grafeno: ¿utopía futurista o esperanza del progreso?
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FundacIon Universidad de las Américas Puebla
Grafeno: ¿utopía futurista o esperanza del progreso?
Pensamiento y lenguaje
Evelin Jacob
PC-114-38
Diego Rosas Villalva ID 143697
Otoño 2011
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La industria electrónica basada en el silicio está llegando a sus límites de
miniaturización, la ley de Moore empíricamente establece aproximadamente que
cada año y medio se duplica la cantidad de transistores por área dentro de un
microprocesador y por tanto se duplica velocidad de cómputo de los microchips, por
desgracia las técnicas y materiales actuales impiden que esta ley siga cumpliéndose.
El grafeno es un nuevo material cuyas propiedades tanto metálicas como
semiconductoras prometen cambiar la forma de producción de la electrónica, mejorar
la calidad de los productos, reducir el precio al público y por tanto permitir que las
personas de distintos estratos sociales tengan mayor acceso a los nuevos
dispositivos electrónicos, y finalmente, encaminar el desarrollo tecnológico hacia un
futuro más sustentable.
No obstante existen una serie de barreras que hay que vencer antes de lograr
la implementación del grafeno en dispositivos comerciales, entre ellos los costos de
obtención, propiedades, métodos de procesamiento, y más importante aún, cómo
afectara este cambio la manera en la que los procesadores hacen el cómputo de la
información, tal vez abandonaríamos el sistema binario, con 2 estados lógicos, al
cual estamos acostumbrados para dar lugar a la computación cuántica.
Finalmente queda mencionar que los productores de dispositivos electrónicos
basados en el silicio prefieren seguir usando este material debido a su abundancia
en la corteza terrestre y al dinero que han invertido en las técnicas para el
procesamiento de este elemento. Sin embargo si desean seguir explotando el
mercado de la industria electrónica, tarde o temprano tendrán iniciar el uso del
grafeno y otros materiales avanzados, con el fin de cubrir las demandas del nuevo
software y de los usuarios.
Mi principal motivación es la reciente aparición de diferentes dispositivos
electrónicos con aplicaciones de grafeno para mejorar su funcionamiento o eficiencia,
los cuales aún no son comerciales.
Esta investigación tiene como objetivo no solo enlistar y analizar las barreras
hacia la implementación del grafeno en dispositivos comerciales, sino que busco que
sea fácil de leer para un público con conocimientos básicos o muy generales en el
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campo de la nanotecnología o la microelectrónica, incluyéndome yo en este sector,
de esta manera pienso que es posible aumentar el interés de las personas en este
mundo fascinante y si no lo logro, espero apaciguar temores o dudas existentes
respecto al tema.
Básicamente hago una investigación acerca de las técnicas más recientes de
producción del grafeno, esto es desde el 2008 hasta noviembre de 2011 y hago una
ligera comparación con técnicas de procesamiento de materiales convencionales en
la industria microelectrónica, en el periodo entre 1998 y 2004 ya que en estas fechas
se dieron los últimos saltos importantes en las técnicas mencionadas.
El grafeno es una estructura laminar formada por átomos de carbono
distribuidos de forma hexagonal, tal como en un panal de abejas. “El grafeno, como
elemento estructural componente del grafito es el material más conductor y resistente
que existe en la actualidad y estas características lo hacen un futuro sustituto del
silicio en la fabricación de chips en la electrónica integrada.” (Torres-silva, H. López-
Bonilla J.L., 2011).
Algunas de las características prometedoras del grafeno son la alta movilidad
de los electrones dentro de su estructura que es casi 10 veces mayor que en el
silicio, su baja resistencia que es aproximadamente 35% menor que la del cobre,
dureza más fuerte que la de un diamante y ofrece transporte balístico1 (Joydeep
Basu et al. 2010).
