10月31日、東工大蔵前会館手島精一記念会議室において、本学の岡田哲男理学院長が出席し、全国34の国立大学法人の理学系部局の責任者で構成される「国立大学法人理学部長会議」による声明について記者発表を行いました。

「国立大学法人理学部長会議」は、我が国の基礎科学研究を継承・発展させ、豊かな社会を形成するために必要な『知』の教育と研究を推進することによって社会に貢献することを目指して組織されています。「基礎科学こそが 、科学・技術の基盤であり、我が国の国力のもとであり、これなくしては、科学・技術の人類への貢献も我が国独自の産業の抄出もおぼつかないのではないか」と考え、今回声明を出すこととなりました。そして、我が国の置かれている困難な財政上の問題を十分理解した上で、未来への投資として基礎科学の推進を訴えました。

記者発表では、岡田理学院長のほか、東京大学、お茶の水女子大学、琉球大学、北海道大学、茨城大学、広島大学の理学系研究科長や理学部長が登壇し、基礎科学の重要性と国立大学法人の基礎研究のおかれる危機的状況について、広く国民にむけて訴えました。

• 国立大学法人理学部長会議声明 ―未来への投資―Image may be NSFW.
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• 理学院 | 東工大について

スパコン向けアプリケーション開発を大幅に容易にする手法を開発
―高性能計算技術の世界最高峰の会議で最優秀論文賞を受賞―

要旨

理化学研究所（理研） 計算科学研究機構 プログラム構成モデル研究チームの丸山直也チームリーダーとモハメド・ワヒブ特別研究員、東京工業大学 学術国際情報センターの青木尊之教授の共同研究チームは、ハイ・パフォーマンス・コンピューティング（高性能計算技術）に関する世界最高峰の国際会議であるSC16^[用語1]において最優秀論文賞を受賞しました。SC16では442報の論文が投稿され、共同研究チームは「適合格子細分化法^[用語2]に関する論文」を投稿しています。

適合格子細分化法はAMRとも呼ばれ、必要な計算およびメモリ使用量を大幅に削減できるため、シミュレーションの高速化に有効です。一方で、大規模なスーパーコンピュータで用いるには、データの移動を無駄なく効率良く行うプログラムなどの開発が必要で、シミュレーションソフトウェアの開発においてさまざまな技術的課題がありました。

共同研究チームは新しいソフトウェア技術を開発し、大規模なスーパーコンピュータ上で簡単に適合格子細分化法を利用できる環境を実現しました。開発したソフトウェアは、プログラムの自動的な変換技術に基づき、従来必要であった煩雑なプログラミングや最適化の多くを自動化します。これによって、シミュレーションソフトウェアの開発コストが大幅に削減されました。GPU^[用語3]などのアクセラレータ^[用語3]を用いたスーパーコンピュータは性能や省電力に優れるものの、そのプログラミングの手間から使い勝手に劣る点が問題でしたが、開発した手法を用いることで、一般的な適合格子細分化法の利用においては、この問題を解決することができます。SC16での最優秀論文賞の受賞は、共同研究チームの開発内容が国際的に高く評価されたことを示しています。

本研究成果は、SC16の講演要旨集『Proceedings of the ACM/IEEE International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage and Analysis （SC'16）』に掲載されます。

本研究の一部は、科学技術振興機構（JST）戦略的創造研究推進事業CREST「ポストペタスケール高性能計算に資するシステムソフトウェア技術の創出」（研究総括：佐藤三久）における研究課題「高性能・高生産性アプリケーションフレームワークによるポストペタスケール高性能計算の実現」（研究代表者：丸山直也）の一環として行われました。

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図1. 格子細分化のアルゴリズムと、界面に適合して格子を細分化した計算結果

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図2. 格子を界面からの距離に応じて細分化することで、高解像度が必要な界面近傍に細かい格子を集めている。

背景

コンピュータを使ったシミュレーションは天気予報から工業製品の設計など社会において幅広く利用されています。特にスーパーコンピュータなどの大規模なコンピュータを使うことで、より高精度・高精細なシミュレーションを高速に行うことが可能になります。一方でコンピュータの性能の向上スピードは次第に鈍化しつつあり、今後、さらにシミュレーションの精度や速度を向上させるためには、シミュレーション手法そのものの改善が、これまで以上に重要になります。

適合格子細分化法はシミュレーションにおいて頻繁に用いられる手法の一つである格子法^[用語2]の一種で、通常の格子法に比べて必要な計算およびメモリ使用量を大幅に削減することができます。そのため、原理的にはより高速かつ高精細なシミュレーションが可能になります。しかし、実際に最先端スーパーコンピュータにおいて適合格子細分化法を用いるには多くの課題があります。例えば、最近のコンピュータは計算の性能に比べてデータを移動する性能が低いため、適合格子細分化法によって必要な計算を削減するだけでなく、データの移動を無駄なく効率良く行うプログラムの開発が必要になります。また、GPUなどのアクセラレータを使ったスパコンでは、アクセラレータ用のプログラム開発も必要になります。その結果、適合格子細分化法は原理的に有望な手法であるにも関わらず、実際の利用は通常の格子法に比べて限定的なものになっていました。

研究手法と成果

共同研究チームは、適合格子細分化法におけるこれまでの問題を解決する新しいソフトウェア技術を開発し、大規模なスーパーコンピュータ上で簡単に適合格子細分化法を利用できる環境を実現しました。開発したソフトウェアは、プログラムの自動的な変換技術に基づき、利用者が作成した適合格子細分化法プログラムからスーパーコンピュータ上で並列に動作する高性能なプログラムを、自動的に作成します。利用者が作成するプログラムはスーパーコンピュータ用に作られている必要がないため、これまでと比較して容易にスーパーコンピュータで適合格子細分化法を使うことができます。通常であればスーパーコンピュータを用いるためには並列化や最適化など、種々の煩雑なプログラミングが必要となりますが、それらの多くが研究チームの開発した手法によって自動化されるため、シミュレーションソフトウェアの開発コストが大幅に削減されました。

実際に開発したソフトウェア技術を、東京工業大学のTSUBAME2.5スーパーコンピュータ^[用語4]上で用いたところ、自動的に1,000台規模の多数のGPUを同時に用いた高速かつ大規模なシミュレーションを行うことに成功しました。GPUなどのアクセラレータを用いたスーパーコンピュータは性能や省電力に優れるものの、そのプログラミングの手間から使い勝手に劣る点が問題となっていました。今回の研究結果は、プログラミングを自動化することよってそれらの問題を解決できることを示したものです。

適合格子細分化法に限らず、大規模な最先端のスーパーコンピュータの性能を最大限に引き出すシミュレーションアプリケーションの開発は、次第に困難になりつつあります。今回のSC16では442報の論文が投稿されましたが、これらの問題を解決する共同研究チームの新しいソフトウェア技術が高く評価され、最優秀論文賞を受賞しました。

今後の期待

将来のスーパーコンピュータのハードウェアは、さらなる高性能化のために大きく変わることが想定されています。一方で、アプリケーションプログラムの大幅な書き換えが必要となるなど、利用上の問題が懸念されています。今回、共同研究チームが開発した手法は、原理的には将来のスーパーコンピュータ上でもアプリケーションをそのまま用いることが可能です。そのため、将来のスーパーコンピュータでのシミュレーションを実現する有望なアプローチと考えられています。

共同研究チームは、引き続き開発した手法の改善・改良を続けると同時に、適合格子細分化法に限らず、さまざまな手法で将来のスーパーコンピュータにおけるシミュレーションソフトウェアの開発コストを削減するソフトウェア技術を研究開発していく予定です。

論文情報

掲載誌 :	Proceedings of the ACM/IEEE International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage and Analysis (SC'16)
論文タイトル :	Daino: A High-Level Framework for Parallel and Efficient AMR on GPUs Image may be NSFW. Clik here to view.
著者 :	Mohamed Wahib Attia, Naoya Maruyama,and Takayuki Aoki

シンポジウム

9月12日から2日間の日程で、スウェーデンのウプサラ大学との第3回合同シンポジウムを開催しました。

本シンポジウムは、2014年9月にウプサラ大学で開催した第1回、2015年11月に本学で開催した第2回に続いて、再度ウプサラ大学にて開催したものです。本学からは三島良直学長、安藤真理事・副学長（研究担当）、関口秀俊副学長（国際連携担当）をはじめ40名が参加、ウプサラ大学からはエヴァ・オーケソン学長他63名が参加しました。また日本学術振興会（以下、JSPS） ストックホルムセンターからは川窪百合子副センター長らが出席し、初日のレセプションには山崎純在スウェーデン日本大使も参加しました。

8つの分科会が開催され、参加者はそれぞれのテーマに分かれて熱心な議論を行いました。

1.

エネルギー技術

2.

材料科学

3.

エネルギーシステムと分析

4.

企業家精神とイノベーション

5.

数学

6.

応用核物理学

7.

シリアスゲームとヒューマンインターフェース

8.

デジタライゼーション

シンポジウム1日目の終了後には、リンネ庭園において、JSPS主催のレセプションが開かれました。また2日目の夜には、ウプサラ大学主催のレセプションが催されました。

スウェーデン王立科学アカデミー、スウェーデン王立工学アカデミー表敬訪問

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  （左から）平澤コーディネーター、関口副学長
  ヘーデンクヴィストKVA常任理事、三島学長、モーべりKVA会長
  インゲルマンウプサラ大学教授、安藤理事・副学長

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  KVAのセッションホールを見学

訪問先について

1. ウプサラ大学スウェーデンの首都ストックホルムから北に約1時間のウプサラに本部を置く、創立1477年の北欧最古の大学です。
2. KVA1739年に設立された科学アカデミーで、科学の振興を目的として、ノーベル化学賞、物理学賞、経済学賞の選考をはじめとする顕彰事業等を行っています。
3. IVA1919年に設立された工学アカデミーで、工学と経済学の振興と経済産業の推進を目的として、セミナーの開催等を行っています。

• 第3回東工大－ウプサラ大 合同シンポジウム プログラムImage may be NSFW.
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• 3rd Tokyo Tech - Uppsala University Joint Symposium | ウプサラ大学
• ウプサラ大学・東工大 合同シンポジウム | 国際交流
• 国際共同研究に向けてウプサラ大学との関係を強化―第2回東工大-ウプサラ大合同シンポジウムを開催― | 東工大ニュース
• ウプサラ大学・東工大　合同シンポジウム開催 | 東工大ニュース

10月22日、蔵前工業会（東工大同窓会）主催、東工大ならびに地球生命研究所（以下、ELSI）共催で、第35回蔵前科学技術セミナーを開催しました。今回は「地球と生命の謎 ～生命の起源はどこまでわかったのか？ 宇宙における生命の存在確率は？～」をテーマに、東工大蔵前会館くらまえホールにて行われ、240名を超える参加者が集まりました。

三島良直学長の開会挨拶に続いて、「地球と生命の起源は何か」という人類の根源的な問いに対して、ELSIの3名の研究者が地球と生命に関する理解を深める講演を行いました。参加者は大いに知的好奇心を刺激され、本セミナーは盛況のうちに終了しました。

初めに井田茂教授から、ELSIがどのような研究をしているかについての説明があり、それに続いて、「系外惑星 ― 宇宙における生命」をテーマに、太陽系の外の惑星についての研究の歴史を振り返りながら、地球外生命に関する研究と議論の変遷について講演を行いました。

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  三島学長と3名の講演者
  （左から、黒川特別研究員、望月研究員、井田教授、三島学長）

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  ELSI 井田教授

次に、地球ウイルス学を専門とする望月智弘研究員から「熱湯の中の微生物・ウイルスから探る生命の起源と進化」をテーマに、極限環境に生息する菌ならびにそれらに感染するウイルスに関する研究を通して、地球生命の起源や進化、さらには地球外生命体が存在する可能性などについての議論が紹介されました。

