東北大学や慶應義塾大学などの共同研究チームは、リチウムイオン電池に代わる次世代蓄電池「マグネシウム蓄電池」に利用可能な酸化物の正極材料を開発。マグネシウム蓄電池の室温における高エネルギー動作を実現した。

研究チームは、マグネシウム蓄電池の正極材料として有望視されているスピネル（マグネシウムとアルミニウムからなる酸化物の天然鉱物）型のマグネシウムマンガン系酸化物（MgMn₂O₄）に着目。酸化物正極材料へ高速にマグネシウムを出し入れ可能にするために、酸化物粒子を「ナノ粒子化」して酸化物内部へのマグネシウム移動距離自体を減らすと同時に、酸化物粒子を「多孔質化」して酸化物表面までのマグネシウムイオンの移動経路を十分に確保する技術を開発した。

これにより粒子サイズ2.5ナノメートル（nm）以下、比表面積500平方メートル（m²）/グラム（g）以上の超多孔質極小ナノスピネルを合成することに成功。低温で熱処理し、酸化物表面を活性化させることによって、理論容量となる270ミリアンペア時（mAh）/グラムの放電が室温で進行することを見い出した。

希少金属（レアメタル）であるリチウムの代わりに地球上に豊富なマグネシウムを用いた蓄電池「マグネシウム蓄電池」が、安全・安価な蓄電池として注目されている。だが、マグネシウムイオンは酸化物イオンとの親和性が強く、高速にマグネシウムを出し入れ可能な酸化物正極材料は見つかっていなかった。今回の研究成果は、米国化学会のナノテクノロジー専門誌ACSナノ（ACS Nano）に2023年1月20日付けでオンライン掲載された。

（中條）

東北大学ニュートリノ科学研究センターなどの国際共同研究チームは、ニュートリノがマヨラナ粒子である場合に起こる稀な崩壊「ニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊」を探索。崩壊の半減期に対して世界で最も厳しい制限を与え、マヨラナニュートリノの質量が36～156ミリ電子ボルトより小さいことを示した。

我々の宇宙は、始まった直後は粒子と反粒子が同じ数だけ生成されたとされているが、現在は反粒子はほとんど観測されず、粒子だけでできている。これは「物質優勢宇宙の謎」と呼ばれる。粒子・反粒子の区別がないマヨラナニュートリノ（現在、未発見）は、この謎を解明する手がかりとされており、その存在を確認することは物理学における重要なテーマになっている。

研究チームは今回、反ニュートリノ検出器「カムランド」を用いた「カムランド禅実験」において、ニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊を探索した。カムランドは、1キロトンの液体シンチレータ（粒子のエネルギーで光る液体）を使った検出器で、岐阜県飛騨市神岡鉱山の地下1000メートルにある。カムランド禅実験では、二重ベータ崩壊核の同位体「キセノン 136」入り液体シンチレータを保持する直径3.0メートルまたは3.8メートルのミニバルーンを、カムランドの中に用意した。

2019年から2021年の夏頃まで約2年分のデータを、二重ベータ崩壊とそれ以外のノイズ信号を機械学習で見分ける手法などを用いて分析した結果、ニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊の崩壊数は、最高感度のデータ中に8事象未満と判明。このことから、マヨラナニュートリノが存在することで見える信号の崩壊半減期を、従来の2倍以上の精度にあたる、90％の信頼度で2.3×10²⁶年以上と予測した。さらに、マヨラナニュートリノの質量が、36～156ミリ電子ボルトより小さいことを示した。

今回の研究成果は、米国物理学会のフィジカルレビュー・レターズ（Physical Review Letters）に、2023年1月30日付けで掲載された。

（中條）

京都大学の研究チームは、アルキン（炭素―炭素三重結合を持つ有機化合物）の三重結合に金属を結合させる新手法を開発。これまで入手困難であった有用な有機金属化合物を簡便に調製することに成功した。

炭素原子と金属原子の間に結合を持つ有機金属化合物は、医農薬や機能性有機材料を製造する上で極めて重要な中間体となる。研究者はこれまでに、有機ハロゲン化物を基にしてさまざまな有機金属化合物を作ってきたが、従来の手法では作れないものも多かった。

研究チームは今回、アルキンの三重結合に電子を注入しながら、マグネシウムやアルミニウムの金属ハロゲン化物を反応させて、二重金属化アルケン（炭素―炭素二重結合を持つ有機化合物）を簡単に作り出す方法を発見。さらに、この新規の有機金属化合物が斬新かつ有用な化学反応を起こすことも明らかにし、中間体としての有用性を明確にした。

今回の研究成果により、単純分子から有用物質を短工程で製造可能になるとともに、持続可能な物質生産プロセス構築への波及効果が期待できるという。研究論文は、ネイチャー・シンセシス（Nature Synthesis）」に2023年1月2日付けでオンライン掲載された。

