JP2015507065A - 高度xジブロックコポリマーの製造、精製及び使用 - Google Patents
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Abstract
Description
a)モノマー1
の重合から得られる第1ブロック;及び
b)第1ブロックに共有結合した第2ブロックであって、モノマー2
の重合から得られる、第2ブロック
を含み、
−モノマー1及びモノマー2は、モノマー1のホモポリマーとモノマー2のホモポリマーの表面エネルギー値同士の差が10ダイン/cmを超えるように選択され;
−第1ブロックは、5〜95質量%のブロックコポリマーを含み;
−ブロックコポリマーの分子量は、5,000〜250,000であり;
−相互作用ポリマークロマトグラフィー(IPC)で決定されるように、第1組成物は、5質量%未満のモノマー1のホモポリマーと5質量%未満のモノマー2のホモポリマーを含む、第1組成物である。
a)第1溶媒中に、ジブロックコポリマー、ポリ(モノマー1)−b−ポリ(モノマー2)、並びにポリ(モノマー1)及びポリ(モノマー2)から選択される少なくとも1つのホモポリマーを含むポリマー混合物を形成するステップ;
b)ポリマー混合物に第2溶媒を添加することにより、
−ジブロックコポリマーを含むミセルと
−ポリ(モノマー1)及びポリ(モノマー2)の少なくとも1つを含む溶液
を形成するステップ;
c)ミセルの凝集を誘導することにより、分離可能な粒子を形成するステップ;及び
d)溶液から粒子を分離するが、ここで、溶液は、ポリ(モノマー1)及びポリ(モノマー2)の少なくとも1つを含むステップ
を含む方法である。
a)イソボルニル(メト)アクリレート、トリフルオロエチル(メト)アクリレート、ヘキサフルオロイソプロピル(メト)アクリレート、オクタフルオロペンチル(メト)アクリレート、CH2=C(CH3)CO2CH2C(CF3)2OH及びその保護類似体、CH2=C(CH3)CO2CH2CH2CH2CF2C4F9、CH2=C(CH3)CO2CH2CH2C6F13、CH2=C(CH3)CO2CH2CH2C4F9、CH2=C(CH3)CO2CH2CH2C3F7、CH2=C(CH3)CO2C(CH3)2CH2CH2C6F13、CH2=C(CH3)CO2CH2C2F5、CH2=C(CH3)CO2C2H4C2F5、及びCH2=C(CH3)CO2CH2C3F7からなる群から選択されるモノマーの重合から得られる第1ブロック;及び
b)第1ブロックに共有結合した第2ブロックであって、モノマー2
の重合から得られる、第2ブロック
を含む、組成物である。
a)基板に表面剤を塗布することにより、基板上に改質表面を形成するが、前記改質表面は、第1表面エネルギーを特徴とするステップ;
b)前記改質表面にエネルギーを印加することにより、少なくともイメージ化部分と非イメージ化部分を有するイメージ化改質表面を形成するが、前記イメージ化部分が、第2表面エネルギーを有する、ステップ;
c)前記イメージ化改質表面とブロックコポリマー組成物を接触させることにより、第1表面エネルギー及び第2表面エネルギーの少なくとも1つに基づいて選択されたパターンを形成するステップ
を含む方法であって、
前記ブロックコポリマーが、
i)モノマー1
の重合から得られる第1ブロック;及び
ii)第1ブロックに共有結合した第2ブロックであって、第2ブロックは、モノマー2
の重合から得られる、第2ブロック
を含み、
−モノマー1及びモノマー2は、モノマー1のホモポリマーとモノマー2のホモポリマーの表面エネルギー値同士の差が10ダイン/cmを超えるように選択され;
−第1ブロックは、5〜95質量%のブロックコポリマーを含み;
−ブロックコポリマーの分子量は、5,000〜250,000であり;
−相互作用ポリマークロマトグラフィー(IPC)で決定されるように、組成物は、5質量%未満のモノマー1のホモポリマーと5質量%未満のモノマー2のホモポリマーを含む、方法である。