最後に惑星科学を専門とする黒川宏之日本学術振興会特別研究員から「生命を宿す惑星の条件」をテーマに、生命はどのようにして誕生したのか、地球以外の星に生命は存在するのかという「地球と生命の謎」について、生命を宿す場である惑星の科学という観点から最新の知見が紹介されました。

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  ELSI 望月研究員

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  ELSI 黒川特別研究員

本セミナーの参加者は、科学への知的好奇心が旺盛な東工大OB・OGが多数を占め、各講演の終わりには活発な質問が登壇者に投げかけられました。また講演内容への関心が入り口となって、それらの研究活動を行っているELSIという研究組織にも注目が集まり、ブースに設置されたELSIの広報物を多くの方が手に取ってくださいました。

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  会場の様子

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  ELSI広報ブース

各分野でグローバルに活躍する講演者が日本語で発表する機会は意外と少ないため、今回の講演は参加者にとっても理解しやすく、最新の研究内容に触れる良い機会となりました。

• 地球生命研究所｜ELSI EARTH-LIFE SCIENCE INSTITUTE
• 蔵前工業会

スーパーコンピュータ「京」がGraph500において4期連続で世界1位を獲得
―ビッグデータの処理で重要となるグラフ解析で最高の評価―

概要

九州大学と東京工業大学、理化学研究所、スペインのバルセロナ・スーパーコンピューティング・センター、富士通株式会社による国際共同研究グループは、2016年11月15日（火）（米国ソルトレイクシティ現地時間）に公開された最新のビッグデータ処理（大規模グラフ解析）に関するスーパーコンピュータの国際的な性能ランキングであるGraph500において、スーパーコンピュータ「京（けい）」^[用語1]による解析結果で、2016年6月に続き4期連続（通算5期）で第1位を獲得しました。

大規模グラフ解析の性能は、大規模かつ複雑なデータ処理が求められるビッグデータの解析において重要となるもので、「京」は正式運用開始から4年以上が経過していますが、今回のランキング結果によって、現在でもビッグデータ解析に関して世界トップクラスの極めて高い能力を有することが実証されました。

本研究の一部は、科学技術振興機構（JST）戦略的創造研究推進事業CREST「ポストペタスケール高性能計算に資するシステムソフトウェア技術の創出」（研究総括：佐藤三久 理化学研究所 計算科学研究機構）における研究課題「ポストペタスケールシステムにおける超大規模グラフ最適化基盤」（研究代表者：藤澤 克樹 九州大学、拠点代表者：鈴村豊太郎 バルセロナ・スーパーコンピューティング・センター）および「ビッグデータ統合利活用のための次世代基盤技術の創出・体系化」（研究総括：喜連川優 国立情報学研究所）における研究課題「EBD：次世代の年ヨッタバイト処理に向けたエクストリームビッグデータの基盤技術」（研究代表者：松岡聡 東京工業大学）の一環として行われました。

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2016年11月15日に公開されたGraph500上位5位

• 2016年11月15日に公開されたGraph500

Graph500とは

近年活発に行われるようになってきた実社会における複雑な現象の分析では、多くの場合、分析対象は大規模なグラフ（節と枝によるデータ間の関連性を示したもの）として表現され、それに対するコンピュータによる高速な解析（グラフ解析）が必要とされています。例えば、インターネット上のソーシャルサービスなどでは、「誰が誰とつながっているか」といった関連性のある大量のデータを解析するときにグラフ解析が使われます。また、サイバーセキュリティや金融取引の安全性担保のような社会的課題に加えて、脳神経科学における神経機能の解析やタンパク質の相互作用分析などの科学分野においてもグラフ解析は用いられ、応用範囲が大きく広がっています。こうしたグラフ解析の性能を競うのが、2010年から開始されたスパコンランキング「Graph500」です。

規則的な行列演算である連立一次方程式を解く計算速度（LINPACK^[用語2]）でスーパーコンピュータを評価するTOP500^[用語3]においては、「京」は2011年（6月、11月）に第1位、その後、2016年11月14日に公表された最新のランキングでも第7位につけています。一方、Graph500ではグラフの幅優先探索（1秒間にグラフのたどった枝の数（Traversed Edges Per Second; TEPS^[用語4]））という複雑な計算を行う速度で評価されており、計算速度だけでなく、アルゴリズムやプログラムを含めた総合的な能力が求められます。

今回Graph500の測定には、「京」が持つ全計算ノード^[用語5]82,944台を用いています。約1兆個の頂点を持ち16兆個の枝から成るプロブレムスケール^[用語6]の大規模グラフに対する幅優先探索問題を0.45秒で解くことに成功しました。ベンチマークのスコアは38,621 GTEPS（ギガテップス）です。Graph500第1位獲得は、「京」が科学技術計算でよく使われる規則的な行列演算だけでなく、不規則な計算が大半を占めるグラフ解析においても高い能力を有していることを実証したものであり、幅広い分野のアプリケーションに対応できる「京」の汎用性の高さを示すものです。また、それと同時に、高いハードウェアの性能を最大限に活用できる研究チームの高度なソフトウェア技術を示すものと言えます。「京」は、国際共同研究グループによる「ポストペタスケールシステムにおける超大規模グラフ最適化基盤プロジェクト」および「EBD：次世代の年ヨッタバイト処理に向けたエクストリームビッグデータの基盤技術」の2つの研究プロジェクトによってアルゴリズムおよびプログラムの開発が行われ、2014年6月に17,977 GTEPSの性能を達成し第１位、また「京」のシステム全体を効率良く利用可能にするアルゴリズムの改良が行われ2倍以上性能を向上させ、2015年7月に38,621 GTEPSを達成し第1位でした。そして今回のランキングでもこの記録は神威太湖之光等の新しいシステムに比べても大幅に高いスコアであり、世界第１位を4期連続（通算5期）で獲得しました。

今後の展望

大規模グラフ解析においては、アルゴリズムおよびプログラムの開発・実装によって今回のように性能が飛躍的に向上する可能性を示しており、研究グループでは今後も更なる性能向上を目指していきます。また、上記で述べた実社会の課題解決および科学分野の基盤技術へ貢献すべく、スーパーコンピュータ上でさまざまな大規模グラフ解析アルゴリズムおよびプログラムを研究開発していきます。

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10月23日、横浜崎陽軒本店会場において、「神奈川県ヘルスケア・ニューフロンティア講座～第1回健康増進と豊かな暮らしを実現するための最先端技術とその産業応用～」を開催しました。本講座は、本学の複合系コース^※の1つである、ライフエンジニアリングコースが神奈川県からの委託を受けて行っている事業で、2016年度に計3回の開催を予定しています。

※

複合系コース：複数の学院や系にまたがる異なる学問領域を融合させ、新たな学問領域を確立した上で教育にあたる大学院課程における先駆的なコース

初回となる本講座では、様々な医療・福祉に関わる科学技術が開発される中、人工知能や脳科学に着目をし、これらの研究開発が私たちの健康や日常生活のサポートにおいてどのような役割を果たしているかをヘルスケアに関心を持つ方々に説明しました。

第1部はライフエンジニアリングコースの梶原将主任（生命理工学院 教授）の開会挨拶から始まり、神奈川県政策局ヘルスケア・ニューフロンティア推進本部室の関口仁氏より、現在、神奈川県が推進している未病産業研究会（ME-BYO）やCHO構想^※等、超高齢化社会に向けて行っているヘルスケア・ニューフロンティアの施策についての説明がありました。

※

企業や団体等が、組織内に「CHO（Chief Health Officer＝健康管理最高責任者）」の職を設け、従業員やその家族の健康づくりを企業理念に取り入れ、経営責任として従業員等の健康マネジメント、いわゆる健康経営を進めるもの。

その後、セラピー用アザラシ型ロボット「PARO」の開発者である、産業技術総合研究所の柴田崇徳氏が、「世界一セラピー効果があるロボット－科学的エビデンスに基づく非薬物療法」をテーマに講演しました。PAROを活用することにより、薬を使わない治療が可能となり、コスト削減の面だけではなく、患者の状態を健康的かつ効果的に回復させることができることから、海外からも注目を集めていると話しました。

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  神奈川県政策局の関口氏

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  産業技術総合研究所の柴田氏

続いて、本学情報理工学院の三宅美博教授より「リズム歩行アシストロボットWalk-Mate（ウォークメイト）とパーキンソン病治療への応用」をテーマに、三宅教授が開発した「Walk-Mate」の動きを動画で説明するとともに、デザイン画を使って現在開発中の「着るロボット」についても紹介しました。

次に本学科学技術創成研究院 バイオインターフェース研究ユニットの吉村奈津江准教授が登壇し、「脳波による脳情報のデコーディングとリハビリテーションへの応用」と題し、脳波を活用した介護サポートロボットや、脳波を利用して患者の身体機能を回復させる仕組み等について解説しました。

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  情報理工学院の三宅教授

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  バイオインターフェース研究ユニットの吉村准教授

休憩時間には、柴田氏開発のPAROが会場に用意され、多くの来場者が頭を撫でたり、声をかけたりと、PAROとのふれあいを楽しんでいました。

第2部では、本学の水本哲弥副学長（教育運営担当）が「東京工業大学の新教育システム」について、将来、科学技術の力で世界に貢献するため、学生が自ら進んで学び、鍛錬する「志」を育てたい等、印象的なキャッチフレーズをいくつか交えて紹介しました。

最後に、梶原主任より「ライフエンジニアリング分野の大学院教育」について説明し、第2部を締めくくり、第1回講座を終了しました。全体を通して鋭い質問も挙がるなど、大変有意義な講座となりました。

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  水本副学長

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  ライフエンジニアリングコースの梶原主任

• 神奈川県ヘルスケア・ニューフロンティア講座 | 国立大学法人 東京工業大学 研究推進部
• ライフエンジニアリングコース | コース（大学院課程）一覧 | 教育
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要点

• パワートランジスタ（Si-IGBT）のスケーリングよる性能向上を実証
• オン状態の抵抗を従来技術の約50%に低減
• 現在、市場で主流のSi-IGBTのさらなる高性能化・低価格化へ

概要

東京工業大学 科学技術創成研究院 未来産業技術研究所の筒井一生教授らは、シリコンによる電力制御用の絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ（IGBT）^[用語1]をスケーリング（微細化）することで、コレクタ-エミッタ間飽和電圧（V_ce(sat)）^[用語2]を従来の約70%に、オン抵抗を約50%に低減することに成功した。

スケーリングには素子寸法の「3次元的微細化」という新スキームを用いた。性能向上はオン動作時の単位面積あたりの電流密度を高めることで実現した。現在、主流のシリコン（Si）-IGBTのスケーリングによる性能向上が確認でき、市場のさらなる拡大とともに、電力制御システムの高効率・低価格化につながる技術として、省エネルギー社会への貢献が期待される。

この研究は新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）による「新世代Si-IGBTと応用基本技術の研究開発」（代表：平本俊郎東京大学教授）で行われた。研究成果は12月6日に米サンフランシスコで開かれる国際会議International Electron Devices Meeting（IEDM2016）で、東工大、東大、九州工業大学、明治大学、産業技術総合研究所、東芝、三菱電機の共同研究として発表される。

研究成果

図1および図2に作製したSi-IGBTの断面と垂直方向の構造、各部の寸法変数を示す。図1の上部（表面）に間隔Sで接近形成した縦のトレンチ（溝）ゲートに挟まれたエミッタ領域から電子電流が流入し、それに応じた正孔電流が下部（裏面）全面のコレクタ領域から流入することで、全体に縦方向のオン状態の電流が流れる。一方、トレンチゲートに加えるゲート電圧の制御によってエミッタからの電子電流の流入を止めることにより正孔電流も止まり、全体がオフの電流遮断状態になる。このようなIGBTの構造と電流をオン・オフする動作は通常のデバイスと変わらない。

