unidad 2 - estructuras cristalinas

Carrera: TECNICATURA UNIVERSITARIA EN MECATRÓNICA Asignatura: ESTUDIO Y ENSAYO DE MATERIALES Unidad nº 2

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ESTRUCTURAS CRISTALINAS

Estructura del átomo

Un átomo está compuesto por un núcleo rodeado por electrones (tienen carga negativa) que giran alrededor del núcleo. El núcleo a su vez está formado por neutrones (que tienen carga neutra) y protones (poseen carga positiva), por lo que la carga neta del núcleo es positiva. Los electrones con carga negativa orbitan alrededor del núcleo y se mantienen girando alrededor de él por causa de la fuerza de atracción electroestática. Estos electrones giran alrededor del núcleo en diferentes órbitas. En aquellas órbitas que se encuentran mas alejadas del núcleo, es decir en las capas exteriores, giran los llamados electrones de valencia. Éstos electrones son los que participan en los enlazamientos entre átomos y en las reacciones químicas. El número de valencia de un elemento nos indica el número de electrones que un átomo de ese elemento dispone en su última capa u órbita. Átomo en 2d Átomo en 3d

Enlaces Atómicos

Existen cuatro mecanismos importantes por medio de los cuales se enlazan los átomos en los materiales de ingeniería. Ellos son:

• ENLACE METÁLICO

• ENLACE COVALENTE

• ENLACE IÓNICO

• ENLACE POR FUERZAS DE VAN DER WAALS Los tres primeros enlaces son relativamente fuertes y se los conoce como enlaces primarios. Estos enlaces ocurren entre átomos adyacentes y resultan de la transferencia o compartición de electrones que se encuentran girando en las órbitas externas.


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Enlace METÁLICO Los átomos de los materiales metálicos poseen pocos electrones en su última capa (por lo general 1, 2 o 3). Estos átomos pierden fácilmente sus electrones (electrones de valencia), quedando entonces los átomos con una carga neta positiva. Los átomos con carga positiva se ordenan ahora en el espacio formando la red metálica. Los electrones de valencia desprendidos de los átomos forman una nube de electrones que puede desplazarse a través de toda la red. De este modo todo el conjunto de los átomos del metal, cargados positivamente, del metal quedan unidos mediante la nube de electrones con carga negativa que los envuelve. Es decir que la nube de electrones actúa como un “pegamento”. Debido a que los electrones que forman la nube no están fijos es que los metales son buenos conductores eléctricos y térmicos. Esto permite explicar la alta conductividad eléctrica y térmica. La ductilidad de un material se refiere a la habilidad que tenga de estirarse o flexionarse permanentemente sin romperse. Los metales muestran buena ductilidad debido a que los enlaces metálicos son NO direccionales.

Enlace COVALENTE Los materiales con enlaces covalentes se caracterizan por sen enlaces que se forman por medio de la compartición de los electrones de valencia de dos o más átomos. Cuando dos átomos se unen siempre cumplen con la llamada Regla del Octeto. REGLA DEL OCTETO “Todos los átomos de los elementos del sistema periódico tienden a completar sus últimos niveles de energía con una cantidad de ocho electrones” Son los electrones de la última capa los que tienden a completarse hasta ser un total de ocho electrones y para lograrlo compartirán sus electrones con otro átomo. Se enlazan covalentemente átomos de materiales no metálicos (elementos situados a la derecha de la tabla periódica: C, O, F, Cl, etc). Estos átomos tienen muchos electrones en su nivel más externo (electrones de

valencia) y tienen tendencia a ganar electrones más que a cederlos, para adquirir la estabilidad de la estructura electrónica de gas noble y cumplir con la regla del octeto. Por tanto, los átomos no metálicos no pueden cederse electrones entre sí para formar iones de signo opuesto. En este caso el enlace se forma al compartir un par de electrones entre los dos átomos, uno procedente de cada átomo. El par de electrones compartido es común a los dos átomos y los mantiene unidos, de manera