（中條）

慶應義塾大学、アサヒクオリティーアンドイノベーションズ、青山学院大学の研究グループは、ヒトの持久運動能力を向上させる腸内細菌を発見した。

研究グループは、青山学院大学陸上競技部に所属する48人の男性学生と、同年代の一般男性10人の腸内細菌叢を比較した。その結果、陸上競技部の学生の腸内にはBacteroides uniformis（バクテロイデス・ユニフォルミス）が多く生息していることが分かった。さらに、陸上競技部の学生のうち3000メートルの走行タイムを提供した25人を対象に、バクテロイデス・ユニフォルミスの菌数と3000メートルの走行タイムの関連を調べたところ、バクテロイデス・ユニフォルミスの菌数が多いほど3000メートルの走行タイムが良いとの相関関係が見出されたという。

バクテロイデス・ユニフォルミスが利用できる環状オリゴ糖であるα-シクロデキストリンの摂取が運動能力に与える影響も調べた。運動習慣がある20〜40歳代の日本人男性10人にα-シクロデキストリンを含有するサプリメントを摂取してもらったところ、摂取開始から8週間後にバクテロイデス・ユニフォルミスの菌数が摂取開始前に比べて有意に増加していた。α-シクロデキストリンを摂取した10人は、エクササイズ・バイクで10キロメートル漕ぐのにかかる時間が摂取前に比べておよそ10％短縮しており、プラセボ対照群の11人と比較して有意に速い結果だという。さらに、α-シクロデキストリンの摂取者では運動後の疲労感も低下していた。このことから、バクテロイデス・ユニフォルミスが好むα-シクロデキストリンの摂取は、ヒトの持久運動能力や運動後の疲労感を改善させることが分かった。

研究成果は1月25日、サイエンス・アドバンシズ（Science Advances）誌に掲載された。バクテロイデス・ユニフォルミスが持久運動能力を向上させる仕組みとしては、この腸内細菌が腸内で産生する酢酸とプロピオン酸が、運動中の肝臓でグリコーゲン分解と糖新生を促進し、運動に必要なグルコースを全身に供給するという仕組みが考えられるという。

（笹田）

東北大学の研究チームは、スマートフォンで撮影した患部画像を人工知能（AI）技術で分析することで、アトピー性皮膚炎の経過観察が可能になるシステムを開発した。皮疹の画像をAIで分析するシステムでは、一定の撮影条件を整えて画像を撮影する必要があり、専用の撮影機器を使用することが多い。スマホの場合、被写体との距離が一定せず、撮影距離によって皮疹の見え方が異なってしまうからだ。

研究チームはまず、スマホで撮影した画像から、病変部を検出してトリミングするAIシステムを開発。それぞれ拡大率が異なる多様な画像を、後のAIによる解析に利用できるようにした。その上で、抽出した病変部の画像を解析し、アトピー性皮膚炎の合併症を検知するAIシステムを開発。単純ヘルペスウイルス感染症、カポジ水痘様発疹症、伝染性膿痂疹、菌状息肉症を対象に、システムの精度を検証した。その結果、システムによって自動的にトリミングした画像と、皮膚科専門医がトリミングした画像をそれぞれ使用して深層学習モデルを構築したところ、同程度の精度で疾患を判定できることが分かった。

研究成果は1月11日、ジャーナル・オブ・ダーマトロジカル・サイエンス（Journal of Dermatological Science）誌にオンライン掲載された。今回開発した技術で、アトピー性皮膚炎の患者が自身で撮影した画像から、合併症の有無を判定できるようになる。

（笹田）

東北大学などの国際共同研究チームは、天然ゴムなどに代表される弾性体が持つ「弾性熱量効果」を利用した冷却機構の性能を定量的に評価。ゴムの弾性熱量効果による冷却機構が、フロンを用いたこれまでの冷却機構が持つ成績係数（エアコンやヒートポンプなどの効率を表す指標）に劣らない値を有していることを明らかにした。

同研究チームはこれまでの研究で、天然ゴムなどの弾性体伸縮時の発熱・吸熱現象（弾性熱量効果）現象を用いて高温領域と低温領域を作り出すことに成功していた。今回の研究では、弾性体の形状や領域間の流体の移動量、弾性体伸縮と流体移動の関係などが性能に及ぼす影響について詳細に検討。最適条件を求めて、冷却機構の高効率化に成功した。

さらに、冷却機構の実用的な応用に向けて、実験装置を用いて性能の向上についても測定。弾性体の配置を最適化し、熱量効果を有効に利用することで、成績係数が6以上となることを明らかにした。

今回の研究で明らかにした最適化条件および実用的な応用に向けた出力などの知見は、天然ゴムをはじめとする弾性体を新たな冷却機構の素材として利用できることを示しており、フロン利用の冷却機構の代替としての冷却機構の実現と、その社会実装が期待される。研究論文は、アプライド・サーマル・エンジニアリング（Applied Thermal Engineering）に2023年1月6日付けでオンライン掲載された。

（中條）

核融合科学研究所などの共同研究チームは、九州大学の直線型の基礎プラズマ装置「PANTA」において、従来研究されてきたイオンの運動サイズのミクロな揺らぎよりも、さらに100分の1小さい、電子の運動サイズの揺らぎの時空間構造を、初めて詳細に観測することに成功した。

