内田 努 (ウチダ ツトム)

工学研究院 応用物理学部門 凝縮系物理工学分野准教授
教育イノベーション機構准教授

研究者基本情報

■ 学位
  • 博士(工学), 北海道大学
■ URL
researchmap URLホームページURL■ 研究キーワード・分野
研究分野
  • 自然科学一般, 生物物理、化学物理、ソフトマターの物理
  • ナノテク・材料, ナノ材料科学
  • ナノテク・材料, 基礎物理化学
■ 担当教育組織

経歴

■ 経歴
経歴
  • 2004年03月 - 現在
    北海道大学, 大学院工学研究院 応用物理学部門, 准教授

研究活動情報

■ 受賞
  • 2012年09月, (公社)日本雪氷学会, 学術賞
    ガスハイドレートの生成過程とガス包接機構に関する基礎的研究
    内田 努
  • 2002年10月, 日本雪氷学会, 2002年度平田賞
    氷の中のガスハイドレートの物性的研究
    内田 努
  • 2000年02月, 日本エネルギー学会, 平成11年度進歩賞(学術部門)
    ガスハイドレートのラマン分光測定に関する研究
    内田 努
■ 論文
■ その他活動・業績
■ 書籍等出版物
  • 日本のガスハイドレート研究の歩み~黎明期から最先端まで~
    一社; 日本エネルギー学会; 天然ガス部会; 資源分科会; GH 研究会編集委員会, 編集委員長、分担執筆:p. 7~22、39~42、75~77
    日本工業出版(株), 2020年09月, [編者(編著者)]
  • Fossil Fuels
    増田昌敬; 内田 努; 長久保定雄; 佐藤幹夫, Vol. 1, Chapter 10, Methane Hydrates
    World Scientific Pub. Co. Pte. Ltd., 2017年06月, 9789814699976, [分担執筆]
  • 低温科学便覧
    内田 努, 氷と雪の基礎科学
    丸善出版(株), 2015年10月, [分担執筆]
  • 非在来型天然ガスのすべて エネルギー資源の新たな主役(コールベッドメタン・シェールガス・メタンハイドレート)
    内田 努, 編集委員会副委員長、分担執筆
    日本工業出版, 2014年05月, [編者(編著者)]
  • 新版 雪氷辞典
    内田 努, 物性部門編集、分担執筆
    古今書院, 2014年, [編者(編著者)]
  • Bio-Nanotechnology: A Revolution in Biomedical Sciences, & Human Health
    内田 努, Chapter 29: Basic Characterization of Nanobubbles and Its Potential Applications
    John Wiley & Sons, Ltd., 2013年02月, [分担執筆]
  • Crystal Growth, Book 2
    内田 努, Chapter 9: Freezing properties of disaccharide solutions: inhibition of hexagonal ice crystal growth and formation of cubic ice
    InTech, 2012年01月, [分担執筆]
  • Physics and Chemistry of Ice, 2010
    International; Symposium on the Physics; Chemistry of Ice; 古川 義純; 佐崎 元; 内田 努; Watanabe Naoki
    Hokkaido University Press, 2011年, 9784832903616, xi, 472 p., 英語
■ 講演・口頭発表等
  • マイクロ・ナノバブルの観測と結晶化促進効果
    内田 努
    極限コヒーレント光科学セミナー, 2018年12月19日, 日本語, 公開講演,セミナー,チュートリアル,講習,講義等
    [招待講演], [国内会議]
  • Xenon plays inhibition roles on the neuronal network activities
    T. Uchida; K. Shimada; R. Tanabe; T. Kubota; D. Ito; K. Yamazaki; K. Gohara
    2nd International Aquaphotomics Symposium,, 2016年11月28日, 英語, 口頭発表(一般)
    [招待講演], [国際会議]
  • トレハロースの氷晶成長抑制機構~水溶液の凍結過程と凍結保護作用の観測~
    内田 努
    第20回トレハロースシンポジウム, 2016年11月17日, 日本語, ポスター発表
    [招待講演], [国内会議]
  • 1.農産物や食品の低温保存技術への応用技術seeds;「水溶液の凍結制御技術」「(2)ナノバブルによる結晶化促進効果」
    内田 努
    グリーンテクノバンクUnmet needsワークショップ, 2016年10月26日, 日本語, シンポジウム・ワークショップパネル(指名)