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que ambos adquieren la estructura electrónica de gas noble. Se forman así habitualmente moléculas: pequeños grupos de átomos unidos entre sí por enlaces covalentes. Por ejemplo, un átomo de SILICIO que tiene 4 electrones orbitando en su última capa, es decir que tiene valencia igual a 4, obtiene 8 electrones en su última órbita al compartir sus electrones con otros 4 átomos de SILICIO circundantes

Cada átomo de Si está enlazado con 4 átomos de Si vecinos por medio de 4 enlaces covalentes. Los átomos en un enlace COVALENTE, tienen una RELACIÓN FIJA DIRECCIONAL entre sí, esto quiere decir que los átomos forman entre cada uno de ellos, ángulos específicos. Los enlaces covalentes son muy fuertes.

Por esta razón los materiales enlazados de esta manera son muy resistentes y duros. Ejemplos de ello son el Diamante (C ), el Carburo de Silicio (Si C). También tienen muy alto punto de fusión por lo que se puede pensar que tendrán utilidad en aquellas aplicaciones que requieran resistir altas temperaturas, tales como altos hornos. Tienen ductilidad muy limitada, debido a sus enlaces direccionales. La conductividad eléctrica de los materiales con enlaces covalentes no es alta debido a que sus electrones de valencia están encerrados en los enlaces entre los átomos y no están disponibles fácilmente para la conducción. Trabajando con algunos de estos materiales como el Si, se puede lograr una conductividad eléctrica con el agregado de pequeños niveles de otros elementos conocidos como dopantes. Otro ejemplo de enlace covalente entre un átomo de Hidrógeno y otro de Cloro.


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Enlace IONICO Este enlace se produce cuando átomos de elementos metálicos (especialmente los situados más a la izquierda en la tabla periódica -períodos 1, 2 y 3) se encuentran con átomos no metálicos (los elementos situados a la derecha en la tabla periódica - especialmente los períodos 16 y 17). En este caso los átomos del metal ceden electrones a los átomos del no metal. De esta manera, ambos átomos tienen niveles de energía llenos o vacíos, pero han adquirido una eléctrica y se comportan como iones. Los átomos que cedieron electrones quedaron con una carga eléctrica positiva (+) y se llaman CATIONES, mientras que los que recibieron estos electrones quedan con una carga eléctrica negativa (-) y se llaman ANIONES. Los iones de cargas opuestas se atraen entre sí y se produce una fuerte unión dando lugar al enlace IONICO. ESTRUCTURAS CRISTALINAS Para poder comprender las propiedades de los materiales, y por lo tanto poder seleccionar el material idóneo para una aplicación específica, se hace necesario comprender la estructura de los materiales. La comprensión de los materiales se logra a través de modelos. Los modelos no son más que hipótesis o planteamientos teóricos que han sido demostrados y validados con experimentos y simulaciones, y que se aceptan como verdaderos mientras no se pueda demostrar lo contrario. Los modelos que se utilizan para comprender los fenómenos naturales han ido evolucionando y perfeccionándose con el tiempo, a medida que la tecnología ha permitido que los métodos experimentales sean mas elaborados facilitando la recolección de mas y mejores datos. El modelo sobre la estructura de los materiales que se acepta como válido en la actualidad consiste básicamente en lo siguiente: a) Los materiales están formados por átomos b) Se considera que los átomos se comportan como esferas sólidas c) Átomos de diferente naturaleza química se modelan como esferas de diferente tamaño


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d) Los átomos se enlazan entre sí para dar cohesión al material. Las características del enlace son diferentes dependiendo del material (metales: enlace metálico; cerámicos: enlace iónico; polímeros: enlace covalente). Tanto el enlace metálico como el iónico tienen naturaleza electroestática, lo cual significa que las fuerzas que mantienen unidos a los átomos son generadas por cargas eléctricas. Esto hace que el enlace que une a los átomos se comporte de manera elástica, es decir, al intentar separar los átomos el enlace que los une pueda estirarse como si se tratara de resortes. e) La forma como los átomos se agrupan no es aleatoria en todos los materiales. Se tienen tres posibilidades:

1) Los átomos se unen unos a otros sin seguir un orden o patrón definidos. La posición de cada átomo en el material es aleatoria. A los materiales que tienen estas características se los llama MATERIALES AMORFOS. Ejemplos de materiales amorfos: el vidrio, la cola y la mayoría de los plásticos.

