Las tierras raras de la tabla periódica

Las tierras raras son un grupo de diecisiete metales de la tabla periódica, esenciales para las modernas tecnologías. La mayoría de estos metales fueron descubiertos en el siglo XIX, pero no fueron ubicados en la tabla periódica hasta mediados del siglo XX. Ha sido sin embargo a partir del último tercio del siglo pasado, cuando han adquirido un protagonismo especial.

Forman parte de la mayoría de aparatos tecnológicos: se utilizan en coches híbridos y eléctricos, baterías, ordenadores, teléfonos móviles, lentes, turbinas eólicas, aparatos para tratamientos médicos, comunicaciones, tecnología de uso militar. . . Un teléfono inteligente puede contener hasta 62 metales distintos de los cuales al menos 8 son tierras raras.

La demanda de tierras raras se incrementó fuertemente a mitad de los años 1960 con la aparición de la TV en color. El europio era el material esencial para dar color a las imágenes. Estados Unidos se convirtió en estos años en el principal productor mundial. Tras varias décadas desarrollando técnicas de producción, China entra con fuerza en el mercado mundial a mediados de los años 1980. Con apoyo estatal, mano de obra barata y una legislación medioambiental poco escrupulosa, China se convierte en pocos años en el primer productor mundial.

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Nobel de Medicina 2019 para los descubridores del mecanismo celular de adaptación al oxígeno

Gregg Semenza (Universidad John Hopkins, Baltimore, Maryland, EE.UU.), William Kaelin (Dana-Farber Cancer Institute, Boston, Massachusetts, USA) y Peter Ratcliffe (Universidad de Oxford, Reino Unido) han sido premiados con el Nobel de Medicina por descubrir cómo las células perciben y se adaptan a la disponibilidad de oxígeno.

El cuerpo carotídeo, situado junto a grandes vasos sanguíneos a ambos lados del cuello, contiene células especializadas que perciben el nivel de oxígeno en la sangre, lo que permite al cerebro adecuar el ritmo respiratorio. La eritropoyetina (EPO) es una proteína que se sintetiza en los riñones y que está presente en el torrente sanguíneo, donde promueve la producción de glóbulos rojos. Descubierta a principios del siglo XX y sintetizada en el laboratorio en 1977, la EPO se ha utilizado para aumentar el rendimiento de los atletas, como una forma de dopaje. Semenza estudió el gen EPO en ratones modificados genéticamente, descubriendo que segmentos de ADN situados junto del gen EPO intervenían en la respuesta al bajo nivel de oxígeno en sangre (hipoxia). Ratcliffe también estudió el gen EPO como regulador del nivel de oxígeno. Ambos investigadores encontraron que era un mecanismo general en muchos diferentes tipos de células, basado en un complejo de proteínas llamado factor inducible por hipoxia (HIF).

Estudiando una enfermedad hereditaria (VHL), Kaelin encontró que el gen VHL codifica una proteína que previene la aparición del cáncer y también que interviene en la regulación del nivel de oxígeno. En 2001, dos trabajos de Kaelin y Ratcliffe publicados simultáneamente mostraban la relación entre HIF y VHL y dejaban explicado el mecanismo celular de adaptación al nivel de oxígeno en sangre. El descubrimiento abre la puerta a nuevas estrategias para luchar contra la anemia, el cáncer y otras muchas enfermedades.

Semenza, Kaelin y Ratcliffe ya fueron premiados en 2016 para este descubrimiento, con el prestigioso premio Lasker de investigación médica básica, dotado con 250.000 US $.

Información y imágenes sacadas de:
https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2019/summary

Otra fuente de información:
Heidi Ledford, Ewen Callaway. «Biologists who decoded how cells sense oxygen win medicine Nobel». Nature News, 07 October 2019.
https://www.nature.com/articles/d41586-019-02963-0

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Nobel de Física 2019 para los avances en el conocimiento del papel de la Tierra en el cosmos

Este año, la Academia de Ciencias de Suecia ha optado por premiar dos descubrimientos que supusieron, con 31 años de diferencia, grandes avances en el conocimiento de la cosmología y de nuestra propia situación en el cosmos.

