¿Información sobre nanotecnología?
La nanotecnología es un tema integral con fuertes características transversales, y su contenido de investigación cubre una amplia gama de ciencia y tecnología modernas. La nanotecnología incluye principalmente:
Física de nanosistemas, nanoquímica, nanomateriales, nanobiología, nanoelectrónica, nanoprocesamiento, nanomecánica, etc. Estas siete disciplinas relativamente independientes pero interpenetradas y tres áreas de investigación: nanomateriales, nanodispositivos y detección y caracterización a nanoescala. La preparación y la investigación de nanomateriales son la base de toda la nanotecnología. Entre ellos, la nanofísica y la nanoquímica son la base teórica de la nanotecnología, y la nanoelectrónica es el contenido más importante de la nanotecnología.
Nanofibra
Nanofibra En 1993 se celebró en Estados Unidos la primera Conferencia Internacional de Nanotecnología (INTC). La nanotecnología se dividió en nanofísica, nanobiología, nanoquímica, nanoelectrónica y nanotecnología. Seis grandes ramas de la tecnología de procesamiento y la nanometría promueven el desarrollo de la nanotecnología. Debido a la particularidad, magia y universalidad de esta tecnología, ha atraído a muchos científicos destacados de todo el mundo para realizar investigaciones diligentes al respecto. La nanotecnología generalmente se refiere a materiales, diseño, fabricación, medición, control y tecnología de productos a nanoescala (0,1-100 nm). La nanotecnología incluye principalmente: tecnología de medición a nanoescala: tecnología de detección de propiedades físicas y mecánicas de superficies a nanoescala; tecnología de procesamiento a nanoescala; nanomateriales; tecnología de nanobiotecnología;
La nanotecnología incluye los siguientes cuatro aspectos principales:
1. Nanomateriales: cuando una sustancia alcanza la escala nanométrica, alrededor de 0,1-100 nanómetros, las propiedades de la sustancia cambiarán repentinamente, de manera especial. aparecen las propiedades. Los materiales con propiedades especiales que difieren de los átomos, moléculas y sustancias macroscópicas originales se denominan nanomateriales.
Si se trata sólo de un material a nanoescala sin propiedades especiales, no se puede llamar nanomaterial.
En el pasado, la gente sólo se centraba en los átomos, las moléculas o el universo, ignorando a menudo este campo intermedio que realmente existe en la naturaleza en grandes cantidades, y antes no eran conscientes del funcionamiento de este rango de escala. Los científicos japoneses fueron los primeros en reconocer verdaderamente sus propiedades e invocar el concepto de nanómetros. Prepararon iones ultrafinos mediante evaporación en la década de 1970 y descubrieron que un conductor de cobre y plata que conduce electricidad y calor pierde sus propiedades originales y no conduce ni electricidad ni calor una vez convertido a nanoescala. Lo mismo ocurre con los materiales magnéticos, como las aleaciones de hierro y cobalto. Si se le da un tamaño de unos 20 a 30 nanómetros, el dominio magnético se convertirá en un dominio magnético único y su magnetismo será 1.000 veces mayor que el original. A mediados de la década de 1980, este tipo de materiales se denominaron oficialmente nanomateriales.
¿Por qué el dominio magnético se convirtió en un único dominio magnético y su magnetismo era 1000 veces mayor que antes? Esto se debe a que la disposición de los átomos individuales en un dominio magnético no es muy regular, pero hay un núcleo en el medio de un solo átomo y electrones que lo rodean. Esta es la razón de la formación del magnetismo. Pero una vez que se convierte en un dominio magnético único, los átomos individuales se organizan regularmente y muestran un fuerte magnetismo hacia el mundo exterior.
Esta característica se utiliza principalmente para fabricar micromotores. Si la tecnología se desarrolla hasta cierto punto, se puede utilizar para crear levitación magnética, que puede crear motores más rápidos, más estables y con mayor ahorro de energía. trenes de velocidad.
