lithium

À l'intérieur d'une enclume de diamant, qui comprime l'échantillon avec une force des millions de fois supérieure à la pression atmosphérique, un mince film de lanthane rencontre l'hydrogène. L'hydrogène provient de l'ammoniac-borane – une poudre qui, lorsqu'elle est chauffée, libère son hydrogène comme une éponge libère de l'eau.

En physique nucléaire, une énigme demeurait : pourquoi, parmi les éléments plus légers que le bismuth, seuls le technétium (n°43) et le prométhium (n°61) ne possèdent-ils aucun isotope stable ? Tous leurs voisins du tableau périodique peuvent se vanter d'avoir au moins une variante à longue durée de vie, mais ces deux-là semblent échapper à la règle générale.

Trois minutes après le Big Bang, l'Univers jouait sa première symphonie. C'était la nucléosynthèse du Big Bang — la formation des noyaux légers, où chaque élément sonnait sa note, et le tempo était donné par l'expansion de l'espace.

Certains cristaux se comportent comme un interrupteur : un léger changement de température ou de pression, et les voilà qui passent de conducteur à isolant. C'est ce qu'on appelle la transition métal-isolant (un changement de la capacité à conduire le courant).

Un électrolyte solide n'est pas qu'un simple réseau cristallin, c'est une véritable métropole animée pour les ions. Chaque acte de conduction ressemble à un trajet à travers la ville : il y a de larges autoroutes à faible barrière énergétique, des embouteillages inextricables dans les goulots d'étranglement et des détours piégeux où un ion peut rester coincé.

L'Univers grandit comme une métropole : les galaxies-gratte-ciel s'élèvent sur une charpente invisible faite de matière noire — sa gravité attire les matériaux de construction. Pendant ce temps, l'énergie noire fait continuellement s'étendre la ville elle-même.

Le pendule le plus précis du monde n'est pas une tige d'acier, mais un minuscule noyau atomique. L'isotope thorium-229 possède un état excité particulier : pour y faire passer le noyau, il faut très peu d'énergie — environ celle d'un laser ultraviolet.

L'Univers est un cuisinier génial, et le Big Bang est sa recette parfaite. L'hydrogène a levé comme une pâte aérienne, l'hélium a fondu comme un délice, mais le lithium-7 semble avoir été trop salé : la théorie en prédit trois fois plus que ce que les astronomes trouvent dans les étoiles les plus anciennes.

Le vieillissement d'une batterie ressemble à la fatigue des métaux : la fissure mûrit à l'intérieur bien avant que la pièce ne casse. D'habitude, on découvre le problème quand la capacité chute sous 80 % — mais à ce moment-là, les dommages sont déjà irréversibles.

Le vide quantique ressemble à une mer continuellement agitée par de minuscules vagues. Un électron dans un atome se déplace dans cette mer, et sa trajectoire est légèrement modifiée par les vagues. Auparavant, ces corrections étaient calculées avec précision uniquement pour les ions de type hydrogène avec un seul électron.

Une batterie lithium-ion ressemble à un immeuble de plusieurs étages, où des ions lithium habitent à chaque étage. Lorsqu'on charge la batterie, les ions déménagent d'un étage à l'autre, et tout l'immeuble chauffe un peu. Normalement, cette chaleur se dissipe uniformément, comme un plancher chauffant.

Un couteau de cuisine ordinaire en niobium, à −258 °C, se met soudain à conduire le courant sans la moindre perte. C'est le principe de la supraconductivité, et on peut l'« activer » directement à la surface du métal en la bombardant avec un laser sous atmosphère d'azote.

Une batterie au lithium ressemble à un sandwich : deux tranches de pain sont les électrodes, et entre elles, la garniture est l'électrolyte, à travers lequel les ions lithium font des allers-retours. Dans les batteries classiques, la garniture est liquide, comme une sauce, et peut fuir ou s'enflammer.

Le lithium est comme un thermomètre plongé dans les entrailles d'une étoile. Cet élément léger se détruit à une température d'environ 2,5 millions de degrés, si bien que sa quantité en surface révèle à quel point la matière stellaire a été mélangée en profondeur.

Dans les premières minutes qui ont suivi le Big Bang, l'Univers a préparé un cocktail d'hydrogène, d'hélium et d'une pincée de lithium.

Un filament métallique aussi fin qu'un cheveu traverse la céramique comme une racine qui fissure l'asphalte. Dans les batteries à électrolyte solide, ces filaments sont appelés dendrites, et ils apparaissent lorsque le courant de charge dépasse un seuil critique.

Une batterie au lithium ressemble à une maison avec un débarras : pendant la charge, le lithium entre à l'intérieur, pendant la décharge, il sort. Mais si le débarras est encombré, une partie du lithium reste à l'intérieur pour toujours. La quantité de lithium qui revient dépend du métal dont sont faits les murs du débarras.

