Un núcleo atómico superpesado [b] se crea en una reacción nuclear que combina otros dos núcleos de tamaño desigual [c] en uno; aproximadamente, cuanto más desiguales sean los dos núcleos en términos de masa , mayor será la posibilidad de que los dos reaccionen. [19] El material hecho de los núcleos más pesados se convierte en un objetivo, que luego es bombardeado por el haz de núcleos más ligeros. Dos núcleos solo pueden fusionarse en uno si se aproximan lo suficiente; normalmente, los núcleos (todos cargados positivamente) se repelen entre sí debido a la repulsión electrostática . La interacción fuerte puede superar esta repulsión, pero solo a una distancia muy corta de un núcleo; los núcleos del haz se aceleran así en gran medida para que dicha repulsión sea insignificante en comparación con la velocidad del núcleo del haz. [20] La energía aplicada a los núcleos del haz para acelerarlos puede hacer que alcancen velocidades tan altas como una décima parte de la velocidad de la luz . Sin embargo, si se aplica demasiada energía, el núcleo del haz puede desmoronarse. [20]
El hecho de acercarse lo suficiente no es suficiente para que dos núcleos se fusionen: cuando dos núcleos se aproximan, suelen permanecer juntos durante unos 10 −20 segundos y luego se separan (no necesariamente en la misma composición que antes de la reacción) en lugar de formar un solo núcleo. [20] [21] Esto sucede porque durante el intento de formación de un solo núcleo, la repulsión electrostática desgarra el núcleo que se está formando. [20] Cada par de un objetivo y un haz se caracteriza por su sección transversal : la probabilidad de que se produzca la fusión si dos núcleos se aproximan entre sí expresada en términos del área transversal que la partícula incidente debe golpear para que se produzca la fusión. [d] Esta fusión puede ocurrir como resultado del efecto cuántico en el que los núcleos pueden hacer un túnel a través de la repulsión electrostática. Si los dos núcleos pueden permanecer cerca después de esa fase, las interacciones nucleares múltiples dan como resultado una redistribución de energía y un equilibrio energético. [20]
La fusión resultante es un estado excitado [24] —denominado núcleo compuesto— y por lo tanto es muy inestable. [20] Para alcanzar un estado más estable, la fusión temporal puede fisionarse sin la formación de un núcleo más estable. [25] Alternativamente, el núcleo compuesto puede expulsar algunos neutrones , que se llevarían la energía de excitación; si esta última no es suficiente para una expulsión de neutrones, la fusión produciría un rayo gamma . Esto sucede en aproximadamente 10 −16 segundos después de la colisión nuclear inicial y da como resultado la creación de un núcleo más estable. [25] La definición del Grupo de Trabajo Conjunto (JWP) IUPAC/IUPAP establece que un elemento químico solo puede reconocerse como descubierto si un núcleo del mismo no se ha desintegrado en 10 −14 segundos. Este valor se eligió como una estimación de cuánto tiempo tarda un núcleo en adquirir electrones y, por lo tanto, mostrar sus propiedades químicas. [26] [e]
Descomposición y detección
El haz pasa a través del objetivo y llega a la siguiente cámara, el separador; si se produce un nuevo núcleo, se transporta con este haz. [28] En el separador, el núcleo recién producido se separa de otros nucleidos (el del haz original y cualquier otro producto de reacción) [f] y se transfiere a un detector de barrera de superficie , que detiene el núcleo. Se marca la ubicación exacta del próximo impacto en el detector; también se marcan su energía y el tiempo de llegada. [28] La transferencia tarda unos 10 −6 segundos; para ser detectado, el núcleo debe sobrevivir este tiempo. [31] El núcleo se registra nuevamente una vez que se registra su desintegración, y se miden la ubicación, la energía y el tiempo de la desintegración. [28]
