• ステルスダイシングによる、ダメージが生じない極薄ウエハのレーザー加工技術を開発
• レーザーダメージ評価用チップを開発し、ダメージの定量化に成功
• 無駄の少ない加工によりチップ収量の向上を実現

概要

東京工業大学 科学技術創成研究院 異種機能集積研究ユニットの大場隆之特任教授は、WOWアライアンス^[用語1]と共同で、ステルスダイシング^[用語2]と呼ばれるレーザーダイシング加工プロセスを用いた、ダメージが生じない極薄ウエハ加工技術の開発に成功した。

現在、2次元半導体デバイスの微細化の限界を突破し、高性能化・低消費電力化を目指して、極薄ウエハを使った3次元積層半導体の開発が進められている。しかし極端に薄いウエハを分割すると欠けが増加するという問題があった。本研究では、レーザーダメージ評価用に微細配線を有するTEG^[用語3]ウエハを開発し、ダメージ量とその発生位置の定量化に成功した。さらに今回開発したダイシング手法では、ダイシングストリート幅^[用語4]を従来技術に比べて1/4に縮小できるため、チップ収率の向上にもつながることが分かった。

この成果はバーチャルカンファレンスとして6月3日（水） ～ 30日（火）に開催される半導体パッケージング技術に関する国際会議「ECTC2020」（主催： IEEE）で発表する。

背景

パソコンやスマートフォンに欠かせないCPUやメモリなどの半導体は、微細化により性能を向上させてきた。ところが、従来技術の延長線上ではこれ以上微細化できないという物理的な限界が迫っている。こうした2次元的な微細化限界を突破し、半導体デバイスのさらなる高性能化、低消費電力化を実現するために、ウエハをミクロンレベルまで薄くし、TSV^[用語5]配線を用いた3次元積層の開発が急ピッチで進められている。

しかし、ウエハを元の厚さから1/10以下まで薄くしこれをダイシング（分割）すると、チッピングと呼ばれる欠けが増加する。またダイシングストリート幅によってウエハ当たりのチップの数が決まるため、チッピングがなく、ダイシングストリート幅ができるだけ狭いダイシング方法が必要とされる。このため、ステルスダイシング（SD）と呼ばれるレーザーダイシング技術がすでに実用化されている。

本研究では、デバイス面に生じるわずかなダメージの評価方法を確立すること、そしてステルスダイシングにおけるレーザー波長と照射方法を工夫することによって、ダイシングストリート幅を従来技術よりも縮小することを目指した。

研究成果

本研究では、ダメージ検出のための評価用チップとして、配線幅/スペースが1 µm/1 µm（Al/Ti）のTEGウエハを開発した（図1a）。このウエハでは、ダメージ感度を向上させるためにAlとTiの膜厚をそれぞれ30 nmとした（図1b）。ダメージ発生位置を検出するためのモニタリング配線は、レーザー加工ライン（ダイシングストリート）に対して平行に1 µmピッチで設計されている（図1c, d）。レーザー加工後に、測定パッドを通して各モニタリング配線の抵抗値変化率を計算することでダメージを評価した。

このTEGウエハを用いて、薄化ウエハ用のステルスダイシングプロセスの一種であるSDBG^[用語6]プロセスを想定し、ウエハ厚50 µmとしたときのダメージ評価を実施した。Siに対する波長透過率の影響を評価するために2種類のレーザー（1,099 nm, 1,342 nm）を用いた。このダメージ評価の結果を図2に示す。波長1,342 nmでは、加工中心近傍の配線抵抗が大きく増加し、この部分でダメージが発生した（図2a）。一方1,099 nmでは、配線抵抗値が増加してないことから、ダメージが発生しないことを確認した（図2b）。この新たな評価手法により、波長1,099 nmのレーザーによって、ダメージレスのステルスダイシングが可能であることが明らかになった。

このダメージレスのステルスダイシング法で必要なダイシングストリート幅を、従来のダイシング法であるDBG^[用語7]と比較した。その結果、DBGでは60　µmであったダイシングストリート幅が、SDBGでは15 µmとなり、1/4に削減できることが確かめられた（図3b）。さらに、チップ面積に対する、ダイシングストリート幅の削減によるチップ収率の増加率を計算したところ、チップ面積が小さくなるほどストリート幅の削減効果が大きいことが分かった（図4）。

今後の展開

今回開発されたステルスダイシング技術は、ダイシングストリート幅が従来技術より縮小し、チップ収率を向上させることから、ウエハ製造プロセスの効率化に貢献することが期待される。今後は、このダメージレスダイシング技術の実用化に向けて、波長1,099 nmレーザー専用の光学エンジンの製品化を目指す。

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• 科学技術創成研究院（IIR）
• 研究成果一覧

要点

• 植物葉の電位を測定できる極薄電極（ナノシート電極、厚さ約300ナノメートル）を開発した。
• 明暗切り替え測定に対応し、約340時間（約14日）以上の貼付でも変色を引き起こさない低侵襲性を実現した。
• SDGsに絡む研究であり、農業をはじめとする一次産業や学習キットへの応用が期待される。
• 著者の谷口広晃さんは、研究開始当時早稲田大学高等学院の高校生で、大学進学後に同研究内容を論文投稿。高大連携モデルとしての活用も期待される。

シート型電極の開発を行っている東京工業大学 生命理工学院 生命理工学系の藤枝俊宣講師（兼 早稲田大学ナノ・ライフ創新研究機構・研究院客員准教授）、早稲田大学高等学院の谷口広晃さん（現 早稲田大学先進理工学部生命医科学科2年）、秋山和広教諭の研究チームは、植物葉の電位を測定できる極薄な導電性ナノシート電極（ナノシート電極、厚さ約300ナノメートル ※1ナノメートルは100万分の1ミリメートル）を開発し、導電性高分子を用いた植物生体電位のライブモニタリングに世界で初めて成功しました。

本研究成果は、2020年6月5日午前10時（日本時間）に日本化学会が刊行する国際誌「Bulletin of the Chemical Society of Japan」のオンライン速報版で公開されました。

概要

本研究では従来の植物生体電位測定の課題点を克服するため、高分子ナノシートからなる生体電極を用いることでより低侵襲な植物生体電位^[用語1]の測定を実現しました。測定システムの構築にあたり、導電性高分子^[用語2]を用いて皮膚に貼り付けるだけで表面筋電図を計測できる極薄電極「電子ナノ絆創膏」を基盤技術とした、導電性ナノ薄膜電極（以下、ナノシート電極）を用いて、葉面上での設置位置などを検討しました。ナノシート電極は特徴的な物理接着性と柔軟性から、接着剤などを使用せずに葉面への貼付が可能で、微細な凹凸に密着していることを確認しました。比較対照のゲル電極では貼付して14日程度で葉面に変色がみられたのに対し、ナノシート電極の場合では変色は見られず、侵襲度の低さを顕著に示しました。また、光照射時に生じる植物葉の電位パターンの変化を本測定法によって確認しました。得られた電位パターンは従来の測定法によって報告されている電位変化と類似しており、ナノシート電極が植物用の生体電極として使用できることを見出しました。

本研究で提案したナノシート電極は直接果実等の可食部へ貼付が可能で生体電位測定の幅を大きく広げることができます。この技術は無人栽培や植物工場での人工栽培など農業をはじめとする一次産業での応用が可能で、これらはSDGsにおける貧困、気候変動、飢餓などの項目の解決に貢献することが期待されます。また、簡易的な電位測定システムとして中高生向けに生体電位や測定システムの学習をサポートするキットへの応用も期待されます。

第一著者の谷口さんは研究開始当時早稲田大学高等学院に在籍する高校生であり、大学進学後も研究を続け今回の論文投稿へ至りました。本研究は早稲田大学高等学院と母体の早稲田大学との連携を活かした好例であり、今後の教育活動のモデルとしても参考になると期待されます。

本研究は埼玉大学理工学研究科の長谷川有貴准教授、早稲田大学理工学術院の武岡真司研究室の協力のもと行われました。

研究の背景と経緯

2015年9月に国連本部で行われた「国連持続可能な開発サミット」にてその成果文書で採択されたSDGs（Sustainable Development Goals）では貧困や気候変動、平和的社会といった世界的な問題に対し17の目標と169のターゲットを掲げ国連加盟国すべてがそれを2030年までに達成することに同意しました。日本は国連加盟国として、また先進国としてもその目標を積極的に達成しなければなりません。特に気候変動や貧困、飢餓といった問題は早急な対策が世界中で求められています。植物工場と呼ばれる完全人工環境内で植物を管理、栽培する施設は外界の環境に左右されることなく安定した栽培が可能であることから近年注目されています。しかし、それには依然として課題が残されており、完全無人管理に向けては植物の生育状況をリアルタイムで確認、制御できる技術が必要になります。植物のライブ状況を把握する指標として個体の活動により発生する生体電位を測定する手法が存在します。生体電位は個体の活動状況を反映することから、その一種である筋電などは筋活動を観察するため人間工学的分野（医学研究やリハビリテーション）で広く使用されています。生体電位は植物にも存在することが知られ、その測定技術についていくつか研究がなされており、ゲル電極や針電極を使用したものが報告されています。しかし栽培を想定した長期間の測定では電極接着部に使用されたゲルや導電性ペーストによって葉面が変色するなど衛生面、安全面で、また電極の重さによる茎への物理的な負荷などの懸念がありこれらの改善が求められていました。本研究では、本研究チームの有するナノシート技術を用いてそれらを克服し、社会課題へ貢献する技術の開発を目指してきました。

研究成果

今回の研究では導電性ナノシートを用いることで、低侵襲で長期間可能なリアルタイム植物生体電位測定を可能にし、植物生体電位測定における新たな測定方法を開発しました。この導電性ナノシート電極（以下、ナノシート電極）は皮膚に貼り付けるだけで表面筋電図を計測できる極薄電極「電子ナノ絆創膏」を基盤としたもので、数百ナノメートルの厚さに対し数平方センチメートル～数十平方センチメートルの面積があることから柔軟性と物理接着性を有し、葉脈など微細な凹凸のある葉面にナノレベルで密着、追従します（図1）。

ナノシート電極は、剥離基材となるポリエチレンテレフタレート （PET）フィルム、導電性高分子ポリ（3,4-エチレンジオキシチオフェン）:ポリスチレンスルホン酸（PEDOT:PSS）＋スチレン-ブタジエン-スチレン共重合体（SBS）からなるナノシート層、水溶性ポリビニルアルコール（PVA）からなる支持層の3層で構成されたフィルムで製造されるため、測定対象に合わせて自由に大きさを変更でき、様々な植物を測定できるようになります（図2）。

PETフィルムから剥離したナノシート電極は、その軽さ（ナノシート本体約150マイクログラム＋導線部約150ミリグラム）から、植物本体に負荷をかけることなく測定することが可能です。また、ゲル電極では粘着性ゲルを使用するため長期間貼付し続けると葉面が変色するのに対し、ナノシート電極は貼付時に接着剤を使用しないことから14日以上の長期間的な測定において葉面に変色等は認められず、従来の測定法と比べ低侵襲性を維持することを確認しました（図3）。

本研究では測定対象にAngelica keiskei Koidzumi（アシタバ）を採用し、測定環境中でLEDライトの明暗条件をコントロールすることで光照射時と非照射時における生体電位の差異について確認しました。これは光合成などを行う際に通常と違う電位パターンを発生することを示し、生体電位が植物の活動を反映させるということを支持する1つの根拠となります。これまでにも同様の計測は、ヒトの筋電位を計測するためのゲル電極を用いて行われており、本研究でもゲル電極と比較したところ、ナノシート電極とゲル電極では遜色ない結果が得られ、ナノシート電極が植物用の生体電極として使用できることを見出しました（図4）。

今後の展開

ヒトの皮膚にも貼付可能なナノシート電極は、電極サイズを自在に変更できるため、植物葉だけでなく果実本体などへ直接貼付することも理論上可能であると考えられ、生体電位測定の幅を大きく広げることができます。農業などの一次産業への応用に向けて、ナノシートの構成分子を変更した環境にやさしいナノシート電極を開発することにより、幅広い分野への活用が期待されます。また、本研究の測定システムを簡易的に再現するキットにより、理数系科目や情報科目といった分野で中高生の学習をサポートする教材としての応用も見込まれます。

また早稲田大学高等学院に在籍する高校生であった谷口さんが本研究の実施に至った経緯として、大学正規授業を履修できる特別聴講制度や卒業論文の執筆、大学施設の利用など母体の早稲田大学との高大接続を活かしたプログラムを利用したことが挙げられます。本研究は研究内容とともに、近年注目を集める大学附属校における大学との連携を活かした好例として今後の教育活動のモデルとしても参考になると期待されます。

論文情報

掲載誌 :	Bulletin of the Chemical Society of Japan
論文タイトル :	Biopotential Measurement of Plant Leaves with Ultra-light and Flexible Conductive Polymer Nanosheets （超軽量・柔軟な導電性高分子ナノシートを利用した植物葉の生体電位測定）
著者 :	Hiroaki Taniguchi, Kazuhiro Akiyama, Toshinori Fujie
DOI :	10.1246/bcsj.20200064

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• 早稲田大学 高等学院
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要点

• 相同組換えタンパク質であるDmc1は単独では効率よく機能しない
• Hop2-Mnd1複合体はDmc1のDNA鎖交換の開始反応を特異的に促進
• Swi5-Sfr1複合体はDmc1の1本鎖DNAへの結合促進と共にDNA鎖交換を伸長
• 二種類の活性化タンパク質の相乗的機能でDmc1によるDNA鎖交換反応促進

概要

東京工業大学 科学技術創成研究院 細胞制御工学研究センターの坪内英生助教、岩﨑博史教授らの研究グループは遺伝情報^[用語1]の安定化および多様化の根幹をなす相同組換え^[用語2]を活性化する二種類の活性化因子の役割を試験管内の再構成^[用語3]により解明することに成功した。

坪内助教らは相同組換えタンパク質であるDmc1が生体内で機能するために必要な二種類の補助因子Swi5-Sfr1とHop2-Mnd1に着目し、これらのタンパク質を大腸菌で発現・精製し、Dmc1によるDNA鎖交換反応を試験管内で再構成した。その結果、Swi5-Sfr1とHop2-Mnd1は全く異なる機構でDmc1を活性化しており、この二つの補助因子が段階的に互いを補う様にDmc1のDNA鎖交換反応を促進することを明らかにした。

