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Las computadoras del futuro demandan dispositivos moleculares
Alfred Zehe, Araceli Ramírez
Benemérita Universidad Autónoma de Puebla
[email protected]
Resumen
La física y química del estado sólido han cambiado el mundo como apenas otra disciplina del
saber. Los descubrimientos en estructuras microscópicas y procesos de la materia condensada
han llevado a resultados materiales presentes en nuestra vida cotidiana, - sean estos procesos
mecánico-cuánticos complejos o materiales Hi-Tec en la televisión satelital, teléfonos celulares,
minicomputadoras superpoderosas y el Internet, o simplemente hornos de microondas
programables.
Muchas de las tecnologías actuales se confrontarán durante los siguientes décadas con limites
físicos fundamentales, que no pueden ser resueltos en un proceso evolutivo. Una de las mas
alarmantes, la tecnología para la fabricación de circuitos integrados (IC's) en memorias de datos
llevaría según la Ley de MOORE en aproximadamente 20 años a transistores con dimensiones
atómicas, es decir, fracciones de nanómetros. Sin embargo, los problemas fundamentales de esta
tecnología, que inspiró desde los años 80 la sociedad de información por siempre mas potentes
computadoras, inician mucho antes, al llegar a tamaños característicos de unos veinte a cincuenta
nanómetros dentro de esta década.
La electrónica cuántica aparece en la gama de las tecnologías electrónicas hace mas que 25 años
con la fabricación de los primeros superredes funcionales en 1976. Enormes inversiones
financieros en estas tecnologías por parte de la industria semiconductor acompañados con
impresionantes descubrimientos y desarrollos científicos, que se reflejan en una inmensidad de
patentes tecnológicas otorgadas a estas industr ias, han reducido el círculo de los protagonistas
serias a unos pocos países.
La tecnología semiconductor arriba de los 350 nm difícilmente forma parte ya de investigaciones
originales universitarias; se podría comprarla en los mercados internacionales e incluso
conseguirla como donación. No obstante, lo que se consigue implica desde un inicio retrasos
tecnológicos tan severos, que una intención positiva requiere una cuidadosa reflexión.
Conceptos revolucionarios en esta mega-tendencia científico-tecnológica son indispensables. La
nanociencia y la nanotecnología a escala molecular, e incluso la bionanoelectrónica, se integran
en una nueva rama de actividad académica,- la Moletrónica. Es al mismo tiempo programa para
lograr el nivel de conocimientos requeridos, y pilar de una multitud de ideas innovadoras para las
tecnologías realmente nuevas, que implican el transistor molecular de un solo átomo, la
computadora del tamaño de un grano de polvo (smart dust), biotransistores y memorias
bioelectrónicas, sensores nanométricas, computadoras biomoleculares (utilizando la ADN), la
computación cuántica, motores moleculares y nanobots, la inteligencia artificial superior a la
inteligencia humana, - para mencionar unos pocos.
1. Introducción
En su esencia, gran parte del esfuerzo en el desarrollo de la micro- y nanotecnología se orienta a
siempre mas potentes computadoras, que dentro de las dos primeras décadas de este siglo
alcanzarán un nivel de inteligencia que es comparable con la de los seres humanos.
Somos actualmente testigos del desenvolvimiento de una nueva rama interdisciplinaria, que se
basa sobre ideas y conceptos de la física, las matemáticas y de la teoría de información, - la
informática cuántica.
Durante los años 1936 a 1938 el ingeniero alemán Konrad ZUSE desarrolló y construyó la
primera computadora binaria digital en el mundo (Z1). Dió inicio a un enorme desarrollo, que
con ENIAC desde 1946 encontró en EEUU su seguidora, dotada con 18000 tubos electrónicos,
un consumo de energía eléctrica de 40 kilo-wattios y un peso de 30 toneladas. Con los avances
de la investigación de semiconductores a finales de los años 50, y el aprovechamiento comercial
de las computadoras empezó un proceso de miniaturización para las siguientes generaciones de
computadoras. Al inicio de los años 60 nació el primer circuito integrado [1,2] como adelanto
para la tercera generación de computadoras. Intel desarrolló en 1971 el primer microprocesador,
y apenas siete años mas tarde aparecieron computadoras de la cuarta generación en base a las
tecnologías VLSI con mas que 100,000 dispositivos en un solo chip. 'Supercomputer' de aquel
tiempo fueron sustituidas por pequeños PC´s con mayor poder. Una siempre mas alta integración
y perfección ha llevado al nivel, que hoy día resulta en una casi milagrosa extensión de las
computadoras en especial, y de equipo electrónico de informática en general a todos los rincones
de la vida humana.
