1、 本文由redspys貢獻 pdf文檔可能在WAP端瀏覽體驗不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機查看。 年 中國 電子學(xué) 會 第十 五 屆 電子 元 件 學(xué) 術(shù)年會 “ 超 材料 ! # ? % ? % # & % ?( ) 周 ” 在 電子 元 件 中的應(yīng)用 濟 清華 大 學(xué)材 料 科 學(xué)與 工 程 系 北 京 & 摘 共 “ # 超材料 !配 ? % , ? + % , ?. ) / ” 指的是 一 些具 有人 工 設(shè) 計的 結(jié)構(gòu)并呈 現(xiàn) 出 天 然材料 / 所 不 具 備 的超 常 物理 性質(zhì) 的 復(fù)合 材 料 其基 本 思 想是通 過在 多種 物理 結(jié)構(gòu)上 的

2、設(shè) 計 來突破 某 些 表觀 自然規(guī)律的 限 制 了評 述 和展 望 & / , 從 而獲得超 常的 材料功能 本文 對 “ 超材 料 ” 在 電子 元件 中的應(yīng) 用 進行 關(guān) 鍵 詞 超 材料 , 電子 元 件 ”& % , ?. ) 具有超常物 理特性 的 / “ 超材料 !/ # + %? % # + “ 材料 ” ” 現(xiàn)在 各 類科學(xué) 文獻 拉 丁 語 ? # “ 旋? 0 , ” “ % , ? ! 超 材 料 ) 是 本世 紀物 理 學(xué)領(lǐng) 域 出 現(xiàn) 的一 個 新 的學(xué) 術(shù)詞 匯 。 , 近年 來 經(jīng) 常 出 #+ 。 、 1 % ”, 可 以 表達 超 出 亞 另

3、類 等 含 義 對 于 ? ? % % # ? ? 2 “ 、 、 。 ,% ? 一詞 目前 尚 未有 一 個 嚴格 的 ” 。 權(quán) 威 的定義 , 各 種 不 同 的無 限 上 給 出的 定義 也各 不 相 同 但 一 67 8 , % # 般 文獻 中 都認 為? 合 材料 的川 & 在 互 聯(lián) 網(wǎng) 上 頗 有影 響 的 維 基 百 科 !4 5 , , 廠側(cè) 慶硒陰 # 3 ? % # ,% + ? 是 尸 有 天 然 材料 所不 具 備的 超 常物 理性質(zhì) 的 人 工 復(fù)合 結(jié) 構(gòu)或 復(fù) 具 ) 上 , 對? # % % # , % 一詞 是這 樣解 釋 ? ? ? + ? 3

4、 8 口 3 9 # ?# : ; ? 腳 丘口杯已八 口< %+ #% . ; # 5 6 ; 7 ? :. % 3 助 7 =: . 3 ) , % % 爬 ? 胭 ? #+ =% ? 6 + 日 由廠 爬 才 扭舊 ? # + =% : . ) ? =. 朋 。瓦角 ? ? > % ? < 初( = ? % # ! ?#: 廠側(cè)嘆艷 腳# ; ) ? : 朋 ?# ; ? % + # 口 6 + # = # . 了 伽 =? . 妙 側(cè)毋扣. # = 7 3 口? . 9 ?+ ? 盯# + ? # % > + “ ;1 9 % 加功 = > 3 # + =

5、 ? =3 < > ? 曲 心 廠# : ? 廳 了 姍 ? > > > ? # 朋 ?# + =% ? . = ? =. 廠 > + =. # + 留 =. ? 以+ ? =: “ 抽 川少2 . 3 8 # 助# # + . “? ? = + < 3 朋? # =% 了> % . ?廠 口 # ? =# . + 石籠價8 初 3 % 廳 幾們肥 . 2 + # . % 3: / . # , , 這 一 解釋 可 能 是 迄 今對配 %?% ? ,% ? 這 一 概念 給 出的最 符合 科 學(xué)規(guī) 范 的 定義 盡 管這 一 定 而 實際 上 ,

6、 義 從 目前 的 觀 點 看 過 于 狹 隘 ! 該 定 義似 乎只 針 對 電磁 領(lǐng) 域 的 材 料 最新的研究 # ? 9 3 % #, ? ? + % 己 經(jīng) 包括 一 些聲 學(xué)材 料 ) & 。 從這 一 定義 中 , 我們 可 以看 到? ? % % # , ? 重要 的 三 # ? ? + % 個 重 要特 征 !? ) !) ! ) 構(gòu) ! 。 # , ? 0 ? + % 通 常 是具 有 新奇人 工 結(jié)構(gòu) 的 復(fù)合 材料 # ? # , ? 呱? + % 具有 超常 的 物理性 質(zhì) !往 往 是 自然 界 的 材 料 中所 不 具 備 的 ) ? ? + ,? # ?

