M.Sc. Sustainable Materials – Polymer Sciences

M.Sc. Sustainable Materials –
Polymer Sciences
University of Freiburg
Université de Strasbourg
Einleitende Worte
Dieses Modulhandbuch dient als Einstiegshilfe und Leitfaden für das Studium im
Masterstudiengang Sustainable Materials – Polymer Sciences (M.Sc.) in Freiburg und der
internationalen Variante an der Université de Strasbourg. Es enthält allgemeine
Informationen über die Universität Freiburg als Studienort, sowie der Sustainable
Materials – Polymer Sciences (M.Sc.) als Studienfach, außerdem einen Überblick über
Struktur und Ablauf des Masterstudiengangs Sustainable Materials – Polymer Sciences
(M.Sc.) in Freiburg. Kernstück ist der Modulkatalog, der die Details über die
Lehrveranstaltungen der Module beinhaltet.
Das Modulhandbuch wurde mit Sorgfalt erstellt und bietet eine große Fülle an
Informationen
in
verständlicher
Form.
Eine
Garantie
auf
Vollständigkeit
oder
Beantwortung aller Fragen kann gleichwohl nicht gegeben werden. Falls Sie Fragen
haben,
die
im
Modulhandbuch
nicht
beantwortet
werden,
so
wenden
Sie
sich
vertrauensvoll an die Anlaufstellen, die im Anhang genannt werden. Auch Ergänzungen
oder Korrekturen sind willkommen.
Zur
besseren
Lesbarkeit
wird
darauf
verzichtet,
weibliche
und
männliche
Personenbezeichnungen im vorliegenden Bericht aufzuführen. In allen Fällen
geschlechterspezifischer Bezeichnungen sind sowohl Frauen als auch Männer gemeint.
Juni 2015
Inhaltsverzeichnis
Einleitende Worte .................................................................................................. 2
1. Voraussetzungen für das Studium ..................................................................... 3
2. Das Curriculum ............................................................................................... 4
3. Die Dozenten des Studiengangs ........................................................................ 6
4. Wie lese ich eine Modulbeschreibung? ................................................................ 7
5. Modulbeschreibungen ...................................................................................... 9
6. Anhang .........................................................................................................28
06.2015 M.Sc. Sustainable Materials – Polymer Sciences
2
Der Studiengang
Der Studiengang ist an den Schnittstellen von Polymerwissenschaften mit Mikrosystem-,
Bio-, Energie-, Nano- und Kunststofftechnik angesiedelt.
Der
Studiengang
eröffnet
Polymerwissenschaften
Mikrosystem-,
und
Energie-,
hochmolekulare
den
Stoffe
zur
Nano
Zugang
zum
hochaktuellen
nachhaltigen
und
Entwicklung
Biotechnik.
(„Makromoleküle“)
in
Polymere
Natur
und
Forschungsgebiet
von
der
polymerbasierter
sind
multifunktionale
Technik,
die
leicht
anwendungsspezifisch maßschneidert und in technische und biologische Systeme
integriert werden können. Kosten-, ressourcen-, öko- und energieeffiziente polymere
Materialien
und
Systeme
sind
im
täglichen
Leben
unverzichtbar
und
machen
„Hightech“ für alle Menschen verfügbar. Der Studiengang wird national und binational,
gemeinsam mit der Universität Strasbourg, angeboten. Der Brückenschlag zwischen
Natur- und Technikwissenschaften sowie Material-, Nano-, und Biowissenschaftenschafft
ist ein einzigartiges multidisziplinäres Umfeld in Forschung und Lehre. Durch enge
Kontakte mit der Wirtschaft werden industrielle Aspekte der nachhaltigen Entwicklung
einbezogen.
1.
Voraussetzungen für das Studium
Der Masterstudiengang Sustainable Materials ist ein interdisziplinärer und interfakultärer
naturwissenschaftlicher
Mikrosystemtechnik,
Studiengang
Physik,
Ingenieurwissenschaften.
Polymerwissenschaften
Medizin
Er
und
der
an
den
und
der
umfasst
Schnittstellen
Material-,
insbesondere
Polymertechnik,
die
auf
von
Bio-,
Chemie,
Umwelt-
und
Themenbereiche
der
eine
und
Forschungs-
Entwicklungstätigkeit in wissenschaftlichen Einrichtungen oder der Wirtschaft hinführen.
Zulassungsvoraussetzungen
(1) Zum Studium im Studiengang Master of Science Sustainable Materials – Polymer
Sciences wird zugelassen, wer
1. einen ersten Abschluss an einer deutschen Hochschule in einem Studiengang der
Chemie, der Physik, der Mikrosystemtechnik, der Materialwissenschaften, der Life
Sciences oder der Biologie oder in einem gleichwertigen mindestens dreijährigen
Studiengang an einer deutschen oder ausländischen Hochschule erworben hat, der den in
Absatz 2 genannten qualifizierten Anforderungen genügt,
06.2015 M.Sc. Sustainable Materials – Polymer Sciences
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2. über Kenntnisse der deutschen und der englischen Sprache verfügt, die jeweils
mindestens dem Niveau B2 des gemeinsamen europäischen Referenzrahmens für
Sprachen entsprechen,
3. die allgemeine Hochschulreife oder eine einschlägige fachgebundene Hochschulreife
beziehungsweise
eine
gleichwertige
ausländische
Hochschulzugangsberechtigung
erworben hat und
4. nicht in einem Master- oder Diplomstudiengang der Polymerwissenschaften eine
Prüfung endgültig nicht bestanden oder seinen Prüfungsanspruch verloren hat.
(2) Der Bewerber hat den Nachweis zu erbringen, dass er im Rahmen des zum ersten
Abschluss führenden Hochschulstudiums (Absatz 1 Nr. 1) durch die Erbringung von
Studien- und Prüfungsleistungen mindestens 12 ECTS-Punkte in Fachgebieten der
Chemie sowie insgesamt mindestens 15 ECTS-Punkte in den Fächern Mathematik
und Physik erworben hat.
2.
Das Curriculum
a. Nationale Variante
Strukturell ist das Studium in drei Abschnitte gegliedert: In den ersten beiden
Fachsemestern
werden
Makromolekularen
im
Ausbildungsziel
Erarbeitung
erarbeitet.