プラズマのイオンや電子の運動の大きさ、およびその集団運動により現れる揺らぎの大きさは、温度が高いほど、磁場が弱いほど大きくなる。そこで研究チームは、磁場を通常の実験より4分の1に弱くすることで、イオンや電子の運動の大きさおよび揺らぎ自体の大きさを4倍に拡大。さらに、実験条件を調整することで、イオンスケールの揺らぎを抑制し、電子スケールの揺らぎのみが発生可能な実験条件を作り出した。

一般に細かい構造を見るためには、高い空間分解能で計測するというアプローチを取る。だが、研究チームは今回、実験条件の制御により、細かい構造自体を観測できる大きさに拡大するというアプローチを採用。PANTAに密に並べられたたくさんのセンサーを用いて、電子スケール揺らぎが発生し、時速7000キロメートルでプラズマ中を伝播し、消滅していくまでの様子を観測した。観測された電子スケール揺らぎは、これまで同装置で観測されてきたイオンスケール揺らぎよりも100倍程度空間的に小さく時間的に速い現象であり、実質的に100倍程度の解像度での揺らぎの観測を実現したことになるという。

今回の成果は、将来の核融合炉でプラズマの熱や粒子が逃げるメカニズムの解明や、宇宙空間における多様なプラズマ現象の謎の解明などにつながることが期待される。研究論文は、サイエンティフィック・レポーツ（Scientific Reports）に2022年12月12日付けで掲載された。

（中條）

東京大学などの共同研究チームは、日本の赤外線衛星「あかり」による赤外線観測データから、宇宙空間の低温環境下（絶対温度20度以下）で窒素を含む分子が生成される化学過程に紫外線が関与していることを発見。さらに、重水素が星間空間で有機物に取り込まれている観測的証拠を初めて得た。

研究チームは今回、銀河中心方向に位置する若い大質量星の赤外線天体「AFGL 2006」の南側に広がった密度の高く温度が低い領域の7点で、2.5ミクロンから5ミクロンの間の近赤外線スペクトルを取得。詳細な解析により、低温環境下で窒素を含むシアネートイオン（OCN-）と考えられる物質の存在量が、紫外線強度の指標である別の水素の再結合線強度と明確な相関を持つことを明らかにした。

このことは、低温環境下で窒素を含むアミノ酸のような分子が生成される化学過程の初期段階で、紫外線が重要な役割を果たしていることを示唆するという。さらに、星間空間に豊富に存在する多環式芳香族炭化水素（PAH）を含む有機物に重水素が取り込まれていることを示す証拠を初めて得、有機物が重水素の隠れ家である可能性を明確に示した。

宇宙空間の低温環境下において、窒素が生命体の重要な構成要素であるアミノ酸のような複雑な分子に成長していく化学過程は、まだよく分かっていない。また、重水素は宇宙における物質進化の重要な指標とされているが、宇宙空間内ではかなりの量の重水素の存在形態が不明で、未検出のままとなっている。重水素の宇宙空間での存在形態の解明は、宇宙における物質進化に関わる重要な課題の解決に大きな一歩となり、現在観測中のジェームズ・ウェブ宇宙望遠鏡（James Webb Space Telescope：JWST）での追観測で大きく発展することが期待される。今回の研究成果は、米国天文学会誌「アストロフィジカル・ジャーナル（Astrophysical Journal）」に2022年12月23日付けで掲載された。

（中條）

京都大学などの共同研究チームは、水に含まれる魚類の環境DNA（生物が自身の生息環境中に放出したDNA物質）を定量的環境DNAメタバーコーディングにより分析することで、「どんな魚類」が「どれだけ生息しているか」を、同時に推定できることを明らかにした。

環境DNAメタバーコーディングは、収集した環境DNA試料に含まれる生物分類群のDNAを解析することで、調査地に生息する対象分類群の種を網羅的に明らかにする技術。生物の群集組成を推定する画期的な手法として注目されている。

ただし、環境DNAメタバーコーディングは分析上の制限により、種の存在を検出できるものの、それらが「どれだけいるか」という量的な評価をすることが困難だった。研究チームは今回、「qMiSeq法」と呼ばれる、既知濃度の内部標準DNAを試料に添加することにより、定量的な解析を可能にする手法を環境DNAメタバーコーディングに適用した。

研究チームは、九州・中国地方の4つの河川（横道川、久兼川、福地川、猪野川）の合計21地点で、環境DNAの回収のための採水と、それに続く電気ショッカーを用いた魚類の捕獲調査を実施した。さらに実験室で、環境DNAを抽出して魚類のDNAを網羅的に増幅し、その配列をハイスループットシーケンサーで決定。試料ごとに検出された各魚類DNAのリード数をDNA濃度に換算し、捕獲調査の結果（各種の個体数と生物量）と比較した。

その結果、個体数と生物量の両方でDNA濃度と有意な正の関係が見られることを確認。さらに、7種で個体数および生物量、またはどちらか一方との間に有意な関係を見い出した。これらは「どんな魚がいるか」に加え、それらが「どれだけいるか」という量的な情報を同時に得ることができることを示しているという。