とができる。あるいは、アニオン重合法によりPS−b−PMMAジブロックコポリマーを製造することもできる。ジブロックコポリマーは、原子移動フリーラジカル重合(ATRP)、可逆的付加開裂連鎖移動(RAFT)、開環メタセシス重合(ROMP)、及びリビングカチオン又はリビングアニオン重合などの公知の方法により製造することができる。
a)イソボルニル(メト)アクリレート、トリフルオロエチル(メト)アクリレート、ヘキサフルオロイソプロピル(メト)アクリレート、オクタフルオロペンチル(メト)アクリレート、(CH2=C(CH3)CO2CH2C(CF3)2OH)及びその保護類似体、(CH2=C(CH3)CO2CH2CH2CH2CF2C4F9)、(CH2=C(CH3)CO2CH2CH2C6F13)、(CH2=C(CH3)CO2CH2CH2C4F9)、(CH2=C(CH3)CO2CH2CH2C3F7)、CH2=C(CH3)CO2C(CH3)2CH2CH2C6F13、CH2=C(CH3)CO2CH2C2F5、CH2=C(CH3)CO2C2H4C2F5、及び(CH2=C(CH3)CO2CH2C3F7)からなる群から選択されるモノマーの重合から得られる第1ブロック;及び
b)第1ブロックに共有結合した第2ブロックであって、モノマー2
の重合から得られる、第2ブロック
を含む、組成物である。
a)第1溶媒中に、ジブロックコポリマー、ポリ(モノマー1)−b−ポリ(モノマー2)、並びにポリ(モノマー1)及びポリ(モノマー2)から選択される少なくとも1つのホモポリマーを含むポリマー混合物を形成するステップ;
b)溶解したポリマー混合物に第2溶媒を添加することにより、
−ジブロックコポリマーを含むミセルと
−ポリ(モノマー1)及びポリ(モノマー2)の少なくとも1つを含む溶液
を形成するステップ;
c)ミセルの凝集を誘導することにより、分離可能な粒子を形成するステップ;及び
d)溶液から粒子を分離するが、ここで、溶液は、ポリ(モノマー1)及びポリ(モノマー2)の少なくとも1つを含むステップ
を含む方法である。
ブロックコポリマーを含む組成物であり、このブロックコポリマーは、
a)モノマー1
(Xは、H又はメチルであり、Rは、任意選択でヒドロキシル若しくは保護ヒドロキシル基により置換され、また任意選択でエーテル結合を含む、C1〜C8アルキル及び部分的フッ素化アルキル基、並びにC3〜C8シクロアルキルからなる群から選択される)
の重合から得られる第1ブロック;
b)第1ブロックに共有結合した第2ブロックであって、モノマー2
の重合から得られる、第2ブロック
を含み、
−モノマー1及びモノマー2は、モノマー1のホモポリマーとモノマー2のホモポリマーの全表面エネルギー値同士の差が10ダイン/cmを超えるように選択され;
−第1ブロックは、5〜95質量%のブロックコポリマーを含み;
−ブロックコポリマーの分子量は、5,000〜250,000であり;
−組成物は、5質量%未満のモノマー1のホモポリマーと5質量%未満のモノマー2のホモポリマーを含む、組成物である。
Rが、メチル、シクロヘキシル、又は−CH2C(CF3)2OH、−CH2CH2CH2CF2C4F9、−CH2CH2C6F13、及び−CH2CF2CF2CF2CF2Hからなる群から選択される部分的フッ素化アルキル基である、実施例1の組成物。
Arが、ピリジル、フェニル、アセトオキシフェニル、又はメトキシフェニルである、実施例1の組成物。
ブロックコポリマーを含む組成物であり、このブロックコポリマーは、
a)イソボルニル(メト)アクリレート、トリフルオロエチル(メト)アクリレート、ヘキサフルオロイソプロピル(メト)アクリレート、オクタフルオロペンチル(メト)アクリレート、(CH2=C(CH3)CO2CH2C(CF3)2OH)及びその保護類似体、(CH2=C(CH3)CO2CH2CH2CH2CF2C4F9)、(CH2=C(CH3)CO2CH2CH2C6F13)、(CH2=C(CH3)CO2CH2CH2C4F9)、(CH2=C(CH3)CO2CH2CH2C3F7)、CH2=C(CH3)CO2C2H4C2F5、CH2=C(CH3)CO2C(CH3)2CH2CH2C6F13、及び(CH2=C(CH3)CO2CH2C3F7)からなる群から選択されるモノマーの重合から得られる第1ブロック;
