何を見ているかを当てる技術

NATIONAL GEOGRAPHIC NEWSの記事（3/5）から。"Brain Reading" Device Can Predict What People See

A new computer program can match brain activity with visual images and even predict what people are seeing, a study has shown.

The work raises the possibility that one day computers could "read" a person's brain to digitally re-create memories, dreams, or imaginings.

脳の活動状況の観測結果から人が何を見ているのかを予測するプログラムが開発されたというニュース。この研究が進展すると、人の記憶、夢、想像などを読み取ることができるようになるかもしれない、というわけで、これはすごいというか、ちょっと怖い使い方も考えられる。。

The researchers used functional magnetic resonance imaging (fMRI) to measure activity in the visual cortices of participants' brains as they looked at photographs of animals, food, people, and other common objects.

The fMRI technique is a relatively new way to measure changes in the brain's blood oxygen levels, which have strong links to neural activity.

The collected data were used to "teach" a computer program to associate certain blood flow patterns with particular kinds of images.

Participants were then asked to look at a second set of images they had never encountered before.

The model was programmed to take what it had learned from the previous pairings and figure out what was being shown in the new set of images.

まず、被験者に動物、食品、人および他の普通の物体の写真を見せ、その時の脳の活動の様子をfMRIで観測する。このデータを集め、脳の血流のパターンと画像の種類との関係をコンピュータで解析する。こうして多くのデータを元にモデルを学習させることで、精度の高い予測モデルを作り上げたということらしい。

For a collection of 120 images, the model correctly identified what a person was looking at 90 percent of the time. When the set was enlarged to a thousand images, accuracy was about 80 percent.

120枚の写真のセットを使用すると正答率は90%にもなるようだ。また、セットを1000枚に拡大しても正答率は80%程度となかなかのものだ。となると、次には人が何を思っているのかを予測するような技術の可能性を考えてしまうが、

Before such a device can be built, however, researchers must first answer important questions about dreams, memories, and imagination.

"Perhaps the contents of our imaginations are not represented in the same way as the contents of our actual real perceptions," Kay said.

"In this case, we will have to investigate how imagination is represented and construct appropriate computational models."

実際に物を見るのと、頭の中で思い描くのとは脳の中の活動状況も異なるだろうということで、今回の技術の単純な延長線上にゴールがあるわけでもなさそうだ。

A brain-reading device would be valuable for probing phenomena that are difficult to study using conventional means, such the differences in perception among people, the researchers said.

But the team notes that such a device could be used for more sinister purposes as well.

The privacy and ethical concerns associated with a brain-reading device would parallel those surrounding human genome sequencing, the researchers said.

In both cases, care will need to be taken so that the rights of individuals are not violated.

この記事は、脳の中を読み取るという技術の行く先は、確かに有益な使い道がいろいろとあるのだろうけど、同時にプライバシーや倫理の面でも十分に配慮して、人権を守ることが重要だと結ばれている。

確かに勝手に脳の中を読み取れるような装置ができたら、それは相当に嫌な話だ。とはいえ、今回の技術は、あくまでも数種類の写真のどれを見ているのかを予測するというレベルであり、形、色、大きさなどがわかるわけではなさそうだし、まして特定の写真に限定しないで、普通にある瞬間のｆMRIの結果を見て、その人が何を見ているのかがわかるようになるまでには相当に大きなハードルを越えなくてはいけなそうだ。さらに、頭の中で思い描いたことを読み取れるなんてところまで到達するのだろうか？　

でも、いつそんな技術が出てくるかわからないわけだし、この手の研究をする場合には、被験者によく説明して、ちゃんと了解してもらった上で、プライバシーや人権に配慮して研究しなくては駄目というのも確かだ。バイオテクノロジー関連だと倫理面などからの規制が実際に考えれ、行われているけれど、脳科学の分野はその点がまだ整備されていない面があるようだ。

Nature News、Abstract : Nature

吐息を分析して病気をみつける

Science Daily のニュース（2/20)から。Laser Light Can Detect Potential Diseases Via Breath Samples

By blasting a person's breath with laser light, scientists from the National Institute of Standards and Technology and the University of Colorado at Boulder have shown that they can detect molecules that may be markers for diseases like asthma or cancer.

While the new technique has yet to be tested in clinical trials, it may someday allow doctors to screen people for certain diseases simply by sampling their breath, according to the research team from JILA, a joint institute of NIST and CU-Boulder. "This technique can give a broad picture of many different molecules in the breath all at once," said Jun Ye, a fellow of JILA and NIST who led the research.

人の吐息にレーザー光を照射することで、吐息中に含まれる喘息やガンなどの病気に特有の分子種を検出し、病気の診断が可能となる分析技術を開発したというニュース。まだ実験段階だが近い将来には医師が患者の診察をする際の助けになるだろうとのこと。

Known as optical frequency comb spectroscopy, the technique is powerful enough to sort through all the molecules in human breath and sensitive enough to distinguish rare molecules that may be biomarkers for specific diseases, said Ye.

When breathing, people inhale a complex mixture of gases, including nitrogen, oxygen, carbon dioxide, water vapor and traces of other gases like carbon monoxide, nitrous oxide and methane, said Ye, an adjoint professor of physics at CU-Boulder. Exhaled breath contains less oxygen, more carbon dioxide and a rich collection of more than a thousand types of other molecules, most of which are present only in trace amounts.