相同組換えは生物学的に極めて普遍性の高い重要な機構だが、いわゆるゲノム編集技術^[用語4]が生体内の相同組換え機構を巧みに利用することによって実現されていることから、相同組換えを効率化するメカニズムを解明することは医学的にも大変重要と考えられる。

本研究成果は、2020年5月15日付の「Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America」の電子版に掲載された。

背景

DNA鎖が放射線などにより損傷を受けた際、相同組換えを用いることで相同なDNA分子を参照して損傷個所を復元することができる。つまり相同組換えは遺伝情報の安定的な維持に貢献している。一方で減数分裂期^[用語5]においては減数第一分裂前期において父方と母方の遺伝情報が相同組換えにより活発に交換され、生物の遺伝的多様性の増大に貢献することが知られている。

相同組換えの根幹をなす相同性の検索とDNA鎖交換反応は、大腸菌の相同組換えタンパク質であるRecAおよびRecAファミリーに属するタンパク質^[用語6]によって触媒される。真核生物の減数分裂期においては減数分裂期特異的に発現するRecAファミリータンパク質であるDmc1が中心的役割を果たすことが知られている。

一方、生体内でDmc1が機能するためにはいくつもの補助因子が必要であり、これらの因子が欠損するとDmc1が欠損したのと同等の相同組換え異常が減数分裂期において引き起こされる。しかしこれらの因子がどの様にDmc1を補助するのか、その詳細は不明だった。

研究成果

Dmc1が生体内で機能するために必要な二種類の補助因子Swi5-Sfr1とHop2-Mnd1に着目し、これらのタンパク質を大腸菌で発現・精製し、Dmc1によるDNA鎖交換反応を試験管内で再構成した。その結果、Swi5-Sfr1とHop2-Mnd1は全く異なる機構でDmc1を活性化しており、この二つの補助因子が段階的に互いを補う様にDmc1のDNA鎖交換反応を促進することが明らかとなった（図）。

Dmc1は切断を受けたDNAの末端に取り付き、その部分と相同性を持つDNA分子を探し出し傷害部位のDNAと相同DNAとの間でDNA鎖を交換する。その際Dmc1はDNA切断末端に形成された一本鎖DNAに螺旋状に結合し、その一本鎖DNAと相同性のある二本鎖DNAを探し出す。この段階でSwi5-Sfr1はDmc1が一本鎖DNAに効率よく結合し、螺旋構造を維持するのを手助けする。一方でHop2-Mnd1はDmc1が取り付いた一本鎖DNAを相同な二本鎖DNAに潜り込ませる過程を促進する。一度一本鎖DNAが二本鎖DNAに潜り込むとSwi5-Sfr1はHop2-Mnd1と協働してDNA鎖交換領域を拡張する。

今後の展開

相同組換えは普遍的な生命現象であり、その活性化メカニズムも多岐にわたる。本研究で明らかになった減数分裂期組換え機構の活性化に関してもその分子機構の詳細はまだまだ不明な点が多い。相同組換えタンパク質と活性化因子の協働性の詳細を分子レベルで明らかにしていきたい。

また、近年CRISPR/Cas9技術^[用語7]を使ったゲノム編集が盛んに行われているが、正確なゲノム編集は結局のところ部位特異的なDNA二重鎖切断が誘発する細胞内の相同組換えに依存している。相同組換え活性化のメカニズムを解明することで、ゲノム編集技術の向上に貢献することが期待される。

論文情報

掲載誌 :	Proceedings of the National Academy of Sciences of United States of America（米国科学アカデミー紀要）
論文タイトル :	Two auxiliary factors promote Dmc1-driven DNA strand exchange via stepwise mechanisms
著者 :	Hideo Tsubouchi*, Bilge Argunhan, Kentaro Ito, Masayuki Takahashi and Hiroshi Iwasaki*（*co-corresponding authors）
DOI :	10.1073/pnas.1917419117

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• 細胞制御工学研究センター｜東京工業大学 科学技術創成研究院
• 東京工業大学 科学技術創成研究院 （IIR）
• 生命理工学院 生命理工学系
• 研究成果一覧

要点

• 超高真空中での基板平坦化、薄膜成長、評価技術を駆使して実現
• 単層セレン化鉄の超伝導を保護膜不要の直接電気伝導測定により検出
• 高温超伝導の重要な追試であり、転移温度の議論に新たな知見を与える

概要

東京工業大学 理学院 物理学系の一ノ倉聖助教、平原徹准教授、物質理工学院 応用化学系の清水亮太准教授、一杉太郎教授らの研究グループは、単層セレン化鉄（FeSe）^[用語1]薄膜の高温超伝導を超高真空^[用語2]中の直接電気伝導測定により検出した。

基板の伝導性を抑制しながら原子レベルで表面を平坦化し、超高真空中で単層FeSeを成膜。さらに超高真空環境のまま基板の絶縁性が良く保たれている領域を見定め、独立に駆動する4つの探針を接触させて低温電気伝導を測定した。その結果、電流が薄膜中のみを流れており、かつ40ケルビン（-233 ℃）で明瞭な超伝導転移を示すことが明らかとなった。

超伝導体は強磁場の発生（リニアーモーターカー、MRIなど）から量子計算に至る幅広い応用が期待され、高温で転移する超伝導体の探索が続いている。FeSe単層の超薄膜を酸化物基板上に作製すると、基板からの電子供給によって高温超伝導が発現するが、これまでに報告された超伝導転移温度にはばらつきがあり、統一的な見解が得られていなかった。本研究はこの状況に一石を投じ、単層FeSeの高温超伝導の起源解明に重要な知見を与え、ひいては室温超伝導体の探索における新たな道筋を示すものである。

研究成果は6月3日に米国物理学会誌「Physical Review Letters（フィジカルレビューレターズ）」にオンライン掲載された。

背景

多くの金属は冷却すると、ある温度以下で電気抵抗がゼロになる超伝導現象を示す。転移温度は通常、絶対零度（0 ケルビン、-273 ℃）に近い極低温だが、高温超伝導体と呼ばれる物質群では70 ケルビン（-203 ℃）以上の比較的高温において超伝導が生じる。この温度は液体窒素^[用語3]のような安価な冷媒で到達できるため、革新的な高機能材料として期待されている。

高温超伝導体には銅酸化物系と鉄系の2大物質群があり、どちらも層状の結晶構造をしている。かつて、これらはバルク（塊）状の単結晶として作製されていたが、近年、超高真空環境での薄膜成長技術の進歩により、半導体基板上に大面積の超伝導薄膜を作製することができるようになった。

通常の超伝導体の場合は薄膜にすると転移温度が低下してしまう。しかし驚くべきことに、チタン酸ストロンチウム（SrTiO₃）基板上に鉄系超伝導体の一種であるセレン化鉄（図1）を作製する際、最も薄い単層の厚さ（Se-Fe-Se＝セレン・鉄・セレンの3層）とするとバルクの超伝導転移温度8 ケルビン（-265 ℃）と比べて30 ℃以上高温で超伝導になることが2012年に報告された。

このような原子層薄膜はむき出しのまま超高真空装置から空気中へ取り出すと直ちに劣化してしまうため、超高真空から取り出さずに表面の電子の状態を調べる電子分光法^[用語4]と、上から保護膜でカバーしたうえで空気中に取り出して電気の流れる性質を調べる電気伝導測定の主に2通りの手段によって研究されてきた。

これまでの研究により、FeSe薄膜と基板の界面付近において基板から薄膜への電子移動が起きており、それが高温超伝導を引き起こしていることはおおむね明らかとなっていた。しかし、電子分光法で測定した場合には65ケルビン（-208 ℃）以上の転移温度が繰り返し報告されているのに対し、保護膜をつけて電気伝導測定を行った場合には40ケルビン（-233 ℃）止まりであるなど、研究グループごとに報告された転移温度に相違があった。その原因が成膜前の基板の状態にあるのか、保護膜の有無によるのか、あるいは手法によって試料中の測定領域が違うためであるのかが明らかでなく、高温超伝導の詳細な起源解明が妨げられていた。

さらに2015年には中国のグループが109ケルビン（-164 ℃）での高温超伝導を報告した。これは、保護膜を用いずに超高真空中かつ低温で電気伝導を測定するという困難な実験であり、追試した報告はこれまでなかった。また、SrTiO₃基板を流れた電流も同時に検出していたため、常伝導状態^[用語5]の抵抗も低く、原子層厚さの薄膜が示す超伝導転移の特徴を明瞭に観測することはできていなかった。このように、足掛け8年以上にわたりSrTiO₃基板上の単層FeSeの超伝導転移温度に関して、統一的見解が得られていなかったといえる。

研究成果

この状況を打開するために東京工業大学の研究グループは下記の3条件を設け、SrTiO₃基板上のFeSe薄膜の研究を行った。

（1）

FeSeの成膜前に超高真空中で基板表面を原子レベルで平坦化する。

（2）

成膜したFeSe薄膜の超高真空中（その場）での電気伝導測定を行う。

（3）

FeSe薄膜の厚さを変化させ、超伝導特性の膜厚依存性を検証する。

上記の（1）と（2）は相反する要求である。この研究では絶縁性のSrTiO₃基板を用いたが、平坦化のために熱処理を行うと酸素の欠損が生じ、基板が伝導性を持ってしまう。そこで本研究では、酸素欠損を基板の片方の端に集め、さらに図2aに示す「独立駆動4探針電気伝導測定装置」^[用語6]を用い、酸素欠損が生じていない絶縁性の保たれた領域を選んで電気伝導測定を行った（図2b）。

図2.

（a）独立駆動4探針電気抵抗測定装置の写真。4本の探針をそれぞれ独立に動かすことができる。（b）実際の電気伝導測定中の試料と探針の拡大画像。基板上で、左よりの黒ずんだ部分は酸素欠損が蓄積して導電性がある領域である。そこで独立駆動機構を用いて右寄りの領域で測定を行っている。この写真では2本の探針を試料に接触させており、先端の金線がよく見える。

まず、常伝導状態で探針間の距離を変化させて測定を行うことで、今回の実験では電流が基板には流れていないことを確認することができた。そして液体ヘリウム^[用語7]を用いて装置を冷却した。その際、熱収縮によって探針と試料の接触が変化する影響を、探針先端の材料として金を用いることで軽減した。その結果、図3に示すように40ケルビン（-233 ℃）で急激な電気抵抗の減少、すなわち超伝導転移が生じる様子を明瞭に観測することができた。

2015年の中国のグループの報告では基板の伝導を同時に検出していたため超伝導転移による抵抗変化が小さく、再現性に疑問が持たれていたが、本研究では2キロオームに渡る明確な抵抗変化を観測した。これは酸素欠損の影響を十分に抑制し、基板の影響を排除できたことによる、より明確な超伝導転移の証拠である。さらにFeSe薄膜の膜厚を増やしたところ、膜厚が3層、5層でも転移温度が40ケルビン程度の超伝導を観測した。このように厚さによらず転移温度が一定であることは、図1のように高温超伝導がFeSeそのものよりもFeSeとSrTiO₃基板との界面で生じていることを裏付けている。

今回の転移温度は40ケルビン止まりだったが、むしろこれまでの超伝導転移温度のばらつきの議論に重要な知見を与えている。先行研究と本研究の結果を俯瞰的にみると、転移温度は測定手法や保護膜の有無よりも基板の導電性に応じて変化している傾向があった。導電性基板では不純物ドーピング^[用語8]により基板全体に電子が供給されているが、その電子が界面に蓄積し、転移温度の上昇に寄与している可能性が示唆される。

今後の展開

今後は高温超伝導の起源解明と転移温度の向上を目指し、「基礎を深める」一方、量子コンピューター^[用語9]への応用へ「発展させる」研究も行っていく。超伝導状態を利用した量子計算はすでに世界的には実用段階であり、超伝導体の集積化による計算能力の向上が日夜行われている。本研究で扱っている超伝導体は薄く、高い転移温度を持つため、集積化に有利である。特にFeSeの場合、結晶中のSe原子をテルル（Te）原子で置換していくことにより「マヨラナ粒子状態」^[用語10]が物質中に生じ、通常とは異なる方式の量子計算が可能であると考えられている。

同研究グループでは走査トンネル顕微鏡^[用語11]による局所測定も併用することで、このマヨラナ粒子状態の検出と制御を目指している。そのためには平坦化によって出現する酸化物表面の構造をより精度よく制御する必要があり、他機関との共同研究を予定している。このようにして、超伝導のみならず、表面・界面の原子レベルの構造制御に基づいた原子層薄膜の新規機能の開拓を行っていく。

論文情報

掲載誌 :	Physical Review Letters
論文タイトル :	Interfacial Superconductivity in FeSe Ultrathin Films on SrTiO3 Probed by In Situ Independently Driven Four-Point-Probe Measurements
著者 :	Asger K. Pedersen, Satoru Ichinokura, Tomoaki Tanaka, Ryota Shimizu, Taro Hitosugi, and Toru Hirahara
DOI :	10.1103/PhysRevLett.124.227002

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要点

• 生命現象の根幹を担うイオンチャネルと同様の機能を有する人工分子を開発
• 神経伝達物質に応答して、イオン輸送のON/OFFを自在に切り替え可能
• 細胞膜の表裏を認識し、その環境の違いに応じたイオン輸送を実現

概要

東京工業大学 生命理工学院 生命理工学系の金原数教授、東京農工大学 工学系研究院の村岡貴博准教授（研究当時：東京工業大学 生命理工学院 生命理工学系助教）らの研究グループは、有機化学的手法によって非対称構造を有する交互両親媒性分子^[用語1]を合成することで、細胞膜の表裏の違いを認識し、神経伝達物質^[用語2]に応答してイオンを輸送する人工イオンチャネル^[用語3]を世界で初めて開発した。

今回開発した人工イオンチャネルを利用することで、世界の水不足問題を解決する水精製技術への応用や、イオンチャネルが関係する難治性疾患の治療法確立に繋がることが期待される。

イオンチャネルは私たちの身体を構成する細胞の表面に数多く存在するタンパク質であり、細胞活動の維持に必要なイオンを運ぶ役割を担っている。しかし、その構造は極めて複雑であり、同様の機能を人工的に実現することは困難だった。