    [招待講演], [国内会議]
  • トレハローストランスポーターを発現したCHO-K1細胞の凍結保条件
    内田 努; 古川真帆; 黄川田隆洋; 山崎憲慈; 郷原一寿
    2015年10月28日, 日本語, 口頭発表(一般)
    [招待講演], [国内会議]
  • ガスハイドレート溶解時のナノバブル発生と再結晶化過程におけるメモリー効果
    内田 努; 山崎憲慈; 郷原一寿
    日本地球惑星科学連合2015年大会, 2015年05月27日, 日本語, シンポジウム・ワークショップパネル(指名)
    [招待講演], [国内会議]
  • 氷を制御して生物の活性を制御する
    内田 努
    2014年度雪氷物性分科会シンポジウム, 2014年09月20日, 日本語, シンポジウム・ワークショップパネル(指名)
    [招待講演], [国内会議]
  • 生物の中の水を制御する
    内田 努
    鮮度保持技術に関する意見交換会, 2014年08月01日, 日本語, シンポジウム・ワークショップパネル(指名)
    [招待講演], [国内会議]
  • Analysis and control of cultured neuronal networks using multi-electrode arrays: from gene expression to network dynamics
    D. Ito; K. Yokoyama; T. Uchida; K. Gohara
    IVth Int. Conf. Topical Problems in Biophotonics 2013, 2013年07月22日, 英語, 口頭発表(招待・特別)
    [招待講演], [国際会議]
  • トレハロースの氷晶成長抑制機構~水溶液の凍結過程と凍結保護作用の観測~
    内田 努
    第16回トレハロースシンポジウム, 2012年10月25日, 日本語, シンポジウム・ワークショップパネル(指名)
    [招待講演], [国内会議]
  • Gas Structured Water: From Gas Hydrates to Cellular Activity Inhibition
    内田 努
    WINPTech2011, “Water and Light” session, 2011年12月02日, 英語, シンポジウム・ワークショップパネル(指名)
    [招待講演], [国際会議]
  • 混合ガスハイドレートの分解挙動の組成依存性
    内田 努
    第6回GHIC講演会, 2011年01月19日, 日本語, 公開講演,セミナー,チュートリアル,講習,講義等
    [招待講演], [国内会議]
  • 凍結割断レプリカ法による糖の凍結抑制作用の観測
    内田 努
    平成22年度日本顕微鏡学会北海道支部学術講演会, 2010年12月11日, 日本語, 口頭発表(招待・特別)
    [招待講演], [国内会議]
  • トレハロース水溶液凍結時に観測された氷Ic結晶相の形成過程
    内田 努
    日本物理学会2010年秋季大会・領域9,12合同シンポジウム, 2010年09月24日, 日本語, シンポジウム・ワークショップパネル(指名)
    [招待講演], [国内会議]
  • マイクロ・ナノバブルの電子顕微鏡観察
    内田 努
    農林水産・食品産業マイクロ・ナノバブル技術研究組合平成22年度通常総会講演会, 2010年05月31日, 日本語, 公開講演,セミナー,チュートリアル,講習,講義等
    [招待講演], [国内会議]
  • 氷・クラスレートハイドレートの透過型電子顕微鏡観測
    内田 努
    平成21年度日本顕微鏡学会北海道支部学術講演会, 2009年12月12日, 日本語, 口頭発表(招待・特別)
    [招待講演], [国内会議]
  • ガスハイドレートの形成過程と水溶液の構造化
    内田 努
    日本分析化学会第58回年会, 2009年09月24日, 日本語, 口頭発表(招待・特別)
    [招待講演], [国内会議]
  • 水の構造化 ―クラスレートハイドレートから細胞へ―
    内田 努
    2006年度第6回水科学研究会, 2006年12月09日, 日本語, シンポジウム・ワークショップパネル(指名)
    [招待講演], [国内会議]
■ 主な担当授業
  • 生物物理工学特論, 2024年, 修士課程, 工学院
  • 生物物理工学特論, 2024年, 博士後期課程, 工学院
  • 一般教育演習(フレッシュマンセミナー), 2024年, 学士課程, 全学教育
  • 応用物理学実験法, 2024年, 学士課程, 工学部
  • 応用物理学英文講読, 2024年, 学士課程, 工学部
  • 一般教育演習(フレッシュマンセミナー), 2024年, 学士課程, 全学教育
■ 所属学協会
  • 日本熱物性学会
  • 日本顕微鏡学会
  • 低温生物工学会
  • 日本生物物理学会
  • 日本エネルギー学会
  • 日本結晶成長学会
  • 日本雪氷学会