La estabilidad de un núcleo la proporciona la interacción fuerte. Sin embargo, su alcance es muy corto; a medida que los núcleos se hacen más grandes, su influencia sobre los nucleones más externos ( protones y neutrones) se debilita. Al mismo tiempo, el núcleo se desgarra por la repulsión electrostática entre protones, y su alcance no está limitado. [32] La energía de enlace total proporcionada por la interacción fuerte aumenta linealmente con el número de nucleones, mientras que la repulsión electrostática aumenta con el cuadrado del número atómico, es decir, este último crece más rápido y se vuelve cada vez más importante para los núcleos pesados y superpesados. [33] [34] Por lo tanto, se predice teóricamente [35] y hasta ahora se ha observado [36] que los núcleos superpesados se desintegran predominantemente a través de modos de desintegración que son causados por dicha repulsión: desintegración alfa y fisión espontánea . [g] Casi todos los emisores alfa tienen más de 210 nucleones, [38] y el nucleido más ligero que experimenta principalmente fisión espontánea tiene 238. [39] En ambos modos de desintegración, los núcleos no pueden desintegrarse mediante barreras de energía correspondientes para cada modo, pero se pueden atravesar mediante un túnel. [33] [34]
Las partículas alfa se producen comúnmente en desintegraciones radiactivas porque la masa de una partícula alfa por nucleón es lo suficientemente pequeña como para dejar algo de energía para que la partícula alfa se use como energía cinética para salir del núcleo. [41] La fisión espontánea es causada por la repulsión electrostática que desgarra el núcleo y produce varios núcleos en diferentes instancias de fisión de núcleos idénticos. [34] A medida que aumenta el número atómico, la fisión espontánea rápidamente se vuelve más importante: las vidas medias parciales de fisión espontánea disminuyen en 23 órdenes de magnitud desde el uranio (elemento 92) hasta el nobelio (elemento 102), [42] y en 30 órdenes de magnitud desde el torio (elemento 90) hasta el fermio (elemento 100). [43] El modelo anterior de gota líquida sugería que la fisión espontánea ocurriría casi instantáneamente debido a la desaparición de la barrera de fisión para núcleos con aproximadamente 280 nucleones. [34] [44] El modelo de capas nucleares posterior sugirió que los núcleos con alrededor de 300 nucleones formarían una isla de estabilidad en la que los núcleos serán más resistentes a la fisión espontánea y sufrirán principalmente desintegración alfa con vidas medias más largas. [34] [44] Descubrimientos posteriores sugirieron que la isla predicha podría estar más lejos de lo que se anticipó originalmente; también mostraron que los núcleos intermedios entre los actínidos de larga vida y la isla predicha se deforman y ganan estabilidad adicional a partir de los efectos de capa. [45] Los experimentos en núcleos superpesados más ligeros, [46] así como aquellos más cercanos a la isla esperada, [42] han demostrado una estabilidad mayor que la anticipada previamente contra la fisión espontánea, lo que muestra la importancia de los efectos de capa en los núcleos. [h]
Las desintegraciones alfa son registradas por las partículas alfa emitidas, y los productos de la desintegración son fáciles de determinar antes de la desintegración real; si tal desintegración o una serie de desintegraciones consecutivas produce un núcleo conocido, el producto original de una reacción puede determinarse fácilmente. [i] (Que todas las desintegraciones dentro de una cadena de desintegración estaban de hecho relacionadas entre sí se establece por la ubicación de estas desintegraciones, que deben estar en el mismo lugar.) [28] El núcleo conocido puede reconocerse por las características específicas de la desintegración que sufre, como la energía de desintegración (o más específicamente, la energía cinética de la partícula emitida). [j] La fisión espontánea, sin embargo, produce varios núcleos como productos, por lo que el nucleido original no puede determinarse a partir de sus hijos. [k]
La información de que disponen los físicos que intentan sintetizar un elemento superpesado es, por tanto, la información recogida en los detectores: posición, energía y tiempo de llegada de una partícula al detector, y los de su desintegración. Los físicos analizan estos datos y tratan de concluir que efectivamente fue causado por un nuevo elemento y no podría haber sido causado por un nucleido diferente del que se afirma. A menudo, los datos proporcionados son insuficientes para concluir que definitivamente se creó un nuevo elemento y no hay otra explicación para los efectos observados; se han cometido errores en la interpretación de los datos. [l]