2. Límites naturales de la operación de circuitos integrados
La microelectrónica actual se confronta a violentos cambios. En cierta analogía a la integración
de transistores discretos de silicio en un chip hace cuatro décadas, se está forzado ahora a
considerar la realización de los mismos principios de operación electrónicos en estructuras a
escala molecular. Vivimos la transición de la microelectrónica convencional a una electrónica
molecular más poderosa aún. A partir de la realización tecnológica de estructuras planares con
dimensiones nanométricas, la física del estado sólido ha experimentado un significativo
incremento en el aspecto cognoscitivo (viz. Fig. 1).
Ya se logra concretar la microestructuración, -de manera controlada, de materiales sólidos en sus
tres dimensiones hasta llegar al ámbito de distancias verticales en magnitudes atómicas. Tan
pronto se vuelvan comparables los ordenes de magnitud de las tres principales escalas de
longitud, - formadas a partir de la distancia interatómica - relativas a la longitud de onda
DeBROGLIE de los electrones o a la longitud de onda de la luz, así como la magnitud
característica de estructura de la muestra, ya no podrá hablarse de aquellas simplificaciones
posibles – si otro fuera el caso – de conceptos elementales de la física del estado sólido [3].
top
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química, biología
química supramolecularr
n
botto
nanotecnología
molecular
ap
pro
ac
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moletrónica
bionanoelectrónica
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Fig. 1: Para la generación de nanosistemas se ha seguido hasta el momento dos caminos de investigación: A
un lado se reducen las dimensiones de los dispositivos en un proceso de miniaturización; al otro se aplica la
auto-organización de estructuras para llegar a unidades funcionales mas grandes (nanobiosistemas). Futuras
innovaciones en el nanomundo surgirán de la combinación interdisciplinaria de las ramas científicas
contenidas en dos caminos y dan lugar a la MOLETRÓNICA
El comportamiento de electrones y hoyos responsables de las propiedades eléctricas y ópticas de
semiconductores puede ser descrito hasta llegar a dimensiones geométricas de sistema del orden
de un micrómetro en aproximación casi infinita; Las propiedades en un determinado lugar son
derivadas de las propiedades del cuerpo expandido espacialmente en forma infinita.
Esta situación se modifica básicamente si se han de considerar los efectos cuánticos para los
portadores de carga en detalle. La factibilidad de heteroestructuras abruptas entre dos
semiconductores con distinta energía del bandgap había sido el presupuesto práctico para la
obtención de pozos de potencial en los que los electrones ocupan estados discretos de energía, tal
como son conocidos a partir de la mecánica cuántica, -a ser abordada unidimensionalmente –
para el pozo cuántico. En tales canales el movimiento de los electrones está limitada a dos
dimensiones (gas de electrones – 2D). El descubrimiento del efecto HALL cuántico [4] se
remonta a estas anticipaciones tecnológicas.
Para la estimación de tamaños caracteristicos de estructura (por ej. la anchura del pozo cuántico
de potencial), en las que los efectos cuánticos se vuelvan esenciales, se utiliza con frecuencia la
extensión mínima de la densidad electrónica en torno de una carga de punto positiva (en el
semiconductor hablamos por tanto del radio efectivo BOHR a*). Éste se halla para silicio apenas
en 20 Å y para GaAs en 100 Å. Los semiconductores con estructura de bandas indirecta han
sido, por tanto, y debido a las relativamente grandes masas efectivas de electrones, de una en
especial muy alta exigencia en cuanto a su realización.
