評価を前年度に引き続いて行なった。今年度は、当大学の風工学研究センターを利用して、理想的な一様風速下での風車特性と、ブロワにより駆動した場合の風車特性を、温度や湿度の影響も考慮しながら詳細に比較検討した。この結果、小形風車をブロワで駆動する方法でも十分な風車特性が再現できるとが明らかとなり、電気学会SPC研究会で報告した。2)リミットサイクル方式MPPT制御を上記の実験装置に適用し、定常動作時において最大電力動作点での動作が実現できていることを実験により確認し、電気学会全国大会で報告した。なお、同制御系の設計法は太陽光発電の場合に準じるが、機械的時定数の影響については引き続き検討中である。3)前年度に製作した「2.2kW誘導機+2kW永久磁石直流発電機」実シミュレータについて、トルク指令への追従性を改善する目的で、軍流制御法をヒステリシスコンパレータ方式から電流マイナーループ方式に改良した。2.脈動電力のフライホイール利用による電力平準化フライホイールをエネルギー蓄積要素として利用する場合の基礎技術である始動法と,任意の回転速度からの再始動(速度の拾い上げ)に関して具体的な一方法を提案し、電気学会全国大会で報告した。3.小規模分散電源システムとしての問題点の抽出本研究の次のテーマとして取り上げるべき小規模分散電源システムの問題点について検討し電気学会全国大会で報告した。すなわち、太陽光や風力発電ユニットを直流バスに接続する場合、各ユニットの電力分担とDCバズ電圧を定常状態で定めることを目的として一般に『仮想抵抗制御」が行なわれるが、この制御はシステムのダンピングを改善には寄与しないことが固有値解析より明らかとなった。今後、システムの不安定性要因の検討と有効なダンピング改善策について検討する。本研究の目的は、数kW程度以下の小形風力発電機における、風速、軸速度、トルク等のセンサを必要としない簡便な最大電力動作点追尾(MPPT)運転方式の実現と、その結果得られる脈動電力のフライホイール利用による電力平準化である。初年度の研究成果を以下に箇条書きにして示す。1.小型風力発電機の最大電力動作点追尾運転方式1)実際に室内において風車を扇風機で駆動する、40W出力の小形実験システムを試作し、風車の特性を詳細に取得し、それに基づいて系のシミュレーションを行うためのダイナミックモデルを構築した。2)さらに、先に太陽光発電システムにおいてその有効性を確認しているリミットサイクル方式MPPT制御を、上記の実験装置に適用し、風力発電装置にも同手法が有効であることをシミュレーションと実験により明らかにした。この成果の一部は電気学会SPC研究会で報告した。3)40W程度の小出カでは系統連系運転などの検証を行うことは困難である。そこで、上記の装置とは別に、2kW出力の風車シミュレータを構築した。永久磁石直流発電機をすべり周波数形ベクトル制御誘導機により駆動するもので、風速指令と軸速度から風車モデル式に基づいて誘導機のトルク指令が算出される。この装置を利用しての系統連系運転、フライホイールとの連携運転が今後の課題である。2.脈動電力のフライホイール利用による電力平準化1)フライホイール誘導機の電気、機械パラメータを測定した。2)V/f一定制御に電力フィードバックをかける方法により簡易的な電力制御をシミュレーション上で実現した。今後、電力応答性能の向上、制御パラメータの合理的な設定法の明確化、複数台のフライホイールを一台のインバータで駆動する場合の問題点等について検討する予定である。1.小形風力発電機の最大電力動作点追尾運転方式1)屋内実験用50W

出力風車の特性評価を前年度に引き続いて行なった。今年度は、当大学の風工学研究センターを利用して、理想的な一様風速下での風車特性と、ブロワにより駆動した場合の風車特性を、温度や湿度の影響も考慮しながら詳細に比較検討した。この結果、小形風車をブロワで駆動する方法でも十分な風車特性が再現できることが明らかとなり、電気学会SPC研究会で報告した。2)リミットサイクル方式MPPT制御を上記の実験装置に適用し、定常動作時において最大電力動作点での動作が実現できていることを実験により確認し、電気学会全国大会で報告した。なお、同制御系の設計法は太陽光発電の場合に準じるが、機械的時定数の影響については引き続き検討中である。3)前年度に製作した「2.2kW誘導機+2kW永久磁石直流発電機」実シミュレータについて、トルク指令への追従性を改善する目的で、電流制御法をヒステリシスコンパレータ方式から電流マイナーループ方式に改良した。2.脈動電力のフライホイール利用による電力平準化フライホイールをエネルギー蓄積要素として利用する場合の基礎技術である始動法と、任意の回転速度からの再始動(速度の拾い上げ)に関して具体的な一方法を提案し、電気学会全国大会で報告した。3.小規模分散電源システムとしての問題点の抽出本研究の次のテーマとして取り上げるべき小規模分散電源システムの問題点について検討し電気学会全国大会で報告した。すなわち、太陽光や風力発電ユニットを直流バスに接続する場合、各ユニットの電力分担とDCバス電圧を定常状態で定めることを目的として一般に「仮想抵抗制御」が行なわれるが、この制御はシステムのダンピングを改善には寄与しないことが固有値解析より明らかとなった。今後、システムの不安定性要因の検討と有効なダンピング改善策について検討する。
EUの労働市場調整制度に関する研究