開発した技術は光学周波数コム分光として知られている技術を応用したもので、病気に特有の分子種（バイオマーカー）を非常に高感度に分析できるようだ。人の吐息中には、窒素、酸素、二酸化炭素、水蒸気などのガスの他に、数千種類の分子種が微量に含まれるとのこと。

Just as bad breath can indicate dental problems, excess methylamine may signal liver and kidney disease, ammonia may be a sign of renal failure, elevated acetone levels can indicate diabetes and nitric oxide levels can be used to diagnose asthma, Ye said.

When many breath molecules are detected simultaneously, highly reliable, disease-specific information can be collected, said Ye. Asthma, for example, can be detected much more reliably when carbonyl sulfide, carbon monoxide and hydrogen peroxide are all detected simultaneously with nitric oxide.

たとえば、吐息中にメチルアミンが多く含まれるときには肝臓や腎臓の疾患、アンモニアが多いときには腎臓の病気、アセトンが多く含まれるときは糖尿病、一酸化窒素が多いときには喘息、がそれぞれ疑われるとのこと。さらに、同時に複数の分子を検出できると信頼性が高くなり、一酸化窒素と同時に硫化カルボニル、一酸化炭素および過酸化水素がすべて検出されると喘息の疑いが高くなるという具合だ。

The optical frequency comb is a very precise laser for measuring different colors, or frequencies, of light, said Ye. Each comb line, or "tooth," is tuned to a distinct frequency of a particular molecule's vibration or rotation, and the entire comb covers a broad spectral range -- much like a rainbow of colors -- that can identify thousands of different molecules.

Laser light can detect and distinguish specific molecules because different molecules vibrate and rotate at certain distinct resonant frequencies that depend on their composition and structure, he said. He likened the concept to different radio stations broadcasting on separate radio frequencies.

The optical frequency comb was developed in the 1990s by Ye's JILA, NIST and CU-Boulder colleague John L. "Jan" Hall and Theodor W. Hansch of Germany's Max-Planck Institute, who shared the 2005 Nobel Prize in physics with Roy J. Glauber for their work.

従来の分析装置では、これら微量のバイオマーカーを同時に多種類分析するのは困難だったが、これが今回開発した光学周波数コム分光技術により安価に可能となるとされている。この方法は櫛の歯状の多数の周波数の光を試料に照射し、その吸収スペクトルから分子種と濃度を測定するもので、キーとなる光学周波数コム技術は2005年のノーベル物理学賞を受賞したとのこと。調べてみると、単一波長のレーザー光を非線形光学結晶に入力することで、周波数間隔が等しく、強度の揃った多波長レーザー光が出力できるというものらしい。

今回は、この方法を応用した分析装置を開発し、実際に何人かの学生の吐息を分析し、微量のアンモニア、一酸化炭素、メタンなどを測定できたとのこと。この論文は今のところこちらから無料で読める。論文中には装置の模式図なども載っていて、眺めるだけでもある程度のことがわかる。

まあ、ガン探知犬のニュース（こちらやこちら）もあったことだし、犬にできることが機械にできても不思議はないし、患者にとっても犬にガンを見つけてもらうよりは機械で分析してもらった方が納得できるのではなかろうか。

アルミ水素化物を用いた水素貯蔵タンク

日本経済新聞、2/15朝刊のテクノロジー面の記事。

燃料電池用貯蔵タンク　マッチ箱サイズに水素９リットル
東北大と日本製鋼所　携帯機器利用めざす

　日本製鋼所と東北大学の折茂慎一准教授、池田一貴助教らは、マッチ箱ほどの小型水素貯蔵タンクを開発した。水素をアルミ水素化物としてためる交換型のタンクで、代表的な水素吸蔵合金より水素を約四割多く取り出せる。燃料電池と組み合わせてノートパソコンなどの携帯機器に使える電池を目指す。

　開発したタンクは、幅４センチ、長さ６センチ、厚さ５．５ミリのアルミ容器にアルミ水素化物の微粒子を詰め込んだ構造。このアルミ水素化物は日本製鋼と東北大が合成技術を共同開発した独自の水素吸蔵材料。セ氏８０度以上で水素ガスを放出する。実験では９．３リットルの水素ガスを取り出すことに成功。代表的な水素吸蔵合金のランタン・ニッケル・水素より約４３％多く出せた。アルミ水素化物をさらに改良して、携帯機器の放熱を利用できる６０度で水素を出せるようにする。

　アルミ水素化物は一度水素をはき出すとアルミになり元に戻せないため、実用化に当たってはタンクを取り換えて使う。早くて３年後の実用化を目指す。

ということで、折茂慎一さんという名前に覚えがあったので、このブログを検索してみたら2004年に、リチウム系水素貯蔵化合物の記事で紹介していた。今回はこの時とは異なる系ということになる。折茂さんの研究室のサイトはこちら。

東北大学のサイトで探してみたら、2007年7月のプレスリリースが見つかった。これによると、この水素吸蔵物質は AlH3 であるが、水素吸蔵に適した材料の合成技術を日本製鋼と共同で開発したということのようだ。ただし、その合成プロセスは結構複雑で、現時点ではコストがかなりかかるようだ。