Rahmen
des
der
Grundlagen
der
Makromolekularen
Materialwissenschaften,
Polymertechnologie
Profilbildung
die
dritten
Daran
des
schließt
Vertiefungs-
Fachsemesters
Masterarbeit,
der
die
im
Polymerphysik
sich
und
ist
im
des
zudem,
vierten
Chemie
dritten
und
und
der
der
Fachsemester
die
Forschungspraktikums
an.
die
die
Studierenden
Fachsemester
an
angefertigt
wird,
heranzuführen.
In den ersten beiden Fachsemestern sind die Module Macromolecular Materials and
Chemistry, Polymer Physics, Industrial Polymer Science, Methoden und Konzepte und das
Schwerpunktmodul zu absolvieren. Für alle Studierenden verpflichtend ist zu Beginn des
Studiums
das
Praktikum
Macromolecular
Materials
and
Chemistry
mit
zweiwöchigem Kompaktkurs und dreiwöchigen praktischen Arbeiten. Im Kompaktkurs
werden
die
unterschiedlichen
Vorkenntnisse
der
aus
ganz
verschiedenen
Bachelorstudiengängen stammenden Studierenden einander angeglichen. Zudem lernen
06.2015 M.Sc. Sustainable Materials – Polymer Sciences
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die Studierenden alle am Studiengang beteiligten Dozenten und ihre Forschungsgebiete
im Kompaktkurs kennen.
Im Modul Macromolecular Materials und Chemistry ist die Vorlesung Basic principles
of polymer technology für alle Studierenden verpflichtend. Für Studierende, die bereits
eine
äquivalente
Veranstaltung
erfolgreich
absolviert
haben,
ist
stattdessen
die
Teilnahme an den Veranstaltungen Chemie von Makromolekularen Materialien und
Physikalische Chemie von Polymeren verpflichtend. Außerdem wird eine Vorlesung über
Funktionspolymere angeboten.
Im Modul Polymer Physics sind die Vorlesungen mit Übungen aus der Experimentellen
Polymerphysik
und
der
Modellierung
von
Polymeren
von
den
Studierenden
zu
absolvieren.
Das Modul Industrial Polymer Science findet in der vorlesungsfreien Zeit statt. In
einem
einwöchigen
Kurs
werden
die
Studierenden
zunächst
in
die
industrielle
Polymerforschung eingeführt und lernen im Anschluss daran in Exkursionen die
entsprechende Praxis in der Industrie kennen. Für die Exkursionen konnten bereits
geeignete Unternehmen gewonnen werden.
Im Modul Methoden und Konzepte können die Studierenden im ersten bis dritten
Fachsemester Lehrveranstaltungen nach eigener Wahl aus dem Angebot der Fakultät für
Chemie und Pharmazie, der Fakultät für Mathematik und Physik, der Technischen
Fakultät und der Fakultät für Umwelt und Natürliche Ressourcen belegen.
Masterarbeit
30 ECTS
Vertiefungspraktikum
12 ECTS
Forschungspraktikum
12 ECTS
Schwerpunktmodul
15 ECTS
Praktikum Macromolecular Materials and
Chemistry
9 ECTS
Industrial Polymer Sciences
9 ECTS
Macromolecular Materials and Chemistry
9 ECTS
Methoden und Konzepte
15 ECTS
Polymer Physics
9 ECTS
b. Schwerpunktmodule
Individuelle Schwerpunkte werden von den Studierenden im zweiten Fachsemester im
Schwerpunktmodul gesetzt, das in einem der drei Schwerpunktbereiche Advanced
Macromolecular
Materials
and
Nanostructure
Engineering,
Macromolecular
Engineering and System Integration sowie Biomaterials and Biosystems zu
absolvieren ist. Die Lehrveranstaltungen finden wöchentlich in Form von Vorlesungen,
Übungen und Seminaren sowie als Blockveranstaltungen statt.
06.2015 M.Sc. Sustainable Materials – Polymer Sciences
5
3.
Die Dozenten des Studiengangs
06.2015 M.Sc. Sustainable Materials – Polymer Sciences
6
4. How to read and understand a module description
This example is to explain the layout of a module description and the terms that are used
Module
M 1 Macromolecular Materials and
Chemistry
Name of the module and shortcut (M1)
Department:
Makromolekulare Chemie
= university department(s)
organizing this module
Recommended semester:
Courses
1. FS
Number of Credit Points you get for completing
this module, 1 ECTS Credit Point corresponds to a
workload of 30 h (contact time + self-study) – no
matter if it is for a lecture, lab course or exercises.
Here you find the list of all courses offered
within this module and their properties
(explanation below the table)
For students with knowledge of macromolecular
chemistry:
a. MC II Chemistry of macromolecular materials
b. MC III Physical chemistry of polymers
For students without knowledge of
macromolecular chemistry:
c. MC I Basic principles of polymer sciences
For all students – one of the following elective
courses:
d. Functional polymers and energy
e. PC V Scattering methods in sustainable
materials
f. Rheology of complex polymer materials
Type
Workload
contact
time
Workload
self-study
6 ECTS CP
P/
WP
SWS
VL
VL
30 h
30 h
30 h
30 h
P
P
2
2
VL+Üb
60 h
60 h
P
4
VL
VL
15 h
30 h
30 h
30 h
WP
WP
1
2
VL
30 h
30 h
WP
2
Type:
VL – lecture („Vorlesung“)
Üb – exercise („Übung“)
Pr – lab course („Praktikum“)
Contact time („Kontaktzeiten“)
is the time you spend at university
at lectures, lab courses, ...
Self-study is the time you spend in
addition, repeating the subject
matter at home, preparing for lab
courses, writing protocols, studying
at the library, …
P/WP:
P – mandatory course (“Pflichtkurs”)
WP - elective course (“Wahlpflichtkurs”)
SWS (“Semesterwochenstunden”):
Hours of contact time per week (only during the part of the
semester in which lectures take place, not during the semester break)
Responsible person
Prof. Dr. Rolf Mülhaupt
Teachers
The lecturers of the faculty of chemistry and pharmacy
Recurrence frequency
= when and how often a
course is offered
a.–c. every WS
d.-f. in some WS
Language
German or English “or” means it is individually decided by each lecturer
Requirements
The lab course in … has to be passed before.