平成14年度平成16年度の3年間、EU大での労働市場調整制度を様々な角度から追跡してきた。平成14年度は2000年3月のリスボン欧州理事会以降、知識基盤型経済を形成するためEUが欧州域内の労働のモビリティを高める政策に力を入れだしたこと、それらの政策が欧州労働市場のパフォーマンス向上に寄与したことを明らかにし、モビリティに関連するEUの政策を捉える上での基本的な分析視座を確立した。平成15年度はモビリティという概念がリスボン欧州理事会以前の労働移動および人の移動に関する制度的発展の中にどう位置づけられるかを考察するとともに、リスボン欧州理事会以降のモビリティ促進政策の展開は教育・文化、雇用・社会、域内市場、研究開発など様々な分野において補完的に進められていることを明らかにし、なかでも教育・文化および域内市場からのモビリティ促進政策に焦点を当てその意義や限界を論じた。平成16年度は前年度に取り上げられなかった研究開発の分野におけるモビリティ促進政策、具体的には欧州リサーチエリア(ERA)創設に関する政策を取り上げ分析したが、各国ばらばらで行われている研究開発政策とEUの研究開発政策を整合的な方法で実施し、知識と人的資源がEU域内を自由に移動することを確保することによってアメリカと対抗し得る研究開発拠点を形成するというERへの野心的な目的は狙い通りにいかない事実を明らかにした。以上の3年間の研究から引き出された結論は、労働移動を通じたEU加盟国間の労働市場調整制度の発展は、労働市場における需給の変化、それに関する加盟各国の利害、EUを超えた世界的なレベルでの労働移動をめぐる動向などの諸要因の複雑な組み合わせによって規定されてきたことである。拡大EUにおいて労働市場調整はいっそう困難になると予想されるが、本研究では十分に取り上げることができなかったため今後の研究課題とする。本研究は平成14年度平成16年度の3年間にわたり、EU大での労働市場調整制度の展開を追跡し、その展開がもたらすEU経済の実態面への影響を量的および質的な二側面から捉え、分析するものである。初年度である平成14年度では、まずはEUの労働市場および労働移動関連の政策文書を2000年2002年を中心に丹念に追い、2000年3月のリスボン欧州理事会以来、EUが欧州域内の労働のモビリティを高める方向に大きな舵取りを行ってきたこと、そのような政策展開はリスボンで立てられた目標と密接に関連していること、それらの政策は欧州の労働市場のパフォーマンスの向上に寄与してきたことを明らかにした。次に、EU大の労働市場のうち、特に高度な技術・専門知識を持つ労働者に注目し、そのような労働者に対するEUのモビリティ促進政策が近年、なぜ推進されるようになったのかその背景要因を分析した。その最大の理由は高技術労働者のモビリティを促進することによって生じる労働市場における就業機会の増大、アメリカのシリコンバレーのような高技術労働者の集積、個々人の意思決定による人的資本投資の促進というプラスの経済効果をEUが強く意識するようになったことであった。統計データから明らかになったEU労働市場の現状は、フィンランドとスウェーデンを例外としてEU諸国における高技術労働者の供給が圧倒的に不足しており、また、アメリカへのEU高技術労働者の「頭脳流出」が生じている状況にとどまっている。政策展開に対応した実態面への影響については研究期間の残りの2年間でさらに追跡していく。なお、平成15年3月に行った海外での資料収集および政策担当者へのインタヴューを通じては貴重な内部資料・情報が得られた。これについては平成15年度において分析・発表を予定している。本研究は平成14年度々平成16年度の3年間にわたり、EU大での労働市場調整制度の展開を追跡し、その展開がもたらすEU経済の実態面への影響を量的および質的な二側面から捉え、分析するものである。平成15年度は、研究会での発表を通じて、1990年代後半から欧州委員会の政策文書に頻繁に登場するようになった「モビリティ」という言葉がそれまでのEUの労働者および人の移動に関する制度的発展のなかにどのように位置づけられるのかを考察した。さらに研究を重ね、年度末に発表した論文においては、2000年のリスボン欧州理事会以降のモビリティ促進政策の展開が、単一欧州議定書までの労働者の自由移動の容易化政策を、同議定書以後の研究者のモビリティおよび学生・教員のモビリティ促進政策とともに包括的に進めようという試みであること、このため制度的展開は欧州委員会内の教育・文化総局、雇用・社会問題総局、域内市場総局、リサーチ総局など様々な総局が互いに補完しあいながら進めていることを明らかにした。同論文では域内市場総局と教育・文化総局が行う政策を特にとりあげ、その意義について論じた。すなわち、域内市場総局によるEU市民の苦情処理制度、教育・文化総局が行う学生および教員の交換制度の展開、ユーロパスのようなEU市民のモビリティのためのツールは、その利用者が増大するにつれ、モビリティに関する現行制度の矛盾や問題点を浮き彫りにし、それにEUが対処せざるを得なくなるなかでモビリティに対する残存する障壁が除去され、EU大の社会的統合、労働市場の連結に寄与することを明らかにした。平成15年度は上述のモビリティに関する研究に加え、平成16年度に行われるEUの第5次拡大も視野に入れて労働移動の調整制度を展望する準備段階として、加盟予定国のなかからマルタ共和国を取り上げ、その労働市場の特徴とEU加盟による影響の分析も行った。

平成14年度は2000年3月のリスボン欧州理事会以降、知識基盤型経済を形成するためEUが欧州域内の労働のモビリティを高める政策に力を入れだしたこと、それらの政策が欧州労働市場のパフォーマンス向上に寄与したことを明らかにし、モビリティに関連するEUの政策を捉える上での基本的な分析視座を確立した。平成15年度はモビリティという概念がリスボン欧州理事会以前の労働移動および人の移動に関する制度的発展の中にどう位置づけられるかを考察するとともに、リスボン欧州理事会以降のモビリティ促進政策の展開は教育・文化、雇用・社会、域内市場、研究開発など様々な分野において補完的に進められていることを明らかにし、なかでも教育・文化および域内市場からのモビリティ促進政策に焦点を当てその意義や限界を論じた。平成16年度は前年度に取り上げられなかった研究開発の分野におけるモビリティ促進政策、具体的には欧州リサーチエリア(ERA)創設に関する政策を取り上げ分析したが、各国ばらばらで行われている研究開発政策とEUの研究開発政策を整合的な方法で実施し、知識と人的資源がEU域内を自由に移動することを確保することによってアメリカと対抗し得る研究開発拠点を形成するというERへの野心的な目的は狙い通りにいかない事実を明らかにした。以上の3年間の研究から引き出された結論は、労働移動を通じたEU加盟国間の労働市場調整制度の発展は、労働市場における需給の変化、それに関する加盟各国の利害、EUを超えた世界的なレベルでの労働移動をめぐる動向などの諸要因の複雑な組み合わせによって規定されてきたことである。拡大EUにおいて労働市場調整はいっそう困難になると予想されるが、本研究では十分に取り上げることができなかったため今後の研究課題とする。
インスリンにより制御される遺伝子のクローニングと解析

インスン作用は膜表面の受容体に結合後,糖輸送の促進としてあらわれるばかりでなく,核に作用して特定のmRNAの転写に関与している。我々はどのようなmRNAが増減するかを次の様な方法で検索した。(結果)(1)in vitro翻訳産物による評価:ラット肝癌細胞H35をインスリン添加前,インスリン10^<-7>M添加後よりmRNAを調製し,ウサギreticulocyte lysateを用いて翻訳産物を作成,二次元に展開して比較した。約1%にあたるスポットが変動を示した。(2)インスリンに反応するmRNAのcDNA単離:インスリン刺激後のmRNAよりcDNAライブラリーを作成し,前,後のmRNAよりプローブを作成して反応させ,シグナルの変化するクローンを選びだした。(3)単離クローンによるRNA定量:得られたクローンのインサートをプローブにしてH35のmRNAを定量してみると,それぞれ予想された増加又は減少を示した。図にその例を示す(4)単離クローンの一次構造インサートをプラスミドに結合して塩基配列を決定して既知の配列と比較すると#479はフェリチンと高い相同性を示し,#448はメタロチオネインと相同性を示した。他は有意な類似はなかった。(結論)得られたクローンの中にインスリン作用に重要な役割を持つものが存在する可能性がある。
炎症性疾患克服に向けた線維芽細胞病理学開拓への挑戦