水素化アルミニウムというとこんな情報やこんな情報を見ると、相当に不安定な物質という印象もあるが、上のプレスリリースを見る限り、この水素吸蔵物質の場合には、常温で数ヶ月間保管できたということで、うまく安定化させているのかもしれない。とはいえ、所詮は熱で分解して水素を放出する物質なわけだし、本質的には水素化アルミニウムなんだから、タンクが壊れたり、水に浸かったり、高温に曝されたりしたら結構危ないかもしれない。

それに加えて、使い切ったらカートリッジを交換する必要があるというのは面倒かもしれない。携帯機器用ならまだしも、自動車用の場合、冒頭に紹介した日経新聞によると

　自動車用に開発が進む３５０気圧の高圧水素タンクと比較して約３．６倍の水素を貯蔵でき、９０リットルタンク１本で６５０キロメートル走行できる計算になるという。

　水素吸蔵合金は安全性などに優れるが自動車に搭載するには重すぎる欠点もある。共同開発した貯蔵材料を採用すれば９０リットルタンクの重さを２２０キログラムから１００キログラムに軽くできるとみている。

ということで、使い切ったら100kgのカートリッジを交換する必要がありそうだ。それは相当に大変な力作業となりそうだな。。

膝発電は意外と効率的

最新号のScienceに掲載された話なので、アメリカ方面のニュースサイトでは多く扱われているが、代表してScience Dailyのニュース（2/8）から。Knee Brace Generates Electricity From Walking

A new energy-capturing knee brace can generate enough electricity from walking to operate a portable GPS locator, a cell phone, a motorized prosthetic joint or an implanted neurotransmitter, research involving the University of Michigan shows.

The wearable mechanism works much like regenerative braking charges a battery in some hybrid vehicles, said Arthur Kuo, an associate professor of mechanical engineering at U-M and an author of the paper.*

Regenerative brakes collect the kinetic energy that would otherwise be dissipated as heat when a car slows down. This knee brace harvests the energy lost when a human brakes the knee after swinging the leg forward to take a step.

人の膝に取り付けて、歩行中に発電しようという装置の話。ポータブルGPSや携帯電話、あるいは体内に埋め込んだ電気機器などの電源に使おうということらしい。人の歩行エネルギーを有効に使って発電しようというのはいいが、結局人間がそれ以上に体力を使いそうな気がするがどうなのだろう？　今回の装置は、ハイブリッドカーが減速時にエネルギーを回収しているのと同様に、人間が歩行時に足を前後に振る際の、足の動きを減速しようとする際のエネルギーを有効に回収しようという試みであり、通常は無駄に失われている分とのこと。

"There is power to be harvested from various places in the body, and you can use that to generate electricity. The knee is probably the best place," he said. "During walking, you dissipate energy in various places, when your foot hits the ground, for example. You have to make up for this by performing work with your muscles.

"The body is clever," Kuo said. "In a lot of places where it could be dissipating energy, it may actually be storing it and getting it back elastically. Your tendons act like springs. In many places, we're not sure whether the energy is really being dissipated or you're just storing it temporarily. We believe that when you're slowing down the knee at the end of swinging the leg, most of that energy normally is just wasted."

人の運動を利用して電気を得ようとするなら、膝が最も効率的と考えられているようだ。ただし、人が運動する際にあちこちでエネルギーが無駄に失われているようだが、実は弾性エネルギーや他の形で蓄えられるものもあるようで、結構複雑らしい。それでも歩行中に足を前後にスイングさせる際に、足を減速させる動きはエネルギーを無駄に消費していると考えて良いようだ。

The scientists tested the knee brace on six men walking leisurely on a treadmill at 1.5 meters per second, or 2.2 miles per hour. They measured the subjects' respiration to determine how hard they were working. A control group wore the brace with the generator disengaged to measure how the weight of the 3.5-pound brace affected the wearer.

In the mode in which the brace is only activated while the knee is braking, the subjects required less than one watt of extra metabolic power for each watt of electricity they generated. A typical hand-crank generator, for comparison, takes an average of 6.4 watts of metabolic power to generate one watt of electricity because of inefficiencies of muscles and generators.

実際に、この装置の発電効率を知るために、装置をオンにした場合とオフにした場合で歩行時の消費エネルギーがどの程度変化するかをトレッドミルで調べたようだ。その結果、1ワット（ワット時の間違い？）を得るのに消費した余計なエネルギーは1ワット未満であり、従来の手回し発電機で1ワットを得るのに要する6.4ワットと比べると非常に効率的であったとのこと。

発電されるエネルギーより消費エネルギーの方が小さいようだから、確かに従来は無駄に失われていたエネルギーを有効に回収できているんだろうけど、それでもやっぱり余計にエネルギーを消費するのは確かなようだ。まあ、これを使うことで膝に余計な負担が掛かって障害が出たりすることがないのなら、エクササイズにもなるし悪くはないかもしれない？

"We've demonstrated proof of concept," Kuo said. "The prototype device is bulky and heavy, and it does affect the wearer just to carry. But the energy generation part itself has very little effect on the wearer, whether it is turned on or not. We hope to improve the device so that it is easier to carry, and to retain the energy-harvesting capabilities."