Goals
In case of doubt, ask your teacher if it is possible for you to take
part in a particular course.
Here you will find a description of what you should learn by
Letters are referring to the numbering in the list
of courses
06.2015 M.Sc. Sustainable Materials – Polymer Sciences
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completing this module
Contents
Here you will find a summary of the topics of each course
Required
Achievements
and Exams
PL: oral exam on the contents of the lectures (a.-c.) and one of the
courses d.-f.).
Exams (“Prüfungsleistungen”, PL) = final exam that is required to complete the module, this can
be a written or oral exam, a graded report or lab course, etc. or a combination of these
Achievements („Studienleistungen“, SL) = anything that is not graded but also needed to
complete the module, e.g. a certificate of attendance
06.2015 M.Sc. Sustainable Materials – Polymer Sciences
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5. Modulbeschreibungen
Modul/module
M 1 Macromolecular Materials and
Chemistry
Fach/department:
Makromolekulare Chemie
Empfohlenes Semester/
1. FS
9 ECTS CP
recommented semester:
Lehrveranstaltungen/units
Für Studierende mit Kenntnissen der
makromolekularen Chemie:
a. MC II Chemistry of Macromolecular Materials
b. MC III Physikalische Chemie von Polymeren
Studierende ohne Kenntnisse der Makro
müssen die Klausur MC I Grundlagen der
Polymerwissenschaften erfolgreich absolvieren,
die Leistung wird als Methoden und Konzepte
mit 4 ECTS Punkten verbucht.
Für alle: 1 Veranstaltung aus dem
Wahlpflichtbereich
c. Functional polymers and energy
d. PC V Scattering Methods in Sustainable
Materials
e. Rheologie komplexer polymerer Materialien
f. Rheologie heterogener polymerer Materialien
Lehrform/
Type
Kontaktzeit/
Workload
contact
Selbststudium/
Workload
self-study
P/
WP
SWS
VL+Ü
VL+Ü
45 h
45 h
45 h
45 h
P
P
4
4
VL+Üb
60 h
60 h
P
4
VL
VL
15 h
30 h
30 h
30 h
WP
WP
1
2
VL
VL
30 h
30 h
30 h
30 h
WP
WP
2
2
Modulverantwortlicher
persons resonsible
Prof. Dr. Rolf Mülhaupt
Dozenten/teachers
Die Dozenten der Fakultät für Chemie und Pharmazie
Turnus/rotation
a.–e. Jedes WS
Sprache/language
deutsch/englisch
Voraussetzungen/
requirements
keine
Lernziele/goals
In Einzelveranstaltungen vertiefen die Studierenden, aufbauend auf
den Grundlagen der Chemie und Technologie von Makromolekülen,
ihre
Kenntnisse
und
Fertigkeiten
im
Bereich
der
Polymerwissenschaften. Sie können Methoden zur Synthese,
Materialcharakterisierung, Funktionspolymerdesign, Polymerverarbeitung anwenden.
Lehrinhalt/contents
MC II Chemistry of Macromolecular Materials
Synthesemethoden und Reaktionsmechanismen (Ketten- und
Stufenreaktionen)
am
Beispiel
von
modernen
polymeren
Werkstoffen,
Heterophasenpolymerisation,
Reaktorblends,
Blockcopolymersynthese.
MC III Physikalische Chemie von Polymeren
Konformation und Modelle für Makromoleküle, freies Volumen,
Transport, Wechselwirkung Polymer/Lösungsmittel (Flory-Huggins)
mit
Phasenseparation
und
Fraktionierung,
Polymeranalytik
06.2015 M.Sc. Sustainable Materials – Polymer Sciences
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(Lichtstreuung,
GPC,
Viskosimetrie),
Strukturbildung
und
Multiphasenpolymere,
Kautschukelastizität,
Kristallisation,
Viskoelastizität, Spektroskopie, Rheologie, Polymerverarbeitung.
MC I und Übungen
Polymersynthesen:
Molekulargewicht
und
Molekulargewichtsverteilung von Polymeren, Stufenreaktionen, Kettenreaktionen
(radikalisch, anionisch, kationisch), Lebende Polymerisationen,
Thermodynamik, Ceiling-Temperatur, Biosynthesen, Polyinsertion,
Stereospezifische
Polymerisation,
Polymeranaloge
Umsetzung,
Copolymerisation, Polymere in Lösung und Polymeranalytik:
Konformation,
Modelle,
Mischungsthermodynamik,
Phasendiagramme,
Polymeranalytik
(kolligative
Eigenschaften;
Viskosimetrie; GPC; Ultrazentrifuge; Lichtstreuung); Polymere im
festen
Zustand:
Polymeranalytikund
–verarbeitung,
Werkstoffeigenschaften, Schmelz- und Glasübergangstemperatur,
Kristallinität, Polymeranalytik, Kautschukelastizität, Viskoelastizität,
Rheologie und Kunststoffverarbeitung.
Functional polymers and energy*
Die Veranstaltung wird als Ringvorlesung mit wechselnden Dozenten
angeboten und umfasst alle Bereiche, in denen Funktionspolymere
bei der Umwandlung und Einsparung von Energie eine wichtige Rolle
einnehmen. Es werden Themengebiete wie die organische
Photovoltaik,
Polymer-und
biobasierte
Brennstoffzellen,
Thermoelektrik, Superkondensatoren, elektrische Isolierstoffe, und
Polymerbatterien behandelt.
PC V Scattering Methods in Sustainable Materials*
Grundlagen der Streuung; Wechselwirkung elektromagnetischer
Strahlung mit Materie; Partikelstreuung; kohärente und inkohärente
Streuung; Unterschiede zwischen Lichtstreuung, Röntgenstreuung
und Neutronenstreuung; Rayleighstreuung an Atomen, Flüssigkeiten
und Polymerlösungen; Dynamische Lichtstreuung; Charakterisierung
von Kolloiden mit Röntgen- und Neutronenkleinwinkelstreuung;
Kontrastvariation zur Analyse der inneren Struktur von Kolloiden.
Rheologie komplexer polymerer Materialien*
Grundlagen
der
Rheologie,
Deformation,
Deformationsgeschwindigkeit,
Spannung,
rheologische
Messtechniken und Geräte, rheologische Konstitutivgleichungen.