2) Los átomos se unen entre sí siguiendo un patrón definido en todo el material, como si se tratara de

ladrillos colocados en una pared. El patrón de ordenamiento es repetitivo y regular, extendiéndose a todo el material. A los materiales que tienen esta característica se los llama MATERIALES CRISTALINOS. Ejemplos de materiales cristalinos: los metales, la mayoría de las cerámicas y los semiconductores.

3) Algunos materiales pueden tener partes cristalinas (átomos ordenados siguiendo un patrón) y

partes amorfas (átomos colocados de manera aleatoria). Dependiendo del tamaño de las zonas cristalinas, estos materiales pueden clasificarse como AMORFOS o SEMICRISTALINOS.

La estructura cristalina no es más que un concepto creado para describir la forma como están organizados los átomos en un material. Muchas de las propiedades de los materiales se explican a partir de la estructura cristalina que posea el material. Las estructuras cristalinas se estudian por medio de la difracción de rayos X. Los rayos X son un tipo de radiación similar a la de la luz visible, con la diferencia que su longitud de onda es menor. Esto permite a los rayos X pasar fácilmente entre los átomos del material (la luz visible tiene una longitud de onda tal que no “cabe” en esos espacios para la mayoría de los materiales). Al utilizar rayos X, parte de la radiación pasa entre los átomos y otra se refleja en ellos. Esto genera ciertos patrones de “sombras” que indican la forma como los átomos en encuentran ubicados en el material. Suponga que es posible tomar una foto de los átomos colocados en un material en estado sólido. La foto de los átomos sería similar al esquema que se muestra a continuación: En el centro de cada átomo se ha colocado una cruz. Esas cruces representan el lugar geométrico que define las posiciones de cada uno de los átomos que forman el material. A esas posiciones se las llama puntos de red. Los puntos de red pueden estar ocupados por átomos o pueden estar vacíos.


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No es necesario dibujar todos los átomos del material para representar su estructura cristalina. Para el ejemplo mostrado, es suficiente dibujar la posición de cuatro átomos para hacerse una idea muy clara de cómo están colocados el resto de los átomos. Cuatro puntos de red son suficientes para representar el ordenamiento de todos los átomos del material ilustrado: Al número más pequeño de puntos de red que representan el ordenamiento de todos los átomos del material se le llama celda unitaria. Para nuestro ejemplo, la celda unitaria está formada por cuatro puntos de red contenidos en el plano. Pero, los materiales reales son tridimensionales, por lo que las celdas unitarias que representan su estructura cristalina también son tridimensionales. Se considera que la estructura cristalina de un material está formada por un conjunto de celdas unitarias apiladas entres sí. Existen catorce tipos diferentes de celdas unitarias agrupadas en siete sistemas cristalinos, pero para los objetivos que se persiguen en este curso, bastará con estudiar el sistema cúbico y el hexagonal. SISTEMA CÚBICO Tal como su nombre lo indica, la celda unitaria que define al sistema cúbico es un cubo. A la arista del cubo (longitud de sus lados) se lo llama parámetro de red y es una propiedad de la celda unitaria. a0: parámetro de red Este parámetro se especifica siempre a temperatura ambiente, puesto que si se altera la temperatura, varía también el parámetro de red. El sistema cúbico posee tres estructuras cristalinas: 1) Estructura cúbica simple (CS) La celda unitaria es un cubo de arista a0. Tiene un punto de red definido en cada uno de sus vértices en dónde se ubica una molécula. 2) Estructura cúbica centrada en el cuerpo – BCC (Body Center Cubic) La celda unitaria es cubo de arista a0. Tiene un punto de red definido en cada uno de sus vértices y un punto de red definido en le centro geométrico del cubo.