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図1. Si-IGBTの断面構造

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図2. Si-IGBTの断面および奥行き方向の構造。ラッチアップ現象を抑制するため、奥行き方向のp領域とn領域の繰り返し寸法もスケーリングの対象となっている。

現在、製品化されているIGBTと同様の寸法のデバイスと、新規のスケーリングの概念により微細化した新構造デバイスを製作し、特性を比較した。図3と表1に両デバイスの寸法の比較を示す。寸法の微細化の比率をスケーリングファクタ1/kで表し、従来デバイスがk=1、新デバイスがk=3に対応する。

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図3. IGBTの3次元方向にわたる各構造寸法の変数。表1の各項目に対応

表1. スケーリングによる各部の寸法およびゲート電圧（V_g）とスケーリングファクタ

断面構造で、トレンチゲート周りの寸法は1/kに比例縮小する一方で、隣接するトレンチゲートまでの距離（W）（図1参照）は一定とした。IGBTの2次元のスケーリングは相補型金属酸化膜半導体（CMOS）のスケーリングと違って縦横のスケーリングが及ぼす効果が逆に働くこともあり、その効果は複雑だが、すでにシミュレーションでは単位面積あたりのオン電流の密度を増大することが予測されていた。その予測を今回、デバイスを試作して初めて実証した。

さらに試作に当たってスケーリングパラメータを一部見直すとともに、デバイスの奥行き方向に交互に作られる表面のp形領域とn形領域のピッチ（L_p+およびL_n+）も1/kに縮小した。これはスケーリングで予測されるラッチアップ耐性^[用語3]の劣化に対する対策である。この奥行き方向のスケーリングを含めて3次元スケーリングと呼んでいる。

図4に試作したSi-IGBTのオン状態でのコレクタ-エミッタ間の電流-電圧特性を示す。同じオン電流密度（飽和電流密度：I_ce(sat)、図では200 A/cm²）における電圧をエミッタ-コレクタ間飽和電圧（V_ce(sat)）と呼ぶが、これがk=3のスケーリングで、従来（k=1）に比べ約70%の1.26 Vが得られた。また、同じエミッタ-コレクタ間電圧（V_ce）における両デバイスの電流比も同図に示し、スケーリングにより電流が約2倍、すなわちオン抵抗が半減したことがわかる。これらはいずれも、IGBTのオン動作においてデバイス内部でのエネルギー損失に比例するため、スケーリングによりIGBTの低損失・高効率化が実現できたことを示している。

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図4.

試作した2つのIGBTのオン状態におけるエミッタ-コレクタ間電流-電圧特性。特定の電流密度（図では200 A/cm²）における電圧がエミッタ-コレクタ間飽和電圧（V_ce(sat)）と定義される。V_ce(sat)がスケーリング（k=1→k=3）により1.70 Vから1.26 Vに低減（約70%）している。また、一定電圧における電流がk=3で倍増しており、オン抵抗が半減したことを示す。
一方、ゲート電圧（V_g）も、スケーリングにより低い電圧（k=3において5 V）で動作している。

また、表1および図4に示すように、寸法とともにIGBTの制御入力の電圧となるゲート電圧（V_g）も従来の15 Vから5 Vに低下させた。これにより、将来、IGBTを駆動するゲートドライブ回路の消費電力が大幅に低減されるとともに、従来のSi-CMOS回路技術との親和性が高まる。このことは、回路、システムレベルでの高性能化と低コスト化につながることが期待される。

なお、このスケーリングはIGBTのゲート周りの微細化であり、トランジスタの耐圧を決めるその下のn-ベース層の厚さは変えないので、n-ベース層の厚さの選択によって従来のIGBTが持つ1000～数1000Vの耐圧はそのまま維持される。

表2に、今回の新構造IGBT（k=3）を現在市場にある製品も含めて比較したベンチマークを示す。V_gおよびV_ce(sat)（常温と150 - 175 ℃で）の低減が達成された。

表2. 今回試作したIGBT（k=3およびk=1）と市場に出ている製品の例で特性を比較したベンチマーク

背景

省エネルギー化には電力制御システムの高効率化が重要である。そのシステムは大規模では発電、送電、また鉄道や自動車から、小さいものでは家電製品やモバイル機器に組み込まれた電源回路に至るが、そこにはインバータに代表される電力制御装置が必須で、それを構成するパワー半導体トランジスタがその性能と製造コストに大きな影響を与える。

パワートランジスタの市場は価格の面からSi-IGBTが主流で、今後10年以上にわたってこれは揺るがないと予想されている。Si-IGBTは種々の技術革新により高性能化、小型化と低コスト化を進めてきたが、昨今はその進化が飽和する傾向となり、デバイス技術のコモディティ化も予想され、次世代に向けた新たな技術革新が求められている。

これまで日本はパワー半導体トランジスタの分野では世界の中で優位にあった。この分野での日本の産業力を今後も維持するためにも、日本発の新技術開発は大きな意義があり、特にその主流であるSi-IGBTの性能への技術革新は極めてインパクトが大きい。

Si-IGBTの性能面では、低損失化が重要で、そのためにはオン抵抗の低減が必要である。新しい方法としてスケーリングに注目して、これを実現したのが今回の研究成果である。

研究の経緯

Si-IGBTのスケーリングによる高性能化技術は、2012年に九州工業大学の大村一郎教授らにより理論モデルをベースに提案された。これは、IGBTの電流制御を行うトレンチゲート周りの構造を幅方向と深さ方向に2次元的に縮小し、かつ、隣接するトレンチゲート構造同士の距離は広く保つという2次元的なスケーリングを行うものであり、特許提案を行っている。大村教授らは今回の研究を推進しているNEDOプロジェクトでの共同研究グループの一つである。

スケーリング技術はデバイスシミュレーションに基づく提案だったが、実デバイスでの実証はこれまでなかった。実デバイスの作製には、構造設計において2次元の単純スケーリングスキームを試作に適したものに焼き直して、その特性を予想することや、プロセス技術の探索が要求され、さらにラッチアップ耐性の対応策の検討も必要である。

また、トランジスタ単体の技術にとどまらず、これを使う回路技術上の課題もあった。このように基礎から応用まで含めた幅広い研究の必要性から現在の日本の産業界だけでこの研究を推進していくことは困難が伴い、産官学の連携が強く望まれていた。

この課題を解決するため、2014年に産官学のNEDOプロジェクトが始まり、スケーリングによる新構造IGBTの試作研究とそれを活かす回路技術研究を密接に結びつけた体制のもとで研究が推進され、デバイス技術側での重要なマイルストーンとなる今回の研究成果を得た。

今後の展開

Si-IGBTは価格の面から少なくとも今後10年はパワーデバイスの主流を占めると予想されているが、一方で、性能向上の限界に近付いているともいわれてきた。今回の成果によって、スケーリングによる性能の向上が確認されたことは、日本がこれからもSi-IGBTという主流市場で価格競争でなく性能による差別化で勝負できるという意味で重要である。

また今回の実証は1/3のスケーリングであるが、さらにそれ以上の可能性も秘めた技術である。Si-IGBTのエネルギー損失を顕著に低減するこの技術が産業レベルで実用化されれば、電力制御システムの高効率化に直接貢献できる。またドライブ回側での技術開発により低電圧駆動が実用化されれば、システムとしてさらに高効率化、高機能化と低コスト化が実現し、これが世界に広く普及すれば将来の省エネルギー社会の実現への貢献が期待できる。

要点

• 安価な試薬を用いて10 ℃の条件下において、4.8秒でアミド結合を形成
• 副生物は二酸化炭素とアミンの塩酸塩のみのクリーンなプロセス
• 副反応を起こしやすいアミノ酸を一残基ずつ連結してペプチド鎖を伸長することに成功

概要

東京工業大学 科学技術創成研究院の布施新一郎准教授、御舩悠人大学院生、中村浩之教授、物質理工学院の田中浩士准教授は、非常に副反応（ラセミ化^[用語1]）を起こしやすいアミノ酸を多数含む抗HIV・抗菌ペプチド「フェグリマイシン」を迅速・安価・クリーンに合成できる手法を開発した。置換フェニルグリシンは、臨床で利用されている重要な抗菌剤を構成するアミノ酸だが、全てのアミノ酸の中でも最も副反応を起こしやすいため、その連結は困難であった。今回の目的化合物であるフェグリマイシンは極めて副反応を起こしやすい置換フェニルグリシンを5つも含み、副反応の進行し易さから、一残基ずつペプチド鎖を伸長する一般的な合成手法は適用不可能とされてきた。本研究では、マイクロフロー合成法^[用語2]を駆使して、この不可能とされてきたペプチド鎖伸長を実現することに成功。開発した手法により副反応を起こしやすい有用ペプチドの大量・低コスト供給が可能になると考えられる。この成果は、11月28日付け（日本時間）の英国学術誌「Nature Communications」に掲載された。

研究成果

今回、安価・高活性・低毒性の試薬・トリホスゲンを用いて、穏和な温度条件下（10 ℃）で、わずか0.5秒でカルボン酸を迅速に活性化し、副反応を抑制しつつアミンと反応させて高収率で目的のペプチドを得る手法を確立した。本手法を駆使することで、最もラセミ化しやすいアミノ酸を5つも含む抗HIV・抗菌ペプチドのフェグリマイシンの合成に成功した。この化合物は非常にラセミ化しやすいアミノ酸を多数含むことから、最も一般的な、1残基ずつペプチド鎖を伸長する方法（直線的合成法）では合成が不可能とされてきた。しかしながら今回、マイクロフロー法を駆使することで、世界初となる直線的合成法による全合成に成功した。

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背景

バンコマイシンやラモプラニンなど臨床で利用されている重要なペプチド系薬剤の中には置換フェニルグリシンを構成要素とするものが多数存在する。近年、ペプチド系薬剤は脚光を浴びており、承認医薬品数も大きな伸びを示しているため、その高効率な合成法の開発が強く求められている。しかしながら、置換フェニルグリシンが非常にラセミ化を起こしやすいことから、迅速かつ低コストな大量合成法の確立が求められていた。

研究の経緯

布施准教授らの研究グループは、これまでのペプチド合成の常識を覆す、マイクロフローリアクター中での「短時間の迅速な活性化」という新しい概念に基づくペプチド合成法を開発してきた（S. Fuse, Y. Mifune, T. Takahashi, Angew. Chem. Int. Ed. 53, 851, (2014)）。この経験から開発した手法を、非常にラセミ化しやすいアミノ酸を含むペプチドの合成に生かすことを着想した。反応条件検討の結果、使用する溶媒、反応温度、保護基等を工夫することにより、活性化0.5秒とアミド化^[用語3]4.3秒の計4.8秒で、ラセミ化しやすいアミノ酸を連結することに成功した。副生成物は除去が簡単なため、簡便な分液精製と再結晶操作でペプチドを精製できる点が大きな利点となる。

今後の展開

マイクロフロー合成法は、連続・並列運転により容易にスケールアップ可能であることから工業法への展開も十分に期待できる。今後、産業利用を目指して反応の自動化に向けた研究を推進する。

将来的には、副反応を起こしやすいアミノ酸を自在に連結し、医薬品として重要なペプチドを大量・低コストに供給できると期待される。

論文情報

掲載誌 :	Nature Communications
論文タイトル :	Total Synthesis of Feglymycin based on a Linear/Convergent Hybrid Approach using Micro-flow Amide Bond Formation
著者 :	Shinichiro Fuse1, Yuto Mifune1, Hiroyuki Nakamura1, and Hiroshi Tanaka2
所属 :	1Laboratory for Chemistry and Life Science, Institute of Innovative Research, Tokyo Institute of Technology, 4259 Nagatsuta-cho, Midori-ku, Yokohama 226-8503, Japan 2Department of Chemical Science and Engineering, School of Material and Chemical Technology, Tokyo Institute of Technology, 2-12-1 Ookayama, Meguro, Tokyo 152-8552, Japan
DOI :	10.1038/ncomms13491 Image may be NSFW. Clik here to view.