炎症局所の線維芽細胞は程度の差はあれ活性化している。従来、これはプロフェッショナル免疫細胞活性化の結果とみなされ、線維芽細胞を炎症の治療標的とする研究はなかった。本研究では炎症局所線維芽細胞の異なる活性状態を代表する2疾患(関節リウマチ[ RA]、多発性筋炎[ PM])モデルをプロトタイプとして、炎症局所の線維芽細胞の由来・動員機序、活性化とその維持機構を解析することを目的とした研究を行った。RAモデル研究においては、関節炎の主病態である滑膜炎を形成する滑膜線維芽細胞の起源と動態を明らかにし、新たな治療法を開発することを目的に検討を行った。線維細胞が病的滑膜線維芽細胞の起源である可能性や、滑膜炎の病態に関与する可能性につき明らかにするため、マウスの末梢血・骨髄細胞からの線維細胞の同定と培養系の条件を確立した。今後、この細胞を用いて、関節炎を発症したマウスより回収した線維細胞を、他のマウスに移入し、関節炎の発症過程への影響を検討することにより線維芽細胞病理学へとつなげることができる。PMモデル研究においては、筋炎において、筋組織にリンパ球・マクロファージ・線維芽細胞などの遊走を起こす因子の同定を試みた。筋肉の壊死・再生過程や前駆細胞からの分化過程において、筋肉に発現する細胞遊走因子のスクリーニングの結果は、ある種のケモカインが細胞誘導に関与していることを示していた。本研究では炎症局所線維芽細胞の異なる活性状態を代表する2疾患(関節リウマチ[RA]、多発性筋炎[PM])モデルをプロトタイプとして、(1)炎症局所の線維芽細胞の由来・動員機序、(2)活性化とその維持機構を解析し、(3)線維芽細胞を標的とした新たな炎症制御法を模索し、線維芽細胞病理学を確立することを目的とした研究を行った。
吸放湿性を考慮した室温湿度・熱負荷の確率性状の解析法に関する研究

昨年度の離散フーリエ変換を用いた計算においては、系の状態が急激に変化する場合、高調波の打ち切りに由来する振動が生じた。この振動は必ずしも小さいとは言えず、今年度はこの打ち切り誤差の程度を把握することを目的の一つとした。誤差の検討には正確解が、従って連続時間での正確な重み関数を求めること、又十分小さな差分刻みを用いた状態方程式に基づく解析を行うことが必要である。更に、連続時間の外界気象確率過程モデルも必要となる。今年度は、外気温と外気湿度の確率的変動を表現する連続時間の確率過程モデルを作成した。この確率過程モデルは、外気温と外気湿度との間の相関を考慮したものである。結露に対する吸放湿材の影響の検討を主たる対象とし、冬期のデータを整理した。また、連続時間の確率特性解析プログラムを作成し、この誤差の程度についての検討を行った。更に、上で得られた外界気象の確率時系列モデルと離散フーリエ変換により得られる重み関数を利用して、外界条件が確率的に変動する場合の室温湿度・熱負荷の確率性状の解析を行った。昨年度は基礎的な検討に重点を置き単室のみの解析を行った。一方、住宅などの室温湿度には室相互間の換気が大きく影響するため、今年度はこれを考慮し、室相互間の換気が各室の温湿度に及ぼす影響についても検討した。重力換気による換気量を温度差のみの線形式で近似する方法を提案し、この方法が室内温湿度性状の解析あるいは熱負荷計算に対して十分な精度を有すること、室間の相互換気が室内温湿度変動に及ぼす影響の大きいことを明らかにした。外気温度と外気湿度の確率的変動を表現するARMA(Auto-Regressive Moving Average)モデルを作成した。この確率時系列モデルは、外気温と外気湿度それぞれの自己相関のみならず、両者の間の相互相関を考慮したものである。結露に対する吸放湿材の影響の検討を主たる対象とし、冬季の東京の気象データの整理を行った。決定されたモデルは2次であり、この程度の低次のモデルでも生データの特性を比較的良好に表現可能であるという結果が得られた。これらのデータ整理にはパソコンが有効に利用された。吸放湿性を考慮した室温湿度の数値計算法について検討した。住宅等の多数室で構成される建物を考慮するため、重み関数表現に基づく解析法を採用した。重み関数を求める方法としては、離散フーリエ変換を用いた。間欠空調を行う場合には時変系となるため、それに伴う数値解析上の問題点についても検討した。非常に細かい差分計算(それを正解とみなした)との比較により、離散フーリエ変換により適切な精度をもつ解を得るために必要とされる時間刻みと計算対象時間を求めた。得られた外界気象の確率時系列モデルと離散フーリエ変換により得られた重み関数を利用して、外界条件が確率的に変動する場合の室温湿度と熱負荷の確率性状の解析を行った。更に、結露の生起の判定や室内環境の評価には室空気の相対湿度が不可欠なため、上述の解析により得られた室温湿度の確率密度関数より室内空気の相対湿度の確率密度関数を求める方法も開発した。得られた相対湿度の確率密度は、正規分布に非常に近いものであった。同時にその計算に伴う数値計算上での問題点についても検討した。
生産システムと職場の分業構造に関する比較研究

