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2012 年度 実績報告書

制限ナノ空間における量子・分子流動ダイナミクスの学理構築

研究課題

研究課題/領域番号 22246022
研究機関大阪大学

研究代表者

川野 聡恭  大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (00250837)

研究分担者 土井 謙太郎  大阪大学, 基礎工学研究科, 准教授 (20378798)
研究期間 (年度) 2010-04-01 – 2015-03-31
キーワード分子流体工学 / マイクロ・ナノデバイス / 制限ナノ空間 / 量子・分子流動ダイナミクス / 表面・界面
研究概要

本研究は,制限ナノ空間における溶媒および溶質分子の高次構造,流動性および電気特性の高速・高精度解析を目指し,量子分子流動ダイナミクスに基づく新しい数理体系の構築とその応用技術を探索することを目的としている.
平成24年度は,電解質溶液中の分子流動現象に着目し,その可視化観察と電気計測を実現した.水溶液中に外部電場または圧力勾配を印加することにより,蛍光染色したDNA単分子の流動現象を可視化することに成功した.そのような流動現象を解析するため,電場存在下におけるDNA断片の流動シミュレーションを可能とした.さらには,独自に開発した粗視化モデルによるパターン形成シミュレーションを実現し,グラファイト基板表面に見られるDNAの自己集合化構造について,フラクタル次元解析を用いることで実験と理論の一致を示した.これらの結果から,ナノメートルスケールの狭小流路において,イオンの電気泳動と壁面近傍の電気浸透流の影響が顕著になり複雑な流動場が形成されていることが実験と理論の双方で確かめられた.一方,マイクロメートルサイズの流路においても局所的に電気的中性条件の破れた場を形成させ,イオンの流動現象を可視化することに成功した.このような現象に対して,実験系を再現する初期条件・境界条件の下で,Nernst-Planck方程式とPoisson方程式をセルフコンシステントに解くことにより,複雑な流動場におけるイオン輸送を明らかにすることが可能となることを示した.
本年度の研究成果は,査読付き原著論文5件,国際会議発表5件,国内会議発表12件および特許出願3件として発表された.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

当初の研究計画において,本年度は,制限ナノ空間におけるバイオナノ流動の電気的計測,人工イオンチャネルの開発,およびイオン輸送モデルの実測による検証を行うことを目標としていたが,上述のように,イオン流動の制御,可視化,および電気計測が実現していることから,いずれの課題もおおむね順調に進展しているといえる.
これらの結果について,国内外の学術会議において成果発表を行い,さらに原著論文として出版することができていることから,本課題に基づく独創的な研究成果が着実に蓄積されていることは明らかである.

今後の研究の推進方策

平成25年度は,前年度の研究成果に基づいて,イオン流動に対する人工ゲーティング機構の発現とその計測を行うとともに,ハイブリッドシミュレーションによる流動予測技術の確立を目指す.ここまで3年間の基礎的研究に基づき,それらの応用展開を考慮した研究フェイズに移行する.
具体的に,ナノスケールのデバイス作製および計測については大阪大学産業科学研究所の協力を得ながら人工ゲーティング機構の実現と単分子計測の実現を目指し,マイクロスケールにおけるイオン流動現象については独自に実験系を構築する.これまでの研究成果により,これらのスケールが異なる領域で起こる現象を統一的に扱うための理論モデルを発展的に構築し,数値解析を行うとともに予測技術の開発を目指す.
各研究課題について,計測技術および理論解析においてスケールの異なる現象を複合的に扱うことに対するいくつかの困難が想定されるが,分担者および連携研究者の専門的知識と最先端の技術を結集させることにより具体的解決策を見出すことができ,さらに飛躍した独自の研究成果につながることが期待される.

  • 研究成果

    (28件)

すべて 2013 2012 その他

すべて 雑誌論文 (5件) (うち査読あり 5件) 学会発表 (17件) 備考 (3件) 産業財産権 (3件)

  • [雑誌論文] Development of a Microfabricated Device for Low-Voltage Electropermeabilization of Adherent Cells2013

    • 著者名/発表者名
      Kazumi HAKAMADA, Hirofumi SHINTAKU, Takeshi NAGATA, Hiroshi FUJIMOTO, Satoyuki KAWANO, and Jun MIYAKE
    • 雑誌名

      Journal of Bioscience and Bioengineering

      巻: 115 ページ: 314-319

    • DOI

      DOI 10.1016/j.jbiosc.2012.10.005

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Development of Micro-Vibrating Flow Pumps using MEMS Technologies2012