7、 0 # % 性 質(zhì) 往往 不 主 要 決定 與 構(gòu)成材 料 的本 征 性 質(zhì) 而 決 定于 其 中的 人 工 結(jié) # ? , 目前 人 們 已 經(jīng) 發(fā) 展 出 的這 類 ,3 ,. , ?# # “ 超材料 。 ” 系統(tǒng)包括光 子晶 體 。 、 左手材 料 、 “ 隱身 衣 系統(tǒng) 7% “ 5) ” , 全吸 收超材 料等 ” 近 年來 各種 超材 料 系統(tǒng) 的 出 現(xiàn) 引起 了科 學(xué) 界的廣 泛 關(guān)注 # 年和 ? 年 與光 子 晶 , 體有關(guān) 的研 究 突破 先 后兩 度 。 ,# 3 : 該 雜志 又 于 手材 料則 是 在 , 年 被 : # 3: # 雜志 列為 當年 世 界上 的

8、 “ “ 十 大科 學(xué) 進展 。 ”, 事 隔七 年 以后 年底 , , 年 底 再 次將光 子 晶 體 列 為未 來的 自然 科學(xué) 的 熱 點領(lǐng) 域 而 另 一 類 超 材 料 一 一 左 雜志 列 為當年 的 十 大科 學(xué)進 展 ”。 三年后 的 由 于英 年 中國 電子 學(xué) 會第 十五 屆 電子 元 件 學(xué)術(shù)年 會 美兩 國科學(xué) 家利 用 與左 手材 料相 類似 的 的設(shè) 計方法 獲得 的 梯度 超 材 料成 功 實 現(xiàn) 了 “ 隱 身斗 篷 ” 的功能 / , : , #3 : # 雜 志 又 一 次將其列 為 當年 的 “ 十 大科學(xué) 進展 ” 。 超材料 與 電子 元 件 基于 “

9、 超材 料 概 念 的材 料設(shè) 計方 法是 多種 多樣 的 事 實上 。 。 ” 。 , 早 在? # % 3 ? , ? % # + % 的觀 念 出 現(xiàn)以前 , 電子 元 件 的設(shè) 計 者 己 經(jīng) 有 過 非 常類 似 的嘗 試 。 一 個 典 型 的例 子 是 多 層 陶 瓷 電 容 器 。 ! ? ) 多層 陶 瓷 電容器 是 年代 發(fā) 明 的 一 種 電子 元 件 其 結(jié)構(gòu)如 圖? 所示 它 是有 陶瓷 介質(zhì) , , 。 層和 內(nèi)電極交 疊而 成 相 當于 多個 電容 并聯(lián) 在一 起 或使 電容 器 的電極 面 積增 加 了 若干 倍 眾 所周 知 對 于 平 板 電容器 電 容 器

10、 厚 度成 反 比 料 ” 。 , , 其 電容 量 與其 中 的電介質(zhì)材 料的介 電常 數(shù) , 、 電極面 積成 正 比 而 與 , , 因此 , 如果 我們 不 把 多層 陶 瓷 電容 器 看 成是 一 個 多層器 件 而 僅僅 看成 是 “ “ 由具 有 某 一 介 電常 數(shù) 的 陶 瓷 介 質(zhì)構(gòu)成 的 單層 平板 電容 器 即 把 其 中的 多層 結(jié) 構(gòu)看成 是 一 種 材 ! 事實上 是 超 材 料 ) , , 則該 材料 ” 的表 觀 介 電常 數(shù)可 高達 陶瓷介 質(zhì) 的3 倍 , 。 這種 結(jié) 構(gòu) 的設(shè) ”, 計 中 事 實 上 也 包含 了? # 而 是 將其 視 為 “ #