本研究成果は、2022年12月13日付けで、サイエンティフィック・レポーツ（Scientific Reports）に掲載された。

富士通は、自社開発の39量子ビットの量子コンピューター・シミュレーターを用いて、現在普及しているRSA暗号の安全性を定量的に評価する実験を2023年1月に実施し、安全性評価に成功した。

同社は、RSA暗号を解読する量子アルゴリズムである「ショアのアルゴリズム」を量子シミュレーター上に実装し、10ビットから25ビットのいくつかの合成数を素因数分解する量子回路を実際に生成。その計算リソースから、現在のRSA暗号の一般的な鍵長である2048ビットの合成数の素因数分解に必要な量子回路の計算リソースを見積もった。

その結果、2048ビットのRSA暗号の解読には、およそ1万の量子ビットと、およそ2兆2300億の量子ゲートを有する誤り耐性量子コンピュータが必要なことが判明した。これは、試算すると約104日の間、量子ビットを誤りなく保持する必要があるという。現状では、このような大規模かつ長時間にわたり安定稼働する量子コンピューターの実現は短期的には困難であることから、RSA暗号がショアのアルゴリズムに対して安全であることが定量的に証明できたとしている。

RSA暗号は、鍵として使用する巨大な合成数には素因数分解が困難な特性があることを利用している。一方で、理想的な量子コンピューターを用いた場合、巨大な合成数であっても容易に素因数分解が可能なことが知られており、RSA暗号の安全性が懸念されている。

（中條）

国立環境研究所の研究チームは、2050年のカーボン・ニュートラル（炭素中立）達成時点における日本国内の鉄鋼生産量は、現在の半分程度まで減少するとの予測を発表した。2050年時点で排出可能な二酸化炭素の量から、数理モデルを使って2050年の国内鉄鋼生産量を算出した。

分析によると、2050年までに水素還元製鉄や二酸化炭素回収貯蔵技術などの地球温暖化対策への特効薬的な生産技術が確立されたとしても、鉄鋼生産量は現在の半分程度まで下がるという。これは、特効薬的な技術を利用するために必要になる再生可能エネルギーや水素などの供給量が非常に不確実であるからだとしている。特効薬的な技術に依存した二酸化炭素排出量削減計画は、不確実で将来世代の多大な努力を必要とする技術に、鉄鋼産業の操業可能性や地球温暖化対策を委ねることになると指摘している。

研究チームは、特効薬的な技術に依存しない二酸化炭素排出量削減計画を立てることが重要だと強調している。例えば、スクラップから高級鋼材を生産するアップサイクルの技術確立や、現状よりも少ない鋼材を使ってサービス提供を可能にする新しいビジネス・モデルへの転換など、鉄鋼産業と、鉄鋼を利用する産業が協調しながら対策を立てることが必要だという。

研究成果は1月5日、ネイチャー・サステナビリティ（Nature Sustainability）誌に掲載された。

（笹田）

名古屋大学と東京大学の研究グループは、10滴の尿から脳腫瘍を検出する技術を開発し、同技術に基づく検査機器を完成させた。脳腫瘍は早期のうちは自覚症状がほとんどなく、異常を感じて検査を受けた頃には手術では取り除けないほど進行していることが多い。そのため、脳腫瘍を早期に発見する方法が求められている。

研究グループは細胞外小胞（EVs：Extracellular Vesicles）に着目した。EVsは、がんや病気に関連する膜タンパク質を含有しており、バイオマーカーとして注目されている。多くのEVsは血中だけでなく尿の中でも壊れることなく安定していることから、研究グループは身体に負担をかけることなく採取できる尿から、脳腫瘍細胞に由来するEVsを検出しようと考えたという。

ただ、遠心分離などの従来の方法では尿から十分な量のEVsを集めることができない。そこで、多数の凹みを作った板に、ナノワイヤーを剣山のように立てて配置し、ナノワイヤーで効率よくEVsを集める機構を考案した。

完成した検査機器を使って、脳腫瘍患者の尿とがん患者ではない人の尿を調べた結果、脳腫瘍患者では膜タンパク質CD31とCD63の発現量の比率ががん患者ではない人と異なっていることが明らかになった。この結果から、脳腫瘍細胞が放出するEVsが尿中に存在しており、今後、脳腫瘍のバイオマーカーとして実用化できる可能性を示せたとしている。

研究成果は1月19日、ACSナノ（ACS Nano）誌にオンライン掲載された。同手法は、脳腫瘍に限らず、さまざまながんの早期発見に応用できるとしている。

（笹田）

広島大学などの国際共同研究チームは、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）を用い、合体途中の衝突銀河のエネルギー源の正確な位置を世界で初めて突き止めた。さらに、衝突銀河の「エンジン」とも言えるこのエネルギー源が、非常にコンパクトで小さな領域に集中していることも分かった。

研究チームは、2022年7月に観測運用が開始されたばかりのジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の早期科学観測プログラムにより、世界に先駆けて近傍宇宙にある衝突銀河の観測を実施。観測ターゲット4つのうちの1つの銀河である「IIZw096」で、エネルギー源の正確な位置を特定した。