Utilizando la nomenclatura de Mendeleev para elementos no nombrados y no descubiertos , el meitnerio debería ser conocido como eka- iridio . En 1979, durante las Guerras de Transfermio (pero antes de la síntesis del meitnerio), la IUPAC publicó recomendaciones según las cuales el elemento debía llamarse unnilennio (con el símbolo correspondiente de Une ), [59] un nombre de elemento sistemático como marcador de posición , hasta que se descubriera el elemento (y luego se confirmara el descubrimiento) y se decidiera un nombre permanente. Aunque se usaron ampliamente en la comunidad química en todos los niveles, desde las aulas de química hasta los libros de texto avanzados, las recomendaciones fueron ignoradas en su mayoría entre los científicos en el campo, quienes lo llamaron "elemento 109", con el símbolo de E109 , (109) o incluso simplemente 109 , o usaron el nombre propuesto "meitnerio". [6]
El nombre del meitnerio se discutió en la controversia sobre los nombres de los elementos 104 a 109, pero el meitnerio fue la única propuesta y, por lo tanto, nunca se disputó. [60] [61] El nombre meitnerio (Mt) fue sugerido por el equipo GSI en septiembre de 1992 en honor a la física austríaca Lise Meitner , codescubridora del protactinio (con Otto Hahn ), [62] [63] [64] [65] [66] y una de las descubridoras de la fisión nuclear . [67] En 1994, el nombre fue recomendado por la IUPAC , [60] y fue adoptado oficialmente en 1997. [61] Por lo tanto, es el único elemento nombrado específicamente en honor a una mujer no mitológica ( el curio lleva el nombre de Pierre y Marie Curie ). [68]
Isótopos
El meitnerio no tiene isótopos estables o naturales. Se han sintetizado varios isótopos radiactivos en el laboratorio, ya sea fusionando dos átomos o observando la desintegración de elementos más pesados. Se han descrito ocho isótopos diferentes de meitnerio con números de masa 266, 268, 270 y 274-278, dos de los cuales, el meitnerio-268 y el meitnerio-270, tienen estados metaestables no confirmados . Un noveno isótopo con número de masa 282 no está confirmado. La mayoría de estos se desintegran predominantemente a través de la desintegración alfa, aunque algunos experimentan fisión espontánea. [69]
Estabilidad y vidas medias
Todos los isótopos del meitnerio son extremadamente inestables y radiactivos; en general, los isótopos más pesados son más estables que los más ligeros. El isótopo de meitnerio más estable conocido, el 278 Mt, es también el más pesado conocido; tiene una vida media de 4,5 segundos. El 282 Mt, aún no confirmado, es más pesado y parece tener una vida media más larga de 67 segundos. Con una vida media de 0,8 segundos, el siguiente isótopo conocido más estable es el 270 Mt. [3] Los isótopos 276 Mt y 274 Mt tienen vidas medias de 0,62 y 0,64 segundos respectivamente. [4]
Se observó que el isótopo 277 Mt, creado como el producto final de la desintegración de 293 Ts por primera vez en 2012, sufría fisión espontánea con una vida media de 5 milisegundos. El análisis preliminar de los datos consideró la posibilidad de que este evento de fisión se originara a partir de 277 Hs, ya que también tiene una vida media de unos pocos milisegundos, y podría poblarse después de una captura de electrones no detectada en algún lugar a lo largo de la cadena de desintegración. [71] [72] Esta posibilidad se consideró más tarde muy improbable en función de las energías de desintegración observadas de 281 Ds y 281 Rg y la corta vida media de 277 Mt, aunque todavía hay cierta incertidumbre sobre la asignación. [72] Independientemente, la rápida fisión de 277 Mt y 277 Hs es fuertemente sugestiva de una región de inestabilidad para núcleos superpesados con N = 168-170. La existencia de esta región, caracterizada por una disminución en la altura de la barrera de fisión entre el cierre de la capa deformada en N = 162 y el cierre de la capa esférica en N = 184, es consistente con los modelos teóricos. [71]
Propiedades previstas
Aparte de las propiedades nucleares, no se han medido propiedades del meitnerio ni de sus compuestos; esto se debe a su producción extremadamente limitada y costosa [o] y al hecho de que el meitnerio y sus progenitores se desintegran muy rápidamente. Las propiedades del metal meitnerio siguen siendo desconocidas y solo se pueden hacer predicciones.