11、, 姍? + % 的設(shè) 計思 想 , 只 是 把沒 有把 多 層 結(jié)構(gòu) 看成 是一 種 “ 材 料 ” 器件 ” 。 隨著 材料 技術(shù) 的 發(fā)展 ” , , “ 材料 的觀念 也在 變化 一 一 以 往 人們 , , 。 “ 材料 ” 的認 識往 往是 調(diào)控 。 “ 原材 料 而 今 天 人 們所 研 究的 先進材 料 很 多都 是具 有在 一 定尺 度 上 的結(jié)構(gòu) “ 由此 , 廣 義 的講 可 以把 中 的多層 結(jié)構(gòu) 本身看成 是一 種 ? 。 材料 ”。 而 這種 “ 材料 ” 的性 能將 是普 通 材料 所無 法 比 擬 的 “ 超材 料 ” 一 個 較 重 要 的 理 念是 巧 妙

12、利用 材料 中的 。 “ 關(guān) 鍵物 理 尺 度 材料 中所 呈 現(xiàn) 的一 , 些 物理 性質(zhì) 往往 和 材料 結(jié)構(gòu) 中 的關(guān)鍵 物理 尺 度 有 關(guān) 對于 材料 與各種 波 的相 互 作用 波 長尺 度 往 往 是材料 的關(guān) 鍵物 理 尺 度 光子 ! 電磁波 ) 晶體 是利 用關(guān)鍵 物 理尺 度 的控 制來 實現(xiàn) 材 料超 常 。 物 理 性 質(zhì) 的典型 例 子 它 是通 過 在波 長尺 度 上 材料 的介 電周 期結(jié) 構(gòu)來 實現(xiàn)對 電磁 波在 其 中運 動 狀 態(tài) 的調(diào)控 的 而 在 調(diào)控 電磁 波方 面 一 些 半經(jīng) 驗 的天 線 結(jié)構(gòu)設(shè) 計 也早 在 光子 帶隙 理論 提 出之 前 就

13、 得到 了應(yīng) 用 , 。 。 , , 這些 嘗試 其 實都有 。 “ 超材 料 ” 思 想 的影 子 。 電磁 介質(zhì) 是 電子元 件 的關(guān)鍵材料 , , 其 電磁性 質(zhì)體 現(xiàn)在 兩 個 重要 參數(shù) !復(fù)數(shù) ) 另一 個是 磁 導(dǎo) 率 , , 一個 是材料 。 的介 電常數(shù) 體現(xiàn) 了材 料對 電場 的影 響 介質(zhì) 中 體現(xiàn) 了 材料 對磁 場 的相 應(yīng) 。 、 在 尋常 介 電常 數(shù) 和磁 導(dǎo)率 皆 為正 值 。 電磁波 可 以 正 常傳輸 。 電場 強度 磁場 強度 和 波 矢 的方 , , 向 !相速度 的 方 向 ) 和 的 方 向相 同 介 電陶瓷材 料 可 能有 很 高的介 電常 數(shù)

14、但 其磁 導(dǎo)率 僅 為 ? 鐵磁 材料 磁 導(dǎo)率 可 以 很 高 但 介 電常 熟很 低 鐵 氧體 是 一 類 具 有 鐵磁 性 的介質(zhì) 材料 , , , 其介 電常 , 數(shù)可 以高 于 普 通鐵 磁 體 而 磁導(dǎo) 率可 以 高于 普通 介質(zhì) 但 遺憾 的是 其介 電常數(shù) 和 磁 導(dǎo) 率都 不可 能 特 別 高 而 按 照 超 材料 的 設(shè)計 思 想 / 。 , 可 以通 過 設(shè)計 一 些 有 序 的介 電 一 鐵磁 復(fù) 合 材 料 。 使磁 導(dǎo) 率和 介 電常 數(shù)都 相 當 高 , , 這 對 一 些 電子元 器 件 的設(shè) 計是 非常 有意義 的 。 當 介 電常 數(shù) 或磁 導(dǎo)率 兩 者 之