研究成果は英国の科学誌『Nature Communications（ネイチャー コミュニケーションズ）』に6月10日18時（日本時間）に公開された。

研究成果

本研究では生物の体内に実際に存在するイオンチャネルの構造から着想を得て、有機化学的手法により、非対称構造を有する交互両親媒性分子を合成した（図1）。この分子を細胞膜モデルである脂質二重層^[用語4]に添加したところ、分子の向きが脂質二重層の面に対して一方向に揃うという現象を発見した。

さらにこの分子は神経伝達物質が脂質二重層を介して片側に存在する場合にのみ、神経伝達物質と結合し、イオン輸送を行うことが明らかとなった（図2）。また、異なる種類の神経伝達物質を加えることで、このイオン輸送を任意のタイミングで停止させることにも成功した。

さらに、生きたマウス細胞に本研究で開発した分子と神経伝達物質を加えることで、細胞内へイオンを人為的に輸送することにも成功した（図3）。

背景

イオンチャネルは、私たちの身体を構成する細胞の表面に数多く存在するタンパク質であり、細胞活動の維持に必要なイオンを運ぶ役割を担っている。例えば、脳からの指令を伝える神経の電気信号は、神経細胞の細胞膜上に存在するイオンチャネルの働きによって伝達されている。そのために重要となるのが、細胞膜の表裏の違いを認識し、刺激に応答してイオン輸送のON/OFFを切り替える機能である。

そこで、この機能を人工的に模倣することで、生命現象への理解を深めるとともに、身の回りの生活に役立つ材料の開発に繋げようとする試みがなされてきた。しかし、天然イオンチャネルの構造は大変複雑であり、同様の機能を人工的に実現することは極めて困難だった。

研究の経緯

金原教授らは過去10年にわたり、天然のイオンチャネルの構造と機能を模倣した交互両親媒性分子の開発に取り組んできた。今回の研究では交互両親媒性分子の構造を非対称化することにより、分子の向きを脂質二重層の面に対して一方向に揃えることができた。この技術の開発がブレイクスルーとなり、天然のイオンチャネルが有する細胞内外の環境の違いを認識し、刺激に応答してイオン輸送のON/OFFを切り替えるという機能を人工的に実現することに成功した。

今後の展開

イオンチャネルは様々な物質が混ざり合った液体から特定のイオンのみを輸送するという性質を有している。そこで、今回開発した人工イオンチャネルを利用することで、例えば海水から塩を取り除き、精製水を得るための技術に応用することが期待できる。

また、私たちの体内のイオンチャネルに異常が起こることで、イオンチャネル病（チャネロパチー）^[用語5]と呼ばれる様々な難治性疾患が生じることが知られている。そこで、今回開発した人工イオンチャネルを利用し、異常が生じたイオンチャネルの機能を代替することで、新たな治療法の確立に繋がることが期待される。

論文情報

掲載誌 :	Nature Communications
論文タイトル :	A synthetic ion channel with anisotropic ligand response
著者 :	Takahiro Muraoka, Daiki Noguchi, Rinshi S. Kasai, Kohei Sato, Ryo Sasaki, Kazuhito V. Tabata, Toru Ekimoto, Mitsunori Ikeguchi, Kiyoto Kamagata, Norihisa Hoshino, Hiroyuki Noji, Tomoyuki Akutagawa, Kazuaki Ichimura, Kazushi Kinbara
DOI :	10.1038/s41467-020-16770-z

• プレスリリース 神経伝達物質に応答する人工イオンチャネルを開発 ―水精製技術への応用や難治性疾患の治療法確立に期待―
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永嶌鮎美助教のコメント

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令和2年春の叙勲において、東京工業大学の髙柳邦夫栄誉教授が瑞宝中綬章を受章しました。長年にわたる教育と研究への多大な貢献が評価されたものです。

髙柳邦夫栄誉教授

経歴

髙柳邦夫栄誉教授（2012年6月称号授与）は、1972年に東京工業大学 大学院理工学研究科 物理学専攻の博士課程を中退後、本学 理学部助手に着任しました。1981年2月に同 助教授に昇任し、1988年4月から大学院総合理工学研究科の助教授として表面科学講座の担任を経て、同年10月に理学部教授となりました。1992年7月からは大学院総合理工学研究科、2001年4月からは大学院理工学研究科の教授を務めました。

2012年3月、任期満了により退職し、同年4月に名誉教授の称号を授与されました。その後も本学特任教授として3年間研究推進に携わりました。また、2003年に紫綬褒章、2012年に日本学士院賞を受章・受賞し、その研究業績や受賞が称えられ、本学栄誉教授の称号が授与されました。

この間、表面ナノ科学という研究領域を推進させました。特に、表面科学分野ではシリコン（111）表面の7×7再構成表面の構造決定、ナノ科学分野では金属細線の量子化電気伝導やナノチューブのカイラル構造を発見。また、超高真空高分解能電子顕微鏡や0.5Å収差補正電子顕微鏡の開発など、顕微ナノ科学の発展に寄与しました。

科学技術振興機構ERATOの研究責任者を務め、応用物理学会賞や日本結晶学会賞、日本顕微鏡学会賞、韓国真空学会賞、アメリカ真空学会（AVS）ゲーデ・ラングミュア賞等の学会賞や、日本学士院賞、江崎玲於奈賞、仁科記念賞、東レ科学技術賞等、数々の賞を受賞しました。また、日本表面科学会、日本顕微鏡学会の会長ならびに国際顕微鏡学会連合（IFSM）理事を務め、アメリカ物理学会（APS）フェロー、応用物理学会フェロー、日本表面科学会や日本顕微鏡学会名誉会員に選出されています。

髙柳邦夫栄誉教授のコメント

このたびの栄誉は、東工大という環境の中で学部時代から御指導頂いた故・本庄五郎先生、故・高木ミエ先生をはじめ、研究を共に進めて頂いた学生諸氏、ならびにERATO研究員やCREST研究員の皆様に感謝しております。また、研究の節目に助言・指導を頂いた国内外の諸先輩、同僚の先生方に感謝します。

「研究は“温故知新”と“幸運の女神”」という本庄五郎先生の薫陶に感謝しています。

シリコン半導体の7×7表面再構成構造の電子回折法による決定が出来たのは、“温故知新”の賜物です。この表面原子配置が分かるのは20世紀中では無理ではないかといわれていました。それを透過電子線回折法で解きました。そしてDAS模型（Dimer, Adatom, Stacking fault）と命名しました。このDAS構造の正しさは、その後になって、走査型トンネル顕微鏡（STM）の研究者らにより確認され、さらに多種の実験や理論的検証でも確認され、表面科学最大の構造問題を解決したと同時に、新しいナノ科学の時代への転換点（ティッピングポイント）となりました。

東京工業大学には学部入学したときから数えると50年間お世話になりました。その間、大岡山キャンパスの拡充、すずかけ台キャンパスの設立、国立大学法人化などと変遷しました。そこには、常に、自由・創造・開拓の闊達さが感じられました。本館の時計塔が昔の姿でいるように、自由・創造・開拓の気概にあふれた世界一のTokyo-Techに期待しています。

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• 小門宏名誉教授が令和元年秋の叙勲を受章｜東工大ニュース
• 石原宏名誉教授が令和元年春の叙勲を受章｜東工大ニュース
• 令和２年春の叙勲｜内閣府

要点

• 中性子数が過剰なホウ素同位体、ホウ素19（¹⁹B）の中性子ハロー構造を特定
• ¹⁹Bの中性子ハローにコンパクトな中性子の対「ダイニュートロン」の証拠
• ダイニュートロンは中性子星の構造を理解する鍵にもなる

概要

東京工業大学 理学院 物理学系のKaitlin Cook（ケイトリン・クック）日本学術振興会特別研究員（研究当時。現ミシガン州立大学アシスタント・プロフェッサー）、中村隆司教授、近藤洋介助教、理化学研究所 仁科加速器科学研究センターの大津秀暁チームリーダー、米田健一郎専任研究員、京都大学 理学研究科の萩野浩一教授らは、ホウ素同位体の中で最も中性子数が多いホウ素19（¹⁹B、陽子数5、中性子数14）に中性子ハロー^[用語1]の構造を特定し、さらに中性子ハローを形成する2つの中性子がダイニュートロン^[用語2]と呼ばれるコンパクトな新奇の中性子対であることを突き止めた。この成果は、理研の強力な不安定核ビーム^[用語3]を用いた実験と最新の少数系理論^[用語4]の共同研究により実現した。

本研究グループはクーロン分解^[用語5]で¹⁹Bの光吸収過程を調べ、中性子ハローの存在を決定づけるソフト双極子励起^[用語6]を観測した結果、¹⁹Bの中性子ハロー構造を確定した。さらに少数系理論計算との比較から、ハローの2個の中性子が空間的に近接した中性子対「ダイニュートロン」であることも判明した。ダイニュートロンは40年以上前に予言されながら実験例が少なく、その存在が確立していなかった。

研究成果は5月27日に米国物理学会の学術誌「フィジカル・レビュー・レターズ（Physical Review Letters）」に掲載され、さらに同学術誌のEditors' Suggestion（編集者の推奨論文）に選ばれた。

背景

陽子と中性子からなる原子核は通常、陽子の分布と中性子の分布がほぼ等しい。しかし陽子数に比べ中性子数が2倍を超える短寿命の不安定核には中性子の分布が陽子の分布よりかなり大きく広がっているものが見つかっている。その代表的なものが「中性子ハロー」と呼ばれる構造である。

中性子ハローを外縁部にまとった原子核は中性子ハロー核と呼ばれ、その典型例¹¹Li^[用語7]の場合、図1のように、通常の原子核密度の⁹Liコアと、それを取り巻く低密度な中性子の広がりである中性子ハローでできた二重構造で特徴付けられる。また¹¹Liの中性子ハローの広がりは重原子核²⁰⁸Pb^[用語8]のそれに匹敵する。

¹¹Liのような中性子ハロー核は「コア核＋中性子＋中性子」という3粒子系と見なせる。これはボロミアン核^[用語9]と呼ばれる特徴を合わせ持つ。ボロミアン核とは、3粒子の内の2粒子「コア核＋中性子」、「中性子＋中性子」を取り出してもそれぞれは結合することができないが、「コア核＋中性子＋中性子」の3粒子になると結合できるという系である。

現在でもボロミアン核が結合できるメカニズムは完全には解決されておらず、こうした3粒子系の中性子ハロー核は¹¹Liのほか、⁶He、¹⁴Be、¹⁷B、²²Cの5例しか確認されていない。¹⁹Bについては、「¹⁷B＋中性子」、「中性子＋中性子」がギリギリ結合できず、ボロミアン核の条件を満たしているが、一方で中性子ハローの発達は抑制されていると先行研究で指摘されていた。

中性子ハロー核の形成メカニズム、特にボロミアン核の結合メカニズムを解明する上で、この2個の中性子がどのように絡んでいるか（相関）を理解することが重要である。一方、40年以上も前にミグダルによって、中性子対が原子核の表面で強い準束縛状態「ダイニュートロン」を作るという予言がなされている。

自由空間中では束縛しない2個の中性子が、密度の希薄な原子核の表面でコンパクトな対であるダイニュートロンを成すという予言であるが、実験例はほとんどなく、未だに確立していない。特に希薄な核表面である中性子ハローはダイニュートロンの候補の筆頭である。以前の中村教授らによる¹¹Liの実験でダイニュートロンの兆候を見出しているが（Phys. Rev. Lett. 96, 252502 (2006)）、他の中性子ハロー核の実験がほとんどなく、普遍的な現象なのかどうか解決していなかった。

研究成果

本研究グループは理化学研究所（理研）の重イオン加速器施設RIBF（ラジオアイソトープ・ビームファクトリー）において、不安定核ビーム¹⁹Bを生成し、RIBFの基幹測定装置SAMURAI（多種粒子測定装置）を用いて、¹⁹Bの光吸収過程を測定した。RIBFが誇る世界一の強度の不安定核ビーム、その能力を最大限活用する電磁スペクトロメータSAMURAIと、本研究グループが世界をリードして開発してきた測定手法「クーロン分解」を駆使して、これを実現した。この実験から、中性子ハロー構造に特有の光吸収過程「ソフト双極子励起」を観測し、¹⁹Bが「¹⁷B＋中性子＋中性子」という2中性子ハロー構造を持つことが判明した。

さらに、萩野教授の少数粒子系の理論計算をもとに実験データの詳しい解析が行われ、その結果、ハローを構成する2個の中性子がダイニュートロンを成していることがわかった。図2には実験スペクトルをよく再現する少数系理論に基づき計算された2中性子の密度分布を示している。2つの中性子のなす角度が25度程度と小さく、コンパクトな対となっていることがわかる。

今回の研究成果は中性子数が過剰になった極限状況で起きる新しい中性子対の構造を示したものである。原子や分子のスケールではボーズアインシュタイン凝縮^[用語10]を起こす近接した原子対が知られているが、これよりサイズが4桁以上小さい原子核における類似現象の可能性を示した。極限原子核における新たな多体現象の出現を示しただけでなく高密度天体である中性子星の構造の解明においても重要と考えられる。

今後の展開

今回の研究から中性子ハローにおけるダイニュートロンの新たな証拠が示された。これは、密度の希薄な原子核の表面（ハローなど）において、中性子対の相関が普遍的に強くなることを示している。中性子星においても、その表面付近には希薄な中性子流体を成分にもつ層（インナークラスト）が存在すると考えられており、そこでもダイニュートロンが重要な役割を果たしている可能性が高い。今後、こうした研究への波及も期待される。

¹⁹Bは今回、新たに中性子ハロー核として確立したが、コアである¹⁷Bはそもそもハロー核であり、¹⁹Bが5粒子系（¹⁵B＋4個の中性子）として存在する可能性もあった。今回の研究は5粒子系的ではないという結論だったが、ダイニュートロンを超える4中性子系や6中性子系などの多中性子クラスター^[用語11] の研究も進みつつある。こうした多中性子系は、中性子過剰極限で原子核を結合させる「力」や中性子同士の絡み（相関）についての情報を与える。これは、さらに中性子星の構造やダイナミクスの理解にもつながる。