    • 著者名/発表者名
      Osman Omran OSMAN, Hirofumi SHINTAKU, and Satoyuki KAWANO
    • 雑誌名

      Microfluidics and Nanofluidics

      巻: 13 ページ: 703-713

    • DOI

      DOI 10.1007/s10404-012-0988-5

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Dissociative Adsorption of H2 Molecules on Steric Graphene Surface: Ab Initio MD Study based on DFT2012

    • 著者名/発表者名
      Kentaro DOI, Ikumi ONISHI, and Satoyuki KAWANO
    • 雑誌名

      Computational and Theoretical Chemistry

      巻: 994 ページ: 54-64

    • DOI

      DOI 10.1016/j.comptc.2012.06.013

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Reaction-Diffusion Wave Model for Self-Assembled Network Formation of Poly(dA)・Poly(dT) DNA on Mica and HOPG Surfaces2012

    • 著者名/発表者名
      Kentaro DOI, Yukihiro TOYOKITA, Shingo AKAMATSU, and Satoyuki KAWANO
    • 雑誌名

      Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering

      巻: iFirst article ページ: 1-17

    • DOI

      DOI 10.1080/10255842.2012.723701

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Theoretical Study of Electric Current in DNA Base Molecules Trapped between Nanogap Electrodes2012

    • 著者名/発表者名
      Kentaro DOI, Yuki NISHIOKA, and Satoyuki KAWANO
    • 雑誌名

      Computational and Theoretical Chemistry

      巻: 999 ページ: 203-214

    • DOI

      DOI 10.1016/j.comptc.2012.08.039

    • 査読あり
  • [学会発表] Development of Gating Nanopore towards Single-Bio-Molecule Electrical Identification2012

    • 著者名/発表者名
      Yuta SASAKI, Satoyuki KAWANO, Masateru TANIGUCHI, and Tomoji KAWAI
    • 学会等名
      Micro TAS OKINAWA 2012
    • 発表場所
      沖縄コンベンションセンター
    • 年月日
      20121028-20121101
  • [学会発表] 壁面近傍における単鎖DNA拡散現象の一分子イメージング2012

    • 著者名/発表者名
      上原聡司,川野聡恭
    • 学会等名
      日本機械学会 第4回マイクロ・ナノ工学シンポジウム
    • 発表場所
      北九州国際会議場
    • 年月日
      20121022-20121024
  • [学会発表] せん断流れ環境下で脂質二分子膜が示すマルチスケール構造不安定現象2012

    • 著者名/発表者名
      花崎逸雄,川野聡恭
    • 学会等名
      日本機械学会 第4回マイクロ・ナノ工学シンポジウム
    • 発表場所
      北九州国際会議場
    • 年月日
      20121022-20121024
  • [学会発表] ゲーティングナノポアデバイスによる単一バイオ分子の電気検出法の開発2012

    • 著者名/発表者名
      佐々木優太,大城敬人,川野聡恭,谷口正輝,川合知二
    • 学会等名
      応用物理学会2012年秋季第73回応用物理学会学術講演会
    • 発表場所
      愛媛大学・松山大学
    • 年月日
      20120911-20120914
  • [学会発表] せん断力を受ける鎖状生体高分子の流動モデル2012

    • 著者名/発表者名
      上原聡司,土井謙太郎,川野聡恭
    • 学会等名
      日本機械学会2012年度年次大会
    • 発表場所
      金沢大学角間キャンパス
    • 年月日
      20120909-20120912
  • [学会発表] リチウムイオンと極性溶媒分子の相互作用に関する粗視化モデルの構築および評価2012

    • 著者名/発表者名
      西山裕太,土井謙太郎,川野聡恭
    • 学会等名
      日本機械学会2012年度年次大会
    • 発表場所
      金沢大学角間キャンパス
    • 年月日
      20120909-20120912
  • [学会発表] 陽イオンに覆われたHOPG基板上でのDNA自己集合化に関する分子動力学解析2012

    • 著者名/発表者名
      新居良介,竹内博,土井謙太郎,川野聡恭
    • 学会等名
      日本機械学会2012年度年次大会
    • 発表場所
      金沢大学角間キャンパス
    • 年月日
      20120909-20120912
  • [学会発表] Development of Acoustic Resonator with Non-Uniform Thickness and Mechanical Property for Wide Frequency Range2012

    • 著者名/発表者名
      Takayuki KOBAYASHI, Kazuki ZUSHO, Hirofumi SHINTAKU, and Satoyuki KAWANO
    • 学会等名
      2012 ASME-ISPS/JSME-IIP Joint International Conference on Micromechatronics for Information and Precision Equipment
    • 発表場所
      Santa Clara, California, USA
    • 年月日
      20120618-20120620
  • [学会発表] Application of Reaction-Diffusion Wave to Self-Assembled Network Structures of DNA2012

