2008/03/06

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 NewsAbstract : Nature

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2008/02/20

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。

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2008/01/31

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 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。。

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2008/01/16

「21世紀、科学技術とどう向き合っていくか」特別シンポジウム

最近ブログの更新が滞っているけれど、元気ですよ、ということで、本日参加してきたシンポジウムの話を少し。

これは、日本学術会議を始めとして、科学技術振興機構、日本学術振興会、日本工学会、日本化学会、日本機械学会、日本物理学会などが共同主催したもので、「21世紀、科学技術とどう向き合っていくか」というとても大きなテーマを議論しようというもの。この特別シンポジウムの趣旨や内容は、こちらのページで見ることができる。

シンポジウムのタイトルが非常に広範囲で漠然としたものではあるが、主たるテーマはニセ科学を巡る問題およびその背景となる社会状況について多方面から議論しようということである。今回のシンポジウムが企画されたきっかけは、昨年日本化学会の会誌で安井先生が「水からの伝言」に対する危機感を表明したことをきっかけとして巻き起こった議論にあったようだ。

とはいえ、テーマがテーマだし、講演者やパネラーはそれぞれ異なる立場の方々なので、現状認識や問題意識もバラバラだし、このシンポジウムに期待するものもそれぞれかなり異なっていたように思う。参加者は100名程度だろうか。平日の昼間に無料で行われたわけだが、参加者の多くは平均年齢がかなり高めのスーツ姿のおじさん達といったところ。それでも、こんなメンバーが集まって、こんな場所で、こんな風にニセ科学が議論されるようになったというのは、大きな進歩のように思える。(進歩といっていいのか?)

面白かったのは、元文部大臣、現日本科学技術振興財団の会長の有馬朗人さんの講演。有馬さん自身の体験に基づいた常温核融合騒動の問題点の話や、BPO(放送倫理・番組向上機構)設立の経緯の話などを交え、実に明快にニセ科学を巡る問題に立ち向かう姿勢について語っていただき、とても元気と勇気をもらえたように思う。有馬さんの提言としては、科学者はニセ科学を批判する勇気を持てということ、考える力や批判する力の重要性を世に訴えること、マスコミは反(非)科学的情報を規制する組織を作ること、など。

パネルディスカッションは、時間も中途半端で議論も拡散しがち。本当はパネルディスカッションよりは、各パネラーにそれぞれ20分ぐらいの持ち時間で講演してもらったほうが得られるものが多かったかもしれない。

最終的に、このシンポジウムからの提言として「21世紀、科学技術とどう向き合っていくか」のステートメントというのが出された。できるだけ多くの人にこの提言を伝えて欲しいということなので、ステートメントそのものをここに掲載しておく。(PDF版テキスト版(OCRしたもの)) 

このステートメント、読んでもらうとわかるけど、「みんながそれぞれの立場でやるべきことをきちんとやりましょう!」というようなもので、まあ驚くようなことは何も書かれていないし、何かこれだけは頑張ってやろう、というような重点目標があるわけでもなく、あれもこれもやりましょう、というありがちなものである。でも、できるところができることをやる、という形で少しずつでも良い方向に向かって動き出せば、全体としては確かに少しずつでも改善されていくのかもしれない、と期待しておこう。

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2007/12/21

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。

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2007/12/19

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。

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2007/09/18

スズメバチを窒息死させるミツバチ

LiveScienceのニュース(9/17)から。Surprise Strategy: Bees Smother Enemies

Cyprian honeybees don't smother their enemies with kindness - they just smother them to death, research now reveals.

This novel strategy has never been seen before in insects, "and probably in all animal species," apidologist Gerard Arnold at the National Center of Scientific Research in France, told LiveScience.

キプロスミツバチは敵を窒息死させるという話。どうやら、敵を窒息死させるという戦略は、昆虫はおろか動物の中でも初めて発見されたことらしい。どういうことかというと、
Previous studies revealed Asian honeybees can kill hornets by completely engulfing them, making the predators die from the heat inside the ball of bees - a strategy dubbed "thermo-balling."

However, Oriental hornets are theoretically resistant to thermo-balling, adapted as they are to the hot and dry climate of Cyprus. Although the heat inside a thermo-ball can reach 111 degrees F (44 degrees C), the heat-resistant Oriental hornet only keels over at temperatures of 122 degrees F (50 degrees C) or more.

Now scientists find Cyprian honeybees can kill hornets by suffocating them, a strategy the researchers have dubbed "asphyxia-balling."