Desde mi punto de vista, uno de los logros más trascendentes fue la creación
del primer transistor de grafeno, en el 2009 un equipo de investigadores descubrió
que podían estirar la hoja de grafeno para crear huecos y evitar el recorrido de los
electrones, y de esta manera el grafeno adquiría un comportamiento semiconductor
(DYNA – Ingeniería E Industria,2009), pero fueron investigadores de IBM quienes
lograron el primer transistor de grafeno sobre una capa de Carburo de Silicio
mediante epitaxia de grafeno; dicho transistor era capaz de funcionar a velocidades
1 Fenómeno en el cual los electrones no presentan resistencia en su recorrido a través de un medio, si se quita la corriente el medio deja de transportar electrones a diferencia de la superconductividad que sigue transportando electrones aun si se deja de aplicar la corriente.
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de 100 GHz, esto supera por mucho el desempeño del transistor actual más rápido
de Arseniuro de Galio (Joydeep Basu et al. 2010).
Otros dispositivos electrónicos basados en grafeno son los electrodos
transparentes que pueden tener aplicaciones en celdas solares y pantallas
transparentes y flexibles; ultracapacitores como alternativa de las baterías
recargables, estos pueden almacenar más energía, son más ligeros y confiables;
sensores químicos y biológicos, ya que una simple molécula adsorbida en la
superficie del grafeno causa cambios bruscos en su comportamiento y se ha
demostrado que la estructura del grafeno dopada con átomos de fosforo, nitrógeno o
boro aumentan la sensibilidad de esta; sistemas nano electromecánicos, gracias a
las excelentes propiedades mecánicas del grafeno como su flexibilidad, ligereza y
dureza; memorias no volátiles etc. (Joydeep Basu et al. 2010).
El grafeno no sustituirá al Silicio de los componentes y dispositivos comerciales
hasta dentro de unos 12 años, es decir, hasta que no alcancemos un punto
muerto en nuestros procesos de fabricación y no podamos miniaturizar más
nuestros diseños. Si bien las investigaciones marchan a buen ritmo, el uso del
grafeno implicaría cambios en los procesos de fabricación (y en los
instrumentos utilizados) que tendrían que mejorarse sustancialmente. (Meindl)
Pero ¿Qué impide que en la actualidad estos dispositivos sean comerciales?,
¿Cuáles son los procesos que se deben cambiar para llevar a cabo dicha
sustitución? Y ¿Qué ventajas ofrece el grafeno con respecto al silicio y los materiales
actuales?
Para responder a las cuestiones planteadas, es necesario observar y
comparar los métodos de obtención del grafeno así como los procesos de
manufactura de los actuales dispositivos electrónicos basados en silicio.
Los métodos para la obtención de grafeno, con sus ventajas y desventajas son
los siguientes (Joydeep Basu et al 2010).
Exfoliación mecánica: en este proceso se usan cintas adhesivas para unir
hojuelas de grafito a una fotorresistencia y posteriormente pegar y despegar la cinta,
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de esa forma se forman capas de grafeno las cuales posteriormente son separadas
de la fotorresistencia con una solución de acetona y puestas en una hoja de SiO2
que permite que el grafeno sea observado fácilmente bajo un microscopio óptico,
este proceso es el que produce el grafeno de mejor calidad desafortunadamente no
es una técnica escalable2.
Grafeno derivado químicamente: esta técnica resulta mucho más rápida y
escalable que la anterior y podría satisfacer los requerimientos industriales son
embargo las propiedades eléctricas se ven afectadas, debido a que en este método
se oxidan las capas de grafito para posteriormente unirse entre sí y formar grafeno y
dicha oxidación forma puntos de defectos dentro de la estructura los cuales impiden
la correcta circulación de los electrones a través del material.
Epitaxia de grafeno: la mayor ventaja de esta técnica es su compatibilidad con
la tecnología CMOS actual y su escalabilidad, lo cual permitiría incorporar al grafeno
en la industria de semiconductores. En esta se cuece una capa de carburo de silicio
monocristalino sobre la cual se forma el grafeno.
Deposición química en fase de vapor: Esta es una de las alternativas más
económicas y que produce grafeno con una calidad similar al que se produce por
exfoliación mecánica. Para ello se utiliza una capa delgada de algún metal en la cual
por se graba un patrón de hendiduras mediante procesos de litografía y
posteriormente en estas se colocan capas de grafeno mediante deposición química.