James Peebles (Princeton University, USA) es premiado por el marco teórico que desarrolló a mediados de los 1960’s que contribuyó decisivamente a fundamentar el modelo del Big Bang. En 1964, Arno Penzias y Robert Wilson, ingenieros de la compañía Bell Telephon, descubrieron la radiación de fondo de microondas, sin saber en un principio que era lo que habían descubierto. James Peebles en aquellos años predijo la existencia de una intensa radiación en los primeros minutos después del Big Bang, de la que debería quedar ahora un remanente de radiación. Cuando Penzias y Wilson tuvieron noticia de los trabajos de Peebles, supieron qué era lo que habían descubierto: justamente la radiación remanente de los primeros minutos del universo, en forma de microondas. El descubrimiento les valió el Premio Nobel de 1978, que no reconoció entonces el papel de James Peebles. Ahora, 41 años más tarde, es reconocido.

Michel Mayor (Universidad de Ginebra, Suiza) y Didier Queloz (Universidad de Ginebra, Suiza, Universidad de Cambridge, Reino Unido) son premiados por el descubrimiento del primer exoplaneta, planeta fuera del sistema solar, en 1995. El planeta orbitaba alrededor de una estrella del tipo del Sol, dentro de nuestra galaxia. Desde entonces, más de 4.000 exoplanetas han sido descubiertos y han abierto la posibilidad de descubrir un día, quizás no muy lejano, vida fuera de la Tierra. El descubrimiento de la radiación de fondo y de los exoplanetas nos han hecho cambiar para siempre nuestra percepción del mundo.

Información basada en, e imágenes sacadas de:
https://www.nobelprize.org/uploads/2019/10/press-physics2019.pdf

Más información sobre la radiación de fondo, en este mismo blog:
Encuentran la radiación de fondo
Radiación de fondo, otro Nobel en 2006

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El Nobel de Química 2019 para los creadores de la batería de litio

El 9 de Octubre (2019) la Real Academia de Ciencias de Suecia anunció la concesión del Premio Nobel de Química por John B. Goodenough (Texas University, Austin, USA), M. Stanley Whittingham (Binghamton University, New York, USA) y Akira Yoshino (Asahi Kasei Corporation, Tokyo, Meijo University, Nagoya, Japón), por el desarrollo de las baterías de ión litio.

Durante la crisis del petróleo de los años 1970, Whittingham desarrolló una batería con un cátodo (polo positivo) de disulfuro de titanio con iones litio intercalados a nivel molecular. El ánodo (polo negativo) era de litio metal, que tiene una gran facilidad para liberar electrones y producir, por tanto, una corriente eléctrica. Esta batería suministraba una diferencia de potencial de 2 voltios, pero el litio es un metal muy reactivo, casi explosivo, lo que la hacía inviable para un uso generalizado.

Goodenough modificó el cátodo, haciéndolo de óxido de cobalto con iones litio intercalados, lo que daba una diferencia de potencial de 4 voltios, que hacía posible baterías más potentes. Yoshino continuó la investigación y, en 1985, creó la primera batería de ión litio viable comercialmente, cambiando el litio reactivo del ánodo por coque de petróleo, un tipo de carbón que puede tener intercalados iones litio como el cátodo. Los polos, ánodo y cátodo, de la nueva batería no se deterioraban apreciablemente con el tiempo, ya que su funcionamiento se basaba en la circulación de los iones litio de ánodo a cátodo y no en la reacción química de un metal, como es el caso de muchos otros tipos de baterías. Desde el año 1991, la batería de iones litio está presente en todo tipo de aparatos electrónicos de uso común, como ordenadores, teléfonos móviles, relojes, reproductores de música, fuentes de luz, juguetes,. . .