b)第1ブロックに共有結合した第2ブロックであって、モノマー2
の重合から得られる、第2ブロック
を含む、組成物である。
基板と、基板に形成した実施例1の組成物を含む製品。
基板が、曲線、線分、及びドットからなる群から選択される形体でパターン化される、実施例5の製品。
a)第1溶媒中で、ジブロックコポリマー、ポリ(モノマー1)−b−ポリ(モノマー2)、並びにポリ(モノマー1)及びポリ(モノマー2)から選択される少なくとも1つのホモポリマーを含むポリマー混合物を処理するステップ;
b)前記ポリマー混合物に第2溶媒を添加することにより、
−ジブロックコポリマーを含むミセルと
−ポリ(モノマー1)及びポリ(モノマー2)の少なくとも1つを含む溶液
を形成するステップ;
c)ミセルを凝集させて、より大きな粒子を形成するステップ;及び
d)ポリ(モノマー1)及びポリ(モノマー2)の少なくとも1つを含む溶液から粒子を分離する、ステップ
を含む方法。
ASM=アセトキシスチレンモノマー
MMA=メタクリル酸メチル
PMMA=ポリ(メチルメタクリレート)
PMMA−ttc=トリチオ炭酸塩末端基を有するPMMA
OPMA=CH2=C(CH3)CO2CH2CF2CF2CF2CF2H
6,2−ZFM=CH2=C(CH3)CO2CH2CH2C6F13
MEK=メチルエチルケトン
THF=テトラヒドロフラン
PFA=テトラフルオロエチレン−ペルフルオロビニルエーテルコポリマー
V−601=ジメチル2,2’−アゾビス(2−メチルプロピオネート)(Wako Specialty Chemicals,Richmond,VAから市販されている)HFE−7200=CH3CH2OC4F9(3M,St.Paul,MNから市販されている)
Solkane=CH3CF2CH2CF3
SEC=サイズ排除クロマトグラフィー
IPC=相互作用ポリマークロマトグラフィー
1つの添加漏斗、凝縮器及び窒素ガス入口、並びに深さ調節可能な熱電対を取り付けた3口フラスコに、2−ヘプタノン(15.0g)及びPMMA−ttc(10.0g、Mw=34100、SECによるPD=1.18、0.22mモルRAFT末端として計算した)を充填した。2−ヘプタノン中のPMMA−ttcのポリマー溶液を約75℃で調製した。漏斗にスチレン(20g、中性アルミナのカラムを通して流し込む)を充填し、2−ヘプタノン(6g)と混合した。ステンレス鋼シャフトと小型のTeflon(登録商標)フルオロポリマーパドル翼を備えた装置により撹拌を実施した。スチレンフィードの5mL部分をフラスコに添加し、これを窒素で20分パージした。温度を115℃に上げて、残ったモノマーを1時間にわたって供給した。122〜125℃で21時間後、変換は55%であった。125〜130℃でさらに34時間後、変換率は、1HNMR(CDCl3)により86%であることが判明した。MEK(70mL)を反応混合物に添加して、ポリマー溶液を取得した。これを3Lのメタノールに添加することにより、生成物を沈殿させ、これを濾過によって分離した。空気乾燥後、ポンピングにより、22.7gの固体が得られた。
Mw=72853;Mn=55637;Mz=85639;MP=83787;PD=1.309。
全体組成:MMA=34.4%;S=65.6%
生成物、質量=14.86g。
1HNMR(CDCl3):MMA=41.0%;S=59.0%。
UV(THF、1g/リットル):A261=1.127、A269=0.799、A311=0.086
添加漏斗、凝縮器、窒素ガス入口、及び熱電対を取り付けた3口フラスコに、2−ヘプタノン(15.0g)及びPMMA−ttc(10.0g、Mw=34,100、PD=1.18;0.22mモルRAFT末端として計算した)を充填した。PMMA−ttcポリマー溶液を約75℃で調製し、ステンレス鋼シャフトと小型のTeflon(登録商標)フルオロポリマーパドル翼を備えたオーバーヘッド装置を用いて撹拌した。スチレン(30.0g、0.144モル)から阻害剤を除去した後、これを反応器に直接添加した。反応器を窒素で20分パージした。温度を115℃に上げ、約114℃で22時間維持した;スチレン変換率は78.6%であった。
