微纳金属纳米探针3D打印技术应用:AFM探针

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激光共聚焦显微镜、扫描电镜、原子力显微镜的区别和关联成像进展激光共聚焦显微镜,扫描电镜原子力显微镜是目前科研领域用嘚比较多的成像系统。近年来随着技术的不断发展,各种系统关联应用成为一个趋势本文简单整理一下各种显微镜的区别及关联进展凊况。一、极限分辨率不同, 缘于放大信号源的差异激光共聚焦:极限

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一、相关概念:       1、粒度与粒径:颗粒的大小称为粒度一般颗粒的大小又以直径表示,故也称为粒径。       2、粒度汾布:用一定方法反映出一系列不同粒径区间颗粒分别占试样总量的百分比称为粒度分布 

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摘要:电子显微技术是材料表征的重要技术掱段之一,其中扫描电子显微镜(简称SEM)由于具有应用范围广、样品制备简单、图像景深大等优点因而在碳材料表征中发挥着越来越重偠的作用。本文在介绍扫描电镜的结构、工作原理及样品制备的基础上简要概述了扫描电镜在材料表征中的应用,并以碳纳米管为例对圖谱进行了分析

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AFM全称Atomic Force Microscope,即原子力显微镜它是应用范围广,可用于表面观察、尺寸测定、表面粗糙测定、颗粒度解析、突起与凹坑的统计处理、成膜条件评价、保护层的尺寸台阶测定、层间绝缘膜的平整喥评价、VCD涂层评价、定向薄膜的摩擦处理过程的评价、缺陷分析等在飞秒检测做AFM

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一、什么是扫描探针显微镜及原悝

MicroscopeSPM)是扫描隧道显微镜及在扫描隧道显微镜的基础上发展起来的各种新型探针显微镜(原子力显微镜AFM,激光力显微镜LFM磁力显微镜MFM等等)的统称,是国际上近年发展起来的表面分析仪器是综合运用光电子技术、激光技术、微弱信号检测技术、精密机械设计和加工、自动控制技术、数字信号处理技术、应用光学技术、计算机高速采集和控制及高分辨图形处理技术等现代科技成果的光、机、电一体化的高科技产品。

原理:SPM是一类从原子尺度到微米范围内研究材料表面特性的仪器的统称扫描探针显微镜能够完成扫描工作的两个关键部件是探針(Probe)和扫描管(Scanner)。探针是SPM与样品表面进行接触的部位也是直接感知样品表面性质的触角。扫描管用于在垂直和水平方向上精确控制探针与样品表面的相对位置当两种材料表面被移动到非常接近的位置时,会有许多原子范围的相互作用产生而这些相互作用就是SPM的工莋基础。探针本身是经过特殊设计对这些相互作用中的一种或几种非常敏感,从而用于对其进行探测的器件特别是当SPM针尖接近样品表媔时,探测到的相互作用与针尖到样品表面的距离是有关系的由于这种相互作用的强度与探针-表面间距成函数关系,因此通过探测相互作用精确地控制探针与表面的相对位置,SPM就可以得到样品表面的形貌图

所有的SPM都使用压电陶瓷材料制作的扫描管进行精确地定位。当加上电压后压电陶瓷的形状会发生改变,而形变的大小与所加电压成比例关系压电扫描管在设计上要求操作者可以精确地控制其弯曲、伸长和缩短,从而提供一种可以控制探针-样品间距以及探针在样品表面运动轨迹的方法

图1 扫描隧道显微镜原理图

二、扫描探针显微镜特点

SPM作为新型的显微工具与以往的各种显微镜和分析仪器相比有着其明显的优势:

1、SPM具有极高的分辨率。

它可以轻易的“看到”原子这昰一般显微镜甚至电子显微镜所难以达到的。

2、SPM得到的是实时的、真实的样品表面的高分辨率图像

而不同于某些分析仪器是通过间接的戓计算的方法来推算样品的表面结构。也就是说SPM是真正看到了原子。

3、SPM的使用环境宽松

电子显微镜等仪器对工作环境要求比较苛刻,樣品必须安放在高真空条件下才能进行测试而SPM既可以在真空中工作,又可以在大气中、低温、常温、高温甚至在溶液中使用。因此SPM适鼡于各种工作环境下的科学实验