Información y imágenes de:
https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2019/summary/
https://www.nobelprize.org/uploads/2019/10/press-chemistry-2019-2.pdf
https://www.nobelprize.org/uploads/2019/10/fig5_ke_en_YoshinosBattery.pdf

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De los meteoritos a la tecnología del hierro

El hierro ha tenido y continúa teniendo una gran importancia en la fabricación de armas y herramientas o en la construcción de puentes o edificios. Pero aunque se empezó a obtener hace 3.200 años, no ha sido hasta hace poco más de 100 años cuando se ha podido disponer en la cantidad y calidad adecuadas.

La Edad del Hierro no empieza hasta el año 1.200 aC, pero han sido descubiertos objetos hechos con hierro fechados en años muy anteriores, hacia el 2.000 o incluso el 2.500 aC, durante la Edad del Bronce. Se puede suponer que el hierro para fabricarlos provenía de meteoritos caídos en la Tierra, pero si no fuera así, se podría pensar que la tecnología del hierro se habría empezado a desarrollar en determinadas regiones antes que en otras. Últimas investigaciones pretenden poner fin a la polémica.

Desde el aprovechamiento del hierro de los meteoritos hasta los sistemas de fabricación actuales, la tecnología del hierro ha sido clave en el desarrollo de las civilizaciones.

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Una docena de nuevos agujeros negros en el centro de la Vía Láctea

Un equipo de astrónomos de la universidad de Columbia, Nueva York, USA, han encontrado una docena de pequeños agujeros negros alrededor de Sagitario A, el agujero negro supermasivo situado en el centro de nuestra galaxia. El descubrimiento abre nuevas oportunidades para entender la dinámica de formación de las estrellas dentro de las galaxias.

Sagitario A está rodeado de un halo de gas y polvo a partir del cual se generan estrellas masivas. En el exterior del halo, se cree que hay miles de pequeños agujeros negros que, a medida que pierden energía, caen hacia el gran agujero negro hasta ser capturados por el. Pero en dos décadas de investigación, no se había encontrado ninguno de estos pequeños agujeros negros. Los datos obtenidos en el Observatorio Orbital Chandra de rayos X y ahora publicados, confirman la presencia de doce de estos pequeños agujeros negros y abren la posibilidad de encontrar muchos más. Se han podido detectar porqué cada agujero negro va acompañado de una estrella, formando un sistema binario y se produce una interacción entre el agujero negro y su compañera: la fuerza gravitatoria del agujero negro atrapa material de la estrella y lo calienta hasta que este material emite rayos X. La detección de esta radiación es lo que ha demostrado la existencia del agujero negro.

Región de agujeros negros en el centro de la Vía Lácte. Credit: NASA/CXC/SAO

Chuck Hailey, co-director del Laboratorio Astrofísico de Columbia y líder del estudio, dice que hay solo unas cinco docenas de agujeros negros conocidos en toda la galaxia, de 100.000 años-luz de diámetro, pero se estima que tiene que haber muchos miles más. La dificultad de encontrarlos radica en que no emiten ninguna radiación detectable directamente y se ha de acudir a detectar los efectos que los agujeros negros provocan en los cuerpos próximos, como es el caso de los doce agujeros negros descubiertos. Por la relación probable entre el número de agujeros negros formando sistemas binarios con estrellas y el número de agujeros negros aislados, se supone que tendría que haber entre 10.000 y 20.000 pequeños agujeros negros alrededor de Sagitario A, en una región de solo 6 años-luz de ancho. El centro de la Vía Láctea alrededor de Sagitario A, se convierte en el único laboratorio donde estudiar la interacción entre los grandes agujeros negros y los pequeños agujeros negros de su su entorno, ya que no es posible estudiar esta interacción en otras galaxias.