A lighter version would be helpful to hikers or soldiers who don't have easy access to electricity. And the scientists say similar mechanisms could be built into prosthetic knees other implantable devices such as pacemakers or neurotransmitters that today require a battery, and periodic surgery to replace that battery.

今回の装置はプロトタイプであり、重量が3.5ポンド（約1.6kg）もあるので、身に着けているだけでも負荷が大きいが、この発電原理の有効性は実証されたし、発電機構そのものは使用者にほとんど負荷を掛けないということで、今後小型化を進めることで、ハイカーや兵士用の装着型発電機としてや、体内にこの原理を応用した発電機を埋め込んでペースメーカーなどの電気装置の電源として使用する用途などに有望だろうとのこと。

ちょっと調べた範囲では、膝で発電するというアイデアは従来あまり注目されていなかったのか、同様のコンセプトの装置は見つからなかった。人体で発電しようというアイデアとしては、他に体温を使おうというものがあるようだ。変なものとしては、鼻息発電で光るピアスなんてものが見つかった。

DNAを使って微粒子を３次元構造に配置

Reutersの記事（1/30）から。DNA does the work: Building new gold crystals

CHICAGO (Reuters) - Using DNA, the blueprint of life, U.S. researchers said they have made a three-dimensional structure from particles of gold in a development that could lead to a host of custom-designed materials.

The technique helps solve a basic problem in nanoscience: getting impossibly small particles to assemble themselves according to a predetermined design.

"We're using inspiration from life to create new forms of matter," said Chad Mirkin, director of Northwestern University's International Institute for Nanotechnology in Evanston, Illinois. "It's a real example of man over nature."

The idea takes advantage of the molecular biology of DNA, in which one strand of DNA forms a bond with a complementary strand to make what is called a base pair.

DNAの塩基対を利用して、ナノサイズの金の微粒子を３次元的に配置した構造を作ることに成功したというナノテクノロジーの最新技術の話。

The idea takes advantage of the molecular biology of DNA, in which one strand of DNA forms a bond with a complementary strand to make what is called a base pair.

Mirkin and colleagues simply design the specific genetic code using the four building blocks of DNA -- adenine, guanine, cytosine and thymine or A, G, C and T -- and attach the gold particles to those strands.

"Think of it as taking a set of particles, modifying them with short strands of DNA and making those particles like chemically specific Velcro," Mirkin said in a telephone interview.

"I can add complementary strands of DNA that bind with one another in preconceived and highly designed ways."

DNAを構成する塩基鎖はそれぞれ特定の塩基とペアを組む。金の微粒子に適当な長さの塩基鎖を取り付け、別の金粒子にはそれとペアを組む相補的な塩基鎖を取り付けておくと、これらを混ぜたときに、相補的な塩基鎖同士が結合するので、結果として金の微粒子同士を特定の距離で結合させることができる。この手法を３次元に拡張すると、人間が設計した通りの３次元構造を持つナノ粒子の構造物を作ることができるというアイデアのようだ。

ノースウエスタン大学のグループでは、実際にこの手法で実際に体心立方構造と面心立方構造を作ることができたとのこと。（参考：NewScientist.com）　このニュースの元となったのは今週のNatureに掲載された異なるグループによる２つの研究。（DNA-programmable nanoparticle crystallizationと DNA-guided crystallization of colloidal nanoparticles）　同じ Nature の今週のHIGHLIGHTSの日本語要約（要ログイン）によると、

DNA中の塩基の対合によって有用な材料の結晶化を誘導できるのではないかという発想は、ナノテクノロジーにとって魅力的である。ナノ粒子に付着させた DNAが粒子の集合に影響を与えることが初めて示されてから10年以上たった今、2つのグループがこのアイデアを実行に移した。Parkたちは、金ナノ粒子に付着させたDNA分子と粒子をリンクするのに使うDNA分子を選んで、ナノ粒子を面心立方晶あるいは体心立方結晶のいずれかに自己集合させられることを実証している。

とあり、10年以上前に見出された手法を基に、初めて3次元構造を作り上げたということのようだ。原理的にはこの手法を使うことで、１個１個の原子を完全に設計図どおりに配置することも可能で、これにより完全にオーダーメードの物質作りも可能となるわけだ。将来的には、フォトニクス、磁気的応用、生物医学センシング、情報およびエネルギーの蓄積などの分野での応用が考えられているようだ。

DNAの塩基対を使うことで、粒子間の距離を正確にコントロールすることができそうなことは理解できるのだが、これを３次元に広げるのはそんなに簡単なこととは思えない。各粒子はその周囲の複数の粒子（配位数分の粒子）と結合する必要があるわけで、塩基鎖をその数だけ、しかも粒子の表面の特定の位置（結合相手の粒子と正対する位置）に、それぞれ相手の粒子との距離が正確に望みどおりとなるように取り付けなくてはいけないのではないだろうか？　

例えば、上のニュースに絵が載っている体心立方格子を作る場合、各粒子は8配位しているから、8本の塩基鎖を金ナノ粒子上の正しい位置にそれぞれ取り付けなくてはならないのではないだろうか？　そもそも特定の長さの塩基鎖を粒子の表面に取り付けるなんてことはどうやって実現するのだろう？　しかも、各金粒子に何本の塩基鎖をくっつけるのかなんてことまでコントロールできるのだろうか？　