今年4月に実施された教育・研究改革により、東工大の組織が大きく変わりました。その中で、4つの研究所と2つの研究センター、および10個の研究ユニットから構成される科学技術創成研究院が創立され、旧・原子炉工学研究所を主な母体とする研究所「先導原子力研究所」が新たにスタートを切り、10月14日に設立記念行事の講演会および式典が大岡山キャンパス東工大蔵前会館くらまえホールにて行われました。

前半の記念講演会では、まず先導原子力研究所の矢野豊彦所長（科学技術創成研究院 教授）が、前身となる原子炉工学研究所（原子炉研）からの歩みを振り返りつつ、先導原子力研究所設立に至った経緯について話しました。そして、原子炉研で取り組んできた教育・研究の軸を保ち、その体制をより発展させる形で先導原子力研究所が設立できたことへの感謝の言葉を述べました。続いて、関本博名誉教授（元・原子炉研教授）が、1990年当時の原子炉研改組の内実や、その後の存在感を高めるための革新炉研究を中心とする21世紀COEプログラム^※1「世界の持続的発展を支える革新型原子力」（COE-INES）や革新的原子力研究センター（CRINES）の取り組み、また高速増殖炉用の鉛ビスマス合金冷却材プロセスの開発、超長寿命中小型炉であるCANDLE（キャンドル）炉^※2の研究など、当時の経緯を交えた興味深い話がありました。また、近年の日本人によるノーベル賞受賞ラッシュもさることながら、人類の発展に大きく貢献する研究領域のひとつとして「原子力」に誇りを持ち、同分野を先導する研究を推進してほしいと激励しました。

※1

文部科学省の研究拠点形成費等補助金事業

※2

濃縮ウランやプルトニウムを必要としない革新的原子炉

次に、先の震災時に甚大な被害を受けた福島第一原子力発電所の中にあって、唯一、冷温停止に導くことのできた第5・6ユニットの指揮官を務めた、技術研究組合国際廃炉研究開発機構（IRID）専務理事の吉澤厚文氏（大学院理工学研究科修士課程修了、元・東京電力福島第一原子力発電所第5・6ユニット長）が登壇しました。震災時、想像を絶する過酷な状況の中、吉田昌郎福島第一原子力発電所長（当時）とともに、現場の人々が叡智を結集して尽力し、命を賭して原子炉制御に取り組んでいくことで破局的結末の回避がなされたと話し、安全技術の最後の砦は人間の持つレジリエンス（逆境力）と五感で感じる能力であり、これまでのシステム安全向上に加え、そうした対応力の育成が重要であると力強く語りました。

講演会最後は、革新的研究開発推進プログラム（ImPACT）のリーダーである藤田玲子氏（大学院総合理工学研究科博士課程修了、元・日本原子力学会長）より、顕在化した高レベル放射性廃棄物問題への革新的対応法への国家的な取り組みであるImPACTプログラム「核変換による高レベル放射性廃棄物の大幅な低減・資源化」が紹介されました。その中で、同氏は、ガラス固化体や高レベル廃棄物融液からの長寿命核分裂生成物（LLFP）元素抽出技術、LLFPの核反応データの取得および短半減期核種または安定核種に変換する世界初の核反応経路の検討、加速器など核変換に適用する核変換システムの要素技術開発など、各プログラムにおける研究の推進状況について説明し、今こそ他分野からの参入による原子力研究の拡がりが大切であると強調しました。また、原子力は工学から始まったが、実用化から40年が経ち、新たなフェーズ（段階）を迎えた現在こそ、この分野の基礎研究を見直すべきであると述べ、講演を締めくくりました。

後半に行われた記念式典では、まず、矢野所長が当日の出席者への感謝の意を述べた後、今後の先導原子力研究所に対する指導、支援を求めました。続いて、安藤真理事・副学長（研究担当）が、エネルギー、環境といった今後さらに重要性を増す課題に包括的に取り組むためには、今回の研究改革で集結した各研究所を横断する課題の設定が必要であり、先導原子力研究所の今後の活動と発展に大いに期待すると述べました。科学技術創成研究院の益一哉院長からは、これからの研究組織には国際性も加味したダイバーシティ（多様性）が強く求められること、研究内容も含め、それを実現するための組織としての先導原子力研究所が果たすべき役割について言及がありました。また、来賓の方々からも、学生時代や原子炉工学研究所時代の交流を懐かしむ話や、今後の科学技術創成研究院と各学院間との連携のあり方への期待、原子力人材育成の大切さについての提言などがありました。

当日は、講演会には約150名、式典には約70名の学内外からの来場があり、盛会のうちに終わりました。1956年に旧・原子炉研の母体となる研究施設が設立されてからちょうど60年、言わば還暦を迎えたこの年に新たな体制で誕生した今後の先導原子力研究所の活動にご期待下さい。

• 東京工業大学 科学技術創成研究院 先導原子力研究所
• 東京工業大学 科学技術創成研究院（IIR）

要点

• 原子のように振る舞う球状の微小なナノカプセルを結合して、一次元構造体（直線状）と二次元構造体（平面状）を構築
• ナノカプセル内に金属塩が取り込めることを実証
• 様々なナノ材料を取り込んで配列するという応用へ期待

概要

東京工業大学 科学技術創成研究院 化学生命科学研究所のアルブレヒト（山下）建助教、山元公寿教授らの研究グループは、同大学 フロンティア材料研究所の東康男助教、真島豊教授と共同で、原子のように方向性と価数を持つナノカプセルであるデンドリマーをつなぎ役の架橋分子を介して一次元と二次元状に並べることに成功しました。

分子でありながら原子のように振る舞う原子模倣特性（atom mimicry feature）を持つ物質^[用語1]の研究が近年盛んになっています。樹木の枝が伸びるように規則正しい分岐を持つ球状の高分子でありながらナノサイズ（10億分の1）のカプセルとしての機能も併せ持つデンドリマーも原子模倣物質の一例として注目されています。

本成果ではこのようなデンドリマー^[用語2]を原子のように結合（重合）させて並べることを達成しました。また、このカプセルに金属塩を集積できることを見出しました。金属塩はサイズ制御されたナノ粒子へと変換可能であることから様々な機能を持ったナノ粒子を配列することが可能になります。また、このカプセルには金属塩に限らず様々なナノ材料を取り込めることが知られており、カプセルと架橋分子のデザインによって様々な次元性をもってナノ材料を配列できるテンプレートとなることが期待できます。本成果は、基礎科学的にも、新しい原子模倣物質の科学の開拓へつながると考えられます。

本成果は、2016年12月2日に米国科学雑誌「Science Advances」（オンライン）に掲載されました。

研究の背景

特定原子数の金属原子からなる金属クラスターが他の原子のような振る舞いを見せる超原子の研究は1980年代から行われてきました。近年、周期表の元素に対応するようにサイズ変化によって周期的に物性が変化したり、原子が結合を作るときのように結合の方向性や価数を持たせたりするナノ物質も含めて、原子模倣物質という新しいカテゴリーの物質群の概念へと拡張されつつあります。規則正しい分岐を持つ球状の高分子であるデンドリマーもそうした物質の1つと考えられています。しかし、原子軌道に電子が充填されるかのような振る舞いを見せ、結合の方向や価数を持つようなデンドリマーは知られていませんでした。

研究内容と成果

フェニルアゾメチンデンドリマーは金属塩などのルイス酸と錯体を形成して内包することが出来るナノカプセルとして知られています。その内包挙動は内層から外層に段階的に起きるという特徴を持っており、古典的なボーア原子モデル^[用語3]の原子軌道に電子が充填する様子を模倣していると捉えることが可能です（図1）。

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図1. フェニルアゾメチンデンドリマーの構造とルイス酸の内包挙動及びその原子軌道への電子充填との類似

このように原子模倣物質として捉えることの出来るフェニルアゾメチンデンドリマーを原子のように結合して分子を作ることは可能でしょうか。同グループはあたかも原子が最内層の軌道を使って電子を共有して結合するように原子模倣物質であるデンドリマーを結合することを考えました。そのため、両端に有機ルイス酸を有する架橋分子を合成し、これとデンドリマーを混ぜることで結合を形成できるのではないかと考えました（図2）。

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図2. カプセル機能を有する原子模倣デンドリマーと架橋分子から形成される一次元、二次元構造体と金属塩の内包

本研究ではこのような架橋分子を合成し、実際に一次元及び二次元の構造体が構築可能であることを実証しました。また、塩化スズのようなルイス酸をこの構造体に集積できることを通じて、この構造体がナノカプセルの集合体から出来ていることも実証しました。

今後の展開

ナノカプセルには金属塩以外にも有機金属錯体、有機カチオン、疎水性分子、蛍光色素など様々な分子を取り込むことが可能であり、ナノカプセルと架橋分子の組み合わせによって配列間隔やパターンの制御が可能だと考えられます。ナノ材料を直接並べるのではなく取り込み可能なカプセルを並べることによって様々なナノ材料を配列化させる新手法として開拓していくことが可能だと考えられます。

取り込まれた金属塩はサイズ制御されたナノ粒子へと変換できるため、このナノ粒子を配列化させることが可能になると期待できます。これを例えば「プラズモニック結晶」へと発展させることで生体物質の微量検出や屈折率の制御された物質の創成につながると考えられる他、「ナノ電極アレイ」へと発展させることで高効率な物質変換を可能とする電極触媒や細胞表面の物質分布を可視化するような化学センサーとしてなどナノ物質の配列化によってこれまでにない物性を引き出す端緒となることが期待されます。

論文情報

掲載誌 :	Science Advances 2 e1601414 (2016)
論文タイトル :	Polymerization of a divalent/tetravalent metal-storing atom-mimicking dendrimer
著者 :	Ken Albrecht1, Yuki Hirabayashi1, Masaya Otake1, Shin Mendori1, Yuta Tobari1, Yasuo Azuma2, Yutaka Majima2, Kimihisa Yamamoto1
DOI :	10.1126/sciadv.1601414 Image may be NSFW. Clik here to view.
所属 :	1Laboratory for Chemistry and Life Science, Tokyo Institute of Technology, 4259 Nagatsuta Midori-ku, Yokohama 226-8503, Japan. 2Laboratory for Materials and Structures, Tokyo Institute of Technology, 4259 Nagatsuta Midori-ku, Yokohama 226-8503, Japan.