Fuentes de información
(1) «A dozen new black holes found in Milky Way’s center». Science News. April 4, 2018.
https://www.sciencenews.org/article/dozen-new-black-holes-found-milky-way-center
(2) New Study Suggests Tens of Thousands of Black Holes Exist in Milky Way’s Center. NASA. April 4, 2018. http://www.chandra.harvard.edu/press/18_releases/press_040418.html
(3) Charles J. Hailey, Kaya Mori, Franz E. Bauer, Michael E. Berkowitz, Jaesub Hong & Benjamin J. Hord. «A density cusp of quiescent X-ray binaries in the central parsec of the Galaxy». Nature volume 556, pages 70–73 (05 April 2018) doi:10.1038/nature25029
https://www.nature.com/articles/nature25029

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Visualización detallada de las moléculas, Nobel de Química 2017

El descubrimiento de Jacques Dubochet, Joachim Frank y Richard Henderson impulsa a la ciencia bioquímica hacia una nueva era, según la Academia Sueca que acaba de conceder el Nobel de Química a los tres científicos. La técnica de microscopía crioelectrónica que han desarrollado permite visualizar, con resolución atómica, biomoléculas en movimiento que hasta ahora no había sido posible ver.

La herramienta para obtener imágenes con tan alta resolución es el microscopio electrónico, que hasta hace unos veinte años se consideraba inadecuado por dos razones: el haz de electrones, que es la «luz» que utiliza el microscopio electrónico, destruía las moléculas orgánicas a las que se dirigía y, por otro lado, como que requiere trabajar al vacío, este vacío provocaba la evaporación del agua presente alrededor de la molécula y eso alteraba su estructura.

Richard Henderson consiguió hacer frente a dos problemas en 1975, obteniendo imágenes de bacteriorodopsina, proteína de color púrpura incrustada en la membrana celular de determinados organismos. Cubrió la superficie de la muestra a observar con una solución de glucosa, que evitaba la evaporación del agua y utilizó un haz de electrones suficientemente débil para no destruir la molécula. Este procedimiento daba imágenes de baja resolución pero, tomando imágenes desde diferentes ángulos y sabiendo que los átomos dentro de la proteína están situados siguiendo un patrón determinado, fue posible obtener la mejor imagen de la estructura de la proteína nunca vista en tres dimensiones.

Joachim Frank desarrolló un método matemático (software) que permitía reconocer diferentes patrones en la imagen y, reuniendo la información de los patrones similares, mejoraba la resolución de la imagen 2D obtenida. Reuniendo diferentes imágenes 2D obtenidas desde diferentes ángulos, creaba una imagen 3D. A mitad de los años 1980, utilizó el método para obtener la imagen de la superficie de un ribosoma, la fábrica de proteínas celular.

Pero el método puesto a punto por Henderson no servía para moléculas que fueran solubles en medio acuoso, ya que el agua las alteraba. Diferentes investigadores trataron de recubrir la molécula con agua a baja temperatura, formando hielo para evitar la disolución. Pero los cristales de hielo distorsionaban el haz de electrones y las imágenes eran inservibles. Jacques Dubochet dio con la solución: enfriando el agua muy rápidamente, no se forman cristales sino una forma vítrea (sólido pero sin la ordenación típica de los cristales) del agua que recubre la molécula. La temperatura suficientemente baja se conseguía con etano enfriado por nitrógeno líquido. En 1984 Dubochet presentó las primeras imágenes bien contrastadas de diferentes virus. Este es el método llamado de microscopía crioelectrónica.

Utilizando su software con el método de Henderson, Frank obtuvo en 1991 nuevas imágenes de ribosomas en 3D con una resolución de 40 A (Angstrom). La resolución del método ha ido mejorando y, en 2013, se obtienen ya imágenes con resolución atómica (1 A).

Imagen sacada de:
https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/popular-chemistryprize2017.pdf

Noticia en la página del Nobel:
https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2017/press.html

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Visualización detallada de las moléculas, Nobel de Química

El descubrimiento de Jacques Dubochet, Joachim Frank y Richard Henderson impulsa a la ciencia bioquímica hacia una nueva era, según la Academia Sueca que acaba de conceder el Nobel de Química a los tres científicos. La técnica de microscopía crioelectrónica que han desarrollado permite visualizar, con resolución atómica, biomoléculas en movimiento que hasta ahora no había sido posible ver.

La herramienta para obtener imágenes con tan alta resolución es el microscopio electrónico, que hasta hace unos veinte años se consideraba inadecuado por dos razones: el haz de electrones, que es la «luz» que utiliza el microscopio electrónico, destruía las moléculas orgánicas a las que se dirigía y, por otro lado, como que requiere trabajar al vacío, este vacío provocaba la evaporación del agua presente alrededor de la molécula y esto alteraba su estructura.

