상전이

Phase transition
이 다이어그램은 다양한 위상 천이에 대한 명명법을 보여 줍니다.

화학, 열역학 및 기타 많은 관련 분야에서 상전이(또는 상변화)는 매개 변수의 값이 다른 매개체의 상태와 다른 매개 변수 간의 물리적 전이 과정입니다.일반적으로 이 용어는 물질의 기본 상태(고체, 액체, 기체) 사이의 변화를 가리키기 위해 사용되며 드물게 플라즈마도 사용됩니다.

예를 들어, 열역학계의 상과 물질의 상태는 균일한 물리적 특성을 가집니다.특정 매체의 상전이 중에는 온도, 압력 등의 외부 조건의 변화에 따라 매체의 특정 특성이 종종 불연속적으로 변화합니다.예를 들어 액체가 끓는점까지 가열되면 기체가 되어 급격한 부피 변화를 일으킬 수 있다.변환이 발생하는 외부 조건의 측정을 위상 전이라고 합니다.상전이는 일반적으로 자연에서 발생하며 오늘날 많은 테크놀로지에서 사용되고 있습니다.

상전이의 종류

일반적인 단계도입니다.점선은 물의 변칙적인 동작을 나타낸다.

단계 천이의 예는 다음과 같습니다.

  • 온도 및/또는 압력의 영향으로 인해 단일 구성요소의 고체, 액체 및 기체상 간 전환:
물질의 상전이()
로.
부터
단단한 액체. 가스 플라즈마
단단한 녹는 승화
액체. 냉동 기화
가스 퇴적 응축 이온화
플라즈마 재결합
증기 압력 및 위상참조
고체에서 액체로의 이행을 보여주는 빠르게 녹는 고체 아르곤의 작은 조각.흰 연기는 응축된 수증기로, 가스에서 액체로 상전이 나타납니다.
1기압에서 상변화를 설명하는 이산화탄소(빨간색)와 물(파란색)의 상도 비교
  • 2성분 단상 액체가 냉각되어 2고체로 변환되는 공정 변환.같은 과정이지만 액체 대신 고체로 시작하는 것을 공정 변환이라고 합니다.
  • 평형 위상 변환에 준거 가능.낮은 표면 에너지로 인해 빠르게 형성되는 준안정 다형은 에너지 장벽을 극복하기에 충분한 열 입력이 주어지면 평형 단계로 변환됩니다.
  • 2성분 단상 고체를 가열하여 고체상 및 액상으로 변환하는 peraritectic 변환.
  • 스피노달 분해.단상이 냉각되어 동일한 상으로 이루어진 두 가지 다른 구성으로 분리됩니다.
  • "액정" 단계 중 하나와 같이 고체와 액체 사이의 중간 단계로 전환합니다.
  • 퀴리 지점에서 자성 물질강자성 상과 상사성 상 사이의 전환.
  • 안티몬화세륨과 같이 서로 다른 순서, 비례 또는 비례하지 않는 자기 구조 간의 전환.
  • 마텐사이트 변환은 탄소강에서 많은 위상 변환 중 하나로 발생하며 변위 위상 변환의 모델로 사용됩니다.
  • 의 페라이트나 오스테나이트 등의 결정학적 구조의 변화.
  • 알파-티타늄 알루미늄화물과 같은 순서-무질서 전환.
  • 흡착 형상의 적용 범위 및 온도에 대한 의존성. 예를 들어 철에 대한 수소(110).
  • 임계 온도 이하로 냉각될 때 특정 금속 및 세라믹에서 초전도 발생.
  • 서로 다른 분자 구조(폴리모르프, 동소체 또는 폴리아모르프), 특히 비정질 구조와 결정 구조 사이, 두 개의 다른 결정 구조 사이 또는 두 개의 비정질 구조 사이의 고체의 변화.
  • 보손 유체의 양자 응축(보즈-아인슈타인 응축).액체 헬륨의 초유체 전환이 그 예입니다.
  • 온도가 식으면서 우주의 초기 역사 동안 물리 법칙의 대칭이 깨진 것.
  • 동위원소 분화는 상전이 중에 발생하며, 관련된 분자의 빛 대 무거운 동위원소 비율이 변화한다.수증기가 응축되면(균형분획), 액상에서 무거운 물 동위원소(18O, H)가 농축되는 반면 가벼운 동위원소(16O, H)는 기상을 [1]향하게 된다.