ダイニュートロンについては、今後、より直接的な測定、すなわち、放出される2中性子の相関を測定し、ダイニュートロンのサイズや運動を直に観測する実験も計画されている。実際、本研究グループは理研RIBFにおいて、²⁶Oを用いたダイニュートロンの直接測定の実験を予定している。

謝辞

本研究は科学研究費助成事業 新学術領域研究（研究領域提案型）「量子クラスターで読み解く物質の階層構造」（18H05404）のほか、同 基盤研究A（16H02179）の支援を受けて行われた。また、K. J. Cook博士は日本学術振興会の外国人特別研究員の枠組みで支援を受け、東京工業大学で本研究を行った。

論文情報

掲載誌 :	Physical Review Letters
論文タイトル :	Halo Structure of the Neutron-Dripline Nucleus 19B
著者 :	K.J. Cook, T. Nakamura, Y. Kondo, K. Hagino et al.
DOI :	10.1103/PhysRevLett.124.212503

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要点

• DNA相同組換えの中心であるDNA鎖交換反応をリアルタイムで観察
• 触媒のRad51リコンビナーゼが相同配列を見つけて、DNA鎖を交換するしくみを解明
• DNA鎖交換反応の分子機構のシミュレーションに成功

概要

東京工業大学 科学技術創成研究院 細胞制御工学研究センターの岩﨑博史教授、伊藤健太郎研究員、同大学 生命理工学院 生命理工学系のTAKAHASHI MASAYUKI特任教授、国立遺伝学研究所の村山泰斗准教授、横浜市立大学の池口満徳教授、理化学研究所の美川務専任研究員らの研究グループは、DNAの相同組換えの中心的な反応であるDNA鎖交換の反応機構を明らかにした。

相同組換えは、DNA二重鎖切断^[用語1]を正確に修復する生理機能であり、遺伝情報の維持や遺伝的多様性の創出にかかわる重要な生命現象である。その中心であるDNA鎖交換反応では、似た配列、すなわち、相同な配列を持つ2組のDNA間で鎖を交換する。この反応はRad51リコンビナーゼ^[用語2]によって触媒されることが知られているが、Rad51リコンビナーゼが相同配列を見つけてDNA鎖を交換するしくみは不明であった。

今回の研究では、DNA鎖交換反応をリアルタイムで観察し、Rad51リコンビナーゼがDNA鎖を交換する反応過程の詳細を明らかにした。さらに、その反応の実際の分子構造をシミュレーションすることに世界で初めて成功した。今回の成果により、相同組換えによるヒトがん抑制の分子機構研究にさらに弾みがつくことが期待される。

この成果は、6月11日付けの『Nature Communications』に掲載された。

背景と経緯

私たちの体の中にあるDNAは様々な種類の損傷を、細胞1個あたり1日に約10万ヵ所も受けている。なかでもDNAの二重鎖切断は特に重篤な損傷であり、細胞死やがんの引き金となることが知られている。相同組換えはこのDNA二重鎖切断を正確に修復する生理機能であり、すべての生命に普遍的に備わっている。

図2.

Rad51・一本鎖DNAフィラメントの立体構造モデル。Rad51単量体を、白または灰色の球を用いた空間充填モデルで表した。それぞれの分子の第1 DNA結合部位中のloop 1を青色、loop 2を赤色で表すと、一本鎖DNA （緑色）を挟む配置をとる。第2 DNA結合部位は黄色で示した位置にあり、一本鎖DNAからは少し離れていることがわかる。このモデルでは10分子からなるRad51が一本鎖DNA上にらせん状に結合したフィラメントを表しているが、実際の細胞内では数千個ものRad51分子が一本鎖DNAに結合し、フィラメント構造を形成すると考えられている。

研究成果

岩崎研究室では、蛍光共鳴エネルギー移動（FRET）^[用語5]を利用して蛍光標識したDNA鎖の交換反応をリアルタイム解析し、反応機構を研究している。これまでに、Rad51リコンビナーゼによるDNA鎖交換反応が、次の3つのステップで進行することを見出していた。（1）Rad51・一本鎖DNAフィラメント複合体が二重鎖DNAを捕捉して、反応中間体C1を形成する。（2）相同配列が見つかると、DNA鎖が交換されて「ヘテロ二重鎖DNA」を持つ反応中間体C2に移行する。（3）反応中間体C2が解消されて反応が完了する。

今回の研究では、このFRETを利用した方法による、分裂酵母Rad51リコンビナーゼのDNA結合部位の変異体のリアルタイム解析から、上記の反応ステップにおける重要な素反応とDNA結合モチーフの役割を明らかにした。（1）Rad51・一本鎖DNAフィラメント複合体は、Rad51の第2 DNA結合部位を用いて二重鎖DNAを捕捉し、その結果としてC1中間体が形成される。（2）loop 1が二重鎖DNAと結合することによって、C1中間体が形成・安定化される。（3）相同DNA配列が見つかると、loop 2によってDNA鎖交換が促進され、C1中間体からC2中間体へ遷移する（図3）。

図3. DNA鎖交換反応におけるRad51リコンビナーゼのDNA結合モチーフの役割

この結果に基づいて、DNA鎖交換反応における、活性中心を形成するアミノ酸残基とDNA鎖の動きをシミュレーションした（図4）。リコンビナーゼタンパク質内の活性中心で起こっているDNA鎖交換反応の実際の分子機構をシミュレーションしたのは世界初である。

今後の展開

相同組換えにおけるDNA鎖交換反応の分子機構は、Rad51の立体構造が決定されているにもかかわらず、不明のままだった。今回の研究成果は、バクテリアからヒトまで保存されているDNA鎖交換反応の根本的な分子機構を解明したもので、その普遍性から学問的価値が大きいといえる。

相同組換えの機能不全は、細胞死やガン発生の引き金になることが知られており、医学的にも重要な課題である。今回、分裂酵母Rad51リコンビナーゼによるDNA鎖交換の反応原理が明らかになったことで、相同組換えによるヒトがん抑制の分子機構研究にさらに弾みがつくことが期待される。

論文情報

掲載誌 :	Nature Communications
論文タイトル :	Real-time tracking reveals catalytic roles for the two DNA binding sites of Rad51
著者 :	Kentaro Ito, Yasuto Murayama, Yumiko Kurokawa, Shuji Kanamaru, Yuichi Kokabu, Takahisa Maki, Tsutomu Mikawa, Bilge Argunhan, Hideo Tsubouchi, Mitsunori Ikeguchi, Masayuki Takahashi & Hiroshi Iwasaki
DOI :	10.1038/s41467-020-16750-3

• プレスリリース 相同なDNA配列間でRad51リコンビナーゼによるDNA鎖を交換するしくみを解明 —ヒトがん抑制の分子機構研究に弾み—
• 相同組換えを活性化するメカニズムを解明｜東工大ニュース
• 「がん遺伝子」として働くのか？組換え酵素Rad52が染色体異常を引き起こすことを発見｜東工大ニュース
• 相同組換えのDNA鎖交換反応開始の分子機構を解明｜東工大ニュース
• 分裂酵母の性（接合型）変換を制御する新たな遺伝子を発見│東工大ニュース
• 相同組換えのDNA鎖交換の素過程を世界で初めて解明｜東工大ニュース
• 遺伝子撹拌装置をタイミング良く染色体から取り外す仕組み│東工大ニュース
• 葉緑体増殖の基礎的しくみを解明―葉緑体分裂・増殖時にDNA分配を制御する酵素の発見―│東工大ニュース
• DNA相同組換えの複雑な制御機構を解明 ―分裂酵母DNAヘリカーゼFbh1が多様な働き―│東工大ニュース
• 岩崎研究室 ―研究室紹介 #11―
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公益社団法人土木学会は5月14日、令和元年度土木学会賞受賞者を発表し、東京工業大学環境・社会理工学院 土木・環境工学系の真田純子准教授が出版文化賞を受賞しました。また、大町達夫名誉教授が功績賞を、坂井悦郎名誉教授が環境賞を受賞しました。授賞式は新型コロナウイルス感染症対策のため、行われません。

土木学会は1914年に設立され、会員数約3万9,000人の国内有数の工学系団体です。
出版文化賞は土木に関連する出版物で、土木工学・土木技術の発展に貢献し、あるいは読者に感銘を与えることにより、土木文化活動の一環となりうると認められた出版物を対象とし、その著者を表彰しています。
功績賞は土木工学の進歩、土木事業の発達、土木学会の発展に顕著な功績があると認められた者に授与されます。
環境賞の I グループは環境の保全・創造に資する新技術開発や概念形成・理論構築等に貢献した先進的な土木工学的研究が対象です。坂井名誉教授は「CO₂排出量を削減しながら高い耐久性を確保できる低炭素型コンクリート『ECM（エネルギー・CO₂ミニマム）コンクリート』の開発」により、受賞しました。

真田純子准教授 出版文化賞

真田准教授は「図解 誰でもできる石積み入門」（農山漁村文化協会 2018年刊）により受賞しました。

真田准教授は次のようにコメントしています。

受賞理由

土木学会は真田准教授の受賞理由を次のように発表しています。

棚田や段畑に用いられている石積みの壁は、日本人なら誰しも一度は実物を間近に見た、あるいは写真やビデオ映像で見たことのある、伝統的な土木構造物である。しかしながら、それがどういうものであるかを、詳しく観察したり深く考えたりしたことのある人は、意外と少ない。

本書は、石積みに出会った著者が、自らの体験に基づき、その素晴らしさを広く伝えようとしたものである。「そもそも石積みとは何か」という話から始まるが、ふんだんなカラー写真によって本書の全貌をつかむことができ、すぐさま読者を高揚させる。それに続く、特有で伝統的な道具、床掘り、石の置き方や積み方の説明は、イラスト、写真、ケーススタディ、コラムもあって、土木の知識のない人にも親しみやすい。まるで石を一つずつ積みあげていくかのように丁寧で、漏れもなく、工事の安全性や効率にも触れている。積み石のかみ合わせやグリ石の層による排水など、構造や地盤の専門家もうなずく講義もある。結びの部分には特に、著者の思いがこめられている。石積みとの出会いに始まり、石積み学校での経験、日本やイタリアの石積みの現状が綴られ、これらは本書の余韻となる。

以上のように本書は、石積みの文化や景観の素晴らしさを広く啓蒙し、土木の原点を再認識させるものであり、これから実際に石積みをしようとする人にとっては数少ない示方書のような価値もある。よって、ここに土木学会出版文化賞を授与する。

• 景 広がりゆく土木と景観のデザイン｜研究者への第一歩｜大学院で学びたい方
• テレビ朝日「タモリ倶楽部」に真田純子准教授が出演｜東工大ニュース
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• 土木学会賞 令和元年度受賞一覧｜公益社団法人 土木学会
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要点

• 液晶性有機半導体の特性を活用し従来に比べ2,000倍以上の成膜速度を達成
• 10 cm角基板にボトムゲートボトムコンタクト型トランジスタ250個を試作
• 素子間のばらつきの小さい高移動度（Ph-BTBT-10: 4.1 cm²/Vs）を実現

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飯野裕明准教授、半那純一名誉教授、Hao Wu（ハオ・ウー）研究員（研究当時）らは、ディップコート法^[用語1]と液晶性有機半導体^[用語2]を活用し、有機トランジスタ用結晶膜成膜の超高速化（2.4 m/分以上）に成功した。この成膜速度は溶液プロセスによる従来の成膜速度（10 mm/分以下）に比べ2,000倍以上早く、実用レベルである。

得られた結晶膜は基板全面にわたり均一で、これを用いたボトムゲートボトムコンタクト型トランジスタ^[用語3]は素子間のばらつきが小さく、高い移動度（Ph-BTBT-10^[用語4]：4.1 cm²/Vs、σ：18 %）を示した。さらに、10 cm角の基板上に形成した結晶膜を用いて作製した250個のトランジスタにおいても、同様の移動度を得た。

有機半導体膜の成膜の高速化は印刷技術を用いたエレクトロニクスの実用化の試金石であったが、今回の成果は溶液プロセスを用いて高速化が可能であることを実証したもので、低コストのRF-IDタグ^[用語5]やIoTトリリオンセンサー^[用語6]などの実用化を大きく推し進めるものと期待される。

本研究成果は、6月22日に米国化学会 ACS Applied Materials and Interface（アプライド・マテリアルズ・アンド・インターフェイス）の電子版に掲載された。

研究成果

印刷技術を活用し、電子素子を簡便に、かつ、高速な生産を目指すプリンテッドエレクトロニクス^[用語7]の実用化には、トランジスタに用いる有機半導体の高速成膜が不可欠で、その実現が鍵を握る。従来、トランジスタ用有機半導体結晶膜は、結晶粒界^[用語8]による電荷輸送の阻害を逃れるため、単結晶膜^[用語9]利用が必要と考えられ、成膜技術も単結晶膜の育成に必要な結晶核の形成　と成長の制御技術を中心に開発が進められてきた。しかし、単結晶膜の成膜は副次的な結晶核の生成を抑え、結晶を成長する必要があり、その結果、成膜速度を大幅に落とさざるを得ず、その速度は数十μm/秒、分速で数mm/分以下と、実用化に必要な数m/分から程遠いものであった。

飯野准教授らの研究グループでは高速で作製の容易な多結晶膜^[用語10]に着目し、液晶物質が示す分子が自発的に配向した凝集相（液晶相と呼ばれる）を形成する特質を活用して、トランジスタの作製に応用可能な高品質な多結晶膜の開発に取り組んできた。

その結果、新たに開発した液晶性を示す有機半導体（液晶性有機半導体）Ph-BTBT-10 （図1参照）を開発し、結晶粒界による電荷輸送への影響を抑えた高品質な多結晶膜がスピンコート法^[用語11]により作製できることを明らかにした。この方法で作製された多結晶膜は均一性、平坦性に優れ、これを用いたトランジスタは単結晶に匹敵する、10 cm²/Vsを超える高い移動度^[用語12]が実現できる。

今回、この成果を元に、実用化に向けて、Roll-to-Roll形式^[用語13]（図2参照）による基板への有機半導体結晶膜の形成を視野に、図1に示すディップコート法による多結晶膜の形成とその高速化を検討した。その結果、単結晶の育成条件（0.3 mm/分）から成膜速度を増加させると、単結晶に類似した一定の結晶方位の揃った大粒径の多結晶膜（数 cm/分）、さらに、成膜速度を上げると、モザイク状の組織を持つ無配向の多結晶膜（2.4 m/分）が得られることを見出した。特に、モザイク状の組織を持つ多結晶膜は容易に基板全面に結晶膜が形成でき、均一性も高い。