Les batteries ont généralement deux bornes : une anode et une cathode. Les ingénieurs tentent de supprimer l'anode des batteries à semi-conducteurs (avec un électrolyte solide) pour les rendre plus légères et plus capacitaires. Lors de la charge, le métal doit se déposer en couche sur le contact, et lors de la décharge, disparaître complètement.

Un fil ordinaire chauffe quand le courant le traverse. Un supraconducteur, non. Mais presque tous les supraconducteurs connus fonctionnent soit à très basse température, soit sous une pression énorme, comme dans les entrailles des planètes. Les scientifiques cherchent depuis longtemps un matériau qui évite ces extrêmes.

Dans une batterie, le lithium se comporte parfois comme du lierre sur une façade : au lieu de former une couche uniforme, il émet de fines excroissances pointues. Ces aiguilles peuvent percer le séparateur à l'intérieur de l'accumulateur et provoquer un court-circuit. C'est pourquoi les ingénieurs cherchent des moyens d'obliger le lithium à croître calmement.

En décomposant la lumière de l'amas du Serpent grâce à la spectroscopie (une méthode qui décompose la lumière en couleurs), les astronomes ont découvert que les étoiles perdent leur lithium dès 35 millions d'années — quatre fois plus tôt qu'on ne le pensait. Cela change notre compréhension de la maturation des étoiles semblables au Soleil. La cause ?

Un matériau magnétique peut être comparé à une foule de minuscules boussoles. Dans un aimant ordinaire, toutes les aiguilles pointent dans la même direction, et les faire tourner toutes d'un coup n'est pas simple. Les physiciens ont trouvé un moyen de le faire à l'aide d'un courant électrique.

Dans une batterie lithium-soufre, le soufre a tendance à se dissoudre et à migrer vers l'autre électrode — la batterie perd sa charge en quelques dizaines de cycles. Pour retenir cette fugitive, on place un film séparateur entre les électrodes. Un film de polyéthylène ordinaire laisse passer les ions lithium, mais les molécules de soufre passent aussi.

Depuis Galilée, on pensait que dans le vide, tous les corps tombent de la même manière. Einstein en a fait un principe : la gravité se propage à la vitesse de la lumière et n'est que la courbure de l'espace-temps.

Un cristal d'un atome d'épaisseur, c'est comme une feuille de papier sur laquelle on peut écrire avec de l'électricité. Un tel matériau pourrait devenir la base de micropuces minuscules et rapides. Mais avant de le lancer dans la production, il faut savoir précisément de quoi il est fait. Et c'est là qu'on découvre que la formule habituelle ne colle pas.

La théorie standard de la supraconductivité, élaborée par John Bardeen et ses collègues, n'explique pas pourquoi d'excellents conducteurs comme l'or et le cuivre ne passent jamais à l'état supraconducteur.

Dans les premières minutes qui ont suivi le Big Bang, l'Univers ressemblait à une cuisinière brûlante. Selon la « recette » du modèle standard de la cosmologie, cette nucléosynthèse primordiale devait produire de l'hydrogène, de l'hélium et un peu de lithium.

Les électrons dans un métal, c'est un peu comme la foule dans le métro : chacun vaque à ses occupations, mais à la moindre poussée, tout le monde bouge d'un coup. Cette oscillation collective du gaz électronique, les physiciens l'appellent un plasmon.

Le diamant n'est pas qu'un simple bijou. Ce cristal peut conduire l'électricité lorsque des porteurs de charge libres y apparaissent : des électrons et des trous. Mais à quelle vitesse se déplacent-ils ? Dans les articles scientifiques, les chiffres varient d'un facteur dix. Un laboratoire rapporte une vitesse de 1000 cm²/(V·s), un autre de 4000.

Un morceau de chrome exposé à l'air se couvre en une minute d'une armure invisible : un film d'oxyde. Ce film protège le métal de la rouille, mais pour une batterie, c'est une catastrophe : le film ne laisse pas passer les ions de chrome, et le courant ne circule pas. Les scientifiques ont mélangé cinq métaux — chrome, bismuth, cuivre, étain et nickel.

Un faisceau d'ions lourds dans un accélérateur ressemble à une foule qui se pousse des coudes : plus il y a de monde, plus la foule s'élargit. Les particules chargées se repoussent, et au-delà de quelques microampères, le faisceau s'étale et perd sa forme.

Pour que deux noyaux atomiques fusionnent, il faut surmonter leur répulsion électrique féroce — comme si l'on tentait de faire s'accoupler deux taureaux furieux. Dans des conditions normales, seule une énergie colossale, comme celle des cœurs stellaires, peut y parvenir, là où Hans Bethe expliquait déjà la fusion dans les années 1930.