시스템의 열역학 자유 에너지가 일부 열역학 변수 선택에 대해 비분석적일 때 위상 전이가 발생합니다(위상 참조).이 상태는 일반적으로 시스템 내의 많은 입자의 상호작용에서 발생하며 너무 작은 시스템에서는 나타나지 않습니다.위상 전이가 발생할 수 있으며 온도가 파라미터가 아닌 비열역학 시스템에 대해 정의된다는 점에 유의하십시오.예를 들어 양자 위상 천이, 동적 위상 천이, 위상(구조) 위상 천이 등이 있습니다.이러한 유형의 시스템에서는 다른 매개변수가 온도를 대신합니다.예를 들어 네트워크에 침투하기 위한 온도가 접속 확률로 대체됩니다.

상전이점(를 들어 비등점)에서는 물질의 두 상(액체와 증기)은 동일한 자유 에너지를 가지며, 따라서 존재할 가능성이 동등합니다.끓는점 이하에서는 액체가 두 가지 상태보다 안정적인 반면, 기체 형태 이상은 더 바람직하다.

때로는 위상 천이를 거치지 않고 위상 천이점을 통과하도록 시스템의 상태를 단열적으로(단열과는 반대로) 변경할 수 있습니다.결과 상태는 전이 가능한 상태, 즉 전이 발생 단계보다 안정적이지 않지만 불안정하지도 않다.예를 들어 과열, 과냉각과포화에서 발생합니다.

분류

에렌페스트 분류

에렌페스트(Paul Ehrenfest)는 열역학 자유 에너지의 거동에 기초한 상전이를 다른 열역학 [2]변수의 함수로 분류했다.이 체계에서 위상 전이는 전이 시 불연속적인 자유 에너지의 가장 낮은 도함수에 의해 라벨링되었다.1차 위상 전이는 일부 열역학 [3]변수에 대해 자유 에너지의 1차 도함수에서 불연속성을 보인다.다양한 고체/액체/가스 전이는 밀도의 불연속적인 변화를 수반하기 때문에 1차 전이로 분류됩니다. 밀도는 압력에 대한 자유 에너지의 (역) 첫 번째 유도체입니다.2차 위상전이는 제1도함수에서는 연속적이지만(외부장에 대한 자유에너지의 제1도함수인 순서 파라미터는 전이 전체에 걸쳐 연속된다) [3]자유에너지의 제2도함수에서는 불연속성을 나타낸다.여기에는 철과 같은 재료의 강자성 상전이 포함됩니다. 이 경우 적용된 자기장 강도에 대한 자유 에너지의 첫 번째 파생물인 자화는 온도가 퀴리 온도 이하로 낮아짐에 따라 0에서 지속적으로 증가합니다.자기장과 함께 자유 에너지의 두 번째 파생물인 자화율은 불연속적으로 변화합니다.Ehrenfest 분류 체계에서는 원칙적으로 3차, 4차 및 고차 단계 전이가 있을 수 있습니다.

Ehrenfest 분류는 암묵적으로 물질의 결합 특성이 변화하는 연속 위상 변환을 허용하지만 자유 에너지 파생물에는 불연속성이 없습니다.이 예는 초임계 액체-가스 경계에서 발생합니다.

에렌페스트 분류에 맞지 않는 상전이의 첫 번째 예는 1944년 라스 온사거에 의해 발견이싱 모델의 정확한 해법이다.정확한 비열은 임계 온도에서 단순 불연속성을 갖는다고 예측했던 초기 평균장 근사치와 달랐다.대신, 정확한 비열은 임계 [4]온도에서 로그 편차를 보였다.이후 수십 년 동안, 에렌페스트 분류는 그러한 전환을 통합할 수 있는 단순한 분류 체계로 대체되었다.

현대 분류

현대 분류 체계에서 위상 전이는 두 개의 큰 범주로 나뉘며, 이름은 에렌페스트 [2]클래스와 유사하다.