La limitación de la movilidad de los electrones mediante vibraciones térmicas de la red cristalina
se ve fuertemente disminuida a bajas temperaturas. Sin embargo, se han podido realizar
movilidades en extremo altas utilizando una dimensión reducida, esto porque mediante el recurso
tecnológico de un dopamiento de modulación, la dispersión de los portadores de carga se ve
disminuida sustancialmente en sus propios iones de dotación, además de que, por razones de
conservación de impulso, dicha dispersión decrece aún más dentro de un espacio reducido. En
tales estructuras nanométricas los portadores de carga pueden moverse libremente más de 10 µm
antes de que sean dispersados en un átomo. Si estas consideraciones se ven convertidas en una
estructura FET (Field Effect Transistor), entonces el canal dotado de modulación (electrones 2D)
podría hacerse entre drenaje y fuente, y aún así, convertir el transporte en balístico.
La longitud de onda l aparente de fonones en cuerpos sólidos (con a la constante de la red) por
debajo de la temperatura DEBYE q está en l = aq/T(K) y con ello en el orden de magnitud de
100 nm/T(K). Si se lograra fabricar estructuras de columnas libres (alambres aislantes delgados
en extremo) de un diámetro de aproximadamente este valor, entonces allí podrían propagarse los
fonones solamente en la dirección del eje; transversalmente a la dirección del eje su energía de
excitación sería demasiado alta. Esto correspondería a la conformación de fonones
unidimensionales. Objetivamente, esto se ha logrado con los medios ofrecidos por la litografía de
precisión y mediante técnicas especiales de grabado al ácido, construir columnas de silicionitruro
con dimensiones de 100 nm x 100 nm x 300 µm sobre un substrato de silicio. A temperaturas por
debajo de 1 K deberán poder obtenerse nuevos conocimientos respecto a la capacidad conductora
térmica transmitida por la interacción fonón-fonón y a la capacidad conductora térmica
transmitida por la interacción electrón-fonón de los sistemas. En el caso de la interacción
electrón-fonón de sistemas con dimensión reducida, se está confrontada con la circunstancia de
que el sistema de electrones puede ser ciertamente bidimensional o completamente
unidimensional (alambres cuánticos); no obstante que el sistema de fonones compartido en la
interacción es siempre tridimensional en volumen. Las estructuras finas de columna (whiskers)
representan un progreso experimental [5]. Las apariciones específicas de fonones fueron
encontradas en espectros de la aleación Ge x Si1-x , mismas que son atribuidas a un estado de orden
atómico de Ge y Si del tipo GeGeSiSi. Esto remitiría a una estructura de GeSi con simetría
cristalina básicamente modificada. De cara a la importancia práctica, que precisamente esta clase
de materiales tiene para la microelectrónica, los resultados de este tipo tienen un gran
significado.
La permanente miniaturización de elementos constructivos microelectrónicos sobre un substrato
tiene, además de su relevancia para la obtención de una inteligencia artificial en circuitos
integrados de memoria, un ulterior efecto de gran importancia para la física: los elementos
constructivos aislados contienen solo pocos electrones para garantizar su función. A guisa de
ejemplo: bajo la (muy real) suposición de una densidad de portadores de carga de 1011 cm-2 en un
gas de electrones bidimensional, mismo que está conformado en una estructura cuadrática de
elementos constructivos de orden de 0.1 µm2 , se encuentran sólo 10 electrones. En una magnitud
de estructura de 50 nm2 que se halla por completo dentro del ámbito de las posib ilidades
tecnológicas, estarían de 2 a 3 electrones. Hablando de la estrecha vecindad de estas microestructuras, se está cerca de entender su estructura electrónica más como la de un sistema con
interacción de unidades de tipo ‘super’-atómico con pocos electrones, y no como la de un
sistema multi-partícula con un electrón de cristal como excitación elemental.
¿Cómo pueden impedirse manifestaciones no deseadas de tunelamiento a partir de sistemas con
pocos (digamos dos) electrones que variarían su estado electrónico considerablemente si uno de
ellos es tunelado? Sea lo que sea, una extrapolación lineal de las anchuras de unión mínimas de
los elementos microelectrónicos según los conocimientos de las décadas anteriores conlleva a un
valor en escala de Ángstrom de alrededor del año 2020 (viz. Fig. 2).
1000
Producción y Venta
Transferencia de Tecnología
Tam a ño cara cterístico [nm ]
Desarrollo de Proceso
Investigación Aplicada
Investigación y Exploración
100
10
1980
1990
2000
2003
2010
año
2020
Fig. 2: Disminución del tamaño característico de los circuitos integrados siguiendo la Ley de MOORE.