2. Nanodinámica: Principalmente micromáquinas y micromotores, o sistemas microelectromecánicos (MEMS), utilizados en maquinaria de transmisión a microescala, sistemas de comunicación por fibra óptica, equipos electrónicos especiales, instrumentos médicos y de diagnóstico, etc. Sensores y actuadores . Utiliza una nueva tecnología similar al diseño y fabricación de electrodomésticos integrados. La característica es que las piezas son muy pequeñas, la profundidad de grabado a menudo requiere de decenas a cientos de micrones y el error de ancho es muy pequeño. Este proceso también se puede utilizar para fabricar motores trifásicos, centrífugas de ultra alta velocidad o giroscopios. En consecuencia, en los estudios se deberían detectar la microdeformación y la microfricción a escala casi atómica.
Aunque todavía no se encuentran realmente en la nanoescala, tienen un enorme valor científico y económico potencial.
En teoría, los micromotores y la tecnología de detección pueden alcanzar una escala nanométrica.
3. Nanobiología y nanofarmacología: por ejemplo, usar oro coloidal del tamaño de nanopartículas para fijar partículas de ADN en la superficie de mica y usar electrodos interdigitales en la superficie de sílice para verificar biomoléculas, fosfolípidos y ácidos grasos. Experimentos sobre la interacción de biopelículas capa-plano, la estructura fina del ADN, etc. Con la nanotecnología, también es posible colocar piezas o componentes en células para formar nuevos materiales mediante el autoensamblaje. Aproximadamente la mitad de los nuevos medicamentos, incluso los polvos finos con partículas del tamaño de una micra, son insolubles en agua, pero si las partículas son de tamaño nanométrico (es decir, partículas ultrafinas), son solubles en agua;
Cuando la nanobiología evoluciona hacia una determinada tecnología, se pueden utilizar nanomateriales para producir células nanobiológicas con capacidades de reconocimiento, y la absorción biomédica de células cancerosas se puede inyectar en el cuerpo humano para matarlas de forma selectiva. (Esta es una forma antigua de recaudar fondos)
4. Nanoelectrónica: incluye dispositivos nanoelectrónicos basados en efectos cuánticos, propiedades ópticas/eléctricas de nanoestructuras, caracterización de materiales nanoelectrónicos, manipulación y ensamblaje atómico. Las tendencias actuales en electrónica requieren que los dispositivos y sistemas sean más pequeños, más rápidos, más fríos y más pequeños, lo que significa una respuesta más rápida. Más fresco significa menos consumo de energía por parte de dispositivos individuales. Pero más pequeño no es infinito. La nanotecnología es la última frontera para los constructores y su impacto será enorme.
Desarrollo histórico
La nanotecnología se inspiró en una conferencia de 1959 del fallecido físico Richard Feynman titulada "Hay mucho espacio en el fondo". Un profesor de Caltech propuso una nueva idea a sus colegas. Desde la Edad de Piedra, toda la tecnología humana, desde flechas afiladas hasta chips fotolitográficos, ha consistido en cortar o fusionar cientos de millones de átomos a la vez para darle formas útiles a la materia. Feynman preguntó: ¿por qué no podemos ensamblarlo desde un ángulo diferente para satisfacer nuestras necesidades a partir de una sola molécula o incluso de un átomo? Dijo: "Al menos en mi opinión, las leyes de la física no excluyen la posibilidad de hacer algo átomo por átomo".
En la década de 1970, los científicos comenzaron a proponer ideas sobre la nanotecnología desde diferentes ángulos. En 1974, el científico Norio Taniguchi utilizó por primera vez el término nanotecnología para describir el mecanizado de precisión.
En 1981, los científicos inventaron el microscopio de efecto túnel, una importante herramienta para estudiar nanómetros, que nos reveló un mundo visible de átomos y moléculas y desempeñó un papel positivo en la promoción del desarrollo de la nanotecnología.
1990,
Richard Feynman, un científico del Centro de Investigación Almaden de IBM, reorganizó con éxito un solo átomo y la nanotecnología logró un avance clave. Utilizaron un dispositivo llamado sonda de escaneo para mover lentamente 35 átomos a sus respectivas posiciones para formar las tres letras de IBM. Esto demuestra que Feynman tenía razón: las dos letras juntas tienen menos de tres nanómetros de largo. Pronto, los científicos no sólo podrán manipular átomos individuales, sino también "rociar átomos". Utilizando la epitaxia de haces moleculares, los científicos han aprendido cómo crear películas extremadamente delgadas de cristales especiales, una capa de moléculas a la vez. Esta tecnología se utiliza en la fabricación moderna de cabezales de lectura y escritura de discos duros de computadoras. El famoso físico y ganador del Premio Nobel Richard Feynman predijo que los humanos pueden usar máquinas pequeñas para fabricar máquinas aún más pequeñas y, eventualmente, ordenarán los átomos uno por uno según los deseos humanos para crear productos. Este fue el primer sueño sobre la nanotecnología.