■ 共同研究・競争的資金等の研究課題
  • 細胞内水の状態観測による凍結保存メカニズムの再検討
    科学研究費助成事業 挑戦的研究(萌芽)
    2022年06月30日 - 2025年03月31日
    内田 努
    日本学術振興会, 挑戦的研究(萌芽), 北海道大学, 22K18678
  • 細胞凍結保存の高度化技術開発
    研究成果展開授業研究成果最適展開支援プログラム(A-STEP)機能検証フェーズ試験研究タイプ
    2019年09月 - 2021年03月
    内田 努
    (国研)科学技術振興機構(JST), 研究代表者, 競争的資金
  • 抗氷核活性を利用した農産物の品質保持や凍結制御の技術開発
    ロバスト農林水産工学研究プログラム
    2019年05月 - 2020年03月
    荒川 圭太
    北海道大学, 競争的資金
  • ガスハイドレートの再生成過程促進に係るウルトラファインバブルの効果
    第38回(2018年度)研究助成
    2019年04月 - 2020年03月
    内田 努
    (公財)東燃ゼネラル石油研究奨励・奨学財団, 研究代表者, 競争的資金
  • 電子回折によるナノ構造体3D原子イメージング
    科学研究費助成事業 新学術領域研究(研究領域提案型)
    2014年07月10日 - 2019年03月31日
    郷原 一寿; 山崎 順; 塩谷 浩之; 坂口 紀史; 内田 努; 山崎 憲慈; 前原 洋祐
    本研究課題では、活性サイトを原子分解能で明らかにするために、ナノ構造体を電子顕微鏡によりイメージングするための方法論の開拓と応用を目的に研究を展開した。【課題1】では、電子回折を用いるイメージングの高度化と応用のための実験手法の構築を進めた。【課題2】では、複数のナノ構造体に対して構造と機能に関する重要な結果が得られた。【課題3】では、グラフェン上ナノ構造体の3次元原子分解能イメージングに関する研究を進め、白金単原子を凝集することなく分散させることに成功し、原子配置と電子状態を解明した。原子、分子、クラスタのグラフェン上活性サイトに関して新たな知見を得た。
    日本学術振興会, 新学術領域研究(研究領域提案型), 北海道大学, 26105009
  • 抗氷核活性を利用した農産物の品質保持や凍結制御の技術開発
    ロバスト農林水産工学研究プログラム
    2018年10月 - 2019年03月
    荒川 圭太
    北海道大学, 競争的資金
  • トレハロースの細胞内導入による細胞凍結保存メカニズムの解明
    科学研究費補助金 挑戦的研究(萌芽)
    2017年07月 - 2019年03月
    内田 努
    本研究は、通常細胞内へ入らないトレハロースが細胞内に入った時高い凍結保護効果を示す要因について、トレハロース輸送タンパク質(TRET1)を発現させた細胞と発現させない通常の細胞とを用いて、実験的に明らかにすることを目標とした。従来細胞内水がトレハロースによりガラス化していると考えられていたが、粉末X線回折や示差熱量測定の結果は主に氷Ih結晶の存在を示唆しており、THz分光の結果は氷点下で液体相の存在の可能性を示す温度帯があることがわかった。今後はこれらの計測手法による詳細な検討が必要である。
    日本学術振興会, 挑戦的研究(萌芽), 北海道大学, 研究代表者, 競争的資金, 17K18834
  • 第9回国際ガスハイドレート会議(ICGH9)
    平成28年度国際交流(派遣)助成金
    2017年06月 - 2017年07月
    内田 努
    (一財)向科学技術振興財団, 研究代表者, 競争的資金
  • 農林水産系のファインバブル技術開発
    戦略的イノベーション創造プログラム(次世代農林水産業創造技術)
    2014年10月 - 2017年03月
    内田 努
    総合科学技術・イノベーション会議, 研究代表者, 競争的資金
  • ニューラルネットワークの信号伝達がガス分子によって抑制される機構の解明
    科学研究費補助金事業
    2011年04月 - 2014年03月
    内田 努
    研究代表者, 競争的資金
  • ナノバブルの安定化に関する形態学的アプローチ
    科学研究費補助金(挑戦的萌芽研究)
    2013年 - 2014年
    内田 努
    本研究は、1ミクロン以下の微細気泡(NB)の産業利用のために、NBが充分な寿命を持っていることを確認し、その寿命を延ばす要因をNBとその周囲の溶質の物性計測と形態学的観察から明らかにすることを目的とする。平成25年度は、基準となる試料作成および計測技術の確立を目指し、以下の項目について実施した。I. 新規ミクロスコピック計測:純水及び酸素からNB含有水溶液を生成し、凍結割断用の試料を作成するまでの時間を変化させながら作成した。NB含有水溶液作成後0~7日後に、水溶液試料の一部を液体窒素雰囲気下で急速凍結し、低温・高真空条件下にて割断、白金と炭素を蒸着させることで電子顕微鏡観測用レプリカを作成した。作成したレプリカ試料を電子顕微鏡にて観察した結果、500nm以下の円形~楕円形の穴が多く観察された。