1つの添加漏斗、凝縮器、窒素ガス入口、及び深さ調節可能な熱電対を取り付けた3口フラスコに、2−ヘプタノン(37.5g)及びPMMA−ttc(25.0g、Mw=34,100、PD=1.18;0.55mモルRAFT末端として計算した)を充填した。スチレン(75.0g、0.36モル)から阻害剤を除去した後、これを反応器に直接添加した。ポリマー溶液を約75℃で調製し、ステンレス鋼シャフトと小型のTeflon(登録商標)フルオロポリマーパドル翼を備えたオーバーヘッド装置を用いて撹拌した。反応器を窒素で20分パージした。温度を115℃に上げ、114.9〜116.5℃で22時間維持した。
組成制御
反応混合物をTHF(250mL)で処理し、溶液を5Lの3口フラスコに移した。メタノール(3L)をオーバーヘッド撹拌しながらゆっくりと添加した。微粉末が生成され、これは容易に沈殿した。液体を浸漬管で除去した。さらに1リットルのメタノールを添加して固体を洗浄した。固体が沈殿したら、液体を浸漬管で除去した。フリット浸漬管を用いて、可能な限り多くの液体を除去した。それでも固体は残留する液体で湿っていた。シクロヘキサン(600mL)を添加し、40〜45℃の水浴を用いて、混合物を撹拌しながら、内容物を加熱した。初期液相の除去は、満足行くように遂行されたが、溶解ポリマーはあまり多くないようであった。取り出した液体を最終的に相分離したが、この操作での液相の組成は不明であった。さらにシクロヘキサン(600mL)を添加し、40〜45℃での加熱を0.5時間継続した。約1.5〜2時間後、有用な相分離の兆候はなかった。混合物全体を回転蒸発器による揮発性物質の除去に付した。ポンピングの後、生成物を取り出し、吸引フィルター漏斗でさらに揮発性物質を除去した。粗生成物、86gが得られた。IPC分析により、MMA−b−スチレン及びポリスチレンの画分がまったくないことが判明した。
ポリスチレンホモポリマーの除去:比較例Aで得られた粗生成物を、以下のように、シクロヘキサン洗浄に付した:固体を1Lの1口フラスコに移し、シクロヘキサン(500mL)で処理した。これを45℃で0.5時間加熱した後、上層(不透明)を除去した。さらに250mLのシクロヘキサンを添加し、混合物を40℃に加熱した後、沈殿させた。上相を取り出し、さらに250mL部分のシクロヘキサンで処理を繰り返した。上相を合わせて、ストリッピングすることにより、9gの残留物が得られたが、これを廃棄した。
凝縮器、窒素ガス入口、及び深さ調節可能な熱電対を取り付けた3口フラスコに、2−ヘプタノン(33.0g)、OPMA−ttc(35.0g、Mw=27,900、PD=1.17vsPMMA)及びASM(42.0g)を充填した。小型のTeflon(登録商標)フルオロポリマーパドル翼を備えたステンレス鋼シャフトを用いるオーバーヘッド装置により撹拌を実施した。窒素パージを20分実施した。フラスコを油浴中に配置して、温度を115〜125℃で23時間維持した;1HNMR(CDCl3)により、ASM変換率が64%であることが判明した。
1HNMR(CDCl3):OPMA/ASM=43.5/56.5
UV(THF,1.00g/L、1cm):A312=0.201
SEC(THF;vsPMMA):Mw=50733;Mn=46148;Mz=54522;MP=54410;PD=1.099。
SEC(ユニバーサル校正方法による):Mw=92362;Mn=80290;MP=89704、PD=1.15。
IPC:単一の成分がOPMA−b−ASMジブロックと一致。
6,2−ZFM−ttcの合成
添加漏斗、凝縮器、窒素ガス入口、熱電対、及びオーバーヘッド撹拌集合装置を取り付けた3口フラスコに、トリチオカルボン酸塩RAFT剤(C12H25SC(S)SC(CH3)(CN)CH2CH2CO2CH3、0.992g、2.37mモル)及びHFE−7200/THF(1/1v/v、67mL)を充填した。HFE−7200/THF(1/1/v/v、29mL)中の開始剤、V−601(FW=230.26、55mg、0.239mモル)を添加漏斗に充填した。反応フラスコに6,2−ZFM(50g)を充填した。反応フラスコを窒素で20分パージした。反応フラスコ中の温度を70℃まで上げた。開始剤溶液を4時間にわたり供給した後、加熱をさらに18時間継続した。
