Research Projects; 研究内容
1) "Studies on the growth mechanism of protein crystals" (1994-Present).
The aim of the project is to study the fundamentals of the crystal growth of
proteins to establish the general way to prepare a protein single crystal of
large and good quality.
(1) Crystallization of enzyme protein thermolysin was found to proceed by two
steps: formation (nucleation and growth) of the primary particles (60 nm in
diameter) and successive growth by attachment of the primary particles in a
definite pattern.
(2) Novel technique was developed to determine the solubility of protein crystals
within an hour observing the concentration distribution around the crystals
by two-beam interferometry.
(3) The mechanisms of the changes in the crystal morphology were studied using
lectin protein concanavalin A and horse spleen ferritin.
(4) Effects of hydrostatic high pressure on the protein crystallization were
studied to reveal the mechanism of the changes in the solubility and growth
kinetics under high pressure.
(5) Effects of a magnetic field on the protein crystallization were also studied,
and then mechanisms of the magnetic orientation of the crystals, the decrease
in the nucleation and growth rate, and the magnetic damping of the natural convection
in an aqueous electrolyte solution were investigated. It was also found that
a magnetic field drastically increased the quality of protein crystal.
(6) Macrobond between adjacent protein molecules in the crystal was analyzed
to evaluate the bonding energy semi-quantitatively. Using these evaluated values,
macro- and micro-morphology of lysozyme crystals were explained.
(7) In-situ observation of Marangoni convection in an "aqueous" solution
was carried out under microgravity. Almost pure Marangoni convection could be
observed using drop experiment facility of MGLAB at Toki. The flow rate of the
Marangoni convection was found to decrease exponentially with an increase in
the exposure time of the solution surface to the surrounding air, and possible
model was proposed.
１）「タンパク質結晶の成長メカニズムに関する研究」（1994-現在）
タンパク質の良質な単結晶を育成するための一般的手法を確立することを目的に，タンパク質の結晶成長過程についての基礎研究を行ってきました． これまでに以下のことを明らかにしてきました．
(1) 酵素タンパク質サーモライシンの結晶化が，粒径約60nmの一次粒子の生成と，それにつづく一次粒子を構成粒子とした核形成・成長の逐次２段階で進行することを明らかにした．
(2) タンパク質結晶の溶解度を迅速に測定するための新規な手法を開発した．二光束干渉法を用いて，タンパク質結晶周囲の濃度分布をその場観察することにより，結晶の溶解度を微小容量の試料を用いて１時間以内で決定することに成功した．
(3) レクチンタンパク質コンカナバリンAおよび馬脾臓フェリチンを用いて，タンパク質結晶の形が変化するメカニズムを明らかにした．その結果，ステップでの分子取り込み過程に大きな異方性が観られる際には（コンカナバリンA），成長形として微斜面（n,
1, n）(n>11)が結晶面全面に発達することや，逆に分子の取り込み過程が等方的で相互作用力が大きい場合には（フェリチン），タンパク質結晶においても結晶化駆動力の増加と共に骸晶化や樹脂状化が起こることを見出した．
(4) 高圧力がタンパク質の結晶化に及ぼす影響について調べた．その結果，溶解度の圧力依存性は同じタンパク質についても結晶系によって異なることや，その違いが結晶中での分子同士の接触部位の親水性・疎水性によって説明できることがわかった．また，結晶の成長カイネティクスは，結晶系によらず，圧力の増加と共に減少することを見出した．
(5) タンパク質の結晶化に，強磁場が顕著な影響を及ぼすことを見出した．そして，結晶の磁場配向メカニズム，磁場により結晶の個数および成長速度が減少すること，水溶液中においても密度対流が磁場によって抑制されること，などを明らかにした．さらに，これらの複合的な結果として，磁場中でタンパク質結晶を育成すると，結晶の品質が格段に向上することを見出した．
(6) 結晶中のタンパク質分子間の相互作用をマクロボンドとして解析した．分子間相互作用を半定量的に見積もった結果，タンパク質結晶の外形や，ミクロな表面モルフォロジー（ステップの形状など）がマクロボンドで説明できることを明らかにした．
(7) NaCl水溶液中に発生する温度差マランゴニ対流をその場観察した．岐阜県土岐市のMGLABでの落下実験により，ほぼ純粋なマランゴニ対流の観測に成功した．そして，水溶液表面を空気に露出（分単位）させると，マランゴニ対流の流速が露出時間の増加と共に指数関数的に減少することを見出し，空気の気液界面への吸着を用いたモデルで現象を説明することに成功した．
2) "Development of the monitoring technique of the temperature and
composition distribution around the growing semiconductor crystals" (1998-2001).
