TR 100 Nanotechnologie

Nanotech – die Wissenschaft vom Aufbau und der Manipulation von Strukturen auf molekularer Ebene – verspricht neue Perspektiven und unerwartete Lösungen für eine Vielzahl bestehender Probleme in Halbleitern, Optik, Sensorik und Biotechnologie. Viele der diesjährigen TR100-Preisträger, die entschlossen sind, neue Durchbrüche zu erzielen, wenden sich der Nanotechnologie zu, um ein beispielloses Maß an Präzision, Kontrolle und Flexibilität bei der Entwicklung neuer Materialien und Geräte zu erreichen. Die von dieser Elitegruppe erfundenen Nanomaterialien versprechen alles von schnellerer und kleinerer Elektronik bis hin zu effektiveren und zielgerichteten Therapien. Wenn man die Nanolängenskala erreicht, kann man einzigartige Eigenschaften erhalten, sagt Yi Cui von der University of California, Berkeley. Die Nanotech+-Kategorie des TR100 umfasst ein breites Spektrum an Innovationen und Forschungen in den Bereichen Materialwissenschaft und Energie. Aber in der Größenordnung der Ultrakleinen leisten viele der diesjährigen TR100 ihren größten Beitrag.

Ein Großteil der Aktion liegt in der Biomedizin. Denn Nanomaterialien haben genau die richtige Größe, um mit wichtigen biologischen Akteuren wie Proteinen, DNA-Molekülen und Viren zu interagieren. Die Anwendung von Nanotechnologie auf biomedizinische Probleme ist eine natürliche Ergänzung, sagt Darrell Irvine , Professor für Biomedizintechnik am MIT.

Irvine trägt dazu bei, bessere Impfstoffe gegen Krankheiten wie Malaria und Krebs zu entwickeln, indem es Nanopartikel aus einem synthetischen Polymer entwickelt. Die Nanopartikel, die spezifische stimulierende Moleküle und Antigene tragen, werden von Immunzellen aufgenommen und lösen eine Immunantwort aus. Aufgrund ihrer geringen Größe können die Nanopartikel die Moleküle mit hoher Präzision an bestimmte Rezeptoren im Zellinneren abgeben. Das bedeutet eine bessere Kontrolle der Stärke und Art der resultierenden Immunantwort, was zu wirksameren Impfstoffen führen sollte. Irvine hat vor kurzem damit begonnen, mit medizinischen Forschern der Harvard University zusammenzuarbeiten, um Materialien zu untersuchen, die zur Verabreichung eines HIV-Impfstoffs verwendet werden könnten.



Albena Ivanisevic , ein Chemieprofessor an der Purdue University, setzt eine Technik namens Dip-Pen-Nanolithographie ein, um ein zentrales Problem für Gewebeingenieure zu lösen, die geschädigte Körperteile reparieren wollen: die Kontrolle des präzisen Wachstums von Zellen an bestimmten Stellen. Ivanisevic beschichtet mikroskopische Spitzen mit zellnährenden Peptidmolekülen; die Spitzen lagern dann die Peptide auf einer Oberfläche ab. Die Fähigkeit, diese Peptidmoleküle mit nanoskaliger Präzision anzuordnen, gibt Ivanisevic eine bessere Kontrolle darüber, wie und wo Zellen auf der Oberfläche wachsen – und letztendlich neues Gewebe für den Körper bilden.

Nanotech eröffnet auch denjenigen, die daran arbeiten, Licht effektiver zu nutzen oder zu manipulieren, neue Möglichkeiten. Wie jeder, der schon einmal eine Glühbirne wechseln musste, vermuten könnte, basiert die konventionelle Glühlampe auf einer 150 Jahre alten Technologie, und Forscher suchen eifrig nach neuen Wegen, um die Lebensdauer von Leuchtmaterialien zu verlängern und die Effizienz zu steigern. Eines der beliebtesten Spielzeuge der Forscher auf diesem Gebiet sind Quantenpunkte – Nanopartikel aus Halbleitermaterial, die je nach Größe unterschiedliche Lichtfarben abgeben. Und Vladimir Bulovic , Professor für Elektrotechnik am MIT, verwendet diese robusten, bunten Nanopunkte, um die Glühbirne neu zu erfinden. Aus Quantenpunkten hat Bulovic neuartige Leuchtdioden gebaut, die sich in flexible Materialien wie Kunststoff einarbeiten lassen und deutlich länger halten sollen als herkömmliche Glühbirnen. Während andere, darunter Bulovic selbst, bereits organische Leuchtdioden entwickelt haben, können laut Bulovic Quantenpunkte ihre effektive Lebensdauer verlängern und sie breiter einsetzbar machen. Er hofft, in den nächsten ein bis zwei Jahren ein hocheffizientes und langlebiges lichtemittierendes flexibles Material herstellen zu können.

