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在自然界中，其他晶体里也会发生原子取代。纯氧化铝晶体是透明的，但只要其中含有铁原子就会变成蓝色，也就成为俗称的蓝宝石。同理，纯氧化铝晶体包含了铬原子也会变色，成为红宝石。
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从黄铜时代、青铜时代到铁器时代，在文明不断发展中，合金也越来越坚硬。黄铜很软，属于天然矿产，而且容易熔冶。青铜比黄铜坚硬许多，是铜的合金，含有少量的锡，偶尔还包括砷。因此，如果手上有黄铜又知道方法，只需要费一点功夫就能做出强度和硬度都比黄铜高十倍的武器和剃刀。唯一的麻烦是锡和砷非常稀有。青铜时代的人开发了许多精心找出的贸易路线，从康瓦尔和阿富汗等地运送锡矿到中东各文明的中心，就是为了这个目的。
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迷人的材料：10种改变世界的神奇物质和它们背后的科学故事 钢是谜样物质
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我告诉布莱恩，现代剃刀也是合金制成的，而且是一种非常特别的合金，我们的祖先花了几千年还是不了解它——它就是钢。钢是加了碳的铁，比青铜还硬，而且成分一点也不稀有。几乎每块岩石都含铁，而炭更是生火的燃料。我们的祖先不知道钢是合金，更不知道以木炭形式出现的碳，不只是加热和锻造铁的燃料，还能嵌入铁晶体里。炭在加热黄铜时不会产生这种现象，加热锡和青铜时也不会，只有对铁会如此。我们的祖先一定觉得这种现象非常神秘，我们也是在学会了量子力学后，才明白背后的道理。钢里的碳原子并未取代晶格内的铁原子，而是挤在铁原子之间，把晶体拉长。
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还有一个麻烦：要是铁里掺了太多碳，例如比例达到百分之四而非百分之一，形成的钢就会极为易碎，根本无法用来制作工具和武器。这会是很大的麻烦，因为火里的含碳量通常不低，铁加热太久甚至液化后，晶体内就会掺入大量的碳，形成易碎的合金。高碳钢制成的刀剑在战斗中很容易折断。
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一直到20世纪，人类在彻底掌握合金形成的原理后，才明白为什么有些炼钢法行得通，有些不行。过去的人只能靠着尝试错误，找出成功的炼钢法，然后代代相传，而且这些方法往往是行内机密。但这些不外传的方法实在太过复杂，因此就算遭到窃取，成功复制的概率也非常低。某些地区的冶金技术非常闻名，可以制造出高质量的钢，当地文明也因而发达。
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迷人的材料：10种改变世界的神奇物质和它们背后的科学故事 钢铁是珍贵的军事力量
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1961年，牛津大学的里士满（Ian Richmond）教授发现了一处古罗马坑洞，这坑洞大约是公元89年时挖掘的，里头埋了763，840根两英寸长的小钉子（1英寸约合2.54厘米）、85，128根中钉子、25，088根大钉子和1344根16英寸长的超大钉子。所有的钉子都由铁和钢制成的，而不是纯金，大多数人应该都对此蛮失望的，但里士满教授并不会，他一心追问：古罗马军团为什么要掩埋7吨的钢和铁？
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古罗马军团当时在苏格兰一处名叫英赫图梯（Inchtuthil）的地方，驻扎在阿古利可拉将军建筑的前进碉堡里。英赫图梯位于古罗马帝国的边界，军团的任务是捍卫边疆，不让他们视为蛮夷的凯尔特人进犯。