Cada una de estas técnicas produce grafeno con propiedades conductivas y
mecánicas superiores a las del silicio, sin embargo su producción resulta costosa y
tardada.
Podemos comparar estas técnicas de obtención de grafeno con las usadas
para procesar el silicio, una de las más comunes es el micromaquinado de superficie
en el cual se depositan delgadas capas de diferentes sustratos mediante deposición
química en fase de vapor a baja presión (LPCVD), algunas de dióxido de silicio poli
2 Característica que permite que una técnica pueda generar un producto en cantidades grandes o pequeñas dependiendo de la cantidad de materias primas que se tenga.
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cristalino o de arseniuro de galio para formar el circuito y otras de un vidrio de
fosfosilicato como capas sacrificiales en inicio sirven como soporte para las capas
superiores y posteriormente serán removidas mediante grabado de plasma (Bustillo
et al, 1998).
Los problemas con esta técnica son las propiedades mecánicas del dióxido de
silicio mono y poli cristalino es muy frágil, además la tensión residual provocada por
el proceso de post cocción a 950° Celsius disminuye la velocidad de procesamiento
de este.
Un proceso novedoso propuesto por George Whitesides es la Litografía suave
en la cual por métodos convencionales de litografía o micromaquinado a granel, se
grava un patrón sobre un sustrato, el cual sirve como negativo del circuito que se
desea generar, posteriormente este se humedece en una tinta molecular del material
con el que se desea generar el nuevo circuito, este material ha sido previamente
preparado para adherirse al negativo mediante interacciones débiles tales como la
electrostática o fuerzas de Van der Waals y posteriormente se coloca sobre el
sustrato que servirá como soporte para el circuito.
La principal ventaja de esta técnica es su bajo costo ya que puede crearse una
plantilla la cual se usa para generar copias de un mismo circuito; por lo cual su
aplicación a la manufactura reduciría los costos pues en lugar de grabar
directamente el patrón sobre un cada placa de sustrato, estamos usando un sello
para copiar el mismo patrón en un gran número de placas.
Un buen reto sería encontrar la manera de aplicar esta técnica al
procesamiento del grafeno para generar chips con este material, sin embargo a
pesar de lo ingenioso de esta técnica, la escalabilidad aún se ve limitada por un
factor importante, la longitud de onda de la radiación electromagnética, ya que las
técnicas de litografía generalmente están basadas en el uso de medios ópticos para
la creación de los patrones, es decir utilización de luz.
La longitud de onda de la luz visible esta entre los 750 nm y los 400 nm, a
longitudes de onda más pequeñas se encuentra la luz ultravioleta, y posteriormente
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los rayos X; y aunque podríamos pensar que para reducir el tamaño de los patrones
generados en un sustrato bastaría con disminuir la longitud de onda de la radiación
electromagnética, esta acción podría comprometer la integridad del sustrato, ya que
a menor longitud de onda la energía de la radiación es mayor la cual puede romper
enlaces químicos o incluso arrancar electrones de la estructura interna del átomo.
C. Casiraghi, et al. Propusieron en octubre de 2011 un método en el cual
mediante un enlace anódico3 unen una capa de vidrio borosilicato con oblea de
silicio, produciendo así enlaces covalentes Si-O-Si los cuales pueden ser
remplazados por capas de grafeno, este método es usado para aplicaciones de
electrodos transparentes en celdas fotovoltaicas y pantallas transparentes.
Pienso que esta técnica es ineficiente ya que en el mismo artículo es
mencionada la baja eficiencia del método, ya que el grafeno producido es apenas de
10 µm y este tiene una gran cantidad de defectos que impiden el correcto transporte
de electrones a través de la estructura y es de mayor opacidad, propiedad que
aunque lo hace eficiente para su caracterización en un técnicas de microscopia,
afecta su desempeño en pantallas transparentes y celdas solares, además las obleas
que se usaron no pueden ser reutilizadas ya que el vidrio de borosilicato pierde la
suavidad de su estructura.