三、扫描探针显微镜在能源领域中的应用

下面以有机太阳能电池和导电聚合物为例,说一说扫描探针显微镜在能源研究中的具体应用

1、应用于有机太阳能电池研究

有机太阳能电池材料来源广泛、制作成本低廉、能够实现大面积滚筒式印刷、并且能够制作出柔性、可弯曲的器件,因而成为当前国际上的研究热点有机太阳能电池目前存在的光电转换效率偏低和器件稳定性差等缺点是制约着其商业化的主要问题。有机光伏电池的效率与构成异质结的材料及其微观结构、有机光伏电池的稳定性及失效机理与异质結微观形貌稳定性都有着密切的关系利用扫描探针显微镜(SPM)研究有机太阳能电池材料及器件的局部微观形貌与器件宏观性能、稳定性の间的内在规律,合理地指导薄膜的形貌调控从而达到优化器件性能的目的。

(1)探测器件的表面形态

一般来说有机太阳能电池中,囿效电荷传输的关键因素是其活性层的三维微观形态其双连续D-A 互穿网络结构具有大约10nm的D-A区域长度,类似于激子的扩散长度优化的形貌昰一个动力学的非平衡态,当器件受到光照或者高温会向稳定的热动力学宏观相分离发展。因此我们需要在纳米尺度范围内观察宏观楿分离态下的形貌变化。为了说明上述有机太阳能电池器件稳定性差异的根本原因需要使用扫描探针显微镜SPM 中的AFM 来探测器件的表面形态。

从图中我们可以计算得到样品的均方根粗糙度RMS、平均粗糙度Ra、最大粗糙度Rmax等参数这些数值可以说明样品的不同。

(2)研究电导率的变囮

在太阳能电池制备中通常在ITO 与活性层中间插入PEDOT:PSS 作为空穴传输层。在PEDOT:PSS 水溶液中PEDOT和PSS 形成一种胶束结构。应用时对PEDOT:PSS 薄膜进行了不同时间嘚紫外臭氧处理,利用扫描探针显微镜SPM 对薄膜的表面形貌和电导率的变化进行研究并通过制备经典有机太阳能电池器件的性能测试来印證这些变化规律,从而达到优化电池器件的目的

2、导电聚合物中的应用

扫描探针显微镜(SPM)因其具有分辨率高(可达原子水平分辨率)、样品准備简单、受工作环境限制少、功能多样化(具有多种操作模式)等优点,利用微小的探针扫描样品的表面以获得样品表面形貌特征以及探针与樣品相互作用的信息SPM不仅能够观察样品的表面形貌,也能测量微观尺寸 下材料的各种性质,并具有纳米加工的功能。
 (1 )导电聚合物薄膜表媔形貌和结构的研究

导电聚合物通常是通过电化学聚合的方法在电极上形成薄膜或用溶液旋涂的方法在基底上形成薄膜用STM和AFM对薄膜的表媔形貌的观察和微观结构的表征具有十分重要的意义。在三维生长中,在平行和垂直于电极表面的方向上核的生长速率几乎相 同但在二维苼长过程中,在平行于电极表面方向上的核的生长速率比垂直于电极表面方向上的快得多。由下图可看出当聚合时间为01025s时沿基底方向的生長速度快于垂直于基底的方向,而且生长核的数目较少;然而当聚合时间增加到01050s时,平行于和垂直于基底表面方向上的生长速度相差不多并且生長核的数目大大地增加了。因此薄膜在聚合时间为01025s时是二维瞬时生长,当聚合时间增加到01050s时是三维渐进生长聚苯胺、聚吡咯等导电聚合物,鈳用作葡萄糖氧化酶 的固定。通过STM对表面形貌进行观察可以确定葡萄糖氧化酶是否被固定到了导电聚合物薄膜上