Thermorheologische Eigenschaften von Suspensionen, Einfluss von
Form, Menge und Wechselwirkungspotenzial monodisperser, mikround nanoskaliger Füllstoffe auf Viskosität und Elastizität,
Rheologische Konstitutivgleichungen für Suspensionen, Flüssig-FestÜbergänge.
Thermorheologische Eigenschaften von Emulsionen, Deformation,
Bruch und Kovaleszens einzelner Tropfen, Einfluss von Menge an
disperser Phase, Viskositätsverhältnis zwischen Blendpartnern und
Grenzflächeneigenschaften auf die rheologischen Eigenschaften der
Emulsion, Rheologische Eigenschaften von Blockcopolymeren.
Rheologie heterogener polymerer Materialien*
Grundlagen
der
Rheologie,
Deformation,
Deformationsgeschwindigkeit,
Spannung,
rheologische
Messtechniken und Geräte, rheologische Konstitutivgleichungen.
Thermo-rheologische Eigenschaften von Suspensionen. Einfluss von
Form, Menge und Wechselwirkungspotenzial monodisperser, mikround nanoskaliger Füllstoffe auf Viskosität und Elastizität,
Rheologische Konstitutivgleichungen für Suspensionen, Flüssig-FestÜbergänge.
06.2015 M.Sc. Sustainable Materials – Polymer Sciences
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Thermorheologische Eigenschaften von Emulsionen. Deformation,
Bruch und Koaleszens einzelner Tropfen, Einfluss von Menge an
disperser Phase, Viskositätsverhältnis zwischen Blendpartnern und
Grenzflächeneigenschaften auf die rheologischen Eigenschaften der
Emulsion, Rheologische Eigenschaften von Blockcopolymeren.
* Wahlpflichtveranstaltung.
Studien- und
Prüfungsleistungen/
exams
PL: mündliche Modulprüfung über den Stoff der Vorlesungen (a., b.
und einer Lehrveranstaltung aus d.-f.).
06.2015 M.Sc. Sustainable Materials – Polymer Sciences
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Modul/module
M 2 Polymer Physics
Fach/department:
Physik
Empfohlenes Semester/
1. FS
9 ECTS CP
recommented semester:
Lehrveranstaltungen/units
a. Experimental polymer physics including
exercises
b. Polymer modeling (Theory and simulation of
molecular dynamics)
c. Übungen zu Theory and Simulation of
Molecular Dynamics*
Lehrform/
Type
Workload
contact
time
Workload
self-study
P/
WP
SWS
VL+Üb
90 h
90 h
P
4+2
VL+S
45 h
45 h
P
3
S
30 h
30h
*soll als Methoden und Konzepte mit 4 ECTS Punkten
verbucht werden.
Modulverantwortlicher
persons resonsible
Prof. Dr. Günther Reiter
Dozenten/teachers
Die Dozenten der Fakultät für Mathematik und Physik und von der
Université de Strasbourg
Turnus/rotation
Jedes WS
Sprache/language
englisch
Voraussetzungen/
requirements
Keine
Lernziele/goals
Lehrinhalt/contents
Experimentelle Polymerphysik mit Übungen
Die Vorlesung gibt eine Einführung in die experimentellen und
theoretischen Konzepte zum Verständnis und der Beschreibung von
Polymersystemen.
Dabei
werden
sowohl
angewandte
und
Materialaspekte diskutiert - wie das Fließen von Polymeren,
Elastomere und kristalline Polymere - als auch aktuelle Themen aus
der Grundlagenforschung wie z.B. der Glasübergang, die Dynamik in
eingeschränkten Geometrien und Selbstassemblierung. Die Vorlesung
behandelt grundlegende theoretische Konzepte und anschauliche
Experimente, wird mit einfachen Einzelkettenphänomenen beginnen
und dann stufenweise die komplexeren Strukturen und Dynamiken in
Polymerlösungen, -schmelzen und -mischungen entwickeln.
Theory and Simulation of Molecular Dynamics
Die Vorlesung bietet eine Einführung in unterschiedliche Konzepte der
Modellierung und Simulation von Polymersystemen.
Studien- und
Prüfungsleistungen/
exams
PL: mündliche Modulprüfung über den Stoff der Vorlesungen a. und
b.
06.2015 M.Sc. Sustainable Materials – Polymer Sciences
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Modul/module
P1 Praktikum Macromolecular Materials and
Chemistry
Fach/department:
Makromolekulare Chemie
Empfohlenes Semester/
1. FS
9 ECTS CP
recommented semester:
Lehrveranstaltungen/units
Lehrform/
Type
Kontaktzeit/
Workload
contact
Selbststudium/
Workload
self-study
P/
WP
Praktikum Macromolecular Materials and
Chemistry
Pr+S
135 h
135 h
P
SWS
9
Modulverantwortlicher
persons resonsible
Dr. Michael Sommer
Dozenten/teachers
Die Dozenten der Fakultät für Chemie und Pharmazie
Turnus/rotation
Jedes WS (Start letzte Januarwoche – Einführung in die präparative
Arbeit incl. Makromolekulares Kolloquium bis Anfang März)
Sprache/language
englisch
Voraussetzungen/
requirements
Keine
Lernziele/goals
Im Praktikum vertiefen die Studierenden, aufbauend auf den
Grundlagen
der
Chemie,
Physik
und
Technologie
von
Makromolekülen, ihre Kenntnisse und Fertigkeiten im Bereich der
Polymerwissenschaften.
Sie können Methoden zur Synthese, Materialcharakterisierung,
Funktionspolymerdesign, Polymerverarbeitung anwenden.
Lehrinhalt/contents
1 Woche nachmittags Sicherheitseinweisung und Laborsicherheit mit
Tutoren
2 Wochen nachmittags Blockkurs Grundlagen mit Übersicht der
Forschungsschwerpunkte der am Studiengang beteiligten Dozenten.
2 Tage Teilnahme an Makromolekulares Kolloquium
2 Wochen ganztags praktische Erfahrung mit wichtigen Methoden in
den Polymerwissenschaften, kontrollierte Polymerisationsmethoden,
Polymeranalytik (GPC, MALDI-TOF, NMR), moderne Mikroskopie an
Oberflächen und Grenzflächen (AFM, TEM, ESEM), Rheologie und
Polymerverarbeitung,
polymere
Werkstoffe
(Duroplaste,
Thermoplaste, Kautschuk), Dispersionen, Biopolymere und Polymere
für die Life Sciences.