En julio de 1990 se celebró en Baltimore, EE.UU., la primera Conferencia Internacional de Nanotecnología, que marcó el nacimiento oficial de la nanotecnología.
En 1991, los nanotubos de carbono fueron descubiertos por el ser humano. Su masa es una sexta parte del mismo volumen del acero, pero su resistencia es 10 veces mayor que la del acero, lo que los convierte en el foco de la investigación en nanotecnología. El profesor Smalley, premio Nobel de Química, cree que los nanotubos de carbono serán el material elegido para las mejores fibras del futuro y también se utilizarán ampliamente en cables ultramicro, interruptores ultramicro y circuitos nanoelectrónicos.
En 1993, después de que el grupo atómico móvil de la Universidad de Stanford "escribiera" el nombre en inglés de la Universidad de Stanford en 1989, e IBM utilizara 35 átomos de xenón para expulsar a "IBM" de la superficie del níquel en 1990, la Física del Vacío de Beijing Laboratorio de la Academia China de Ciencias La manipulación libre de átomos y la escritura exitosa de la palabra "China" marcan el comienzo de la posición de China en el campo internacional de la nanotecnología.
En 1997, los científicos estadounidenses utilizaron con éxito un solo electrón para mover un solo electrón por primera vez. Se espera que después de 2017 se puedan desarrollar con éxito ordenadores cuánticos con velocidades y capacidades de almacenamiento miles de veces mayores.
En 1999, científicos brasileños y estadounidenses inventaron la "báscula" más pequeña del mundo mientras experimentaban con nanotubos de carbono. Su peso puede alcanzar la milmillonésima parte de un gramo de un objeto, lo que equivale al peso de un virus. Poco después, los científicos alemanes desarrollaron una báscula que podía pesar átomos individuales, batiendo un récord establecido conjuntamente por científicos estadounidenses y brasileños.
En 1999, la nanotecnología entró gradualmente en el mercado y la facturación anual de productos basados en nanotecnología alcanzó los 50 mil millones de dólares estadounidenses.
En 2001, algunos países formularon estrategias o planes relevantes e invirtieron mucho para aprovechar el terreno estratégico de la nanotecnología. Japón ha establecido un centro de investigación de nanomateriales y ha incorporado la nanotecnología al enfoque de investigación y desarrollo de su nuevo plan básico quinquenal de ciencia y tecnología; Alemania ha establecido una red de investigación de nanotecnología y Estados Unidos considera la nanotecnología como el núcleo de la próxima industria; revolución. La inversión del gobierno estadounidense en investigación básica sobre nanotecnología aumentó de 65.438,116 millones de dólares en 1997 a 497 millones de dólares en 2006. China también ha incluido la nanotecnología en su “Plan 973” para un desarrollo vigoroso y ha brindado un fuerte apoyo a sus industrias relacionadas.
Campos de aplicación
En la actualidad, la investigación y aplicación de la nanotecnología se encuentran principalmente en materiales y preparación, microelectrónica y tecnología informática, medicina y salud, aeroespacial y aviación, medio ambiente y energía, y biotecnología y productos agrícolas. Los equipos fabricados con nanomateriales son más ligeros, más resistentes, tienen una vida útil más larga, menores costes de mantenimiento y son más cómodos de diseñar. Los nanomateriales también se pueden utilizar para crear materiales con propiedades específicas o materiales que no existen en la naturaleza, para crear biomateriales y materiales biomiméticos.
1. Nano es una unidad de medida de tamaño geométrico, 1 nanómetro = una millonésima de milímetro.
2. La nanotecnología impulsa la revolución tecnológica.
3. Los medicamentos elaborados a partir de nanotecnología pueden bloquear los capilares y "matar de hambre" a las células cancerosas.
4. Si se utilizan dispositivos nanointegrados en los satélites, los satélites serán más pequeños y más fáciles de lanzar.