12月5日、大隅良典栄誉教授は、オートファジーの解明に寄与したとして生命科学ブレイクスルー賞を受賞しました。また、同日（現地時間は12月4日）に米国シリコンバレーにて開催された授賞式に夫妻で出席しました。

生命科学ブレイクスルー賞は、アップル会長のアーサー・レヴィンソン氏やグーグルの共同創業者であるセルゲイ・ブリン氏等を設立者とする生命科学ブレイクスルー賞財団が、2013年に創設した賞です。難病治療や延命に関する顕著な研究を行った研究者に対し贈られるもので、一人あたり300万ドルが賞金として与えられます。2012年には、ノーベル生理学・医学賞を受賞した京都大学の山中伸弥教授も同賞を受賞しています。

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大隅良典栄誉教授

大隅栄誉教授コメント

• ブレイクスルー賞

要点

• 光ファイバー中の変形（伸び）や温度をリアルタイムに検出するシステムを開発した。
• 片端からの光入射で動作するため、たとえ光ファイバーの内部が破断しても動作が継続する。
• 従来法の5,000倍以上の動作速度を達成し、たわみ変形の伝搬の追跡も実証した。
• 防災・危機管理技術としての応用を広げるとともに、ロボットの「神経」としての活用も期待される。

概要

東京工業大学 科学技術創成研究院 未来産業技術研究所の水野洋輔助教と中村健太郎教授は、日本学術振興会特別研究員PDの林寧生博士、ファナック株式会社 サーボ研究所の福田英幸氏（元東京工業大学中村研究室所属）、韓国中央大学 物理学科の宋光容教授とともに、光ファイバー中の変形（伸び）と温度を検出できる分布型光ファイバーセンサーの性能向上に取り組み、片端からの光入射とリアルタイム動作の両立に世界で初めて成功しました。

近年、社会インフラの経年劣化や、地震等の自然災害対策が大きな社会問題として浮上していますが、ビル、トンネル、橋梁などの構造物に光ファイバーを「神経」として埋め込むことによって、構造物の変形を正確に監視できます。

これまでの手法は、光ファイバーの両端から光を入射していましたが、センサーの敷設に手間がかかるばかりか、光ファイバーが途中で1か所でも破断すると動作が停止してしまう難点がありました。今回、位相検波^[用語1]技術に基づいて、片端からの光入射による分布型光ファイバーセンサーの超高速化に成功し、これらの問題点を克服しました。その結果、従来法の5,000倍以上となる測定速度である100 kHzのサンプリングレート^[用語2]を達成し、たわみ変形の伝搬を追跡することでリアルタイム動作を実証しました。

本システムは、防災・危機管理技術としての応用範囲を広げ、生活の安全性向上に寄与するとともに、ロボットの新たな「神経」としての応用も期待できます。

研究成果は、2016年12月16日発行の英国科学誌ネイチャー（Nature）系の光学専門誌「ライト：サイエンス・アンド・アプリケーションズ（Light: Science & Applications）」に掲載されました。

背景

1960年代から70年代にかけての高度経済成長期に、集中的に建設された社会インフラの経年劣化が進んでいます。また、地震等の自然災害による損傷も蓄積して大きな社会問題に浮上してきています。この有力な対策として構造物に光ファイバーを埋め込むことで、構造物内の変形や温度を分布的に測定するシステムが使われつつあります。長距離にわたって測定が可能なうえ、電磁ノイズに強い等の利点があり、注目を集めています（図1）。

特に、光ファイバー中のブリルアン散乱^[用語3]の周波数シフト（BFS）を用いた分布型の伸び・温度センサーは、他の手法に比べて高精度・高安定であることが知られています。中でも、ブリルアン光相関領域反射計（BOCDR）^[用語4]と呼ばれる手法は、光ファイバーの片端から光を入射するだけでの動作、および、高空間分解能^[用語5]、低コストなどの利点を併せ持っています。すでに、1 cm以下の分解能の実現など、多くの成果が得られています。しかし、サンプリングレートは19 Hzが最高であり、結果として分布測定に比較的長時間（数十秒～数分）がかかるという問題がありました。

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図1. 分布型光ファイバーセンサーの概念

研究の経緯

従来のシステムでは、ブリルアン散乱スペクトル全体を電気スペクトルアナライザーの周波数掃引機能を用いて取得した後、そのピーク値を与える周波数（BFS）を算出していました。その結果、サンプリングレートは19 Hzに制限されていました。そこで、電圧制御発振器を用いて周波数掃引を行うことで、高速なスペクトルの取得を実現しました（図2左）。しかし、そのままではBFSの算出が速度を制限してしまいます。そのため、さらに取得したスペクトルを狭帯域通過フィルター（BPF）により正弦波に近似して、排他的論理和（XOR）の論理ゲートと低域通過フィルター（LPF）を用いて位相検波を行いました（図2右）。これにより、BFSと1対1対応となる量を直接取得することが可能となりました。結果として、100 kHzを超えるサンプリングレートを達成することができました。

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図2. 超高速化の原理

研究成果

反射光の解析に位相検波を導入することで、片端からの光入射による分布型光ファイバーセンサーの超高速化に成功しました。これにより、光ファイバー中の任意の位置での伸びや温度変化を、1秒間に10万回測定できるようにしました。これは従来法の5,000倍以上の速度です。

まず、1 kHzの局所的な振動の検出に成功しました。次に、光ファイバーをたわませて発生させた変形の伝搬を検出しました（図3）。以上により、リアルタイム動作が確認できました。関連動画も参照ください。

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図3. 伝搬するたわみ変形のリアルタイム検出

今後の展開

本手法は、伸び縮み（振動）や温度変化の分布情報を片端からの光入射で、リアルタイムかつ高空間分解能で取得できるため、様々な構造物（ビル・橋梁・トンネル・ダム・堤防・パイプライン・風車の羽根・航空機の翼など）に関わる防災・危機管理技術として幅広く活用することができます。また、アームに巻き付けることで、任意の位置で接触や変形、温度変化を検出するロボットの新しい「神経」としての応用も期待できます。

論文情報

掲載誌 :	Light: Science & Applications
論文タイトル :	Ultrahigh-speed distributed Brillouin reflectometry （超高速分布型ブリルアン反射計）
著者 :	Yosuke Mizuno, Neisei Hayashi, Hideyuki Fukuda, Kwang Yong Song, and Kentaro Nakamura
DOI :	10.1038/lsa.2016.184 Image may be NSFW. Clik here to view.

要点

• 沈み込みプレート境界で起きるゆっくり地震の発生には高い流体圧が必要だが、それを上昇させるメカニズムは未解明だった。
• 深部低周波地震が発生していない領域ではプレート境界から上部（上盤側）へ水が漏れていたことが明らかになった。
• プレート境界からの「水漏れ」と深部低周波地震発生との関係は水が地震発生に深く関与していることを示唆。

概要

東京工業大学 理学院の中島淳一教授、東北大学 理学研究科附属地震・噴火予知研究観測センターの長谷川昭客員研究者／名誉教授は、西南日本において高精度の地震波形解析を行い、フィリピン海プレート境界での深部低周波地震の発生はプレート境界からの「水漏れ」と関係していることを明らかにしました。プレート境界で発生する巨大地震やゆっくり地震の発生に水が深く関与していることを示しており、プレート境界でのすべり過程を理解するための重要な成果です。この研究成果は、12月19日の英国科学誌Nature Communications（オンライン版）に掲載されました。

背景

1990年代初めまでは、沈み込みプレート境界は、普段は固着しており地震としてすべるか、または普段からずるずると安定的にすべっている領域にわけられると考えられていました。しかし2000年代に入ると、普通の地震よりも少しだけゆっくりとすべる低周波地震^[用語1]が世界の沈み込み帯で相次いで報告されました。プレート境界巨大地震震源域の深部で発生する低周波地震は深部低周波地震と呼ばれ、大きな振幅の地震波の通過や地球潮汐などの小さな応力変化^[用語2]にも敏感に応答して誘発されることもわかっています。これは深部低周波地震の発生域のプレート境界は「強度が弱い断層」であることを示唆しています。プレート境界を弱くする原因としては高い流体圧が考えられますが、プレート境界の流体圧を上昇させるメカニズムはよくわかっていません。

研究の経緯

西南日本では、フィリピン海プレートが沈み込み、1944年の東南海地震や1946年の南海地震のようなプレート境界巨大地震が過去に何度も発生し、大きな被害がもたらされてきました。これら巨大地震の震源域深部の深さ30 km付近では、東海地方から豊後水道にかけて深部低周波地震が帯状に発生しています（図1）。深部低周波地震の発生により巨大地震震源域の断層破壊が促進される可能性が指摘されていることから、深部低周波地震の発生場の理解はプレート境界でのすべり過程を解明するために極めて重要です。

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図1. 西南日本の深部低周波地震の分布（赤点）と1944年の東南海地震、1946年の南海地震の震源域（緑領域）。

そこで本研究では、世界で最も稠密な地震観測網が構築されている西南日本を対象に、深部低周波地震の発生域と非発生域で地下構造を高精度に推定し、プレート境界での水の挙動を観測から明らかにすることを目指しました。

研究成果

関東から九州までの1,000 kmにわたる帯状の領域において、地震波不均質構造の空間変化を明らかにしました。その結果、深部低周波地震が発生している領域ではプレート境界の上部の岩石が平均的な地震波速度を示す一方で、深部低周波地震が発生していない、関東、伊勢湾、紀伊水道、九州ではプレート境界の上部の岩石の地震波速度が平均よりも4%以上遅く、P波速度とS波速度の比（Vp/Vs比^[用語3]）は1.80以上か1.70以下の値を示すことが明らかになりました（図2）。

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図2.

図1の青枠で囲まれた領域（長さ1,000 km）におけるP波速度（上）、Vp/Vs比（下）分布。フィリピン海プレート境界から1 - 4 km浅部の値を示す。深部低周波地震の非発生域ではP波速度が遅く、Vp/Vs比が1.80以上か1.70以下となっている。

関東、伊勢湾、紀伊水道、九州で観測された地震波速度の値は、上部の岩石が水による変成作用を受けていること、つまりプレート境界から水が漏れていることを示唆しています。水漏れにより流体圧が低くなるとプレート境界の強度が大きくなるため、そこでは深部低周波地震が発生しないと考えられます。プレート境界から漏れた水は上部の地震の原因にもなります（図3）。水漏れが起こらない場合、流体圧が上昇しプレート境界は「弱い断層」になります。すなわち、深部低周波地震の発生に必要な条件が整います。本研究で提案した新しいモデルでは、プレート境界の流体圧は上部の変成度合いと逆の相関を示すことが期待されます。

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図3. 深部低周波地震の発生域（a）と非発生域（b）における水の挙動の模式図。

今後の展開

巨大地震発生域のプレート境界での流体圧を測ることは現状では困難です。しかし、本研究の成果はプレート境界の上部の構造変化を丹念に調査すれば、プレート境界での流体圧の空間変化を知ることができる可能性を示しています。プレート境界の破壊強度の空間変化や沈み込み帯の水循環の理解が進むと期待されます。

論文情報

掲載誌 :	Nature Communications
論文タイトル :	Tremor activity inhibited by well-drained conditions above a megathrust
著者 :	Junichi Nakajima and Akira Hasegawa
DOI :	10.1038/NCOMMS13863 Image may be NSFW. Clik here to view.

