梁棟,付中玉,孫康,徐震
摘 ?要: 本文根據(jù)在旋轉(zhuǎn)電場的誘導(dǎo)下,懸浮于水溶液中的碳納米管可以借助于水偶極子方向能夠發(fā)生旋轉(zhuǎn)這一原理提出一種超高速、易組裝、摩擦力小的T型納米馬達(dá)轉(zhuǎn)子,并在納米馬達(dá)轉(zhuǎn)子的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出新型納米齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)。該納米齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)可應(yīng)用于全部為水溶液或者部分為水溶液的工作環(huán)境。通過Gromacs軟件仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn),調(diào)整旋轉(zhuǎn)電場轉(zhuǎn)速或者改變旋轉(zhuǎn)電場場強(qiáng)可以減小納米馬達(dá)轉(zhuǎn)子與水分子偶極之間的滯后角,使得納米馬達(dá)轉(zhuǎn)子在最短時(shí)間內(nèi)與旋轉(zhuǎn)電場步調(diào)保持一致。該模擬仿真結(jié)果對于納米齒輪的應(yīng)用以及復(fù)雜機(jī)構(gòu)納米旋轉(zhuǎn)設(shè)備的設(shè)計(jì)有著重要參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞: T-型馬達(dá);分子動(dòng)力學(xué);納米齒輪;旋轉(zhuǎn)電場;超高速設(shè)備
中圖分類號(hào): TP271+.3 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A ? ?DOI:10.3969/j.issn.1003-6970.2019.12.014
本文著錄格式:梁棟,付中玉,孫康,等. 水溶液中超高速納米齒輪的分子動(dòng)力學(xué)模擬[J]. 軟件,2019,40(12):6165
Molecular Dynamics Simulation of Ultra-high Speed Nanogear in Aqueous Solution
LIANG Dong, FU Zhong-yu, SUN Kang, XU Zhen*
(Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620)
【Abstract】: Based on the principle that carbon nanotubes suspended in aqueous solution can be rotated by the principle of water dipole, a T-type nanomotor with ultra-high speed, easy assembly and low friction is proposed. The new nanogear transmission system is designed on the basis of the nanomotor rotor. The nanogear transmission system can be applied to a working environment in which all are aqueous solutions or partially aqueous solutions. Through the simulation results of Gromacs software, it is found that adjusting the rotating electric field speed or changing the rotating electric field strength can reduce the lag angle between the nanomotor rotor and the water molecule dipole, so that the nanomotor rotor is consistent with the rotating electric field in the shortest time. The simulation results have important reference value for the application of nanogears and the design of nano-rotating equipment in complex mechanisms.