5. La nanotecnología es una síntesis de múltiples ciencias, y algunos objetivos tardarán mucho en alcanzarse.
6. La nanotecnología, la ciencia y la tecnología de la información y las ciencias y la tecnología de la vida son la corriente principal del desarrollo científico actual. Su desarrollo mejorará la sociedad humana, el medio ambiente y la ciencia y la tecnología.
7. La nanotecnología puede observar los cambios patológicos y las condiciones de las células cancerosas en los pacientes para que los médicos puedan recetar los medicamentos adecuados.
Tecnología de medición
La tecnología de medición a nanoescala incluye: medición de precisión del tamaño y desplazamiento a nanoescala, y medición de topografía de superficie a nanoescala. La tecnología de medición a nanoescala tiene dos direcciones principales de desarrollo.
Una es la interferometría óptica, que utiliza franjas de luz de interferencia para mejorar la resolución de la medición. Los métodos de medición incluyen: interferometría láser de doble frecuencia, interferometría óptica heterodina, interferometría de rayos X, método de medición de herramienta estándar F-P, etc. Se puede utilizar para medir con precisión la longitud y el desplazamiento, así como para medir la microtopografía de superficies.
La segunda es la tecnología de microscopía de sonda de barrido (STM), cuyo principio básico se basa en el efecto túnel de la mecánica cuántica. El principio es utilizar una sonda muy afilada (o un método similar) (la sonda en realidad no entra en contacto con la superficie a medir) para escanear la superficie a medir y medir la topografía tridimensional micro-tridimensional de la superficie. con la ayuda de un sistema de control de posicionamiento de desplazamiento tridimensional a nanoescala. Se utiliza principalmente para medir la morfología microscópica y el tamaño de superficies.
Biotecnología
La nanobiología es el estudio de la estructura y función de varios orgánulos dentro de las células a nanoescala. El estudio del intercambio de materia, energía e información dentro de las células y entre las células y todo el organismo.
La investigación en nanobiología se centra principalmente en los siguientes aspectos.
La investigación del ADN ha logrado grandes avances en tres aspectos: observación morfológica, investigación de características y modificación genética.
Investigación de la función cerebral
El objetivo del trabajo es descubrir las funciones neuronales avanzadas de la memoria, el pensamiento, el lenguaje y el aprendizaje humanos y las funciones de procesamiento de información del cerebro humano.
Investigación biónica
Este es un tema de investigación candente en nanobiología. Se ha logrado mucho ahora. Este es un segmento prometedor de la nanotecnología.
El motor más pequeño del mundo es un motor biológico: un motor flagelar. Puede girar como una hélice para hacer girar el flagelo.
Nanocerámicas
Nanocerámicas. Un motor suele estar formado por más de 10 grupos de proteínas y está estructurado como un motor artificial. Consta de estator, rotor, cojinetes y juntas universales. Su diámetro es de solo 3 nm, su velocidad de rotación puede llegar a 15 r/min y puede completar el cambio entre giros hacia la derecha y hacia la izquierda en 1 μs. Puede acelerar o desacelerar mediante el uso de un campo eléctrico externo. La fuente de energía de la rotación es la diferencia de concentración de iones de óxido de nitrógeno dentro y fuera de la membrana que sostiene el motor en las bacterias. Prueba experimental. La diferencia de potencial dentro y fuera de la bacteria también puede impulsar el motor flagelar. La gente moderna está explorando el diseño de un motor flagelar artificial que pueda controlarse mediante diferencia de potencial.
La japonesa Mitsubishi Corporation ha desarrollado un chip de retina que puede simular la función del ojo humano en el procesamiento de imágenes visuales. El chip se basa en semiconductores de arsénico. Cada chip contiene 4096 elementos sensores. Se espera que se aplique aún más a los robots.
Se ha propuesto construir máquinas moleculares como anillos y varillas. Ensamblarlos en unidades de circuitos de una computadora. El tamaño de la unidad es de solo 1 Inm, que se puede ensamblar en una computadora ultrapequeña con un volumen de solo unas pocas micras y puede lograr el mismo rendimiento que las computadoras modernas de uso común.