原理的にはわからんでもないけど、どうやって実現するかとなると、相当にハードル高そうに思うし、実際の実験操作となるとまるで具体的にイメージできない。でも、実際に体心立方格子と面心立方格子ができたということだから、最先端のナノテクノロジーというか、バイオテクノロジーはすごい！　と驚くしかない。。

ちなみに、こうしてできた３次元構造は非常にスカスカで、ナノ粒子が全体に占める割合はわずか5%程度、DNAも5%程度ということで、90%近くが自由空間ということで、それはそれで面白い用途がありそうな構造のようだ。

なお、Natureの論文のタイトルなどでも、この技術を crystallization と呼んでいるけど、こういうのを結晶化と呼ぶのだろうか？　通常の結晶の場合、構成要素はあくまでも原子や分子だが、こいつはどんなに３次元的に規則的に配置されているとはいっても構成要素がナノ粒子だし、結晶という言葉を使うのは抵抗があるなあ。。

貴金属を使わないディーゼル排ガス浄化システム（ＥＣＲ）

1/18の日本経済新聞のテクノロジー面で見つけた記事。

ディーゼル排ガス　貴金属使わず浄化　立命大など　ＰＭほぼ完全除去

　立命館大学の吉原福全教授と堀場製作所は、高価な貴金属を使わないディーゼル排ガス浄化装置を開発した。実験室段階では粒子状物質（ＰＭ）はほぼ完全に、窒素酸化物（ＮＯｘ）は９割以上取り除ける。自動車やセラミックスのメーカーと組んで改良を進め、乗用車やトラック向けに３－４年後の実用化を目指す。

　ディーゼル排ガスの浄化には、ＰＭを捕まえるフィルターとＮＯｘを分解する貴金属触媒が必要。触媒は白金など高価な貴金属を排気量１リットルにつき５－１０グラムほど使っているという。白金は世界的な自動車排ガス規制の強化で需要が高まり、値上がりしている。

　開発した技術は燃料電池用のセラミックスを使う。主な成分はガラスや半導体の研磨材に使う安価な酸化セリウム。フィルター状になったこのセラミックスに排ガスを通し、電圧をかけて排ガスのＮＯｘを分解。取り出した酸素イオンでＰＭを浄化する。この過程でＮＯｘとＰＭは無害な二酸化炭素（ＣＯ2）と窒素、水になる。（以下略）

という記事なのだが、何回読んでもどんな構成となっているのかわからない。燃料電池用のセラミックスって何だろう？　SOFCだったらジルコニアかな？　酸化セリウムは少なくとも主原料としては使われないと思うけど、どうだろう？　電圧をかけて分解し、酸素イオンを取り出す？　うーむ？？

探してみたら、NEDOのサイトで、「革新的次世代低公害車総合技術開発」中間評価分科会資料という詳細な資料がみつかった。システムの概要として「多孔質固体電解質を介してフィルタリングによるアノード極でのＰＭの捕集と、カソード極でのＮＯｘ吸蔵材によるＮＯの吸蔵を行い、固体電解質への通電によりＰＭとＮＯの同時低減を図るシステム（以下ＥＣＲ：electrochemical reduction と呼ぶ）の開発」と書いてある。

メカニズムの説明によると、

・排ガスをアノード側からカソード側に透過
・アノードへフィルタリングによってPMを捕集
・カソードでNOx吸蔵材によってNOxの吸蔵
・固体電解質の通電により酸素イオンが強制的にカソードからアノードに移動
・アノードでは酸素雰囲気となりPMが酸化
・還元雰囲気となるカソードではNOxが還元
・併せてアノードではHCやCOなどの未燃焼成分の酸化分解
・カソードでのNOx吸蔵を促進するために排ガス中のNOのNO2への酸化

という説明がある。固体電解質としては多孔質のYSZ（イットリア安定化ジルコニア）または多孔質のSDC（サマリウム添加セリア）を使用し、NOx吸蔵材としては、SDCまたはBaを使用したテストを行っている。ということで、この方式の全体構成や原理については、この資料の説明と模式図でどうにか理解できたけど、それを踏まえてもあの新聞記事の説明では理解が難しいと思うけど。。　せめて説明図だけでも記事中に入れて欲しいところだ。

ところで、SOFC型の燃料電池の電解質にはジルコニア系が使われるものだと思っていたけど、ここの説明にあるように、セリア系やランタンガレート系なども候補材料となっているようだ。

この排ガス浄化システムは、なかなか面白いシステムだと思うけど、ガスの透過量とか、酸素イオンの移動速度とかを考えると、現実的な大きさの装置で目標の性能を達成できるのだろうか？という疑問や、既存の触媒システムの場合は特に外部エネルギーは使わないのに、このシステムだと電気エネルギーが必要だけど、どうなんだろうなんていう疑問が出てくる。

しかし、このレポートを読むと、どうやら（いくつかの課題が無事に解決できるという仮定を置いた場合には）実用に耐えられるレベルの装置が既に視野に入っている状態のようで、意外にも（？）結構期待できる技術なのかもしれない。まあ、実際に自動車に搭載するまでにはクリアしなくてはならないハードルは相当に高そうだし、この手のレポートは多少割り引いて読む必要もありそうだけど、ともかくも注目しておく価値がありそうだ。