La predicción de las probables propiedades químicas del meitnerio no ha recibido mucha atención recientemente. Se espera que el meitnerio sea un metal noble . Se espera que el potencial de electrodo estándar para el par Mt 3+ /Mt sea de 0,8 V. Con base en los estados de oxidación más estables de los elementos más ligeros del grupo 9, se predice que los estados de oxidación más estables del meitnerio sean los estados +6, +3 y +1, siendo el estado +3 el más estable en soluciones acuosas . En comparación, el rodio y el iridio muestran un estado de oxidación máximo de +6, mientras que los estados más estables son +4 y +3 para el iridio y +3 para el rodio. [6] El estado de oxidación +9, representado solo por el iridio en [IrO 4 ] + , podría ser posible para su congénere meitnerio en el nonafluoruro (MtF 9 ) y el catión [MtO 4 ] + , aunque se espera que [IrO 4 ] + sea más estable que estos compuestos de meitnerio. [74] También se ha predicho que los tetrahaluros de meitnerio tienen estabilidades similares a las del iridio, lo que también permite un estado +4 estable. [75] Además, se espera que los estados de oxidación máximos de los elementos desde el bohrio (elemento 107) hasta el darmstadtio (elemento 110) puedan ser estables en la fase gaseosa pero no en solución acuosa. [6]
Física y atómica
Se espera que el meitnerio sea un sólido en condiciones normales y asuma una estructura cristalina cúbica centrada en las caras , de manera similar a su congénere más ligero, el iridio. [8] Debería ser un metal muy pesado con una densidad de alrededor de 27-28 g/cm 3 , que estaría entre las más altas de cualquiera de los 118 elementos conocidos. [9] [10] También se predice que el meitnerio es paramagnético . [13]
Los teóricos han pronosticado que el radio covalente del meitnerio será de 6 a 10 pm mayor que el del iridio. [76] Se espera que el radio atómico del meitnerio sea de alrededor de 128 pm. [11]
Química experimental
El meitnerio es el primer elemento de la tabla periódica cuya química aún no ha sido investigada. Aún no se ha establecido una determinación inequívoca de las características químicas del meitnerio [77] [78] debido a las cortas vidas medias de los isótopos de meitnerio [6] y a un número limitado de compuestos volátiles probables que podrían estudiarse a una escala muy pequeña. Uno de los pocos compuestos de meitnerio que probablemente sea suficientemente volátil es el hexafluoruro de meitnerio ( MtF 6), como su homólogo más ligero, el hexafluoruro de iridio ( IrF 6) es volátil por encima de 60 °C y, por lo tanto, el compuesto análogo de meitnerio también podría ser suficientemente volátil; [65] un octafluoruro volátil ( MtF 8) también podría ser posible. [6] Para realizar estudios químicos en un transactínido , se deben producir al menos cuatro átomos, la vida media del isótopo utilizado debe ser de al menos 1 segundo y la tasa de producción debe ser de al menos un átomo por semana. [65] Aunque la vida media de 278 Mt, el isótopo de meitnerio confirmado más estable, es de 4,5 segundos, tiempo suficiente para realizar estudios químicos, otro obstáculo es la necesidad de aumentar la tasa de producción de isótopos de meitnerio y permitir que los experimentos continúen durante semanas o meses para que se puedan obtener resultados estadísticamente significativos. La separación y detección deben realizarse de forma continua para separar los isótopos de meitnerio y tener sistemas automatizados para experimentar con la química de la fase gaseosa y la solución del meitnerio, ya que se predice que los rendimientos para los elementos más pesados serán menores que los de los elementos más ligeros; algunas de las técnicas de separación utilizadas para el bohrio y el hassio podrían reutilizarse. Sin embargo, la química experimental del meitnerio no ha recibido tanta atención como la de los elementos más pesados, desde el copernicio hasta el livermorio . [6] [77] [79]
El Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley intentó sintetizar el isótopo 271 Mt en 2002-2003 para una posible investigación química del meitnerio, porque se esperaba que pudiera ser más estable que los isótopos cercanos debido a que tiene 162 neutrones , un número mágico para los núcleos deformados; se predijo que su vida media sería de unos pocos segundos, lo suficientemente larga para una investigación química. [6] [80] [81] Sin embargo, no se detectaron átomos de 271 Mt; [82] este isótopo del meitnerio es actualmente desconocido. [69]
Un experimento para determinar las propiedades químicas de un transactínido necesitaría comparar un compuesto de ese transactínido con compuestos análogos de algunos de sus homólogos más ligeros: [6] por ejemplo, en la caracterización química del hassio, se comparó el tetróxido de hassio (HsO 4 ) con el compuesto análogo de osmio , el tetróxido de osmio (OsO 4 ). [83] En un paso preliminar hacia la determinación de las propiedades químicas del meitnerio, el GSI intentó la sublimación de los compuestos de rodio óxido de rodio (III) (Rh 2 O 3 ) y cloruro de rodio (III) (RhCl 3 ). Sin embargo, las cantidades macroscópicas del óxido no se sublimarían hasta los 1000 °C y el cloruro no lo haría hasta los 780 °C, y sólo en presencia de partículas de aerosol de carbono : estas temperaturas son demasiado altas para utilizar tales procedimientos en el meitnerio, ya que la mayoría de los métodos actuales utilizados para la investigación de la química de los elementos superpesados no funcionan por encima de los 500 °C. [78]
Tras la exitosa síntesis en 2014 del hexacarbonilo de seaborgio, Sg(CO) 6 , [84] se llevaron a cabo estudios con los metales de transición estables de los grupos 7 a 9, lo que sugiere que la formación de carbonilo podría extenderse para investigar más a fondo las químicas de los primeros metales de transición 6d desde el rutherfordio hasta el meitnerio inclusive. [85] [86] Sin embargo, los desafíos de las vidas medias bajas y las reacciones de producción difíciles hacen que el meitnerio sea difícil de acceder para los radioquímicos, aunque los isótopos 278 Mt y 276 Mt tienen una vida útil lo suficientemente larga para la investigación química y pueden producirse en las cadenas de desintegración de 294 Ts y 288 Mc respectivamente. Es probable que 276 Mt sea más adecuado, ya que la producción de tennessina requiere un objetivo de berkelio raro y de vida bastante corta . [87] El isótopo 270 Mt, observado en la cadena de desintegración de 278 Nh con una vida media de 0,69 segundos, también puede tener una vida útil lo suficientemente larga para las investigaciones químicas, aunque se requeriría una ruta de síntesis directa que conduzca a este isótopo y mediciones más precisas de sus propiedades de desintegración. [81]
Notas
^ El isótopo más estable del meitnerio no se puede determinar con base en los datos existentes debido a la incertidumbre que surge del bajo número de mediciones. La vida media de 278 Mt correspondiente a dos desviaciones estándar es, con base en los datos existentes,4.5+7,0 −2,6segundos [3] , mientras que la de 274 Mt es0,64+1,52 -0,46segundos [4] ; estas mediciones tienen intervalos de confianza superpuestos . También es posible que el 282 Mt no confirmado sea más estable que ambos, con una vida media de 67 segundos. [5]
^ En física nuclear , un elemento se denomina pesado si su número atómico es alto; el plomo (elemento 82) es un ejemplo de dicho elemento pesado. El término "elementos superpesados" se refiere típicamente a elementos con un número atómico mayor que 103 (aunque existen otras definiciones, como número atómico mayor que 100 [14] o 112 ; [15] a veces, el término se presenta como equivalente al término "transactínido", que pone un límite superior antes del comienzo de la serie hipotética de los superactínidos ). [16] Los términos "isótopos pesados" (de un elemento dado) y "núcleos pesados" significan lo que podría entenderse en el lenguaje común: isótopos de alta masa (para el elemento dado) y núcleos de alta masa, respectivamente.