Marcel Bruchez , leitender Produktentwicklungswissenschaftler bei Quantum Dot in Hayward, CA, setzt die leuchtenden Nanopartikel ebenfalls ein, jedoch für die biologische Bildgebung und die Entwicklung von Diagnostika. Quantenpunkte emittieren Licht viel länger als herkömmliche Farbstoffe, die verwendet werden, um die Aktivität in lebenden Zellen zu verfolgen, und ihre unterschiedlichen Farben bedeuten, dass Forscher mehrere Ereignisse gleichzeitig abbilden und einen besseren Einblick in das Innenleben von Zellen gewinnen können. Der Vorteil der Arbeit mit Nanomaterialien liegt für Bruchez darin, dass sie ganz neue Denkansätze für Probleme eröffnen. Es gibt Ihnen eine größere Flexibilität bei der Bearbeitung der Materialien und deren Platzierung, sagt Bruchez.

Auch Elektronikforscher auf der Suche nach immer kleineren und schnelleren Schaltungen machen mit Hilfe der Nanotechnologie Fortschritte. Die Siliziumindustrie befindet sich bereits im Nanoregime, weist darauf hin Kinneret Keren, ein Forscher an der Stanford University. Jetzt versuchen sie mehr für das molekulare Regime. Das bedeutet, Moleküle wie Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu verwenden, um elektrische Schaltkreise der nächsten Generation zu bauen. Während andere Forscher bereits Transistoren aus einzelnen halbleitenden Nanoröhren hergestellt haben, beschloss Keren, sich mit dem Herstellungsprozess solcher Transistoren zu befassen. Ihr Trick bestand darin, komplementäre DNA-Stücke an einer Nanoröhre und an einem Siliziumwafer zu befestigen; Da die beiden DNA-Stücke auf natürliche Weise aneinander gebunden sind, haben sie die Nanoröhre und den Wafer zusammengebracht, um einen Transistor herzustellen. Während Kerens Prozess eine Laborleistung bleibt, könnte er schließlich eine neue Methode zur effizienten Herstellung winziger Schaltkreise bieten, bei denen jeder Transistor ein einzelnes Molekül ist.

Während Forscher wie Keren Biomoleküle rekrutieren, um bei der Herstellung von Elektronik zu helfen, Mayank Bulsara bleibt beim traditionellen Silizium – aber manipuliert es auf neue Weise. Bulsara, Mitbegründer und Chief Technology Officer von AmberWave Systems in Salem, NH, entwickelt eine neue Form von Silizium, die verspricht, Computerchips um 20 Prozent schneller zu machen und gleichzeitig den Stromverbrauch um 30 bis 40 Prozent zu senken. Der Schlüssel sei, einen Siliziumkristall zu dehnen, indem man seine Atome nur wenige Tausendstel Nanometer auseinanderzieht – wie ein Gummiband, sagt Bulsara. Diese Dehnung verändert die Eigenschaften des Materials, sodass die durch das Material rasenden Elektronen weniger wahrscheinlich mit Siliziumatomen kollidieren, streuen und sich verlangsamen. Bulsara hofft, bis Ende nächsten Jahres Chips mit dem gestreckten Silizium in größeren Mengen auf den Markt bringen zu können.

monoklonale Antikörper aus fetalen Stammzellen

Die diesjährigen TR100 fangen gerade erst an, die Ergebnisse der Streifzüge der Nanotechnologie in aufregende neue Gebiete zu demonstrieren, aber ihre Arbeit in die reale Welt zu bringen, wirft ihre eigenen Probleme auf. Die größte Herausforderung besteht darin, Nanomaterialien auf ausreichend großen Flächen herzustellen, sagt Bulovic. Aber wenn diese Herausforderung endlich gemeistert ist, wundern Sie sich nicht, wenn die aufstrebenden Stars, über die Sie auf den nächsten Seiten lesen werden, zu denen gehören, die den Weg weisen.