1차 상전이잠열을 수반하는 상전이를 말한다.이러한 이행 중에 시스템은 볼륨당 고정된 양의 에너지를 흡수하거나 방출합니다.이 프로세스 동안 시스템의 온도는 열이 가해질 때 일정하게 유지됩니다. 즉, 시스템은 시스템의 일부 부분이 이행을 완료하고 다른 부분은 완료되지 않은 "[5][6]혼합상 체제"에 있습니다.친숙한 예로는 얼음이 녹거나 물이 끓는 것이 있습니다(물은 즉시 증기로 변하는 것이 아니라 액체 물과 증기 기포의 난류 혼합물을 형성합니다).요세프 임리와 마이클 워티스는 담금질 장애는 1차 전환의 폭을 넓힐 수 있다는 것을 보여주었다.즉, 변환은 한정된 온도 범위에서 완료되지만 과냉각 및 과열과 같은 현상이 지속되고 열 [7][8][9]순환 시 이력(hysteresis)이 관찰됩니다.

2차 위상 천이를 "연속 위상 천이"라고도 합니다.이들은 발산 감수성, 무한 상관 길이 및 임계 근방의 상관 관계의 멱법칙 붕괴로 특징지어집니다.2차 상전이의 예로는 강자성 전이, 초전도 전이(Type-I 초전도체의 경우 외부 필드가 0일 때 2차, Type-I 초전도체의 경우 정상 상태 혼합 상태 및 혼합 상태-초전도 상태 전이 모두 2차)가 있다.그리고 초유체 전이.점도와는 대조적으로 아모르퍼스 소재의 열팽창 및 열용량은 유리 전이[10] 온도에서 비교적 급격한 변화를 나타내므로 차동 주사 열량 측정을 통해 정확한 검출이 가능하다.레프 란다우는 2차 상전이에 대한 현상학적 이론을 제시했다.

고립된 단순한 위상 천이 외에도 자기장 또는 구성과 같은 외부 매개변수를 변경할 때 다중 위치 점뿐만 아니라 전이 라인이 존재합니다.

몇 가지 천이를 무한 차수 위상 천이라고 합니다.연속적이지만 대칭은 깨지지 않습니다.가장 유명한 예는 코스테리츠입니다.2차원 XY 모델에서의 툴리스 천이.예를 들어 2차원 전자 가스의 많은 양자 위상 전이가 이 세분류에 속한다.

액체-유리 전환은 결정상의 녹는점보다 훨씬 낮게 과냉각될 수 있는 많은 고분자 및 기타 액체에서 관찰됩니다.이것은 몇 가지 점에서 이례적이다.열역학적 접지 상태 간의 전환이 아닙니다. 진정한 접지 상태는 항상 결정체라고 널리 알려져 있습니다.유리는 급랭 무질서 상태이며, 그 엔트로피, 밀도 등은 열 이력에 따라 달라집니다.따라서 유리 전환은 주로 동적 현상입니다. 액체를 냉각할 때 내부 자유도가 연속적으로 평형을 벗어납니다.일부 이론적인 방법은 무한히 긴 이완 시간이라는 [11][12]가상 한계에서 기초적인 위상 전이를 예측합니다.이러한 전환의 존재를 뒷받침하는 직접적인 실험 증거는 없다.

콜로이드 입자의 겔화 전이는 평형 [13]상태가 아닌 조건에서 2차 상전이로 나타났다.

특성

위상 공존

온도가 낮아짐에 따라 저온 평형상의 비율이 0에서 1(100%)로 증가하는 유한한 온도 범위에 걸쳐 무질서 확대의 1차 천이가 발생한다.공존하는 분수와 온도 간의 이러한 연속적인 변화는 흥미로운 가능성을 제기하였다.냉각 시 일부 액체는 평형 결정상으로 변환되지 않고 유리화된다.이는 냉각 속도가 임계 냉각 속도보다 빠를 경우 발생하며 분자 움직임이 너무 느려져 분자가 결정 [14]위치로 재배열할 수 없기 때문입니다.이 감속은 인가되는 압력g [10][15]따라 달라질 수 있는 유리 형성 온도 T 이하에서 발생합니다.특정 온도 범위에서 1차 동결 천이가 발생하고g T가 이 범위 내에 있으면 부분적이고 불완전할 때 전이가 정지될 가능성이 있습니다.이러한 아이디어를 저온에서 정지되는 1차 자기 전이로 확장하면, 가장 낮은 온도까지 두 개의 자기 위상이 공존하는 불완전한 자기 전이를 관찰할 수 있었다.강자성에서 반강자성으로의 [16]이행의 경우 처음 보고되었으며, 이러한 지속적 위상 공존은 다양한 1차 자기 이행에 걸쳐 보고되고 있습니다.여기에는 거대 자기저항 망간석 재료,[17][18] 자기열량 재료,[19] 자기 형상 기억 [20]재료 및 기타 [21]재료가 포함됩니다.Tg 천이가 발생하는 온도 범위 내에 있는 이러한 관측의 흥미로운 특징은 구조 천이가 압력에 의해 영향을 받는 것처럼 1차 자기 전이가 자기장의 영향을 받는다는 것입니다.압력과 대조적으로 자기장을 제어할 수 있는 상대적 용이성은 T와 Tc 사이g 상호작용을 철저히 연구할 수 있는 가능성을 높인다.1차 자기 천이 간의 위상 공존을 통해 이해 안경에서 해결되지 않은 문제를 해결할 수 있습니다.