15、 一可 取 負值 。 根據(jù) 電磁 場理 論 , 電磁 波 在其 中無法 傳輸 , 表現(xiàn) , 為倏 失波 其振 幅快 速衰 減 其 中第二 象 限 的材 料 ! 負磁 導(dǎo)率 材料 ) 一 般 認 為 自然 界 中不存 在 而 金 屬在 一 定頻 段 下 屬 于 第 四 象 限 , 即 可 能有 負 的磁 導(dǎo)率 而 通 過超 材料 的設(shè) 計 。 , 這 兩個 象 限 的材 料都 是可 以 實現(xiàn) 的 。 年 中國 電子 學(xué)會 第 十五 屆 電子 元 件 學(xué)術(shù) 年會 端 電極 內(nèi)電極 介 電材 料 圖? 多層 陶瓷 電容器 的 原理 示 意圖 當介 電 常數(shù) 和磁 導(dǎo) 率 兩者 同 時取 負值 這 種

16、 材料 在 自然 界 中肯定 是不 存 在 的 但 可 以 通 過 超 材 料 的設(shè)計 來 實現(xiàn) , 。 。 這 就是 所 謂 的 , “ 左 手材 料 ” 。 目前 實現(xiàn) 左 手材 料 的方 案 較 多 但 其核 心 思 路主 要 是 ? 結(jié)構(gòu) 的電磁 諧 振 【 因 此 實現(xiàn) 微波 : 。 左 手 材料 的方法之 一 是 采 用 無源 電子 元件 ! 電 容和 電 感 ) 構(gòu)成 的 反 傳輸 線 電路 閉 課 題 組 首次 利用? 技術(shù) 制備 的集成 化 的左 手 材料 , 。 圖 是 作 者 實驗 已觀 察到 了其 對 波 段 的左 手 傳 輸特 性 / 。 基于 “ 左 手材料 ” 的

17、 新型 徽 波器 件 , , , 左 手 材 料是 近 年 來新 發(fā)現(xiàn) 的某些 物理 特性 完全 不 同于 常規(guī) 材料 的 新材料 在 電磁 波 某些 頻 段 能 產(chǎn) 生 負 介 電 常數(shù) 和 負磁 導(dǎo) 率 導(dǎo)致 電磁 波 的 傳播 方 向與 能量 的傳 播方 向相 反 產(chǎn)生 逆 多普 勒效 應(yīng) 、 逆 3 3 折射 效應(yīng) # 、 、 逆 # + #3 57 輻 射 效應(yīng) 以及 。 “ 完美透 鏡 。 ” 等 奇異 的 電 磁特 性 。 這些 特 性 可 望 在信 息 技術(shù) 軍 事技 術(shù) 等領(lǐng) 域獲 得重 要應(yīng) 用 (, 左 手 材料 的這 些特 性使 其在 微波 領(lǐng)域 具 有 廣 闊 的應(yīng)

18、用 前景 例如 通 過對 正 負折 射 率周 期 & 交替 的 結(jié)構(gòu)可 以獲得 具有優(yōu) 異微 波特 性 的波 導(dǎo)器 件 混 時具 有右 手 左 手 特 性的 左 右 手 合 材料 、 & 利用 在一 定 的 工 作帶 寬 內(nèi)人 工 材 料會 同 “ ” ) : ! ? 可 以以大大 縮 小微 帶天 線 的尺 寸吸 利 用 , 異 向介 質(zhì)在 某個 頻 段 內(nèi)折射 率接 近于 , 的特性 制造 的天 線 波束 透 射到 真 空 中 時 發(fā) 生 折射 的折 , 射 角接 近 于 。 基 本上 沿 著 近軸 方 向輻射 由 此 實現(xiàn) 的天線 具 有很 強 的定 向輻射 能 力 左 手

19、材 年中國 電子學(xué)會 第十五 屆 電子 元 件 學(xué)術(shù)年會 料 還可 以替代微 帶天 線 的傳統(tǒng) 介質(zhì)基 板 利用其 對表 面波 的抑制 來減 少邊緣 散射 提高 天線 的 輻 射 效率 利用左 手 材料和 尋 常材料 的雙層 結(jié)構(gòu) 構(gòu)成 的諧振 器 可 以使諧 振腔 的尺 度 遠遠 小 , , , 于一 個 波 長長 度 , 只 要滿 足8 +8 , 二 3 ? ? 3 的關(guān)系 + , 即可 在某 個頻率 下 實現(xiàn) 諧振 ?< 。 圖 墓 于 ? 的 集成化反 傳輸 線模塊 ! 及 其 負折 射性 質(zhì) ! ? : ) ) / “ 隱身斗籠 , ” 與新型抗 9 器 件 , 。 年 麻 省