Publicaciones previas han demostrado que la deposición química en fase de
vapor es una buena alternativa, sin embargo en esta aún dependemos de un sustrato
rígido sobre el cual llevar a cabo el crecimiento del grafeno, el cual se lleva a cabo a
altas temperaturas disminuyendo la calidad del grafeno y en ocasiones conforma una
estructura tridimensional en lugar de una bidimensional(Torres-silva, H. López-Bonilla
J.L.,2011), no conforme con eso el sustrato limita la cantidad de grafeno producido y
posterior a este proceso es necesario traspasarlo del sustrato de origen a otro en el
cual se pueda utilizar.
3 Técnica que se usa para unir mediante enlaces químicos 2 láminas de metal y silicio o cristal y silicio presionándolas una contra la otra y aplicando un potencial eléctrico.
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Para resolver el problema de las altas temperaturas y el tamaño, Stephan
Hofmann, et al. Propusieron usar una aleación de oro y níquel como catalizador4
para disminuir la temperatura de cocido a 450° Celsius lo cual produce una cubierta
de una mono capa de grafeno para aproximadamente el 74% de la superficie del
sustrato.
En cuanto al problema para traspasar el grafeno a otro sustrato, en junio del
2010 Iijima Sumio et al presentaron una técnica en la cual usaban deposición
química en fase de vapor para producir sobre un sustrato de flexible de cobre capas
individuales de grafeno de hasta 30 pulgadas y posteriormente mediante rodillos el
grafeno es transferido a un polímero que sirve de soporte para su aplicación en
electrodos transparentes, con los cuales se pudiesen construir pantallas flexibles y
celdas solares más eficientes.
4 Sustancia que disminuye la energía y tiempo necesario para que se lleve a cabo una reacción quimia sin alterar los productos.
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“Figure 1 (Iijima Sumio, et al, 2010)
Hay tres pasos esenciales en la transferencia de rollo a rollo (fig. 1ª): (i)
adhesión del polímero de soporte al grafeno en el papel de cobre, (ii)
remover las capas de cobre; y (iii) soltar las capas de grafeno y transferirlo al
sustrato final. En el paso de la adhesión, la película de grafeno, crecida en el
papel de cobre, es unido a una delgada película de polímero, la cual está
recubierta con una capa adhesiva, haciéndolos pasar entre 2 rodillos, en el
paso siguiente, las capas de cobre son removidas mediante una reacción
electroquímica con una solución acuosa 0.1 molar de persulfato de amonio
(NH4)2S2O8. Finalmente las películas de grafeno son transferidas del polímero
de soporte en el sustrato final, removiendo las fuerzas que sostienen las
películas de grafeno (Iijima Sumio, et al, 2010, la traducción es mía)
Según J. M. tour et al, con quien estoy de acuerdo, aún quedan muchos
problemas de calidad por resolver en las técnicas de manufactura de grafeno, tales
como opacidad, conductividad, tamaño e impurezas además de que debemos de
encontrar mejores métodos de dopado para el grafeno ya que “…la conductividad del
grafeno sin dopar es finita…”(Torres-silva, H. López-Bonilla J.L., 2011), sin embargo
este material resulta mucho más viable que la aleación de Oxido de estaño e Indio,
ya que las técnicas de manufactura resultan más escalables para el grafeno además
de que este material es más fácil de reciclar. (Stephan Hofmann, et al. 2011)
Ahora cambiando a otro tipo de dispositivos, que desde mi perspectiva
resultan más interesantes por sus aplicaciones en la computación, encontré una
mayor serie de retos en las técnicas de manufactura, ya que esta vez no solo hay
que producir y trasladar el material de un sustrato a otro, esta vez los científicos se
enfrentan a la difícil tarea de acomodar el material de tal manera que pueda ser
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utilizado como una especie de interruptor automático dicho a groso modo, hablo de
los dispositivos semiconductores y transistores de efecto de campo5.