同チームによると、エンジンのサイズは大きくても約570光年と見積もられ、銀河全体の大きさ6万5000光年と比較すると1/100以下しかない。しかも、銀河中心から外れた場所に位置するのにも関わらず、合体銀河全体からのエネルギーの少なくとも70％が、この領域から放射されているという。

IIZw096については、スピッツアー宇宙望遠鏡で巨大な赤外線エネルギー源の存在がわかっていたが空間分解能が足りず、放射源の正確な場所やその大きさを特定できていなかった。これまで見つかった衝突銀河では、銀河中心や衝突している境界面で巨大エネルギーが発生しているケースがほとんどで、IIZw096のように、外れた場所に位置する領域からエネルギーの大半が放射されていることは非常に珍しいという。

研究論文は、アストロフィジカル・ジャーナル・レターズ（Astrophysical Journal Letters）に2022年11月15日付けで掲載された。

（中條）

東北大学の共同研究チームは、グラフェンをナノメートル幅のリボン構造（疑似1次元化）にした「グラフェンナノリボン」を用いた量子ドット・デバイスを集積化合成する技術を開発。同デバイスにおいて安定な励起準位の観測に成功した。量子ドットは半導体材料が疑似的に0次元構造をとることで発現する量子構造であり、内部の量子状態を活用した量子ビットや発光素子として応用が期待されている。

研究チームはこれまでに、独自な手法により、1次元構造のグラフェンであるグラフェンナノリボンを大規模集積化合成することに成功している。今回は新たに、この1次元グラフェンナノリボンを0次元に量子ドット化する技術を開発し、グラフェン量子ドット・デバイスの大規模集積化合成の実証に取り組んだ。

研究チームは、グラフェンナノリボンの長さを可能な限り短くして0次元構造に近づけるために、グラフェンナノリボンを合成する際の条件を最適化。同手法で同一基板内に複数のデバイスを形成した結果、量子ドット特性の基本であるクーロンダイヤモンド（量子ドットを流れる電流の微分コンダクタンスがゼロとなる領域がダイヤモンド形状として現れる特性）を半数以上の56%のデバイスで観測することに成功した。さらに、量子コンピューターへの応用で重要となる励起準位が、絶対温度20ケルビン（K、20Kは－253℃）まで安定に存在可能であることも明らかにした。

今回の研究成果は、コミュニケーションズ・マテリアルズ（Communications Materials）に2022年12月22日付けで掲載された。

（中條）

理化学研究所などの国際共同研究チームは、米国航空宇宙局（NASA）の「ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）」を用いた赤外線観測により、分子雲中で形成途中の太陽型原始星を取り巻く微小な氷の化学的特徴を明らかにした。

研究チームは今回、JWSTを用いて、おおかみ座の方向、地球から約500光年の距離にある太陽型原始星「IRAS15398-3359」を、波長5～28マイクロメートル（μm、1μmは100万分の1メートル）の中間赤外線で観測し、原始星周りの塵に付着した氷の化学組成を調べた。JWSTによる従来の100倍の感度の赤外線分光観測で得られた吸収スペクトルを分析したところ、水や二酸化炭素、メタンなどの単純な分子のほかに、ホルムアルデヒドやメタノール、ギ酸などの有機分子を検出。エタノール、アセトアルデヒドといった複雑な有機分子も、氷に含まれている可能性があることが分かった。これらの有機分子は、最終的には惑星系のもととなる原始惑星系円盤に取り込まれる可能性がある。

今回の成果は、星形成から惑星系形成に至る化学進化の解明につながることが期待される。同チームは今後、実験室での測定と数値モデルを用いて検出されたスペクトルの特徴をモデル化し、氷の存在量を推定したいと考えだという。研究論文は、アストロフィジカル・ジャーナル・レターズ（Astrophysical Journal Letters）オンライン版に、2022年12月12日付けで掲載された。

（中條）

東北大学と名古屋工業大学の共同研究チームは、安価な鉄と酸素を用いて、レアメタルフリーかつ高エネルギーを実現する新しいリチウムイオン電池正極材料の開発に成功。現在実用化されている鉄系材料であるリン酸鉄リチウム（LiFePO₄）正極に比べて、約2倍の300mAh（ミリアンペア時）/gを超える可逆容量を達成した。

レアメタルフリー正極材料である逆蛍石型リチウム鉄酸化物（Li₅FeO₄）は鉄のレドックス（酸化還元）反応に加えて酸素のレドックス反応も利用することで、理論的にはLiFePO₄正極の2倍以上の容量を得られることが示唆され、注目されている。だが、そのための具体的な指針はこれまで得られずにいた。

研究チームは今回、Li₅FeO₄の容量が低いのは、結晶構造の歪みによって引き起こされる酸素脱離（分解反応）が原因であると予測。メカニカルアロイングを用いて構歪みを抑制した準安定相を合成し、得られた準安定相の正極特性を評価した。すると、充放電時の負荷が大きく低減し、LiFePO₄正極の約2倍となる、300mAh/gを超える可逆容量を示し、酸素脱離が進行していないことがわかった。