SiO₂/Si基板上に作製したこれらの結晶膜を用いて、ボトムゲートボトムコンタクト型トランジスタを試作し、特性を評価した結果、図3に示すように、モザイク状の組織をもつ多結晶膜は、一定の結晶方位の揃った大粒径の多結晶膜とほほ同等の4 cm²/Vsの高い移動度を示すばかりでなく、配向性をもつ多結晶膜に比べて、移動度の異方性はむしろ小さく、トランジスタの集積化に好都合であることが分かった。

今回の成膜速度（2.4 m/分）は、現有のディップコーターの上限の成膜速度であるため、さらに成膜速度を上げることは可能と考えられる。さらに、Ph-BTBT-10 以外の液晶性有機半導体、例えば、C8-BTBT-C8（図4参照）を用いても、同様な結果が再現できており、C8-BTBT-C8を用いたトランジスタでは、 5.2 cm²/Vsの平均移動度を示した。この成果は、プリンテッドエレクトロニクスの実用化に立ちふさがる二つ目のハードルを解決するブレークスルーと位置づけられる。

背景

1987年にPentacene（ペンタセン）の結晶膜^[用語14]を半導体材料に用いたトランジスタが液晶ディスプレーなどに実用化されているアモルファスシリコンを用いたトランジスタに匹敵する高い移動度を示すことが報告されて以来、有機半導体の結晶膜を用いたトランジスタの実用化を目指し、高移動度の新規な有機半導体材料の開発や、素子作製のためのプロセス技術の開発、それらを用いたトランジスタの応用などの研究開発が活発に行なわれてきた。有機半導体は、溶液プロセスを用いてプラスチック基板上に成膜が可能であることから、印刷技術を利用して簡便に集積回路の作製を目指すプリンテッドエレクトロニクスを実現するための最も有望な半導体材料と位置づけられている。

この20年余の研究開発の成果として、IGZO等の次世代のトランジスタ材料として期待される酸化物半導体に匹敵する高移動度（～10 cm²/Vs）を実現できる新しい有機半導体材料が開発されてきた。高移動度の有機半導体材料の開発は、プリンテッドエレクトロニクスの実用化のための第一の試金石であった。

しかしながら、その実用化には用途開発に加えて、半導体膜の実用的な成膜技術の開発が不可欠である。現状では溶液プロセスによる半導体膜の成膜は可能であるものの、その成膜速度（1 cm/分以下）は実用的に要求される速度（数m/分以上）に比べほど遠く、その技術開発が求められる。

研究の経緯

私たちは実用的な有機半導体材料の開発を目指し、高移動度に加え、溶解度や耐熱性、膜の均一性や平坦性などの実用材料として要求される諸特性を実現するための材料設計の基本技術として、液晶性^[用語15]に着目し、液晶性を併せ持つ有機半導体（液晶性有機半導体）の開発を行なってきた。その成果の一つとして、液晶性を発現するPh-BTBT-10（図1参照）を開発し、この材料が高移動度（平均移動度：～12 cm²/Vs）に加え、耐熱性と成膜性を併せ持つ優れた有機トランジスタ材料であることを報告した。^{[引用文献1]}

この材料は、その溶液を液晶相温度でスピンコートすることにより、従来の非液晶製材料では困難な、均一性と平坦性に優れた高品質の多結晶膜を簡便に作製することができる。研究グループはこの点に注目し、基板サイズの制限を受けないディップコート法による成膜を検討し、成膜速度と得られる半導体結晶膜の表面形状、均一性、結晶性、作製した結晶膜を用いたトランジスタの試作を通じて、得られた結晶膜の評価を進めた。

今後の展開

今回の成果を結晶膜の特性と成膜速度などの成膜条件の相関から、その支配因子を明らかにし、結晶膜の作製プロセスの工学的基礎を構築する。高速成膜された結晶膜を用いた集積回路の試作を通じて、その有効性をデバイスレベルで実証し、プリンテッドエレクトロニクスの実用化に向けた最後のハードルへのチャレンジを開始する。

論文情報

掲載誌 :	ACS Applied Materials and Interface
論文タイトル :	Scalable ultrahigh-speed fabrication of uniform polycrystalline thin films for organic transistors
著者 :	Hao Wu, Hiroaki Iino, and Jun-ichi Hanna
DOI :	10.1021/acsami.0c05105

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要点

• 酸化還元状態の変化で色が変わる新設計の蛍光タンパク質センサーを開発
• 色の変化で細胞内の酸化ストレスのたまり具合や酸化還元状態がわかる
• 代謝機能の異なる細胞内の酸化還元状態の変化の検出が可能に

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杉浦一徳研究員（研究当時。現・大阪大学 産業科学研究所 研究員）と久堀徹教授らは細胞内の酸化還元状態^[用語1]をリアルタイムにモニターできる新しい蛍光タンパク質センサー^[用語2]を開発し、動物細胞や植物細胞内の酸化ストレスのたまり具合、光合成に伴う酸化還元状態が変化する様子などを捉えることに成功した。

細胞内の酸化還元状態の変化を探るために様々なタンパク質センサーが開発されてきたが、今回、還元状態から酸化状態の変化によって青から緑に色が変わる新しいセンサーを開発した。環境の変化によって色を変えるアオガエルにちなんで、このタンパク質センサーを「FROG/B」と命名した。

生体内では酸素が過剰な電子を受け取ると反応性が極めて高い活性酸素種（一般にROSと呼ばれる）^[用語3]が生成し、これがタンパク質や脂質を酸化して障害をもたらす酸化ストレスの原因になる。一方、光合成をおこなう生物では、光照射によって水が分解されて還元力が生じ、NADPH^[用語4]という還元物質が作られる。このNADPHを利用して二酸化炭素が還元され、糖が合成されている（光合成反応）。また、水の分解で生じる還元力の一部は細胞内の様々な酵素の機能の制御にも使われている。多くの酵素は還元されると、活性が上昇、つまり、スイッチがオンの状態になる。したがって、細胞内の酸化還元状態を知ることは、光合成をおこなう細胞の機能制御のメカニズムを探る大切な情報である。

研究成果は6月23日付（現地時間）「Proceedings of the National Academy of Sciences, USA（アメリカ科学アカデミー紀要）」（電子版）に掲載された。

背景

生体内の酸化還元状態は様々な生体分子の機能を調節する極めて重要な細胞内環境因子である。例えば、動物細胞内で酸素が電子を受け取る（還元される）と反応性の極めて高い活性酸素種（ROS）が生成し、これがタンパク質や脂質を酸化することによって機能障害を引き起こす。これを酸化ストレスという。実際、抗がん剤の中には、ROSを積極的に生成させることによって、がん細胞を殺すものがある。

一方、光合成生物では光エネルギーを利用して水を分解し、酸素と還元力を得ている。この還元力のほとんどは還元物質であるNADPHとなって二酸化炭素の還元に利用され、糖分子を生成しているが、一部の還元力は光合成生物の細胞内の様々なタンパク質分子（酵素分子）の機能の制御にも利用されている。これを酸化還元制御^[用語5]という。光合成生物では、ほとんどの場合、光が当たると、細胞内に生じる還元力によって酵素分子が還元され、活性化する。これによって光合成反応に関わる多くの酵素が働くようになり、光が当たっているときには活発に糖を合成する。夜になると、これらの酵素分子は酸化されて休憩状態に入る。このような制御が行われることで無駄な逆反応を防ぐことができる。

従って、細胞内の酸化還元状態を知ることは、動物細胞でも植物細胞でも極めて重要である。そのため、これまでも細胞内の酸化還元状態変化を知るためのセンサータンパク質が数多く開発されてきた。しかし、杉浦研究員や久堀教授らが以前開発したOba-QやRe-Q^[用語6]など単一のGFP（緑色蛍光タンパク質）分子に変異を導入したものでは、その細胞内の発現量によってシグナル強度が変化してしまう。

roGFP^[用語7]というセンサーは蛍光強度の比を取って測定を行うので発現量には依存しない代わりに、2つの励起波長で測定を行う必要があるためリアルタイムの測定が難しい。また、2種類の蛍光タンパク質をリンカーペプチド^[用語8]でつないで作ったセンサーは、2種類のタンパク質の細胞内の安定性が異なるなど、それぞれに欠点があり、かならずしも使い勝手のよいものではなかった。

研究成果

杉浦研究員らは緑色蛍光タンパク質（GFP）にさまざまな変異を導入し、環境の酸化還元状態が変化したときに蛍光のスペクトルが変化するセンサータンパク質を分子設計した。このセンサータンパク質は、周辺の酸化還元状態が変化すると、2つのシステイン（Cys）^[用語9]がジスルフィド結合^[用語10]を形成したり解離したりすることで構造が変化する。さらに、発色団周辺に導入したアミノ酸変異により、タンパク質の構造変化が発色団を出発点とする励起状態の分子内プロトン移動（ESIPT（Excited state intramolecular proton transfer））^[用語11]過程に変化をもたらすようなセンサータンパク質分子を設計した。

こうして、タンパク質の分子表面にある2つのシステインが還元状態にあるときには青色の蛍光、酸化ストレスが生じると緑色の蛍光を発するタンパク質を得ることに成功した。このタンパク質はこれまで作られたいずれのセンサータンパク質よりも簡便に細胞内の状態変化を調べることができる。そこで、この蛍光タンパク質センサーを「FROG/B（Fluorescent protein with RedOx-dependent change in Green/Blue）」と名付けた。

杉浦研究員らは、FROG/Bをがん細胞のモデル細胞であるHeLa細胞^[用語12]に発現させ、細胞外から活性酸素種の一つである過酸化水素を与える、あるいは、活性酸素を発生させることでがん細胞を殺す働きをもつ抗がん剤Kp372-1を与えてみた。すると、細胞内が酸化されることを共焦点レーザー顕微鏡によって簡単に観察することができた。

このようにして誘導される酸化ストレスは、細胞内では結果的にグルタチオンという化合物の酸化を引き起こし、最終的にセンサータンパク質のシステインを酸化してジスルフィド結合を形成することが知られている。そこで、グルタチオンと還元力のやり取りを行うグルタレドキシン^[用語13]という酸化還元タンパク質をFROG/Bに融合させたところ、HeLa細胞の酸化ストレスによって誘導される蛍光の変化の応答性が格段に向上することが分かった。

次に、このFROG/B分子をシアノバクテリアAnabaena sp. 7120^[用語14]の細胞内に発現させた。このシアノバクテリアは、細胞が数珠状に連なる糸状性の藻類であるが、培養液から窒素源を除くと数珠状に連なった細胞（これを栄養細胞という）の中に10～20個に1個の割合でヘテロシスト^[用語15]という特殊な細胞を形成する。このヘテロシスト細胞内では、ニトロゲナーゼ^[用語16]という酵素が大気中の窒素を直接アンモニアに変換する窒素同化反応を行うことができる。

ところが、ニトロゲナーゼの反応中心は酸素に極めて弱いため、ヘテロシストの細胞内は酸素濃度の低い特殊な環境に保たれている。栄養細胞とヘテロシスト、それぞれで発現したFROG/Bのシグナルの変化を明暗条件で調べてみると、光が当たったときには栄養細胞の方の還元が早く進むが、暗所に移した時にはヘテロシストの方が早く酸化されるなど、興味深い挙動を示すことがわかった。

今後の展開

このように、このセンサーの開発によって、細胞内の酸化還元状態の変化を簡単、かつ経時的に調べることが可能になった。従って、このセンサーをがん細胞に利用すれば、効果がある抗がん剤のスクリーニングが簡単にできるようになると考えられる。また、光合成生物では様々な環境の変化に対して、代謝系酵素の活性制御に直接影響を及ぼす因子の解析に研究をさらに展開できるものと期待される。

謝辞

本研究は、科学研究費助成事業 新学術領域研究「新光合成：光エネルギー変換システムの再最適化」（計画班代表：久堀徹教授）の支援を受けて行われた。

論文情報

掲載誌 :	Proceedings of the National Academy of Sciences, USA
論文タイトル :	Real-time monitoring of the in vivo redox state transition using the ratiometric redox state sensor protein FROG/B
著者 :	Sugiura K, Mihara S, Fu N, Hisabori T
DOI :	10.1073/pnas.1918919117

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公益社団法人 新化学技術推進協会（JACI）は5月25日、第19回グリーン・サステイナブル ケミストリー賞（略称GSC賞）奨励賞を東京工業大学 物質理工学院 応用化学系の本倉健准教授に贈ると発表しました。

GSC賞奨励賞はグリーン・サステイナブル ケミストリーの推進において将来の展開が期待できる業績に対して贈られます。本倉准教授は「固体表面の多機能触媒作用による環境調和型ファインケミカルズ合成」により受賞しました。

新化学技術推進協会によると、同協会は、化学技術イノベーションに関する公共性の高い事業の推進を目的として活動しています。同協会はグリーン・サステイナブル ケミストリーを「人と環境にやさしく、持続可能な社会の発展を支える化学」と定義しています。日本におけるグリーン・サステイナブル ケミストリーの活動を効果的かつ強力に推進するために、グリーン・サステイナブル ケミストリー ネットワーク会議（GSCN会議）が同協会の中で活動し、GSC賞の表彰を行っています。

本倉健准教授のコメント

• 廃水中のアンモニアを資源に変える触媒を発見｜東工大ニュース
• 令和元年度名誉教授懇談会及び職員等の栄誉の祝賀会 開催報告｜東工大ニュース
• 二酸化炭素を資源に変える有機分子触媒を発見｜東工大ニュース
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• 二酸化炭素の化学変換：銅ジホスフィン錯体を触媒とするヒドロシリル化反応｜東工大ニュース
• 本倉健准教授が平成31年度科学技術分野の文部科学大臣表彰若手科学者賞を受賞｜応用化学系News
• 本倉・眞中研究室
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 本倉健 Ken Motokura
• 物質理工学院 応用化学系
• GSC賞・GSC奨励賞｜公益社団法人 新化学技術推進協会