凝縮器、窒素ガス入口、及び熱電対を取り付けた3口フラスコに、6,2−ZFM−ttc(25.0g)及びASM(37.5g)を充填した後、トリフルオロトルエン(85g)を添加した。混合物を窒素で20分パージした後、106〜112℃の内部温度に63時間加熱した。
サンプル(44g)をHFE−7200(330mL、2回繰り返し)で洗浄した。ポリマー/溶媒の組合せを約50℃で加熱/撹拌した。得られた粒子は、このプロセスの間にかなり小さくなった。細かいフリットを用いて、濾過を達成した。2回目の洗浄ステップ後に生成物を乾燥させて、38.5gの物質を得た。
6,2−ZFM−ttcの合成
凝縮器、並びにシリンジポンプを介して開始剤溶液用の隔膜に合わせたアダプターを備える窒素ガス入口、熱電対、及びオーバーヘッド撹拌集合装置を取り付けた4口フラスコに、トリチオカルボン酸塩RAFT剤:C12H25SC(S)SC(CH3)(CN)CH2CH2CO2CH3(4.96g、11.89mモル)及び1/1v/vHFE−7200/THF(225mL)を充填した。20mLのHFE−7200/THF(7.5mL/12.5mL)中のV−601(FW=230.26、600mg)をシリンジポンプに充填した。反応フラスコに6,2−ZFM(125g)を充填し、窒素で20分パージした。内部温度を68℃まで上げた。小部分(2.15mL)の開始剤溶液を5.45分にわたり供給した。開始剤供給を29.5時間継続し、加熱をさらに4時間継続した。
凝縮器及び窒素ガス入口、熱電対、及びオーバーヘッド撹拌集合装置を取り付けた4口フラスコに、62.5gの6,2−ZFM−ttc(Mw=14,450)と93.75gのASMを充填した。トリフルオロトルエン(181g)を添加した。続いて、窒素パージ操作を20分実施した。反応混合物を91℃で3時間加熱した後、110〜112℃で54時間加熱した。NMR分光学を用いて、モノマー変換をモニターし、57.1%と推定された。
前述のように処理した物質の一部(約80g)をTHF(240mL)で処理した後、この混合物を、1μ膜を通して濾過した。得られた透明な液体を撹拌し、707mLのTHF/エタノール(24.9/75.1、v/v)の混合物で処理した。次に、ポリマーリッチ相をTHF/エタノール(44/56、v/v)で2回洗浄した。減圧下での蒸発により、66.7gの黄色い固体が得られた。
6,2−ZFM−ttcの合成
凝縮器、及びシリンジポンプを介して開始剤溶液用の隔膜に合わせたアダプターを備える窒素ガス入口、熱電対、並びにオーバーヘッド撹拌集合装置を取り付けた4口フラスコに、トリチオカルボン酸塩RAFT剤:C12H25SC(S)SC(CH3)(CN)CH2CH2CO2CH3(9.92g=23.78mモル)及びトリフルオロトルエン(200mL)を充填した。20mLのトリフルオロトルエン中のV−601(FW=230.26、600mg)をシリンジポンプに充填した。反応フラスコに6,2−ZFM(125g)を充填し、窒素で20分パージした。内部温度を73.5℃で一定に維持した。小部分(2.15mL)の開始剤溶液を5.45分にわたり供給した。開始剤供給を31時間継続した。モノマー変換は95.2%と推定された。
凝縮器、及び窒素ガス入口、熱電対、並びにオーバーヘッド撹拌集合装置を取り付けた4口フラスコに、62.5gの6,2−ZFM−ttcを添加した。トリフルオロトルエン(143g)を添加した。次に、93.75gのASMを添加した。続いて、窒素パージ連続操作を20分実施した。反応混合物を91℃で3時間加熱した後、110〜112℃で54時間加熱したが、この時点で、NMR分析は、58%モノマー変換率を示した。
前述の洗浄済み固体の20.0gサンプルを200mLのHFE−7200で処理した。得られた撹拌スラリーをメタノール(100mL)でゆっくりと処理し、さらに0.5時間撹拌した。得られたポリマー粒子を濾過し、乾燥することにより、19.5gの黄色い固体が得られた。