アジアのミツバチは、スズメバチを多くのミツバチによって取り囲み、熱によって殺してしまうということが知られている。(この話は最近話題になったような気がするが、こちらに詳しい。)しかし、このキプロスミツバチの敵であるオリエントスズメバチという奴は熱に強い種のようで、ミツバチが取り囲んで発生させる温度である44℃程度では死なず、50℃ぐらいまで耐えられるらしい。そこでキプロスミツバチは、熱死の替わりに窒息死させるという戦略を手に入れたようだ。
Hornets normally breathe via small openings in their sides called spiracles. These are covered by structures known as tergites.

In their experiments, the researchers saw that bees mob the guts of hornets, covering the spiracles. To see if the bees killed the hornets using smothering, the scientists held open the tergites of some hornets with tiny plastic blocks. They found bees took twice as long to kill such modified hornets?roughly two hours instead of one.

これは、スズメバチの腹部にある気門を塞いでしまうことにより窒息させるという方法のようで、実験により確かにミツバチがスズメバチを窒息死させていることが確認できたようだ。

このニュース、探してみたらAFP BBNewsに掲載されている。この記事では、この技を「窒息スクラム」と名付けている。そういえば、AFPが日本語に翻訳した記事を配信するというニュースを以前見た気がするが、他のニュースサイトにあまり載っていないニュースが読めそうだし、環境・サイエンス・ITのニュースを巡回ルートに加えておこう。

この窒息死させるミツバチの話題については、とある昆虫研究者のメモに早くも解説記事が載っている。それにしても、1対1なら到底かなわないような強力な敵を、大勢で取り囲み、熱で殺してみたり、窒息させてみたりって、ミツバチの生態は興味深いものがある。スズメバチを大勢のミツバチが取り囲むという技は、アジアのミツバチとヨーロッパのミツバチが別々に偶然獲得したのか、それともこれらのミツバチは同じ祖先から分かれたものなのだろうか。(従来の説では、敵であるスズメバチのいないヨーロッパのセイヨウミツバチは、当然こんな戦略はとらないとされているので、いっそうややこしそうだ。)

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2007/09/04

ヒトゲノムの個人差は予想以上に大きそうだ

時事ドットコムで見つけたニュース(9/4)から。米ベンター博士のゲノム公表=詳細論文で世界初-患者の体質に合う医療へ基盤整備

 米バイオ・ベンチャー企業セレラ・ジェノミクス社を設立し、日米英などの公的研究機関グループと人間の全遺伝情報(ヒトゲノム)の解読を競い、2000年に同着で達成した米国のクレイグ・ベンター博士(60)のゲノムが解読され、詳細な分析結果とともに公表された。同博士が現在率いるJ・クレイグ・ベンター研究所が4日、インターネットで無料公開されている米科学誌プロス・バイオロジーに論文を発表した。

 5月には、DNAの二重らせん構造発見でノーベル賞を受賞した米分子生物学者ジェームズ・ワトソン博士(79)のゲノムが、米バイオ企業「454ライフサイエンシズ」とベイラー医科大によって解読され、塩基配列データが公表された。しかし、特定の個人のゲノムが、遺伝子の個人差の分析や親族の病歴などの情報とともに公表されたのは世界で初めて。

あのヒトゲノム計画を進めたセレラジェノミクスの設立者、ベンターさん個人の完全なDNA配列が公表されたというもの。このニュースに関して英語のニュースを見てみると、Study: Humans' DNA not quite so similarという USA TODAY の記事などが見つかる。この記事によると、
People are less alike than scientists had thought when it comes to the billions of building blocks that make up each individual's DNA, according to a new analysis.

"Instead of 99.9% identical, maybe we're only 99% (alike)," said J. Craig Venter, an author of the study - and the person whose DNA was analyzed for it.

ベンターさんのDNA配列は、従来解読された(平均的な)ヒトゲノムと比べてみると予想以上に大きな違いが見られるようだ。従来、ヒトのゲノムは99.9%一致し、一人ひとりのゲノムの違いはわずか0.1%程度だと予想されていた(参考)が、今回の結果から考えると、99~99.5%程度の一致度で、個人差は0.5~1.0%程度あると推定されるとのこと。もちろん、ベンターさんが特別に変わったDNA配列の所有者でなければという前提だが。。
The 99% figure is close to what scientists have often estimated for the similarity between humans and chimps. But the human-chimp similarity drops to more like 95% when the more recently discovered kinds of DNA variation are considered, Venter said.
従来、ヒトとチンパンジーのDNAは約99%一致すると考えられていたのだが、これも恐らく95%程度ではないか、ということらしい。まあ、今後多くの人や動物のゲノム配列が完全に解読されていくことで、この辺の数字はまだまだ変わってくるのだろうけど、とりあえず、従来の一致度は少し高すぎたと言えるのかもしれない。(もっとも、ヒトの遺伝子の個人差は10%という説もあるようだ。)