Los principios convencionales de operación para tales micro-estructuras se habrían vuelto por
tanto -por razones físicas- inutilizables desde hace tiempo, y la tendencia preconizada para la
muy alta integración pasa por el apilamiento tridimensional de micro-elementos constructivos en
los que son posibles mayores densidades de relleno a pesar de mayores anchuras de unión, hasta
finalmente llegar a sistemas moleculares.
3. Altas tecnologías en la nanoelectrónica
La realización técnica de estructuras finas cuánticas está ligada a los procedimientos de
fabricación, mismos que tanto en la profundidad de los cuerpos sólidos como a lo largo de la
superficie de éstos, llevan (de manera reproducible y con una precisión que esté de acuerdo con
los resultados perseguidos) a estructuras geométricas y químicas. Mientras que para la
estructuración a profundidad y logrando una resolución de pocos Ángstroms, es la epitaxia por
haces moleculares (MBE) -y técnicas especiales de ella tales como CBE (Chemical Beam
Epitaxy), SPE (Solid Phase Epitaxy) y ALE (Atomic Layer Epitaxy)- la técnica de crecimiento
sobresaliente, tenemos que el desarrollo conduce a la estructuración lateral mediante anchuras de
unión de 100 nm a través de litografía de líneas finas hasta la resolución de pocos nanómetros
por implantación de haz de iones, o bien por epitaxia de haz de iones (FIBE)[6,7].
La epitaxia por haces moleculares es un proceso físico más complejo y al mismo tiempo una alta
tecnología para la generación de capas monocristalinas ultradelgadas sobre sustratos
monocristalinos con la precisión de una capa atómica tanto en lo referente a la disposición
geométrica como a la composición química. El crecimiento molecular epitáctico se alcanza en el
ultraalto vacío a través de la interacción de varios haces moleculares de normalmente distinta
densidad con un substrato monocristalino calentado y atómicamente limpio. MBE es en lo
esencial un proceso cinético, y capas finas de prácticamente todo perfil químico
matemáticamente predeterminable pueden ser fabricadas a partir de los componentes empleados.
Esto afecta tanto al proceso y a los niveles de dopamiento, como también a la abrupta y graduada
heterotransición entre distintos materiales. Para ello, el conocimiento detallado de la técnica de
crecimiento es una ambiciosa tarea para garantizar la perfección de capas y de interfases, así
como su composición química, y una amplia gama de actividades está dirigida a ello,
especialmente desde el punto de vista del logro de funciones especiales de los elementos
constructivos. El viejo sueño de los físicos del estado sólido de fabricar estructuras de banda de
energía según una medida requerida al interior de estructuras artificiales de capas, ha llegado a
cumplirse siendo sustituido inmediatamente por uno nuevo: lograr también la estructuración
lateral, junto con la estructuración simultánea de profundidad, a escala atómica. La solución de
este problema correspondería precisamente a la ‘pincita atómica’ manejable con la mano, es
decir, a una posibilidad tecnológica de consecuencias aún más allá de los más amplios
pronósticos. El microscopio de fuerza atómica (AFM) se ha mostrado practicable en este sentido
[8].
Independientemente de los esfuerzos para la generación de efectos de dimensión cuántica a
través de la estructuración a profundidad en semiconductores, mediante los procesos habidos en
la creación de zonas dotadas estrechamente próximas y su respectiva unión metálica, se ha
estado efectuando, con cada vez más fina geometría y más alta precisión, la miniaturización
lateral de elementos constructivos electrónicos y su creciente densidad de integración en una
oblea. Si bien el proceso clásico sobre capa protectora, máscara, exposición y revelado está
ampliamente extendido en la práctica con fines de definición de ventanas para la dotación y
metalización de estructuras finas; y la radiación de alta energía sustituye a la usual exposición en
la gama de radiación visible o ultravioleta para estructuras nanométricas laterales, puede
alcanzarse una aún más fina estructuración lateral solo mediante escritura directa utilizando un
haz de átomos, iones y electrones finamente enfocados. En el caso de una exposición de haz de
electrones se originan estructuras, normalmente en la capa protectora, mismas que después del
proceso acostumbrado son ulteriormente procesadas. Por otro lado - utilizando un haz de áto mos
ó de iones finamente enfocados- pueden generarse, epitaxialmente y de manera selectiva, zonas
con distinta composición química (epitaxia por haz de iones), o bien dotarse y con ello
estructurarse sin que ninguna capa protectora sea necesaria. Además del ahorro de pasos de
proceso, se tiene como característica sobresaliente de la implantación por haz de iones su
compatibilidad con la MBE vinculada igualmente a las condiciones de ultra-alto vacío (UHV).