NBを含有しない純水を用いたコントロール試料ではこのような穴はほとんど観察されないことから、この穴が酸素NBに対応するものと判断した。作成後0~1日後の試料に比べ、4日以上たった水溶液の試料からはNBの含有量が少なくなっていることが観察され、純水中での酸素NBの寿命は数日程度であることが示唆された。II. 従来型マクロスコピック計測:Iで作成した試料の一部を生成直後より光散乱法にて測定し、水溶液試料中の気泡の量や大きさの分布の経時変化を観測した。気泡の大きさ分布とレプリカの電子顕微鏡観察で測定された気泡分布等とを比較して、新規計測法と従来型計測法による定量計測結果の整合性の確認と、試料の作成条件と気泡の安定性との関係とを調べた。その結果、I.で開発した電子顕微鏡画像から得られる情報は、従来用いられている光散乱測定と同程度のデータが得られることを確認した。
    文部科学省, 挑戦的萌芽研究, 北海道大学, 研究代表者, 競争的資金, 25600035
  • メタンハイドレートの科学技術開発に関する国際会議
    総長室事業推進経費(公募型プロジェクト研究等支援経費)「国際研究集会等開催支援」
    2011年08月 - 2013年03月
    内田 努
    北海道大学, 研究代表者, 競争的資金
  • ニューラルネットワークの信号伝達がガス分子によって抑制される機構の解明
    科学研究費補助金(基盤研究(B))
    2011年 - 2013年
    内田 努; 郷原 一寿; 永山 昌史
    キセノン(Xe)ガスによるニューラルネットワークの信号伝達抑制機構を解明するため、二つの側面から観測を行った。培養ニューラルネットワークの電気信号を、Xeガスを0.1~0.5Mpaまで印加した状態で測定した結果、0.3MPa以上の圧力下でネットワーク特有な信号が完全に抑制された(メゾスコピック観察)。またXeガス加圧下でのニューロンのラマン分光観測を行い、その信号変化を観測した。計算機シミュレーションとの比較から、細胞膜にXeガスが溶解しその機能を変化させる可能性を見出した(マイクロスコピック観察)。これらの結果から、Xeがニューラルネットワーク中の信号伝達を抑制するメカニズムを検討した。
    文部科学省, 基盤研究(B), 北海道大学, 研究代表者, 競争的資金, 23350001
  • マイクロ・ナノバブルの形態と安定性に関する研究
    平成23年度第2回学術研究助成事業
    2011年09月 - 2012年03月
    内田 努
    (財)前川報恩会, 研究代表者, 競争的資金
  • マルチスケールな時空間ニューロダイナミクスの計測と制御
    科学研究費助成事業 基盤研究(A)
    2008年 - 2011年
    郷原 一寿; 内田 努; 永山 昌史; 塩谷 浩之
    時間的には約10桁、空間的には約3桁に渡る極めて広いマルチスケールな時空間ニューロダイナミクスの計測と制御を行うことを目標に、多電極アレイ上で神経細胞を長期に渡って培養し、インパルスの信号検出およびネットワークの形成過程の観察を行う実験手法を構築し、得られたデータの解析を行うこと目的とした。その結果、多電極アレイ上で、ほぼ安定して数ヶ月以上の長期に渡る神経細胞培養の手法を確立した。また、培養したニューラルネットワークから、長期間連続して、インパルスが計測できるシステムを構築し、さらに、免疫蛍光染色によって、数ヶ月に渡ってネットワークの成長過程を、ニューロンの主要構成要素の変化として計測できる手法を確立した。ニューラルネットワークの基本問題に取り組むためのウェットな実験的研究基盤を独自に構築することが一つの大きな目標であったが、本研究で目的とした実験系の構築は達成され、さらにそれを適用し、重要な結果が得られた。本研究によって構築されたシステムおよび方法に対して、さらに改良を加えることで、時空間ニューロダイナミクスの基本的理解・解明と応用への展開が期待できる。
    日本学術振興会, 基盤研究(A), 北海道大学, 20240023
  • ガス印加法による細胞の常温保存技術の開発
    地域イノベーション創出総合支援事業 重点地域研究開発支援プログラムシーズ発掘試験
    2009年08月 - 2010年03月
    内田 努
    (独)科学技術振興機構(JST), 研究代表者, 競争的資金
  • 天然ガスハイドレートの焼結現象の観察
    平成21年度北海道ガス大学研究支援制度
    2009年07月 - 2010年03月
    内田 努
    北海道ガス, 研究代表者, 競争的資金
  • ジェネティック・ニューロダイナミクスの開拓
    科学研究費助成事業 挑戦的萌芽研究
    2009年 - 2010年
    郷原 一寿; 内田 努; 永山 昌史