この正極材料のレドックス反応を、放射光を用いた分光分析で調べた結果、鉄のレドックス反応に加えて酸素のレドックス反応が可逆に進行することを確認。計算科学によりレドックス反応を考察した結果、メカニカルアロイングによって構造歪みを抑制したことにより、鉄のレドックス反応時に起こる構造変化が容易に進行し、その結果、続く酸素のレドックス反応が分解反応を伴わずに進行することがわかった。

今回の成果により、サプライチェーンリスクを回避できる元素資源を用いたリチウムイオン電池の低コスト化と高エネルギー密度化が期待される。研究論文はアドバンスト・エナジー・マテリアルズ（Advanced Energy Materials）誌に2023年1月15日付けでオンライン掲載された。

（中條）

東京大学定量生命科学研究所の研究チームは、個体が老化する原因の1つである細胞老化を促進させる老化因子として機能している遺伝子を特定。同遺伝子の発現量が加齢と共に増加することで、細胞老化を加速し寿命を制限させることを発見した。

細胞老化研究のモデル生物として広く利用されている出芽酵母の寿命に影響を及ぼす原因の1つとして、ゲノム中で最大の脆弱部位であるリボソームRNA遺伝子（rDNA）の不安定化が知られている。だが、その詳細なメカニズムはまだ解明されていない。

研究チームは今回、出芽酵母の長寿欠損株のrDNAの安定性を網羅的に解析。その結果、転写伸長因子Spt4の遺伝子（SPT4）を欠損した株では、rDNAの安定性が大幅に増加し、寿命が延長していること、および、その表現型を示す原因として、rDNA上の非コードプロモーター（E-pro）の転写活性が低下していることを発見した。

さらに、加齢と共にSpt4の発現量が増加することで、E-proの転写活性がより増強され、細胞老化を加速し、寿命を制限させることを観察。これらのことから、転写伸長因子Spt4は、加齢に伴いリボソーム遺伝子上の非コードRNAの転写を促進し、rDNAの不安定化および細胞老化を促進すると結論付けた。

今回の成果は、ヒト細胞の老化のメカニズム解明や、老化に関連した疾患の原因解明および治療への足掛かりになることが期待される。研究論文は、米国の学術誌、セル・レポーツ（Cell Reports）に2023年1月10日付けで掲載された。

（中條）

北海道大学や東北大学大学の国際共同研究チームは、国際協力による観測ロケットを用いた微小重力実験で宇宙ダストの形成初期過程を再現。宇宙ダストは、ナノ領域の特異性で理解できる非古典的な経路で形成されることを発見した。

研究チームは今回、スウェーデン宇宙公社の観測ロケット「MASER 14」に独自の実験装置を搭載。約7分間の微小重力環境下で、チタンと炭素の高温の蒸気を発生させ、その蒸気が冷えて核生成を経てナノメートル（nm）サイズの微粒子を形成する過程を、独自開発した光干渉装置で観察した。

さらに、回収した試料（模擬宇宙ダスト）を透過型電子顕微鏡で詳細に分析。その結果、模擬宇宙ダストの形成は、従来の原子や分子が最終的な生成物になることを想定している古典的な過程では説明できず、微小な世界でだけ見られるナノ現象である融合成長など、3段階のプロセスから成る非古典的な経路で形成することを明らかにした。

宇宙には100ナノメートル以下のダストと呼ばれる粒子が多量に存在しているが、そのサイズや構造などの特徴を理論的に説明することはできていなかった。今回の成果は、宇宙ダストの特徴を理論的に説明する手法の確立に繋がると共に、隕石中に見つかるプレソーラー粒子の形成過程や天体観測で検出されるダストの形成過程に新たな解釈を与えるものとして期待される。

研究論文は、サイエンス・アドバンシズ（Science Advances）に2023年1月13日付けで掲載された。

（中條）

理化学研究所や東北大学などの共同研究チームは、哺乳類の発生過程の初期に体の左右の違いを決定するシグナルが、「機械的な力」によって制御されていることを明らかにした。これまで20年にわたり、体の左右対称性が破られる仕組みについて論争が続いており、今回の研究成果は生物物理学的視点からそのメカニズムを解明した画期的なものだという。

ヒトやマウスの内臓は、心臓が体の左側にあるなど非対称に配置されている。この左右の非対称性は、胎児（胚）が成長する初期の段階で、胚の腹側にある「ノード」と呼ばれるくぼみにおいて「左側を決めるシグナル」が活性化されることで決定される。だが、そのメカニズムは長らく未解明であった。

今回、研究チームはマウスの胚を用いて、光ピンセットや超解像顕微鏡など独自の先進的な光学顕微鏡で物理的解析を実施。その結果、(1)ノードで生じる左向きの体液の流れ（ノード流）により、ノードの左側の不動繊毛は腹側に曲げられ、右側の不動繊毛は背側に曲げられること、(2)不動繊毛は腹側への曲げのみに反応する「曲げられる向きを感知できるアンテナ」であることを発見。不動繊毛がノード流の力を感知し、ノードの左側のみで左側を決めるシグナルが活性化することを明らかにした。