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这支军团在当地驻扎了6年才撤离，同时遗弃了碉堡。撤退前他们想方设法不留下任何有利于敌人的东西，因此销毁了所有粮食和饮水容器，还放火把碉堡夷为平地。但他们还不满意，因为碉堡灰烬中有铁钉残留，铁钉太过珍贵，不能让凯尔特人挖走。古罗马就是靠着铁和钢打造了灌溉渠道、船只与刀剑，从而建立了帝国。把铁钉留给敌人，等于奉送对方武器，因此他们在南撤之前挖了一个大坑，把铁钉都埋起来。除了武器和盔甲，他们可能还带走了一些小铁器，包括代表古罗马文明巅峰的“诺瓦齐力”（novacili），也就是剃刀。靠着诺瓦齐力和手握剃刀的理发师，这群古罗马军人得以仪容整齐、不带胡髭地班师回朝，不跟赶走他们的蛮族混为一谈。
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炼钢有如谜团难以把握，许多传奇因之而起，而不列颠在古罗马军团撤退后的统一及复兴，更与其中一则永恒传奇脱不了关系，那就是亚瑟王的王者之剑。据传那把剑具有魔力，谁拥有它就能统治不列颠。由于当时的刀剑经常折断，让武士在战场上因手无寸铁而无法自卫，所以不难理解一把高品质的钢剑为何能成为文明战胜野蛮的象征。因此，炼钢过程当然高度仪式化，而这也解释了古人为何觉得钢铁具有魔力。
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这情况在日本最为明显。铸造武士刀不仅需要数星期的时间，而且是一种虔诚的仪式。天丛云剑是日本名剑，武尊倭建命靠着它呼风唤雨，击败敌人。虽然故事中掺杂了许多幻想故事与仪式，但某些刀剑能比其他武器更硬、更利十倍，却不是神话而是事实。15世纪时，日本武士制作的钢刃已经独步全球，而且称霸世界五百多年，直到20世纪冶金科学大幅跃进才被超越。
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迷人的材料：10种改变世界的神奇物质和它们背后的科学故事 武士刀完成不可能的任务
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武士刀使用的特殊钢材称为玉钢，是由太平洋火山铁砂制成的。这些铁砂的主要成分为磁铁矿，是制作指南针的材料。炼造玉钢的土炉称为“吹炉”，宽、高各1.2米，长3.6米。首先在吹炉里“点火”，让黏土变硬，成为陶瓷，接着再仔细铺上数层铁砂和黑炭，让它们在吹炉里焖烧。整个过程大约费时一周，需要四到五人轮流照看，并用风箱把空气灌入炉内，确保炉火温度够高。最后工匠会把瓷炉敲碎，从灰烬和残余的铁砂及炭屑中取出玉钢。这些钢料的颜色晦暗，非常粗糙，但特点是含碳量的范围很广，有些很低，有些很高。
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日本武士工匠的创新之处在于有能力分辨高碳钢和低碳钢，前者硬而易碎，后者软而强韧。工匠完全凭借外观、触感和撞击时的声音来判断两者。一旦分类完成，他们就用低碳钢制作刀身，让刀非常强韧，甚至有弹性，在打斗中不会轻易折断。至于刀锋则使用高碳钢来制造，它虽然易碎但非常坚硬，因此可以磨得极为锐利。工匠用锐利的高碳钢包覆强韧的低碳钢，以此完成了许多人眼中不可能完成的任务，制作出的武士刀，经得起与其他刀剑对砍、耐得住和盔甲碰撞，且常保锋利，能轻松斩人首级。这种武士刀是两全其美的最佳武器。
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人类直到工业革命，才有能力制造出比武士刀更强且更硬的钢料。这一回轮到欧洲国家开始进行更大、更夸张的工程，例如建造铁路、桥梁和船舰，而他们使用的材料是铸铁，因为铸铁可以大量制造，并可以使用模具铸形。只可惜铸铁在某些状况下非常容易破裂。由于工程越来越宏大，使得破裂意外越来越常发生。
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最严重的一次意外发生在苏格兰。1879年12月28日晚上，全球最长的铁道桥——泰河桥突然被冬季强风吹垮，致使载有75名乘客的客运火车坠入泰河，所有人均不幸罹难。这场灾难证实了许多人先前的疑虑：铸铁不适合兴建桥梁。现在不仅需要做出和武士刀一样强韧的钢材，而且必须能大量制造。
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