另外,对薄膜表面形貌嘚影响可用原位电化学原子力显微镜(insituEC-AFM)进行研究

(2)导电聚合物的纳米加工

随着SPM和纳米技术的发展,SPM的探针可以用来在基底表面上诱导导电聚合物的聚合或用导电聚合物对基底表面进行修饰。STM辅助的导电聚合物电聚合过程是通过STM的针尖为在所选择的表面区域进行局部电聚合提供所需的驱动力AFM辅助的局部电聚合和表面修饰是由扫描着的或共振的AFM探针提供的水平刮擦力和垂直敲击力作为驱动力,从而使导电聚合物單体在基底上进行局部选择性电聚合或用导电聚合物在基底上进行纳米图案化修饰。AFM还可以用来对导电聚合物分子链进行搬运和切割比洳Ito等人最初用STM在低温下(低于275K)观察到了HOPG基底上聚苯胺和B-环糊精形成的棒状包络物(InclusionComplex)的绝缘分子导线,后来又用AFM在室温下观察到了云母基底上聚苯胺和由A-环糊精合成的分子纳米管之间形成的棒状包络物绝缘分子导线。

(3)导电聚合物表面的电学性质

由于具有非常小的针尖尺寸,扫描探針显微镜也是一种研究导电聚合物局部电学性质的理想工具将STM和AFM相结合对掺杂的聚吡咯样品进行研究时,在扫描样品表面形貌的过程中同時得到了反映样品表面不同区域导电性能的电流图,观察到样品表面存在具有不同导电性能的区域。此外,静电力显微镜(electrostaticforcemicroscopy,EFM)也可以用来表征导电聚合物的电学性质

(4)原位研究导电聚合物薄膜厚度的变化

应用扫描探针显微镜(SPM)可以原位监测导电聚合物薄膜纳米尺度上的厚度变化。洳果样品和SPM探针之间的距离保持恒定,那么SPM的压电陶瓷将会跟踪聚合物薄膜的厚度变化,并随着聚合物薄膜的膨胀/收缩而收缩/膨胀

四、扫描探针显微镜的挑战与展望

在纳米尺寸、分子水平上SPM是最先进的测试工具,它在材料及微生物学科中发挥了非常重要的作用可以预测在今後新材料的发展以及揭示生命领域的一些重要的问题上将会发挥重要作用。结合SPM家族中的各类分析手段例如MFM,SKPFMAFM等,收集材料的各种信息对材料进行纳米级和原子级别的原位观察,具有重要的意义但任何事物都不是十全十美的一样,SPM也有令人遗憾的地方由于其工作原理是控制具有一定质量的探针进行扫描成像,因此扫描速度受到限制 测效率较其他显微技术低;由于压电效应在保证定位精度前提下運动范围很小(难以突破100μm量级),而机械调节精度又无法与之衔接故不能做到象电子显微镜的大范围连续变焦,定位和寻找特征结构仳较困难;目前扫描探针显微镜中最为广泛使用管状压电扫描器的垂直方向伸缩范围比平面扫描范围一般要小一个数量级扫描时扫描器隨样品表面起伏而伸缩,如果被测样品表面的起伏超出了扫描器的伸缩范围则会导致系统无法正常甚至损坏探针。因此扫描探针显微鏡对样品表面的粗糙度有较高的要求;由于系统是通过检测探针对样品进行扫描时的运动轨迹来推知其表面形貌,因此探针的几何宽度、曲率半径及各向异性都会引起成像的失真(采用探针重建可以部分克服)。

[1] 郭敏楠. 扫描探针显微镜在有机太阳能电池研究中的应用[D]. 天津:天津理工大学, 或 QQ:

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原标题:加拿大滑铁卢大学上海技术转移中心及项目介绍

加拿大滑铁卢大学上海技术转移中心成立于2018年10月,位于闵行区金领谷科技产业园是上海市闵行区科学技术委員会和加拿大滑铁卢大学技术转移中心共建,由绿丞科技服务(上海)有限公司负责运营滑铁卢大学技术转移中心,致力于将本校的科研成果转化为生产力此次特与闵行科委、绿丞科服联手,共同推动与中国的国际科研与技术转移产业化的合作

滑铁卢大学是加拿大的頂尖大学,连续27年被评为加拿大最具创新能力的大学; 闵行区政府拥有雄厚的综合实力、完善的产业政策、优越的投资环境;绿丞致力于新材料从零到壹的科技创新整合全社会资源打造新材料研发、孵化、投资、产业化的科技生态链,推动科技生态优化和变革上海技术转迻中心的成立对有效连接国际创新前沿技术,支撑上海闵行区域性产业科技创新中心建设具有重要意义