Studien- und
Prüfungsleistungen/
exams
PL:
Protokoll
der
Versuche
Praktikumsassistenten
(25%);
Durchführung im Praktikum (25%)
06.2015 M.Sc. Sustainable Materials – Polymer Sciences
(25%);
Kolloquium
beim
Abschlussräsentation
(25%);
13
Module
S 1 Major module (“Schwerpunktmodul”)
Advanced Macromolecular Materials
and Nanostructure Engineering
Departments:
Makromolekulare Chemie / Physik
Recommended semester:
2. FS
Courses
Mandatory courses:
a. Functional polymers for sustainable
development
b. Physical processes of self-assembly and
pattern formation
c. MC IV Polymers for life sciences
d. Basic principles of polymer technology
At least 1 course has to be chosen from elective
courses:
e. Physical chemistry of colloids
f. Rheology of homogenous polymer materials
g. Progress in biomaterial engineering
15 ECTS CP
Type
Workload
contact
time
Workload
self-study
P/
WP
SWS
VL
30 h
30 h
P
2
VL+Üb
60+30h
90 h
P
6
VL
VL
30 h
15 h
30 h
15 h
P
P
2
1
VL
VL
S
30 h
30 h
30 h
30 h
30 h
30 h
WP
WP
WP
2
2
2
Responsible persons
Prof. Dr. Günther Reiter and Prof. Dr. Rolf Mülhaupt
Teachers
All the lecturers from the faculties of chemistry and pharmacy,
mathematics and physics and environmental and natural resources
Recurrence frequency
all courses: each SS
Language
English and/or German
Requirements
The lab course in Macromolecular Materials and Chemistry has to be
passed before.
Goals
Contents
Functional polymers for sustainable development
In this course, the ecological aspects of polymers and their key role in
sustainable development and the prospects of green economy will be
learned. An important objective is to understand how polymers
contribute to high resource-, cost- and energy-effectiveness and
modern high technologies, meeting the demands of a growing world
population. Special focus is placed upon polymer waste recycling, biobased polymers, renewable resources, polymers with low carbon
footprint, and tailored polymers for application in energy-related new
technologies.
Physical processes of self-assembly and pattern formation
Self-assembly will be controlled through the interaction between each
component. The assembly process and desired properties of this
system can be coded by intermolecular interactions.
In this course, general rules about the growing and developing of
ordered structures like physical rules and predictable differentiation in
organization based on changes of conditions or components will be
explained and discussed.
The students learn how the structural organization can form, from
sub-order of one system to regulated pattern. They study these
06.2015 M.Sc. Sustainable Materials – Polymer Sciences
14
patterns in different scales of molecules up to the macroscopic scales.
The students will realize which physical phenomena are responsible for
assembly of molecules and objects.
MC IV Polymers for life sciences
Biomaterials and biofunctional macromolecule chemistry, system
integration, imaging techniques and selected applications of functional
polymers in life sciences.
Basic principles of polymer technology
In this course, the basic principles and methods of polymer
processing, used for tailoring of advanced multicomponent and
multiphase polymeric materials, will be learned. An important
objective is to understand how polymers are rendered processable and
how macromolecules are converted into useful materials for
applications ranging from moldings to rubbers, fibers, blends,
composites and formulated products such as coatings, adhesives and
sealants.
Optional:Physical chemistry of colloids
An overview on the colloidal systems; interaction and colloid stability;
electrostatic stabilization and DLVO-potential; steric stabilization and
polymers on particle surfaces; phase behavior of colloid dispersions;
impact of particle interaction.
Optional Rheology of homogenous polymeric materials
Basics of rheology, deformation, deformation rate, stress, rheology
measurement techniques and instruments, rheological constitution
equations. Thermo-rheological properties of mono-disperse, linear
homo-polymers, impact of tacticity, polydispersity and branching on
their thermo-rheological properties. Rheology of static copolymers and
technical polymers. Thermo-rheological properties of miscible polymer
mixtures.
Optional Progress in biomaterial engineering
See section 3, Biomaterials.
Required
Achievements
and Exams
SL: Präsentation eines Themas in MC IV
PL: Oral exam on the content of lectures a.–d. and of one elective
course.
06.2015 M.Sc. Sustainable Materials – Polymer Sciences
15
Module
S2 Major module
Macromolecular Engineering and System
Integration
Department:
Faculty of Engineering („Technische Fakultät“)
Recommended semester:
2. FS
15 ECTS CP
Type
Courses
Mandatory courses:
a. Analysis of Microsystems
b. Lab course Surface Analysis
c. Mold Flow Simulations for Processes
d. Optimization of Manufacturing Processes
e. From Microsystems to Nanoworld
At least 1 course has to be chosen from elective
courses:
f. System integration of polymeric
components
g. Microstructured polymer components
h. Lithography
i. Basic principles of polymer technology*
*recommended elective course
Workload
contact
time
h
h
h
h
h
Workload
self-study
30
20
30
60
60
P/
WP
SWS
P
P
P
P
P
2
3
2
2
2
h
h
h
h
h
VL
Pr
VL
VL
VL
30
40
30
30
30
VL
30 h
30 h
WP
2
VL
VL
VL
30 h
30 h
15 h
30 h
30 h
15 h
WP
WP
WP
2
2
1
Responsible person
Prof. Dr. Rühe und Prof. Dr. Reinecke / Prof. Dr. C. Müller
Teachers
The lecturers of the faculty of engineering and the faculty of
chemistry and pharmacy
Recurrence frequency
a., c., d., e., f., i. every SS
b. 1 week before lectures start in SS
Language
English
Requirements
The lab course in Macromolecular Materials and Chemistry has to be
passed before
Goals
Contents
Analysis of Microsystems
The techniques presented are grouped into three general topics
which are imaging of surfaces (electron microscopy, scanning probe
techniques), chemical analysis (XPS, SIMS, FTIR) of the composition
of surfaces and methods for the determination of thicknesses
(Ellipsometry, XRR, Surface Plasmon Spectroscopy) of layers.
General topics from the surface sciences such as adhesion, wetting,
and adsorption processes are also presented together with the
techniques.