TR100-Startups in Nanotech+

Innovator

Firmengründung/Mitgründung

Technologie/Meilensteine

Marcel Bruchez

Quantenpunkt (Hayward, CA)

Fluoreszierende Nanokristalle aus Halbleitermaterial für die biologische Markierung und Diagnostik; mehr als 1.000 Kunden

Mayank Bulsara

AmberWave-Systeme (Salem, NH)

Verspanntes Silizium für schnellere, weniger stromhungrige Halbleiter-basierte Geräte; Produkte, die diese Technologie enthalten, könnten bis Ende 2005 allgemein verfügbar sein

Leroy Ohlsen

Neah Power Systems (Bothell, WA)

Brennstoffzellen auf Siliziumbasis für Laptops und andere tragbare elektronische Geräte; erstes Produkt könnte 2006 auf den Markt kommen

Nanotech-Profile

Marcel Bruchez
Alter: 31 | Mitgründer und leitender Wissenschaftler | Quantenpunkt
Vor sechs Jahren zeigte Marcel Bruchez, damals Doktorand an der University of California, Berkeley, dass sich Quantenpunkte – glühende Nanometer große Partikel – verwenden lassen, um Proteine ​​in Zellen zu markieren. Innerhalb weniger Monate war Bruchez Mitbegründer von Quantum Dot, um das neue Bildgebungswerkzeug Biologen und Medikamentenentwicklern zu vermarkten, die ein detaillierteres Bild molekularer Ereignisse suchen. Es sei eine der ersten kommerziellen Anwendungen der Nanotechnologie, sagt Bruchez.

Yi Cui
Alter: 28 | Wissenschaftlicher Mitarbeiter | Universität von Kalifornien, Berkeley
Während einige Nanotechnologie-Forscher die Grundbausteine ​​neuer Materialien schaffen, spielen andere, wie Yi Cui, eine ebenso wichtige Rolle beim Zusammenfügen dieser Blöcke und beim Unterneh- men der nächsten Schritte in Richtung praktischer Anwendung. Cuis Fähigkeit, den Zusammenbau von Nanobausteinen genau zu kontrollieren, hat zu neuen Geräten geführt, die in Chips zur Krebsvorsorge, Quantencomputern und Solarzellen enden können.

Als Chemie-Doktorand an der Harvard University leistete Cui Pionierarbeit an Nanodrähten, indem er eine Kombination aus Lasern und chemischen Dämpfen verwendete, um Silizium zu dämpfen, um winzige Drähte zu bilden, die nicht nur Elektronen leiteten, sondern auch einen Strom wie ein Transistor aus- und einschalten konnten. Cui stellte sogar Nanodrähte her, deren Schaltvorgang von der Anwesenheit bestimmter Proteine ​​abhing, sodass sie als hochempfindliche Biosensoren bei Tests auf frühe Anzeichen von Prostatakrebs dienen könnten.

In Berkeley hat Cui die Kunst des Bauens funktionaler Geräte im Nanomaßstab weiter gemeistert. Zuletzt hat er Wege gefunden, neuartige Nanobausteine, sogenannte Nanotetrapoden, präzise miteinander zu verknüpfen – wenige Nanometer breite Materialpunkte mit jeweils vier Nanostäbchen, die in verschiedene Richtungen ausstrahlen. Während andere Forscher bereits Nanotetrapoden hergestellt haben, kann Cui viele von ihnen miteinander verbinden, um ein Netz von Schaltkreisen zu bilden und ihre elektrischen Eigenschaften genau zu steuern. Wir können die Nanotetrapoden dazu bringen, sich selbst zu einem beliebigen Muster zu organisieren, einschließlich Transistoren, sagt Cui. Aufgrund ihrer geringen Größe könnten diese Schaltungen theoretisch um ein Vielfaches schneller sein als die Schaltungen heutiger Computerchips.