    今年度は、研究実施計画に沿って、1.蛍光染色条件の絞り込み、2.既知タンパク質の発現時期同定法、3.ブロッカーによる特定タンパク質のブロック法、4.ニューロダイナミクスの解析法について研究を進めた。1については、抑制性シナプス、興奮性シナプスをそれぞれ、VGluT1、VGATで再現良く染色することを可能とする手法を確立した。2については、ニューロンの核、軸索、樹状突起に加えて、抑制性シナプス、興奮性シナプスのそれぞれに特異的なタンパク質の発現量を2ヶ月の長期に渡って定量的に計測することが可能となった。3については、ピペッティングによるブロッカの注入、インパルス測定、ブロッカの除去、インパルス測定の手順を繰り返すことにより、再現性が保証できる実験条件を、特定タンパク質に対して試みたが、実験回数が十分でなく再現性についての課題が残った。4については、平均発火、同期バースト、リターンマップ、相関などの主要時系列データの解析が可能となった。
    研究成果の一部は、多電極アレイに関する最大規模の国際会議(MEA Meeting 2010、ドイツ、参加国数20,2010年7月)において発表され、数多くある候補の中から論文中の蛍光染色イメージの一つが"the most impressive image"としてProceedingの表紙に採択された。また、本研究で得られた1,2,4に関する結果の一部は、同期バーストに必要なネットワークの最小サイズに関する論文(Neuroscience 171,50-61,2010.)においてまとめられた。また、論文中の蛍光染色イメージの一つが、Neuroscience誌(論文の掲載号)の表紙を飾った。
    日本学術振興会, 挑戦的萌芽研究, 北海道大学, 21650049
  • ガスハイドレート自己保存効果発現条件の高度化
    ゼネラル石油研究奨励財団研究助成
    2008年03月 - 2009年03月
    内田 努
    ゼネラル石油研究奨励財団, 研究代表者, 競争的資金
  • 第6回ガスハイドレート国際会議(カナダ国バンクーバー市)
    平成20年度国際学会等派遣事業
    2008年07月 - 2008年07月
    内田 努
    日本学術振興会, 研究代表者, 競争的資金
  • 第6回メタンハイドレート研究技術開発に係る国際ワークショップ国際ワークショップ(ノルウェー国ベルゲン市)
    研究者海外派遣助成
    2008年05月 - 2008年05月
    内田 努
    池谷科学技術振興財団, 研究代表者, 競争的資金
  • 細胞内外の水の構造化による細胞活動制御
    科学研究費補助金事業
    2005年05月 - 2008年03月
    内田 努
    本研究は、神経細胞や心筋細胞、及びそれらの細胞内外に生成される構造化した水を対象として、水が細胞の信号伝達に果たす役割やメカニズムを明らかにすることを目標とした。そのために、1)「細胞ネットワークの信号伝達に及ぼす温度、圧力及び包接水和物生成気体の影響観察」及び2)「細胞間隙において構造化した水の観察技術の開発」という2つの研究課題を設定し実施した。
    課題1)では、多電極型細胞信号測定装置を導入し、神経細胞、心筋細胞の自発発火信号を計測した。通常培養条件(温度37℃、圧力1気圧、CO_2濃度5%含有空気)における発火状況をコントロールとして、温度、圧力、環境組成を独立に制御した培養条件下における発火状況の変化を観測した。その結果神経細胞および心筋細胞の発火頻度は、常温以下の低温条件下(神経細胞:37〜15^L、心筋細胞:37〜27^L)で減少することが確認された。その温度依存性は可逆であり、ヒステリシスが認められた。また常温時に試料全体で同期拍動していた心筋細胞は、温度の低下とともに拍動の伝播に乱れを生じ、同期する細胞がクラスター化することを見出した。圧力依存性については、心筋細胞において0.5MPa以上の加圧条件下で拍動が抑制されることがわかった。この装置系を用いて、細胞の自発発火信号を測定しながら包接水和物生成気体を導入する試験を開始した。
    課題2)では細胞および構造化した水を電子顕微鏡で観測する手法を開発するため、トレハロース水溶液のフリーズレプリカ試料の電子顕微鏡観察を行った。この結果サブミクロンサイズの微粒子が観測された。この実体を明らかにするため、クライオトランスファーホルダを用いた透過型電子顕微鏡で直接観測し、氷単結晶試料上に数十nmの微粒子が存在することを確認した。これにより、細胞間隙の構造化水を観測できる可能性が示唆された。また水構造化装置を導入し、包接水和物の直接観測法の開発に着手した。
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 北海道大学, 研究代表者, 競争的資金, 17340125
  • フラクタルな時空間階層構造の形成と制御
    科学研究費助成事業 基盤研究(B)
    2005年 - 2007年
    郷原 一寿; 内田 努; 永山 昌史; 塩谷 浩之
    複雑系の研究において"階層性の発現"は基本的かつ重要な研究テーマである。本研究では理論的および実験的な課題を設定し研究目的とした。前者は、"切り替えダイナミクスの非線形動力学的解析"である。これは、常微分方程式の確率的切替によって高次元状態空間に形成される軌道集合の特徴について非線形動力学理論による解析を行い、軌道集合の階層構造をマルチフラクタルによって定量化し、さらにこの結果を用いて、相互作用によって時間軸方向と実空間に創出されるフラクタルな時空間階層構造を制御する方法を明らかにすることが課題である。後者は、"可変入力培養神経回路システムの構築と時空間階層構造の計測・制御"である。これは、ニューロンの信号を計測可能な培養神経回路の実験系を構築し、得られた理論的解析結果に基づいてウェットな神経回路に現れるフラクタルな時間的・空間的階層構造の計測法および制御法を確立することを課題とした。