東京工業大学の安藤真名誉教授が6月１日の電波の日に第70回「電波の日」総務大臣表彰を受賞しました。
総務省によると、電波の日は1950年に電波法が施行され、電波の利用が広く国民に開放されたことを記念する日です。電波利用または情報通信の発展に貢献した個人および団体を毎年、電波の日に表彰しています。例年6月1日に開催される記念中央式典で表彰式を行っていますが、本年は新型コロナウイルスの感染拡大防止のため、式典を取りやめました。

総務省が発表した安藤名誉教授の「功績の概要」は次の通りです。

• 安藤真　東京工業大学名誉教授
• 「ミリ波をはじめとする高周波無線技術の発展に長年にわたり寄与するとともに、情報通信審議会委員や陸上無線通信委員会主査等として、我が国の電波利用の高度化に尽力し、電波行政の発展に多大な貢献をした」

安藤真名誉教授のコメント

• 安藤真理事・副学長が平成28年度日本放送協会放送文化賞を受賞｜東工大ニュース
• 安藤研究室 ―研究室紹介 #9―
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 安藤真 Makoto Ando
• 令和2年度「電波の日・情報通信月間」における表彰｜総務省

要点

• 産学連携チームによる、マルチスペクトルカメラを搭載した陸・海観測超小型衛星計画を提案。
• JAXAの革新的衛星技術実証3号機の実証テーマとして採択され、2022年度に打ち上げ予定。
• 漁業・農業分野でのデータ利用や環境モニタリングを通じ、世界の食料問題解決に貢献する宇宙ビジネスの実証を目指す。

概要

東京工業大学、株式会社アイネット、ウミトロン株式会社、株式会社ジェネシア、株式会社ディーウェイスペース、東京大学、東北大学、名古屋大学からなる産学連携の実証チーム^※1は、50 kg級の陸・海観測超小型衛星計画を提案し、宇宙航空研究開発機構（JAXA）革新的衛星技術実証3号機の実証テーマとして採択された。^※2

本プロジェクトでは、学術利用を含む様々な観測対象に使える革新的マルチスペクトルカメラを、安価な超小型大学衛星に搭載して打ち上げる。さらに、この衛星の運用およびデータ利用サービスの提供体制を大学・民間企業の協力によって構築し、宇宙ビジネスにつながる宇宙システムの実証を行う。このシステムの応用例として、水産養殖業分野や、農業分野での利用などを検討しており、食料問題や環境問題などの持続可能な開発目標（SDGs）の達成に貢献する。今後は衛星データビジネスにおいて協働できるパートナーを広く募集する予定である。

※1

プロジェクトメンバー
東京工業大学 理学院 物理学系 谷津陽一准教授、工学院 機械系 松永三郎教授、工学院 機械系中条俊大助教、株式会社アイネット 坂井満代表取締役、ウミトロン株式会社 藤原謙代表取締役、株式会社ジェネシア 武山芸英代表取締役、株式会社ディーウェイスペース 森惣平代表取締役、東京大学 情報基盤センター 下川辺隆史准教授、東北大学 大学院工学研究科 坂本祐二特任准教授、名古屋大学 宇宙地球環境研究所 石坂丞二教授

※2

テーマ名称：「超低コスト高精度姿勢制御バスによるマルチスペクトル海洋観測技術の実証」
提案代表者：東京工業大学 谷津陽一准教授
（参考）JAXAウェブサイト「革新的衛星技術実証3号機のテーマ公募」選定結果について

プロジェクトの内容

国内には世界最先端の優れた宇宙技術を持つ企業が数多く存在しているものの、物量に優る欧米企業に隠れてしまっている。東工大は、これらの実力ある企業と大学を繋ぎ、それぞれがうまくかみ合うように機能させることで、宇宙ビジネスに関する革新的な産学連携ビジネスモデルを構築し、実証実験を行うプロジェクトを構想した。このビジネスモデルでは、人類共通の課題である持続可能な開発目標（SDGs）のなかでも特に、「世界の食料問題」の解決という目標を、人工衛星というグローバルな視点から達成することを目指す。

このプロジェクトのために、大学と民間企業からなる実証チームを組織し、プロジェクトの核となるマルチスペクトルカメラを搭載した陸・海観測超小型衛星計画を提案したところ、JAXAの革新的衛星技術実証3号機の実証テーマとして採択された。

実証チームは、東京工業大学のほか、株式会社アイネット、ウミトロン株式会社、株式会社ジェネシア、株式会社ディーウェイスペース、東京大学、東北大学、名古屋大学からなる。このチーム構成の意図は「宇宙と人の暮らしを繋ぐ」という点にあり、それぞれの強みを活かすことで、このチーム内で観測からサービスまでの一連の流れを実現できる（図1）。本プロジェクトでは、2022年度に予定しているJAXA革新的衛星技術実証3号機の打ち上げに向けて、革新的なマルチスペクトルカメラを搭載した超小型衛星を開発し、運用体制構築、データ解析技術の開発を行い、漁業・農業におけるデータ利用や環境モニタリングなどを通じて世界の食料問題解決への貢献を目指す。

本プロジェクトの参画機関の貢献と専門領域

（代表機関を除き五十音順）

今後の展開

本衛星は2022年度にJAXA内之浦宇宙空間観測所からイプシロンロケットによって打ち上げられる予定である。ミッション運用は2年間を予定している。

本プロジェクトは、単独の衛星打ち上げで終わるものではなく、今後事業を立ち上げて継続的に発展させていく。また、世界的な問題を扱う衛星ビジネスは日本国内にとどまるものではなく、海外の企業と協働することも必要になる。そのために、本実証チームでは協働できるパートナーを、海外も含めて広く求めていく方針である。

プロジェクトの詳細

本プロジェクトでは、“世界の食料問題解決”を実現できるキーテクノロジーとして、株式会社ジェネシア・株式会社ディーウェイスペース社のLCTF^[用語1]、TDI^[用語2]、マルチスペクトルカメラ^[用語3]を使用する。通常のカメラが赤・緑・青の3色しか撮れないのに対して、マルチスペクトルカメラはさまざまな色を撮り分けられる。この撮像分光データからは、地表や海面の物質や植生など、通常のカメラとは別次元の利用価値の高い情報を抽出することができる。さらに、LCTFは観測する波長を電気的に自在に調整できるため、目的の異なる幅広いユーザーに柔軟に対応可能である。一方、TDI撮像装置は、従来のマルチスペクトルカメラより感度が数十倍高いため、明るい陸地と暗い海を同一のセンサで観測できる。つまり、一つのセンサで農業と漁業、すなわち食料問題全体を解決できる可能性を秘めている。こうしたアジャイルな観測装置は、食料問題はもちろん、土壌・森林等の環境モニタリングから、貨物船など船舶の識別、さらに衛星の姿勢制御と組み合わせれば、衛星軌道上を浮遊する物体識別にも適用することが可能であり、さまざまなリモートセンシングの潜在的市場を新たに切り開く「ビジネスを生むセンサ」といえる。しかも、これらの要素技術は既に衛星軌道上での機能実証が完了しており、本事業では応用実証を行うこととなる。

本格的なデータ利用を考えた場合、打ち上げた衛星の継続的かつ密な観測運用を行う必要がある。しかし衛星の運用は、人手やアンテナなどのリソースが必要なため、大学単独では実現が難しい。そこで本プロジェクトでは、国内外に地上局ネットワークを持つ東北大学と、人工衛星のシステム設計・開発や運用の実績を持つ株式会社アイネットと協力して、ミッションとサービスの運用を実現する。

一方、マルチスペクトルデータの解析には膨大な較正情報とともに専門的な解析技術・科学的知見が必要であり、これが衛星データユーザーにとって大きな参入障壁になっている。そのため、較正データベースの構築と、解析技術の確立こそが、さまざまな分野への衛星データ利用の鍵となる。本プロジェクトでは、名古屋大学とウミトロン株式会社が協力して、観測データからプランクトンや赤潮の分布など情報を抽出する観測・解析手法を確立し、養殖漁業などのエンドユーザーへ配信するサービスの構築・実証を行う。また、陸域の観測情報利用については、農業国であるハンガリーの衛星ベンチャーC3S社と協力して、植生情報の農業利用を検討している。これにより、海域漁場からのタンパク質の供給に貢献するとともに、陸域の農業アプリケーション（糖質等）と連携することで、陸と海の両面から食料問題全体の解決に取り組んでいく。

実際に、この衛星システムで取得したデータには、ビジネス以外にも、環境学、鉱物学、都市計画学を含む社会科学など、さまざまな研究分野からの需要が想定されている。本実証チームは、新しいユースケースを創出するためにも、学術目的での無償のデータ公開を予定している。このデータ公開は東京大学と協力して実現する。東京工業大学は、この枠組みの立ち上げと、衛星システムの設計・開発を担当するとともに、夜間時間を有効活用したライドシェアによる天文観測を行い、日本の将来を担う優れた人材の育成・宇宙科学を推進する。本実証チームは、ホステッドペイロード^[用語4]の搭載、余剰マシンタイムの提供など、経済的対価では測れない、学術研究へ利益を還元する仕組みの構築も希求する。

なお、本プロジェクトの枠組みの構築は、平成30年度文部科学省 宇宙科学技術推進委託費 宇宙連携拠点形成プログラムの「新宇宙産業を創出するスマート宇宙機器・システムの研究開発拠点」（代表 松永三郎教授）における東工大・企業間の連携から生まれた成果である。

産学連携の必要性

衛星のデータを解析し、顧客に必要な物理量を推定することは極めて難しく、学術研究の領域ともいえる。宇宙ビジネスを創出するためには、この参入障壁を乗り越えなければならず、ここに産学連携の必要性がある。本プロジェクトでは、「リファレンスデータベースの構築」と「解析パイプライン開発」を目標に実施体制を検討し、データから価値を生み出すための基盤を構築することでビジネス創出を目指す新しい試みである。つまり、本プロジェクトにおいて衛星は要ではあるが、地上でのデータ解析環境の構築を通して、経済的利益だけでなく社会問題の解決に貢献していけることこそが真のゴールである。

本実証チームは、この挑戦的な課題を、大学などに蓄積されている個別の知見と、産業界のプレーヤーが有する固有ノウハウとを融合・連動させることで解決する。アカデミックな研究は単独では社会との接点が少ないが、本プロジェクトでは、個別の研究成果を、ビジネスゾーンの各接点に明確に位置づけることで、ひとつの輪を形成し、人々の生活に還元する（図 2）。社会的価値を生み出すことにより、この「輪」から着実に利益を獲得し、その一部を適切に教育・研究に還元する持続可能な産学連携の仕組みづくりを目指す。

プロジェクトの背景

本プロジェクトの発想の原点は超小型天文観測衛星である。しかし、小さくとも「マイ衛星」を打ち上げるには大変なリソースが必要であり、そこで、複数のユーザーがペイロードをシェアする「衛星のライドシェア」という形であれば、ユーザーのコストを削減できると着想した。さらに検討した結果、夜間観測する天文学と相性が良いのは、昼間観測する地球観測であることに思い至った。従来の衛星では例のないこの組み合わせは、観測時間が全く競合しないため、昼・夜それぞれのユーザーは、まるで自分の専用機のように衛星を自由に使えるというメリットがある。さらに、本プロジェクトで使用するマルチスペクトルカメラでは、LCTFによる波長自由度とTDIによる広いダイナミックレンジにより、観測対象エリア（海、陸など）や業種（漁業、農業、林業など）が異なる、多様なユーザーのニーズにも柔軟に対応できる。これにより、陸上でも海上でも価値のあるデータを供給する、生産性の高い観測衛星を実現することができる。
そして夜には、世界初となる超広視野紫外線突発天体サーベイ観測行い、重力波現象や超新星ショックブレイクアウト等の最先端の科学研究を行う。

小型宇宙ビジネスはこれまで宇宙工学が主役に発展してきたが、衛星データを研究に使う理学とリファレンスデータがきちんと整備された衛星を実現する工学の密な連携がこのプロジェクトの基盤になっている。本実証チームはこの理工学連携から生じた「観測データのユーザビリティ向上」という新たな評価軸を導入することにより宇宙ビジネスを促進する。

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東京工業大学科学技術創成研究院は6月5日、新型コロナウイルス感染症に起因する社会課題の解決を目指して、脱コロナ禍研究プロジェクトを発足させました。すでに「1個体、1分、1ドルで判定可能な診断装置」「低温プラズマによるウイルス不活化」「複数の会話の輪が存在できるビデオ会議サービス」など18の研究テーマに取り組んでいます。東工大の幅広い科学・技術の研究者が力を合わせ、新型コロナウイルスがもたらす前例のない危機の解決に向けて挑戦しています。

各国の主要都市を次々とロックダウンに追い込み、人類の生命を脅かす新型コロナウイルス（SARS-CoV-2）が引き起こした感染症（COVID-19）による様々な社会的危機に、科学・技術でどのように対抗していくかは、まさに大学が取り組むべき喫緊の研究対象といえます。コロナ禍により生じた社会課題を解決するためには、焦眉の急となっているワクチンや治療薬の開発だけでなく、医療デバイスや将来予測、働き方、ニュー・ノーマル（新しい日常）への理解など様々な分野が対応する必要があり、科学・技術と人文・社会科学双方の力が求められています。さらに、「課題の本質」を考えることも極めて重要です。

そこで、科学技術創成研究院はCOVID-19に係る課題を取り上げた「脱コロナ禍研究プロジェクト」を発足させました。このプロジェクトには、18の研究テーマが含まれ、現在は、これらの研究テーマについて、テーマ間連携の模索、外部資金の獲得、企業との共同研究の発足・強化などの検討を進めています。また、新たな研究テーマの提案も並行して受け付けています。 18の研究テーマは「検査・抗ウイルス薬／ワクチン」「ウイルス除去・不活化」といったウイルスそのものを扱う分野から治療に役立つ「医療デバイス」、さらに「働き方改革」や「将来予測」といった今後の社会の姿を探る分野まで、多岐にわたっています。東工大ならではの異分野融合の取組が効果を上げると期待されます。

科学技術創成研究院では、今回の脱コロナ禍研究プロジェクトを実施モデルとして、今後、1年単位の短期集中、または、基礎研究に立脚した3年程度の中期的視点で、さまざまな社会課題に即応した研究を迅速に実施していく仕組みとして「社会課題即応研究機構（仮称）」を整備し、社会に求められる研究を推進していく計画です。

