L'eau et le métal forment un duo que l'humanité utilise depuis deux cents ans, mais qu'elle n'a toujours pas appris à maîtriser complètement. Dans une pile ordinaire, l'électrode de zinc se dégrade peu à peu : lors de la charge, le métal se dépose en excroissances irrégulières, semblables à des cristaux de givre ramifiés. Une seule de ces excroissances, en atteignant l'autre électrode, provoque un court-circuit, et la pile meurt. Des chercheurs tchèques et allemands ont trouvé un moyen de maintenir le zinc dans les limites de la bienséance : ils ont recouvert l'électrode d'une grille d'or de quelques atomes d'épaisseur.
La grille agit comme un tableau de distribution pour les électrons. Dans une pile classique, le courant se concentre en des points aléatoires où le zinc commence à croître le plus rapidement. La grille d'or, étant un excellent conducteur, disperse les électrons sur toute la surface, les empêchant de s'accumuler en un seul endroit. Parallèlement, les pores de la grille restent ouverts, et les ions zinc la traversent librement, comme l'eau à travers un tamis grossier. On pensait auparavant qu'il fallait soit isoler l'électrode du liquide, soit contrôler la croissance de manière ponctuelle, mais ici, pour la première fois, les deux approches ont été combinées en une seule structure de moins de dix nanomètres d'épaisseur.
Pour vérifier l'idée, les scientifiques ont assemblé des cellules symétriques où les deux électrodes étaient en zinc, mais l'une d'elles était recouverte de la grille d'or. La paire ordinaire a provoqué un court-circuit après 210 heures, tandis que celle avec la grille a fonctionné 3000 heures, soit quatorze fois plus longtemps. À courant élevé, l'écart est encore plus marqué : 1100 heures contre 17. Les calculs ont montré que la grille non seulement égalise le champ électrique, mais retient aussi plus fermement les atomes de zinc en place, ce qui signifie qu'ils se déposent en couche uniforme au lieu de former des aiguilles.
Avant ces travaux, on ne savait pas comment redistribuer simultanément les électrons sur toute la surface tout en préservant un accès libre aux ions. Il semblait que l'un empêchait l'autre : un revêtement dense bloque les ions, tandis que des particules éparses ne forment pas un réseau conducteur continu. La grille d'or a résolu cette contradiction, car elle est continue pour les électrons et perforée pour les ions. Désormais, il est clair que la clé d'une anode de zinc stable ne réside pas dans l'isolation, mais dans le contrôle de la répartition spatiale de la charge.
L'utilité pratique est déjà visible : dans une batterie complète avec une cathode en oxyde de vanadium, la capacité après cinq mille cycles est restée à 80,8 pour cent, alors que sans la grille, elle est tombée à 49,7 pour cent. Un tel résultat est important pour les accumulateurs d'énergie stationnaires, où les batteries doivent durer des années. Bien sûr, l'or est un matériau coûteux, mais la grille est si fine que sa quantité par électrode se compte en milligrammes. Et si l'on remplace l'or par de l'argent ou du cuivre, le principe reste le même : un tableau de distribution pour les électrons qui ne gêne pas les ions.
Le givre sur une vitre se forme là où il y a une minuscule rayure ou une poussière. Le zinc dans une batterie se comporte de la même manière, mais la grille d'or efface ces points de croissance aléatoires, transformant une accumulation chaotique en un revêtement calme et uniforme. L'eau et le métal sont enfin parvenus à un accord.
L'épaisseur du treillis d'or n'est que de 5 à 7 nanomètres, soit environ 10 000 fois plus fin qu'un cheveu humain. Pourtant, il peut supporter des courants allant jusqu'à 100 mA/cm², ce qui équivaut à charger un smartphone en quelques secondes.
L'idée de contrôler la croissance des cristaux à l'aide d'un treillis conducteur évoque le concept de « surface intelligente » de la science-fiction, où le matériau guide lui-même les processus à l'échelle atomique. Dans le roman de Neal Stephenson « Le Samouraï virtuel » (The Diamond Age), des structures nanotechnologiques contrôlent la croissance des cristaux, ce qui fait écho au principe de fonctionnement du treillis d'or.