임계점

액상과 기체상을 포함하는 모든 시스템에서는 임계점으로 알려진 압력과 온도의 특별한 조합이 존재하며, 이 때 액상과 기체 사이의 전환이 2차 전환이 됩니다.임계점 부근에서는 액상과 기체상의 구분이 거의 없을 정도로 유체가 충분히 뜨겁고 압축되어 있습니다.이는 임계 오팔렌스 현상과 관련이 있으며, 이는 가능한 모든 파장(가시광선 포함)의 밀도 변동으로 인해 액체가 유백색으로 나타나는 현상이다.

대칭

위상 천이는 종종 대칭 파괴 프로세스를 수반합니다.예를 들어, 유체를 결정성 고체로 냉각시키면 연속적인 번역 대칭이 깨집니다. 유체의 각 점은 같은 성질을 가지지만 결정의 각 점은 같은 성질을 가지지 않습니다(결정 격자의 격자점에서 선택되지 않는 한.일반적으로 고온상에는 특정 우발적대칭(예를 들어 [22]저온에서만 발생하는 무거운 가상 입자의 형성)을 제외하고 자발적인 대칭 파괴로 인해 저온상보다 더 많은 대칭이 포함됩니다.

주문 파라미터

순서 파라미터는 위상 전이 시스템에서 경계를 넘어서는 순서의 정도를 측정하는 것입니다.일반적으로 한 위상(일반적으로 임계점 위)에서 0과 다른 [23]위상에서는 0 사이의 범위입니다.임계점에서는 보통 순서 파라미터의 민감도가 분산됩니다.

순서 파라미터의 예로는 상전이가 진행되는 강자성계에서의 순자화가 있다.액체/가스 전환의 경우 순서 매개변수는 밀도의 차이입니다.

이론적인 관점에서, 순서 매개변수는 대칭 파괴에서 발생합니다.이 경우 시스템 상태를 설명하기 위해 하나 이상의 추가 변수를 도입해야 합니다.예를 들어, 강자성 단계에서는 시스템이 퀴리점 아래로 냉각될 때 방향이 자발적으로 선택되는 순 자화를 제공해야 합니다.단, 비대칭성 차단 천이에 대해서는 순서 파라미터도 정의할 수 있습니다.

초전도나 강자성과 같은 일부 상전이는 자유도 이상의 순서 매개변수를 가질 수 있습니다.이러한 위상에서 순서 파라미터는 복소수, 벡터 또는 심지어 텐서의 형태를 취할 수 있으며,[citation needed] 위상 전이 시 크기가 0이 된다.

또한 장애 파라미터의 관점에서 상전이에 대한 이중적인 설명이 존재합니다.이는 소용돌이 선이나 결점 선과 같은 선 모양의 들뜸이 존재함을 나타냅니다.

우주론에서의 관련성

대칭을 깨는 상전이는 우주론에서 중요한 역할을 한다.우주가 팽창하고 냉각되면서 진공은 대칭을 깨는 일련의 상전이를 겪었습니다.예를 들어, 전약 천이는 전약장의 SU(2)×U(1) 대칭을 현재의 전자장의 U(1) 대칭으로 분해했다. 변화는 약전자중입자 형성 이론에 따르면 오늘날 우주의 물질 양과 반물질 사이의 비대칭성을 설명하기 위해 중요하다.