    理論的な目的はほぼ達成された。実験的な目的の達成率は十分ではないが、本研究によって、多電極プローブ上で分散培養したニューロンを用いて、ニューラルネットワークの時間と空間のダイナミクスを計測し制御するという研究方向が科学的にも技術的にも大きな可能性を持っていることが明確になってきた。さらに実験システムを充実させることによって、神経回路網が形成される前の初期段階から1カ月後までの発達期、1年におよぶ長期のダイナミクスの時間的・空間的変化の計測と制御を可能とし、理論を展開するためにも必要となるウェットな培養神経回路網の実験系が構築できることを示した。
    今後は、構築した実験系を理論家に広く開放して、理論と実験を接続するプラットフォームとし、マルチスケールな時間・空間ダイナミクスに注目した、脳情報処理の新たな研究領域および新しい学問分野を開拓することを目指す。
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 北海道大学, 17300069
  • 細胞内外の水の構造化による細胞活動制御
    科学研究費補助金(基盤研究(B))
    2005年 - 2006年
    内田 努; 郷原 一寿; 永山 昌史
    本研究は、神経細胞や心筋細胞、及びそれらの細胞内外に生成される構造化した水を対象として、水が細胞の信号伝達に果たす役割やメカニズムを明らかにすることを目標とした。そのために、1)「細胞ネットワークの信号伝達に及ぼす温度、圧力及び包接水和物生成気体の影響観察」及び2)「細胞間隙において構造化した水の観察技術の開発」という2つの研究課題を設定し実施した。課題1)では、多電極型細胞信号測定装置を導入し、神経細胞、心筋細胞の自発発火信号を計測した。通常培養条件(温度37℃、圧力1気圧、CO_2濃度5%含有空気)における発火状況をコントロールとして、温度、圧力、環境組成を独立に制御した培養条件下における発火状況の変化を観測した。その結果神経細胞および心筋細胞の発火頻度は、常温以下の低温条件下(神経細胞:37〜15^L、心筋細胞:37〜27^L)で減少することが確認された。その温度依存性は可逆であり、ヒステリシスが認められた。また常温時に試料全体で同期拍動していた心筋細胞は、温度の低下とともに拍動の伝播に乱れを生じ、同期する細胞がクラスター化することを見出した。圧力依存性については、心筋細胞において0.5MPa以上の加圧条件下で拍動が抑制されることがわかった。この装置系を用いて、細胞の自発発火信号を測定しながら包接水和物生成気体を導入する試験を開始した。課題2)では細胞および構造化した水を電子顕微鏡で観測する手法を開発するため、トレハロース水溶液のフリーズレプリカ試料の電子顕微鏡観察を行った。この結果サブミクロンサイズの微粒子が観測された。この実体を明らかにするため、クライオトランスファーホルダを用いた透過型電子顕微鏡で直接観測し、氷単結晶試料上に数十nmの微粒子が存在することを確認した。これにより、細胞間隙の構造化水を観測できる可能性が示唆された。また水構造化装置を導入し、包接水和物の直接観測法の開発に着手した。
    文部科学省, 基盤研究(B), 北海道大学, 研究代表者, 競争的資金, 17340125
  • メタンハイドレートの資源開発技術に関する研究
    科学研究費助成事業 基盤研究(A)
    1995年 - 1996年
    前 晋爾; 内田 努; 郷原 一寿; 本堂 武夫; 藤田 秀二
    本研究の目的は、将来のエネルギー資源として有望視されているメタンハイドレートの資源利用のため、その物理化学的性質を明らかにすることである。特に、結晶内部のメタン分子の描象を捕らえ、メタンハイドレートの生成・解離機構を明らかにするため、X線回折、ラマン散乱による実験および分子動力学シミュレーションを行なった。また、メタンハイドレートの特性を理解する上で重要である炭酸ガスハイドレート、空気ハイドレートの研究も行なった。
    本研究で得られた成果は、次の通りである。
    (1)人工メタンハイドレートの結晶構造解析を、X線粉末回折法で測定した。測定して得られた回折線強度は、計算で求めたI型ハイドレートの回折線の相対強度(エチレンオキサイドハイドレート単位胞長は、a=11.96±0.1 4Åと求められた。この結果、測定した人工メタンハイドレートはI型結晶であることが確認された。
    (2)メタンハイドレート中の水和数を非破壊で測定するため、人工メタンハイドレート試料について、ラマン分光測定を行った。各ケージへの占有率を熱力学的モデルを用いて見積ったところ、水和数は6.08〜6.28となった。質量測定で得られた見かけの水和数の変化に比べて、見積もられた水和数の変化が小さいことから、この変化の差は試料中のハイドレート含有率として表わされることが示された。また、炭酸ガスハイドレートの生成過程をラマン分光法を用いて観察し、水溶液中で結晶が成長していく際に炭酸ガスの周囲の水分子の構造が変化していく様子を捕らえることができた。