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Celdas unitarias BCC: a) de posiciones atómicas, b) de esferas rígidas y c) aislada. 3) Estructura cúbica centrada en las caras – FCC (Face Center Cubic) La celda unitaria es un cubo de arista a0. Tiene un punto de red definido en cada uno de sus vértices y un punto de red definido en el centro geométrico de cada una de sus caras. Celdas unitarias FCC: a) de posiciones atómicas, b) de esferas rígidas y c) aislada. SISTEMA HEXAGONAL Estructura hexagonal compacta – HCP (Hexagonal Close Packing) La celda unitaria es un hexaedro de lado a0 y altura c. Estructura cristalina HCP: a) esquema de la estructura cristalina, b) modelo de esfera dura y c) esquema de celda unitaria aislada Las celdas unitarias tienen propiedades. Algunas de sus propiedades más relevantes son:


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a) Número de átomos por celda: Cada celda tiene asociada un número promedio de puntos de red. En la celda unitaria CUBICA SIMPLE, cada punto de red en los vértices es compartido por 8 celdas diferentes. Esto equivale a plantear que solamente 1/8 del átomo pertenece a una celda. Si hay ocho puntos de red (uno por vértice), entonces el número de átomos por celda para la estructura C.S. es: 1/8 * 8 = 1. Siguiendo el mismo razonamiento, se deduce que la estructura BCC tiene 2 átomos y la FCC tiene 4 átomos por celda. b) Factor de empaquetamiento atómico: Es la relación entre el volumen ocupado por los átomos de la celda unitaria y el volumen del cubo. c) Relación entre el radio atómico y la arista del cubo: Debido a la geometría de la ceda unitaria, existe una relación matemática entre el radio de los átomos que la componen y el parámetro de red. Para los átomos de la estructura BCC, los átomos se tocan entre sí a lo largo de la diagonal principal del cubo, mientras que en la FCC los átomos se tocan entre sí a lo largo de la diagonal de cada una de sus caras. d) Número de coordinación: Es el número de átomos que están en contacto con un átomo en particular del material. El número de coordinación puede interpretarse como el número de vecinos próximos que tiene cada átomo del material. e) Sitios intersticiales: Son los huecos que existen entre los átomos que forman la estructura cristalina y se originan debido a que los átomos son esféricos. Los sitios intersticiales pueden estar vacíos o pueden contener átomos más pequeños.

CS BCC FCC HCP

Nº átomos por celda 1 2 4

Factor de empaquetamiento 52% 68% 74% 74%

Relación entre el radio atómico y la arista del cubo

2r=a0 4r/√3 = a0 2r √2 = a0 2r=a0

Número de coordinación 6 8 12 12

Ejemplos de materiales Ni, Au; Ag, Pt, Cu, Al,

Fe(Ɣ)

V, Cr, Mo,W, Ti(β)

Fe(α)

Mg, Zn, Be Ti(α), Zr

POLIMORFISMO O ALOTROPÍA Muchos elementos y compuestos existen en más de una forma cristalina en diferentes condiciones de temperatura y presión. Este fenómeno se llama polimorfismo o alotropía. El término poliformismo se utiliza para los compuestos mientras que el de alotropía lo reservamos para los elementos puros. Muchos metales de importancia industrial como el hierro, titanio y cobalto sufren transformaciones alotrópicas a temperaturas elevadas y a presión atmosférica.

Formas cristalinas alotrópicas del hierro entre distintos rangos

de temperatura a presión atmosférica


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El hierro se presenta en estructuras cristalina BCC y FCC en el rango de temperatura que va desde la temperatura ambiente hasta la temperatura de fusión a 1 539°C, que se muestra en la figura 3 . 24. El hierro

alfa (a) existe desde −273 hasta 912°C y Uene una estructura cristalina BCC. El hierro gamma (g) existe

desde 912 hasta 1 394°C y tiene una estructura cristalina FCC.

El hierro delta (d) existe desde 1 394 hasta 1 539°C, que es la temperatura de fusión del hierro.

La estructura cristalina del hierro d es también BCC pero con una constante de red mayor que la del hierro

a.