Lab course Surface Analysis
Topic 1: Determination of the layer thickness and roughness of
biocompatible coatings
Experiment 1: Using ellipsometry and x ray reflectometry to
determine the thickness of hydrogel coatings
Topic 2: Wetting of surfaces –Surface free energies
Experiment 2: Measurement of the contact angles of test liquids in
various surfaces; Determination of the surface free energy using the
Zisman method
06.2015 M.Sc. Sustainable Materials – Polymer Sciences
16
Experiment 3: Generation and characterization of microarrays on
various surfaces
Topic 3: Proteins / peptides on surfaces
Experiment 4: Measurement of the adsorption of blood proteins on
surfaces using Surface Plasmon Resonance
Experiment 5: Characterization of the structure of protein layers
using Fourier Transform Infrared Spectroscopy
Topic 4: DNA on surfaces
Experiment 6: Visualization of DNA on mica using the Atomic Force
Microscope
Mold Flow Simulations for Processes
Design of Material for Products
• Thermoset and rubber
• Amorphous polymer
• Semi crystalline polymer
Process and Technology
• Mould and process Control
• Injection Moulding - Micro Injection Moulding
• Extrusion
• Thermoforming
Fundamental Model for replication
• Thermal
• Mechanical
• Viscoelastic
• Rheology
• Filling, Compression, Packing and Cooling
The downscaling of replication
• Wall Slip
• Turbulent Flow
• Process Instabilities (Air bubbles, vacuoles)
• Shear Thinning and Heat conduction and heat transfer
Training on Software tools for simulation
• Material Characterisation
• Mould Model - Machine Model
• Meshing
Optimization of Manufacturing Processes
Electrochemical basis
• Electrochemical potential
• Faraday equation
• Nernst equation
• Double and multiple layers
Electrolytic material precipitation
• Plant technology
• Electrolyte composition (Ni, Au, Cu, Alloys)
• Material properties
• Dependencies of process and material properties
• Applications in microsystems technology (MTS)
Electrochemical processing
• Plant technology
• Electrolyte composition
• Process conditions
• Dependencies of process and material properties
• Applications in MTS
Electrical discharge machining as alternative
• Process technology
• Process conditions
• Dependencies of process and material properties
• Applications in MTS
Evaluation of process results in practice
06.2015 M.Sc. Sustainable Materials – Polymer Sciences
17
From Microsystems to the Nanoworld
1. INTRODUCTION
What is nanotechnology? The long way of science to nanotechnology
and nanoengineering: a survey. The current aspects of
nanoengineering: beyond terabyte hard drives. Future aspects:
Molecular motors and engines. Nano robots and nano machinery.
2. FOUNDATIONS
The physics governing properties of objects on the micro and
nanoscale. Principles of manufacturing nanometer scale devices:
Nature’s strategy: biomotors based on proteins - something the
human body already does, top-down approach: miniaturization of
macro world principles to ever smaller scales, bottom up strategy:
from synthesizing simple compounds consisting of a few atoms to
nanoengines. Examples of manmade nanostructures. Properties of
novel materials, strategies for visualization and object handling in
the nano world.
3. PROBLEMS
From Micro to Nano: what’s different. Physical and societal limits of
nanoengineering.
Lithography
The aim of the lecture is to provide an understanding of the
lithographic techniques that are used in microsystems technology:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Optical microscopy
Bright field illumination
Dark field illumination
Aperture stop
Field stop
Structure and function of photoresists
Positive and negative resists
Chemical composition of resists
Photomasks
Manufacturing
Materials
Structure and limits
Setup and function of a mask aligner
Alignment, front and back side
Exposure modes
Process operation and process chains
Characterisation of lithographically produced structures
Process variations
System integration of polymeric components
In Bearbeitung
Microstructured Polymer Components
In Bearbeitung
Basic principles of polymer technology
See Major module S1.
Required
Achievements
and Exams
PL: oral or written exam on the contents of courses a.–e. and of one
elective course
06.2015 M.Sc. Sustainable Materials – Polymer Sciences
18
Module
S3 Major module
Biomaterials and Biosystems
Departments:
Makromolekulare Chemie / Umwelt und Natürliche Ressourcen
Recommended semester:
2. FS
15 ECTS CP
Type
Courses
Mandatory courses:
a. Physical and Mechanical Behavior of Wood
b. Bio-based Polymers
c. MC IV Polymers for Life Sciences
d. Progress in Biomaterials Engineering
Workload
contact
time
VL+Pr
VL+Pr
VL
S
Workload
self-study
P/
WP
SWS
P
P
P
P
2
2
Responsible persons
Prof. Dr. Laborie und Prof. Dr. Shastri
Teachers
The lecturers of the faculty of chemistry and pharmacy and of the
faculty of environment and natural resources
Recurrency frequency a. a., b. Compact course, every SS
b. c., d. every SS
Language
English
Requirements
The lab course in Macromolecular Materials and Chemistry has to be
passed before
Goals
Physical and Mechanical Behavior of Wood
Read and interpret psychometric charts.
Relate wood structure to its orthotropic and hygroscopic character.
Present and discuss wood-water relationships in light of the various
states of water in wood.
Calculate and model water sorption isotherms in wood.
Compare the main mechanical properties of wood to those of other
common building materials.
Illustrate and discuss the impact of wood orthotropy on its
performance.
List some of the inherent advantages and disadvantages of wood in
its utilization for solid wood applications.
Propose possible approaches to improve wood dimensional stability
and performance.
Define the standard mechanical properties of wood and explain the
principle of the measurement methods.
Acquire and analyze laboratory data for wood density, specific
gravity, moisture content, and wood mechanical and viscoelastic
properties.
Illustrate the impact of water on the physical, viscoelastic and
mechanical behavior of wood.
Bio-based Polymers
Define and highlight the difference between the concepts “biobased”, ”biodegradable” and ”compostable”.
Define the 5 polymer parameters and illustrate with concrete
examples of polymers.
Describe the production pathway, chemistry and main properties of
the major bio-based polymers of industrial relevance.
Appraise the major properties of bio-based polymers based on their
structure.
Describe the principle of the main analytical tools available for R&D
06.2015 M.Sc. Sustainable Materials – Polymer Sciences
19
activities for the development and characterization of bio-based
polymers.