今回の研究論文は、科学雑誌サイエンス（Science）オンライン版に、2023年1月6日付けで掲載された。

（中條）

国立情報学研究所（NII）の研究チームが開発した、人工知能（AI）が生成したディープフェイク顔映像の真偽を自動判定するプログラム「シンセティック・ビジョン（SYNTHETIQ VISION: Synthetic video detector）」をサイバーエージェントが採用。タレントなど著名人のディープフェイク映像検知で実用化することを明らかにした。映像中の人物の顔を他人の顔に置き換えたディープフェイク映像による偽情報の流布が、現在社会問題になっており、そのための対策である。

シンセティック・ビジョンは、大量のデータで訓練した深層学習モデルを利用してディープフェイク映像の真贋を判定し、人間による分析を一切必要としない。さまざまな画質の映像で訓練しているため、圧縮やダウン・コンバージョンなどのメディア処理で画質が低下した映像でも一定の信頼度で判定できるという。

サイバーエージェントは今回、タレントやアーティストなどの著名人のデジタルツインをキャスティングするサービス「デジタルツインレーベル」において、シンセティック・ビジョンを導入する。AIにより生成されたフェイク顔映像を真偽自動判定する技術が、実サービスに導入されるのは国内で初めてだという。

（中條）

横浜市立大学、東京大学、新東京病院、北里大学、三重大学の研究グループは、心不全患者の体重変化と入院中の死亡率の関係を明らかにした。

研究グループは、日本全国の入院患者のデータベースであるDPC（Diagnosis Procedure Combination）が蓄積しているデータのうち、2010年から2018年の間に心不全で入院を繰り返した患者4万8234名（年齢の中央値は82歳で、46％が男性）のデータを分析した。体重変化の値は、初回入院時と2回目入院時の体重計測値から求めた。

分析の結果、体重減少、体重増加のいずれも5％を超える変動があるときは、入院中死亡率の高値と関連していた。2回の入院で、前回入院時よりも体重が減っている患者は総じて死亡率が高く、短い期間に体重が増加した患者も死亡率が高いことが明らかになった。

今回の研究成果から、心不全患者に対しては栄養療法など、体重を減らさない治療が有効である可能性が高まったとしている。また短期的には、利尿剤で体重増加、水分増加を防ぐ治療など、体重増加を抑える治療が有効である可能性があるという。

（笹田）

東京大学、国立感染症研究所、国立国際医療研究センター、ウィスコンシン大学の研究グループは、世界22カ国のデータを分析し、新型コロナウイルス感染症（COVID-19）とインフルエンザの同時流行は起こっていないとの分析結果を発表した。

研究グループが使用したのは、世界6地域（アフリカ地域、東地中海地域、ヨーロッパ地域、アメリカ地域、南東アジア地域、西太平洋地域）を代表する22カ国（南アフリカ、エジプト、フランス、ドイツ、イスラエル、イタリア、オランダ、ポーランド、スペイン、イギリス、ブラジル、カナダ、メキシコ、アメリカ、インド、タイ、オーストラリア、中国、日本、フィリピン、韓国、ベトナム）で、2019年第1週から2022年第45週までの新型コロナとインフルエンザの陽性症例数を記録したデータ。

分析の結果、22カ国すべで新型コロナの陽性症例数に比べて、インフルエンザの陽性症例数が極めて少ないことが分かった。さらに、22カ国すべてで新型コロナの感染拡大後にインフルエンザの陽性症例数が著しく減少していた。特に日本と韓国では、新型コロナの流行中はインフルエンザの陽性症例数が少なかった。フランス、ドイツ、イタリア、イギリスを除く国では新型コロナとインフルエンザの流行のピークに明らかな逆相関を確認できたという。

フランス、ドイツ、イタリア、イギリスにおける流行状況をより詳細に解析したところ、ドイツではインフルエンザの陽性症例数が非常に少なかった。残りの3カ国では、新型コロナとインフルエンザはそれぞれ国内の異なる地域で流行が発生していた。

研究成果は12月25日、『インフルエンザ・呼吸器系ウイルス（Influenza and Other Respiratory Viruses）』誌に掲載された。

（笹田）

信州大学と琉球大学などの共同研究チームは、固体高分子形燃料電池の酸素極における触媒活性と耐久性をそれぞれ2倍高められる白金ナノシート酸素極触媒を開発。開発した白金ナノシートを燃料電池用触媒へ応用することで、従来の白金ナノ粒子触媒を凌駕する触媒性能を得た。

研究チームは今回、琉球大学と信州大学が独自開発した層状酸化白金酸塩を層剥離して得られる単原子層白金酸ナノシート（厚みは0.9ナノメートル（nm））に還元処理を施すことで酸素原子を除去。2～3原子層で構成される極薄2次元構造の白金ナノシート（厚みは0.5nm）の開発に初めて成功した。