Position of the growth interface and the temperature distribution around the
growth interface is essential to grow alloy semiconductor of homogeneous composition
distributuion. Using a visible light CCD camera and an infrared CCD camera,
the position of the interface and the temperature distribution were observed
in-situ. Combination of an infrared beam spritter made of Si single crystal
and a black body made of carbon thin film made us possible to determine the
temperature distribution with the accuracy of +-8 degree C with spacial resolution
of 300 micron m.
２）「半導体結晶の成長界面位置と温度分布のその場観察技術の開発」(1998-2001)
成長界面の位置とその周囲の温度分布は，所定の均一組成分布を有する化合物半導体バルク結晶を育成するのに必須の情報である．そのため，可視光用CCDカメラおよび赤外線用CCDカメラを用いて，成長界面の位置およびその周囲の温度分布を「その場観察」するためのシステムを開発した．Si単結晶製の赤外線用ビームスプリッター，およびカーボン薄プレートを黒体として使用することにより，成長界面近傍の温度分布を+-8℃で，そして空間分解能300μｍで測定できるシステムの開発に成功した．
3) "Growth of high quality thin film crystal of organic semiconductor"
(2001-Present).
Organic semiconductors are very promising materials since
their band gap energy can be artificially designed. Then this material attracts
a great deal of attention, in particular as an electrically luminescent material.
However, in most of the present studies, organic semiconductors are used only
in an amorphous state. If an appropriate epitaxial growth technique (or science)
can be newly developed to grow thin film crystal of organic semiconductor, it
will achieve a breakthrough in device technology. Mobility will be increased
drastically, and most of the inorganic semiconductor will be replaced with this
organic materials.
３）「有機半導体の高品質薄膜結晶の育成」（2001-現在）
有機半導体はバンドギャップエネルギーを任意に設計できるのみならず，その製造に高温を必要としない環境にやさしい材料である．そのため，有機半導体は，近年，特に電子発光材料として大きな注目を集めている．しかしながら，有機半導体の良質薄膜結晶育成は困難であり，これまでのほとんどの研究では有機半導体はアモルファス状態で利用されてきた．結晶の格子サイズが大きく異なる有機半導体ー無機半導体間でのインコメンシュレートなエピタキシーメカニズムを明らかにしようとする研究はいくつかのグループで行われているが，良質な薄膜結晶を育成しようとする研究はまだほとんどない．もし，有機半導体の良質薄膜結晶の育成に成功すれば，デバイス工学分野にブレークスルーをもたらすことになる．結晶の良質化にともないもビリティーが飛躍的に増加すれば，多くの部分で従来の無機半導体と置き換わることも可能になる．
Experimental Techniques; 実験技術
1. Fabrication of various apparatus for crystal growth and crystallization
2. Two-beam interferometry and other optical microscopy
3. Scanning electron microscopy
4. Dynamic and static light scattering
5. Laue, oscillation and powder X-ray diffraction analysis
6. Biochemical techniques, such as HPLC and other chromatography, electrophoresis,
UV and visible ray spectroscopy, calorimetric analysis.
7. Skilled with the operation of high pressure equipment including hydraulic
high pressure cell and diamond anvil cell
8. Skilled with the operation of superconducting magnet and other assorted techniques
9. Skilled with metalworking and construction of experimental set up
10. Skilled with glass blowing and high vaccum diffusion pump line
11. Skilled with the design and construction of a electric circuit
１．結晶成長のための種々の装置製作．
２．二光束干渉法やその他の光学顕微法
３．走査型電子顕微鏡
４．動的・静的光散乱法
５．ラウエ写真，振動写真，粉末Ｘ線法などのＸ線回折法
６．高圧液体クロマトグラフィーや他のクロマトグラフィー，電気泳動，紫外線・可視光吸光分析，熱分析，等の生化学的手法
７．油圧式高圧セルやダイヤモンドアンビルセルなどの高圧装置
８．超電導磁石および関連の装置の運転や取り扱い
９．金属工作および実験装置の作成
10．ガラス工作および高真空ラインの作成
11．電子回路の設計と製作
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