モスアイ型の無反射フィルム

化学工業日報（The Chemical Daily）のニュース（1/17）から。三菱レイヨン、モスアイ型無反射フィルムの連続製法開発

　三菱レイヨンは１６日、世界で初めて連続製造が可能なモスアイ（蛾の目）型の無反射フィルム製造プロセスを開発したと発表した。財団法人・神奈川科学技術アカデミー（ＫＡＳＴ）と共同で取り組んできたもので、同フィルムの反射率は０．１％以下。両者は同フィルムの大面積化および量産技術の開発に着手しており１０年の量産化を目指す。従来の反射防止フィルムを凌駕する特性を生かし、フラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）やモバイル機器、建材などに幅広く展開したい考え。

モスアイ型というのは聞いたことがなかった。蛾は英語で moth 、モスラの語源もここから来てそうだが、昆虫の分類などには結構大雑把で、何でもinsectとか呼んじゃう欧米人が、蝶と蛾を区別していたとは意外な感じもする。。　さて、三菱レイヨンのプレスリリースを見ると、モスアイ型の無反射フィルムは

　フィルムの表面に百ナノ（ナノは10億分の1）メートルスケールで規則的な突起配列を有する構造を持つフィルムです。この突起構造を持ったフィルムは、厚み方向の屈折率が連続的に変化するため、フィルムにあたる光を反射させることがほとんどありません。今回作製したモスアイ型無反射フィルムの反射率は 0.1％以下で、一般的な反射防止フィルムと比べ1／20以下と飛躍的な性能を示しています。

とのこと。製造方法は、神奈川科学技術アカデミー（KAST）のナノホールアレーと呼ばれる、陽極酸化により表面に規則的な細孔を形成したアルミ板を、いわば鋳型のように利用してアクリル樹脂表面に微細な突起を形成したようだ。

蛾の眼は、透けない白 VS. 本当の黒で説明されているように、眼の表面が微細で規則的な凹凸構造となっており、これが極めて反射率の小さい、従って微量の光を効率よく取り込むことができるようだ。これにより蛾は夜間でも活動ができるということらしい。

実は、表面に微細な凹凸を形成することで反射防止をしようというアイデアは、従来から知られているし、このブログでもナノ表面構造による反射防止技術として昨年紹介している。このときに調べた技術と呼び名や製造方法は異なるものの、その原理は全く同じもののようだ。今回の技術はガラスではなく樹脂を対象としていることや、恐らく製造方法が比較的シンプルで安価で大量生産が可能となることが期待されるみたいだし、我々の身近なところに広まる技術となるかもしれない。

京都議定書の約束期間はもう始まってるの？

年末年始は急な仕事が入ったことに加え、ダイヤルアップでしかネットにつながらない環境にいたので、ご無沙汰してましたが、遅ればせながら本年もよろしくお願いいたします。

久々にダイヤルアップでネットにつないでみたが、その不便なことに驚かされた。昔は特にストレスなく見ることができたニュースサイトなども、広告や多くの画像が貼り付けられているために非常に重くて、到底実用にならないことに辟易とさせられた。それでも毎日の天気予報だけは頑張ってダウンロードしたので、東京地方の過去の天気予報は、何とかデータを欠くことなく継続できた。

さて、今年は京都議定書の約束期間が始まる年ということで、年明けからそれに関するニュースなどを何度か見聞きしたのだけど、1月から約束期間が始まったという趣旨のニュースもあれば、いよいよ今年の4月から約束期間が始まるというニュースもあったりで、何だか混乱してしまった。まあ、1月から始まろうが、4月から始まろうが大勢に影響はないのだろうけど、何だか気になるところ。

調べてみると、例えばMSN産経ニュースでは

　地球温暖化防止に向けて、先進国に二酸化炭素（ＣＯ２）など温室効果ガスの削減を義務づけた京都議定書の第１約束期間（２００８～１２年）が１日から始まる。先進国全体で１９９０年に比べ、年平均５・２％削減することを目指し、日本も平均６％の削減が義務づけられている。

　温室効果ガスにはＣＯ２のほか、メタン、一酸化二窒素（Ｎ２Ｏ）、代替フロンなどがある。日本は統計上の問題から年度ベースでの対応となり、実際に約束期間の排出量として算入されるのは４月からとなる。

とあり、世界的には1月からの排出量がカウントされるのに対し、日本は4月からの排出量がカウントされるということらしい。一方、asahi.comによると

　排出量は、各国が石油消費量などの統計から国際ルールに基づいて計算し、国連気候変動枠組み条約事務局に報告する。日本では、温室効果ガスの量の９５％を占める二酸化炭素とメタン、一酸化二窒素は年度ごとの統計に基づくため、約束期間の排出分に算入されるのは４月１日からになる。１月から算入されるのは、業務用冷蔵庫の冷媒などに使われる代替フロンなど３種類のガス。

とあり、二酸化炭素やメタンなどは4月から、代替フロンなどは1月からカウントするというとても複雑なルールになっているようだ。それにしても、暦年と年度が一致しないのは日本だけなのだろうか？