本研究は、自動車や電気・精密機械などの大量生産型組立産業における種々の生産方式の変化と職場における分業の特徴および両者の相互関連を、製造職場(組立作業)を中心に明らかにすることを目的としている。3年間の本研究によって明らかになったことは以下の点である。1.組立作業者が担当する作業は、「標準作業」と「標準作業以外の作業(=変化と異常への対応)」に分かれるが、後者に関しては、「対処法が標準化されているもの」と「対処法が標準化されていないもの」を区別して分析することが重要である。同時に、「標準作業以外の作業」は、通常、組立作業者・現場の監督者・技術者・保全部門の労働者などの「分業にもとづく協業」によって遂行されることである。2.ボルボ・ウッデバラの並行生産、トヨタの完結工程、電気機器組立セルにおける職場の事例調査分析から、以下のことを指摘できる。すなわち、トヨタ(完結工程)、分業セル、一人完結セルそしてボルボ・ウッデバラの標準作業では、プロトフォードやトヨタ(完結工程前)の特徴であった標準作業における過度な分業を抑制する傾向、すなわち、標準作業の機能完結性と全体性を回復する傾向がみられることである。しかし、この自己完結性の回復の程度は、標準作業のサイクルタイムの長短によって大きな差があり、それによって、標準作業以外の仕事を組立作業者に分担させる場合と、それを別の労働者が担当する場合の、二つの異なる可能性をもたらす。本研究は、自動車や電気・精密機械などの大量生産型組立産業における種々の生産システムの変化と製造職場の分業構造の特徴を明らかにすることを目的としている。本年度における課題とその達成状況は、以下のとおりである。1.生産システムと標準作業の特徴に関する従来の研究を整理するとともに、十分に解明されていない点を明確にすること。この点については、収集・検討した文献にもとづき今後の分析枠組みと課題を整理した論文を発表した(浅生卯一他「日本の自動車・電気機器産業における職場の分業構造」(社会政策学会編『少子化・家族・社会政策[社会政策学会誌第14号]』2005年9月、130141頁を参照)。2.実態調査により製造職場の分業関係についての概要把握をこころみること。このために、国内外の企業調査(イギリスの日系自動車企業、スウェーデンの自動車企業、日本国内の自動車企業2社および精密機器製造企業の計5社を調査)を実施し、組立システムと分業構造の概要に関する有益な資料を収集することができた。3.国外の研究協力者の協力を得て、スウェーデンおよびイギリスの自動車産業における分業構造に関する資料収集をおこなうこと。この点では、2005年6月にスウェーデンのシャルマーズ工科大学(ヨーテボリ市)において、スウェーデン自動車産業に精通している3人の研究協力者(トマス・エングストローム、ラーシュ・メドボ、レナルト・ニルソン)と情報交換を行い、スウェーデンにおける生産方式の最近の変化に関する有益な情報を得ることができた。ただし、イギリス自動車産業については、日程調整がうまくいかず、研究協力者(ポール・スチュアート)との十分な情報交換の機会を得ることができなかった。1.前年度の予備調査で得られた情報と研究会での枠組みの吟味・具体化をもとに、本調査を企画実施すること。この課題については、国内の自動車企業およびその関連企業7社を訪問調査することができた。しかし、得られた情報は必ずしも十分なものではなかったため、次年度に実施する調査で補足する予定である。なお、生産システムと職場の分業構造に関連した人事労務面について一定の分析結果を論文として発表した(猿田正機「トヨタウエイと人的資源管理・労使関係」『中京経営研究』(2007年2月、118頁)。2.国外の研究協力者の協力を得て、スウェーデンの自動車産業における分業構造に関する資料収集をおこなうとともに、相互の情報交換等のために、日本で研究会を設定すること。

この課題については、まず、スウェーデン自動車産業の生産システムに関する情報として、研究協力者が関わった文献(Alternativ montering)を英訳した。また、国外研究者との意見交換を促進するために、本研究の基本的な分析枠組を提示した文献(中岡哲郎他「職場の分業と『変化と異常への対応』」)の第1章前半部分の英訳作業をおこなった。さらに、2007年3月に日本において、スウェーデン自動車産業に精通している2人の研究協力者(ラーシュ・メドボ、レナルト・ニルソン)と本研究参加者とで研究会を開催して相互の情報交換をおこなった。なお、上記7社の日本企業のうち5社については、その生産システムと分業構造に関する調査を共同で実施した。本研究は、自動車や電気・精密機械などの大量生産型組立産業における種々の生産システムの変化と製造職場の分業構造の特徴を明らかにすることを目的としている。本年度における課題とその達成状況は、以下のとおりである。1.今年度は、補足調査として国内企業調査を実施する予定であったが、日本企業の中国進出工場の調査をする機会を得ることができたため、自動車企業1社とその関連企業3社および精密機械製造企業1社の訪問調査を実施した。これらの補足調査結果の分析と報告は、情報の整理がなされ次第、なんらかの方法で公表する予定である。2,スウェーデンの研究協力者(トーマス・エングストローム、ラーシュ・メドボ、レナルト・ニルソン)との情報交換等のために、まず、日本の自動車産業と精密機械産業の生産システムと分業構造に関する情報として、日本人研究者が執筆に関わった文献(職場の分業と「変化と異常への対応」)を英訳した。また、2007年6月にスウェーデンにおいて、上記研究協力者と日本人研究者とで研究会を開催して相互の情報交換をおこなった。
微生物に対する親和性を付与することによる生物分解性合成高分子の開発

少量のピリジニウム基を主鎖に導入したポリメタクリル酸メチルが生分解されるという新しい発見を基礎に,化学構造の一部を修飾して合成高分子に生分解性を付与する一般的な手法を開発する研究を,平成9年度に引き続いて行った。N-ベンジル-4-ビニルピリジニウムクロリドを導入したポリメタクリル酸メチルとメタクリル酸メチルのホモポリマーをブレンドして生分解実験を行ったがメタクリル酸メチルのホモポリマーは全く分解しなかった。高分子材料全体の微生物に対する親和性を高めても生分解に結び付かず,主鎖にピリジニウム基を導入する必要のあることが分かった。ピリジニウム基としてはこれまでN-ベンジル-4-ビニルピリジニウムクロリドを用いて来たが様々なピリジニウム基について検討したところ,N-ベンジル-4-ビニルピリジニウムクロリドよりもN-アリル-4-ビニルピリジニウムブロミドおよびN-メチル-4-ビニルピリジニウムヨージドの方が生分解性の付与に効果的であった。N-ベンジル-4-ビニルピリジニウムクロリドを導入したポリメタクリル酸メチル,およびモデル化合物としてN-ベンジル-4-エチルピリジニウムクロリドを用いて生分解反応に関する分子レベルの研究も行った。モデル化合物を用いた生分解反応の主要生成物は4-エチルピリジンであった。生分解の処理を行って回収したN-ベンジル-4-ビニルピリジニウムクロリドを導入したポリメタクリル酸メチルのポリマー試料を分析すると塩素が失われていた。これらの結果から,N-ベンジル-4-ビニルピリジニウムクロリドを導入したポリメタクリル酸メチルの生分解における重要な過程に塩化ベンジルの脱離が含まれることが分かった。ポリヘキサメチレンアジパミドの主鎖にピリジル基を導入すると活性汚泥の作用で分解されることが分かり,この手法がビニルポリマーに限らず,重縮合反応で合成される高分子にも適用できることが分かった。少量のN-ベンジル-4-ビニルピリジニウムクロリドを主鎖に導入するとポリメタクリル酸メチルが生分解性を示すことを以前に報告した。様々な合成高分子に対して化学構造の一部を修飾することによって生分解性を付与する一般的な手法に発展させる目的で,ポリスチレンに適用することを試みた。主鎖に10モル%のN-ベンジル-4-ビニルピリジニウムクロリドを導入し活性汚泥法曝気槽に浸漬しても生分解性は全く認められなかった。この結果はポリスチレンの疎水性が強すぎるためではないかと考えられた。そこで単純にピリジニウム基を主鎖に導入するのではなく,親水性の強いグループと一緒に主鎖に導入するという新たな試みを行った。すなわち,15-19モル%のアクリル酸メチルを加えて親水性を持たせた上で少量のN-ベンジル-4-ビニルピリジニウムクロリドを導入すると,下水処理場の活性汚泥法曝気槽に浸漬することによって分子量の低下と重量の減少することが観察された。このピリジニウム基を含まないスチレンとアクリル酸メチルの共重合体は生分解性を全く示さなかったから,生分解性を付与するためには主鎖に少量のN-ベンジル-4-ビニルピリジニウムクロリドを導入することは必要不可欠である。これらの結果から,合成高分子に生分解性を付与するためには,主鎖へのピリジニウム基の導入だけではなく,疎水性を和らげる事も必要であると結論された。この研究成果は,京都工芸繊維大学の工芸学部紀要に審査付き論文として掲載された。