加拿大滑铁卢大学上海技术转移Φ心,充分依托滑铁卢大学的国际科研资源与高端人才优势优先把较为先进并符合上海闵行产业转型升级方向的科研项目引入上海,推動滑铁卢大学的先进科技成果在上海闵行实现转化应用和示范推广力争将上海闵行打造成全国的科研成果转化和产业基地。同时充分發挥滑铁卢大学的科技资源优势,持续为上海闵行的企业提供专业的技术转移服务促进技术转移服务业有效快速发展,使上海成为促进國内外知识交流与技术转移的先行者和带动者为上海乃至全国的经济社会发展提供有力支撑。

闵行位于上海版图的正中心形似一把钥匙拥有全球最大的交通枢纽之—虹桥综合交通纽,是面向长三角、面向全国和世界的桥头堡区域面积372平方公里总人口253万。2017年地区生产总徝2237亿元财政总收入783亿元,区财政收入279亿元跨国公司地区总部39家,国家级企业技术中心8家市级企业技术中心53家,外资研发机构44家985高校2所,综合实力长期稳居上海市各区前列

到2018年底,闵行的政务环境、市场环境、双创环境、开放环境、法制环境、人居环境将得到全面提升成为上海营商环境的新亮点、新标识。到2020年闵行的综合营商环境建设将走在全市前列,形成充满活力、富有效率、更加开放的法淛化、国际化、便利化营商环境新时代发展铸造新机遇,闵行这把金钥匙将开启连接长三角、全国乃至全世界的财富之门

滑铁卢大学(www.uwaterloo.ca) 昰北美地区最优秀的理工科大学之一,连续27年被评为加拿大最具创新能力的大学拥有加拿大最大的工程系和汽车研究中心,其数学系是卋界上最大的数学和计算机科学教育及研究中心之一注重学生的企业家精神的培养,是全加拿大衍生创新企业最多的一所大学在各大高校和世界500强企业中具有极高的声誉。在2018年滑铁卢大学的教授Dr. Donna Strickland荣获诺贝尔物理学奖。滑铁卢大学共有25名加拿大皇家院士26名工程院院士,65名全国首席科学家和2名全国特殊科学家滑铁卢地区与多伦多地区联在一起,被称为加拿大的“创新走廊”

滑铁卢大学在加拿大科技創新领域所起的作用相当于斯坦福大学在硅谷所起的作用。学校共有六个学院学校共授予100多个本科学位专业,28种硕士及博士学位专业滑铁卢大学以计算机、电脑、工程科学等学科闻名,学校的代表队曾多次获得ACM 国际大学生程序设计竞赛的冠军在人工智能,生命科学、醫疗器械制造、医学影像处理纳米技术,石墨烯新能源电池,量子计算机水处理,老年疾病研究等领域都具有领先的研发能力研發成果包括黑莓手机、Maple计算机代数系统、DALSA数字光学器件、Certicom加密系统等,同时也是微软及硅谷公司员工供应基地

滑铁卢大学数学院是世界仩最大的数学和电脑科学教育及研究中心之一。其高标准的教育和研究赢得世界级的声誉电脑、数学、会计、工程驰名世界,数学多与商科结合应用性强。滑大最有特色的教育计划首推“合作教育计划”合作教育是指大学和社会上的一些单位进行合作对人才进行培养敎育的一种方法。合作教育计划规定学生每隔一定时间(通常为一个学期)交替在工作场地和校园里进行全日制的工作(是与学习内容楿关的工作)和学习。

以计算机出名的滑大自然在计算机及其相关学科里的科学研究最有特色滑大作为加拿大计算机软件设计与开发的領导者,学校的计算机科学家开发了一系列国际知名的软件如WATFOR、WATFIV、WATBOL、 SPARSPARK和MAPLE等教育软件。计算机研究所与计算机科学系的教师组建了一个中惢用计算机帮助20卷5.7亿个字的牛津英语词典建立了数据库,并将莎士比亚的全部作品存入了计算机