【Key words】: T-type motor; Molecular dynamics; Nanogear; Rotating electric field; Ultra-high speed devices
0 ?引言
由于納米尺度下的物質(zhì)表現(xiàn)出很多新穎甚至奇異的特性[1],使得納米器件的性能有別于宏觀器件。另外,納米齒輪[2-8]是納機(jī)電系統(tǒng)不可缺少的一部分,如納米機(jī)器人、分子汽車、納米水泵等[9-12]。因此,近些年來,納米齒輪已引起了許多領(lǐng)域?qū)W者的廣泛關(guān)注,成為熱門的研究課題。
宏觀機(jī)械齒輪在許多機(jī)械設(shè)備中主要用來產(chǎn)生和控制旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),例如鐘表、手表、變速箱、汽車、機(jī)器人等等。在微觀層面上,有兩種齒輪,分子齒輪和納米齒輪。分子齒輪是以分子中的單鍵作為旋轉(zhuǎn)軸,這樣的分子單鍵為分子齒輪的合成提供了設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),同時(shí)也為納米齒輪的研究提供了理論基礎(chǔ)。苯與C60的發(fā)現(xiàn)刺激人們產(chǎn)生納米齒輪的想法。碳納米管的高穩(wěn)定性以及豐富多樣的苯的衍生物使得人們有著非常濃厚的興趣研究納米齒輪。Md.Hasan等人[13]一種櫻花狀的納米齒輪。該設(shè)計(jì)是通過水熱反應(yīng)合成與/或型碳納米管,結(jié)合含有Ca2+離子的硝酸鹽溶液形成具有立方體或六邊形相位LaCo3OH晶體的納米齒輪結(jié)構(gòu)。Weng等人[14]發(fā)現(xiàn)乙醇和醋酸鎳形成的自組織微/納米結(jié)構(gòu)含有四邊形、六邊形、納米齒輪、納米顆粒、球體和異常結(jié)構(gòu),并根據(jù)定向的自我組織性質(zhì)首次提出使用火焰燃燒技術(shù)制作納米齒輪和輪胎。雖然在溶液中的納米齒輪已有一些成果,但是對于如何精準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)控制納米齒輪卻還沒有進(jìn)行詳細(xì)的描述。
近些年來,由于碳納米管的獨(dú)特特性[15-21],以碳納米管為基礎(chǔ)的納米齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)受到了人們的廣泛關(guān)注。Han等人[4]用碳納米管和苯環(huán)相結(jié)合設(shè)計(jì)出納米齒輪軸。該設(shè)計(jì)利用溫度驅(qū)動(dòng)齒輪和齒輪軸,并發(fā)現(xiàn)降低溫度或轉(zhuǎn)速可使失效齒輪恢復(fù)運(yùn)行,此設(shè)計(jì)對于納米齒輪系統(tǒng)的進(jìn)一步研究有著重要作用。根據(jù)Guo等人[22]研究的CNT定向機(jī)制,當(dāng)含有CNT的水溶液體系施加電場時(shí),CNT在水分子偶極的驅(qū)動(dòng)下迫使它的表面朝向電場,此成果為利用電場驅(qū)動(dòng)水中CNT馬達(dá)轉(zhuǎn)子的實(shí)現(xiàn)鋪平了道路。Rahman等人[6]根據(jù)在旋轉(zhuǎn)電場的誘導(dǎo)下,浸沒于水溶液中的碳納米管可以借助于水偶極子方向能夠發(fā)生旋轉(zhuǎn)這一原理設(shè)計(jì)出一種分子葉片螺旋槳以及用于驅(qū)動(dòng)外載荷的納米齒輪系統(tǒng),然而對于其他形狀的納米馬達(dá)齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)卻沒有進(jìn)行介紹。
本文將(10, 10)扶手型碳納米管組合成T型納米馬達(dá)轉(zhuǎn)子[23],并在T型馬達(dá)轉(zhuǎn)子的基礎(chǔ)上,將6個(gè)苯分子連接到翼CNT上作為納米齒輪的齒,兩個(gè)納米齒輪通過苯齒進(jìn)行機(jī)械耦合。該研究用分子動(dòng)力學(xué)的方法對水溶液中的納米齒輪體系進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬,探究納米齒輪的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角、周期的影響。本文的模擬結(jié)果對溶液中納米旋轉(zhuǎn)設(shè)備的設(shè)計(jì)有著重要的參考作用。