    • 著者名/発表者名
      Kentaro DOI, Yukihiro TOYOKITA, and Satoyuki KAWANO
    • 学会等名
      The Proceedings of the 10th International Symposium on Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering
    • 発表場所
      Berlin, Germany
    • 年月日
      20120411-20120414
  • [学会発表] Molecular Dynamics Simulations for DNA Deformations Affected by Nanopillars with Applied Electric Voltages2012

    • 著者名/発表者名
      Kaito MORITA, Kentaro DOI, Sakon RAHONG, Takeshi YANAGIDA, Tomoji KAWAI, and Satoyuki KAWANO
    • 学会等名
      The Proceedings of the 10th International Symposium on Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering
    • 発表場所
      Berlin, Germany
    • 年月日
      20120411-20120414
  • [学会発表] Coarse-Grained Molecular Dynamics Simulations of Self-Assembled DNA Structures on HOPG surfaces2012

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi TAKEUCHI, Ryosuke NII, Kentaro DOI, and Satoyuki KAWANO
    • 学会等名
      The Proceedings of the 10th International Symposium on Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering
    • 発表場所
      Berlin, Germany
    • 年月日
      20120411-20120414
  • [学会発表] 流体中における生体分子の空間的拘束に関する分子動力学解析

    • 著者名/発表者名
      竹内宏和,花崎逸雄,川野聡恭
    • 学会等名
      関西学生会 学生員卒業研究発表講演会
    • 発表場所
      大阪工業大学大宮キャンパス
  • [学会発表] ナノ細孔を通過するイオンのサイズ効果に関する分子動力学解析

    • 著者名/発表者名
      葛谷佳広,花崎逸雄,川野聡恭
    • 学会等名
      関西学生会 学生員卒業研究発表講演会
    • 発表場所
      大阪工業大学大宮キャンパス
  • [学会発表] 生体分子のせん断流れ場に対する応答の分子動力学解析

    • 著者名/発表者名
      園部蒼馬,花崎逸雄,川野聡恭
    • 学会等名
      関西学生会 学生員卒業研究発表講演会
    • 発表場所
      大阪工業大学大宮キャンパス
  • [学会発表] 流体中における生体分子の電気的拘束に関する分子動力学解析

    • 著者名/発表者名
      阪口季望矢,花崎逸雄,川野聡恭
    • 学会等名
      関西学生会 学生員卒業研究発表講演会
    • 発表場所
      大阪工業大学大宮キャンパス
  • [学会発表] 生体分子の拡散係数と分子種の影響に関する分子動力学解析

    • 著者名/発表者名
      橋田陽介,花崎逸雄,川野聡恭
    • 学会等名
      関西学生会 学生員卒業研究発表講演会
    • 発表場所
      大阪工業大学大宮キャンパス
  • [学会発表] 水溶液中のマイクロポアを介したイオン輸送の観察と理論解析

    • 著者名/発表者名
      深澤俊輔,土井謙太郎,川野聡恭
    • 学会等名
      関西学生会 学生員卒業研究発表講演会
    • 発表場所
      大阪工業大学大宮キャンパス
  • [備考] 大阪大学基礎工学研究科川野研究室

    • URL

      http://bnf.me.es.osaka-u.ac.jp/

  • [備考] 大阪大学研究者総覧/川野聡恭

    • URL

      http://www.dma.jim.osaka-u.ac.jp/view?l=ja&u=5013

  • [備考] 大阪大学研究者総覧/土井謙太郎

    • URL

      http://www.dma.jim.osaka-u.ac.jp/view?l=ja&u=6476

  • [産業財産権] 試料の固定化方法2012

    • 発明者名
      川野聡恭、土井謙太郎、新居良介、川合知二
    • 権利者名
      大阪大学
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特願2012-193566
    • 出願年月日
      2012-09-03
  • [産業財産権] 高分子の伸長方法および高分子伸長装置2012

    • 発明者名
      川野聡恭、新宅博文、雪本直哉、上原聡司、谷口正輝、川合知二
    • 権利者名
      大阪大学
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特願2012-218223
    • 出願年月日
      2012-09-28
  • [産業財産権] ポンプおよび送液方法2012

    • 発明者名
      川野聡恭、新宅博文、モサ オスマン オムラン オスマン、平田基徳
    • 権利者名
      大阪大学
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特願2012-247910
    • 出願年月日
      2012-11-09

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公開日: 2014-07-24  

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