さらに、白金ナノシートを高比表面積炭素に付着した触媒は、粒子サイズが約3nmの白金ナノ粒子を用いる標準的性能の市販触媒と比較して初期の活性が2倍高いことを確認。酸素極として用いて加速劣化試験を実施して安定性を比較したところ、白金ナノ粒子より耐久性が2倍高いことがわかった。

現在、実用化されている燃料電池には、直径5nm程度の白金や白金コバルト合金などのナノ粒子電極触媒が使用されているが、作動中にナノ粒子が肥大化し、活性が低下するという課題がある。今回の研究成果により、燃料電池自動車や定置用燃料電池の性能と耐久性の飛躍的な向上を期待できるという。

研究論文は、ネイチャー・コミュニケーションズ（Nature Communications）のオンライン版に、2023年1月9日付けで掲載された。

高エネルギー加速器研究機構や理化学研究所（理研）などの国際共同研究チームは、理研の重イオン加速器施設「RIビームファクトリー（RIBF）」を用いて、中性子過剰なバナジウム（V）およびチタン（Ti）の同位体の高精度質量測定に成功。中性子数34という新魔法数がチタンとバナジウムの同位体において消失していることを見い出した。

原子核にはある特定の陽子数や中性子数で特に安定な原子核になる「魔法数（28、50、82など）」が存在する。さらに、近年の加速器の実験により、極端に中性子数が多いエキゾチック原子核（不安定核）を持つ同位体では「新魔法数（16、32、34など）」が出現することが分かってきた。

今回の研究は、RIBFの超伝導RIビーム生成分離装置（BigRIPS）で生成された高速RI（放射性同位元素）ビームが他の実験で使われた後のビームを用いた、共生実験として実施された。同ビームを低速RIビーム生成装置（SLOWRI）で減速してイオントラップに捕集し、多重反射型飛行時間測定式質量分光器（MRTOF）を用いて、中性子過剰なバナジウム、チタン同位体の高精度質量を測定。中性子数34という新魔法数がチタンとバナジウムの同位体において消失していることを突き止めた。

新魔法数34は、カルシウム（原子番号20）同位体で発見されており、それに近い陽子数のチタン（原子番号22）とバナジウム（原子番号23）の同位体でも存在可能性が示唆されていたが、それを覆す結果となった。エキゾチック原子核の質量を能率よく精密測定する今回の研究手法は、新魔法数の出現や消失の観測を通じて原子核構造のより深い理解につながることが期待される。

研究論文は、物理学の国際的な専門誌であるフィジカル・レビュー・レターズ（Physical Review Letters）に2023年1月5日付けで掲載された。

（中條）

日本眼科学会と国立情報学研究所（NII）の共同研究チームは、眼底画像から個人の年齢を推定する人工知能（AI）システムを開発し、2023年1月10日に無償公開を開始した。研究者が疾患対照研究や疫学研究に同システムを利用することで、病気のなりやすさに関係する新たなバイオマーカーの開発につながることが期待されるという。

研究チームは今回、日本医療研究開発機構（AMED）の支援で構築された学会主導データベース「Japan Ocular Imaging Registry: JOIR」で収集された画像データを利用。年齢と性別のラベルを付与した18歳から84歳の健常者の眼底写真8149枚を訓練データとし、年齢を正解として深層学習モデルを構築した。構築したモデルにおいて、訓練に用いたのとは別の眼底画像で検証したところ、画像から推定した年齢と生体年齢との誤差の平均は2.39歳であった。

網膜を撮影した眼底写真からは、年齢や性別、喫煙状況、血糖の状態などをAIで推定可能なことが明らかとなっており、さまざまな全身の疾患を対象とした医学研究に活用できる可能性がある。しかし、これまでの研究では、開発されたAIが公開されていないことから、他の研究に利用できなかった。

（中條）

NTTと東京大学などの共同研究チームは、脳の情報処理から得た着想を基に、深層ニューラルネットと物理系を計算過程に用いる物理ニューラルネットに適した新たな学習アルゴリズムを考案。光回路を用いた物理ニューラルネットに適用して、学習過程を含めて効率的に計算可能であることを実証し、物理ニューラルネットとして世界最高性能を実現した。

研究チームは、ニューラルネットの学習方法の一つである誤差逆伝播（BP）法を、脳の情報処理上で実現しやすい形に改変された「ダイレクト・フィードバック・アライメント法（DFA法）」に着目。物理ニューラルネットでの実装に適する形に拡張することで、学習過程を大幅な簡略化し、物理ニューラルネットで事実上実現できていなかった学習を可能にした。また、本手法を種々の深層学習モデルへ適用し、有効性を確認した。

さらに、物理ニューラルネットへの適用性を実機実験で検証するために、深層リザーバコンピュータと呼ばれる深層ニューラルネット・モデルを、光ニューラルネット上に実装して原理検証実験を実施。従来非常に時間がかかっていた物理ニューラルネットの学習過程が現実的な時間で実行できることを実証した。

今回の研究成果は、人工知能（AI）向けコンピューティングの電力消費や演算時間の大幅な低減につながるものと期待される。研究論文は、2022年12月26日に発行された英国科学誌ネイチャー・コミュニケーションズ（Nature Communications）に掲載された。

（中條）