Analyze important structural features and thermal properties of
polymers with simple analytical techniques.
Contents
Physical and Mechanical Behavior of Wood
Wood is a natural material of large industrial significance. Its unique
structure, composition and design confer specific physical and
mechanical properties, which largely impact processing and utilization
both as a solid material and in derived bio-based composites. Within
this context, this module aims at understanding the physical,
viscoelastic and mechanical properties of wood in light of its
structural features. It comprises 3 sections: 1) wood physics, 2)
wood viscoelasticity and mechanics, and 3) laboratory methods for
the characterization of solid wood properties.
In the first section, the physical behavior of wood will be considered
by defining the main materials attributes and by delineating woodwater relationships. In addition, wood modification approaches aimed
at the stabilization of wood will be presented.
The second section will present the basic principles for understanding
the mechanical and viscoelastic behavior of wood. The different
modes and approaches to evaluate the viscoelastic and mechanical
performance of solid wood in static and dynamic conditions and other
relevant performance criteria such as fracture toughness will be
reviewed.
The last section will provide both theoretical background and handson experience to characterize the physical, mechanical and
viscoelastic properties via a laboratory project. It will further propose
a platform to delineate the relationships between the physical,
viscoelastic and mechanical properties of wood.
Bio-based Polymers
Bio-based polymers are at least partly derived from renewable
natural sources and comprise i) bio-based polymers directly derived
from vegetal biomass, ii) classically synthesized from bio-based
monomers and iii) produced directly by micro-organisms. Bio-based
polymers provide an alternative to petroleum-based polymers and
are also often designed for biodegradability or compostability. This
module surveys, in four sections, the production, structure and
properties of a wide range of bio-based polymers of current industrial
relevance.
In the first section, the fundamental concepts of polymers are
introduced. Polymer parameters, polymer types and concepts of
biodegradability and compostability are presented. The chemistry and
properties of industrially-relevant bio-based polymers derived from
biomass are then discussed in a second section. This includes the
first (bio)plastic materials ever produced and still of major industrial
relevance viz. cellulose derivatives, but also polymers based on
starch, plant oil, lignin / furans etc. The following section tackles biobased polymers produced from bio-based monomers and
microorganisms. This section encompasses a majority of polyesters
such as polylactic acid (PLA) and polyhydroxyalkanoates (PHB). In
contrast to bio-based polymers, examples of petroleum-derived
polymers particularly designed for biodegradability or compostability
are also introduced there.
In presenting these families of bio-based polymers, emphasis is
placed on the chemistry of production, structure-property
relationships and the resulting application. The module concludes
with a bio-based polymer laboratory, where students characterize
industrial samples of bio-based polymers with common analytical
methods and establish structure-property relationships. Excursions to
06.2015 M.Sc. Sustainable Materials – Polymer Sciences
20
polymer manufacturing companies will further help appreciate the
industrial interest and production processes of bio-based polymers.
MC IV Polymers for Life Sciences
Biomaterials and biofunctional macromolecular chemistry, system
integration, imaging techniques, selected applications of functional
polymers in life sciences.
Progress in Biomaterials Engineering
Progress in Biomaterials Engineering is a theme driven modular class
that covers a wider variety of topics concerning the application of
materials in biomedical applications. The topics covered include
synthetic and biological polymeric systems for engineering, cell
encapsulation and de novo tissue repair, nanomaterials for drug
delivery, imaging and diagnostics, concepts in nanoscale surface
engineering, ground and top-down design of biomaterials and
systems using bio-orthogonal chemistry, with an emphasis on
applications in cardiovascular diseases, cancer, and stem cell niche
design.
Required
achievements
and exams
PL: oral exam on the contents of lectures c. and d. (33%), grades
from courses a. and b. (each course 33 %)
06.2015 M.Sc. Sustainable Materials – Polymer Sciences
21
Module
Industrial Polymer Sciences
Department:
Makromolekulare Chemie
Recommended semester:
2. FS
Courses
a. Lab course: Methods for Applications of Polymers
9 ECTS CP
Type
Workload
contact
time
Workload
self-study
P/
WP
SWS
Pr
40 h
60 h
P
3
Pr+S
V
75 h
20 h
65 h
10 h
P
P
4
1
in Life Sciences
b. Industrial Polymer Sciences
c. Polymers in Membrane Technology
Responsible persons
Prof. R. Mülhaupt; Prof. P. Shastri and PD D. Vonwil
Teachers
All lecturers of the faculty of chemistry and pharmacy
Recurrence frequency
a. Each SS
b. First week in August
c. Each SS
Language
English
Requirements
None
Goals
Contents
Lab course: Methods for Applications of Polymers in Life Sciences
The implementation of materials in life sciences requires a
multidisciplinary skill set. This series of lab modules will cover the
synthesis, characterization and application of synthetic and natural
biodegradable polymers for drug delivery, cell delivery and cell
targeted therapies. The participants will be exposed to specific
analytical techniques and characterization methods such as dynamic
light scattering, atomic force microscopy, scanning electron
microscopy, cell culture, fluorescent and light microscopy and
rheology, that are critical for biomaterials research.
Industrial Polymer Sciences
One week course by a lecturer from the industrial companies.
One week excursion visiting industrial mass productions, preparing a
visit report.
Polymers in Membrane Technology
The lecture will focus on polymeric materials for membrane
separation technologies. The scope of applications that will be
discussed ranges from water to oil & gas, biotech, dialysis to food
with a focus on water filtration technologies.
Required
achievements
and exams
a. SL: Ungraded report.
06.2015 M.Sc. Sustainable Materials – Polymer Sciences
22
Module
P2 Master Laboratory Course - Advanced
(“Vertiefungspraktikum”)
Makromolekulare Chemie / Technische Fakultät / Umwelt und
Department:
Natürliche Ressourcen
Recommended semester:
3. FS
Courses
Master Laboratory Course - Advanced
(„Vertiefungspraktikum“)
12 ECTS CP
Type
Workload
contact
time
Workload
self-study
P/
WP
Pr
135 h
225 h
P
SWS
9
Responsible person
Supervisor of master thesis
Teachers
---
Recurrence frequency
Every semester
Language
English and/or german
Requirements
The lab course in Macromolecular Materials and Chemistry has to be
passed and the major module (S1, S2 or S3) has to be completed.
