El debut de Émilie como escritora fue el 1736 con el prólogo que hizo de la obra La fábula de las abejas de Bernard Mandeville que ella misma tradujo.

En 1737, va publicar l'obra Disertación sobre la naturaleza y propagación del fuego., obra basada en su investigación sobre el fuego, que predijo lo que hoy en día se conoce como radiación infrarroja y la naturaleza de la luz.

Su libro "Institutions de Physique" salió el 1740 y fue presentado como una revisión de las nuevas ideas científicas y filosóficas que su hijo debía estudiar, pero incorporaba e intentaba conciliar ideas complejas de los pensadores líderes de la época. En esta obra, combinó las teorías de Gottfried Leibniz y las observaciones prácticas de Willem Jacob s Gravesande para demostrar que la energía de un objeto en movimiento es proporcional a su masa y el cuadrado de su velocidad ( E ~ mv^2), y no directamente proporcional a esta última como pensaban Isaac Newton, Voltaire y otros.

Cuando Albert Einstein reveló su famosa ecuación de la energía de la materia E = mc2 (donde c representa la velocidad de la luz), correspondió perfectamente con el principio encontrado por Émilie du Châtelet 150 años antes. Con la publicación de esta obra le fue concedido el nombramiento como miembro de la Academia de Ciencias de Bolonia.

Años después escribió el "Discurso de la felicidad", obra autobiográfica que no fue publicada hasta el año 1779, donde volvía a hablar de las mujeres, entre otras cosas.

El año de su muerte completó la obra reconocida como su hito más destacado en la que había empezado a trabajar el 1736: su traducción al francés, con un comentario propio, de "Principios matemáticos" de Newton, extrayendo los principios de la mecánica postulados por Newton una noción sobre la conservación de la energía. La edición la acompañó de una extensa introducción que la hacía más comprensible y de unos apéndice matemáticos donde resolvía las ecuaciones diferenciales propuestas por Newton, después de haberlas revisado con el matemático Alexis Claude Clairaut. Esta traducción aún es actualmente la traducción estándar de la obra al francés.

Du Châtelet y Voltaire habían conocido en su infancia en uno de los salones de su padre, el propio Voltaire recordó detalles de su reunión de 1729, cuando volvió de su exilio en Londres. Sin embargo, su amistad comenzó en serio en mayo de 1733, tras su reincorporación a la sociedad después del nacimiento de su tercer hijo.

Du Châtelet invitó a Voltaire a vivir en su casa de campo de Cirey-sur-Blaise, en Haute-Marne, al noreste de Francia, y se convirtió en su compañera durante mucho tiempo. Allí ella estudió física y matemáticas y publicó artículos científicos y traducciones.

En mayo de 1748, Du Châtelet comenzó un romance con el poeta Jean François de Saint-Lambert de quien quedó embarazada. En una carta a un amigo, le confió sus temores de que ella no sobreviviría al embarazo. En la noche del 3 de septiembre de 1749, dio a luz a una niña, Stanislas-Adélaïde, pero Du Châtelet murió una semana después de una embolia pulmonar a la edad de 42 años. Su hija murió unos dieciocho meses después..

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