1 ?模型及數(shù)值方法
本文使用的物理模型如圖1所示,紅色部分表示納米馬達(dá)翼CNT;紫色部分表示固定CNT用于對納米馬達(dá)轉(zhuǎn)子的固定;藍(lán)色部分表示石墨烯板,主要用于將放置于水溶液中的納米馬達(dá)轉(zhuǎn)子與外部空間進(jìn)行隔開;青色部分表示苯環(huán)與碳納米管組合成的納米齒輪。本研究中我們選用7 nm×7 nm的石墨烯板作為納米馬達(dá)轉(zhuǎn)子的隔板,選擇長7 nm(10, 10)型的碳納米管作為中央CNT,并選用長度為0.71 nm手性為(6, 0)的碳納米管作為納米馬達(dá)旋轉(zhuǎn)軸的兩個(gè)“CNT翼”,我們在一些翼CNT上“安裝”苯環(huán)作為納米齒輪的齒,納米馬達(dá)的兩翼CNT保持在兩個(gè)長度為0.37 nm手性為(8, 8)的“固定碳納米管”內(nèi),這些固定的碳納米管可以對兩翼CNT旋轉(zhuǎn)起到支撐作用。在實(shí)際的環(huán)境中,固定CNT會(huì)連接到一些剛性支撐。
(a) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?(b)
圖1 ?(a)T型納米馬達(dá)轉(zhuǎn)子;(b)納米
齒輪系統(tǒng)原子結(jié)構(gòu)圖
Fig.1 ?(a) T-type nanomotor rotor; (b) Atomic
structure diagram of nanogear system
我們選定XY平面作為納米馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)平面,并且在X軸和Y軸分別構(gòu)建了一個(gè)正交變換的電場(當(dāng)兩個(gè)變換電場復(fù)合后可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)效果)。正交電場的函數(shù)表達(dá)式為:Ex=Et cos(ωt),Ey=Et sin(ωt)式中Ex,Ey表示復(fù)合計(jì)算后的場強(qiáng),Et表示初始設(shè)定的電場強(qiáng)度,ω表示正交電場變化的角速度,t表示正交電場變化的時(shí)間。實(shí)際中我們可以通過調(diào)整交流電的相位角,實(shí)現(xiàn)正交電場的構(gòu)建,此方法Fan等人[24,25]已經(jīng)使用。
此次模擬我們借助于Gromacs5.1.4軟件完成分子動(dòng)力學(xué)模擬[26-30],模擬所用的系綜是NVT,即保持原子數(shù)、體積和溫度不變,其中溫度由速度標(biāo)定法(V-rescale)控制在300 K左右。另外,模擬過程中使用Amber99sb-ildn力場和被認(rèn)為是不帶電的Lennard-Jones(LJ)碳原子顆粒相結(jié)合描述非鍵合相互作用勢,碳-碳之間使用的LJ參數(shù)為:σCC=0.34 nm,εCC=0.3664 kJ·mol–1。碳納米管和水分子之間的相互作用采用碳原子和氧原子之間的LJ勢能來進(jìn)行描述。碳-氧原子之間LJ參數(shù)為:σCO=0.3275 nm,εCO=0.4772 kJ·mol–1。在模擬計(jì)算中,LJ勢能采用截?cái)嗨惴?,其截?cái)喟霃綖? nm。與其他算法性比[29,31-38],原子之間采用靜電相互作用采用Particle-Mesh- Ewald(PME)算法得出結(jié)果的性能較好[39],其中短程作用的截?cái)喟霃綖? nm,并將時(shí)間步長為2 fs,數(shù)據(jù)采集頻率為每隔0.5 ps記錄一幀。
2 ?分析與討論
根據(jù)納米馬達(dá)在水溶液中的旋轉(zhuǎn)機(jī)理(在電場作用下,水分子的偶極子為使自身氫鍵最大化迫使CNT的表面朝著電場方向一致,從而使中央CNT轉(zhuǎn)子在水分子偶極驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)),因此我們繪制了當(dāng)旋轉(zhuǎn)電場強(qiáng)度為1 v/nm,速度為1.75×1011 rpm時(shí),T型納米馬達(dá)轉(zhuǎn)子周圍水分子在X、Y、Z方向上的平均偶極矩曲線(如圖2(a)所示)。在圖2(a)中可以看到,px與py相位差為90°,兩者隨時(shí)間變化的曲線滿足正余弦曲線變化規(guī)律,這與構(gòu)造的正交電場函數(shù)變化相一致。由于XY平面為旋轉(zhuǎn)平面,Z軸方向沒有旋轉(zhuǎn)電場作用,因此pz基本位于零值。在圖2(b)中可以看到,在0~2.5 ns的時(shí)間段內(nèi),納米電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角隨時(shí)間增大呈直線式上升,而在2.5~5 ns時(shí)間段內(nèi),當(dāng)不施加電場后,納米馬達(dá)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角也不再增大。此結(jié)果表明,所構(gòu)建的旋轉(zhuǎn)電場可以對水溶液中納米馬達(dá)轉(zhuǎn)子起到導(dǎo)向作用。