DEFECTOS EN LAS ESTRUCTURAS CRISTALINAS El arreglo de los átomos o iones en los materiales de ingeniería contiene imperfecciones o defectos. Estos defectos tienen con frecuencia un profundo efecto sobre las propiedades de los materiales. Al material no se lo considera defectuoso desde un punto de vista tecnológico por la presencia de estas imperfecciones, por el contrario, en muchas aplicaciones, la existencia de tales imperfecciones suponen en la realidad una utilidad. Sin embargo, existen unas cuantas aplicaciones en donde se tratará de minimizar un tipo de defecto en particular. Por ejemplo, los defectos conocidos como dislocaciones son útiles para aumentar la resistencia de los metales y aleaciones, mientras que en el Silicio monocristalino, utilizado para la fabricación de componentes electrónicos, no es deseable la presencia de dichas dislocaciones. Con frecuencia, se pueden crear “defectos” de manera intencional para producir un conjunto de propiedades electrónicas, magnéticas, ópticas o mecánicas. Por ejemplo, el hiero puro es relativamente blando, aunque cuando se le adiciona una pequeña cantidad de carbono, se crean defectos en el arreglo cristalino del hierro y se transforma en un acero al carbono que presenta una resistencia mecánica considerablemente alta. Cuando se desea utilizar el cobre como conductor en microelectrónica, se utiliza la pureza mas alta disponible. Niveles pequeños de impurezas ocasionarían un incremento considerable en la resistividad eléctrica del cobre. Los límites de granos, son las regiones entre distintos granos de un material policristalino, representa un tipo de defecto. En los superconductores cerámicos, bajo ciertas condiciones, se puede conducir electricidad sin ninguna resistencia eléctrica. Pero se ha comprobado que la corriente eléctrica fluye muy bien dentro de los granos de un superconductor, pero al llegar a los límites de grano, existe una considerable resistencia al flujo de corriente de un grano a otro (a través del límite de grano). Por otro lado, la presencia de límites de grano ayuda a endurecer a los materiales metálicos. CLASIFICACIÓN DE LOS DEFECTOS DEFECTOS PUNTUALES Se dan a nivel de las posiciones individuales de los átomos. Los principales defectos puntuales son los siguientes:

a) VACANCIAS: son puntos de red vacíos en la estructura del material. Estos lugares deberían idealmente estar ocupados por átomos, sin embargo se encuentran vacíos.

b) ÁTOMOS SUSTITUCIONALES: En teoría, un material puro está formado exclusivamente por el mismo tipo de átomos. Los materiales reales nos son 100% puros sino que poseen impurezas, las cuales se definen como átomos diferentes a los átomos del material original. Cuando uno de esos átomos diferentes sustituye a un átomo original ocupando su punto de red, recibe el nombre de átomo sustitucional.

c) ÁTOMOS INTERSTICIALES: Son átomos que ocupan lugares que no están definidos en la estructura cristalina. En otras palabras, son átomos cuya posición no está definida por un punto de red.


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Normalmente estos átomos se colocan en los intersticios que se forman entre los átomos originales, por lo que se les llama átomos intersticiales.

DEFECTOS LINEALES Las dislocaciones son imperfecciones lineales en un cristal que de otra manera sería perfecto. Por lo general se introducen en un cristal durante la solidificación del material o cuando se lo deforma de manera permanente. Aunque las dislocaciones están presentes en todos los materiales, incluyendo las cerámicas y los polímeros, son particularmente útiles para explicar la deformación y el endurecimiento en los materiales metálicos. Se pueden identificar tres tipos de dislocaciones: Dislocación helicoidal Dislocación de arista Dislocación mixta

Dislocación helicoidal Puede ilustrarse cortando de manera parcial a través de un cristal perfecto y después torciendo el cristal en un espaciado atómico. Dislocación de arista


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Una dislocación de arista puede ilustrarse cortando de manera parcial a través de un cristal perfecto, separando el cristal, y llenando de manera parcial el corte con un medio plano adicional de átomos. Al introducir la dislocación, los átomos sobre la línea de dislocación se comprimen de manera estrecha, mientras que los átomos debajo de la dislocación se estiran. Dislocación mixta

Las dislocaciones mixtas tienen componentes de arista y helicoidales, con una región de transición entre ellas.