에릭 차이슨[24] 데이비드 [25]레이저작품에서 알 수 있듯이 팽창하는 우주에서의 점진적인 위상 변화는 우주의 질서의 발달과 관련이 있습니다.

관계 순서 이론, 순서 및 무질서를 참조하십시오.

중요 지수 및 보편성 클래스

연속상 전이는 잠열이 없기 때문에 1차 전이에 비해 연구하기 쉬우며, 많은 흥미로운 특성을 가지고 있는 것으로 밝혀졌다.연속 위상 천이와 관련된 현상을 임계점과의 연관성 때문에 임계 현상이라고 한다.

연속 위상 전이는 임계 지수라고 알려진 매개변수에 의해 특징지을 수 있는 것으로 나타났습니다.가장 중요한 것은 아마도 전이에 접근함으로써 열 상관 길이의 차이를 설명하는 지수일 것이다.예를 들어, 이러한 전환에 가까운 열 용량의 동작을 조사합니다.시스템의 온도 T를 변화시키면서 다른 모든 열역학적 변수를 고정시켜 놓고, 전환이 임계 온도c T에서 발생한다는 것을 알아냈습니다.T가 Tc 가까울 용량 C는 일반적으로 멱함수 법칙을 따릅니다.

비정질 재료의 열 용량은 유리 전이 온도 근처에서 그러한 거동을 가지며, 상관 길이에 α 대신[26] α 지수를 사용하는 유사한 거동이 적용된다.

지수 is은 양수이다.이것은 α와는 다르다.실제 값은 고려 중인 위상 전이의 유형에 따라 달라집니다.

임계지수는 임계온도 이상과 이하가 동일하다고 널리 알려져 있다.이것이 반드시 맞는 것은 아니라는 것이 증명되었습니다.연속 대칭이 (재규격화 그룹의 의미에서) 무관한 이방성에 의해 이산 대칭으로 명시적으로 분해되는 경우, 일부 지수(예: 감수성의 \ \[27]동일하지 않습니다.

-1 < α < 0 의 경우, 열용량은 전이온도에서 "꼬임"이 있습니다.이것은 람다가 정상 상태에서 초유체 상태로 이행할 때의 액체 헬륨의 거동이며, 실험 결과 α = -0.013 ± 0.003이 확인되었다.시료 [28]내 압력차를 최소화하기 위해 궤도를 도는 위성의 무중력 조건에서 적어도 하나의 실험이 수행되었다.α의 이 실험값은 변동 섭동 [29]이론에 기초한 이론적인 예측과 일치한다.

0 < α < 1의 경우, 열 용량은 전이 온도에서 분산됩니다(단, α < 1이므로 엔탈피는 유한한 상태를 유지합니다).이러한 동작의 예로는 3D 강자성 상전이 있습니다.단축 자석에 대한 3차원 이싱 모델에서는 상세한 이론적 연구 결과 α δ +0.110이라는 지수를 얻었다.

일부 모델 시스템은 멱함수 동작을 따르지 않습니다.예를 들어 평균장론은 전이온도에서의 열용량의 유한 불연속성을 예측하고, 2차원 이싱 모델은 로그발산을 가진다.그러나 이러한 시스템은 사례와 규칙의 예외를 제한하고 있습니다.실제 위상 천이는 멱함수 법칙의 동작을 나타냅니다.

다른 몇 가지 임계 지수인 β, β, θ, θ가 정의되어 위상 전이 부근에서 측정 가능한 물리량의 멱함수 거동을 조사한다.지수는 다음과 같은 척도 관계에 따라 관련됩니다.

독립지수는 2개(예: andη)밖에 없다는 것을 알 수 있다.

서로 다른 시스템에서 발생하는 위상 전이가 종종 동일한 일련의 임계 지수를 갖는다는 것은 주목할 만한 사실입니다.이 현상은 보편성이라고 알려져 있다.예를 들어, 액체-가스 임계 지점의 임계 지수는 유체의 화학 성분과 무관한 것으로 밝혀졌다.