誘導自己組織化
初期p型Si(111)をCD26TMAHベースの現像液(Shipley Chemicals)に室温で10分浸漬し、脱イオン水で2分すすいだ後、窒素流下で乾燥した。メチルイソブチルケトン中の水素シルセスキオキサン(HSQ、2%)を室温、4000rpmで、Si上に60秒スピンキャストし、後焼成は行わなかった。30keV加速電圧及び可変容量(6〜200fC/ドット又は100〜2000uC/ドット)のRaith 150システムを用いて、電子ビームリソグラフィへのHSQのパターン式暴露により、誘導構造体を形成した。E−ビーム照射サンプルを室温にて1%NaOH/4%NaCl溶液で4分現像し、脱イオン水で2分すすいだ後、窒素流下で乾燥した。サンプルをCD26TMAHベースの現像液に室温で10分浸漬し、脱イオン水で2分すすいだ後、窒素流下で乾燥した。2−ヘプタノン中のジブロックコポリマーの1%又は2%溶液を室温、1000〜8000rpmで、サンプル上に60秒スピンキャストし、120℃で1分、後焼成した。ポリマーコーティングしたサンプルを、窒素充填したオーブンにおいて、160〜225℃で約2時間熱アニールした。15分の波長220−nmUV光での露光、1:1のイソプロピルアルコール:メチルイソブチルケトンにおける室温で1分の現像により、メタクリレート−ブロックを除去し、イソプロピルアルコールで30秒すすいだ後、窒素流下で乾燥した。
Claims (7)
- ブロックコポリマーを含む組成物であって、前記ブロックコポリマーは、以下:
a)モノマー1
b)第1ブロックに共有結合した第2ブロックであって、モノマー2
の重合から得られる、第2ブロック
を含み、
−モノマー1及びモノマー2が、モノマー1のホモポリマーとモノマー2のホモポリマーの全表面エネルギー値同士の差が10ダイン/cmを超えるように選択され;
−前記第1ブロックが、5〜95質量%のブロックコポリマーを含み;
−前記ブロックコポリマーの分子量が、5,000〜250,000であり;
−前記組成物が、5質量%未満のモノマー1のホモポリマーと5質量%未満のモノマー2のホモポリマーを含む、組成物。 - Rが、メチル、シクロヘキシル、又は−CH2C(CF3)2OH、−CH2CH2CH2CF2C4F9、及び−CH2CH2C6F13及びオクタフルオロペンチルからなる群から選択される部分的フッ素化アルキル基である、請求項1に記載の方法。
- Arは、ピリジル、フェニル、アセトキシフェニル、メトキシフェニル、又は−OC(O)OR’で置換されたフェニル基であり、R’は、t−Buである、請求項1に記載の方法。
- ブロックコポリマーを含む組成物であり、前記ブロックコポリマーが、
a)イソボルニル(メト)アクリレート、トリフルオロエチル(メト)アクリレート、トリフルオロプロピル(メト)アクリレート、ヘキサフルオロイソプロピル(メト)アクリレート、オクタフルオロペンチル(メト)アクリレート、CH2=C(CH3)CO2CH2C(CF3)2OH及びその保護類似体、CH2=C(CH3)CO2CH2CH2CH2CF2C4F9、CH2=C(CH3)CO2CH2CH2C6F13、CH2=C(CH3)CO2CH2CH2C4F9、CH2=C(CH3)CO2CH2CH2C3F7、CH2=C(CH3)CO2CH2C2F5、CH2=C(CH3)CO2C2H4C2F5、及びCH2=C(CH3)CO2CH2C3F7からなる群から選択されるモノマーの重合から得られる第1ブロック;及び
b)第1ブロックに共有結合した第2ブロックであって、モノマー2
の重合から得られる、第2ブロック
を含む、組成物。 - 架橋剤をさらに含む、請求項1に記載の組成物。
- 基板と、前記基板上の請求項1に記載の組成物を含む製品。
- 前記基板が、曲線、直線、線分、及びドットからなる群から選択される形体でパターン化される、請求項6に記載の製品。
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