Irreversible deposition/adsorption processes on solid surfaces

¹ Institut Charles Sadron, Centre National de la Recherche Scientifique et Université Louis Pasteur, 6 rue Boussingault, 67083 Strasbourg Cedex, France
² École Européenne de Chimie, Polymères et Matériaux, Université Louis Pasteur, 25 rue Becquerel, 67087 Strasbourg Cedex 2, France
³ Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale, Unité 424, Fédération de Recherche “Odontologie”, Université Louis Pasteur, 11 rue Humann, 67085 Strasbourg Cedex, France

Abstract

In this article, we summarize the knowledge in the field of irreversible deposition processes of large molecules or colloidal particles on solid surfaces. An irreversible adsorption process is defined as a process in which, once adsorbed, a particle can neither diffuse along, nor desorb from the surface. We first introduce the basic tools used in these studies, one of the most important being the concept of available surface function. General results relative to these processes are then presented. We discuss, in particular, the connection between the reduced variance of the number density fluctuations of adsorbed particles and the available surface function. We then review the main models which were introduced in the literature to account for these phenomena. They can be divided in two classes: (i) the models which are based entirely on statistical and geometrical grounds. The best known and most widely studied of them is the Random Sequential Adsorption (RSA) model which is discussed in details. For the processes in which gravity plays an important role one uses the Ballistic Deposition (BD) model. We also present models which are aimed at accounting for the behavior lying between the ballistic deposition and the RSA. (ii) The second type of models corresponds to those which take explicitly the diffusion of the particles in the vicinity of the adsorption plane into account. The results relative to these models, called diffusional models, are discussed in details. Finally, the last part of the review is devoted to experimental results. We show, in particular, that the Langmuir model, which is the most widely used model in the literature to account for the protein adsorption kinetics, does not predict correctly the experimental observations. We present and discuss in a critical way experimental evidence which seems to indicate the validity of the RSA and ballistic models.

Résumé

Cet article présente une synthèse des connaissances dans le domaine des processus d'adsorption irréversible de grosses molécules ou de particules colloïdales sur des surfaces solides. Par adsorption irréversible nous entendons les phénomènes d'adsorption au cours desquels, une fois adsorbée, une molécule ne peut plus ni diffuser en surface ni se désorber de la surface. Nous décrivons d'abord les outils utilisés dans l'étude de ces phénomènes, en particulier la notion de fonction de surface accessible. Nous présentons ensuite quelques résultats généraux relatifs à ces processus d'adsorption. Nous discutons plus particulièrement du lien entre la variance réduite du nombre de particules adsorbées et la fonction de surface accessible. Nous passons ensuite en revue les principaux modèles qui ont été introduits dans la littérature pour rendre compte des phénomènes d'adsorption. Ces modèles peuvent être classés en deux catégories : (i) les modèles qui relèvent uniquement de considérations statistiques et géométriques. Le plus connu et le plus étudié est celui de l'Adsorption Séquentielle Aléatoire (RSA) qui est discuté en détails. Pour les processus dans lesquels la gravité joue un rôle important on utilise le modèle du dépôt balistique. Enfin nous abordons des modèles qui doivent rendre compte de comportements intermédiaires entre le comportement balistique et le comportement RSA. (ii) Le second type de modèles correspond à ceux qui tiennent compte de la diffusion des particules au voisinage de la surface d'adsorption. Les résultats relatifs à ces modèles, appelés modèles diffusionels, sont discutés en détails. Enfin, la dernière partie de cet article de revue est consacrée aux résultats expérimentaux. Nous montrons, en particulier, que le modèle de Langmuir, qui est le plus utilisé dans la littérature pour rendre compte des cinétiques d'adsorption de protéines, ne permet pas une bonne correspondance entre expérience et prédictions théoriques. Nous présentons et discutons de façon critique les indices expérimentaux qui semblent indiquer la validité des modèles RSA et balistique.