少量のピリジニウム基を主鎖に導入したポリメタクリル酸メチルが生分解されるという新しい発見を基礎に,化学構造の一部を修飾して合成高分子に生分解性を付与する一般的な手法を開発する研究を,平成9年度に引き続いて行った。N-ベンジル-4-ビニルピリジニウムクロリドを導入したポリメタクリル酸メチルとメタクリル酸メチルのホモポリマーをブレンドして生分解実験を行ったがメタクリル酸メチルのホモポリマーは全く分解しなかった。高分子材料全体の微生物に対する親和性を高めても生分解に結び付かず,主鎖にピリジニウム基を導入する必要のあることが分かった。ピリジニウム基としてはこれまでN-ベンジル-4-ビニルピリジニウムクロリドを用いて来たが,様々なピリジニウム基について検討したところ,N-ベンジル-4-ビニルピリジニウムクロリドよりもN-アリル-4-ビニルピリジニウムブロミドおよびN-メチル-4-ビニルピリジニウムヨージドの方が生分解性の付与に効果的であった。N-ベンジル-4-ビニルピリジニウムクロリドを導入したポリメタクリル酸メチル,およびモデル化合物としてN-ベンジル-4-エチルピリジニウムクロリドを用いて生分解反応に関する分子レベルの研究も行った。モデル化合物を用いた生分解反応の主要生成物は4-エチルピリジンであった。生分解の処理を行って回収したN-ベンジル-4-ビニルピリジニウムクロリドを導入したポリメタクリル酸メチルのポリマー試料を分析すると塩素が失われていた。これらの結果から,N-ベンジル-4-ビニルピリジニウムクロリドを導入したポリメタクリル酸メチルの生分解における重要な過程に塩化ベンジルの脱離が含まれることが分かった。ポリへキサメチレンアジパミドの主鎖にピリジル基を導入すると活性汚泥の作用で分解されることが分かり,この手法がビニルポリマーに限らず,重縮合反応で合成される高分子にも適用できることが分かった。
スピン分極ドナーを用いた有機磁性金属、有機・無機複合磁性体の構築

本研究は、有機強磁性金属の構築及び、金属ナノ粒子にスピン分極ドナー分子を吸着させ有機・無機複合体に磁性を付与することを目的として、交差共役型及び超共役型のニトロキシド系スピン分極ドナーの合成及びそれらにより修飾された金ナノ粒子の磁気的相互作用を検討した。4nmの粒径をもつ金ナノ粒子に種々のスピン分極ドナーを化学吸着させ、固体状態でESR測定をおこなったところ、配位子の種類により線幅が301.5mTの範囲で変化した。線幅は主にスピン-スピン緩和時間と相関があるが、いずれもニトロキシド系ラジカルで同様の電子状態を有すること、及び吸着したラジカル分子間距離はラジカルの種類により大きく変化しないことから、線幅の違いは空間を通じたスピン-スピン緩和機構のみでは説明できないことがわかった。金原子に直接接触している各ラジカル配位子の硫黄原子上のスピン電子密度を分子軌道計算により見積もったところ、それらの値の平方根と線幅との間には直線的な相関が見られた。これらの結果より、ESRスペクトルにおいて異常に大きな線幅を与えた原因として、吸着ラジカルスピン間が金ナノ粒子の伝導電子を介して相互作用することに由来していることが考えられる。金ナノ粒子内におけるラジカル間の磁気的相互作用は常磁性的であったが、今後、スピンをもたない類似配位子を同時に混入させる等の手法を用いて吸着サイトの格子間距離を制御することにより、超常磁性や強磁性の磁性発現が大いに期待できることが明らかとなった。本研究は交差共役型、超共役型のスピン分極ドナー、アクセプター分子を合成し、有機強磁性金属を構築することを目標として研究をおこなっている。その基礎段階としてこれまで申請者はいくつかのスピン分極ドナーを合成し、一電子酸化して得られるそれらのカチオン種が基底高スピン種を与えることを報告してきた。今回、ベンゾキノンやアントラキノン等のキノン系アクセプター分子にニトロニルニトロキシドが置換したスピン分極アクセプターの設計および合成をおこなった。合成した化合物はESR測定、X線結晶構造解析により、それぞれ目的の生成物であることを確認した。それらアクセプター分子をDMF系溶媒中ナトリウム金属で処理することによりアニオンジラジカルを発生させ、その溶液を77KでESR測定をおこなったところ三重項種に由来する強い微細分裂スペクトルを与えた。この結果はアクセプターについてもスピン分極ドナーと同様の機構で一電子還元により基底三重項種が得られることを示すものであり、高スピンイオン種の合成、磁性導体構築研究がスピン分極アクセプター種についても展開できることが明らかとなった点で非常に意義深い。また有機磁性金属を構築するためのTTF骨格を有する導電性ラジカル分子の合成研究に関しては一段階手前の中間生成物の合成に成功した。現段階における課題は中間生成物の収率向上である。現在その点に関して精力的に研究をおこなっている。本研究は交差共役型、超共役型のスピン分極ドナー分子を合成し、有機強磁性金属を構築すること及び金属ナノ粒子とスピン分極ドナー分子の複合体に磁性を付与することを目標として研究をおこなっている。金属的導電性を示すET分子をトリメチレン鎖架橋により二分子階層化した交差シクロファンツインドナー分子のラジカル塩を調製し、磁気測定を行なったところ低温領域において強磁性相互作用が見出された。強磁性相互作用の発現機構としてアルキル鎖の超共役機構が重要であることを提案し、超共役を利用した分子設計が有機強磁性金属構築への新たなアプローチとなることを報告した。また、これまで開発してきたスピン分極ドナーを発展させ、金属的導電性を担う金ナノ粒子表面に局在スピンを有するスピン分極ドナーを化学吸着させた複合体を調製した。この金ナノ粒子は有機溶媒に可溶であり、透過型電子顕微鏡、X線小角散乱の結果より約4nmの粒径をもつことがわかった。