将来の水素利用体系に関する総合的かつ技術的な検討を推進することを目的に発足した「東工大グローバル水素エネルギー研究ユニット」（以下、GHEU）は、10月5日、国内外の水素利用技術の現状と将来展望を共有するため、公開シンポジウムを開催しました。東工大蔵前会館の会場に用意した席がほぼ埋まる約261名の参加者が集まり、水素エネルギーに対する関心の高さがうかがえました。

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  会場の様子

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  積極的に質問をする参加者

その後、東工大における水素研究の最新動向について、工学院の店橋護教授と環境・社会理工学院の梶川裕矢准教授がそれぞれ発表しました。

梶川准教授は「トータルシステム調査研究の取り組み」と題して、水素エネルギーが社会に実装されるためには何が必要かを説明し、科学技術の社会実装は要素技術だけでは決まらず、社会的なレジームで決まると指摘しました。さらに、社会の動向や社会にとっての水素エネルギーの価値を分析し、社会に発信しながら、同時に要素技術の開発を推進することが重要だと主張しました。また、この調査研究は、新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）の「水素利用等先導研究開発事業」の支援を受けていることを報告しました。

続いて、店橋教授は「水素燃料の本質的理解とその応用」というタイトルで、水素発電用のガスタービンの技術を実現するためにはどのような課題があるかを解説しました。水素だけを燃やす水素専燃の場合には、燃料と酸化剤の混合ガスを燃焼室に流入させる予混合燃焼と、燃料と酸化剤を別経路で燃焼室に流入させる非予混合燃焼が考えられると説明し、水素発電用のガスタービンには、きちんと燃える予混合の専燃技術が最終的に求められ、この研究開発が必要となるだろうとの見通しを示しました。また、予混合の水素専燃ガスタービンを実現するために乗り越えなくてはならない課題についても具体的に提示しました。

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東工大の水素研究の最新動向について発表する梶川准教授と店橋教授

今回のシンポジウムでは2名のゲストを招き、招待講演も実施しました。

招待講演1「水素社会の実現に向けた取組の加速～ロードマップの改訂について～」

2016年3月に改訂された「水素・燃料電池戦略ロードマップ」の内容についての解説と、フェーズ1の定置用燃料電池や燃料電池自動車及び水素ステーション、フェーズ2の水素発電と大規模な水素供給システム、フェーズ3の再生可能エネルギー由来水素についての講演がありました。

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講演をする山澄氏

招待講演2「ドイツにおける水素エネルギーと燃料電池技術」

ドイツにおけるさまざまな水素エネルギーや燃料電池の技術や利用を紹介してもらいながら、国の取り組みなどの現状と今後の展望に関する講演がありました。

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講演をするバンホッフ博士

最後に、この研究ユニットに参加する企業・組織のメンバーを交えたパネルディスカッションが開かれました。

パネリスト

• 笹津浩司氏 電源開発株式会社 技術開発部長
  石炭のガス化とクリーン利用について提言しました。

• 斎藤健一郎氏 JXリサーチ株式会社　エネルギー技術調査部長
  水素の製造・輸送・貯蔵・利用について、将来に繋ぐ論点を提示しました。

• 中島良氏 株式会社東芝 次世代エネルギー事業開発プロジェクトチーム サブプロジェクトマネージャー
  再生可能エネルギー由来の水素を利活用する東芝の取り組みについて報告しました。

• 大平英二氏 新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO） 新エネルギー部主任研究員
  水素エネルギー利用の展開について多様な視点を提供しました。

• 橋本道雄氏 東京工業大学 環境・社会理工学院 特任教授、GHEUメンバー
  水素発電による水素の大規模な利活用について説明し、水素エネルギーを推進する意義を訴えました。

上記のパネリストの他、冒頭に講演した店橋教授と梶川准教授も加わり、進行役はGHEUのユニットリーダーである岡崎特命教授が務めました。

閉会にあたって、岡崎特命教授は、学理に根ざした研究を基本に、水素社会の実現に向けた活動を活発化させたいと述べ、産官学の連携については、コンソーシアムの機能を強化してさらに密な活動を進めていくため、参加したい企業や組織があれば、いつでも声をかけて欲しいと呼びかけました。また、今後は、海外の大学との協力関係の強化も目指したいとの抱負を語りました。

• 科学技術創成研究院 グローバル水素エネルギー研究ユニット
• 研究ユニット | 東京工業大学 科学技術創成研究院 （IIR）
• 東工大　グローバル水素エネルギーコンソーシアム発足記念シンポジウム　開催報告 | 東工大ニュース

スピン自由度を用いた次世代半導体デバイス実現へ大きな進展
―強磁性半導体において大きなスピン分裂をもつ電子のエネルギー状態を初めて観測―

発表のポイント

• 鉄（Fe）を半導体（InAs）へ数%添加したことによってIII-V族半導体で初めてのN型強磁性半導体^[用語1](In,Fe)Asを作製し、電子キャリア^[用語2]が存在する伝導帯とよばれるエネルギー帯に大きな自発的スピン分裂があることを見出しました（図1）。
• このようなN型半導体における強磁性と自発的にスピン分裂した伝導帯構造の出現は、従来の理論では予測できないため、半導体や磁性の物性物理学と半導体スピントロニクス^[用語3]に新しい知見を与える重要な成果となります。
• 強磁性半導体が大きくスピン分裂した電子状態を持つことを明らかにしたことにより、スピン自由度を利用した様々な半導体デバイスの設計と作製が可能になり、本成果は今後のスピンデバイス応用に向けて大きな前進をもたらすものと期待されます。

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図1.

III-V族半導体InAsに磁性不純物として鉄（Fe）を添加したN型強磁性半導体(In,Fe)As（図の下部）において、Fe原子の局在スピンと電子キャリアとの相互作用によって強磁性秩序が現れるとともに、キャリア電子が存在する伝導帯の上向きスピン電子と下向きスピン電子の伝導帯エネルギーに大きなスピン分裂が観測された（図の上部）。

発表概要

東京大学 大学院工学系研究科のレ・デゥック・アイン助教、東京工業大学 工学院のファム・ナム・ハイ准教授、東京大学 大学院工学系研究科の田中雅明教授は、高速電子デバイスに使われるIII-V族化合物半導体（InAs）に鉄（Fe）原子を添加した混晶半導体(In,Fe)Asを作製し、(In,Fe)AsがN型（電流を担うものが電子である物質）で強磁性を示す（磁石になる）と同時にその伝導帯（電子キャリアが存在するエネルギー帯）に大きな自発的スピン分裂が生ずる（電子がもつスピンが上向きか下向きかによって大きくエネルギーが異なる）ことを見出しました。このような半導体において現れる強磁性、N型かつ大きくスピン分裂した伝導帯構造の観測は初めてであり、固体物理学に新しい知見を与えると共に、スピン自由度を利用した半導体デバイスへの応用に道を開くものと期待されます。

発表内容

強磁性半導体（Ferromagnetic Semiconductor: FMS）は非磁性半導体の一部の原子を磁性原子で置換することにより強磁性（磁石としての性質）が現れる材料です。既存の半導体技術との親和性が高いため、従来の半導体デバイスに「スピン」自由度を加えることにより、不揮発性、低消費電力、再構成可能性、量子情報などの新機能をもたらす可能性があり、世界的に注目されています。半導体結晶中に添加された磁性原子とキャリア（電子または正孔）との相互作用によって強磁性が誘起されるとともに、半導体中の上向きスピンをもつ電子と下向きスピンをもつ電子のエネルギー帯が大きく分裂することが期待されます。

しかし、実際にはこれまで電子のエネルギー帯のスピン分裂が実測された強磁性半導体は非常に稀で、II-VI族である(Cd,Mn)Teにおいて極低温（4 K = マイナス269.15 ℃）で価電子帯の自発的分裂（～10 meV）がわずかに見られたのみです。その理由の1つとして、多くの場合、磁性原子として使われるマンガン（Mn）が局在スピンとキャリア（正孔）を同時に供給するため、キャリアが不純物帯に存在し伝導帯や価電子帯はほぼ変化しないためと考えられています。また、これまでは半導体エレクトロニクスと整合性の良いIII-V族やIV族半導体では、P型（電子が抜けた穴＝正孔が電流を担う）強磁性半導体しか作製できず、半導体デバイスに不可欠なN型の強磁性半導体は存在しませんでした。

本研究グループは、添加する磁性原子としてMnの代わりに鉄（Fe）を選びました。Feの特徴は、III-V族半導体中で中性になる（ドナーにもアクセプターにもならない）ので、局在スピンとキャリアの起源を分離できること、よってP型のみならずN型も作製可能になることです。III-V族半導体であるインジウムヒ素（InAs）にFeを添加すると、電子濃度が10¹⁸ cm^-3以上で強磁性が現れ、III-V族で初めてのN型強磁性半導体になります。さらに今回、トンネル分光法^[用語4]というエネルギー分解能が高い手法を用いて(In,Fe)Asの伝導帯構造を詳細に調べた結果、大きな自発スピン分裂（30～50 meV）が強磁性温度領域で観測されました。強磁性半導体において、このような伝導帯の自発スピン分裂が確認されたのは初めてです。

InAsのような、高速電子デバイスやエレクトロニクスで使われる重要なIII-V族半導体において、N型で強磁性が明瞭に現れること、かつ、大きくスピン分裂した伝導帯をもつことは、従来の理論では予測できないため、半導体や磁性の物性物理学と半導体スピントロニクスに新しい知見を与える^[用語5]重要な成果です。また、強磁性半導体が大きくスピン分裂したエネルギー帯構造を持つことは、スピン自由度を利用した半導体デバイスの設計と作製を可能にするものであり、本成果は今後のスピンデバイス応用に向けて大きな前進をもたらすものと期待されます。

論文情報

掲載誌 :	Nature Communications
論文タイトル :	Observation of spontaneous spin-splitting in the band structure of an n-type zinc-blende ferromagnetic semiconductor
著者 :	Le Duc Anh, Pham Nam Hai, and Masaaki Tanaka
DOI :	10.1038/ncomms13810 Image may be NSFW. Clik here to view.

概要

東京工業大学 科学技術創成研究院 フロンティア材料研究所の北條元・元助教（現九州大学 総合理工学研究院 准教授）、東正樹教授、名古屋工業大学の壬生攻教授らの研究グループは、セラミックス結晶中に磁石の性質（強磁性^[用語1]）と電気を蓄える性質（強誘電性^[用語2]）が室温において共存することを確認した。室温での両性質の共存は、鉄酸ビスマスを用いた次世代磁気メモリー実現のための鍵として注目されていながらも、磁性不純物の影響により、これまで本質的であると実験で確認されたことはなかった。

同研究グループは、コバルト酸鉄酸ビスマスを薄膜形態で安定化させ、その磁気特性および誘電特性を詳しく調べた。その結果、温度に応じて磁石としての性質が変化し、低温では消失していた磁石の特性が室温では現れることを明らかにした。電気を蓄える性質も備えている。強磁性と強誘電性の相関が確認されたことから、新しい原理に基づく、低消費電力かつ高速アクセス、大容量の次世代磁気メモリー開発につながると期待される。

同研究グループには東工大の川邊諒・元大学院生、清水啓佑大学院生、山本孟大学院生、インドのボーズ基礎科学研究センターが参画した。

研究成果はドイツの材料系科学誌「Advanced Materials（アドバンストマテリアルズ）」のオンライン版で12月21日に公開された。

研究の背景

スマートフォンの普及やビッグデータなどによる情報処理量の爆発的な増大に伴う、情報機器の消費電力が問題になる中で、低消費電力・高記録密度・不揮発性の次世代メモリーデバイスへの要求が高まっている。こうした観点から注目されるのが、磁性と強誘電性を併せ持つマルチフェロイック物質^[用語3]である。磁性と強誘電性の相関が十分に強く、電場によって磁化方向を反転することができれば、不揮発性・高安定性という現在の磁気メモリーの特徴を生かしつつ、低消費電力・高記録密度かつ簡易な素子構造を有した次世代磁気メモリーを実現できると期待される。

研究成果

これまでに菱面体晶ペロブスカイト^[用語4]の鉄酸ビスマスには反強磁性^[用語5]（厳密には反強磁性秩序に加えて、サイクロイド変調^[用語6]が重畳している）と強誘電性が存在することが知られていた（図1左）。

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図1.

鉄酸ビスマス（左）とコバルト酸鉄酸ビスマス（右）の磁気構造の模式図。鉄酸ビスマスは反強磁性体であるため、スピンの磁化は打ち消し合い自発磁化は現れない。一方、コバルト酸鉄酸ビスマスはスピンが傾斜しているため、磁化は打ち消し合わずに自発磁化が現れる。

今回、北條准教授、東教授ら研究グループは、鉄を一部コバルトで置換したコバルト酸鉄酸ビスマスを、強誘電性の評価が可能な薄膜形態で安定化させることに成功した。誘電特性評価の結果、薄膜試料が室温で強誘電体であることを確認した（図2左）。

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図2.