Si queremos aplicar el grafeno en transistores de efecto de campo quizá la
primera cuestión que debemos resolver es cómo controlar el comportamiento
semiconductor o conductor del grafeno
En el grafeno, aspectos tan simples como la forma de sus orillas, la morfología
de la superficie o impurezas, afecta drásticamente el comportamiento y propiedades
de la estructura, y haciendo provecho de esta característica, Novaes, FD, R Rurali, y
P Ordejon proponen que:
… los nanotubos pueden ser usados como interconexiones para transmitir
señales entre 2 dispositivos basados en grafeno de la misma manera que los
cables metálicos lo hacen entre los transistores tradicionales basados en
silicio. (2010, La traducción es mía)
Figura 2 (a) Figura 2(b)
5 Imaginemos que somos electrones dentro de un chip, y nos encontramos dentro encerrados dentro de una sección, algo así como un cuarto, para poder pasar a otro cuarto necesitaríamos atravesar un pasillo muy largo lo cual solo lograremos con el impulso de otros electrones. Esta es una metáfora con un transistor de efecto de campo, el cual sería el cuarto, al cual ingresamos a través de una de las compuertas de este conocido como fuente, el transistor tiene otra compuerta, conocida como base, por el cual entraran los electrones que nos darán impulso para poder pasar finalmente por la tercera compuerta, conocida como emisor hacia otro transistor; este proceso se lleva a cabo miles de millones de veces dentro de un procesador de computadora, este es el famoso código binario de las computadoras, un electrón pasando de un transistor a otro representa un “1” y un electrón que no pasa representa un “0”, la combinación de todos estos unos y ceros finalmente se traducen en información que podemos visualizar en nuestra pantalla.
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La unión covalente de los nanotubos de carbono y las hojas de grafeno puede
adquirir comportamientos metálicos o semiconductores dependiendo de la forma en
la que se unen. Fig. 2(b) las uniones (4,4) dan un comportamiento conductor a la
hoja, las uniones (8,0) dan comportamiento semiconductor a la hoja.
Parece que este esquema satisface la típica forma de un circuito, por
desgracia es solo un modelo teórico que ha sido probado mediante simulaciones
computacionales, y es que aunque el modelo suena perfecto para el reemplazo del
silicio, los nanotubos de carbono apenas miden alrededor de un nanómetro de
diámetro, la única forma de manipular materia a esa escala es mediante un
microscopio de fuerza atómica6 o uno de tunelaje7.
Hasta ahora he abordado la aproximación top-down de la manufactura, la cual
está basada en la miniaturización de materiales para hacer chips, pero la verdadera
revolución en todo el cambio de los medios de producción hacia una mayor eficiencia
está en la otra aproximación de la manufactura, el verdadero campo de aplicación de
la nanotecnología, la aproximación bottom-up, cuyo principal herramienta es el auto-
ensamblaje molecular.
El auto-ensamblaje está basado en el uso de moléculas como bloques de
construcción que mediante las interacciones que rigen el mundo molecular, como
puentes de hidrogeno, interacciones electrostáticas, fuerzas de Van der Waals, o
interacciones hidrofóbicas, se organizan automáticamente en estructuras más
grandes y complejas. Las desventajas de esta técnica es que el diseño es impreciso,
pues no podemos controlar directamente la formación de las estructuras, y los
fundamentos están en proceso de investigación y descubrimiento.
6 Microscopio que usa una punta del grosor de un átomo para recorrer la superficie de un material detectar las interacciones débiles entre ella y el material, para así recrear mediante una computadora una imagen con relieves, con esta técnica se pueden observar y manipular átomos individuales.7 Efecto mediante el cual una partícula por ejemplo puede atravesar una barrera energética, un microscopio aprovecha este efecto para recorrer la superficie de un material metálico o semiconductor de la misma manera que lo hace en microscopio de fuerza atómica. También permite manipular átomos individuales.
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Un ejemplo de auto-ensamblaje son las moléculas de fulereno8 C60, la cual se
forma naturalmente en el hollín después de la combustión de una fuente rica en
carbono (Madou, Marc J., 2004, P. 453).
Representaciones computacionales generadas mediante ChemBio 3D de la
molecula de fulereno C60 en el modelo de esferas y cilindros (Izquierda) y modelo de
llenado de espacio (derecha).