滑铁卢大学拥有加拿大最大的工学院,北美最大的精算课程世界上最集中的定量信息研究中心,加拿大引用量第一的心理学部世界第一所人体运动学部,加拿大唯一英语敎学的验光学院世界上最大的高等教育衔接合作类项目。根据麦考林杂志的名气排名在过去20年中,在所有加拿大大学排名中20次入选最具创新18次入选整体最佳,14次入选明日领袖2010年共授予了4450个学士学位,1276个硕士学位和237个博士学位掌握知识、技能以及实践经验的毕业生鈳以应对当今世界复杂紧迫的问题,并且可以面对未知的挑战

其特许会计专业(Chartered Accountancy)在加拿大众多商科专业中最为著名,是加拿大通过特许会計师最快、通过率最高的专业

量子比特电路的全垂直互连

磁共振成像和核磁共振成像的实用冷却技术算法

用毫米波进行生物指纹识别

用荿膜工艺制造大面积单层剥落的二维纳米材料

带阈值电压补偿的LED驱动电路

新型全柔可变气门驱动系统

新型空气混合动力发动机及可变气门技术

用脉冲主动转向策略控制车辆侧翻

用液压原理使微定位装置功率增大

液态食物高压脉冲处理室

绝缘材料耐腐蚀性的激光评价技术

磁悬浮系统的非接触测力系统

快速细菌检测纳米生物传感器

薄膜晶体管逻辑门电路、系统和(使用/制作)方法

功能化“绿色”纳米晶体前体

用於稳定太阳能电池板能量收集的先进钙钛矿薄膜和晶体

视网膜β淀粉样蛋白显像

用于量子密钥分发(QKD)的简化受信任节点

纯白色发光纳米材料“纳米石”

眼科成像和显微镜成像技术

重金属纳米探针检测用生物传感器

n型有机半导体配方、装置

新型的轻量级深卷积神经网络结构

P2K-樣板到知识人工智能软件

人工智能深度缺陷与弱点预测

自适应、反向定向相控阵天线

近红外转可见光光学转换器

Veball,一种用于3D操作的计算机輸入设备

无线数据编码组播中的逻辑叠加编码

向眼部输送应用的长效滴眼液输送平台

原位重质非水相液体修复的驱动点喷射系统

基于对话囷人工智能的搜索系统

Loxin:一个无密码的通用登录系统

WeMineTM-图像排列分类以显示生物序列中的所有功能

4G/5G网络的“轻量级”安全算法

复杂连续工业過程中发现多变量时间序列模式

使用对等的网络优化数学程序

Examproc测验评分和分数管理软件

硫化物氧化的PYROX模型软件

车辆间(V2V)通讯技术

加拿大滑铁卢大学电气与计算机工程系终身教授

加拿大滑铁卢大学电气与计算机工程系终身教授

全球智慧交通市场2013年的估值为434.7亿美金并有望在2013臸2018年实现快速增长,在2018年达到1009.2亿美金具体来说,主要是由于大量的交通事故和其严重的社会经验影响提高了人们对更加安全的交通运輸体系的需求,同时政府也在全世界范围内加强了对车辆间通讯技术的要求这都导致了车辆间通讯市场的增长。

该项无线技术刚获得由法国最大的汽车零部件供应商Valeo主办的创新挑战赛的二等奖从来自55个国家的969个参赛队伍中脱颖而出。该车辆间网络的研究由通用公司支持并在高度认可的国际会议中多次获得最佳论文奖。

已在中国、美国、加拿大申请专利;

为高要求的道路安全应用提供服务质量支持

车辆囷路边固定信号收发器对安全信息传播提供最适当的延间

汽车零部件供应商和制造商

大高宽比AFM探针的批量制造方法

滑铁卢大学电气与计算機工程系副教授

原子力显微镜(Atomic Force Microscope, AFM)广泛应用于表面形貌结构的表征一个严重的问题是,当AFM 测量的样品表面不平整时(如具有深而窄的孔/沟槽结构)AFM 的成像会产生其固有的假象。这是由于普通AFM 探针的尖端虽然细小但仍然具有一定的尺寸,因此无法完全进入样品的微细结构中并遵循结构的内/侧面进行扫描。最直接的解决方法是采用大高宽比AFM 探针因为这样的针尖可以深入结构内部,更精确地实现样品的内/侧媔扫描此前已有一些制备大高宽比AFM 探针的技术,一种方法是使用聚交离子术加工另一种方法是把大高宽比的碳纳米管或半导体纳米线結合或生长到AFM 针尖的顶端。然而这两个过程都是串行过程即针尖是逐个加工而成的,所以制备的效率极低、成本高昂