Goals
During the master laboratory course, the students learn how to work
independently, using scientific methods in order to obtain information
that is relevant for research.
In consultation with the responsible person, the course may take
place in industry or at a different university or research facility.
Contents
Complex facts and issues are imparted based on the knowledge
obtained in the previous courses. The students are introduced to
sophisticated applications of scientific methods, which are adapted to
state-of-the-art research. A solid basis for independent scientific
working is created, preparing the students for the upcoming research
training laboratory and the master thesis.
Required
achievements
and exams
PL: Report, presentation or oral exam (in consultation with the
supervisor of the master thesis)
06.2015 M.Sc. Sustainable Materials – Polymer Sciences
23
Module
P3 Research Training Laboratory
(“Forschungspraktikum“)
Department:
Makromolekulare Chemie / Technische Fakultät / Umwelt und
Natürliche Ressourcen
Recommended semester:
3. FS
Courses
Research Training Laboratory
12 ECTS CP
Type
Workload
contact
time
Workload
self-study
P/
WP
Pr
135 h
225 h
P
SWS
9
Responsible person
Supervisor of the master thesis
Teachers
---
Recurrency frequency
Every Semester
Language
English and/or german
Requirements
The lab course in Macromolecular Materials and Chemistry has to be
passed and the major module (S1, S2 or S3) has to be completed.
Goals
The students get used to working their way into different fields of
polymer sciences. They learn how to read, question, understand and
write scientific articles. In the end, they are able to apply their expert
knowledge in a new, unfamiliar and multidisciplinary context.
Contents
Preparation of and initial training for the master thesis. In
consultation with the thesis supervisor, the course may take place in
industry or at a different university or research facility.
Required
achievements
and exams
SL: in consultation with the master thesis supervisor.
06.2015 M.Sc. Sustainable Materials – Polymer Sciences
24
Module
Methods and Concepts („Methoden und
Konzepte“)
Makromolekulare Chemie / Technische Fakultät / Umwelt und
Department:
Natürliche Ressourcen
Recommended semester:
1.-3. FS
15 ECTS CP
Type
Courses
Workload
contact
time
Workload
self-study
P/
WP
SWS
Elective courses:
All courses that are part of the other two major
modules (which you did not choose) and all
elective courses within this masters program.
Special/advanced lectures and lab courses
according to the offer in the course catalog.
Special/advanced lectures and lab courses
outside the universities of Freiburg and
Strasbourg in consultation with the responsible
person.
Responsible person
Prof. Dr. Mülhaupt
Teachers
Various lecturers and supervisors of lab courses
Recurrency frequency
Every semester
Language
english/german/international
Requirements
none
Goals
The students learn about various methods and concepts. They are
able to handle instruments and evaluate data independently.
Contents
Diverse subject areas beyond the curriculum.
Required
achievements
and exams
SL: in consultation with the supervisor of the individual course or
with the responsible person.
A maximum of 4 ECTS Credit Points may be given for each course.
Achievements from other M.Sc. programs may be credited.
06.2015 M.Sc. Sustainable Materials – Polymer Sciences
25
Module
Master thesis
Makromolekulare Chemie / Technische Fakultät / Umwelt und
Department:
Natürliche Ressourcen
Recommended semester:
4. FS
Courses
Master thesis
Responsible person
30 ECTS CP
Type
Workload
contact
time
Pr
800 h
Workload
self-study
100
P/
WP
SWS
P
15
Supervisor of the master thesis
Dozenten/teachers
Recurrency frequency
Every semester
Language
English and/or german
Requirements
The lab course in Macromolecular Materials and Chemistry has to be
completed.
A minimum of 70 ECTS Credit Points has to be accumulated before.
Goals
The students learn how to read, question, understand and write
scientific articles. In the end, they are capable of applying their
expert knowledge in a new, unfamiliar and multidisciplinary context.
They are able to apply modern techniques and to plan, execute and
document experiments independently.
Lehrinhalt/contents
The master thesis is a scientific project, in which the candidate is
guided concerning topic, content and methods. It is connected to a
particular field of research and it is supposed to be kept simple. The
thesis is guided by two supervisors. One of them must be Professor
at the University of Freiburg or Strasbourg (“Referent”).
The master thesis is supposed to be done at the faculty of chemistry
and pharmacy, the faculty of engineering, the faculty of environment
and natural resources, the faculty of mathematics and physics or at
the University of Strasbourg. Exceptions to this rule must be
approved
by
the
examination
committee
(“Masterprüfungsausschuss”).
Die Masterarbeit ist eine wissenschaftliche Arbeit, die thematisch,
methodisch und inhaltlich unter Anleitung gestellt wird. Die
Masterarbeit ist aus einem Fachgebiet und sollte einfach gehalten
werden.
Die
Masterarbeit
wird
von
zwei
Referenten betreut. Ein Referent ist betreuender Professor aus der
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg oder aus der Université de
Strasbourg und ein weiterer Korreferent.
Die Masterarbeit kann an der Universität Freiburg oder Strasbourg,
an einem Forschungsinstitut oder in der Industrie erstellt werden.
Wenn die Masterarbeit nicht an der Universität erstellt wird, müssen
folgende Vorgaben verpflichtend eingehalten werden:
•
Vorab: Thema und Inhalte der Arbeit - ½ Seite
Projektbeschreibung
•
Offizielle Betreuer ist ein Professor des Studiengangs
(Zweitreferent
kann
aus
der
Industrie
oder
aus
einem
Forschungsinstitut) – Note wird vom betreuenden Professor vergeben
Jede Masterarbeit muss vor dem Arbeitskreis des betreuenden
Professors aus der Universität verteidigt werden.
06.2015 M.Sc. Sustainable Materials – Polymer Sciences
26
Required
achievements
and exams
PL: written master thesis (english or german).
06.2015 M.Sc. Sustainable Materials – Polymer Sciences
27
6. Appendix
Contact persons:
Persons responsible for the masters program:
Prof. Rolf Mülhaupt
Dr. Michael Sommer
[email protected]
Program coordinator in chemistry:
Christina Kress-Metzler
[email protected]
and all lecturers involved in the program.
06.2015 M.Sc. Sustainable Materials – Polymer Sciences
28

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