脱コロナ禍研究プロジェクトの主な研究テーマ

• 化学修飾型蛍光免疫センサー
• 1個体、1分、1ドルで判定可能なSARS-CoV-2診断装置
• MRI・NMRプローブによる生体検出法
• SARS-CoV-2由来生理活性蛋白質阻害剤
• SARS-CoV-2に対するイノベーティブRT-PCR検査法

• 低温プラズマによるコロナウイルスの高速・非接触不活化
• 高度構造を制御した多孔質カーボン材料と有害物質除去剤への応用
• 高衛生DLCコーティングの検討
• ボロフェンを利用した抗ウイルス性素材

• ECMO用磁気浮上式遠心血液ポンプとその多機能化
• フレキシブル近赤外イメージセンサー

• 複数の会話の輪が存在可能なビデオ会議サービス
• テレワークの環境改善に資する技術

• コロナ感染拡散における社会・経済現象の観測とモデルによる将来予測

• ポストコロナ社会における人間のあり方と利他

• 7大学参加の研究グループ「コロナ制圧タスクフォース」発足｜東工大ニュース
• 「STAY HOME, STAY GEEK ―お宅でいよう―」連続動画を配信｜東工大ニュース
• 東工大保有の131件の特許を無償開放｜東工大ニュース
• 科学技術創成研究院での脱コロナ禍への取り組み｜科学技術創成研究院
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• 新型コロナウイルス：学長メッセージ・本学の方針、みなさまへ重要なお知らせ｜東工大ニュース

要点

• 単独では活性を示さないニッケル（Ni）と窒化ランタン（LaN）を用いた高効率アンモニア合成に成功
• ルテニウムなどの貴金属を使わずに高いアンモニア合成活性を実現
• LaN表面の窒素空孔を反応場として利用する新コンセプトを実証

概要

東京工業大学 元素戦略研究センターの細野秀雄栄誉教授、同センターの叶天南（Tian-Nan Ye）特任助教、北野政明准教授らは、単独では活性を示さないニッケル（Ni）と窒化ランタン（LaN）を組み合わせることで、ルテニウムなどの貴金属触媒に匹敵する優れたアンモニア合成触媒を実現した。

これまでのアンモニア合成触媒は、高温・高圧下での合成には鉄が、温和な条件ではルテニウムが使われている。いずれの金属も窒素と強く結合するので、金属上で反応が生じていた。一方、窒素との結合がきわめて弱いニッケルは、窒素分子を活性化できないことからこれまで使用されてこなかった。本研究では、水素分子の活性化をニッケル上で、また窒素分子の活性化をLaN上の窒素空孔^[用語1]でそれぞれ行うことで、きわめて高いアンモニア合成活性を実現した。これは、窒素空孔という新たな反応場を利用することで、単独では活性を示さない金属を用いて優れたアンモニア合成が実現できることを示し、従来の常識を覆す研究成果である。

近年開発された、温和な条件下で高いアンモニア合成活性を示す触媒は、いずれも貴金属であるルテニウムの担持が必要であった。本研究の成果は、希少で高価なルテニウムを用いない新触媒技術として重要であり、アンモニア合成プロセスの新たな可能性に繋がるものである。

研究成果は英国科学誌「Nature」に7月16日付（日本時間）でオンライン公開された。

研究の背景と経緯

人工的にアンモニアを合成する技術「ハーバー・ボッシュ法（HB法）」は、1912年にハーバーとボッシュによって確立され、現在でも人類の生活を支えるのに必要不可欠な技術である。またアンモニア分子は、分解すると多量の水素を発生させ、かつ室温・10気圧で液体になることから、燃料電池などのエネルギー源である水素を運搬する物質として水素社会を支えることも期待されている。

一方で、HB法には高温（400～500 ℃）、高圧（100～300気圧）の条件が必要であるため、より温和な条件下でのアンモニア合成技術が求められている。そうした条件下で働く触媒としてこれまで、ルテニウム触媒の開発が盛んに行われてきた。しかしルテニウムは貴金属であることから、より豊富に存在する金属を利用し、温和な条件下で作動する触媒の開発が望まれている。一方、金属種がアンモニア合成に対して活性を示すには、その表面で窒素と強く結合することが必須であると考えられてきたため、窒素との結合力が弱いニッケルを使用することはこれまでほとんど検討されてこなかった。

研究の内容

本研究では、そうした温和な条件下で働く、貴金属を使わない触媒として、LaN上にニッケル（Ni）ナノ粒子を固定化した触媒（Ni/LaN）を考案した（図1）。この触媒上での反応を、同位体^[用語2]ガスを使った実験と計算科学により実証したところ、ユニークな反応メカニズムを持つことが明らかになった。この触媒では、水素分子を解離する能力が高いNi上で水素原子が生成され、その水素原子がLaN表面の窒素種と反応することで、アンモニア（NH₃）が生成される。この反応を詳しくみると、まずLaN表面に窒素空孔が形成される。この空孔に窒素分子が取り込まれることで窒素分子が活性化され、そこにNi上で生成した水素原子が反応する。これにより、強固なN-Nの結合が切断され、N-H結合が形成されて、最終的にアンモニアが生成される。このプロセスでは、LaN表面の窒素は、気相の窒素が空孔に入ることで再生されるため、反応が持続して進行する。

従来のルテニウムなどの触媒上では、窒素および水素分子が、活性金属種であるルテニウム表面上でのみ活性化され、強固な3重結合を持つ窒素分子の解離が律速段階^[用語3]であることが知られている（図1）。一方、今回開発したNi/LaNでは上述した反応メカニズムにより、窒素分子が金属上ではなくLaN上の窒素空孔で活性化され、同時にNiからの水素により水素化されることがわかった。このために全体の活性化エネルギー^[用語4]が小さくなる。律速段階も、窒素分子の解離ではなく、LaN表面の窒素種の水素化であることが明らかになった。

このNi/LaNの触媒のアンモニア合成活性を、さまざまなNi触媒と比較した（図2）。LaNやニッケルナノ粒子（Ni NPs）単独では触媒活性を示さず、触媒の担体として通常用いられる酸化マグネシウム（MgO）などの酸化物上にニッケルナノ粒子を担持した場合も、全く活性を示さなかった。さらに、高い電子供与性をもつC12A7エレクトライドにニッケルナノ粒子を担持した触媒（Ni/C12A7:e-）でさえも活性を示さなかった。一方、Ni/LaN触媒はきわめて高いアンモニア合成活性を示し、活性化エネルギーも約60 kJ mol^-1であり、これまで報告してきたルテニウム担持エレクトライド系触媒と同等であることがわかった。さらに、高比表面積を有するLaNナノ粒子にNiを担持した触媒（Ni/LaN NPs）では、活性が2倍以上に向上することがわかった。

さらに、このNi/LaN触媒のアンモニア生成速度の時間変化を調べたところ、長時間にわたって安定した触媒活性を示すことも明らかになった（図3）。これは、上述した反応メカニズムによって、LaN結晶表面の格子窒素の消費と再生を繰り返しながら反応を進行させるためである。

今後の展開

今回の研究は、金属表面ではなく、窒素空孔という新たな反応場を利用することで、単独では活性を示さない金属種でもアンモニア合成の優れた触媒となるという、新たなコンセプトを提示したものである。これによって、温和な条件下で作動する、貴金属を使わないアンモニア合成触媒の開発の方向性が示されたといえる。今後は、このコンセプトをさらに発展させ、より優れた触媒の開発や他の触媒反応への展開を目指す。

論文情報

掲載誌 :	Nature
論文タイトル :	Vacancy-enabled N2 activation for ammonia synthesis on an Ni-loaded catalyst （担持ニッケル触媒上でのアンモニア合成における空孔による窒素分子の活性化）
著者 :	Tian-Nan Ye, Sang-Won Park, Yangfan Lu, Jiang Li, Masato Sasase, Masaaki Kitano, Tomofumi Tada, Hideo Hosono （所属はすべて東工大元素戦略研究センター）
DOI :	10.1038/s41586-020-2464-9

• プレスリリース ニッケルを使った高性能アンモニア合成触媒を開発 ―貴金属を使わない新コンセプトによる触媒技術―
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• 研究者情報（東京工業大学リサーチリポジトリ） - 叶天南 Tian-Nan Ye
• 東京工業大学 元素戦略研究センター
• 物質理工学院 材料系
• 研究成果一覧

要点

• ヨウ素溶液の酸化作用で電子を抜きとった層状ニオブ酸リチウム薄膜を合成
• 超伝導を示すこの物質が常温で高いp型伝導性と透明性を併せ持つことを発見
• 二次元物質の新たな物理現象や機能の開拓に貢献

概要

東京工業大学 物質理工学院 応用化学系の相馬拓人助教と大友明教授は、東北大学 多元物質科学研究所の吉松公平講師と共同で、低温で超伝導体^[用語1]になる層状ニオブ酸リチウム（LiNbO₂）^[用語2]が常温では優れたp型透明導電体^[用語3]になることを発見した。

三段階合成法^[用語4]を開発することにより、超伝導を示す層状ニオブ酸リチウムのエピタキシャル薄膜^[用語5]を合成した。基板上に保持された薄膜状の物質をヨウ素溶液^[用語6]に浸し、その酸化作用を利用して電子を抜きとると、高いp型伝導性と透明性が同時に発現することを見出した。

その理由はニオブ原子と酸素原子がつくる特殊な電子状態にあった。ヨウ素溶液を利用した酸化反応により、この電子状態をうまく調節した結果、世界初のp型透明超伝導体の実現につながった。この発見は新しい電子材料として様々な応用につながるだけでなく、二次元物質の新たな物理現象を開拓することにもつながる。

研究成果は米国の科学誌サイエンス（Science）の姉妹紙のオープンアクセスジャーナル「Science Advances」で7月16日（日本時間）に公開された。

背景

「透明導電体」は透明性と電気伝導性を併せ持つ物質である。ガラスに代表されるように、透明な物質は基本的に電気を流さない絶縁体だ。しかし、ある種の材料では電気が流れることが知られており、酸化インジウムスズ（ITO）などが実用化されている。しかしながら、実用水準の材料はすべて電子が流れるn型であり、n型とペアになって多様な電子回路を構成しうるp型透明導電体は、n型に比べて性能が低く、まだ研究開発の段階に留まっている。

「超伝導体」は電気抵抗がゼロになる究極の電気伝導性を持つ物質である。核磁気共鳴画像法（MRI）や超伝導リニアで実用化されている超伝導体は常温で金属であり、不透明な物質である。そのため、これまでp型透明超伝導体は見つかっていなかった。

大友教授らの研究グループは、p型透明超伝導体の候補としてニオブ酸リチウム（LiNbO₂）に着目した。この物質は30年前から超伝導体であることが知られていた。しかし、通常の手法では薄膜合成が困難であることから、透明性の詳しい性質まではわかっていなかった。

研究成果

同研究グループは三段階合成法を開発し、超伝導薄膜の合成に世界で初めて成功した（図2左）。最終段階であるStep 3ではヨウ素溶液に薄膜を浸すだけで電子を引き抜くことができる化学反応を利用した。ヨウ素溶液は薄めてうがい薬などにも使われているが、その殺菌消毒効果は物質から電子を奪う酸化反応そのものである。古くから知られるその効果と現代化学を融合することで、簡便でかつ精密な合成法の確立に成功した。

合成した薄膜の電気抵抗を測定すると、これまでに知られていた通り4.2ケルビン（マイナス269 ℃）以下の極低温で電気抵抗がゼロになり、超伝導体であることを確認した。一方で、ヨウ素溶液から取り出した薄膜は赤色から黄色へと劇的に変化しており、可視光の平均透過率が50 %に達する高い透明性を示した（図2右）。従来のp型酸化物透明導電体と常温における性能を比較すると、電気伝導性と透明性がともに優れていることが明らかになった（図3）。ヨウ素溶液に浸して電気伝導性を上げると透明度も向上するという、従来の物質とは対照的な結果が得られた。

同研究グループは詳細な物性測定と解析を行うことにより、物質内でニオブ原子と酸素原子が作る三角柱型の二次元層が重要な役割を果たしていることを見出した。この特殊な構造により、強相関電子^[用語7]と孤立したバンド構造^[用語8]というユニークな特徴が実現されていた。

これらの電子状態が協奏することで、近赤外と紫外領域の両方で高い透明性が実現されていた。さらに、ヨウ素溶液の酸化作用を用いて、それらの特徴をほどよく調整した結果、超伝導を発現しつつ可視光領域の透明性を向上できることが明らかになった（図4）。

研究の経緯

グラフェン（2010年ノーベル物理学賞）の発見に始まり、二次元物質^[用語9]の研究が近年注目を集めている。三角柱型の二次元層構造をとる二硫化モリブデンに代表される遷移金属ダイカルコゲナイドと呼ばれる物質群も二次元物質であり、現在、世界中で研究が加速している。一方で、本研究で着目したLiNbO₂は、層状銅酸化物における高温超伝導の発見（1987年ノーベル物理学賞）に続いて、1990年に新しい層状酸化物超伝導体の一つとして見つかった。しかし、簡便な薄膜合成法がなかったため、これまでほとんど注目されてこなかった。同研究グループは、LiNbO₂が二硫化モリブデンと同様に三角柱型の二次元層からなる酸化物であることに注目し、本研究を開始した。

ところが、当初は試行錯誤の連続だった。高温での直接合成の場合は、LiNbO₂とは別の組成の結晶ができてしまった。そこで常温で組成を調整してから高温で結晶化するアイデアでこの問題を解決した。高温で結晶化する際に水素ガスを用いてニオブ原子を一度還元するが、超伝導体にするためには層状ニオブ酸リチウムの構造を保ちつつ再び酸化する必要があった。

そこで同研究グループは古くから知られるヨウ素溶液の酸化作用に着目した。ヨウ素溶液はうがい薬や外科手術の殺菌・消毒剤として利用されている。我が国におけるヨウ素の製造は幕末の西洋医学所に端を発し、明治期に入って本格的に始まった。我が国有数の製薬会社がまだ黎明期だった頃の経営者たちが工業化に関わった。東京工業大学出身の白川英樹博士は、ヨウ素を利用してポリアセチレンから電子を抜きとり、電気を流すプラスチックの合成に初めて成功した（2000年ノーベル化学賞）。