En la fabricación de sistemas electromecánicos complejos nanoestructurados autoensamblados, un gran problema es el ensamblaje de varios componentes del sistema. Cuanto más avanzado y complejo sea el sistema, más difícil será resolver los problemas de montaje. Proteínas, ADN, células, etc. Varios organismos en la naturaleza tienen estructuras extremadamente complejas. Su generación y montaje son automáticos. Si se puede comprender y controlar el principio de autoensamblaje de las macromoléculas biológicas, la comprensión y la transformación de la naturaleza por parte de la humanidad inevitablemente se elevarán a un nivel nuevo y superior.
Derivados
Robots
Un nanorobot es un "dispositivo molecular funcional" que puede operar en el nanoespacio, también conocido como robot molecular. La investigación y el desarrollo de nanorobots se ha convertido en un tema candente en la vanguardia de la ciencia y la tecnología.
En 2005, muchos países formularon estrategias o planes relevantes e invirtieron mucho para aprovechar el terreno estratégico de los nanorobots, una nueva tecnología. Recientemente, la revista mensual "Robot Age" señaló que los nanorobots tienen una amplia gama de usos potenciales, especialmente en los campos médico y militar.
La aparición de cada nueva tecnología parece contener posibilidades ilimitadas. No pasará mucho tiempo antes de que nanorobots mágicos del tamaño de moléculas sigan entrando en nuestra vida diaria. El profesor Zhou Haizhong, un famoso erudito chino, predijo en un artículo sobre robots publicado en 1990 que, a mediados del siglo XX, los nanorobots cambiarán por completo el trabajo y el estilo de vida humanos.
Paraguas impermeable
Paraguas impermeable nano (diagrama de conversión)
Paraguas impermeable nano es una combinación de paraguas e impermeable. Los paraguas nano incluyen paraguas triples y rectos. paraguas (En definitiva, hay dos opciones a la hora de cerrar el paraguas). Los nano impermeables se pueden transformar a partir de nano paraguas. Los nano impermeables son diferentes de los impermeables comunes porque pueden garantizar que nunca te mojes de la cabeza a los pies. Gracias a los nanomateriales, este paraguas se seca instantáneamente. Después de que el paraguas se transforma en un impermeable, el impermeable se puede secar completamente con un simple salto mientras lo usa.
Material impermeable
El 4 de agosto de 2014, Australia fabricó una camiseta innovadora utilizando un tejido recién inventado. No importa cuánto intentes empaparla, esta camiseta sigue siendo impermeable.
Esta camiseta blanca llamada Knight está confeccionada en 100% algodón. Aunque parece discreta en la superficie, su tejido está tejido con nanotecnología hidrófoba, lo que hace que esta camiseta evite eficazmente la infiltración de la mayoría de líquidos y manchas.
Esta camiseta se puede lavar a máquina y es resistente al agua, por lo que aguanta hasta 80 lavados. Su tejido tiene una función de autolimpieza natural y cualquier mancha adherida se puede fregar o lavar con agua.
A diferencia de otras aplicaciones impermeabilizantes que contienen productos químicos, la camiseta imita las propiedades hidrofóbicas naturales de las hojas de loto. La invención de este tejido podría tener un impacto revolucionario en restaurantes y cafeterías. Además, esta tela se puede utilizar en industrias médicas u hospitales.
Tendencias de desarrollo
La nanotecnología avanzada, a veces llamada fabricación molecular, se utiliza para describir sistemas de nanoingeniería (nanomáquinas) a escala molecular. Innumerables ejemplos demuestran que cientos de millones de años de evolución pueden producir máquinas biológicas complejas y aleatoriamente optimizadas. En el campo de la nanotecnología, esperamos utilizar la biónica para encontrar atajos para fabricar nanomáquinas. Sin embargo, Eric Drexler y otros investigadores han propuesto que la nanotecnología avanzada puede basarse en principios de ingeniería mecánica, aunque inicialmente utilizará la biónica como ayuda.
Estados Unidos de América
A finales de 2003, la Junta Nacional de Ciencias aprobó el "Premio de la Junta Nacional de Ciencias de la Red Nacional de Infraestructura de Nanotecnología" (NNIN), 65.438 03 universidades de los Estados Unidos. Estados* * *Se construirán sistemas de red para apoyar la nanotecnología y la educación a nivel nacional. El plan quinquenal, implementado en enero de 2004, proporcionará capacidades nacionales integrales para apoyar la investigación y la educación en ingeniería y tecnología en nanociencia. Se estima que en cinco años se invertirán al menos 70 mil millones de dólares en fondos de investigación. El propósito del programa no es sólo proporcionar a los investigadores estadounidenses instrumentos y equipos experimentales de vanguardia, sino también formar un grupo de investigadores especializados en nanotecnología de última generación.