20、理 工 學(xué) 院孔金 歐 教授 從理 論上 證 明了 左 手 材料 存在 的合 理 性 并稱 這種 人工 ? 介質(zhì) 可 用來 可 能用 于 電磁 波 隱 身等 等 年初 , , # 3 8 + 等 預(yù)測 預(yù) 言 了超 材 料 薄 層 能 夠 讓 。 光線繞 過 物體 “ , 從 而 使物 體 隱形 同 年 ” , , 。 .? ? , > 等 展 示 了這 種 斗篷 的雛形 , , 隱身斗 篷 的基 本 原 理是 通 過在物 體表 面包 覆一 層 具有 特殊 設(shè)計 的 具 有 一 定 介 電常 , , , 、 數(shù)和 磁 導(dǎo)率分 布 的材料 使 入 射 光或 電磁波 將被 彎 曲 并 且 繞

21、 過包 覆 層 從 而 出現(xiàn) 隱身 人 的結(jié) 果 通 俗 的講 身穿隱身 斗篷 的人就 好像 在空 間 中挖 開 了 一 個 洞 任何光 和 電磁波將 直 接穿透 這 個 洞 從 而 不 會 看到 斗篷 中隱藏 的物質(zhì) 隱 身斗 篷 將不 僅僅被 應(yīng)用 于 , 。 。 “ 隱身 ” , 憑借 它 的幫 因 此 在 抗 9 助 , 任何 電磁 信號 都可 以更 為有效 的 繞 開 干 擾 和 阻 隔 。 , 從 而 保 持 信 號 的 完整 性 , 。 器 件 中 也 將有 廣 闊的應(yīng) 用前 景 等提 出了 一 種 新 的超 材料 設(shè)計 思 想 這 種 新 的 超材料 可 以 完全 吸 收輻 射

22、 到 其表 面 的 電磁 波 的 電分量 和 磁 分量 【 這 種 完美超 材料 吸 收器 也 可 能 為新 一 代抗 電磁 干 最近 。 , % , ? ? 8 % “ ” 擾器 件 提 供一 種全 新 的思 路 ( / 。 光子 晶體光纖與光子 晶體天 線 光子 晶 體 是 由具 有 不 同 反 射 率的材 料在 空 間交 替構(gòu) 成 的一 種 周期結(jié) 構(gòu) , , 。 由于 光 ! 電磁 波 ) , 在與 其波 長 相 匹 配 的周 期結(jié)構(gòu) 中運 動 時 受 到周 期 的散射 和 衍射 于是 便產(chǎn) 生 了光 的頻率 禁阻 , , , , 。 在該 系統(tǒng) 中 某些 頻 段 的 電磁 波 強 度

23、 因 破壞 性干 涉呈 指數(shù)衰 減 無論 橫 向還 是 縱 向的振動 都 無法 在介 質(zhì) 中傳播 形 成 電磁 波 能 隙 光 子 晶 體 為 各類 的 無 源光 電器件 提供 了理 想 的 材料 已經(jīng) 實現(xiàn)產(chǎn) 業(yè)化 的光 子 晶體 光 纖是 目 。 前應(yīng) 用最 廣 的光子 晶體產(chǎn) 品 一 般 來說 光纖 是 倚 賴于 其 內(nèi)部 的反射來 傳播 光 的 這就 要求 其芯 , 部 的反 射 率要 遠 大 于 表 面包覆 層 但 是通 過 光子 晶體概 念 的 引入 3 。 。 , , <> ? 等給 出 了 一 個 與傳 統(tǒng) 年 中國 電子學(xué) 會 第十 五 屆 電 子 元 件 學(xué)術(shù)