粒径と元素分析の結果より、この粒子は平均として金原子が1750個、ラジカルが125個からなる組成をもつことがわかった。この金ナノ粒子のESR測定を行なったところ180mTの半値幅を有する非常にブロードな強いシグナルが観測された。現在磁気的性質に関する詳細な検討を行なう目的で、金ナノ粒子の粒径による違い、異なる調製条件、種々のラジカルを用いた場合等について研究を行なっている。本研究は交差共役型及び超共役型のニトロキシド系スピン分極ドナーを合成し、有機強磁性金属の構築や、金属ナノ粒子とスピン分極ドナー分子の有機・無機複合体に磁性を付与することを目的としておこなった。4nmの粒径をもつ金ナノ粒子に種々のスピン分極ドナーを化学吸着させ、固体状態でESR測定をおこなったところ、配位子の種類により線幅が301.5mTの範囲で変化した。線幅は主にスピン-スピン緩和時間と相関があるが、いずれもニトロキシド系ラジカルで同様の電子状態を有すること、及び吸着したラジカル分子間距離はラジカルの種類により大きく変化しないことから、線幅の違いは空間を通じたスピン-スピン緩和機構のみでは説明できないことがわかった。金原子に直接接触している各ラジカル配位子の硫黄原子上のスピン電子密度を分子軌道計算により見積もったところ、それらの値の平方根と線幅との間には直線的な相関が見られた。これらの結果より、ESRスペクトルにおいて異常に大きな線幅を与えた原因として、吸着ラジカルスピン間が金ナノ粒子を介して相互作用することに由来していることが考えられる。金ナノ粒子内におけるラジカル間の磁気的相互作用は常磁性的であったが、今後、スピンをもたない類似配位子を同時に混入させる等の手法を用いて吸着サイトの格子間拒離を制御することにより、超常磁性や強磁性の磁性発現が大いに期待できることが明らかとなった。
小腸幹細胞移植による大腸上皮置換と小腸不全動物モデルに対する再生医療の試み

申請者はこれまでに腸上皮研究を継続する過程で、マウス腸オルガノイド細胞を注腸法で遠位大腸に移植することに成功した。その後この技術を応用し、新しい大腸粘膜傷害モデルマウスを作成し、これをレシピエントとする移植実験にも成功した。本法を用いて成体由来小腸オルガノイドを大腸に異所移植すると、個体内で上皮組織を構築可能であるだけでなく、成体小腸細胞が長期にわたり小腸形質を維持することも見いだした。本研究ではこれを基礎とし、培養小腸上皮幹細胞移植で任意の大腸部位を小腸上皮化する技術を確立することを目的とした。その結果、全麻酔下にマウスを開腹し、任意の部位の大腸内腔にカニュレーションし、局所粘膜にキレート剤を作用させ、上皮を解離可能であることを確認した。また、術中・術後管理の最適化を図り、マウス個体の保温や抗生物質投与の工夫によって、大腸上皮置換後にマウスを長期生存させる条件が確立できた。さらに、小腸細胞の初期接着を高めるため、移植時にいかなる因子(細胞外基質など)の共投与が有効かの検証をおこなった。上記進捗を踏まえて、今後も計画に沿った研究を進めていく予定である。本研究で、大腸組織の一部をスキャフォールドとして利用し、その間質組織上に小腸上皮組織を配置することで、連続する腸管構造に直接的に小腸機能を賦与することが実現可能であると示せるならば、将来的には他の方法を凌駕する小腸機能補完技術につながる可能性がある。2018年度の研究では、マウス大腸の近位、遠位など任意の部位で大腸管腔側の粘膜表層にキレート剤を作用させて上皮を解離し、ここへ培養細胞を生着させうる大腸上皮置換技術をさらに再現性の高い安定した技術として確立した。全身麻酔下にマウスを開腹し、大腸内腔操作を可能とするチューブを2カ所で挿入し、致死的とならずに大腸上皮解離をおこなう技術を開発した。その後、チューブより別に用意した腸オルガノイドを注入し、上皮解離部への移植を行う手技も確立した。チューブ挿入部を閉鎖し閉腹した後、抗生物質投与などの管理を工夫し、本手術後のマウスが長期にわたり生存し、観察・評価可能となるプロトコールができた。また、本法により上皮解離をおこなった大腸組織が、以前よりも広大な面積で移植細胞生着を許容するものとなったことも確認した。さらに本法を用いて、近位・中位・遠位など、異なる小腸に由来するオルガノイドを移植させることが可能となり、新規の知見が得られた。本技術と小腸切除による腸管不全モデルを組み合わせることで、短腸症候群における残存小腸のアダプテーションが大腸に移植された小腸上皮でも生じうるのかなど、新しい知見も得られつつある。2019年度には、近位・遠位小腸など部位別に採取して培養した小腸上皮細胞を大腸へ移植し、移植片の形態や分子発現を解析する。さらにこの移植片をレーザーマイクロダイセクション法で回収し、ここに発現する遺伝子を解析する。由来する各々の小腸上皮、あるいは大腸上皮を対照として比較解析する予定である。小腸上皮が移植によっても発現を維持する遺伝子群、あるいは異所環境に応じて発現を変動させる遺伝子群とを明らかにし、オントロジー解析などから、小腸上皮細胞が固有性を維持する分子機構を明らかにする。また、小腸化大腸による小腸機能補完作用の検討については、現在すすめている短腸症候群マウスモデルに対する移植治療の効果解析を継続する。すなわち、小腸オルガノイド移植後のマウスに追加手術をおこない、広範囲小腸切除を施行後、その生存率、栄養素吸収などを評価する予定である。現在すでに手術処置を終えたマウスが複数存在し、その解析をまつ状況にある。研究代表者と分担者は研究機関を異動することとなったが、さまざまな研究申請手続をスムーズにおこなうなどにより、途切れない研究継続を図る予定である。また新施設においては、当初に予定していたラットを用いたオルガノイド移植をおこなう予定である。

本研究で、大腸組織の一部をスキャフォールドとして利用し、その間質組織上に小腸上皮組織を配置することで、連続する腸管構造に直接的に小腸機能を賦与することが実現可能であると示せるならば、将来的には他の方法を凌駕する小腸機能補完技術につながる可能性がある。2018年度の研究では、マウス大腸の近位、遠位など任意の部位で大腸管腔側の粘膜表層にキレート剤を作用させて上皮を解離し、ここへ培養細胞を生着させうる大腸上皮置換技術をさらに再現性の高い安定した技術として確立した。全身麻酔下にマウスを開腹し、大腸内腔操作を可能とするチューブを2カ所で挿入し、致死的とならずに大腸上皮解離をおこなう技術を開発した。その後、チューブより別に用意した腸オルガノイドを注入し、上皮解離部への移植を行う手技も確立した。チューブ挿入部を閉鎖し閉腹した後、抗生物質投与などの管理を工夫し、本手術後のマウスが長期にわたり生存し、観察・評価可能となるプロトコールができた。また、本法により上皮解離をおこなった大腸組織が、以前よりも広大な面積で移植細胞生着を許容するものとなったことも確認した。さらに本法を用いて、近位・中位・遠位など、異なる小腸に由来するオルガノイドを移植させることが可能となり、新規の知見が得られた。本技術と小腸切除による腸管不全モデルを組み合わせることで、短腸症候群における残存小腸のアダプテーションが大腸に移植された小腸上皮でも生じうるのかなど、新しい知見も得られつつある。2019年度には、近位・遠位小腸など部位別に採取して培養した小腸上皮細胞を大腸へ移植し、移植片の形態や分子発現を解析する。さらにこの移植片をレーザーマイクロダイセクション法で回収し、ここに発現する遺伝子を解析する。由来する各々の小腸上皮、あるいは大腸上皮を対照として比較解析する予定である。小腸上皮が移植によっても発現を維持する遺伝子群、あるいは異所環境に応じて発現を変動させる遺伝子群とを明らかにし、オントロジー解析などから、小腸上皮細胞が固有性を維持する分子機構を明らかにする。また、小腸化大腸による小腸機能補完作用の検討については、現在すすめている短腸症候群マウスモデルに対する移植治療の効果解析を継続する。すなわち、小腸オルガノイド移植後のマウスに追加手術をおこない、広範囲小腸切除を施行後、その生存率、栄養素吸収などを評価する予定である。現在すでに手術処置を終えたマウスが複数存在し、その解析をまつ状況にある。研究代表者と分担者は研究機関を異動することとなったが、さまざまな研究申請手続をスムーズにおこなうなどにより、途切れない研究継続を図る予定である。また新施設においては、当初に予定していたラットを用いたオルガノイド移植をおこなう予定である。
有機半導体結晶微小共振器による光子－励起子間相互作用と発光機能の制御