Durch die Anordnung von Nanotetrapoden in verzweigten Netzwerken hat Cui sie von einem Rohstoff in etwas verwandelt, das in echte Geräte wie Solarzellen eingebaut werden könnte. Und weil die Nanotetrapoden klein genug sind, um die Anwesenheit einzelner Elektronen zu registrieren, könnten sie sich sogar die seltsamen Quanteneigenschaften subatomarer Teilchen zunutze machen und die Grundlage für neue Arten von Computern bilden, die tausendmal schneller arbeiten werden als die schnellsten Maschinen von heute. Obwohl diese Anwendung noch viele Jahre dauert, hat Cui bereits die Möglichkeit aufgezeigt, neue Strukturen mit den Grundzutaten der Nanotechnologie zu bauen.

Leroy Ohlsen
Alter: 30 | Gründer und Chief Technology Officer | Neah Power Systems
Brennstoffzellen, die mit Methanol betrieben werden, können Handys und Laptops mit Strom versorgen, aber sie sind teuer und nicht sehr leistungsstark. Leroy Ohlsen, Gründer von Neah Power Systems in Bothell, WA, ersetzte die Kunststoffmembranen der Zellen, die dem Methanol Elektronen entziehen, um Elektrizität zu erzeugen, durch poröses Silizium. Das Silizium verschafft uns nicht nur mehr Leistung, sagt Ohlsen, sondern könnte auch die Herstellungskosten senken. Erwarten Sie die ersten Brennstoffzellen des Unternehmens im Jahr 2006.

Molly Stevens
Alter: 30 | Dozent | Imperial College London
Die Materialwissenschaftlerin Molly Stevens glaubt, dass biologische Systeme nichts übertreffen, wenn es darum geht, Veränderungen in der Umwelt zu erkennen. Aus diesem Grund wendet sie sich biologischen Molekülen zu, um intelligente Nanomaterialien zu entwickeln, die zu neuen implantierbaren Sensor- und Medikamentenabgabegeräten führen könnten.

Solche Geräte würden schnell physiologische Veränderungen im Körper erkennen, wie beispielsweise einen Anstieg des Cholesterinspiegels, und darauf reagieren, indem sie die geeignete Dosis eines gelagerten Arzneimittels freisetzen. Das ist zumindest die Vision. Um dies zu realisieren, sind jedoch neuartige Materialien erforderlich, die sich unter verschiedenen chemischen Bedingungen unterschiedlich verhalten.

Stevens hat kürzlich gezeigt, dass sie das Verhalten von Goldnanopartikeln steuern kann, indem sie den pH-Wert der Lösung ändert, in der sie suspendiert sind. Sie befestigte die Partikel an speziell entwickelten Peptidmolekülen, die unter den richtigen pH-Bedingungen miteinander interagieren, um die Partikel zu einer organisierten Struktur zusammenzuziehen. Eine pH-Änderung verändert die Form der Peptide, sodass sie sich gegenseitig abstoßen und die Partikel dispergieren. Wir nehmen das Beste aus der Kreativität der Natur und nutzen es für uns selbst, sagt Stevens.

Das Experiment zeigt, dass es möglich ist, Materialien herzustellen, die sich als Reaktion auf chemische Veränderungen im Körper automatisch umformen. Ein solches Material könnte implantierbare Arzneimittelabgabevorrichtungen ergeben, die als ihre eigenen biologischen Sensoren fungieren.

Stevens nutzt die Vielseitigkeit von Peptiden für die nächste Stufe ihrer Arbeit. Jetzt entwickelt sie die Peptide so, dass sie ihre Form auf subtilere und vielfältigere Weise ändern. Eine unter Verwendung solcher Peptide hergestellte Arzneimittelabgabevorrichtung wäre empfindlicher gegenüber physiologischen Veränderungen und könnte mehr Kontrolle über eine Vielzahl verschiedener Arzneimitteldosierungen bieten. Wenn ihr neues Projekt erfolgreich ist, wird Stevens eine entscheidende Rolle dabei gespielt haben, nicht nur Nanomaterialien, sondern auch die Wirkstoffabgabe weitaus intelligenter zu machen.

Vladimir Bulovic
Alter: 34
Associate professor, MIT
Verwendet organische und nanostrukturierte Halbleiter in Geräten wie Leuchtdioden, Lasern, Fotodetektoren und chemischen Sensoren. Startup-Unternehmen haben viele seiner 30 US-Patente lizenziert.