同研究グループが培ってきた薄膜合成技術を用いて、ともに古くから知られているLiNbO₂とヨウ素溶液の酸化作用を組み合わせたことが今回のブレークスルーにつながった。

今後の展開

研究の成果はp型透明超伝導体の発見や新しい薄膜合成法の開発だけに留まらない。図3に示すように常温におけるp型伝導性と透明性を同時に高められる利点を明らかにしている。今後さらなる性能の向上が期待される。また図4に示すように高い透明性の起源を解明している。物質科学の視点では、このことを基軸に捉えた材料設計指針の検討がすでに始まっており、さらなる高性能化や新機能の開拓につながることが期待される。さらに、安価で環境に無害な酸化物で実用材料を開発することは、元素戦略の観点で社会貢献につながる。

論文情報

掲載誌 :	Science Advances
論文タイトル :	p-Type transparent superconductivity in a layered oxide （層状酸化物におけるp型透明超伝導）
著者 :	Takuto Soma, Kohei Yoshimatsu, and Akira Ohtomo
DOI :	10.1126/sciadv.abb8570

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• 大友明教授が船井学術賞を受賞｜東工大ニュース
• 大友 明教授が第9回日本学士院学術奨励賞受賞｜東工大ニュース
• 村上 修一教授と大友 明教授が第9回日本学術振興会賞受賞｜東工大ニュース
• 大友研究室
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• 研究者詳細情報（STAR Search） - 相馬拓人 Takuto Soma
• 物質理工学院 応用化学系
• 研究成果一覧

日本学生相談学会は2019年度の学会賞を東京工業大学保健管理センターの齋藤憲司教授に授与すると発表しました。5月17日、オンライン開催された日本学生相談学会第38回大会総会で決定しました。学会賞は学会の発展・質の向上に顕著な功績を残した会員に授与されます。

日本学生相談学会によると、同学会は、全国の大学及びその他の高等教育機関の学生相談機関等に所属しているカウンセラー、アドバイザー、教職員など、学生の援助活動を行っている実践者・研究者の学会です。前身である学生相談研究会は1955年に結成され、1987年、日本学生相談学会が設立され、学術研究団体として認定されました。

齋藤教授が所属する保健管理センターは、医師、カウンセラー、保健師、看護師、薬剤師の専門職が学生・教職員の健康サポートを行っています。齋藤教授は、カウンセラーとして学生・教職員のこころの相談・カウンセリングを行うことに加えて、学生の講義や教職員への研修を通してこころの健康についてレクチャーしています。

齋藤憲司教授の受賞コメント

• 研究者詳細情報（STAR Search） - 齋藤憲司 Kenji Saito
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要点

• 原子核が中性子を吸収する反応では粒子と反粒子の対称性の破れが非常に大きく増幅されることがこれまでに示唆されている。しかし、その詳細なメカニズムは完全には解明されていない。
  このメカニズムを調べるためには大強度かつ、スピンの向きが揃った（偏極した）エネルギーが高い中性子（熱外中性子）ビームを原子核に照射する必要があった。
• J-PARCで開発した偏極装置をJ-PARCの大強度中性子ビームラインに導入し、偏極熱外中性子ビームを原子核に照射したことで、偏極した中性子を吸収した原子核から放出されるガンマ線の放出方向に偏りがあることを世界で初めて発見した。
• この結果をもとに原子核内における対称性の破れの増幅現象のメカニズムの解明が期待される。この増幅現象は宇宙創成の謎に迫る、未知の物理現象の探索実験にも利用される。また、この結果は、今後の大強度の偏極熱外中性子ビームを用いた物性、工学などの様々な分野の研究を切り拓くものである。

概要

東京工業大学 理学院 物理学系の藤岡宏之准教授と谷結以花大学院生、国立大学法人東海国立大学機構 名古屋大学（総長松尾清一、以下「名古屋大学」という）大学院理学研究科の山本知樹大学院生、国立研究開発法人日本原子力研究開発機構（理事長 児玉敏雄、以下「原子力機構」という）J-PARCセンターの奥平琢也博士研究員らの研究グループは、スピン^[用語1] の揃った（偏極した）中性子を原子核が吸収した時に放出するガンマ線を測定したところ、その放出方向に偏りが存在し、その偏りが中性子のスピン方向に依存して変化することを世界で初めて発見しました。

我々の住む宇宙は「物質」がほとんどで、「反物質」はほとんど存在しません。その理由として「CP対称性^[用語2]の破れ」が提唱されています。しかし、物質世界を説明できる「CP対称性の破れ」を表す現象はまだ見つかっていません。
素粒子原子核反応では、P対称性^[用語3]が破れていることが知られています。原子核が中性子を吸収する反応では、核子同士に働くP対称性の破れよりも100万倍も大きなP対称性の破れが実験的に観測されています。この非常に大きな「P対称性の破れ」は、原子核を構成している核子^[用語4]間で働く小さな「P対称性の破れ」が原子核内で非常に大きく増幅された結果であるというモデルがあります。「P対称性の破れ」の増幅現象のメカニズムを明らかにすることで、「CP対称性の破れ」の謎の解明につながることが期待されます。

そこで本研究では、「P対称性の破れ」の増幅現象のメカニズムの検証のために、原子核の偏極中性子吸収反応に伴う、ガンマ線の放出方向の分布を測定する実験を行いました。
中性子の偏極には、J-PARCで開発した偏極装置（³Heスピンフィルター）を用いました。物質・生命科学実験施設（MLF）の中性子ビームライン（BL04、ANNRI）で、偏極熱外中性子ビームを原子核に照射したところ、偏極した中性子を吸収した原子核から放出されるガンマ線の放出方向に偏りがあること、その偏りがスピンの向きによって変化することを世界で初めて発見しました。

この実験で得られたガンマ線の放出方向と、「P対称性の破れ」の増幅現象のメカニズムのモデルが予測する放出方向の偏りを比較することで、モデルの検証を行うことが可能となります。また、モデルの検証結果をもとに、原子核内での対称性の破れの増幅現象のメカニズムが解明されることが期待されます。
今後、「CP対称性の破れ」の増幅現象のメカニズムを解明することで、宇宙創成の謎に迫ることも期待されます。

本成果は、アメリカの物理学会誌「Physical Review C」のオンライン版に6月25日に掲載されました。

研究の背景と目的

私たちの体や地球は「物質」でできており、宇宙を見回してみても、「反物質」でできた星や物体などは今のところ見つかっていません。これは宇宙の初期で粒子と反粒子^[用語5]の対称性（CP対称性）が破れて、粒子が多く生成されたことに由来すると考えられています。CP対称性の破れ自体は過去に発見されていますが、「物質」しかない宇宙の創生を説明するようなCP対称性の破れは見つかっておらず、未知の物理現象が存在すると考えられています。そのため、宇宙の粒子と反粒子の非対称性を説明するような未知の物理現象を探索する実験が世界中で行われていますが、現在の物質世界を説明するようなCP対称性の破れの発見には未だ至っていません。

粒子と反粒子の対称性であるCP対称性と密接に関わっている対称性として空間反転対称性(P対称性）があります。素粒子原子核反応ではP対称性が破れていることが知られており、陽子同士の反応では非常に小さいP対称性の破れが観測されています。一方、中性子が¹³⁹La（ランタン、原子番号57）や¹³¹Xe（キセノン、原子番号54）などに吸収される反応では、陽子同士の反応に比べて100万倍大きなP対称性の破れが起きていることが実験的に知られています。この非常に大きなP対称性の破れは、核子同士に働く小さなP対称性の破れが原子核内で非常に大きく増幅された結果であるというモデルが定説となっています。しかし、この増幅現象のメカニズムのモデルは検証が十分でなく、明らかになっていない部分も多く存在します。

このモデルが正しいと仮定すると、もし原子核内にCP対称性の破れが存在していた場合、原子核の中性子吸収反応ではP対称性の破れと同様にCP対称性の破れも非常に大きく増幅されることが理論的に示唆されています。このCP対称性の破れが非常に大きく増幅される現象を利用することにより、感度良く未知のCP対称性の破れを探索する計画が名古屋大学を中心とした研究グループにより進行しています。この未知のCP対称性の破れを探索する実験を行うためには、まず対称性の破れの増幅現象のメカニズムを明らかにしておくことが重要となります。そのためには原子核が偏極中性子を吸収した際に放出されるガンマ線の放出方向の分布を測定し、理論モデルと照らし合わせる必要があります。

そこで本研究では中性子を偏極する装置を開発し、J-PARCで原子核の偏極中性子吸収反応に伴う、ガンマ線の放出方向の分布を測定する実験を行いました。

研究成果

本研究では¹³⁹Laと呼ばれる原子核に着目しました。¹³⁹La原子核は0.74 eVの中性子を吸収した際に共鳴状態を形成し、この状態で非常に大きなP対称性の破れが観測されているためです。この反応におけるP対称性およびCP対称性の破れの増幅現象のメカニズムを調べるためには、0.74 eVの運動エネルギーを持つ中性子を偏極させ、¹³⁹La原子核に照射し、放出されるガンマ線の放出方向の分布を測定する必要があります。

1 eV程度のエネルギーの中性子は熱外中性子と呼ばれ、中性子源からの強度も弱く、熱外中性子を偏極させる技術の開発は今まであまり行われてきませんでした。しかし、近年J-PARCでは、³Heガスを用いて熱外中性子ビームを効率良く偏極する装置（³Heスピンフィルター、図2）を開発しました。

本研究では³Heスピンフィルターを中性子ビームラインBL04中性子核反応測定装置 (ANNRI）に設置し（図1、3）、他の技術では偏極が難しい1 eV程度の高いエネルギーの中性子を偏極させることに成功しました。そして、¹³⁹Laの中性子吸収反応を測定したところ、運動エネルギー0.74 eVの偏極熱外中性子を吸収した際に放出されるガンマ線の放出方向に偏りが存在し、その偏りが中性子スピンの向きによって変化することを世界で初めて発見しました （図4）。
この実験結果と、対称性の破れの増幅現象のメカニズムのモデルが予測する放出方向の偏りを比較することにより、モデルの検証を行うことが可能となります。したがって、この実験結果は原子核内におけるP対称性およびCP対称性の破れの増幅現象のメカニズムの解明のために重要な知見であり、この増幅現象を利用した、未知の粒子・反粒子の対称性の破れを探索する研究計画の進行に必要不可欠な成果です。

今後の展望

この結果をもとに原子核内での対称性の破れの増幅現象のメカニズムが解明されることが期待されます。これに並行して、CP対称性の破れ探索計画が進行しており、宇宙創成の謎に迫る、未知の物理現象の発見に期待が高まっています。
今回、J-PARCの大強度偏極熱外中性子で世界初の科学的成果が得られたことで、大きな統計量が必要な素粒子・原子核実験での有用性が示されました。今後、物性、工学などの様々な分野においても偏極熱外中性子を使用した世界初の研究成果が創出されることが期待されます。

本成果はKEK 中性子共同利用S1型実験課題2018S12、科学研究費補助金JP19GS0210、JP17H02889の支援により行われました。

日本原子力研究開発機構（JAEA）と高エネルギー加速器研究機構（KEK）が茨城県東海村で共同運営している大型研究施設。素粒子物理学、原子核物理学、物性物理学、化学、材料科学、生物学等の学術的な研究から産業分野への応用研究まで、広範囲の分野での世界最先端の研究が行われている。MLFでは、世界最高強度の中性子ビームなどを用いた研究が行われており、世界中から研究者が集まる。

研究グループ

• 名古屋大学大学院理学研究科：
  山本知樹（大学院生）、遠藤駿典（大学院生）、清水裕彦（教授）、広田克也（特任准教授）、新實裕大（大学院生）、石崎貢平（大学院生）
• 名古屋大学 素粒子宇宙起源研究所：
  北口雅暁（准教授）
• 原子力機構（J-PARC）：
  奥平琢也（博士研究員）、奥隆之（研究主幹）、酒井健二（研究主幹）
• 東京工業大学 理学院：
  谷結以花（大学院生）、藤岡宏之（准教授）
• 高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所：
  猪野隆（講師）
• 大阪大学 核物理研究センター：
  吉川大幹（大学院生）、嶋達志（准教授）
• 原子力機構（原子力基礎工学研究センター）：
  遠藤駿典（研究員・併）、木村敦（研究主幹）
• 九州大学大学院理学府：
  古賀淳（大学院生）、高田秀佐（大学院生）、牧瀬壮（元大学院生）
• 九州大学 先端素粒子物理研究センター：
  吉岡瑞樹（准教授）

＜付記＞

各研究者の役割は以下の通りです。

実験の実施： 山本、遠藤、新實、石崎、奥平、谷、吉川、木村、古賀、高田、牧瀬
データ解析： 山本
実験デザイン、解析結果に関する議論： 共同研究者全員
装置開発： 山本、奥平、奥、酒井
統括： 清水

論文情報

掲載誌 :	Physical Review C
論文タイトル :	Transverse asymmetry of γ rays from neutron-induced compound states of 140La
著者 :	T. Yamamoto1, T. Okudaira2, S. Endo1,2, H. Fujioka3, K. Hirota1, T. Ino4, K. Ishizaki1, A. Kimura2, M. Kitaguchi1, J. Koga5, S. Makise5, Y. Niinomi1, T. Oku2, K. Sakai2, T. Shima6, H. M. Shimizu1, S. Takada5, Y. Tani3, H. Yoshikawa6, T. Yoshioka1
所属 :	1名古屋大学 2JAEA 3東工大 4KEK 5九州大学 6大阪大学
DOI :	10.1103/PhysRevC.101.064624

• プレスリリース 中性子で迫る宇宙創成の謎 —大強度偏極熱外中性子で、原子核内での対称性の破れの増幅現象に迫る—
• 2019年度「東工大挑戦的研究賞」授賞式 —独創性豊かな若手研究者10名を表彰—｜東工大ニュース
• 藤岡研究室
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 藤岡宏之 Hiroyuki Fujioka
• 理学院 物理学系
• 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構
• 大強度陽子加速器施設 J-PARC
• 名古屋大学 大学院理学研究科
• 名古屋大学 素粒子宇宙起源研究所
• 高エネルギー加速器研究機構
• 大阪大学 核物理研究センター
• 九州大学 理学研究院 理学府 理学部
• 研究成果一覧