室温における鉄酸ビスマスとコバルト酸鉄酸ビスマス（xはコバルトの置換量）の電気分極の外部電場依存性（左）および磁化の外部磁場依存性。

さらに、薄膜の成長する方向を工夫することにより、温度に応じて磁石の性質が変化し、室温で弱強磁性^[用語7]が現れることを明らかにした（図2右）。この磁性がスピン配列の変化による本質的な強磁性であることはメスバウアー分光分析^[用語8]による磁気構造解析により裏付けられた（図1右）。また、この強磁性相は、温度およびコバルト置換量の増加とともに安定化されることも明らかとなった。

今後の展開

今回の成果は新しい磁気メモリー実現のための鍵といわれてきた、室温における強磁性と強誘電生の共存を、コバルト酸鉄酸ビスマス薄膜について実験的に証明したものである。また、強誘電電気分極と自発磁化の間には互いに直交するという関係があるため、電気分極の反転によって磁気情報を書き込む新しい磁気メモリー材料や、電荷と磁化の両方を情報として用いる大容量多値メモリーとしての応用への道筋も拓ける。これにより、鉄酸ビスマスをベースとしたマルチフェロイック物質の開発に拍車がかかるものと期待される。

付記

本研究の一部は、神奈川科学技術アカデミー・戦略的研究シーズ育成事業「革新的巨大負熱膨張物質の創成」（代表・東正樹東京工業大学教授）、文部科学省・科学研究費補助金・新学術領域研究「ナノ構造情報のフロンティア開拓—材料科学の新展開」（代表・田中功京都大学教授）、基盤研究A「ビスマス・鉛ペロブスカイトのs-d軌道間電荷分布変化解明と巨大負熱膨張への展開」（代表・東正樹東京工業大学教授）、旭硝子財団若手継続グラント「Bi系マルチフェロイック薄膜の磁気構造制御と電場による磁化反転の実現」（代表・北條元九州大学准教授）、新世代研究所研究助成「次世代メモリ実現のためのBi系マルチフェロイック材料の開発」（代表・北條元九州大学准教授）、文部科学省・ナノテクノロジープラットフォームの援助を受けて行った。

論文情報

掲載誌 :	Advanced Materials
論文タイトル :	Ferromagnetism at room temperature induced by spin structure change in BiFe1-xCoxO3 thin films
著者 :	Hajime Hojo, Ryo Kawabe, Keisuke Shimizu, Hajime Yamamoto, Ko Mibu, Kartik Samanta, Tanusri Saha-Dasgupta, and Masaki Azuma
DOI :	10.1002/adma.201603131 Image may be NSFW. Clik here to view.

要点

• 世界で初めて、生きたメダカの8日間蛍光顕微鏡連続撮影に成功
• 骨を形成する骨芽細胞と吸収する破骨細胞で特異的に蛍光シグナルが急上昇
• 無重力応答に関与する5つの遺伝子を発見
• 人では寝たきりの初期に骨量が減少するため老人性骨粗鬆症の原因解明にもつながる可能性がある

概要

東京工業大学 生命理工学院の工藤明教授らは、国際宇宙ステーションにある「きぼう」日本実験棟で骨芽細胞と破骨細胞が蛍光で光る遺伝子を組み込んだメダカを、8日間連続で顕微鏡を用いて観察し、両細胞の蛍光シグナルが無重力下で急速に活性化されていることを明らかにした。また、無重力に応答する遺伝子を調べた結果、骨関連遺伝子の他に5つの遺伝子、c-fos、jun-B-like、pai-1、ddit4、tsc22d3が発現上昇することを見出した。

今回の成果は、世界で初めて宇宙で8日間顕微鏡連続撮影ができたことによるもので、宇宙空間を利用した無重力での骨量減少を解明する新たな手掛かりが得られたことになる。動物モデルが無い老人性骨粗鬆（そしょう）症の原因解明に繋がることが期待できる。

この成果は、英国の科学誌ネイチャー（Nature）の姉妹紙のオンラインジャーナル「サイエンティフィック リポーツ（Scientific Reports）」で12月22日午前10時（英国時間）に公開された。

研究成果

骨量減少の原因解明は、地上での老人性骨粗鬆症の予防や、長期の有人宇宙探査における重要な課題だ。その解明には、培養細胞のみならず生物個体としての機能を調べるべく観察・解析が重要で、この研究領域は世界的にも注目されている。

老人性骨粗鬆症では、寝たきりになった直後から急激に骨量が減少することが知られている。また宇宙飛行士の骨量は無重力にさらされた直後から1ヵ月以内に急激に減少することがわかってきており、無重力に対する生物体内の初期応答の解明が急がれている。

工藤教授の研究グループのメンバーである茶谷昌宏助教（現・昭和大学）らは、宇宙航空研究開発機構（JAXA）等との共同研究で、osterix^[用語1]-DsRed/TRAP^[用語2]-GFPなど、計4種類の骨関連遺伝子で改変したメダカを対象に国際宇宙ステーションの「きぼう」・日本実験棟で飼育を行った。今回は、容器のジェルの中に孵化直後のメダカを飼育し、8日間連続撮影を行った。このメダカは、改変した骨関連遺伝子のプロモーターが働くと蛍光発光する。実験データを解析した結果、骨を形成する細胞である骨芽細胞と骨を壊す細胞である破骨細胞で特異的に発現する蛍光のシグナルが、無重力にさらされた1日後から大きく上昇し、8日間その発現上昇が維持された。また、無重力にさらされた2日後の遺伝子発現を調べたところ、骨関連遺伝子の他に5つの遺伝子、c-fos、jun-B-like、pai-1、ddit4、tsc22d3の大幅な発現上昇を明らかにした。

個体レベルで解析できる生物（メダカ）を用い、無重力への生物個体の初期応答の一端を示した世界で初めての成果である。

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図1. 咽頭歯骨部における骨芽細胞と破骨細胞の蛍光シグナル増加

A. 腹側から見た頭部における咽頭歯骨部（破線枠）の模式図 B-C. 地上群（B）と宇宙群（C）の咽頭歯骨部位におけるosterix-DsRed（骨芽細胞マーカー）の発現 D. 観察1日目から8日目までの地上群と宇宙群の蛍光強度比較 E-F. 地上群（E）と宇宙群（F）の咽頭歯骨部位におけるTRAP-GFP（破骨細胞マーカー）の発現 G. 観察4日目と6日目の地上群と宇宙群の蛍光強度比較 up：上顎咽頭歯部、lp：下顎咽頭歯部、c：擬鎖骨
Chatani et al, Sci. Rep. 6:39545, 2016より一部変更して掲載

軌道上実験

2014年2月に無重力への骨代謝の初期応答を調べる実験を「きぼう」で行った。これは4種類の遺伝子改変メダカを用い、生きたままのメダカを8日間連続で蛍光顕微鏡観察する実験である。無重力下での骨芽細胞、破骨細胞の動態をリアルタイムで観察した。研究グループは、地上で下図2のようにしてジェルの中に生きた状態で孵化直後の遺伝子改変メダカを飼育した。そして、国際宇宙ステーションに輸送されたメダカの画像を、宇宙空間で下図3のようにして取得。「きぼう」日本実験棟内では若田光一JAXA宇宙飛行士によって、メダカが入った容器が蛍光顕微鏡内に設置され、その後の観察は日本の筑波宇宙センターの遠隔操作で行った。

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図2. 宇宙短期の観察方法

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図3. 宇宙で観察した咽頭歯部（腹側）

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図4. 微小重力環境下の生体イメージング方法の概要

このライブイメージング成功には以下の3条件が必要で、一つでも欠けると実験系は成り立たない、無重力下における骨リモデリング（骨が削られ、それを埋めるように骨が形成される）の観察実験系である。

この実験系で判明したことは、（ア）孵化直後は卵黄嚢が大きく残っており、餌がなくてもジェルの中で1週間以上の飼育が可能である。（イ）打上げの際に5 Gの加重がかかるためジェルの中の魚は全て腹側を下へ向ける。（ウ）腹側からのみ咽頭歯骨^[用語3]の観察が可能で、メダカにおいて破骨細胞と骨芽細胞は、孵化直後という発生初期段階から骨リモデリングを開始している。

実験に供したメダカ

骨量減少の原因解明のための研究には、ヒトやマウスなどの哺乳類と異なり、体が透明で生きたまま体外から骨の様子を観察しやすく、また細胞の動態を蛍光で観察できる遺伝子改変メダカが有効である。工藤教授の研究室では、骨芽細胞と破骨細胞の様子を同時に生きたまま観察できる遺伝子改変メダカを確立し、今回の実験に用いた。

2012年に行われた長期飼育実験で、無重力下においてメダカの骨量が減少することがすでに明らかになっている (Chatani et al, Sci. Rep. 5:14172, 2015)。

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図5. 国際宇宙ステーションから取得したメダカ観察容器全体像

5倍対物レンズで撮影した273枚の画像を平面に敷き詰めて表したメダカ観察容器の全体像。観察の度に全体像を作成し、20倍対物レンズをメダカが位置する正確な座標に合わせて撮影した。

今後の展開

新たに見つかった無重力の応答に関与すると思われる5つの遺伝子について、その分子機構の解明を行い、老人性骨粗鬆症への関与を明らかにする。

論文情報

掲載誌 :	Scientific Reports
論文タイトル :	Acute transcriptional up-regulation specific to osteoblasts/osteoclasts in medaka fish immediately after exposure to microgravity
著者 :	Masahiro Chatani1,+, Hiroya Morimoto1, Kazuhiro Takeyama1, Akiko Mantoku1, Naoki Tanigawa2, Koji Kubota2, Hiromi Suzuki3, Satoko Uchida3, Fumiaki Tanigaki4, Masaki Shirakawa4, Oleg Gusev5,++, Vladimir Sychev6, Yoshiro Takano7, Takehiko Itoh1, and Akira Kudo1
所属 :	1 Graduate School of Bioscience and Biotechnology, Tokyo Institute of Technology, Yokohama 226-8501, Japan 2 Chiyoda Corporation, Yokohama 220-8765, Japan 3 Department of Science and Applications, Japan Space Forum, Tokyo 101-0062, Japan 4 Japan Aerospace Exploration Agency, Tsukuba 305-8505, Japan 5 Institute of Fundamental Medicine and Biology, Kazan Federal University, Kazan 420008, Russia 6 SSC RF-Institute of Biomedical Problems RAS, Moscow, Russia 7 Section of Biostructural Science, Graduate School of Medical and Dental Sciences, Tokyo Medical and Dental University, Tokyo 113-8549, Japan + Current address: Department of Pharmacology, School of Dentistry, Showa University, Tokyo 142-8555, Japan ++ Current address: RIKEN Innovation Center, RIKEN, Yokohama 230-0045, Japan
DOI :	10.1038/srep39545 Image may be NSFW. Clik here to view.