(a) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (b) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?(c)
圖2 ?(a)平均偶極強(qiáng)度隨時(shí)間的變化曲線;(b)T型納米馬達(dá)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角隨時(shí)間的變化曲線;
(c)T型納米馬達(dá)轉(zhuǎn)子周圍凈水偶極子轉(zhuǎn)角以及馬達(dá)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角隨時(shí)間的變化曲線
Fig.2 ?(a) Average dipole intensity versus time curve; (b) T-type nanomotor rotor angle versus time curve;
(c) T-type nanomotor rotor around the water dipole corner and motor rotor angle Curve of change over time
在圖2(c)中可以看到,當(dāng)旋轉(zhuǎn)電場強(qiáng)度為1 v/nm,速度為1.75×1011 rpm時(shí),T型納米馬達(dá)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角相對于馬達(dá)轉(zhuǎn)子周圍水分子偶極轉(zhuǎn)角滯后130°,該滯后角是由于施加電場后,水分子的偶極子為使自身氫鍵最大化,需要調(diào)整自身導(dǎo)向迫使CNT的表面朝著電場方向一致所形成。相關(guān)研究表明,對于足夠低的旋轉(zhuǎn)速度,CNT旋轉(zhuǎn)可能幾乎是同步的,而當(dāng)施加更高的速度(直到最大速度)時(shí),在水偶極子取向和CNT之間存在一定的滯后角度,二者是不同步的。因此我們可以通過改變旋轉(zhuǎn)電場的速度調(diào)整滯后角,實(shí)現(xiàn)二者轉(zhuǎn)速同步,提高納米電機(jī)效率。
通過圖3(a)可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)施加不同轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)電場時(shí),隨著旋轉(zhuǎn)電場的轉(zhuǎn)速增大,齒輪轉(zhuǎn)角曲線的波動(dòng)性更加明顯。這是因?yàn)楫?dāng)旋轉(zhuǎn)電場速度足夠低時(shí),CNT轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)可以跟旋轉(zhuǎn)電場步調(diào)保持一致,因?yàn)榧{米齒輪與CNT轉(zhuǎn)子同軸相連,所以納米齒輪與旋轉(zhuǎn)電場的轉(zhuǎn)角也可以保持同步,納米齒輪的轉(zhuǎn)角曲線不會(huì)產(chǎn)生太明顯的波動(dòng);當(dāng)旋轉(zhuǎn)電場速度太高,導(dǎo)致納米馬達(dá)轉(zhuǎn)子不能“鎖定”旋轉(zhuǎn)電場步調(diào),兩者之間就會(huì)存在一定的角度滯后,造成納米齒輪轉(zhuǎn)角曲線出現(xiàn)不同程度的波動(dòng)。通過當(dāng)旋轉(zhuǎn)電場強(qiáng)度為1 v/nm時(shí),納米齒輪速度隨電場轉(zhuǎn)速的變化曲線(如圖3(b))可以發(fā)現(xiàn),隨著旋轉(zhuǎn)電場轉(zhuǎn)速的增大,齒輪轉(zhuǎn)速先增大然后直至減小接近于零,此結(jié)果與Rahman等人[6]模擬的結(jié)果相一致。這是因?yàn)殡S著旋轉(zhuǎn)電場速度增大,納米馬達(dá)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)明顯的滯后效應(yīng)(滯后效應(yīng)表示納米齒輪在旋轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)向前向后運(yùn)動(dòng)),導(dǎo)致納米齒輪的旋轉(zhuǎn)周期變大。根據(jù)n=1/T(n為納米齒輪的轉(zhuǎn)速,T為納米齒輪的周期)可以知道,齒輪的周期越大,速度就會(huì)越小。所以,圖3(a)解釋了圖3(b)納米齒輪在旋轉(zhuǎn)電場的速度達(dá)到一定值之后,齒輪速度會(huì)呈現(xiàn)下降趨勢的原因。