Mayank Bulsara
Alter: 32
Mitbegründer und Chief Technology Officer, AmberWave Systems
Mitbegründer von Salem, NH-basiertem AmberWave, um verspanntes Silizium zu entwickeln, eine fortschrittliche Form von Silizium, die Computerchips schneller laufen lässt und weniger Strom verbraucht.

Dustin Carr
Alter: 34
Leitender technischer Mitarbeiter, Sandia National Laboratories
Erstellt nanoskalige Siliziumgeräte, die Bewegungen im subatomaren Maßstab erkennen können. Die Nanodetektoren könnten beispielsweise in ultrapräzisen Beschleunigungsmessern für die Flugzeugnavigation eingesetzt werden.

Martin Culpepper
Alter: 32
Assistenzprofessor, MIT
Baut die Maschinen, die benötigt werden, um eine hochwertige und kostengünstige Nanofabrikation zu verwirklichen. Seine Nanomanipulatoren sind flexibler und bieten eine höhere Leistung als bestehende Versionen – zu einem Zwanzigstel der Kosten.

Die Freude von Delmau
Alter: 33
Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Oak Ridge National Laboratory
Hat zur Lösung grundlegender Probleme bei der Behandlung nuklearer Abfälle beigetragen, die zu einem wirtschaftlichen Verfahren zur Reinigung von mehr als 100.000 Kubikmeter radioaktiven Abfällen am Standort Savannah River in South Carolina geführt haben, der die US-amerikanischen Nuklearbestände verwaltet.

Martha Gärtner
Alter: 33
Statistiker, General Electric
Erstellung statistischer Modelle und Konstruktionssoftware, um die Materialentwicklung effizienter zu gestalten. Mit ihren Methoden haben Ingenieure die Produktentwicklungszeit um 90 Prozent verkürzt.

Verena Graf
Alter: 32
Ingenieur, DaimlerChrysler
Entwickelt Brennstoffzellen, die praktisch für den Autoantrieb sind: Sie sind robust, starten schnell und haben eine hervorragende Leistungsdichte bei jedem Wetter.

Yu Han
Alter: 27
Postdoc, Institute of Bioengineering and Nanotechnology (Singapur)
Synthetisierte nanoskalige Partikel mit winzigen, genau definierten Poren. Seine Materialien können für die kontrollierte Verabreichung von Medikamenten oder für die Gentherapie verwendet werden.

Stefan Hecht
Alter: 30
Assistant professor, Freie Universität Berlin
Entwickelte eine neue Klasse von Polymernanoröhren und anderen molekularen Bausteinen. Diese neuartigen Materialien haben potenzielle Anwendungen bei der Herstellung von elektronischen Geräten in Nanogröße.

Darrell Irvine
Alter: 31
Assistenzprofessor, MIT
Stellt Nanopartikel her, die Chemikalien im Körper freisetzen, um Immunzellen so zu programmieren, dass sie Virusinfektionen wie HIV bekämpfen, Transplantationen tolerieren oder sogar bösartige Tumore zerstören.

Rustem Ismagilov
Alter: 31
Assistenzprofessor, University of Chicago
Entwickelt Mikrofluidik-Technologien, die mithilfe winziger Tröpfchen die Funktion und Struktur von Proteinen charakterisieren und komplexe biochemische Prozesse modellieren. Die mikrofluidischen Modelle sollen Erkenntnisse liefern, die für die Wirkstoffforschung und das Design medizinischer Geräte relevant sind.

Albena Ivanisevic
Alter: 29
Assistenzprofessor, Purdue University
Verwendet mikroskopische Spitzen, um präzise Muster von Peptiden direkt auf Gewebe im Körper aufzutragen. Ihre Technik, die sie an Schweineaugen testet, könnte helfen, Blindheit zu behandeln oder sogar zu heilen.

Ravi Kane
Alter: 32
Assistenzprofessor, Rensselaer Polytechnic Institute
Erstellt eine hochwirksame Milzbrandbehandlung, bei der jedes Wirkstoffmolekül mehrere Toxinmoleküle blockiert und nicht nur eines. Er erweitert das Konzept auf Anti-HIV-Therapien.