Se logran canales ion-implantados de menos que 100 nm de ancho, 20 nm de profundidad y 200
µm de largo; sin embargo es previsible que mediante una focalización más fina pueda reducirse
la anchura en un orden de magnitud. Los alambres metálicos de unos micrones de longitud y una
sección transversal de 6 nm x 10 nm (¡20 x 30 átomos!) han sido ya fabricados desde hace
tiempo.
La simbiosis de MBE y litografía de precisión hace pensar en estructuras de un tipo
completamente nuevo. Las propiedades ópticas y eléctricas de medios no homogéneos (digamos
laminillas metálicas en un dieléctrico) pueden ser estimadas solo con el supuesto de la
distribución y la magnitud de las partículas. Si, por otra parte, se pudieran construir de manera
controlada cuerpos sólidos en tres dimensiones, se podría pensar entonces en hexaedros con una
longitud de arista de 3 nm en una disposición de rejilla con 5 nm de distancia entre hexaedros al
interior de una matriz semiconductora, en la forma de un sistema completamente ordenado. Los
puntos cuánticos como ‘super-átomos artificiales’ han encontrado interés al respecto, e incluso
cristales tridimensionales con puntos cuánticos en arreglo ordenado están en la mira de las
investigaciones prácticas [9]. Las propiedades físicas de tales estructuras, ó de otras semejantes a
ellas están siendo investigadas considerando la variación de los materiales (incluyendo
sustancias magnéticas, así como elementos cambiantes entre pesados y ligeros).
Desde el punto de vista de la estructuración de haz de electrones libre de capa protectora, los
fluoruros alcalinotérreos muestran propiedades interesantes. Estas han sido precipitadas
epitaxialmente sobre una serie de semiconductores. Se encontró que las capas son destruidas por
la acción de los haces de electrones. En la realización de un distinto coeficiente de grabado por
plasma para el dieléctrico y el substrato, el sistema de capas podría limpiarse hasta tal punto que
estuviera posible un sobrecrecimiento epitaxial. Si se piensa en el sistema de material
silicio/fluoruro alcalinotérreo/siliciuro epitaxial, se tiene entonces un panorama real de lo que
puede ser una integración tridimensional de elementos constructivos. Recientes logros implican
la deposición de poli-silicio sobre óxido de silic io, aplicando la técnica CMP (ChemicalMechanical Polishing) para posibilitar estructuras verticales [10].
4. Electrónica a escala molecular
No cabe duda que el rápido progreso en el descenso hacia las estructuras nanoelectrónicas ha
llevado a notables grados de integración y con ello, de manera vinculada, a considerables
velocidades de operación de los circuitos microelectrónicos. Actuales transistores tienen
extensiones de 130 nm, con pases realizados a 90 nm. El espesor del óxido de silicio en la puerta
de un MOS-FET de tales dimensiones es debajo de un nanómetro. Estas medidas contrastan con
distancias interatómicas en un cristal de silicio, siendo cerca de 2.5 Å, y correspondiente a 4
átomos por nm. De cualquier manera, no puede continuar discrecionalmente, ya que cada vez
más y más barreras obligan a otras vías de solución, mismas que, no obstante, sin desviarse del
curso conducen irremisiblemente hasta niveles de integración superiores. Una inteligencia
artificial está preprogramada, y ella demanda, entre otras cosas, densidades de memoria y
velocidades de procesamiento en extremo altas.
No sorprende que en la búsqueda de nuevas vías, la sustitución del concepto ‘scaling down’ por
el concepto ‘bottom up’, y el uso y la integración de moléculas apropiadas entre contactos
metálicos, es un camino natural para tal fin [11,12].