    (3)メタンハイドレート結晶中のメタン分子の運動を明らかにするため、分子動力学シミュレーションを行なった。メタン分子の振動スペクトルを計算した結果、液体の状態よりもより速い回転・伸縮振動が起こっていることが明らかになった。また原子の軌跡より、ケージ内でメタン分子は周りからの束縛をほとんど受けずも回転運動をしていることがわかった。炭酸ガスハイドレートについては、結晶中にある大きさの異なる2種類のケージ内でのゲスト分子の運動状態を調べた。振動スペクトルの計算から、小さなケージ内では二酸化炭素分子の分子内伸縮振動数は高く、周囲の水分子からの束縛を受けた運動状態にあることが明らかになった。
    日本学術振興会, 基盤研究(A), 北海道大学, 07555322
■ 産業財産権
  • ガスの貯蔵及び輸送方法
    特許権, 海老沼 孝郎; 内田 努; 竹谷 敏; 成田 英夫; 川崎 達治; 山田 郁夫; 長安 弘貢; 吉川 孝三; 木村 隆宏, 独立行政法人産業技術総合研究所, 東京瓦斯株式会社, 三菱重工業株式会社
    特願2004-108529, 2004年03月31日
    特開2004-315814, 2004年11月11日
    特許第4647227号, 2010年12月17日
    201103070607535681
  • コールベッドメタンハイドレート製造装置およびコールベッドメタンハイドレート製造方法
    特許権, 川村太郎; 山本佳孝; 川辺能成; 原淳子; 樋口知; 内田努; 大賀光太郎, 独立行政法人産業技術総合研究所, 国立大学法人北海道大学
    特願2009-068903, 2009年03月19日
    特開2010-222421, 2010年10月07日
    201003033810688086
  • トレハロースを用いた包接化合物の生成制御法
    特許権, 内田 努; 池田 育子; 大村 亮; 海老沼 孝郎, 独立行政法人産業技術総合研究所
    特願2003-321969, 2003年09月12日
    特開2005-089331, 2005年04月07日
    特許第4195932号, 2008年10月10日
    4195932, 201103086760622864
  • 不凍タンパク質を用いた包接化合物の生成制御法
    特許権, 内田 努; 池田 育子; 大村 亮; 津田 栄; 三浦 和紀; 海老沼 孝郎, 独立行政法人産業技術総合研究所
    特願2003-323599, 2003年09月16日
    特開2005-089353, 2005年04月07日
    特許第4106440号, 2008年04月11日
    4106440, 201103023309877148
  • 包摂水和物を用いた蓄冷方法および蓄冷熱装置
    特許権, 前河 涌典; 高橋 道夫; 松下 勝典; 渡邊 純一; 吉田 諒一; 内田 努; 海老沼 孝郎, 鈴木商工株式会社, 独立行政法人産業技術総合研究所, 財団法人北海道科学技術総合振興センター
    特願2000-071245, 2000年03月14日
    特開2001-255089, 2001年09月21日
    特許第3855016号
    201103088472588506
  • 気体の分離剤及び気体を分離濃縮するための方法と装置
    特許権, 海老沼 孝郎; 内田 努; 長尾 二郎; 竹谷 敏; 大村 亮; 成田 英夫; 島田 亙; 大山 裕之; 鎌田 慈, 独立行政法人産業技術総合研究所
    特願2002-173153, 2002年06月13日
    特開2003-138281, 2003年05月14日
    特許第3826176号, 2006年07月14日
    201103046145954448
  • 不凍タンパク質を用いた包接化合物の生成制御法
    特許権, 内田 努; 池田 育子; 大村 亮; 津田 栄; 三浦 和紀; 海老沼 孝郎, 独立行政法人産業技術総合研究所
    特願2003-323599, 2003年09月16日
    特開2005-089353, 2005年04月07日
    200903060534432850
  • トレハロースを用いた包接化合物の生成制御法
    特許権, 内田 努; 池田 育子; 大村 亮; 海老沼 孝郎, 独立行政法人産業技術総合研究所
    特願2003-321969, 2003年09月12日
    特開2005-089331, 2005年04月07日
    200903037605928354
  • ガスの貯蔵及び輸送方法
    特許権, 海老沼 孝郎; 内田 努; 竹谷 敏; 成田 英夫; 川崎 達治; 山田 郁夫; 長安 弘貢; 吉川 孝三; 木村 隆宏, 独立行政法人産業技術総合研究所, 東京瓦斯株式会社, 三菱重工業株式会社
    特願2004-108529, 2004年03月31日
    特開2004-315814, 2004年11月11日
    200903035907752570
  • メタン水和物の製造方法と装置
    特許権, 海老沼 孝郎; 内田 努; 成田 英夫, 独立行政法人産業技術総合研究所