本研究は、次世代の高機能な光源素子開発のための基礎的研究として、有機半導体結晶と微小共振器構造を組み合わせた光子ー励起子間相互作用強度の制御技術の確立と、それによる新しいコヒーレント光発生のメカニズム解明を目的として実施した。光と電子の結合による新しい量子状態として知られるポラリトン状態が、強い分子配向を有する特殊な有機結晶の使用により、室温で効率的に生成できることを示した。本研究は有機半導体単結晶を活性層とした微小共振器において、レーザ発振やポラリトンレージングなどのコヒーレント発光現象を発現させ、制御することを目的としている。当初の予定通り、初年度は、TPCO有機半導体における共振器ポラリトン分散特性の精密評価と光励起VCSEL発振の低閾値化の検討を行った。これまでに行っていた発光測定に加え、精密な透過測定を行うことにより、これまでわかっていなかった上枝共振器ポラリトンの分散特性が明らかになった。これにより光子-励起子間の相互作用の強さを示す指標であるラビ分裂エネルギーを定量的に知ることができ、TPCOが持つ大きな遷移双極子モーメントが強く作用していることが明らかになった。以上の成果は、応用物理学会および国際会議ECMEなどで報告しており、現在論文投稿中である。また、VCSEL発振低閾値化の検討としては、約3um以上のTPCO結晶であれば、結晶の底部にのみ高反射率ミラーを用いた構造であってもフラットな上部結晶面との間での共振器作用によりレーザ発振が可能であることがわかり、低閾値化に向けた知見を得た。実際に、共同研究機関において、結晶の上下面に高反射率ミラーを用いたサンプルでは、発振の閾値を10分の1以下に低減できることが示されている。さらに、電流注入型でのレーザ発振素子の試作も開始しており、電流注入効率の向上に向けた素子構造を検討中である。研究計画調書通りの実験項目を実施しており、当初の目論見であるTPCO有機半導体結晶の大きな遷移双極子モーメントの効果を実証することができた。VCSEL発振の低閾値化についても重要な知見を得ることができており、デバイス構造の最適化により電流注入型素子に適用可能な低閾値共振器構造が期待できることを明らかにできている。これらの成果は購入したパルスレーザを有効に利用することによって得られた結果である。また、ポラリトンレージングの実現に向けては、結晶厚を100nm前後で精密に制御する必要性があることが理論計算よりわかったため、有機真空蒸着装置を最小限のスペックで購入し、条件最適化を開始している。本研究は有機半導体結晶を活性層とした微小共振器デバイスを作製し、電流注入レーザ発振やポラリトンレージングなどの新規コヒーレント光源応用を見据えた基礎物理を探求することを目的としている。この目的を達成するために、(チオフェン/フェニレン)コオリゴマー(TPCO)材料に主に着眼している。前年度に行った共振器ポラリトン分散特性評価においてTPCO有機半導体結晶が強い光子-励起子相互作用を示すことが分かったことを受け、これをApplied Physics Lettersにて発表した。強い面内分子配向がもたらす大きな遷移双極子モーメントが単に共振器ポラリトン形成に有利なだけでなく、偏光モードとの結合にも興味深い結果をもたらすことが期待できる。この成果に基づいて、本年度は共振器ポラリトン粒子のエネルギー緩和・凝縮過程に着眼して主に研究を行った。さらに高Q値の微小共振器の作製に成功し、ケンブリッジ大学キャベンディッシュ研究所との共同研究にて共振器ポラリトンの励起・緩和ダイナミクスを評価中である。また、連携研究者との共同研究では、これまでの研究で用いてきた有機半導体材料(BP1T-CN)と類似した材料(BP2T-CN)においても、垂直微小共振器の作製と光子ー励起子間の強結合が可能であることが示された(Jpn. J. Appl. Phys.に掲載)。また、本研究テーマに関する招待講演を国際会議EMN Meetingにおいて実施した。共振器ポラリトン形成によるポラリトンレージングに関する研究については大きな進展が得られている。現在用いている材料系(TPCO有機半導体結晶)がこの目的に有利な特性を有することをはっきりさせることができており、また、国外研究機関との連携により、ポラリトン凝縮の実現にさらに迫ることもできている。一方で、電流注入型のレーザ発振については有効な知見を今年度新たに見つけることはできていない。キャリアの効率的な注入に関してさらなる検討が必要な状況である。本研究は有機半導体結晶を活性層とした微小共振器発光デバイスの創生を目的としている。研究期間内では、電流注入型のレーザ発振やポラリトンレージングなどの新規コヒーレント光源の実現に向けた基礎物理の探求を目標に掲げ、これを達成するために(チオフェン/フェニレン)コオリゴマー(TPCO)材料に着眼している。前年度までは主にTPCO微小共振器における光子ー励起子間の強結合形成について研究を行ってきていた。今年度はQ値のさらに高い垂直面発光型共振器の作製に成功し、強結合形成へのインパクトについて調査した。その結果、高Q値に由来して結合強度は増加することが分かった。また、共振器ミラーとして金属層を利用した場合には、励起子からのエネルギー失活が大きくなり、強結合形成やポラリトン生成に影響を与える可能性があることを明らかにした(Opt. Lett.に掲載)。