^ En 2009, un equipo del JINR dirigido por Oganessian publicó los resultados de su intento de crear hassio en una reacción simétrica 136 Xe + 136 Xe. No lograron observar un solo átomo en dicha reacción, lo que puso el límite superior de la sección transversal, la medida de probabilidad de una reacción nuclear, en 2,5 pb . [17] En comparación, la reacción que resultó en el descubrimiento del hassio, 208 Pb + 58 Fe, tuvo una sección transversal de ~20 pb (más específicamente, 19+19 -11 pb), según lo estimado por los descubridores. [18]
^ La cantidad de energía aplicada a la partícula del haz para acelerarla también puede influir en el valor de la sección transversal. Por ejemplo, en el28 14Si +1 0norte →28 13Alabama +1 1pag reacción, la sección transversal cambia suavemente de 370 mb a 12,3 MeV a 160 mb a 18,3 MeV, con un pico amplio a 13,5 MeV con un valor máximo de 380 mb. [22]
^ Esta cifra también marca el límite superior generalmente aceptado para la vida útil de un núcleo compuesto. [27]
^ Esta separación se basa en que los núcleos resultantes se mueven más lentamente que los núcleos del haz que no reaccionaron frente al objetivo. El separador contiene campos eléctricos y magnéticos cuyos efectos sobre una partícula en movimiento se cancelan para una velocidad específica de una partícula. [29] Esta separación también puede verse facilitada por una medición del tiempo de vuelo y una medición de la energía de retroceso; una combinación de las dos puede permitir estimar la masa de un núcleo. [30]
^ No todos los modos de desintegración son causados por la repulsión electrostática. Por ejemplo, la desintegración beta es causada por la interacción débil . [37]
^ Ya en la década de 1960 se sabía que los estados fundamentales de los núcleos diferían en energía y forma, así como que ciertos números mágicos de nucleones correspondían a una mayor estabilidad de un núcleo. Sin embargo, se suponía que no existía estructura nuclear en los núcleos superpesados, ya que estaban demasiado deformados para formar una. [42]
^ Dado que la masa de un núcleo no se mide directamente, sino que se calcula a partir de la de otro núcleo, dicha medición se denomina indirecta. También son posibles las mediciones directas, pero en su mayor parte no han estado disponibles para los núcleos superpesados. [47] La primera medición directa de la masa de un núcleo superpesado se informó en 2018 en el LBNL. [48] La masa se determinó a partir de la ubicación de un núcleo después de la transferencia (la ubicación ayuda a determinar su trayectoria, que está vinculada a la relación masa-carga del núcleo, ya que la transferencia se realizó en presencia de un imán). [49]
^ Si la desintegración se produjo en el vacío, entonces, dado que el momento total de un sistema aislado antes y después de la desintegración debe conservarse , el núcleo hijo también recibiría una pequeña velocidad. La relación de las dos velocidades, y en consecuencia la relación de las energías cinéticas, sería inversa a la relación de las dos masas. La energía de desintegración es igual a la suma de la energía cinética conocida de la partícula alfa y la del núcleo hijo (una fracción exacta de la primera). [38] Los cálculos son válidos también para un experimento, pero la diferencia es que el núcleo no se mueve después de la desintegración porque está ligado al detector.
^ La fisión espontánea fue descubierta por el físico soviético Georgy Flerov , [50] un científico destacado del JINR, y por lo tanto era un "caballo de batalla" para la instalación. [51] Por el contrario, los científicos del LBL creían que la información sobre la fisión no era suficiente para afirmar la síntesis de un elemento. Creían que la fisión espontánea no había sido estudiada lo suficiente como para usarla para la identificación de un nuevo elemento, ya que existía la dificultad de establecer que un núcleo compuesto solo había expulsado neutrones y no partículas cargadas como protones o partículas alfa. [27] Por lo tanto, prefirieron vincular nuevos isótopos a los ya conocidos mediante desintegraciones alfa sucesivas. [50]
^ Por ejemplo, el elemento 102 fue identificado erróneamente en 1957 en el Instituto Nobel de Física en Estocolmo , Condado de Estocolmo , Suecia . [52] No hubo afirmaciones definitivas anteriores de la creación de este elemento, y el elemento recibió un nombre por sus descubridores suecos, estadounidenses y británicos, nobelio . Más tarde se demostró que la identificación era incorrecta. [53] El año siguiente, RL no pudo reproducir los resultados suecos y anunció en su lugar su síntesis del elemento; esa afirmación también fue refutada más tarde. [53] JINR insistió en que fueron los primeros en crear el elemento y sugirió un nombre propio para el nuevo elemento, joliotio ; [54] el nombre soviético tampoco fue aceptado (JINR más tarde se refirió a la denominación del elemento 102 como "apresurada"). [55] Este nombre fue propuesto a la IUPAC en una respuesta escrita a su decisión sobre la prioridad de las reclamaciones de descubrimiento de elementos, firmada el 29 de septiembre de 1992. [55] El nombre "nobelio" permaneció sin cambios debido a su uso generalizado. [56]
^ Distintas fuentes proporcionan distintos valores para las vidas medias; se enumeran los valores publicados más recientemente.
^ Este isótopo no está confirmado
^ En millones de dólares [73]
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