24、年 會 光 波 傳 導(dǎo) 完 全 不 同 的結(jié) 構(gòu) , 即 利用 二 維 光子 帶 隙 晶 體把 光 限 制在 低 反射 率 區(qū) 域 附近 , ” 。 這種 , 光 纖 的一 個突 出 的特 點是 它 可 以 把 光限 制 在 低介 電常 數(shù) 區(qū) 域 從 而 實現(xiàn) 光 在 空 氣 中 的 傳播 因 此 光 的傳播 損 失 是很 小 的 還可 以傳 輸較 高 能量 的光 , , 除此 外還 產(chǎn) 生 了 其它 的一 些 特 性 。 目前 光 子 晶體 光纖 已經(jīng) 投 入 使用 , 。 另一 個 典 型例 子 微波 帶 隙 天 線 上 , 。 傳統(tǒng) 的 微波 天 線 制備 方 法 是 將 天 線 直接

25、 制 備 在 介 質(zhì)基 底 , 這 樣 就 導(dǎo) 致大 量 的能 量 被 基底 所吸 收 因而 效率 很 低 , 。 例如 , 對 一 般 用 % 介 質(zhì)作 基 底 的 , 。 天 線 反射器 的能 量完 全損 耗在 基底 中 只 有 的 能量被 發(fā) 射 出去 同時造 成 基 底 的 發(fā)熱 利 用光 子 晶體 作 為天 線 的基 片 這 就 實現(xiàn) 了無 損耗 全 反 射 / , 此微 波波 段 落在 光子 晶體 的禁 帶 中 。 , 因 此 基底 不 會吸 收 微波 , , 把 能量 全 部發(fā) 射 到空 中 負介 電常數(shù)材料與 無繞線 電感 自? 世 紀 法拉 弟發(fā)現(xiàn) 電磁 感 應(yīng)現(xiàn) 象 的一

26、百 多年來 , 。 , 感性 電子元 件 被廣 泛應(yīng) 用 于 各 類 電路 , 中 成 為 電子 和 電力系 統(tǒng) 中必 不可 少 的組 成部 分 然 而 一 百 多年 來人 們所 使 用 的感 性 元 件 都 是 較 為復(fù) 雜的繞線式 結(jié) 構(gòu) 年 , , 。 , 我 們 在 對 共振 型 陶 瓷介 質(zhì)研 究 的基礎(chǔ) 上 提 出 了基 于 負介 電常數(shù) 介 質(zhì) 的無 繞線 電 。 感 器元 件 的設(shè) 計 思 想 改變 電感 類 元 件必 須通過 繞 線 結(jié)構(gòu) 來 實現(xiàn) 的傳 統(tǒng)觀 念 我 們 的研 究結(jié) 果 發(fā)現(xiàn) , 通 過 介 電共 振 、 , 至 少能 夠產(chǎn) 生 , “ 表觀 ” 的負 介

27、電常數(shù) 。 在 這 種材 料 的基 礎(chǔ) 上 ( 。 , 我 們提 出 了 提 出一 種 全 新 的 無繞線 結(jié) 構(gòu) 的感性 元 件 設(shè)計 思 想 一 一 利 用具 有表 觀 負 電常 數(shù) 的陶 瓷 介質(zhì)構(gòu) 成 的 電容 結(jié)構(gòu) 中產(chǎn) 生 的負 電容 在 相對 簡單 的 結(jié)構(gòu) 中實現(xiàn) 感 抗 功能 由 于 這 類感 抗 元 件 不 。 需 要 復(fù)雜 的 繞線 結(jié) 構(gòu) / , 可 為感 性 元 件 尺 寸 的進 一 步 降低 開 辟 出 一 個 廣 闊 的空 間 結(jié)語 & 電子元件發(fā)展的新機遇 “ ” 盡管 超材料 些 思路 不謀 而 合 , 。 的在 科學(xué) 領(lǐng)域 是 一 個 全新 的概 念

28、 但 其 中 的某些 設(shè) 計 思 想 與 電子 元 件 的一 “ , 一些 超材 料 ” 可 以看 成 是 , “ 元 器件 化 ” 的 “ 材料 。 ” 。 然而 。 , “ 超材 料 ” 似乎 ” 走 得更 遠 不 僅 超越 了天 然 材料 的 自然 極 限 也突 破 了 人 們常 規(guī) 思 維 的 極 限 這 些 新 的 材 料 “ 系 統(tǒng)和 設(shè) 計 思路 為新 型 電子 元件 的 創(chuàng) 新與 發(fā)展 提供 了廣 闊的 空 間 主要參考文獻 ? >? ?6 & / & # 3 / 4 ,5 ,6 # 8 ,% , / 7 + < +# 4 ,5 , # < %

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