El campo de la electrónica a escala molecular busca la aplicación de moléculas individuales para
la realización de funciones en circuitos integrados, que hasta ahora realizan dispositivos
semiconductores. Los puntos cuánticos, constituidos de unos cuantos átomos y unos pocos
electrones, representan una liga entre los dos caminos. En lugar del ‘scaling down’ de
dispositivos semiconductores se busca el ‘scaling up’ de dispositivos moleculares.
Moléculas apropiadas tienen tamaños en el rango de unos pocos nanómetros. La electrónica
molecular comprende materiales inorgánicos y orgánicos, que pueden ser modificados a nivel
molecular, por sustituciones tanto elementales como estructurales. La flexibilidad en
composición permite tallar sus propiedades, consiguiendo dispositivos electrónicos moleculares
que son aptos de realizar las funciones que actualmente se consigue con la electrónica
semiconductor pero sin las limitaciones físicas arriba mencionadas.
Se conocen moléculas que exhiben en forma estable y reproducible propiedades clásicas de
switcheo. Recordando que el switch semiconductor puede (en combinaciones) realizar todas las
funciones lógicas computacionales, lo mismo, en superior integración, puede ser esperado de un
switch molecular que lleva contactos eléctricos.
Con los avances de la electrónica molecular se abren caminos para una bioelectrónica que
combina la microelectrónica de alta integración con supramoléculas y celdas vivas biológicas,
que finalmente permitirán una interacción directa con el cerebro humano (viz. Fig. 3).
30
cálculo por segundo
10
todos los cerebros humanos
20
10
un cerebro humano
un cerebro de un ratón
10
10
un cerebro de insecto
10
0
-10
10
1900
1940
1980
2000
2020
2060
2100
año
Fig. 3: El avance acelerado en velocidad de computación, que una PC tendrá en años venideros (según [14].)
Aparentemente aparte de todo desarrollo microelectrónico, un espectacular nuevo camino se está
abriendo para la realización de poderosas computadoras. La computación cuántica hace uso de
conceptos mecánico-cuánticos (supe rposición y enredo) y vincula ideas de la teoría de la
información, las matemáticas y la física, generando el nuevo campo de la informática cuántica.
Sus componentes básicos existen en la naturaleza en forma de átomos y ciertas moléculas, que
permiten una codificación de la información en qubits, almacenados en estados cuánticos de un
sistema físico, representado por ejemplo por un electrón de átomo en uno de dos estados de su
espín [13].
La electrónica en arreglos moleculares no solamente resuelve las limitaciones físicas de la
microelectrónica actual. Ella abre al mismo tiempo oportunidades de un potencial inimaginable
hacia una inteligencia artificial más allá de la inteligencia real combinada de todos los seres
humanos.
5. Conclusiones
Han existido durante el descubrimiento científico periodos destacados de la humanidad, que
encaminaron cambios profundos para futuros desarrollos. El nacimiento de la física cuántica
(Max PLANCK 1900) hace mas que 100 años es uno de los más importantes ejemplos. La
microelectrónica desde hace 50 años ha tenido un impacto sobre cualquier área de la actividad
humana y es prometedor de la nueva sociedad informática. En los años actuales, la
microelectrónica en su estado ’clásico’ está perdiendo el ímpetu, que el desarrollo de la
humanidad está reclamando.
Está en camino una nueva electrónica con nuevos conceptos y nuevos materiales en base a
estructuras moleculares e incluso supramoleculares biológicas. Esta electrónica molecular, - la
MOLETRONICA, es al mismo tiempo el vehículo del procesamiento de información mucho más
allá que la actual microelectrónica.
Si queremos participar en una verdadera investigación original a nivel mundial para descubrir
estas tecnologías del mañana, será indispensable un esfuerzo concertado e intenso entre
diferentes áreas del saber ya desde hoy. La inversión necesaria digna de una universidad es la
'materia gris' de sus mejores investigadores.
Al mismo tiempo contribuiríamos a la producción de la materia prima mas costosa e importante:
Jóvenes investigadores altamente inteligentes y motivados para resolver las necesidades futuras
de la nueva sociedad de conocimiento.
La Moletrónica, - la nanotecnología a escala molecular, es su portal.
Bibliografía
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