A pesar de lo dificil de las técnicas bottom-up algunos pioneros se atreven a
llevar a cabo los primeros dispositivos transistores de efecto de campo incluyendo
grafeno en este y un nanocable auto-alineado como compuerta base. Xiafeng duan
et al desde el 2010, presentaron un dispositivo en el cual usan platino como las
compuertas fuente y emisor, y un nanocable de silicio de dicobalto y trioxido de
dialuminio en una estructura core-shell9 como la compuerta base, una monocapa de
grafeno sobre un sustrato de dioxido de silicio como material semiconductor. Debido
al efecto de corto canal10 de los transistores de efecto de campo, se requiere mayor
presición en la fabricación de las compuertas, aquí es donde la compuerta base se
auto-alinea para evitar defectos de fabricación.
8 Molécula formada por átomos de carbono dispuestas en una red de hexágonos y pentágonos de la misma manera que las costuras de un balón de futbol.9 Nanoestructura hibrida que tiene un material interno recubierto por otro material diferente.10 Al disminuir el tamaño de la compuerta en un transistor, este puede funcionar bien a cantidades pequeñas de voltaje, sin embargo si aumentamos el voltaje la compuerta empezara a comportarse como una resistencia que disminuirá cada vez más la corriente que pasa a través de ella.
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A pesar de lo ingeniosa que me parece esta ultima propuesta, el dispositivo
aun posee materiales inorganicos, hasta ahora los modelos y técnicas abordadas en
la investigación, siguen usando materiales diferentes del grafeno. Anota, E. Chigo, y
A. Juárez Rodríguez en 2008 hacen simulaciones sobre las propiedades
electrónicas de las hojas de grafeno y las de nitruro boro en la BUAP, posteriormente
R. V. Gorbachev, et al en 2011 presentan, en la universidad de Manchester, un
modelo de sándwich en el cual se coloca una hoja de grafeno entre dos hojas de
nitruro boro para su uso como semiconductor en transistores. De nuevo este es un
dispositivo hibrido.
Ahora queda claro que la principal barrera de la implementación del grafeno
es simple, tenemos el material pero no conocemos las técnicas precisas para su
manipulación. Si bien el procesamiento del silicio resulta caro, es eficiente por el
momento y lo seguirá siendo por lo menos durante otros 12 años como afirma James
Meindl, “Antes que veamos un procesador construido con grafeno, seguramente,
pasemos por una fase en la que se utilicen ambos materiales, grafeno y Silicio…”.
Incluso en la producción de electrodos transparentes basados en grafeno se hizo
presente la dependencia de sustratos metálicos para la producción.
Como un comentario alentador, parece ser que las investigaciones van por
buen camino, cada vez se proponen métodos más eficientes que los 4 mencionados
al principio en el artículo de Joydeep Basu et al. En general podemos mencionar que
las áreas de oportunidad a mejorar en la producción del grafeno son:
Los métodos de obtención deben ser más rápidos y confiables.
Buscar materiales más apropiados y
Optimizar la fabricación mediante el diseño asistido por computadora CAD,
para generar patrones más precisos. (Joydeep Basu et al, 2010)
Finalmente, al igual que Marc J. Madou, pienso que la transición al grafeno
como consecuencia tendrá un cambio en la forma en la que se aplican las fuerzas de
producción en las empresas, las cuales ahora estarán sustentadas en la aplicación
del conocimiento para relacionar biotecnología con nanotecnología, pues la idea del
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auto-ensamblaje parte de la forma en la que las estructuras biológicas se reconoces
entre sí para replicarse. También habrá un impacto en los modelos económicos pues
las empresas se encaminaran a buscar fuerza intelectual en vez de fuerza de trabajo.
(Madou, Marc J, 2004, p456)
Ahora con este pequeño pedazo de conocimiento sería bueno formularnos la
pregunta ¿Dónde estaremos nosotros en el momento en el que se lleve a cabo esta
transición y que tan preparados estaremos para afrontarla?
Bibliografía de obras consultadas y citadas
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