一方、同じニュースを扱った washingtonpost.comのMom's Genes or Dad's? Map Can Tell.という記事では、今回の研究結果の中の重要なポイントとして、従来解読されたDNA配列は、実際には染色体ペアのうちの一方のゲノム(ハプロイドゲノム)だったのに対し、今回解読されたベンターさんのDNA配列は両染色体のゲノム(ディプロイドゲノム)であるという点に言及している。これにより、父および母からの遺伝の様子がかなり詳細にわかるようになり、今後、この観点から詳細な検討が行われるようだ。

なお、今回のベンターさんの研究内容は、PLoS Biologyに掲載されている。

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2007/08/20

窒化ホウ素が紫外線の光源となる

時事ドットコムで見つけたニュース(8/18)から。「白い黒鉛」高純度結晶、簡単に=深紫外線光源、記録装置に応用へ-物質機構

 昔から「白い黒鉛」と呼ばれ、化学物質を融解するるつぼなどの材料に使われてきた「六方晶窒化ホウ素」の高純度結晶を、通常の気圧下で簡単に合成する技術が開発された。物質・材料研究機構(茨城県つくば市)の研究チームが18日までに米科学誌サイエンスに発表した。
 波長が短い深紫外線の光源として、DVDなどの光ディスクの記録容量を飛躍的に高めたり、ダイオキシンなどの有害物質を分解したりするのに応用が期待される。
何だかわかったようなわからないようなニュースである。六方晶窒化ホウ素(hBN)が、昔から「白い黒鉛」と呼ばれるとは知らなかった。ゴム業界や製紙業界では、シリカ(ニ酸化ケイ素)のことを「ホワイトカーボン」と呼ぶようだが、それと比べても「白い黒鉛」というのは字面に違和感のある呼び方だな。。

さて、このニュース、探してみるとFujiSankei Business i(8/17)の簡便に深紫外線光源…六方晶窒化ホウ素、常圧合成はかなり詳しく、またポイントを突いているのでわかりやすい。ポイントは

 物質・材料研究機構(物材機構)の光材料センター光電機能グループは、波長350ナノ(1ナノは10億分の1)メートル以下の深紫外線領域で高輝度に発光する六方晶窒化ホウ素(hBN)を1気圧下で簡便に合成する技術を開発した。高密度光情報デバイスの記録や、有害物質の分解、殺菌用などへの応用が期待できる。

 深紫外線光源は、これまで窒化アルミニウム系での研究開発が進められている。研究グループは近年になって深紫外線発光が知られるようになったhBNに対し、特殊な高圧合成装置を必要としない合成法を発見した。

というところで、hBNは発光素子として有望な素材であり、その高純度結晶を常圧で簡単に合成する技術を見出したということのようだ。物質・材料研究機構(NIMS:新聞では物材機構と略すようだ)のリリースを見ると、hBNもいわゆるIII-V族窒化物半導体としてGaNやAlNと同じ仲間なのだが、今まで高純度結晶を作ることが難しく、ルツボなどの耐熱材料としてしか使われてこなかったとのこと。確かにウィキペディアでも、用途としては、固体潤滑剤、離型剤、ルツボ、化粧品などしか書かれていない。

ところが、実は高純度のhBNは深紫外線を高輝度で発光する、直接遷移型ワイドギャップ半導体として応用可能な材料であることが2004年に明らかとなったとのこと。紫外線の分類は色々な流儀があってややこしいのだが、たとえば近紫外線、遠紫外線、真空紫外線などと分類される。深紫外線というのは波長が300nm以下とか350nm以下の紫外線(近紫外線の一部、遠紫外線および真空紫外線の一部にまたがる)を指すようだ。(参考) 波長が200nm以下のものは、大気(酸素や窒素)で吸収されるため真空紫外線とも呼ばれているのだが、ここで高密度光情報デバイスなどへの応用が期待されているのは、空気中で使用可能で、できるだけ波長が短い光ということになり、狙い目の波長は200~300nmの範囲ということになる。

青色LEDで有名なGaN(窒化ガリウム)の発光波長は近紫外領域の365nmであるのに対し、AlN(窒化アルミニウム)は深紫外領域の210nm、そしてこのhBNの発光波長は215nmとのこと。高密度記録のニーズはかなり大きいので、今後はAlNとhBNによる激しい開発競争が見られるかもしれない。(実用化はAlNがかなり先行しているようだが)