    特願2000-051348, 2000年02月28日
    特開2001-233801, 2001年08月28日
    特許第3511086号, 2004年01月16日
    201103028050992174
  • 昇圧方法、調圧方法及び昇圧ガスの形成方法
    特許権, 内田 努; 海老沼 孝郎; 長尾 二郎; 竹谷 敏; 成田 英夫, 独立行政法人産業技術総合研究所
    特願2002-029976, 2002年02月06日
    特開2003-232496, 2003年08月22日
    200903005479693592
  • 気体の分離剤及び気体を分離濃縮するための方法と装置
    特許権, 海老沼 孝郎; 内田 努; 長尾 二郎; 竹谷 敏; 大村 亮; 成田 英夫; 島田 亙; 大山 裕之; 鎌田 慈, 独立行政法人産業技術総合研究所
    特願2002-173153, 2002年06月13日
    特開2003-138281, 2003年05月14日
    200903054482954225
  • 安定化されたガスハイドレート、ガスハイドレート安定化方法および装置
    特許権, 幸田 和郎; 井田 博之; 海老沼 孝郎; 内田 努; 長尾 二郎; 竹谷 敏; 成田 英夫, 日本鋼管株式会社, 独立行政法人産業技術総合研究所
    特願2001-165188, 2001年05月31日
    特開2002-363579, 2002年12月18日
    200903061794800540
  • 炭化水素ガスの貯蔵及び輸送方法
    特許権, 海老沼 孝郎; 内田 努; 竹谷 敏; 成田 英夫, 独立行政法人産業技術総合研究所
    特願2001-060798, 2001年03月05日
    特開2002-255865, 2002年09月11日
    200903067428703653
  • ガスハイドレート形成工程を含む混合ガスの組成制御方法及び濃縮方法
    特許権, 内田 努; 海老沼 孝郎; 成田 英夫; 長尾 二郎; 竹谷 敏, 独立行政法人産業技術総合研究所
    特願2001-048983, 2001年02月23日
    特開2002-249790, 2002年09月06日
    200903071009320571
  • 包摂水和物を用いた蓄冷方法および蓄冷熱装置
    特許権, 前河 涌典; 高橋 道夫; 松下 勝典; 渡邊 純一; 吉田 諒一; 内田 努; 海老沼 孝郎, 鈴木商工株式会社, 経済産業省産業技術総合研究所長, 財団法人北海道地域技術振興センター
    特願2000-071245, 2000年03月14日
    特開2001-255089, 2001年09月21日
    200903098452009582
  • ガスハイドレートの効率的製造方法及びガスハイドレート含有多孔質物質
    特許権, 内田 努; 海老沼 孝郎; 成田 英夫, 経済産業省産業技術総合研究所長
    特願2000-054324, 2000年02月29日
    特開2001-240565, 2001年09月04日
    200903096123313111
  • メタン水和物の製造方法と装置
    特許権, 海老沼 孝郎; 内田 努; 成田 英夫, 経済産業省産業技術総合研究所長
    特願2000-051348, 2000年02月28日
    特開2001-233801, 2001年08月28日
    200903021790401355
  • 液化ガス気化促進装置
    特許権, 内田 努; 土門 忠; 室橋 勝次; 遠藤 秀紀; 今井 宏昌; 山崎 智久, 工業技術院長, 綜合器材株式会社
    特願平11-258754, 1999年09月13日
    特開2001-082696, 2001年03月30日
    200903091526136030
■ 学術・社会貢献活動/その他
社会貢献活動
  • 北海道札幌啓成高等学校スーパーサイエンスハイスクール運営指導委員会
    2013年04月 - 現在
    助言・指導, 運営参加・支援
    北海道札幌啓成高等学校スーパーサイエンスハイスクール
  • 北大総合博物館「卒論ポスター発表会」
    2011年 - 現在
    助言・指導
    北大総合博物館
  • メタンハイドレート開発促進事業「環境有識者会議」委員
    2009年12月24日 - 2019年03月31日
    助言・指導
    エンジニアリング協会
メディア報道
  • 太古のアルゴン世界で初検出 グリーンランド深部の氷掘削 大気の歴史解明に期待 長岡技科大・本間准教授のチーム
    2022年01月08日
    新潟日報
    [新聞・雑誌]
  • 砂層型メタンハイドレートの基礎研究は、本当にもう充分?
    2017年
    青山千春、ワニ・プラス
    科学者の話ってなんて面白いんだろう
    [その他]
  • H2Oを科学する
    2015年04月
    北海道大学アドミッションセンター
    知のフロンティア
    [会誌・広報誌]

研究シーズ集

■ 研究シーズ