ポイント

• 産業や医薬品に重要なたんぱく質を水溶液から濃縮するには、時間と費用がかかる上、たんぱく質が変性してしまう問題があった。
• 2種類の界面活性剤を加えることで水溶液中のたんぱく質が構造と機能を保ったまま集合する現象を発見し、たんぱく質を多く含む液状物質（凝縮体）の開発に成功した。
• 触媒や抗体機能を持つたんぱく質の凝縮体を簡便な操作で得られ、ゲル状態にもできるので、触媒材料や医薬品の開発など、幅広い応用展開が期待される。

概要

JST戦略的創造研究推進事業において、東京工業大学 科学技術創成研究院の野島達也特任助教と彌田智一教授らの研究グループは、、界面活性剤^[用語1]を加えると、水溶液中のたんぱく質が構造と機能を保ったまま集合する現象（分子集合現象^[用語2]）を発見し、この新たな現象を利用して、たんぱく質を多く含む液状物質である「たんぱく質凝縮体」の開発に成功しました。

生体高分子であるたんぱく質は、化学反応を触媒する酵素や特定の分子を認識する抗体などさまざまな機能を持つ重要な物質です。産業や医薬に利用するには、高濃度で、かつ変性していないたんぱく質が必要です。しかし、水溶液中に分散しているたんぱく質の濃縮には時間と費用がかかる上、濃縮過程でたんぱく質が変性や凝集してしまい、触媒や抗体機能が失われる問題があります。

本研究グループは、2種類のイオン性界面活性剤を一定の比率で組み合わせてたんぱく質水溶液に加えるという簡便な操作で、たんぱく質が構造と機能を保ったまま集合するという新たな現象とともに、高いたんぱく質含有量の液状物質（たんぱく質凝縮体）が生じることを見いだしました。本技術は構造や機能が異なるさまざまなたんぱく質に利用できます。扱いやすいゲル状態にもできるので、新しいたんぱく質材料として、たんぱく質試薬や医薬品の開発など幅広い応用が期待されます。

本研究成果は、ドイツ化学誌「Angewandte Chemie International Edition」のオンライン版で近日中に掲載されます。

本成果は、以下の事業・研究領域・研究課題によって得られました。

上記研究課題では、異種材料をナノ・マイクロスケールで「上手に混ぜる」ことにより、構成材料の単なる足し合わせでは得られない、要素間の相互作用が顕在化した「超集積材料」の創成を目指しています。

研究の背景と経緯

生体高分子であるたんぱく質は、化学反応を触媒する酵素や特定の分子を認識する抗体などさまざまな機能を持つ重要な物質です。酵素たんぱく質試薬やたんぱく質製剤の製造などにはたんぱく質の濃縮技術が必要とされています。従来のたんぱく質を濃縮する方法は時間と費用がかかる上、条件によっては濃縮過程でたんぱく質の変性や凝集が起こります。そのため、短時間で簡便にたんぱく質を高濃度化する技術が必要とされていました。

研究の内容

水溶性たんぱく質が水中に分散した状態から自然に高濃度化することはありません。本研究では、たんぱく質の新たな分子集合現象を発見し、これを応用してたんぱく質の高濃度化技術を開発しました。本研究グループは、疎水部にアルキル鎖、親水部にポリエチレングリコール鎖を持つ、陰イオン性および陽イオン性の2種類の界面活性剤を一定の比率で組み合わせました。これをたんぱく質水溶液に加えると、最大で311ミリグラム／ミリリットル（平均213ミリグラム／ミリリットル）のたんぱく質を含む液状物質が瞬時に水から分離することを見いだしました（図1）。水中に分散するたんぱく質の凝縮により形成された物質という意味を込めて、この物質を「たんぱく質凝縮体」と名付けました。また2種類の界面活性剤の比率をたんぱく質の種類によって適切に調整することで、構造や機能の異なるさまざまなたんぱく質の凝縮体を、その構造と機能を保ったまま形成できることを確認しています（図2）。抗体医薬品の開発には100ミリグラム／ミリリットル以上のたんぱく質濃度が必要とされており、本技術で得られた凝縮体のたんぱく質含有量は実用性が高いといえます。また、凝縮体に塩を加えれば、容易に水溶液状態に戻すことができます。

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図1. たんぱく質凝縮体の形成方法

陽イオン性および陰イオン性界面活性剤を一定の比率で組み合わせ、たんぱく質水溶液に加えると、水相と分離した液状物質としてたんぱく質凝縮体が瞬時に形成される。

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図2. 凝縮体の形成を確認できたたんぱく質

下層の赤丸で囲んだ液体が得られたたんぱく質凝縮体。陽イオン性および陰イオン性界面活性剤の加える量の比率を変えることで、構造と機能が異なるさまざまなたんぱく質の凝縮体を形成できる。

通常、界面活性剤はたんぱく質と疎水性相互作用^[用語3]することで、たんぱく質の水に溶ける性質と分散する性質とを高めます。一方、たんぱく質凝縮体の形成では、たんぱく質と界面活性剤は静電相互作用^[用語4]により複合化していることを、形成条件の分析や構成成分の定量分析により明らかにしました。静電相互作用の結果、たんぱく質に対して界面活性剤の親水部であるポリエチレングリコール鎖が内側に、疎水部であるアルキル鎖が外側に位置した複合体が形成され、その複合体がアルキル鎖同士の疎水性相互作用により多数集合して凝縮体を形成していると考えられます（図3）。たんぱく質凝縮体は水と分離した液状物質ですが、70重量パーセントの水を含んでいるので、内部のたんぱく質は水溶液中と同様に水に囲まれています。そのため、凝縮体を形成したたんぱく質が水溶液中と変わらない構造と機能を保つことも確認できました。界面活性剤の親水部に含まれるポリエチレングリコール鎖が水分を保持していると推測されます。

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図3. たんぱく質凝縮体の構造モデル

たんぱく質（赤）表面の荷電残基に界面活性剤のイオン部が結合して複合化している。アルキル鎖（黒）同士の疎水相互作用によって、多数のたんぱく質－界面活性剤複合体が集合し、凝縮体が形成される。たんぱく質の周囲にあるポリエチレングリコール（青）が水を保持するため、たんぱく質は水溶液中と変わらない構造を保つ。

また、たんぱく質凝縮体を形成する過程でゲル化剤^[用語5]を加えると、凝縮体をゲル化できます。ゲル化した凝縮体は酵素触媒材料として、酵素反応を進行させることが確認されました。反応後は凝縮体ゲルを回収して、繰り返し利用することができます（図4）。

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図4. ゲル化剤としてアクリルアミドを導入して作成したたんぱく質凝縮体ゲル

凝縮体ゲルを薬さじで酵素反応基質を含む水溶液に加えると、酵素反応が進行する。凝縮体ゲルは反応後に回収して、繰り返し利用できる。

全てのたんぱく質凝縮体はX線小角散乱測定^[用語6]で強い散乱ピークを示しました（図5）。これは、凝縮体内部のたんぱく質はランダムではなく、一定の間隔で並んでいることを意味します。たんぱく質同士の間隔は界面活性剤のアルキル鎖とポリエチレングリコール鎖の長さに応じてナノメートル単位で調節できるため、たんぱく質含有量の調節が可能となります。

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図5. X線小角散乱測定による構造解析

アルキル鎖とポリエチレングリコール鎖の長さの異なる3種類の界面活性剤を用いて作成したたんぱく質凝縮体のX線小角散乱測定結果。全てのたんぱく質凝縮体は水溶液にはない散乱ピークを示すため、凝縮体内部のたんぱく質はランダムではなく、一定間隔で規則正しく配列していることが分かった。ピークの位置から隣り合うたんぱく質間の間隔を求めると、界面活性剤の構造に応じてナノメートル単位で間隔を調節できることが示された。

多種類のたんぱく質の混合物であるヒト血清ガンマアルブミン^[用語7]に、同じように2種類の界面活性剤を加えたところ、特定の荷電状態のたんぱく質のみが凝縮体を形成しました（図6）。この結果は、今回開発したたんぱく質凝縮体の形成技術は、複数のたんぱく質が混じった水溶液から特定のたんぱく質だけを簡便に分離する技術としても応用できることを示しています。

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図6. 本技術を利用した荷電状態に応じたたんぱく質の分離

ポリクローナル免疫グロブリンGを主要成分とするたんぱく質混合物であるヒト血清ガンマグロブリンでもたんぱく質凝縮体が形成される。等電点電気泳動分析^[用語8]により、正電荷を多く持つ塩基性たんぱく質だけが凝縮体を形成することが明らかとなった。たんぱく質を荷電状態に応じて分離する技術としての応用可能性が示された。

今後の展開

従来、水溶液中のたんぱく質を濃縮するには時間と費用がかかっていました。今回開発した手法は簡便で実用性の高いたんぱく質の高濃度化技術として、また新しいたんぱく質材料の作成技術として、たんぱく質を変性させない安定な保存方法や医薬品開発への応用が期待されます。またゲル化した状態のたんぱく質凝縮体は触媒反応後、簡単に取り出して再利用できることから、生体触媒の用途拡大につながる可能性があります。

また、今回発見した水溶液中のたんぱく質が界面活性剤により集合する現象は、新たな分子集合現象として分子科学や材料科学の発展に寄与することが期待されます。

論文情報

掲載誌 :	Angewandte Chemie International Edition
論文タイトル :	Water-rich Fluid Material Containing Orderly Condensed Proteins （秩序立って凝縮したたんぱく質を含む内部に水を豊富に持つ液状物質）
著者 :	Tatsuya Nojima, Tomokazu Iyoda
DOI :	10.1002/anie.201609974 Image may be NSFW. Clik here to view.

11月24日、本学の科学技術創成研究院と株式会社帝国データバンクが共催するシンポジウムが「ビッグデータが社会を大きく変革する：ビッグデータ数理科学研究ユニットの挑戦」と題して開催されました。

東工大は、科学技術創成研究院ビッグデータ数理科学研究ユニットに、「帝国データバンク先端データ解析共同研究講座」を設置し、企業活動・地域経済・産業構造を分析し、持続可能な社会に貢献する研究を推進しています。高安美佐子准教授が率いるビッグデータ数理科学研究ユニットは、各種ビッグデータを融合的に利用し、先端的データ解析・多層時空間モデリング・大規模シミュレーションによって、諸問題を科学的に解決することを目的として研究を進めています。

また、科学技術創成研究院内に、世界トップクラスの研究者の異分野交流を促進し、革新的科学技術の創出等を担う「世界の研究ハブ」を目指す組織として、Tokyo Tech World Research Hub Initiative（WRHI）を構築しています。海外から世界トップレベルの研究者を招聘し、本学研究者と共同して研究を行い、分野を超えた交流を実施するものです。

本シンポジウムもWRHIが招聘した世界トップレベルのデータサイエンスを専門とする科学者による基調講演、および産学官において第一線で活躍しているメンバーによるパネルディスカッションを通して、ビッグデータがこれからどのように日本や世界の産業を変えていくのかを浮き彫りにしていくことを目的として開催しました。

講演会には200名を超える事前申込があり、また雪の降りしきる中、当日の参加者も多数来場しました。大学関係者のみならず、企業からも多くの参加者がありました。

今回は各分野を代表する4人の研究者が講演を行いました。

• TDB企業データを用いたネオGDPの計算＋日本の未来を見る

  高安美佐子氏

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  高安美佐子氏
  東京工業大学 科学技術創成研究院
  ビッグデータ数理科学研究ユニット 准教授

• ビッグデータの弱点：頻度の低い巨大事象に注意せよ

  ディディエ・ソネット氏

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  ディディエ・ソネット氏
  東京工業大学 科学技術創成研究院
  ビッグデータ数理科学研究ユニット 特任教授
  ／スイス連邦工科大学チューリッヒ校 教授

• ネットワーク科学：ビッグデータを理解するための基盤

  シュロモ・ハブリン氏

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  シュロモ・ハブリン氏
  東京工業大学 科学技術創成研究院
  ビッグデータ数理科学研究ユニット 特任教授
  ／バル・イラン大学（イスラエル） 教授

• ノーベル賞をめざす人工知能：科学発見の新たな原動力

  北野宏明氏

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  北野宏明氏
  株式会社ソニーコンピュータサイエンス研究所　代表取締役 社長

講演後に行われたパネルディスカッションでは、「大きく変革する社会：ビッグデータは社会をどのように変えていくのか？」について、産学官のパネリストからそれぞれの立場での意見があり、会場からも沢山の質問が飛び出し、大いに盛り上がりました。

今後も科学技術創成研究院の最先端研究を紹介するシンポジウムを開催予定です。どうぞご期待ください。

• 東京工業大学 科学技術創成研究院 (IIR)
• 科学技術創成研究院 ビッグデータ数理科学研究ユニット
• 顔 東工大の研究者たち Vol.6 高安美佐子 | 研究ストーリー
• 株式会社 帝国データバンク[TDB]
• 東工大に帝国データバンク社が共同研究講座を設置、ビッグデータ解析を用いた経営診断システムの開発を行う | 東工大ニュース