通過在不同電場強(qiáng)度下,納米齒輪轉(zhuǎn)角隨時(shí)間變化曲線(如圖4(a)所示),當(dāng)旋轉(zhuǎn)電場強(qiáng)度為1 v/nm時(shí),納米齒輪的轉(zhuǎn)角曲線基本沒有太大的波動(dòng),納米齒輪可以鎖定旋轉(zhuǎn)電場的步調(diào),而當(dāng)電場強(qiáng)度為0.8 v/nm和0.7 v/nm時(shí),納米齒輪的旋轉(zhuǎn)曲線都出現(xiàn)不同程度的波動(dòng),納米齒輪出現(xiàn)滯后效應(yīng),不能跟上旋轉(zhuǎn)電場的步調(diào)。可以看出,隨著旋轉(zhuǎn)電場強(qiáng)度增大時(shí),納米齒輪轉(zhuǎn)角隨時(shí)間的變化曲線的波動(dòng)性逐漸變小。因此,對于特定轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)電場,可以通過調(diào)整旋轉(zhuǎn)電場的強(qiáng)度調(diào)整納米齒輪的轉(zhuǎn)角,實(shí)現(xiàn)對納米齒輪的控制。當(dāng)旋轉(zhuǎn)電場轉(zhuǎn)速為1.75×1011 rpm時(shí),在不同電場強(qiáng)度下納米齒輪速度隨電場強(qiáng)度的變化曲線(如圖4(b)),可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)特定旋轉(zhuǎn)電場轉(zhuǎn)速條件下,旋轉(zhuǎn)電場電場強(qiáng)度越小,納米齒輪的轉(zhuǎn)速越小。隨著旋轉(zhuǎn)電場強(qiáng)度的增大,納米齒輪轉(zhuǎn)速整體呈現(xiàn)增大趨勢。因此,當(dāng)旋轉(zhuǎn)電場轉(zhuǎn)速確定時(shí),可以通過調(diào)整旋轉(zhuǎn)電場的場強(qiáng)對納米旋轉(zhuǎn)齒輪進(jìn)行控制。另外,該研究結(jié)果對于水溶液中復(fù)雜結(jié)構(gòu)納米齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有著重要參考價(jià)值。
(a) (b) (a) (b)
圖3 ?(a)納米齒輪轉(zhuǎn)角隨時(shí)間的變化曲線;
(b)納米齒輪速度隨電場轉(zhuǎn)速的變化曲線
Fig.3 ?(a) The curve of the nano gear rotation
angle with time; (b) The curve of the
nano gear speed as a function of the electric field speed
圖4 ?(a)納米齒輪轉(zhuǎn)角隨時(shí)間變化曲線;
(b)納米齒輪速度隨電場強(qiáng)度的變化曲線
Fig.4 ?(a) Nanogear angle versus time curve;
(b) Nanogear speed as a function of electric field strength
為了更好地體現(xiàn)納米齒輪在一個(gè)周期內(nèi)的旋轉(zhuǎn)過程,我們選擇當(dāng)旋轉(zhuǎn)電場強(qiáng)度為1 v/nm,速度為1.75×1011 rpm時(shí),納米齒輪在一個(gè)周期內(nèi)不同時(shí)刻兩齒輪的嚙合狀況進(jìn)行截圖(主動(dòng)輪用紅藍(lán)(紅色和藍(lán)色)顏色進(jìn)行標(biāo)記,從動(dòng)輪用黃紫(黃色和紫色)顏色進(jìn)行標(biāo)記)(如圖5(a)所示)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)電場強(qiáng)度為1 v/nm時(shí),納米齒輪體系中馬達(dá)轉(zhuǎn)子與水溶液相互作用能隨旋轉(zhuǎn)電場速度的變化曲線(如圖5(b)所示),可以看出,納米齒輪體系中馬達(dá)轉(zhuǎn)子與水溶液之間的相互作用能隨著旋轉(zhuǎn)電場轉(zhuǎn)速的增大而增大。另外,當(dāng)旋轉(zhuǎn)電場轉(zhuǎn)速介于3×1010~2.5× 1011 rpm范圍內(nèi),相互作用能曲線的斜率大于在2.5×