Kinneret Keren
Alter: 32
Postdoctoral Fellow, Stanford University Medical School
Nutzt die auf Biologie basierende Selbstorganisation, um molekulare Elektronik aufzubauen. Sie schuf ein selbstorganisiertes molekular-elektronisches Gerät – einen Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Transistor – unter Verwendung einer DNA-Vorlage.

Jamie Link
Alter: 26
Doktorand, University of California, San Diego
Optische Strichcodes in mikrometergroße Siliziumstücke geätzt. Sie hofft, mit der Technologie Schadstoffe im Wasser oder Krebszellen im Körper nachweisen zu können.

Yueh-Lin (Lynn) Loo
Alter: 30
Assistenzprofessor, University of Texas at Austin
Erfand den Nanotransferdruck, eine umweltfreundliche Technik zur Strukturierung von Strukturen im Nanobereich auf organischer Elektronik und Kunststoffschaltkreisen. Dieses Nanostrukturierungsschema könnte verwendet werden, um großflächige flexible Displays und billige Solarzellen herzustellen, und es könnte neue medizinische Therapien und Diagnosen ermöglichen.

Tyler McQuade
Alter: 33
Assistenzprofessor, Cornell University
Erstellt Katalysatoren, um die Anzahl der Schritte zu reduzieren, die zur Synthese von Medikamenten erforderlich sind, und verringert umweltschädliche Nebenprodukte. Er hofft, dass ein System die Herstellung von Prozac, einem meistverkauften Antidepressivum, von vier auf nur einen Schritt machen wird.

Teri Odom
Alter: 30
AssistenzprofessorIn,
Nordwestliche Universität
Gemustertes Silizium, um winzige Becher zu erzeugen, die nur Zekloliter enthalten (die Silizium-Nanowells haben einen Durchmesser von nur 50 Nanometern), ideal für das Züchten einzelner Nanopartikel von spezifischer und einheitlicher Größe. Diese Ultrapräzision ermöglicht es, Partikel auf spezielle Anwendungen zuzuschneiden – beispielsweise für hochempfindliche chemische Sensoren.

Erik Scher
Alter: 28
Forschungs- und Entwicklungswissenschaftler, Nanosys
Arbeitet an anorganischen Halbleiter-Nanomaterialien, die in Palo Alto, Kalifornien, Nanosys helfen, kostengünstige, flexible Solarzellen zu entwickeln. Der Partner von Nanosys, Matsushita, plant, die Nanosolarzellen in Baumaterialien einzubauen.

werden Leute geklont?

Michael Seltsam
Alter: 28
Assistenzprofessor, University of Illinois, Urbana-Champaign
Angekommen zu einem neuen Verständnis der Oberflächenchemie von Kohlenstoffnanoröhren, das es ermöglicht, Kohlenstoffnanoröhren nach ihren halbleitenden, metallischen oder isolierenden Eigenschaften zu sortieren. Damit wird die große Hürde durchbrochen, die die Verwendung von Nanoröhren in Geräten verhindert hat.

William Taylor
Alter: 32
Direktor für Technik, ArvinMeritor
Leitet die Bemühungen um die Kommerzialisierung des Plasmatrons an, einem Gerät zur Schadstoffbegrenzung, das Dieselkraftstoff in Wasserstoff umwandelt und die Stickoxidemissionen um bis zu 90 Prozent senkt.

Tsuyoshi Yamamoto
Alter: 31
Forscher, NEC
Demonstrierte das allererste Zwei-Qubit-Logikgatter in einem Festkörperbauelement, ein entscheidender Fortschritt für den Bau eines ultraschnellen Quantencomputers.

Shu Yang
Alter: 33
Assistenzprofessor, University of Pennsylvania
Entwickelt intelligente photonische Geräte für blitzschnelle Computer und Kommunikationsnetzwerke. Während ihrer Zeit bei Bell Labs hat sie eine flüssige Mikrolinse mitentwickelt, die in Millisekunden elektronisch fokussiert werden kann, um Lichtsignale in Glasfasern zu lenken.

Yuankai Zheng
Alter: 34
Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Data Storage Institute (Singapur)
Vereinfachte Herstellung von magnetischem RAM, wodurch diese schnelle, nichtflüchtige Form des Computerspeichers billiger und praktischer wird. Ein magnetischer RAM-Chip in Miniaturgröße könnte 32 Gigabyte an Daten speichern.

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