環境省のサイトで気候変動枠組条約・京都議定書のページ周辺をざっと見た限り、各国の約束期間が何月から始まるのかなどの具体的な規定が書かれているページは見つからなかった。少なくとも、京都議定書や気候変動枠組条約そのものにはそんな細かなことは記載されていないようなので、別の取り決めで細かなことが規定されているのだろう。環境省のサイトなどを頑張って探してみたのだけれど、結局それらしい情報を見つけることはできなかった。。

安井さんの市民のための環境学ガイドでも京都議定書第一約束期間スタートでも議論されているように、このまま行くと日本は京都議定書の約束を果たすのは相当に大変な状況にあるのは間違いないようだ。3か月だけでも先延ばしできるということは取り組みの遅れている日本にとってはちょっとだけでもありがたいことなのかもしれない。

火星に小惑星が衝突する？

Los Angeles Timesの記事（12/21）から。Asteroid on track for possible Mars hit

An asteroid similar to the one that flattened forests in Siberia in 1908 could plow into Mars next month, scientists said Thursday.

Researchers attached to NASA's Near-Earth Object Program, who sometimes jokingly call themselves the Solar System Defense Team, have been tracking the asteroid since its discovery in late November.

The scientists, at the Jet Propulsion Laboratory in La Canada Flintridge, put the chances that it will hit the Red Planet on Jan. 30 at about 1 in 75.

A 1-in-75 shot is "wildly unusual," said Steve Chesley, an astronomer with the Near-Earth Object office, which routinely tracks about 5,000 objects in Earth's neighborhood.

ここのところ、火星が地球に接近しているということで、火星に関する話題が豊富なのだが、何とその火星に来年早々にも小惑星が衝突する可能性があるというニュース。NASAの発表なので、それなりの信憑性のあるニュースのようだ。今のところ衝突する可能性のあるのは、来年の1月30日。衝突確率は75分の1。天体の衝突確率としては異例に高い確率のようだが、実際に衝突する所が見られるだろうか？という期待を込めるには小さすぎる確率という気がする。

The asteroid, designated 2007 WD5, is about 160 feet across, which puts it in the range of the space rock that exploded over Siberia. That explosion, the largest impact event in recent history, felled 80 million trees over 830 square miles.

The Tunguska object broke up in midair, but the Martian atmosphere is so thin that an asteroid would probably plummet to the surface, digging a crater half a mile wide, Chesley said.

この衝突するかもしれない天体は2007WD5というもので、大きさが160フィート（約49m）。1908年にシベリアに落下したとされる天体とほぼ同等の大きさらしい。この時には大気との摩擦のために壊れながら地上に落下したようだが、火星の場合には大気が非常に薄いために、ほぼそのまま高速で衝突し、幅が800m程度のクレーターができるだろうと予想されている。

The impact would probably send dust high into the atmosphere, scientists said. Depending on where the asteroid hit, such a plume might be visible through telescopes on Earth, Chesley said.

The Mars Reconnaissance Orbiter, which is mapping the planet, would have a front-row seat. And NASA's two JPL-built rovers, Opportunity and Spirit, might be able to take pictures from the ground.

Because scientists have never observed an asteroid impact -- the closest thing being the 1994 collision of comet Shoemaker-Levy with Jupiter -- such a collision on Mars would produce a "scientific bonanza," Chesley said.

The asteroid is now behind the moon, he said, so it will be almost two weeks before observers can plot its course more accurately.

もしも衝突すれば、地球からでも観測可能な派手なイベントとなりそうだが、何と言っても、現在火星の軌道を回って観測をしているマーズ・リコネッサンス・オービターや、火星上で今も頑張っている2台のローバー、オポチュニティとスピリットが、正に特等席から観測することが期待される。とても貴重な写真や探査データを送ってくれることが期待できるということで、こんな珍しい事象はそう滅多に見られるものではないし、天文学者などは何とか衝突してくれることを願っているようだ。現在この小惑星は月の向こう側にあるため、より正確に軌道が求まるのは2週間後になるとのこと。

もしも地球に衝突する確率が1/75ということになるとむちゃくちゃな大騒ぎになるのは必死だけど、火星に衝突するかもしれないとなると、是非とも衝突して欲しいと期待することになるのも面白いものだ。。　それにしても、今回の小惑星が見つかったのは今年の11月後半のことらしいから、見つかってから衝突までの時間が非常に短い。（火星と小惑星帯が近いという理由が大きいだろうけど）　もしも、2ヶ月後に地球に衝突する可能性が高いという天体が突然発見された場合、一体何ができるだろう？

なお、NASA、JPL、NEOなどのサイトなどをちょっと探してみたが、この件に関するリリースは見つからなかった。

鉄系酸化物を使用した新規排ガス触媒

FujiSankei Business iのニュース（12/19）から。貴金属７割削減　新日鉄マテリアルズが新触媒開発

　新日鉄マテリアルズ（東京都千代田区）は１８日、高騰が続くプラチナなどの貴金属使用量を約７割削減できる、排ガス浄化触媒の新材料を開発したと発表した。モータリゼーションが進む中国、インドなどＢＲＩＣｓ諸国でも環境規制が始まる中、安価な触媒技術開発への期待は高い。新技術は新興市場の実質標準になる可能性もあり、ユーザーの自動二輪車メーカーは新材料のサンプル評価を進めている。