더 인상적이지만 위에서 보면 단축 자석의 강자성 위상 전이 임계 지수와 정확히 일치합니다.이러한 시스템은 같은 유니버설리티 클래스에 속한다고 합니다.보편성은 위상 천이에 가까운 시스템의 열역학적 특성은 차원 및 대칭과 같은 소수의 특징에만 의존하며 시스템의 기본적인 미시적 특성에 둔감하다는 상 전이의 재규격화 그룹 이론의 예측입니다.다시, 상관 길이의 분산이 필수 포인트입니다.

임계 속도 저하 및 기타 현상

다른 임계 현상도 있다. 예를 들어 정적 기능 외에 임계 역학도 있다.그 결과, 위상 천이 시 임계 속도 저하 또는 가속이 관찰될 수 있습니다.연속 위상 천이의 큰 정적 보편성 클래스는 더 작은 동적 보편성 클래스로 분할됩니다.임계 지수 외에 자기장의 특정 정적 또는 동적 함수 및 임계값과의 온도 차이에 대한 보편적 관계도 있습니다.

생체 시스템의 상변화

상전이는 생물학적 시스템에서 많은 중요한 역할을 한다.를 들어 지질양층 형성, 단백질 접힘DNA 용융 과정에서의 코일글로불 전이, DNA 응축 과정에서의 액정상 전이,[30] 상전이 특성을 가진 DNA 및 단백질에 대한 협조 리간드 결합 등이 있다.

생체막에서 겔에서 액정상으로의 전이는 생체막의 생리적인 기능에 중요한 역할을 한다.겔상에서는 막지질 지방산 사슬의 유동성이 낮기 때문에 막단백질은 움직임을 제한하고 생리적인 역할을 하는 것을 억제한다.식물은 추운 환경 온도에 노출되는 엽록체 틸라코이드 막에 의한 광합성에 매우 의존한다.틸라코이드막은 리놀렌산, 3중결합을 [31]가진 18탄소사슬의 고함량 지방산 장애로 인해 비교적 낮은 온도에서도 선천적인 유동성을 유지한다.생체막의 겔-액체 결정상 전이온도는 일련의 시료온도에서 해당 파라미터의 측정을 기록함으로써 열량측정, 형광, 스핀라벨 전자상자기공명NMR을 포함한 많은 기술로 판정할 수 있다.또한 13-C NMR 라인 강도에서 결정하는 간단한 방법도 [32]제안되었다.

일부 생물학적 시스템이 임계점 근처에 있을 수 있다는 주장이 제기되었다.예를 들어 도롱뇽 [33]망막의 신경망, [35]드로소필라의[34] 새떼 유전자 발현망,[36] 단백질 접힘 등이 있다.그러나 대안적 이유가 중요성 [37]주장을 뒷받침하는 일부 현상을 설명할 수 있을지는 명확하지 않다.또한 생물학적 유기체는 위상 전이의 두 가지 핵심 특성인 거시적 행동의 변화와 임계 [38]지점에서 시스템의 일관성을 공유한다고 제안되었다.상전이는 생체 시스템에서 [39]운동 거동의 두드러진 특징이다.피로 유도 운동 [41]작업 해제뿐만 아니라 자발적 보행 [40]전환은 이전에 안정된 운동 행동 패턴의 갑작스러운 질적 변화를 암시하는 전형적인 위험 행동을 보여준다.

2차 위상 전이의 특징은 일부 축척이 없는 특성에서 프랙탈이 나타나는 것입니다.단백질 구형이 물과의 상호작용에 의해 형성된다는 것은 오랫동안 알려져 왔다.단백질 펩타이드 사슬에는 친수성부터 소수성까지 20개의 아미노산이 있어 전자는 구상 표면 근처에 있는 반면 후자는 구상 중심 근처에 있다.5,000개 이상의 단백질 [42]세그먼트의 용매 관련 표면적에서 20개의 프랙탈이 발견되었다.이러한 프랙탈의 존재는 단백질이 2차 상전이의 임계점 근처에서 기능한다는 것을 증명한다.

스트레스를 받는 유기체 그룹에서(임계 전환에 접근할 때) 상관관계가 증가하는 경향이 있는 동시에 변동도 증가한다.이 효과는 사람, 생쥐, 나무, 풀잎 [43]식물 그룹에 대한 많은 실험과 관찰에 의해 뒷받침된다.

실험적인

다양한 효과를 연구하기 위해 다양한 방법이 적용된다.선택한 예는 다음과 같습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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