1. Estados Unidos desarrolla la última tecnología de fabricación de nanocélulas.
La nanotecnología puede producir partículas más pequeñas que el tamaño de los vasos sanguíneos humanos. El Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) señala que se ha desarrollado un método para producir nanocélulas autoensamblables consistentes para medicamentos comprimidos encapsulados terapéuticamente. Esta tecnología se puede aplicar actualmente a la tecnología de envasado de medicamentos, que puede garantizar con mayor precisión la dosis de los medicamentos. En el futuro, también se aplicará a tecnologías relacionadas con la quimioterapia contra el cáncer para futuras investigaciones.
El Nano Plan fue el foco principal del presupuesto federal interministerial de I+D de 2005, alcanzando los 980 millones de dólares.
2.2 Progreso. Chip de detección de ADN
En enero de 2004, HP lanzó oficialmente un chip a nanoescala para la detección rápida de ADN. En 2004, la detección de ADN adoptó el complejo paso de detección de "microarrays de ADN" basado en principios ópticos. El equipo de HP transformó este complejo paso en un chip de circuito. En producción, el elemento sensible del chip de detección de ADN es un nanocables con un espesor de aproximadamente 50 nanómetros, que se fabrica mediante litografía por haz de electrones y grabado con iones reactivos. Sin embargo, desde una perspectiva comercial, los resultados son demasiado altos, por lo que el equipo de investigación está desarrollando tecnología para utilizar técnicas de litografía óptica más baratas para fabricar componentes de chips de detección de ADN.
3. Investigación sobre el control de la contaminación de las aguas subterráneas
La contaminación de las aguas subterráneas es un tema importante ampliamente discutido en los tiempos modernos. En los tiempos modernos, Estados Unidos ha anunciado una tecnología de nanopartículas en la que el centro de la partícula es un núcleo de hierro y el exterior está cubierto por múltiples capas de polímeros, con la capa interior hecha de polimetilmetacrilato (PMMA) con excelentes propiedades impermeables. PMMA), mientras que la capa exterior está recubierta con poliestireno sulfonado hidrófilo. Debido a que la capa exterior hidrófila hace que las nanopartículas sean solubles en agua, la capa interior impermeable puede atraer la fuente de contaminación tricloroetileno. El núcleo de hierro de las nanopartículas hace que el tricloroetileno se rompa, descomponiendo gradualmente esta fuente de contaminación en sustancias no tóxicas.
4. Lanzar programa de nanotecnología contra el cáncer.
Con el fin de combinar ampliamente la nanotecnología, la investigación del cáncer y la biomedicina molecular, el Centro Nacional del Cáncer (NCI) ha propuesto un plan de nanotecnología del cáncer, que se implementará a través de tres programas extrahospitalarios, intrahospitalarios y programas y laboratorios estándar de nanotecnología Realizar trabajo interdisciplinario. El programa presenta seis desafíos:
Prevención del cáncer: desarrollar dispositivos a nanoescala que puedan administrar medicamentos contra el cáncer y una variedad de vacunas contra el cáncer.
Detección temprana e investigación de proteínas: desarrollar dispositivos implantables para la detección temprana de biomarcadores de cáncer y desarrollar un dispositivo de plataforma que pueda recopilar una gran cantidad de biomarcadores para análisis de gran volumen.
Diagnóstico por imágenes: desarrollar dispositivos de imágenes que puedan aumentar la resolución para identificar células cancerosas individuales y nanodispositivos que puedan distinguir células de diferentes orígenes tisulares en los tumores.
Dispositivos terapéuticos multifuncionales: Desarrollar nanodispositivos con funciones tanto diagnósticas como terapéuticas.
Atención del cáncer y mejora de la calidad de vida: desarrollar y mejorar los síntomas de dolor, depresión y náuseas causados por el cáncer crónico y proporcionar dispositivos ideales para la administración de medicamentos.
Formación interdisciplinar: Formar a una nueva generación de investigadores familiarizados con la biología del cáncer y la nanotecnología.
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