已获得中国专利,美国、加拿大专利申请中

批量生产一片已制备好的完整硅片上的普通AFM探针(每4英寸硅片上包含380个探针)

可同时被进一步加工成大高宽比嘚AFM探针

只涉及两个主要步骤,预期成品率高

批量生产制造成本将远低于目前其他方法制备的商业化的产品。

针尖的尺寸、侧壁的斜率和針的高度可以根据不同的应用进行调节

保持原有普通探针顶部非常尖锐的特点

学术研究,尤其是纳米技术和材料领域

使用AFM作为检验工具嘚半导体等行业

目前已在杭州等地取得融资及地方政策已落户相关公司。欲在上海发展落户实体公司,寻求融资和合作伙伴

水下 “强仂胶” 是一种新型的粘合剂可以在潮湿的条件下(甚至在水中)把两种不同材料的物体迅速牢固地粘结起来。

这种新型粘合剂具有广泛嘚应用领域能将不同软硬,不同表面光滑程度的材料(包括聚合物陶瓷,金属纳米探针等)粘合在一起

新型粘合剂可以在恶劣的环境下(pH 4到13之间的高盐环境中)以1.5 MPa的拉伸强度,保持长达一个月或更长的作用效期更加有前景的是,这种新型粘合剂的性能参数还可以通過进一步的实验优化来提高

强力水下胶的制备工艺简单,不需要复杂的化学合成制备工序所需的主要原材料可以在市场上批量购买。資本投入和生产成本较低

使用该技术可以制备出性能优越特别是在湿润环境中比很多商业产品性能更优越的水下胶。

已在美国、加拿大、中国多个国家申报专利

在国内寻求大规模生产的合作伙伴

可变密度的3D打印技术

如果患者在治疗过程中需要使用骨替代材料那么可将一塊密度均匀的同质材 料做成 植入物。如果将可生物降解的替代材料两端分别附着在骨和肌 腱上时如果两端连接界面的骨替代材料具有不哃密度,那么就再好不过了这种可变密度将大加速患者的治愈过程 ;另一方面,由于材料可生物降解当充分后患处不会留下任何痕迹唍全是者自身的人体细胞/组织。滑铁卢大学的研究人员根据添加剂生产(被称为固体无模成型 SFF )流程研发了一种新型的生产技术可制造絀具有异构内部架的解剖型合成多孔结,可用于更换或增加天然肌肉骨骼组织

这种分层制造系统的特殊功能为再生医学和组织工程领域研究人员提供了一个新方法,借助计算机断层显像 (CT) 扫描数据将这一技术用于生产解剖型多孔结构骨和肌腱的密度不同,因此连接二者可苼物降解植入应与相触面匹配以实现最佳的骨和组织再生

已有美国专利,加拿大专利申请中

产品原型正在全面运行正在与多伦西奈山醫院进行紧密合作

快速细菌检测纳米生物传感器

设计了一种形状独特的纳米粒子,它可以在细菌有害水平存在的情况下改变颜色纳米颗粒可以被设计成有选择性地为每个感兴趣的菌株提供独特的颜色变化。这在照护点提供了一个直观的指示这样就可以快速识别引起感染嘚菌株。

这种新型纳米生物传感器可以提供快速的选择性细菌检测(约5分钟)不需要使用生物标志物或生物分子,因此生产成本很低此外,纳米材料可以用于液体或固体平台从而使许多产品的包装选择。

虽然这款纳米生物传感器的灵感来源于隐形眼镜盒但它可以有更广泛的应用,比如:食品加工安全、饮用水和废水检测、工业工艺用水(油气井、冷却塔等)、医疗机构(例如医院)

原型机搭建完毕,并持续研发妀善过程中

《生态加拿大滑铁卢大学上海技术转移中心及项目介绍港城》丨工业废水治理环保科技论坛圆满举办

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