更新了发动机部分。 @neverset 在评论里清楚地提到了现状和十二五规划，这个讨论也放上。
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谢邀。知乎是个好平台，不敢胡言乱语。放下手里正在做的电子测试，知乎首答。
汽车几乎涉及所有材料，其中金属对车辆的影响最大，这里默认题主指的是金属类材料。
先上结论，三个字：轻量化。
车子轻了，油耗下降、排放下降、电动车续航里程增加，爽飞了。
下面从车身、传动系、发动机三个方面，大体说说。
图片均来自梅赛德斯奔驰，如侵删。
- 1.车身
上图中，绿色部分是铝合金。注意左边中部的小字，可以发现：要在满足驾驶操作刚度、良好的噪声和振动特性、高度的碰撞安全的前提下，减轻车重。
增加铝合金的比重，是减轻车重的共识。
从基础材料来说，方向有：如何配置铝合金中各金属的比例、使用什么样的热处理工艺、实现什么样的金相，来使合金更强、更轻。这个研究投入巨大、前途不明，一旦成功，对国内工业都是巨大的促进。
从制造工艺来说，铝的焊接、成形，与钢材的工艺大有不同。这个研究难度低一点，已经有成熟的产品了。
全铝车身。
奇迹金属：铝。
金属时尚。
艺术。
上图中，奔驰写出了为什么要绞尽脑汁、锱铢必较地减重。
- 2.传动系
上图为双离合变速器。
齿轮几乎涉及任何工业行业。单从材料方面来说，使用什么样的合金成分、热处理工艺、渗碳渗氮等待，来保证足够的疲劳强度、齿面硬度、加工精度，防止发生齿根断裂、齿面胶合等材料失效现象，都是需要解决的问题。
解决这些问题之后，才是问题的开始：如何减重。
有兴趣的知友可以查查，在国内出售的所有车型中，有哪些用的是国产变速器。
遍地是差距，遍地是研究热点。
- 发动机
发动机有三高：高温、高压、高速，工作条件十分恶劣。
奔驰的V8发动机，应用了新的气缸关闭系统。平时用四个缸，省钱；需要动力了用八个缸，有劲儿。真是机智。
缸内温度有多高呢？下面的突破大家感受下。这还只是排气管的状态。
下图大致表示出气缸里的压力变化。在点火后的瞬时，压力急剧上升，大概十几个大气压吧。
发动机转速指的是曲轴转速，曲轴转一圈，活塞往复一次。如果发动机转速为4000r/min，那么在一分钟之内，每个活塞在气缸里往复4000次。
耐高温容易，耐高压容易，那摩擦也容易。放在一起就不容易了。
单从材料方面讲，需要材料铸造性能好、强度高、高温高压下形变小、耐摩擦。还要轻。
除此之外，发动机还包括配气系统、供油系统、润滑系统、冷却系统和点火系统，加上电控单元，还有燃烧室形状、火焰燃烧形态等等，很复杂。差距不是一点半点啊。
德国的汽车在做的大部分是安全性，稳定性和舒适性方面的研究。对于您说的轻量化也确实是各大汽车商的热卖点，但是他们自身似乎并不在这方面很发力，而是静观其变的态度。
回复的一部分：
没有错，相比于轻量化，碰撞安全和NVH能为主机厂带来更多效益。安全的重要性不言自明，噪声和振动是消费者能直接体验到的。在NVH方面，相对少的投入能够获得较好的用户体验。只能说轻量化的优先级不如安全性和NVH，但不能说轻量化不重要。
十二五规划专门写到了新材料产业，未来的发展会以此为基础。这里摘录一些你看看吧。
国务院关于印发“十二五”国家战略性新兴产业发展规划的通知
“大力发展新型功能材料、先进结构材料和复合材料，开展纳米、超导、智能等共性基础材料研究和产业化，提高新材料工艺装备的保障能力；建设产学研结合紧密、具备较强自主创新能力和可持续发展能力的高性能、轻量化、绿色化的新材料产业创新体系和标准体系”
“2.先进结构材料产业。以轻质、高强、大规格为重点，大力发展高强轻型合金，积极开发高性能铝合金，加快镁合金制备及深加工，发展高性能钛合金、大型钛板、带材和焊管等。以保障高端装备制造和重大工程建设为重点，加快发展高品质特殊钢和高温合金材料。加强工程塑料改性及加工应用技术开发，大力发展聚碳酸酯、聚酰胺、聚甲醛和特种环氧树脂等。”
这是金属材料方面的动向，规划中的时间节点定到了2015年和2020年。
另外，从规划来看，电子电气和新能源汽车，也很需要材料方面的研究突破。
PS：基础材料是我国工业的硬伤，与国外的差距，短时间内难以缩短。基础材料的研究需要海量 资金投入，一般的研究单位做不了。若题主要在汽车和材料方面跨界做点文章，可以从热处理工艺、高压渗入气体、制造工艺（比如铸造、锻造、焊接、镀膜、冲压等（貌似这属于机械制造了。。不过铸造性能、锻造性能应该还是属于材料））这些方面入手，资金和设备需求少一些。
PPS：我是搞车辆的，材料方面也不知道说的对不对路，欢迎指点，共同进步。
— 完 —
本文作者：光临
【知乎日报】
你都看到这啦，快来点我嘛 Σ(▼□▼メ)
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