一方、ケンブリッジ大学キャベンディッシュ研究所との超高速分光に関する共同研究により、この高Q値TPCO微小共振器でのポラリトン凝縮発光を示唆する結果を得ることができ、ポラリトン状態の超高速ダイナミクスの観測に成功した(ACS Photon.に掲載)。つまり、光子-励起子の結合準粒子であるポラリトン粒子の励起・緩和ダイナミクスと、その状態密度の変化に起因したエネルギー状態のリノーマリゼーションダイナミクスをfsオーダーで観測した。得られた結果は、有機半導体の室温ポラリトンデバイス用材料としての高い可能性を強く示唆するものである。本研究は、次世代の高機能な光源素子開発のための基礎的研究として、有機半導体結晶と微小共振器構造を組み合わせた光子ー励起子間相互作用強度の制御技術の確立と、それによる新しいコヒーレント光発生のメカニズム解明を目的として実施した。光と電子の結合による新しい量子状態として知られるポラリトン状態が、強い分子配向を有する特殊な有機結晶の使用により、室温で効率的に生成できることを示した。今後の研究としては、予定通り、ポラリトンレージングと電流注入型VCSELレーザの達成に向けた研究項目を実施していく。今年度は、ポラリトンレージングの実現に重要な共振器ポラリトンのエネルギー緩和および凝縮過程を、時間分解フォトルミネッセンスおよび過渡吸収分光にて調べる予定である。この測定は協力関係にある海外の研究機関にて、研究代表者自身が実施する予定である。VCSEL発振については、電流注入構造のより詳細な検討を、主に研究分担者(山雄)によって実施する。今年度に得られている実験データの解析とその成果報告を慎重に進める必要がある。これは次年度の活動における第一の目標であり、場合によっては追加実験を本学、もしくは連携研究機関により実施する。また、有機ポラリトン凝縮に有用な材料系をさらに開拓するために、本研究室における評価測定システムをさらに強化することを考えている。特に、空間コヒーレンス形成の有無を手軽に評価できるようにすることが必須である。29年度が最終年度であるため、記入しない。有機フォトニクス29年度が最終年度であるため、記入しない。
マイクロ・ナノ熱流体複合センシングと界面制御デバイスの開発

マイクロ・ナノ基盤要素技術のシステム統合化を目指して、マイクロ・ナノ熱流体複合センシング技術および熱流動界面制御デバイスの開発研究を行った。ポリマー組成・物性に基づいた気体高透過性ポリマーの開発、ナノ・マイクロ切削加工技術の開発、そしてマイクロ・コンタクトプリント法の開発により、異相界面熱流動制御デバイスを実現した。更に高速度共焦点スキャナによるマイクロ多変量時空間分布計測法、そして異相界面へのエバネッセント波照射によるナノ多変量時空間分布計測法を統合化し、異相界面における気体の溶解や透過現象、および異相界面電位形成メカニズムの解明を行い、界面熱流動制御技術の確立を行った。マイクロ・ナノ基盤要素技術のシステム統合化を目指して,マイクロ・ナノ熱流体複合センシング技術および熱流動界面制御デバイスの開発研究を行う.MEMS・NEMS技術に新たにマイクロ・ナノ切削加工技術を融合し,液体・固体,液体・液体,気体・液体,そして気体・固体界面をチャネル内に形成させ,レーザ光励起による蛍光複合センシング技術を用いて異相界面における熱移動現象の解明を行う.本年度は,ポリマー材料および構造の最適化のため,気体透過に適したシリコーンポリマー材を用いて表面積を増加させ,高い透過性能を有する膜の作製を試みた.作製手法としてプラズマCVD法及びエレクトロスピニング法を採用した.プラズマCVD法では膜表面にマイクロレベルの微細凹凸構造を付与することに成功し,気体透過量が増加することが明らかとなった.またエレクトロスピニング法では,サブミクロン径のシリコーン微細ファイバーの作製に成功した.ポリマーのガラス転移点以下でナノスケールの切込みを与え,粘弾性高分子材料を延性モードにて高精度加を行う液体窒素下微細切削加工法を開発した.三次元チャネル構造を有し,熱流動界面制御可能なPDMSマイクロ熱流程デバイスの製造法を確立した.開発した共焦点マイクロPIV/LIF法をマイクロ気液界面に適用し,気体の液体への溶解現象を明らかにし,更にマイクロ気固界面からの気体の透過特性の評価も行った.切削加工条件を変化させ,チャネル壁面性状を制御可能とし,気固界面の気体の選択的透過制御の定量的評価を行った.マイクロチャネル壁面への疎水性・親水性の表面修飾パターン技術を開発し,高再現性を有するマイクロコンタクトプリント技術を確立した.また銀ナノ粒子による機能性表面製作において,金ナノ粒子析出と組み合わせることにより,蛍光信号ならびにラマン信号の増強度を高めることを実証しした.マイクロ・ナノ基盤要素技術のシステム統合化を目指して、マイクロ・ナノ熱流体複合センシング技術および熱流動界面制御デバイスの開発研究を行う。MEMS・NEMS技術に新たにマイクロ・ナノ切削加工技術を融合し、液体・固体、液体・液体、気体・液体、そして気体・固体界面をチャネル内に形成させ、レーザ光励起による蛍光複合センシング技術を用いて異相界面における熱移動現象の解明を行う。デバイス材料としてPDMSを採用し、PDMS液体窒素下微細切削加工法を確立し,現象解析に基づいた高精度化に関する検討を行った。ガラス状態のPDMSは脆性を示すため、切り込み量の変化に応じて延性から脆性モードに遷移するが、その間に液体窒素下加工特有のむしれモードが存在することが確認された。このむしれモードになる以前の切り込み量を設定することで、良好な加工面が得られることが明らか取った。次にガス選択性、特にCO2透過性を有するポリマー材料とその構造に関する実験を行い、CO2高透過性のシリコーンポリマーに各種表面処理を施すことによりSiOx処理がガスの選択性を向上させることが判った。また微細構造化による透過性向上を目的としたシリコーンファイバーの作製条件を最適化し、微細ファイバー化に成功した。更にマイクロコンタクトプリント装置に、コンタクト時の荷重が計測できるシステムを導入し、より詳細なプロセス制御を可能とし、表面修飾プロセスの最適化を行った。また、TEOS(正珪酸四エチル)のエレクトロスピニングによるガラスナノビーズ作製プロセスを開発し、TEOS溶液の粘度、エレクトロスピニングにおける電圧、押し出し速度の最適化を行った。開発したデバイス内の液体・液体界面熱流動現象解明に向けたエバネッセント波に基づくナノPIV/LIF法を開発し、電気二重層と同様なイオン層が形成されていることが明らかとなった。マイクロ・ナノ基盤要素技術のシステム統合化を目指して、マイクロ・ナノ熱流体複合センシング技術および熱流動界面制御デバイスの開発研究を行う気体・液体界面熱流動制御デバイス開発を目指して、世界に先駆けて液体窒素下切削加工法の開発を行った。マイクロコンタクトプリント法により局所的に自己組織単分子膜を成膜し、表面エネルギ制御を可能とした。パターニング精度は、スタンプとインクの相互作用、スタンプの機械的特性およびスタンププロセスに依存する。上述の開発した手法によりデバイス内に安定した気体・液体界面を形成し、マイクロPIVおよびマイクロLIFを統合したマイクロ熱流動多変量センシング法を用いて、界面熱流動現象を明らかにした。