Richard Henderson consiguió hacer frente a dos problemas en 1975, obteniendo imágenes de bacteriorodopsina, proteína de color púrpura incrustada en la membrana celular de determinados organismos. Cubrió la superficie de la muestra a observar con una solución de glucosa, que evitaba la evaporación del agua y utilizó un haz de electrones suficientemente débil para no destruir la molécula. Este procedimiento daba imágenes de baja resolución pero, tomando imágenes desde diferentes ángulos y conociendo que los átomos dentro de la proteína están situados siguiendo un patrón determinado, fue posible obtener la mejor imagen de la estructura de la proteína nunca vista en tres dimensiones.

Joachim Frank desarrolló un método matemático (software) que permitía reconocer diferentes patrones en la imagen y, reuniendo la información de los patrones similares, mejoraba la resolución de la imagen 2D obtenida. Reuniendo diferentes imágenes 2D obtenidas desde diferentes ángulos, creaba una imagen 3D. A mitad de los años 1980, utilizó el método para obtener la imagen de la superficie de un ribosoma, la fábrica de proteínas celular.

El método puesto a punto por Henderson no servía pero por moléculas que fueran solubles en medio acuoso, ya que este las alteraba. Diferentes investigadores trataron de recubrir la molécula con agua a baja temperatura, formando hielo para evitar la disolución. Pero los cristales de hielo distorsionaban el haz de electrones y las imágenes eran inservibles. Jacques Dubochet dio con la solución: enfriando el agua muy rápidamente, no se forman cristales sino una forma vítrea (sólido pero sin la ordenación típica de los cristales) del agua que recubre la molécula. La temperatura suficientemente baja conseguía con etano enfriado por nitrógeno líquido. En 1984 Dubochet presentó las primeras imágenes bien contrastadas de diferentes virus. Este es el método llamado de microscopía crioelectrónica.

Utilizando su software con el método de Henderson, Frank obtuvo en 1991 nuevas imágenes de ribosomas en 3D con una resolución de 40 A (Angstrom). La resolución del método ha ido mejorando y, en 2013, se obtienen ya imágenes con resolución atómica (1 A).

Imagen sacada de:
https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2017/popular-chemistryprize2017.pdf

Noticia en la página del Nobel:
https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2017/press.html

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Nobel por el descubrimiento del reloj interno del cuerpo

Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash, Michael W. Young han recibido el Nobel de Medicina 2017 por «el descubrimiento de los mecanismos moleculares que controlan el ritmo circadiano». Ritmo circadiano es la oscilación de las variables biológicas de un ser vivo para adaptarse a la sucesión del día y la noche, el llamado reloj interno. Desde hace mucho tiempo se conoce que la fisiología de los seres vivos se adapta al ciclo diario marcado por la rotación del planeta. Todo el mundo que ha viajado a través de diferentes husos horarios ha sufrido, en mayor o menor medida, las consecuencias del «jet lag». No ha sido sin embargo, hasta los resultados de los trabajos de los premiados, que se ha podido explicar cómo las plantas, los animales y los propios humanos, nos adaptamos al movimiento diario de la Tierra.

Durante los años 1970, Seymour Benzer y Ronald Konopka demostraron que las mutaciones de un gen desconocido, que llamaron periodo (period en inglés) alteraban el ritmo circadiano de las moscas. En 1984, Hall y Rosbash, aislaron el gen periodo y descubrieron que la proteína PER, codificada por el gen periodo acumulaba durante la noche y se degradaba durante el día. Los niveles de PER oscilaban en un ciclo de 24 horas, de acuerdo con el ritmo circadiano. El paso siguiente era comprender el mecanismo por el que se producían las oscilaciones. Hall y Rosbash comprobaron que, en un ciclo de 24 horas, la proteína PER, era sintetizada en el cito-plasma de la célula durante el día y se acumulaba en el núcleo durante la noche, bloqueando la actividad del gen periodo. Pero, como era transportada la proteína POR hasta el núcleo?