Movimiento de la dislocación

Consideremos la dislocación de arista mostrada en la figura (a). Cuando se aplica un esfuerzo cortante lo suficientemente grande, que actúe paralelamente a un cristal que contiene una dislocación, ésta puede moverse a través de un proceso conocido como deslizamiento. Los enlaces que atraviesan el plano del deslizamiento entre los átomos en la columna a la derecha de la dislocación se muestran como rotos. Los átomos en la columna a la derecha de la dislocación debajo del plano del deslizamiento se desplazan ligeramente por lo que establecen enlaces con los átomos de la dislocación de arista. De esta manera la dislocación se ha desplazado a la derecha (figura(b)). Si el proceso continúa, la dislocación se mueve a través del cristal hasta que se produce un escalón en el exterior del cristal. El cristal se ha deformado de manera plástica (o permanente). Este es el proceso fundamental que ocurre muchas veces a medida que se dobla un clip de papel con los dedos. La deformación plástica de los metales es principalmente el resultado de la propagación de las dislocaciones.


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Este proceso de rompimiento y reformación de enlaces de manera progresiva requiere mucho menos energía que la que requeriría para romper de manera instantánea todos los enlaces que atraviesan el plano de deslizamiento. El proceso de deslizamiento es importante para comprender el comportamiento mecánico de los metales. El deslizamiento explica la ductilidad de los metales. Si no se presentaran dislocaciones, una barra de acero sería quebradiza y el metal no podría moldearse por medio de los procesos metalúrgicos conocidos, tales como la forja, el estampado etc. Ademas, las propiedades mecánicas de un metal o aleación se controlan interfiriendo el movimiento de las dislocaciones. La introducción de un obstáculo en el cristal previene que una dislocación se deslice a menos que que apliquen fuerzas mayores. Por tanto, la presencia de dislocaciones ayuda a endurecer los materiales metálicos.

DEFECTOS SUPERFICIALES Son imperfecciones de la estructura cristalina que como su nombre lo indica, se encuentran localizadas en la superficie del material. Los principales defectos son la misma superficie y los llamados límites o bordes de grano. La superficie del material es un defecto de la estructura cristalina porque se rompe la simetría con que los átomos están enlazados. Los átomos que se encuentran en la superficie tienen enlaces químicos no completos, lo cual los hace más reactivos químicamente que el resto de los átomos. Estos enlaces químicos incompletos son los causantes de que algunos materiales se oxiden con facilidad cuando se exponen al medio ambiente. Enlaces incompletos en la superficie del material

Límites de grano Todos los materiales cristalinos están formados por granos (cristales). Una buena analogía para comprender esto consiste en considerar a los granos como los ladrillos de una pared. Cada ladrillo representaría a un grano del material. Así como al unir los ladrillos se forma la pared, al unir los granos se forma el material . Un grano es una porción del material dentro de la cual el arreglo de átomos es casi idéntico, pero la orientación del arreglo de átomos o estructura cristalina, es distinta para cada grano vecino. En la figura se muestran de manera esquemática 3 granos. La estructura cristalina es idéntica pero los granos están orientados de manera distinta.


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Un límite de grano, la superficie que separa los granos individuales, es una zona angosta en la que los átomos no están espaciados de manera apropiada. Los átomos están tan cercanos entre sí en algunas localizaciones en los límites de los granos que ocasionan una región de compresión y en otras áreas están tan alejados que ocasionan una región de tracción. Los límites de grano actúan como barreras para impedir el deslizamiento de las dislocaciones. Un método para controlar las propiedades del material es por medio del control del tamaño de grano. Al reducir el tamaño de grano, se incrementa el número de granos y por lo tanto aumenta la cantidad del área de los límites de grano. Cualquier dislocación solo se mueve una distancia corta antes de que se encuentre con un límite de grano y se incrementa entonces la resistencia del material metálico. DEFECTOS DE VOLUMEN Generalmente se trata de defectos de fabricación cuando se cuela el material. Los mismos pueden ser:

a) Poros b) Grietas c) Inclusiones de impurezas dentro del material

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