それにしても、今回見出された新たな合成方法というのが、ニッケルなどの遷移金属系合金を溶媒として、ここから析出させる方法のようなのだが、窒化ホウ素がそんな金属に溶けるというのもちょっと意外だし、そこから高純度で析出するというのも面白い知見だ。しかも、サファイア基板を使って薄膜結晶を成長させることもできたということだ。

ところでリリースを見ると、今回観測したのは自由励起子発光というものらしい。自由励起子とは用語解説によると、「半導体中に励起された電子と正孔がクーロン相互作用により互いに束縛された状態のこと。自由励起子に関連する発光および吸収を調べることにより、物質固有の電子構造の情報を得ることができる。」とある。この研究では高品質の単結晶ができたわけでもないようだし、もちろんドーピングによってn型やp型の半導体結晶を作成したり、LEDを作ったわけでもない。ということで、実用化レベルの発光素子を作るまでにはまだまだハードルが色々とありそうだ。

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2007/08/07

白色発光ダイオード照明の効率

日本化学会が発行している、化学と工業 2007年8月号が送られてきたので、見ていたら、「発光ダイオードによる次世代固体照明の実現」という記事が載っていた。著者は、日亜化学工業の坂東完治さん。たった3ページの総説記事だが、白色LED照明の現在の実力や今後の開発について、とても良くまとまっていて参考になる。

実は、このブログでは、2005年の9月に青色発光ダイオードの進歩とLED照明というエントリを書いたのだが、発光効率とかエネルギー変換効率の他の照明(白熱電球や蛍光灯)との比較に関して、やや混乱したままの状態になっており気になっていたので、最新の状況を整理しておきたい。

まず、白熱電球や蛍光灯などとの効率の比較だが、各種照明の光源効率の推移を示したグラフが載っている。

Efficiency_of_white_light

ここで、光源効率(lm/W)とは、光源の発する光量(全光束:ルーメン、目の視感度を考慮した値)を消費電力(ワット)で除した値とのこと。このグラフを見ると、白熱電球の光源効率が 20 lm/W 程度であるのに対し、蛍光灯が最大で 100 lm/W 程度。白色LEDは年々光源効率が急上昇しているが、2007年現在で 100 lm/W 程度のようだ。なお研究室レベルでは既に 150 lm/W まで来ており、高圧ナトリウムランプを超えて、白色光源の中でも最高レベルを実現しているとのこと。

一方、白色LEDについてのエネルギー変換の内訳も載っており、100 lm/W レベルの白色LED (青色GaN-LED + 黄色YAG蛍光体)の場合、

 入力電力 100%に対し、可視光のエネルギーが 32%、熱損失が 68%
 可視光 32%のうち、青色光が 10%、黄色蛍光が 22%
 熱損失 68%のうち、光ロスが 16%、チップ内ロスが 38%、半導体抵抗等が 14%

とのこと。ちなみに、青色LEDの発光効率(発光再結合)は48%とのことであり、このうち、青色光および黄色光として外部に出なかった分(パッケージ内の吸収、反射、蛍光変換ロス)が光ロス16%に相当する。また、青色LEDで光に変換されなかった52%が、チップ内ロスと半導体ロスの合計に相当する。一方、他の照明と比較してみると、

 白熱電球では入力エネルギーのうち、可視光になるのが約 10%
 蛍光ランプは 入力エネルギーのうち、可視光になるのが約 25%
 白色LEDでは 入力エネルギーのうち、可視光になるのが約 32%

とのこと。従って、白色LEDの場合、エネルギー変換効率としては白熱電球の3倍以上、蛍光ランプの約1.3倍ということになる。つまり、エネルギー効率や光源効率は既に蛍光ランプを超えているのは確かなようで、同じ明るさで照らすなら白色LEDが最も消費電力が小さく、発熱も小さくて効率的ということになる。

なお、LEDは効率は良いものの、一つ一つの出力が小さいという問題があったのだが、現時点では、定格出力が 1~10W 程度の大電力パッケージが作られているほか、LED 1個で 40W 電球並みの 400 lm を超す光束のものまで登場しているとのこと。

他にも、この総説記事では、各種白色光源のスペクトル分布の話や、光の質(演色性など)の改良などについても簡単に触れられている。

現実に、自動車用のヘッドランプにも採用(小糸製作所プレスリリース)されているし、照明用途の現状はこういった状況まで来ているようだ。

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