En 1994, Young descubrió un segundo gen, que llamó atemporal (Timeless, en inglés), que codificaba otra proteína, TIM. Cuando las dos proteínas TIM y POR unían, eran capaces de entrar en el núcleo para bloquear la actividad del gen periodo. Young todavía descubrió un tercer gen, llamado doble tiempo (doubletime, en inglés), que codificaba una nueva proteína, DBT, que retrasaba la acumulación de la PER, para ajustar la frecuencia de las oscilaciones a las 24 horas del día.

Desde los primeros descubrimientos del reloj biológico interno hasta las últimas investigaciones de los tres premiados, el estudio de los ritmos circadianos ayudan a regular los patrones de sueño, la influencia de la alimentación, la liberación de hormonas, la presión sanguínea y la temperatura corporal.

Noticia en la página del Nobel:
https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2017/press.html

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Primera detección de las ondas gravitacionales, Nobel de Física

Rainer Weiss, Barry C. Barish, Kip S. Thorne han recibido el Premio Nobel de Física 2017 por «las decisivas contribuciones al detector LIGO y la observación de ondas gravitacionales». Las ondas gravitacionales, una predicción de la teoría de la relatividad general de Albert Einstein publicada hace poco más de 100 años, son la transmisión de eventos producidos por cuerpos muy masivos a través del tejido del espacio-tiempo. Estas ondas tienen una acción extremadamente débil sobre el entorno, por lo que, el mismo Einstein estaba convencido de que nunca podrían ser medidas.

Para ser detectadas hacían falta por lo tanto dos condiciones: un evento cósmico suficientemente potente como para generar ondas gravitacionales de una intensidad considerable y disponer de aparatos de muy alta resolución, capaz de medirlas. Estas dos condiciones se cumplieron vez el día 11 de febrero de 2016, cuando llegaron a la Tierra las ondas procedentes del choque de dos agujeros negros de masa unas 30 veces el Sol, producido hace 1.300 millones de años, y el detector LIGO estaba preparado para recibirlas y medirlas.

En 1984, un equipo de científicos liderado por Kip S. Thorne, del Instituto Tecnológico de California (Caltech) y Reiner Weiss, del Instituto Tecnológico de Massachussets (MIT) puso en marcha el proyecto LIGO con el objetivo de detectar las ondas gravitacionales. LIGO consta de dos interferómetros láser situados en puntos extremos de Estados Unidos, Livinstong, Luisiana, en el sureste y Hanford, Washington, en el noroeste. Cada interferómetro consta de dos brazos de 4 km que forman un ángulo recto, por cada uno de los cuales circula un rayo láser. Los rayos procedentes de cada brazo se encuentran en un punto, produciendo una figura de interferencia característica. Una variación en el espacio tiempo, provocada por ejemplo por una onda gravitacional, que modifique ligeramente la longitud de los brazos, hace variar la figura de interferencia y permite detectar el paso de la onda.

Barry C.Barish, del Instituto Tecnológico de California (Caltech) se incorpora al proyecto LIGO en 1994 como investigador principal y es nombrado director en 1997. La última versión, Advanced LIGO, del año 2010, mejora la detección alargando el recorrido de los láser hasta 1.120 km en cada brazo, a través de un sistema de espejos. El sistema es entonces capaz de detectar cambios en la longitud de los brazos miles de veces menores que el diámetro de un protón. Estaba preparado para la detección de las ondas gravitacionales.

Ondas de todo tipo del espectro electromagnético se han utilizado para observar el universo, pero ahora, con el descubrimiento de las ondas gravitacionales, se abre un campo de grandes y aún desconocidas posibilidades. Las ondas gravitacionales, que no son de naturaleza electromagnética, nos permitirán conocer más a fondo el tejido del que está hecho el universo, el espacio-tiempo.

Fuentes de información:
Premio Nobel de Física: https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2017/press.html
Proyecto LIGO: https://www.ligo.caltech.edu/page/ligo-gw-interferometer

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