1011~15×1012 rpm范圍內(nèi)相互作用能變化曲線斜率,說明在3×1010~2.5×1011 rpm范圍內(nèi),旋轉(zhuǎn)電場速度對納米齒輪體系中納米馬達(dá)轉(zhuǎn)子與水溶液相互作用能變化產(chǎn)生較大影響。圖5(c)表示當(dāng)旋轉(zhuǎn)電場速度為1.75×1011 rpm時(shí),納米齒輪系統(tǒng)中馬達(dá)轉(zhuǎn)子與水溶液相互作用能隨旋轉(zhuǎn)電場場強(qiáng)的變化曲線??梢钥闯鎏囟ㄐD(zhuǎn)電場轉(zhuǎn)速條件下,納米齒輪體系中納米馬達(dá)轉(zhuǎn)子與水溶液相互作用能隨著旋轉(zhuǎn)電場場強(qiáng)的增大而增大。根據(jù)Guo等人[22]和Winarto等人[27]的研究結(jié)果可以知道,較強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)電場可以使得納米馬達(dá)周圍的水分子出現(xiàn)較高程度取向。因此,當(dāng)設(shè)計(jì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的納米齒輪旋轉(zhuǎn)設(shè)備時(shí),可以通過調(diào)整旋轉(zhuǎn)電場轉(zhuǎn)速使得納米馬達(dá)周圍的水分子偶極矩方向在較短時(shí)間可以與旋轉(zhuǎn)電場方向相一致,另外,也可以通過改變旋轉(zhuǎn)電場場強(qiáng)的大小調(diào)整納米馬達(dá)周圍的水分子偶極矩定向時(shí)間。
(a) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?(b) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?(c)
圖5 ?(a)納米齒輪的不同時(shí)刻位置截圖;(b)相互作用能隨電場速度的變化曲線;(c)相互作用能隨電場場強(qiáng)的變化曲線
Fig.5 (a) Screenshot of the different moment positions of the nano gear; (b) The curve of the interaction energy
with the electric field velocity; (c) The curve of the interaction energy with the electric field strength
3 ?結(jié)論
本文所提出的超高速T型納米馬達(dá)的工作環(huán)境可全部為水溶液,也可以部分為水溶液,擴(kuò)大了納米齒輪體系使用范圍,而且還具有超高速、易組裝、摩擦力小等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)納米齒輪體系的分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn),可以通過改變旋轉(zhuǎn)電場場強(qiáng)大小以及旋轉(zhuǎn)電場轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)對納米齒輪的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制,使得納米齒輪在旋轉(zhuǎn)過程中可以與旋轉(zhuǎn)電場的步調(diào)保持一致,從而提高納米齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的工作效率。
通過對納米齒輪體系的進(jìn)一步研究,加深了我們對水-碳納米管體系的進(jìn)一步理解,這些發(fā)現(xiàn)可以幫助我們更好的實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜結(jié)構(gòu)納米齒輪體系進(jìn)行精準(zhǔn)控制,同時(shí)也可以在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出新型的納米流體機(jī)器、納米汽車等等。
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