　ガソリンエンジン向け排ガス浄化用触媒は、マフラー内に仕込まれたハチの巣状編み目材（ハニカム）に塗布される。触媒成分であるプラチナ、パラジウム、ロジウムの３貴金属が、排ガス内の窒素酸化物など有害物質と反応し、二酸化炭素や水を無害化する。

　今回、同社が開発したのは、これら触媒成分を含んでハニカムに分散塗布する土台材。現在はアルミニウム系酸化剤が土台材に使用されているが、同社が開発した鉄系酸化物に置き換えたところ、プラチナを使用しなくても、従来と同等以上の排ガス浄化効果と耐久性、耐熱性を実現した。この結果、貴金属の使用量は約７割削減できた。

　仕組みは、鉄系酸化物の構造にある。貴金属を表面だけに含み、３層構成により各温度帯で酸素の取り込みをよくすることで、少ない貴金属で効率のよい反応を引き起こす。運転条件によっては、３貴金属の中で最も高価なロジウムも不要になる結果が得られた。この場合、貴金属は９割削減できる。（後略）

貴金属量を大幅に減らせるというこの技術はなかなか興味あるのだが、その前に記事の内容に突っ込んでおこう。

「ハチの巣状編み目材（ハニカム）」はやっぱり変だろう。ハニカムの実物を見たことがあれば、編み目材とは表現しないだろうと思う。どちらかというと網目材かなあ？　ただし、自動車触媒に一般的に使われているセラミック製のハニカムの格子は、いわゆるハチの巣状の六角形ではなく、四角形をしている。

「窒素酸化物など有害物質と反応し、二酸化炭素や水を無害化する。」これは触媒だから有害物質と反応しちゃうと困るのではないかと思うが、それにしても二酸化炭素や水を無害化して何に変えてくれるのだろう？　（ミクロに見るともちろん触媒自身も反応に関与しているのだが、ここではそれは置いておく）　それに、窒素酸化物を無害化しても二酸化炭素はできないだろうし。まあちょっと長くなるけど正しくは「触媒成分である貴金属が、炭化水素、一酸化炭素および窒素酸化物などを空気中の酸素などと反応させて、二酸化炭素、水および窒素などの無害な成分に変える。」といったところだろうか。（正確さを担保するために「など」が多いのが悲しいところ）

他にも、白金をプラチナと呼んでいる点や、「土台材」という表現も気になるところ。土台材とは、いわゆる触媒担体の役目をするウォッシュコートのことだろうと思うのだが、土台材なんて用語は初めて聞いた気がする。

さて、肝心のこの新触媒だが、新日鉄マテリアルズのニュースリリースによると、

　新型触媒では、貴金属微粒子を分散する酸化物に、従来のアルミニウム系酸化物に代わり、鉄系酸化物を使用しています。鉄系酸化物にアルカリ土類金属を添加し、「ナノ複合結晶組織」とすることで、これまでにない高い触媒活性を得ることができました。

　「ナノ複合結晶組織」は、複数の異なる結晶相を組み合わせてナノレベルで複合されたものであり、この組織と貴金属微粒子との強い相互作用が起こり、貴金属微粒子の電子状態を変化させ、触媒活性が飛躍的に向上したものと考えられます。

　従来のアルミニウム系酸化物では、その性能を向上させるために、セリウムやランタンなどの希土類金属を添加されていますが、新型触媒では希土類金属を使用しなくても高い触媒活性が得られています。

　また、新型触媒は、幅広い温度の排ガス条件で安定した触媒活性が得られます。これは、「ナノ複合結晶組織」の酸素吸放出能が異なる複数結晶相の寄与と、鉄系酸化物の高い酸素吸蔵能力（酸化セリウム［ CeO2 ］の約100倍）によるものと考えております。

　更に、新型触媒は900℃に達する排ガスの高温にも耐えることも確認しています。この結果から、新触媒では、貴金属微粒子の凝集を抑え、優れた長期耐久性が期待できます。

ということで、アルカリ土類金属と鉄との複合酸化物が、触媒貴金属微粒子の高分散、貴金属の電子状態の変化、高い酸素吸蔵能力、および良好な熱安定性を実現させているようだ。　うーむ、自動車触媒といえば希土類添加アルミナを使うというのがいわばこれまでの業界の常識となっていると思うのだが、鉄酸化物系を使うという発想は一体どこから出てきたのだろうか、とても興味がある。

新日鉄マテリアルズの事業内容を見るとメタル担体というのがあるが、特許を検索してみても、前身の新日本製鐵時代から一貫して、メタルハニカムを使用した自動車触媒の性能向上の検討を行ってきているようだ。今回の新触媒そのものズバリの特許は見つからなかったのだが、類似した特許（特開2007-152269や特開2007-14831など）から類推すると、今回の発明はメタルハニカムに含まれる鉄と助触媒として添加したアルカリ土類金属酸化物とが反応して（偶然？）できた複合酸化物がヒントとなったものかもしれない。

なお、この解説によると、二輪車用の排ガス触媒には、主に振動などの機械的強度の面から、セラミック製ではなくメタルハニカムを採用しているようだ。